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1、 本科毕业设计7.5kW三相鼠笼异步电机设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 年级专业： 指导教师： 二七年六月摘 要电机在各行各业的广泛应用，推动了中小型电机行业的发展不断壮大，因此研究中小型电机存在重大意义。本课题主要是在熟悉三相异步电动机的原理的基础上，根据设计要求设计一台小型三相鼠笼式异步电动机。首先确定电机的电磁负荷和电机的主要尺寸，然后分别对电机绕组、电机铁心进行设计，并且对设计电机的参数、工作性能进行核算，反复调整，直到设计的参数符合设计任务的要求。在初选方案的基础上改变气隙大小、改变定子匝数、和改变铁心长度进行了几个方案设计，最后对所有设计方案进行比较，优化设计。关键词 电机
2、、电磁设计、改变参数ABSTRACTThe electrical machinery in all the various trades and occupationswidespread application, impelled the middle and small scale electricalmachinery profession development unceasingly to expand, thereforestudied the middle and small scale electrical machinery existencegreat significan
3、ce. This topic mainly is in the familiar three-phaseasynchronous motor principle foundation, according to designs therequest to design a small three-phase mouse cage type asynchronousmotor. First determined the electrical machinery the electromagnetismload and the electrical machinery main dimension
4、, then separately tothe electrical machinery winding, the electrical machinery iron corecarries on the design, and to designs the electrical machinery theparameter, the operating performance carries on the calculation,repeatedly adjusts, conforms to the design duty requirement until thedesign parame
5、ter. Changed the air gap size, the change stator numberof windings in the primary election plan foundation, and the changecore length has carried on several plans designs, finally carried onthe comparison to all design proposal, the optimized design.Key word Electrical machinery, electromagnetism de
6、sign, changeparameter目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题设计背景12 国内外鼠笼型异步电动机的发展状况22.1电机在国外的发展状况及趋势22.2我国电机的发展状况及趋势32.3中小型的发展状况及趋势43 电磁设计53.1额定数据和主要尺寸53.1.1额定数据53.1.2主要尺寸63.2磁路设计133.2.1面积计算133.2.2磁密计算143.3参数计算183.3.1定子线圈次寸183.3.2漏抗计算193.3.3空载特性计算263.4工作性能计算273.4.1电流计算273.4.2损耗计算283.5起动性能计算304 改变参数344.1改变气隙大小的
7、设计方案344.2改变定子匝数的设计方案384.3改变铁心长度设计方案435 电子计算机在电机设计计算中的应用505.1概述505.2设计分析程序515.2.1算程序改编成计算程序515.2.2图的作用与编制原则515.2.3下面以起动性能计算为例进行编程设计53结 论54参考文献55致谢561 绪论1.1 课题设计背景（1）设计要求是：额定功率为7.5kW,额定电压为380V,相数3相,额定频率为50Hz,联结方式为三角形，额定效率为88%,功率因数为0.85。进行电机的电磁设计，根据参数选取的不同，用手算方法改变铁心槽型、匝数、气隙大小以及铁心长度，至少三种不同方案的设计，每个方案的设计都
