Y160M-6电机的设计

1、一.笼型三相异步电动机基本运行原理1.1相旋转磁场的产生三相异步电动机的定子绕组由 3个独立的相绕组组成。当绕组中通以三相交流电时，电动机内部就产生旋转磁场。异步电动机由静止变化到转动，它的根据就在于 电动机内部的旋转磁场的产生，绕组中通以三相交流电则是产生这个变化的条件。现在我们来详细的讲解三相旋转磁场的产生原理以及它与转速有什么关系。设一 只6槽2极三相异步电动机。定子绕组的三个相线圈接在三相电网上 兀、3兀/2、2兀五个瞬间，电流情况分别是i u=0、i v=-3I m/2、i 后31mi V=| m、i V=i w=-I m2,i u=0、i v=-3I m/2、i w=-3I m/2

2、,i U=-| m i V=i W=l n/2,i U=-| m lv=i w=-| n/2,i U=0、i v=-3I m/2、i W=3l m/2我们规定，定子每相绕组电流自“头”Ui, Vi ,W)流入为正，自“尾”(U2,V2, W 流入为负。同时以 “X”号代表流入纸面方向，".”号表示流出纸面方向。应用前面所叙述的，可确定三相定子绕组于0,兀/2,兀，3兀/2, 2兀五个瞬间所产生的合成磁场。绕组中通以三相电流，电动机内部就会产生一个幅值不变的旋转磁场 这磁场沿气隙圆周基本上是按正弦波分布的，幅值不变指的是旋转时磁场正弦波振幅不变。而电流在时间上变化半周，磁场在电机内部空

3、间正好转过半个圆周.对于2极电机，半个圆周正好正好是一个极距（沿电机气隙圆周量得的相邻两极中心的距离叫极距，以符号t表示）.因此，电流变化一周，磁场正女?转过2个极距；电流每秒变化f 周，磁场每秒即转过2f个极距.考虑到2极电机一个圆周等于2个极距，所以2极电动机 旋转磁场的转速ni为n1=2f/2（转/秒） 或n1=120f/2（车专/分）从普通情形来看，如果以砧示电机白极对数，则电机空间一个圆周将等于 2P（极 数）个极距.因此，旋转磁场转速 必普遍公式是：n1=120f/2p=60f/2p（ 转/ 分）通常N叫做电动机的"同步转速".以交流电频率f=50赫（周/秒）代

4、入，得2,4,6,8,10 极异步电动机的同步转速分别是3000,1500,1000,750,600车专/分。1.2转矩的产生及其大小在一个2极旋转磁场以反日针方向转动.笼型转子处于磁场内，每根导条（铜或铝制成）必然会切割磁力线而产生磁感应电势，从而产生电流。感应电流的方向可以用右手螺旋定则确定。转子导条既然带有电流，又处于磁场中，必然要受到力的作用。力的方向可以用 左右定则确定。异步电动机的转矩就是由全部导条所受作用力的总和产生的。这个 转矩将驱使转子跟着旋转磁场按同一方向转动。由于这个道理，就很容易想到，电机气隙圆周上产生的全部磁通越大，转矩必然越大；转子中产生力的作用的全部导条电 流越大

5、，转矩必然越大。我们以献示电动机的转矩，表示每极磁通量，m2表示转子绕组相数，W2表示转子 绕组每相串联匝数，I 2表示导条电流，Kdy2表示转子绕组系数.则有如下关系： M=pO mwd 2 Kly2式中，m 2W2I 2Kdy2为转子全部导条电流的有效匝数.符号“三”表示正比的意思。实际上由于漏磁通的影响，转子电流并不能全都起力的作用。计算产生力作用的转子电流即转子电流的有功分量时应乘桑一个小于1的因数COS 42 （称为转子功率因数）,再算入比例系数，即得到以下关系：1M=2 P nwI 2Kdy2上式中，m,W2, K dy2都是转子绕组的参数。实际改绕时我们饶的是定子绕组，它 也有相

