第十章-异步电机电磁设计分解

第十章--异步电机电磁设计分解第一页，共73页。第十章感应电机的电磁设计10.1、概述10.2、主要尺寸与气隙的确定10.3、定子绕组与铁心的设计10.4、转子绕组与铁心的设计10.5、工作性能的计算10.6、起动性能的计算第二页，共73页。10.1概述一、我国感应电机主要系列

100个系列，500多个品种，5000多个规格。按照电机尺寸分成大（H>0.63,D1>1m,P>400Kw,U=3000V或6000V）、中（H>0.355-0.63,D1>0.5m-1m,P>45-132kW,U=380V、3000V或6000V）、小型（H>0.08-0.315,D1>0.12m-0.5m,P>0.55-90kW,U=380V。Y（IP44）小型三相感应电动机J2，JO2小型三相感应感应电动机JS三相笼型转子感应电动机（中型）JR三相绕线转子感应电动机（中型）JS2，JSL2三相感应电动机（中型、低压）JR2，JRL2三相感应电动机（中型、低压）Y三相笼型转子感应电动机（大型）YR三相绕线转子感应电动机（大型）YK大型高速感应电动机第三页，共73页。概述一、我国感应电机主要系列

派生、专用系列：

YQ高起动转矩感应电动机（小型）

YH高转差率感应电动机（小型）

YD变极多速感应电动机

YZ起重及冶金用感应电动机

YQS潜水感应电机

YLB立式深井泵用感应电动机第四页，共73页。概述二、感应电动机的主要性能指标和额定数据

效率起动电流倍数功率因数绕组、铁心温升最大转矩倍数起动过程中最小转矩起动转矩倍数

（1）主要性能指标

第五页，共73页。概述二、感应电动机的主要性能指标和额定数据

（2）额定数据

额定功率

额定电压

额定频率

额定转速

基值推导：

电压：

功率：

相电流：

阻抗：

转矩：

第六页，共73页。10.2主要尺寸与气隙的确定

一、主要尺寸和计算功率

计算功率：

额定功率：

第七页，共73页。由前推导(P228页，相量图）：

引入电势系数

10.2主要尺寸与气隙的确定

第八页，共73页。设计方法：

已知，

未知，需先假定一个

预估

完成磁路参数计算后，偏差

2极小型：

经验公式估算：

非2极小型：

中型：

10.2主要尺寸与气隙的确定

额定功率的单位为：kW第九页，共73页。二、电磁负荷的选择

磁化电流：

（1）每极磁势主要用来克服，决定于，（2）选取方法：

中小型：

大型：可略高

10.2主要尺寸与气隙的确定

第十页，共73页。10.2主要尺寸与气隙的确定

三、主要尺寸比的选择

对不同内型电机主要尺寸比选择见表10-2。对于一定的极数，定子铁心外径与内径存在一定比例（表10-3）

变动范围在5%左右。

第十一页，共73页。10.2主要尺寸与气隙的确定

四、主要尺寸的确定

（1）第十二页，共73页。10.2主要尺寸与气隙的确定

2、参考表10-2选择值，

初步计算

第十三页，共73页。五、空气隙的确定

1、影响：

2、气隙基本上决定于定子内径、轴直径、轴承间的转子长度。

经验公式：

小功率电机：

大、中型电机：

10.2主要尺寸与气隙的确定

第十四页，共73页。10.3定子绕组与铁心的设计一、定子槽数的选择

二、定子绕组型式和节距的选择

三、每相串联导体数、每槽导体数计算

四、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定

五、定子冲片的设计

第十五页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

一、定子槽数的选择

值大小对电机的参数、附加损耗、温升、绝缘材料耗量等有影响（P231页）

定子谐波磁场减小，，↓

每槽导体数减少，

槽中线圈边总散热面积↑，利于散热

绝缘材料用量、工时↑，槽利用率↓

大

一般感应电动机：=（2~6）

取整数

极数少，功率大电机：取大些

（2极取=（6~9））

极数多电机：

取小些

第十六页，共73页。二、定子绕组型式和节距的选择

（一）单层绕组

优点：①槽内无层间绝缘，槽利用率高；②同槽内导线同相，不会发生相间击穿；③线圈总数比双层少一半，嵌线方便。缺点：①不易做成短距，磁势波形较双层为差；②电机导线粗时，绕组嵌放和端部整形较困难。

3定子绕组与铁心的设计

第十七页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

链式绕组：

各线圈大小相同，嵌线困难，=2的4，6，8极电机；同心式绕组：

嵌线容易，易实现机械化，=4，6，8二极电机；端部用铜多，一极相组中各线圈尺寸不同，制作复杂；

交叉式绕组：

可以节省端部接线，为奇数电机。

单层绕组第十八页，共73页。NNSSZAXBYC单层叠绕组第十九页，共73页。AXBYCZNSNS单层链式绕组第二十页，共73页。第二十一页，共73页。NSNSAX同心式绕组第二十二页，共73页。交叉式绕组第二十三页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