8、必须符合要求。进行比较选取最佳方案。（2）设计任务：了解三相异步电机在国内外的发展状况：结合要求设计一台三相鼠笼异步电机，确定电机的电磁参数和主要几何尺寸。（4）设计目的： 学会用电磁计算程序计算电机，会查图、查表；了解Y系列IP44小型三相单鼠笼异步电动机的主要尺寸；搞清绕组的连接、电流在绕组中的流向； 了解电机内部电磁关系，从设计上了解改参数对性能的影响。2 国内外鼠笼型异步电动机的发展状况2.1电机在国外的发展状况及趋势（1）大型交流电机：在国外已成系列生产，目前生产的同步电动机最大容量已达70MW、2极（日本）；同步调相机已达345MWA、8极（瑞典）；柴油发电机已达31 280kW、
9、56极（西德）；绕线形感应电动机为6MW、2极（日本）；笼型感应电动机为12MW、2极。国外大型同步电机采用与汽轮发电机或水轮发电机相似的结构。例如传动高炉鼓风机用的高速2极大容量同步电动机，其机构与汽轮发电机相似；70年代前后发展起来的单纯蓄水式水电站中采用的立式同步电动机，结构与水轮发电机类似。此外，近年来还先后出现和发展了带晶闸管变频装置的低速同步电机，户外电动机，低噪声电动机以及与中小型电机类似的大型电机等多品种。（2）大型直流电机：近年来，在一些先进的工业国家中，直流电动机已普遍使用晶闸管供电，。当前国外生产出的大型低速可逆转轧钢用直流电动机最大容量已达8 840kW；大型非逆转轧钢
10、用直流电动机已达11 200kW。此外，英国生产的8 200kW、额定转矩为1 033kn.m的矿井卷扬用直流电动机，是目前世界上这类电机中最大的。此外，国外还出现了一些新型直流电机，把电机和整流装置分开安装，使直流电机的极限容量提高数倍。（3）、中小型电机：60年代初以来，一些主要工业国家相继发展了中小型电机的新系列，或对原有系列进行了改进。它们的共同特点是：（1）应用电子计算机进行设计，从而提高了计算精度。缩短了设计周期，并为获得最佳方案创造了有利条件。（2）功率等级和安装尺寸尽量和国际电工委员会的标准接近。（3）注意从“小型轻量化”（减轻重量、降低中心高）转为注意“省能化”和“无公害化”
11、，提高效率和降低噪声等。 （4）积极采用新材料。（5）扩大了原来的功率划分范围，例如将小型感应电机的功率范围已扩大到原来属于中型感应电机的低压部分。（6）改善结构，提高通用化程度，注意维修使用方便。以上就是我们国家与国外在电机制造工业的近况与发展趋势的比较，从中我们能发现我们国家在电机制造上与国外的差距。2.2我国电机的发展状况及趋势（1）20世纪40年代以前，我国电机制造工业极端落后。中华人民共和国成立后，电机工业得到了迅速发展，产品的种类，数量的不断增加，技术水平逐步提高。50年代以前我国主要是仿制国外产品为主，1953年以后多次组织了电机产品的改型设计和系列统一设计，使我国从发电设备、大
12、型交直流电机一直到种类繁多的中小型电机，大多数都有了自己的系列。不但建立了若干产量大、使用面广的基本系列，还建立了应用场合比较特殊的派生系列和专用系列。在电机零部件和安装尺寸、机座好等系列的标准化、系列化、通用化方面也进行了大量工作、已形成自己的体系，还制定了电机专业的许多国家标准，这些标准正逐步接近国际电工委员会的标准。60年代起即走上自行设计的道路；50年代只能生产一般中小型电机，不久后即能生产大型电机设备和特殊用途电机。与此同时，新技术、新材料新结构和新工艺的日益广泛应用，使我过电机工业的发展走上了更加成熟的道路。(2)在绝缘材料方面，目前我国生产的电机中，主要采用E、B两级（其中E级约
13、占2/3左右），F、H级仅在少数要求较高或特殊用途的电机上应用，但前者正积极地分别向B、F级过滤。环氧玻璃粉云母带和无溶剂侵泽漆、聚酰亚胺、DMD复合绝缘、涂敷用环氧粉末和适形材料（由纤维毡涂上一定的胶粘剂制成，可用于汽轮发电机和水轮发电机端部及槽部固定）等新型绝缘材料中不少已在电机上大量应用。在导磁材料方面，除一般热轧与冷轧单取向硅钢片，无硅低碳电工钢片和半冷轧无取向硅钢片已在部分电机中采用。此外，还在用玻璃钢（即高强度玻璃纤维增强塑料）制造汽轮发电机转子护环以代替价格昂贵的非磁性钢护环方面进行了一系列研究，并已在一台3MW电机上试用。在25、50和75MW汽轮发电机上采用玻璃钢定子端盖也获
