1、三相笼型感应电动机电磁设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算毕业论文一、课程设计的性质与目的电机课程设计的是电气工程及其自动化专业电机电器及其控制方向（本科）、电机制造（专科）专业的一个重要实践性教学环节，通过电机设计的学习及课程设计的训练，为今后从事电机设计工作、维护的人才打下良好的基础。电机设计课程设计的目的：一是让学生在学完该课程后，对电机设计工作过程有一个全面的、系统的了解。另一个是在设计过程培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生查阅表格、资料的能力，训练学生的绘图和阅图能力，为今后从事电机设计技术工作打下坚实的基础。二、设计内容1. 在查阅有关资料的基础上，确定电机主要尺寸、槽配
2、合，定、转子槽形及槽形尺寸。2. 确定定、转子绕组方案。3. 完成电机电磁设计计算方案。4. 画出定、转子冲片图。5. 完成说明书（16 开，计算机打印或课程设计纸手写，计算机打印需提供纸质计算原稿）6. 对已经完成的电磁设计方案建立有限元模型，利用 ANSOFT 软件进行运行性能的仿真计算，给出性能分析图表等。三、课程设计的基本要求1. 求每位同学独立完成一种型号规格电机的全部电磁方案计算过程，并根据所算结果绘出定、转子冲片图。2. 要求计算准确，绘出图形正确、整洁。3. 要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。四、设计的指导思想设计一般用途的全封闭自扇冷、笼型三相异步电动机，此
3、电机应具有高效节能、起动转矩大、性能好、噪声低、振动小、可靠性高等特点，功率等级和安装尺寸符合 IEC 标准及使用维护方便等优点。1. 产品的用途环境条件：海拔不超过 1000m，环境空气温度随季节而变化，但不超过 400。适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上。2. 额定数据电机型号Y160L-6额定功率 PN11KW额定频率 fN50Hz额定电压及接法 UN380 1-极数2P=6绝缘等级B3. 主要性能指标力能指标效率h= 0.87功率因数cosj= 0.78最大转矩倍数T * = 2.0M起动性能起动电流倍数 I * = 6.5 ,起st动转矩倍数T * = 2
4、.0st4. 结构与安装尺寸主要尺寸D1 = 0.26m Di1= 0.18m l = 0.195m d= 0.4mm Di 2= d = 0.06m ； Z1Z2= 3633定子槽形采用斜肩园底梨形槽：b = 3.8mm h= 0.8mm b= 7.4mm a = 30o r= 5.1mm h+ h= 16mm0101s11s1s11s12转子采用斜肩园底槽：b= 1mm h= 0.5mm b= 4.2mm r= 2.1mm a = 300 h+ h= 25mm0202s 2s 22s 21s 22hs 21 + hs 22 = 20mm5. 主要标准（1）Y 系列三相电动机产品目录（2）Y
5、 系列三相异步电动机技术条件一、三相感应电动机电磁设计特点及设计思想三相感应电动机电磁设计主要的内容包括如何确定电机和选择电机的电磁负荷及定子两套绕组的极对数。由于作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺
6、点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。同时需注意一下三点：(1) 调速范围明确电机转速运行的最大区间，并应指明电机的常用转速区间，以便选择合适的电机数据，获得良好的力能指标。(2) 负载的性质明确负载需要恒功率调速或恒转矩调速，或在整个调速范围内部分转速区为恒功率、部分转速区为恒转矩。这对选择自然同步转速（即确定 pp、pc 之和） 及控制绕组电源在调速范围内是否需要改变相序十分重要。(3) 通风冷却系统一般交流电机包括同步电机和感应电机，转子不计算铁耗，然而该类电机正常稳态
7、运行时，定子绕组产生的 2 个旋转磁场转速与转子本体转速存在较大的转差，转子铁芯损耗不容忽视。不仅电磁设计时，其电磁负荷的选择应与常规电机有所区别，而且对通风冷却结构设计应予足够的重视。设计要根据电机用户对电机各方面性能的要求，能因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法,从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维护方便的先进产品。本次设计共包括四个方案，方案一：复算。方案二:提高其功率因数.方案三:提高其效率.电磁计算中的几个主要部分包括：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组与冲片设计；工作性能的计算；起动性能的计算等。题目 8：Y160L-6额定数据与性能指标1、电机型号 Y16