6、应的参数m,Wl, K dy2。由于电动机内部定，转子电流及其绕组参数在数量上有一定联系，因此可把上式中mi,W2, K dy2用m,Wl, K dy2代替。不过由于代替后m和W2, K dy2数量上白不同，1 2在数量上也要作一定变动。若以 I 2表示变动后的转子导条电流，我们就可以得到最后的关系式M=2 P R2WI 2Kly2二.三相笼型感应电动机电磁设计2.1 主要尺寸和气隙的确定主要尺寸和计算功率定子铁心内径D1及有效长度l ef是感应电机的主要尺寸。在前面已经导出决定电机主要尺寸的基本关系式26.1Dil|ef=3pKnm Kdp1LABp p7=7Ca(2.1)其中感应电动机的计

7、算功率p'为P =m E1 11由于感应电动机的额定功率为Pn = mU n 11 COS比较上式，则有(2.2)Pn(2.3)由感应电机的基本方其中，曰/Un为感应电动机定子绕组“满载电动势”的标么值。程可知U N=-E1+I 1Z1=-E1 + (I 1P+I U(R 1+jX a1) = -E 1+I 1PR1+jXa1| p+I 1q+j 1qXq其中，I 1P、I 1Q为定子电流的有功分量和无功分量。在一般情况下，相量图（见图1）所示的 小与Ei两相量间的夹角 a=0,因此，可以近似地认为定子绕组满载相电动势E1和外施相电压 U之间存在着下列关系：后口-。iR+IlqXal）

8、两边除以LN0,得Kb= 1- £ l（2.4）式中，£ L = （| 1PR1 + I 1QXa1）,即等于定子绕组的漏阻抗压降标么值，而 （1- £ L）则等 于满载电动势的标么值，称为电动势系数。(2.5)将式(2.4)代入(2.3),则有P =(1- L)Pncos式中效率刀和功率因数cos可取设计任务书中规定的数据。但是在电机设计计算之前，定子绕组的电阻和阻抗均为未知数，因而（1- £L）还不能按式（2.4）算出,此时可假定一个（1- e L,）值，它随功率增大或极数减少而略有增大，可用下列经 验公式先作估算：2 极小型电机1-£L&

9、#39; =0.92+0.00866lnP n非 2 极小型电机 1- e l，=0.931+0.0108lnP N-0.013p中型电机 1- e l ' =0.892+0.0109lnP N-0.01p上列3式中，额定输出功率的单位为KVV p为极对数。2.2 电磁负荷的选择式（2.1 ）中。P可由式（2.5）求出ap'、Knm必等各量一般只在较小的范围内变化，因而对功率和转速一定的电机，其主要尺寸D1和lef基本上将由电磁负荷A和Bs值的大小来决定。电磁负荷对电机性能和经济性的影响在前面已做了详细的分析。磁化电流J0.92pFo。每极磁势Fo主要来克服气隙磁压降Fd,也即

10、Im主要决定于 Bs,因I MI kw正比于Bs/A,选取较高的B s或较低的A,则X减小，电机的起动转矩、最大转矩将增加。设计感应电机的时候，电磁负荷A和Bs值是根据制造和运行经验所积累的数据来选取的。对于中小型电动机通常取线负荷A在15 103A/m气隙磁密Bs在0s5范围内；大型感应电动机的 A和B,可略高。2.3 主要尺寸比入的选择在前面已经对尺寸比入做了详细的介绍，同时给出了大致的数值范围。对于中 小型的感应电机，定子外径D也是较重要的的尺寸。 D的确定要考虑硅钢片的利用。根据我们目前生产的硅钢片的规格，规定了标准外径。对于一定的极数，定子铁心外径D与内径Di之间存在着一定的比例关系

11、，表4-1列出了三相感应电动机的Di/Di值，比值的变动范围一般在0.5左右。2.4 主要尺寸的确定根据电机的计算功率 P'和车t速n,在充分考虑采用的材料、结构、工艺等因素后，参考工厂实际生产经验，选择电磁负荷 A和B,值，从公式（2.1）可算出Di' lef并令它等于 V（单位为m3）:2Dh=；a6.1K NM K dp11ABP=VN式中&附 气隙磁场的波形系数，是有效值与平均值之比。在一般情况下，气隙磁场的波形决定了电动势的波形。因此有时也称电势波形系数。当气隙磁场波形为正弦波时，KN=1.11 ;当气隙磁场波形因铁心饱和而呈非正弦时，定子绕组中也感应出非正弦