14、得较好效果。近年来，我国还在氢冷汽轮发电机上应用了液体塑料密封材料，以代替传统的橡胶皮条等固体密封材料，改善了密封性能。在工艺水平和机械化、自动化程度方面，小型电机的机座与转轴加工、静电喷漆、总装试验等自动线均已正式采用；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等新设备及真空压力、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敷、机座射压造型等新工艺的应用，也都使功效大大提高，电机质量进一步改进。（3）积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究。近年来，我国对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导电技术在电机的应用等方面开展了
15、一系列研究，取得不少成果，此外，我国还对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃汽轮机用于发电方面进行了一系列试验研究工作，已建成一座试验性的地热发电站及制成若干燃气轮发电机组。建国以来，我国电机工业迅速发展，取得了可喜的成绩。但是，由于我国工业基础比较薄弱，电机产品品种还不能完全满足国民经济的需要；在产品质量方面，除少数达到世界先进水平外，多数与国外先进水平相比还存在一定的差距；在产量、单机容量、新材料供应和劳动生产率等方面，和国外先进水平的差距也较大。改变这一落后面貌，需要付出艰苦的努力。2.3中小型的发展状况及趋势中小型电机是工农业生产和现代生活中使用最普遍的电机品种,随使用量的增加使得小
16、型电机行业的不断发展壮大,但行业竞争也日益激烈。在中小型电机方面，自1953年进行第一次全国统一设计后，中小型电机的生产开始摆脱过去混乱的局面走上了统一和系列化的道路。到目前为止我国生产的中小型电机系列，除一般电机或基本系列外，还有防爆、船用、潜水、单绕组多速、力矩、起重、起重冶金、高起动转矩、电磁调速、热带型、屏蔽电机等派生系列和专用系列。从目前情况来看，一般或基本系列中小型电机已经能够满足国民经济各部门的需要，其技术经济指数也在逐步提高。3 电磁设计3.1额定数据和主要尺寸3.1.1额定数据（1）额定功率（2）额定电压（3）功电流 式(3.1)（4）按照技术条件规定取=88%（5）功率因数
17、（6）极对数p=2（7）定转子槽数极数定子槽数转子槽数极数定子槽数转子槽数2182430364248162022 26283440636547226 3327 44 58 6428 56 58 8684854724450 58 6456 58 864243648602226 28 32 3427 38 4428 38 47 501060906472 80 106 114每极每相槽数取整数.参考类似规格电机取 ,则有再按表3.1选 ,并采用转子斜槽。表3.1 三相笼型转子感应电机推荐的配合（8）定转子每极槽数 式（3.2） 式（3.3）3.1.2主要尺寸（1）一般可参考类似电机的主要尺寸来确定和
18、。由下式可得满载电势标么值由下式可求出计算功率 式（3.4）初选,取,取,假定,于是下式得 式（3.5）查资料取,代入下式,得 式（3.6）按定子内外径比求出定子冲片外径 式（3.7）根据标准直径最后确定=0.23m。于是铁心的有效长度 式（3.8）取铁心长度。（按生产要求，铁心通常采用5mm进位）。（2）气隙的确定参考类似产品或由下式得 式（3.9）于是铁心有效长度 式（3.10）转子外径 式（3.11）转子内径先按转轴直径决定（以后再校验转子轭部磁密）：。（3）极距 式（3.12）(4)定子齿距 式（3.13）转子齿距（5）定子绕组采用单层绕组，交叉式，节距1-9，2-10，11-18（6
19、）为了削弱齿谐波磁场的影响，转子采用斜槽，一般斜一个定子齿距，于是转子斜槽宽。（7）设计定子绕组由下式得每相串联导体数 式（3.14）取并联支路，由下式可得每槽导体数 式（3.15）取，于是每线圈匝数为38。（8）每相串联导体数 式（3.16）每相串联匝数 式（3.17）（9）绕组线规设计初选定子电密、，由下式可计算导线并绕根数和每根导线截面积的乘积。 式（3.18）其中定子电流初步估计值 式（3.19）查附录表选用截面积相近的铜线：高强度漆包线，并绕根数，线径，绝缘后直径d=0.96mm,截面积,。（10）设计定子槽形因定子绕组为圆导线散嵌，故采用梨形槽，齿部平行，初步取，按下式估计定子齿宽
20、 式（3.20）初步取，按下式估计定子轭部计算高度 式（3.21）按齿宽和定子轭部计算高度的估算值作出定子槽形如图3.1，槽形尺寸参考类似产品决定，取，。齿宽计算如下： 图3.1定子槽型图 式（3.22）齿部基本平行，齿宽（平均值）。（11）槽满率,槽面积 式（3.23）按表3.2槽绝缘采用DMDM复合绝缘,槽楔为h=2mm层压板,槽绝缘占面积 式（3.24）槽有效面积 式（3.25）槽满率 (符合要求) 式（3.26）表3.2槽绝缘采用复合绝缘材料电机中心高mm槽绝缘形式及总厚度/mm槽绝缘均匀伸出铁心二端长度mmDMDMDMD+MDMD80-1120.250.25(0.20+0.05)0.
