华中科技大学电机学课程设计

1、电机学课程设计单绕组变极双速异步电机学院电气与电子工程学院专业电气工程及其自动化班级学号一U201111954姓名日期2014年2月20日成绩.指导教师-周理兵电机学课程设计任务书201107 班-周理兵组 19 位同学用） 2014.1.10课题：单绕组变极双速三相交流绕组设计 说明：一台三相鼠笼型交流异步电动机，定子一套绕组，若采用绕组（引出线） 改接变极调速实现双速运行，则称为单绕组变极双速交流绕组。任务要求：（1）定子 48槽， 4/8 极，采用双层叠绕组，支路数、相带和节距自选；（2）绕组引出线 6 根；（3）画出两种极数下对应的槽电势星型图和三相绕组联接图；（4）根据所选节距和绕组

2、方案，分析两种极对数下气隙基波磁密关系；（5）计算两种情况下相应的绕组系数，并分析谐波情况。* 每位同学必须独立完成设计和提交报告；设计报告必须在下学期开学第一周五下午 5 点钟之前交到电机楼 202；若设计报告出现雷同（含部分雷同） ，则相互雷同的同学均取消成绩17目录题目分析】 1变级原理】 1接线方式】 2绘制槽电动势星型图】 3分相】 4节距的分析与确定】 4绘制绕组展开图】 5分析气隙基波磁密】 8绕组系数与谐波分析】 9小结】 9【题目分析】三相鼠笼型交流异步电动机，转子是鼠笼型，其相数、极对数自动与定子 保持一致，异步电动机的转差率s= 3，又因为s很小，这样n -比二竺。由P

3、此可见，当极对数改变后，异步电动机的转速会发生改变。【变级原理】参见课本电机学（第三版）中P262-P263有如下的变极原理。如图1.1有一个四级电机的A像绕组示意图，在如图的电流方向 a1x1 f a2x2下，它产生了磁动势基波级数 2p=4。如图1.2改接，即al与x2连接作为首端A，x1与a2相连接，作为末端 X,则它产生的磁动势基波极数2p=2，这样就实现了单绕组变极。图1.1变极原理2p=4图1.2变极原理2p=2注：（a） （b）两个图 只是说明变极的原理，本题目中单绕组变极双速要 求引出线是6根，所以其接线不能按照以上的简单方式。应该让 X，丫，Z三个末 端连接起来，当处于8极时

4、选取a=1,使其在A-X的中间引出一根导线作为 A1, 当A、B、C接三相电，此时电动机处于8极，慢速运行。当将 A、B、C短接， A1、B1、C1接三相电，这样电机就处于 4极，高速运行。具体如下：【接线方式】常用的单相变极方式有反向法变极和换相法变极，其中反向法变极的接线 方式更为简单，更为常用以丫/YY变极接线方式为例简单说明：A相黄色A1B相绿色C相红色蓝色为图1.4 Y/YY变极法见课本P263图图1.3 三相绕阻变极接线方式实例（丫/YY变极）说明1图中虚线表示可能有多个元件相串联，此图仅画出两个表示原理; 2图中蓝色线表示将三相的末端 XYZ连接起来的线。3图中的箭头表示在ABC

5、接三相电时电流的方向4.具体的绕组展开接线见后面的图1.10.参见课本电机学（第三版）中P262-P263有如下的变极接线方式图1.4左侧Y接， 2p对极，A、B、C接 电源。图1.4右侧YY接, p对极，A、B C短接， A1、B1、C1接电源。图1.5左侧接， 2p对极，A、B、C接 电源。图1.4右侧YY接, p 对极，A1、B1、C1 短接，A、B、C接电源。图1.5 /YY变极法参见实用电机设计计算手册中，P47页说明了对于双速倍极比4/8， 般采用的是单绕组，反向法变极，绕组的接线方式有丫丫伫，YY/Y等。【绘制槽电动势星型图】虚槽数Zi = uZ = 2 X48 = 96每一个元

6、件有两个元件边，每一个换向片同 时接有一个上元件边和一个下元件边， 元件数S与换向片数K相等；又由于每 个虚槽亦包含上、下两个元件边，即虚槽数也与元件数相等： S= K= Zi = 96表1.1极数分别为4和8时各参数槽数并联 支路a极数2p极距T相数mqaa 15 a 17a 1482412347.5157510548186327.530150210图1.6 4极槽电动势星型图（30°相带）图1.7 8极槽电动势星型图（60°相带）【分相】表1.2 电机在4极各相带线圈分布表(30°相带)S1N1AZBXCY1,2,25,263,4,27,285,6,29,30