12、的电势，此时电势有效值比于1.11Kdp B3+1 （其中Kdp1、&P2为奇次谐波的绕组系数，B1、R、R.为奇Kdp1B1次谐波磁密幅值，而平均值却随饱和而增加得较快，因而波形系数为下降曲线。A 计算极弧系数，是气隙磁密平均值与其最大值之比，ap =B虫，若电机铁心不饱和，气隙磁密分布呈正弦形时，ap=2/兀=0.637 ,考虑到一般电B铁心稍有饱和，设计时 ap'可初步取为 0.660.71 。K 定子基波绕组系数，可根据选定的绕组型式、槽数和节距算出，在绕组设计前，对双层短距绕组，可先假定1=0.92 ,对于单层绕组，可先假定1=0.96 。其次，参考表2选择适当的入值

13、，因l ef =入。=兀Di/2P，则有Dilef=Di 入入兀 Di/2p=V便可求出(2.5)这是初步计算出的定子铁心内径，参考表3的D比值算出D,再按照标准外径调整Diolef2Dia最后，根据调整的 Di求出以 V上面是确定电机尺寸的一般过程。在实际生产中，对于感应电动机已积累了丰 富的时间经验，设计时往往只需要参考同类型、相近规格电机的尺寸，针对所设计 电机的材料、结构、工艺特点等因素，直接初选其定子铁心外径、内径和长度，进 行核算调整，最后加以确定。2.5 空气隙的确定通常气隙8的选取尽可能的小，以降低空载电流，因为感应电动机的功率因数 cos 主要取决于空载电流。但是气隙不能过小

14、，否则除影响机械可靠性外，还会 使谐波磁场及谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗 增加，进而造成较高温升和较大噪声。气隙8的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。因为机座、 端盖、铁心等在加工和装配时都有一定偏差；而轴承的直径和轴承间的距离决定了 轴的挠度；定转子装配在一起后，定子铁心内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙 的不均匀度，其值对电机运行性能有很大影响。2p=6PNIkw= mU =6.58Ay =86%cos?=0.78级Tm2.0Ist 6.5,Tst2.0三.三相笼型感应电动机电磁设计数据计算1.1额定数据与技术要求：电机的型号 Y160M

15、-6额定功率Pn=7.5千瓦额定频率fN =50赫额定电压及接法Un=380伏1-A极对数：相数： m=3功电流效率：功率因数：绝缘等级： B最大转矩倍数起动性能：起动电流倍数起动转矩倍数主要尺寸及冲片定子外径：D1=0.26m定子内径：Di1=0.18m铁心长 l=0.145m气隙： g=0.4mm转子内径:D i2=d=0.06mm转子外径Dzi 36Z233b01 3.8mm h012=0.179mm定子槽形采用斜肩园底梨形槽0.8mm bs1 7.4mm1 30ors15.1mmhs11hs12 16mm转子采用斜肩园底槽b02 1mm h02 0.5mm bs2 4.2mm2 30&

16、#176; hs21hs22 25mm确定主要尺寸2.1mm满载电势标么值K'B=0.0108InPN- 0.013P+0.931 =0.914定子的每级槽数Zp1=Z1/2p=36/6=6Zp2=Z2/2p=33/6=5.5A 取 26000A/m B。取 0.67T a'p=0.68 K'Nm=1.10K'dp1=0.96气隙的确定定子齿距 t1 = Tt D1 /Z1 = 0.0157m转子齿距 12=兀 B /Z2=0.017m极品巨 t = % D1 /2p=0.0942m铁心的有效长度lef=V/ (D1 D1)=0.144m1.2数据计算1.2.1