21、256-7132-1600.300.30(0.25+0.05)7-10180-2800.350.35(0.30+0.05)12-15（12）绕组系数 式（3.27）其中 式（3.28） 式（3.29）每相有效串联导体数 式（3.30）（13）设计转子槽形与转子绕组按下式预计转子导条电流: 式（3.31）其中由表3.3查出.表3.3 与的关系0.650.700.750.800.850.900.950.740.770.820.850.900.950.985初步取转子导条电密,于是导条截面积 式（3.32）初步取,估算转子齿宽 式（3.33）初步取,估算转子轭部计算高度 式（3.34）为获得较好的起
22、动性能,采用平行槽,作槽形图3.2所示,取槽口尺寸,齿壁不平行的槽形的齿宽计算如下: 图3.2转子槽型图 式（3.35）导条截面积(转子面积) 式（3.36）估计端环电流 式（3.37）端环所需面积 式（3.38）其中端环电密.按照工艺要求由所需面积确定端环内外径及厚度得端环面积。3.2磁路设计3.2.1磁路面积计算（1）计算满载电势初设,由下式,得 式（3.39）（2）计算每极磁通初设,由图3.3查得,由下式得图3.3 感应电机的及曲线 式（3.40）为计算磁路各部分磁密,需先计算磁路中各部分的导磁截面:（3）每极下齿部截面积 式（3.41）（4）定子轭部计算高度 式（3.42）转子轭部计算
23、高度轭部导磁面积 式（3.43）（5）一极下空气隙截面积 式（3.44）（6）磁路计算所选的是通过磁极中心线的闭合回路,该回路上的气隙磁密是最大值为此,由图2.1先找出计算极弧系数,由此求得波幅系数 式（3.45）按照“程序”,可由查表按初设的查取,但须注意,为了实用上的方便,“程序”中F,的定义与这里的略有不同,并且计算每极磁通的公式出作了相应的改变.3.2.2磁密计算（1）气隙磁密由下式计算 式（3.46）（2）对应于气隙磁密最大值处的定子齿部磁密 式（3.47）（3）转子齿部磁密 式（3.48）（4）查表得对应上述磁密的磁场强度; 式（3.49）（5）有效气隙长度 式（3.50）其中气隙
24、系数按下式计算 式（3.51）（6）齿部磁路计算长度按下式计算 式（3.52）（7）按下式计算轭部磁路计算长度m 式（3.53）m（8）计算气隙磁压降 式（3.54）（9）齿部磁压降 式（3.55）（10）饱和系数按下式计算 式（3.56）与初设值相比较,误差太大.计算出的,比原假设值小,说明原假设的偏高,在此基础上计算出的气隙磁密最大值和齿部磁密、都偏低，致使计算出的低于实际值。再次假设时取。为使计算结果能较快收敛，常按经验公式取 式（3.57）假设，重新计算有关各项：321面积计算（2），查表得；（6）322磁密计算（1）（2）（3）（4）（8）（9）（10）误差仍大再假设重新计算有关各项
25、；3.2.1面积计算（2），由图3.3查得（6）3.2.2磁密计算（1）（2）（3）（4）（8）（9）（10）误差，合格（11）定子轭部磁密 式（3.58）（12）转子轭部磁密（13）查磁化曲线找出对应上述磁密强度：（14）计算轭部磁压降,其中轭部磁位降校正系数见图3.4。图3.4 4极轭部校正系数，于是 式（3.59），于是（15）每极磁势 式（3.60）（16）按下式计算满载磁化电流 式（3.61）（17）磁化电流标么值 式（3.62）（18）励磁电抗按下式计算 式（3.63） 式（3.64）3.3参数计算3.3.1定子线圈尺寸（1）线圈平均半匝长（见图3.5）定子线圈节距 式（3.65）
26、 图3.5定子线圈图其中节距比是平均值。直线部分长度 式（3.66）其中，是线圈直线部分伸出铁心的长度，取10-30mm，机座大、极数少者取较大者。平均匝长 式（3.67）其中是经验系数，2极取1.16，4、6极取1.2，8极取1.25。（2）端部平均长 式（3.68）3.3.2漏抗计算（1）计算感应电机定子绕组的漏抗为 式（3.69）除以阻抗基值,便可得定子漏抗标么值 式（3.70）式中 ,为漏抗系数,等于 式（3.71） （2）按图3.6计算定子槽磁导。因为是单层绕组，整距，节距漏抗系数。图3.6 定子槽的比漏磁导 式（3.72）其中 式（3.73） ，因，。（3）只在铁心部分有槽漏抗，因