(二）双层绕组

适用于功率较大的感应电动机

优点：

①可选择有利的节距以改善磁势、电势波形，使电机电气性能好；②端部排列方便；③线圈尺寸相同，便于制造。缺点：绝缘材料多，嵌线麻烦

第二十四页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

(三）单双层绕组和Y-Δ混合绕组（P233页）

1、单双层绕组（

具备单双层绕组的优点）短距时，某些槽内上下层导体属于同一相，而某些槽内上下层属于不同相。把属于同相上下层导体合起来，用单层绕组代替，而不同相的仍保持原来的双层，按同心式绕组端部形状将端部连接起来。

2、Y-Δ混合绕组：把普通60°相带三相绕组分成两套三相绕组；其空间相位互差30°电角度，一套Y，一套Δ；电流在时间相位上互差30°。第二十五页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

（四）绕组节距的选择

双层绕组

正常电机：

削弱5、7次谐波两极电机：

便于嵌线，缩短端部长度

单层绕组：

一般用整距

第二十六页，共73页。分布系数：

短距系数：

基波绕组系数：

3定子绕组与铁心的设计

第二十七页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

三、每相串联导体数、每槽导体数计算

大小影响、数值。↓，↓

，↑

，↓，↑，↑，↑。

∴设计时常通过改动来取得若干不同设计方案进行优化。

第二十八页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

四、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定

1、电密：

大、中、小型铜线电机：

对大型电机：参考极距的大小来选择（热负荷）。极距大，意味着转子圆周速度较高，通风冷却效果较好，因而可选择较大的热负荷。第二十九页，共73页。2、线规：

3定子绕组与铁心的设计

第三十页，共73页。3、并联支路数：

双层：

条件=整数，

单层：小型电机：线径根，极数少电机取较大

；

大型电机：扁导线

①导线宽厚比，槽口、槽宽、槽高尺寸适当；

②每根导线截面积<15。

3定子绕组与铁心的设计

第三十一页，共73页。步骤：计算导线截面

→查标准线规表→选标准导线→圆线直径、扁线宽厚

3定子绕组与铁心的设计

第三十二页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

五、定子冲片的设计

（一）槽形：①半闭口槽（梨形槽、梯形槽）②半开口槽③开口槽

（二）槽满率：

导线有规则排列所占的面积与槽有效面积之比。

第三十三页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

（三）槽形尺寸的确定

考虑因素：①槽满率；②齿部和轭部磁密要适当；③齿部有足够机械强度，轭部有足够刚度；④槽形尺寸深宽比对电机参数的影响。

第三十四页，共73页。（1）半闭口槽

3定子绕组与铁心的设计

①假定一个齿距内的气隙磁通全部进入齿内，则定子齿宽

如何确定半闭口槽尺寸？第三十五页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

②每极磁通经齿部后分两部分进入轭部，定子轭部计算高度

第三十六页，共73页。3定子绕组与铁心的设计

③槽口宽度：=2.5-4.0mm，比线径大1.2-1.6mm；机械嵌线时，槽口还需适当放宽。

④槽口高度：=0.5~2.0mm

角：30°左右

根据估算和选用数据，作图确定尺寸，核算槽满率，必要调整。

第三十七页，共73页。2、平行槽

3定子绕组与铁心的设计

槽形尺寸和扁线尺寸及绝缘结构尺寸结合考虑，不须核算槽满率。

最后需核验齿部最大磁密。

第三十八页，共73页。4转子绕组与铁心的设计一、笼型转子的设计计算

（一）转子槽数的选择及定转子槽配合问题

1、槽配合对附加损耗的影响（少槽——近槽配合）

当定、转子槽数很接近时，转子齿顶的宽度将十分接近定子齿谐波的波长，因此转子齿中由定子齿谐波磁通引起的脉振较小2、槽配合对异步附加转矩的影响（近槽）定子绕组产生的磁场中含有的不同极数的谐波以不同速度和转向在旋转。并在鼠笼中感生电流，产生一个与其次数相同、转速和转向相同的谐波磁场，这两个磁场相互作用产生的转矩称为异步附加转矩。（图10-11）第三十九页，共73页。3、槽配合对同步附加转矩的影响（不讲）4、槽配合对振动和噪声的影响（不讲）5、感应电机定、转子槽配合的选择4转子绕组与铁心的设计原则：①为减小附加损耗，应采用少槽近槽配合；②为避免起动过程中较强的异步附加损耗，使；③为避免起动过程中较强的同步附加损耗、振动和噪声，应避免（表10-7）中的槽配合。