17、 每相串联导体数1 1=I kw/ cos =9.81AN 1 = cosDnA/m1 |kw =499取并联支路a1=1可得每槽导体数m1a1 N 1Ns1 '=41.6Z1于是每线圈匝数为41定子每相串联匝数Ni= N 1 /2=249.5取2491.2.2设计定子梢形定子槽采用梨形槽初步取Bi1 =1.4T得定子齿宽 t1Bb11 0.0079kFeBi1初步取bj1=1.25T得定子轲部计算高度ap'B2KFeBj1=0.032槽满率槽面积 As=2r21 b11有效槽面积2AefAsr2i(hs h) =0.0001602Ai =0.0000145.1槽满率SfNii

18、NsiddAef0.77符合标准绕组系数KdiKdpiqa Sin - 2- 0.9112 其中 a aqsin2KdiKpi =0.9598p2=30。Zi转子槽形与转子绕组转子导条电流|2' Kili'3Z2380初步取转子导电条电密JB'=3.5A/mm 2于是导电要截面积,|2'2Ab =108.6mmJb'初步取Bi2'=1.3T估算转子齿宽、t2Bbi2 =0.110m2KFeB'j2初步取B'j2=1.25T估算转子轲部计算高度h'j2a'pB'0.0480m2KFeBj2齿壁不平行的槽齿宽计

19、算2,.D2 2 (h02 hi2 h22)bi21 3=0.02076mSZ2导条截面积(转子槽面积)As(b02bi2r22)hi2 bi2h22 =0.13175 m22估算端环电流,、,、 Z2I R I 2=665.6A2 P端环所需面积八、I'R2A r =317 mmJ'r-2J' R=0.6J' B=2.1A/mm1.2.3磁路计算计算满载电势初设K'b (1'l)=0.927 得E1(1'l)Un =.52.26V计算每极磁通初设 K's=1.15查得 Knm =1.0975Ei=0.00963Wb4KNMKdp

20、i fNi每极下齿部截面积Ai1KFe|ibi1Zp1 =0.006529 m2Ai2KFe|ibi1Zp2 =0.083338 m2定子轲部计算高度D1 Di1 h'j12转子辗部计算高度r 21hs1 一 =0.0258m3、 D2 Di2h j2 2轲部磁导截面积Aj1KFe|ih'j1Aj2KFelih'j2一极下空气隙截面积A |ef =0.0135622hs2 =0.0268m30.0044110.004582FsB av找出计算极弧系数a'p=0.67求波幅系数1=1.4706 a p气隙磁密计算0.6797TA对应于气隙磁密最大值处的定子齿部磁密

21、BiiB Lefti * ZpiKFel'ibiiZpiFs=i.442TAii转子齿部磁密Bi2Fs =i.3i2TAi 2找出对应上述磁密的磁场强度Hi2 9.50A/cmHii i5.74A/cm有效气隙长度ef K =0.00063m其中气隙系数计算如下:ti(4.40.75b0i)=i.223mti(4.40.75b叫 b0i*b0it2(4.40.75b02)t2(4.40.75b02) b02*b02=i.027mK iK 2 =1.26齿部磁路计算长度Lii (hiihi2)1r 2i=0.0177m3Li2(hi2h22)lr 22=0.0257m3轲部磁路计算长度L

22、ji(Di2ph'ji)*i c *=0.065m2Lj2(D2 h'j2)*i , *=0.227m2p 2计算气隙磁压降K B =346.95齿部磁压降Fi2 饱和系数计算Hi2Li2=9.50AKsK Kii Ki2 =1.1415F与初设Ks'比较误差为0.02%<0.1%,合格。 定子轲部磁密计算Bji1=1.275T2A1转子辗部磁密Bj21 =1.235T 2A2查表得出对应上述磁密的磁场强度Hji=8.23A/cm ,算轲部磁压降其中轲部磁位降校正系数查表得出hil =0.192 , Bji =1.257T 于是 Cji=0.577Hj2 =7.3

23、0A/cmFj1 Cj1Hj1L'j1 =43.75Ahj2一=0.198 , Bj2 =1.236T 于是 Cj 2=0.445Fj2 Cj2Hj2L'j2=10.88A每极磁势F0 F Fi1 Fi2 Fj1Fj2 =452.82A计算磁化电流Im2pF。0.9miN1Kdp1=6.026A磁化电流标幺值.* I mI m =1.717I kw励磁电抗计算Xm.mi N iKdpi,4 f 0lef 一=97.25K p ef1.2.4参数计算线圈平均半匝长定子节距yDii 2(h0i hii) h2i r2i其中节距比 =0.0861直线部分长度lc l B K 0 y