27、而计算槽漏抗，时要乘上： 式（3.74）（4）考虑到饱和的影响，定子谐波漏抗计算： 式（3.75） 其中由，可查表得（5）单层交叉式绕组的端部漏抗与分组的单层同心式绕组的相近，可求出： 式（3.76）（6）定子漏抗标么值 式（3.77）（7）转子漏抗标么值的计算与定子漏抗标么值的计算相似，但要将转子漏抗折算到定子边。将转子数据，代入式中，乘以阻抗折算系数和除以阻抗基值，便有 式（3.78）（8）转子槽比漏磁导的计算见图3.7:图3.7 转子槽的比漏磁导 式（3.79）其中 式（3.80），由查曲线图3.8得。图3.8 圆底槽下部比漏磁导（9）转子槽漏抗标么值 式（3.81）（10）考虑饱和影响
28、的谐波比漏磁导可由下式求出,于是转子谐波漏抗标么值 式（3.82） 其中由表以及查出。（11）转子绕组端部比漏磁导按下式计算，于转子绕组端部漏抗标么值 式（3.83） （12）转子斜槽漏抗按下式计算 式（3.84）（13）转子漏抗标么值 式（3.85）（14）定转子漏抗标么值之和 式（3.86）（15）定子绕组直流电阻按下式计算 式（3.87）其中为B级绝缘平均工作温度75度时铜的电阻率。（16）定子绕组相电阻标么值 式（3.88）（17）有效材料的计算 感应电机的有效材料是指定子绕组导电材料和定转子铁心导磁材料，电机的成本主要由有效材料的用量决定。定子铜的重量 =5.09kg 式（3.89）
29、其中C是考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铜线C=1.05; 是铜的密度。硅钢片重量 式（3.90） 其中是冲剪余量; 是硅钢片密度.（18）按下式折算至定子边便可计算转子电阻的折算值 式（3.91）其中是考虑铸铝转子因叠片不整齐,造成槽面积减小,导条电阻增加,通常取. 式（3.92） 式（3.93） 式（3.94） 式（3.95）其中是B级绝缘平均工作温度75度时铝的电阻率。 式（3.96）（19）定子电流有功分量标么值按下式计算（20）转子电流无功分量标么值按下式计算 式（3.97）其中系数（21）定子电流无功分量标么值按下式计算 式（3.98）（21）满载电势标么值按下式计算 式（3.
30、99） （23）由下式计算空载电势标么值 式（3.100）（24）假定饱和系数不变，波幅系数不变，于是空载时定子齿部磁密及磁场强度； 式（3.101）3.3.3空载特性计算（1）空载时转子齿部磁密及磁场强度； 式（3.102）（2）空载时定子轭部磁密及磁场强度； 式（3.103）（3）空载时转子轭部磁密及磁场强度； 式（3.104）（4）空载气隙磁密 式（3.105）（5）空载时定子齿部磁压降 式（3.106）（6）空载时转子齿部磁压降 式（3.107）（7）空载时定子轭部磁压降，此时 式（3.108）（8）空载时转子轭部磁压降，此时 式（3.109）（9）空载时气隙磁压降 式（3.110）（
31、10）空载时每极磁势 式（3.111）（11）空载磁化电流 式（3.112）感应电机的空载电流可认为近似等于空载磁化电流。 感应电动机从空载到额定负载，感应电势变化不大，不必计算整条空载特性曲线，只要计算额定负载和空载两种状态下的磁化电流就可以了。3.4工作性能计算3.4.1电流计算（1）由下式计算定子电流标么值 式（3.113） 式（3.114）（2）定子电流密度 式（3.115）（3）定子线负荷 式（3.116）（4）转子电流标么值 式（3.117）导条电流实际值 式（3.118）端环电流实际值 式（3.119）（5）转子电流密度导条电密 式（3.120）端环电密 式（3.121）3.4.
32、2损耗计算（1）定子铜损耗的标么值 式（3.122） 式（3.123）（2）转子铝损耗的标么值 式（3.124） 式（3.125）（3）负载时的附加损耗按规定4极时取（4）机械损耗可参考同类型相近规格电机由空载试验分析计算得出的数据，若无数据可参考时，则按下式计算： 式（3.126） 式（3.127）（5）先计算基本铁耗，再乘以经验系数就得全部铁损耗。 定子轭部铁铁耗由下式计算 式（3.128）式中 按经验取为2； 轭部重量 式（3.129）是轭部铁损耗系数，根据查表得于是全部铁损耗 式（3.130） 式（3.131）（6）由下式可计算总损耗标么值 式（3.132） （7）输入功率标么值 式（3.133）（8）由下式可得 式（3.134）误差=效率的假设值太低，再次假设，取，重新计算第66-95项的有关名项： 332漏抗计算（19）=90%, （20）（21）（23）, 误差=0.05%341电流计算（1）, （2）（3）（4）, , （5）, （6）, （7） , 342损耗计算（6）（7）（8）, （9）功率因数