第四十页，共73页。4转子绕组与铁心的设计（二）转子槽形的选择和槽形尺寸的确定

1、转子槽形

(P247页比较)①铸铝转子：

平行齿平行槽凸形槽刀形槽

闭口槽双笼转子槽

梯形槽

②铜条转子：

半闭口平行槽

第四十一页，共73页。2、转子槽形尺寸的确定

①影响：（P247页）

其中对关系最密切笼型转子尺寸的确定另须着重考虑起动性能的要求。

4转子绕组与铁心的设计第四十二页，共73页。②对于铸铝转子，槽面积和铝条面积认为相等，先估算转子导条电流。

对于中小型铸铝转子：4转子绕组与铁心的设计第四十三页，共73页。4转子绕组与铁心的设计③槽形：槽面积初定后，进一步确定尺寸

槽口部分尺寸可参考相近规格的电机来决定。

第四十四页，共73页。4转子绕组与铁心的设计3、端环的设计

端环电流：

端环面积：

端环外径：比转子外径小（3~8）mm（以便铸铝模定位）端环内径：

略小于转子槽底所在圆直径

端环厚度：

按所需截面积

并考虑加工工艺要求决定第四十五页，共73页。4转子绕组与铁心的设计二、绕线转子的设计计算

（一）转子槽数的选择

为了减少噪声和振动，一般采用整数槽绕组。为了减少附加损耗，考虑转子开路电压的控制数字，槽数不宜太多。当采用分数槽

时，宜选取

的分数槽。

第四十六页，共73页。4转子绕组与铁心的设计（二）转子绕组的特点及设计方法（不讲）

1、功率较小的电机

一般用圆导线一根或数根做成单层多匝绕组；

转子槽形：平行齿的半闭口槽

每相串联导体数：

第四十七页，共73页。4转子绕组与铁心的设计2、功率较大电机和中型电机

采用双层整距波绕组

（省去极间边线，使转子易达平衡）

转子槽形：半闭口的平行槽结构：每个线圈做成一匝，绕组系由半绕组元件组成，元件采用扁线弯制，仅一端预先成型；除末端外，导线全长预先绝缘，嵌线由槽一端穿入，再弯形端接，最后用头套将半绕组元件“端接”部分联接，再经焊接便成。

第四十八页，共73页。转子绕组：

Y或Δ

则：

核算空载转子相电势或集电环开路电压

估算

导体截面积

选线规

校验

4转子绕组与铁心的设计第四十九页，共73页。5工作性能的计算（略去）

较准确Γ型等效电路

→

简化电路

校正系数：

工作性能计算：

第五十页，共73页。一、定子电流的计算

5工作性能的计算由简化可知：定转子有功分量相等

定转子电流无功分量：

定子电流有功分量：

第五十一页，共73页。5工作性能的计算转子电流无功分量：

整理得：

求解此二次代数方程，采用近似计算法——迭代法，忽略高次项

∴在假定效率

第五十二页，共73页。5工作性能的计算二、功率因数的计算

第五十三页，共73页。5工作性能的计算三、效率的计算

提高效率、减小损耗的主要措施：选用合适槽配合，设计新型绕组以降低谐波引起的附加损耗；改进加工工艺，设计高效风扇。

第五十四页，共73页。5工作性能的计算4、额定转差率的计算

生产实践中，分母加上铁心中附加损耗一项，大小等于

第五十五页，共73页。5工作性能的计算5、最大转矩倍数

影响最大的主要因素是：

调整及槽形。

第五十六页，共73页。6起动性能的计算

感应电动机起动时的两个显著特点：①起动电流大，使定转子漏磁路高度饱和；②转子电流频率等于电源频率（），比运行时高很多，使导条电流产生集肤效应。

第五十七页，共73页。一、感应电动机起动时漏磁路饱和效应对漏抗的影响

6起动性能的计算

1、漏磁路饱和效应：

起动瞬间，电机处于短路状态，定、转子电流大大增加。由于定转子绕组磁势正比于电流，所以磁势大为增加，以致漏磁路铁心高度饱和。

2、漏磁路饱和的影响：转子漏抗减小

（只在槽漏抗、谐波漏抗和斜槽漏抗中考虑）

第五十八页，共73页。一、感应电动机起动时漏磁路饱和效应对漏抗的影响

6起动性能的计算

3、计算：

①起动电流假定值：

定子每槽磁势幅值：

第五十九页，共73页。一、感应电动机起动时漏磁路饱和效应对漏抗的影响

6起动性能的计算

转子每槽磁势幅值：

根据绕组计算，忽略磁化电流，取，则

∴起动时产生漏磁的定转子槽磁势平均值

式中，近似修正前面假定所带来的误差。

第六十页，共73页。6起动性能的计算

②该漏磁通经过齿顶铁心和两个气隙。忽略铁心部分磁阻，则全部落在气隙部分，则

有虚拟磁密

引入起动时漏磁饱和系数

（，越饱和，比例越小，）

∴起动时定转子谐波漏抗：

起动时斜槽漏抗：

第六十一页，共73页。6起动性能的计算

③对于漏抗的减小，等效看作是定转子槽口宽度加大计算。

槽口宽度：

齿顶宽度