24、=0.34m端部平均长Im 2di K0 y =0.185m感应电机定子绕组的漏抗f 0%1pq1除以阻抗基值ZkwUnIkwmUN 2,可得定子漏抗标幺值Pn2m1 pZKdp12i)Cx式中 1= s1Cx为漏抗系数Cx-一 、2.一4 f 0(NiKdp1) lefPNm1 pUN 2=0.01220计算定子槽比漏磁导s1Kv1 v1 kL1 L1 =2.344h012h11h21b11其中 v1 =0.407 , li =0.765 因为 1.38, 0.755b01b01b11r 212r21li只在铁心部分有槽漏抗，因而计算槽漏抗时要乘上一lef*2m1 p li _X 1psiC

25、x =0.6321 CxZ1Kdp12 lef考虑到饱和的影响定子谐波漏抗与分组的单层同心式绕组的相近可求出、，* Z2 R 2m1 pX 22-Cx =0.4257 Cx2p 2 ef KsZ2其中R =0.0195 ,以-Z-2=7.33查表得出2p转子绕组端部漏抗标幺值计算*XE2(0.2523Z2Dr 2m1p (2 pl ef 2p )( Z2)Cx =0.1039 Cx转子斜槽漏抗计算*bsk*Xsk0.5( )X 2 =0.2730 Cxt2转子漏抗标幺值X 2Xs2X 2XE2Xsk =1.999 Cx=0.0243定转子漏抗标幺值之和 - * . , - *X X 1 X 2

26、 =0.0878定子绕组相电阻标幺值* IKWRiRi=0.009Un有效材料计算定子铜重量 GcuCl 0Ns1A01Ni1 Cu=8.93Kg其中C是考虑导线绝缘和引线重量系数，漆包圆铜线 C=1.05; cu=8.9 X 103 kg/ m2 是铜密度硅钢片重量 GFeKFeli(D1)2 Fe=81.27Kg其中 =0.005m是冲剪余量； Fe =7.8 X 103kg/ itf是硅钢片密度计算转子电阻折算值2R2'Rb' Rr'Kb|b Z2Db 4m1(NKdp1) w( )-Ab2 p ArZ2其中Kb是考虑铸铝转子因叠片不整齐，造成槽面积减小，导条电阻

27、增加，通常取Kb =1.04Rb' =0.6835* I kwRb =Rb'=0.0061UnRr' =0.1857I kwRr =Rr'=0.0017Un其中 w=0.0434 X 10 6 m是B级绝缘平均工作温度75c时铝的电阻率。R2 = Rb + Rr =0.0078定子电流有功分量标幺值计算I *1|ip =1.1251、转子电流无功分量标幺值计算 22 rIx1X (11p ) 1 ( 1X |1p ) =0.2548*X 1其中系数1=1+一-=1.0301Xms定子电流无功分量标幺值计算 *I iQ Im I x =0.669满载电势标幺值计算

28、 *、Ke1 l 1 (I 1p Ri I1Q X 1 ) =0.9277与磁路计算中(1)初设值K'e'误差为0.07% 计算空载电势标幺值 *10 1 Im X 1 =0.975假定饱和系数 K和波幅系数Fs不边，于是空载时定子齿部磁密和磁场强度-10 f-Bi10 Bi1=1.524T;Hi10=22.52A/cm1 L空载时转子齿部磁密及磁场强度10Bi20Bi2=1.384THi20 =11.86A/cm1 l空载时定子辗部磁密及磁场强度10Bj10 Bj1=1.338T; Hj10=10A/cm1 L空载时转子辗部磁密及磁场强度10Bj20Bj 2 =1.238T