7、7,8,31,329,10,33,3411,12,35,36S2N2AZBXCY13,14,37,3815,16,39,4017,18,41,4219,20,43,4421,22,45,4623,24,47,48表1.2 电机在8极各相带线圈分布表(60°相带)S1N1S2N2AZBXCYAZBXCY1,23,45,67,89,1011,1213,1415,1617,1819,2021,2223,24S3N3S4N4AZBXCYAZBXCY25,2627,2829,3031,3233,3435,3637,3839,4041,4243,4445,4647,48【节距的分析与确定】若接入

8、的三相电不是标准的正弦波，可以将其傅里叶分解为：基波+3次谐波+5次谐波+7次谐波+9次谐波+，由于三相对称绕组，所以在其绕组中不 能通过3次谐波以及3的倍数次谐波，那么这个电机的设计时在第一节距的选择 的过程中主要考虑减小5次谐波和7次谐波。以下公式同样的适用于基波。谐波相电动势的有效值为：?= ?>?第v次谐波的绕组系数为：?= ?亠亠 ? ?、第v次谐波的短距系数为：?= ?-)?2? ?第v次谐波的分布系数为：.?= ?-第v次谐波的槽距电角：v ?为了消除5,7次谐波，可以使得？?= ?) = ?这样得出屮=(1 - 1? t在4极t = 12时，要消除5次谐波可以使用yi =

9、 (1 - ? t = 81要消除7次谐波可以使用y1 = (1 - 1? t 105为了同时削弱5次和7次谐波可以使用y1 = ?= 10在8极T = 6时，要消除5次谐波可以使用yi = (1 - ? T - 51要消除7次谐波可以使用yi = (1 - ? t -5为了同时削弱5次和7次谐波可以使用yi = ?= 5以上说明了不能同时在4极和8极采用同一种节距来消除谐波，这就要综合 考虑，取整节距是不能减小谐波的，长距和短距相比一般选择短距，因为长距比 较浪费导线，选取对于极距为6时，可以考虑节距为4, 5,对于极距为12的可 以考虑节距为7, 8, 9, 10, 11。同时考虑到基波的

10、幅值。使用上面的公式计算 各参数如表：极数2p极距?第一节距短距系数？?？分布系数？?？绕组系数？?？表1.2极数、节距不同时对应基波和谐波绕组系数表谐波次数基波(15° ,30° )5 次谐波(75 ° ,150 ° )7次谐波(105° ,210 ° )系数 参数节距y1短距 系数?分布 系数?绕组系数?短距 系数?分布 系数?绕组系数?短距 系数?分布 系数?绕组系数?极数50.6090.9580.583-0.1310.205-0.027-0.991-0.1580.156p=470.7930.9580.760-0.9910.20

11、5-0.2040.131-0.158-0.021极距80.8660.9580.829-0.8660.205-0.1780.866-0.158-0.136t=1290.9240.9580.885-0.3830.205-0.0790.924-0.158-0.146每极100.9660.9580.9250.2590.2050.0530.259-0.158-0.041每相4110.9910.9580.9490.7930.2050.163-0.609-0.1580.096极数50.9660.9660.9330.2590.2590.0670.259-0.259-0.067p=870.9660.9660.9

12、330.2590.2590.0670.259-0.259-0.067极距80.8660.9660.837-0.8660.259-0.2240.866-0.259-0.224T =690.7070.9660.683-0.7070.259-0.183-0.707-0.2590.183每极100.5000.9660.4830.5000.2590.129-0.500-0.2590.129每相2110.2590.9660.2500.9660.2590.2500.966-0.259-0.250根据上表格的计算结果。首先要考虑到基波的绕组系数要较大，其次再考虑5次谐波和7次谐波的绕组系数要较小。综合4极和8

13、极使得其基波的绕组系数都 在0.8以上，与此同时，其5次谐波和7次谐波的绕组系数在0.2左右。所以将 节距定在8是最合适的。【绘制绕组展开图】在本次设计中，在8极时，我选取的并联支路数是 a=1，在4极时，我选取 的并联支路数是a=2,参见上面的图1.4和图1.5两种变极接线方式，这里我选 取Y/YY变极接线方式来说明，根据上面分析的节距为 8和选择可以画出其绕组 展开图。线圈连接表可以根据槽电动势星型图和选取的节距来确定单绕组变极双速异步电动机绕组展开图可以根据线圈连接表来确定表1.3 8 极时线圈连接表（a=1）跟据上面的接线可以顺利地得到在三角形状态下的Y/YY接线如下图1.8 丫 接，