29、; Hj20 =8.780A/cm1 l空载气隙磁密r 10 cB 0B =0.722T1 L空载时定子齿部磁压降Fi10 Hi10Li1 =38.10A空载时转子齿部磁压降Fi20 Hi20Li2 =31.81A空载时定子辗部磁压降Fj10Hj10Lj1 =49.23A空载时转子辗部磁压降空载时气隙磁压降L K B 0F 0 =363.68A0空载时每极磁势F 00 F 0Fii0 Fi20Fjio Fj20 =494.91A空载时磁化电流Im 02 pF 000.9miNiKdpi=4.40Ai.2.5工作性能计算(i)计算定子电流标幺值*2*211 I ip IiQ =1.307I i

30、I i* Ikw =4.64(2)定子电流密度, I i2Ji =i.63A/ mmaNii A'0i(3)转子电流标幺值I i*I ip*2 I =i.i6682导条电流实际值I 2 I 2* Ikw miN 1Kdp =i6i.37AZ 2端环电流实际值I Z2I 2=376.86A2 p(4)转子电流密度I 22导条电管Ib =i.i0A/ mmAb端环电密Jr - =0.78A/ mm2Ar(5)定子铜损耗的标幺值2 f一 * 22Ii Ri =0.042* Pcui mIi RiPcui ，Pnm“KW ZKWPcui =pcui* Pn =0.i68KW(6)转子铝损耗的标

31、幺值* *2*Pai2|2 R2 =0.0298Pai2Pai2* pN=ll9.2W(7)负载时附加损耗按规定6极时Ps* =0.03PsPs* pN =120W(8)机械损耗_3 2 _ 4_ 4Pfw ( )2 (Di)4 104 =45.6WP* PfwPfw=0.00114Pn(9)铁损耗定子轲部铁损耗 PFejk2 pkejGj =224.5W,pkej是轲部铁损耗系数k2按经验取为2,轲部重量 Gj = 4pAjiL'ji Fe =32.475kg定子齿部铁耗 PFei kl pkeiGi =105.3Wpkei是齿部铁损耗系数ki 按经验取为 2.5,齿部重量 Gi=4

32、pAi1L'i1 Fe=7.815kg ,于是全部铁损耗pFe = PFei + PFej =329.8W* pFepFe =- =0.08245Pn(10)总损耗标幺值*p Fe =0.2074p* pCu1* pAl 2* p * pfw*(11)输入功率标幺值*.*pN1 =1+ p =1.2074*(12)得 =1匕=82.82%pN1*误差82.82 82=0.01%< 0.5%82.82(13)功率因数_*I 1Pcos =。=0.773Ii (14)额定转差率Sn-1 *Pai 2 *Pai 2PfwpFer p=2.80%式中 PFer = PFerPFejr p

33、Feir =00115Pn(15)额定转速60 fo 、nN n1(1Sn)(1Sn) =1000r/minP(16)最大转差倍数*T m 2( RiSn2*2 =1.648、RiX )起动性能计算(1)设起动电流I 'si (2.5 3.5)Tm Ikw =18(2)起动时产生磁漏的定转子槽磁势平均值Ns1*71 FsiI 'si 0.707Kv1 Kd1 Kp1- . 10 =827.9a1Z20Fsi 由此磁势产生的虚拟磁密Bl=0.809T20修正系数0=0.9377(3)起动时漏抗饱和系数由表查出Kx =0.43 ,1- Kx =0.57(4)漏磁路饱和引起的定子齿顶

34、宽度减小Cs1(t1 b01)(1 Kx) =5.98 10 3 m(5)漏磁路饱和引起的转子齿顶宽度减小Cs1(t2 b02)(1 Kx)=10.710 3U1) Kl1 L1=0.9733(6)起动时转子槽比漏磁导计算s1(si) Ku 1( U1h01 0.58h11,cs1、其中(7)(8)(9)U1() =0.1978b01cs1 0.5b01起动时定子槽漏抗 * s1 (si) *Xs1(si) Xs1 =0.3487 Cxs1起动时定子谐波漏抗 *X 1(si)KxXs1 =0.3538 Cx起动时定子漏抗 *X 1(si)Xs1(si)X 1(si)Xbi =0.416 Cx(10)集肤效应的转子导条相对高度3bB f1.987 10 hB =1.9138 bs2 B其中hB =0.0284m是导条高(11)集肤效应引起的电阻增加系数Kf和漏抗减小系数KxR