14、8极，A、B、C接电源a=15,612,11 1Z1824.2329.303&P3S 41.4248P47B一W一74一亠、门、W八一¥几一勺'八” Y甲C19f1016r1521f2228f2733r34 如旳 45,463,4C h 扎VW_VVV-WvW_VAVW*图 1.9 YY 接，4 极，A、B、C短接，A1，B1，C1 接电源 a=2注：凡是数字左大右小是从首端连接，反之亦然。在丫/YY接法中，三相的末端 XYZ直是连接在一起的，只不同的是在 丫连 接中从ABC接入三相电，在丫丫连接中将ABC短路，从A1、B1、C1接入三相电。 下面将画出其三相双层叠绕

15、组展开图：【分析气隙基波磁密】参数选择如下：节距 ?=8槽数 Z=484 极并联支路 a=2整个电机绕组总匝数8 极并联支路 a=1?相绕组串联匝数？?=每个线圈的匝数 ？?=1 元件的个数S=48整个电机绕组总匝数=S*?=48第v次谐波相绕组磁动势的幅值为：？禺?= -?第V次谐波的绕组系数为:?= ?第V次谐波的短距系数为:第V次谐波的分布系数为:?=?、?-)? ?-?这个磁场是脉振磁场，多个导体产生的该波形类似于正弦波，但是可以绕组中通入电流，电流产生了磁场，磁场相互叠加，继而可以产生合成磁动势波形， 使用傅里叶分解。相绕组磁动势波的傅里叶极数展开式可以表示为:? V ? ? = ?

16、V?' 1?=?,?,?三相绕组流过的电流分别为：?= V?= v?(?)?= v?-?(-?)A、B、C各相绕组脉振磁动势基波为?= ?2 ?= ?- ? ? ?)?= ?- ? ? ?)三相基波磁合成磁动势： 忍?？ ?)=预?+?+? ? ?F1 为三相基波合成磁动势的幅值：？?二需?？?？= ?= ?V；?在4极，气隙基波磁动势幅值:?(?+?)?整个电机绕组总匝数?在8极，气隙基波磁动势幅值:?=?/? ? ?整个电机绕组总匝数? ?+? ? ?由此可见，两种状态下的气隙基波磁动势幅值只与相绕组分布系数？?有关，根据上面的公式，表格中列出参数，可以看出在4极时，基波磁动势的绕

17、组 系数为0.829，在8极时，基波磁动势的绕组系数为0.837 。可以得出在8极时 基波磁密稍大于在4极时的基波磁密。相差不大。表1.2极数、节距不同时对应基波和谐波绕组系数表谐波次数基波(15° ,30 ° )5 次谐波(75 ° ,150 ° )7次谐波(105° ,210 ° )系数参数节距yi短距 系数?分布 系数?绕组 系数?短距 系数?分布 系数?绕组 系数?短距 系数?分布 系数?绕组 系数?极数50.6090.9580.583-0.1310.205-0.027-0.991-0.1580.156p=470.7930.9

18、580.760-0.9910.205-0.2040.131-0.158-0.021极距80.8660.9580.829-0.8660.205-0.1780.866-0.158-0.136t=1290.9240.9580.885-0.3830.205-0.0790.924-0.158-0.146每极100.9660.9580.9250.2590.2050.0530.259-0.158-0.041每相4110.9910.9580.9490.7930.2050.163-0.609-0.1580.096极数50.9660.9660.9330.2590.2590.0670.259-0.259-0.067

19、p=870.9660.9660.9330.2590.2590.0670.259-0.259-0.067极距80.8660.9660.837-0.8660.259-0.2240.866-0.259-0.224T =690.7070.9660.683-0.7070.259-0.183-0.707-0.2590.183每极100.5000.9660.4830.5000.2590.129-0.500-0.2590.129每相2110.2590.9660.2500.9660.2590.2500.966-0.259-0.250【绕组系数与谐波分析】同样的根据上面的表格可以得出谐波的绕组系数如下表: 表1.3 基波和谐波的绕组系数表绕组系数？?？极数基波5次谐波7次谐波40.829-0.178-0.13680.837-0.224-0.224第v次谐波相绕组磁动势的幅值为：