8、0L -62、额定功率PN=11kW3、额定频率 fN =50Hz4、额定电压及接法 UN=380 伏 1-5、极数2p=66、绝缘等级 B7、力能指标：效率h= 0.878、功率因数cos 𝜑 = 0.78M9、最大转矩倍数T * = 2.0起动性能：起动电流倍数 I * = 6.5 ,起动转矩倍数T * = 2.0stst主要尺寸D1 = 0.26mDi1= 0.18ml = 0.195m d= 0.4mm 𝐷𝑖2 = 𝑑1 = 0.06𝑚； Z1Z2= 3633转子外径D2= Di1- 2d= 0.18 -
9、2 0.4 10-3 = 0.1792m定子槽形采用斜肩圆底梨形槽：b01= 3.8mm h01= 0.8mm bs1= 7.4mm a = 30o ,1𝑟21 = 5.1𝑚𝑚, 11 = 1.04𝑚𝑚,21 = 14.96𝑚𝑚, 11 + 21 = 16𝑚𝑚转子采用斜肩圆底槽：b02= 1mm h02= 0.5mm bs 2= 4.2mm 𝑟22 = 2.1𝑚𝑚 a = 300212 = 0.924&#
10、119898;𝑚,22 = 24.076𝑚𝑚,12 + 22 = 25𝑚𝑚（一）额定数据和主要尺寸：1. 额定功率： PN = 11kW2. 额定电压： UN = UNF = 380V （1- D 接）3. 功电流： IKW= PN=mUN F111033 380A= 9.49A4. 效率: h=0.87 （按照设计任务确定）5. 功率因素： cosj = 0.786. 极数： 2 p = 67. 定、转子槽数: Q1 = 36, Q2 = 338. 定转子每极槽数:定子每极槽数: QP1转子每极槽数: QP 2=
11、 Q12 p= Q22 p= 36 = 66= 5.59. 确定电机电机主要尺寸主要尺寸来确定 Dil 和lefKE = 0.0108 ln PN - 0.013 p + 0.931 = 0.0108 ln11- 0.013 3 + 0.931 = 0.918计算功率P = K PN= 0.91811103=14.881kWE hcosj0.87 0.78初选a = 0.68, K = 1.095, K = 0.96, A = 25.6 103 A/m，B= 0.67TpNMdp1d假定n = 1450r / minV =6.1P=6.114881= 0.00511m3a K K AB n0.
12、681.095 0.96 25600 0.67 1450pNMdp1d𝑖1𝜆 = 1.5,𝐷 =𝐷 6 0.0051132𝑝𝑉𝜆𝜋= 3𝑚 = 0.187𝑚 1.5𝜋0.187𝐷1𝐷 =𝐷𝑖1= 0.25𝑚 = 0.746𝑚,取𝐷1= 0.75𝑚,则𝐷𝑖1= &#
13、119863;1 (𝑖1𝐷)= 0.1875𝑚𝑖1𝐷铁芯的有效长度:𝑙𝑒𝑓𝑉𝐷=2𝑖1= 0.0051 = 0.145𝑚0.18752取铁芯长:𝑙𝑖 = 0.145𝑚10. 气隙的确定Di1lid= 0.3(0.4 + 7) 10-3 m = 0.3(0.4 + 7 0.1875 0.145) 10-3 m = 0.47 10-3 m于是铁芯有效长度lef
14、= li + 2d= 0.146m转子外径D2 =Di1 -2d=0.1866m转子内径先按转轴直径计算: Di 2 =0.0006m定转子冲片尺寸如下图所示11. 极距t = pDi1 = 3.141518 cm=9.425cmp2 p612. 定子齿距1t = pDi1 = 3.141518 cm=1.571cmQ136转子齿距2t = pD2 = 3.141517.91 cm=1.776cmQ233每相每极槽数取整数q1 = 2则 Z1 = 2mpq1 = 2 3 2 3 = 36Z2 = 33 并采用斜肩圆底梨形槽13定子绕组采用单层绕组，交叉式，节距 1-9，2-10，11-1214
15、. 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 t1，于是转子斜槽宽bsk = 0.0157m15. 设计定子绕组每相串联导体数f1N = hcosjpDi1 A = 0.87 0.78p 0.1875 25600 = 359m1IKW3 9.491并联支路数 a1=2.每槽导体数Ns1 =m1a1 Nf Q1= 3 2 359 = 60 ,于是每线圈匝数为 6036每相串联导体数确定为f1N= NS1Q1 = 60 36 = 360m1a13 216. 每相串联匝数N = Nf1 = 360 = 18012217. 绕组线规设计定子电流初步估计值1I =IKW=hcosj9.
16、490.87 0.78= 13.98A1初选定子电密 J = 5.0A/mm2 ，计算导线并绕根数和每根导线截面积的乘积。 1 N A = I = 13.98 =1.398mm21i1 C1aJ 2 5选用截面积相近的铜线：高强度漆包线，并绕根数 Ni1=4，线径 d=0.6mm，漆膜厚度范围是 0.050.09mm，选择 0.06mm，绝缘后直径 d=0.66mm，A=C1截面积:0.3495mm218. 设计定子槽形r21h21h1b11h11b01h01𝑏𝑖1,𝑚𝑖𝑛𝜋(𝐷&#
17、119894;1 + 201 + 211 + 221)1=𝑍 2𝑟= 𝜋(0.1875 + 2 0.0002136𝑏𝑖1,𝑚𝑎𝑥𝑚 = 0.0090946𝑚𝜋(𝐷𝑖1 + 201 + 211)1=𝑍𝜋(0.1875 + 2 0.0008 + 2 ( 𝑏11 =36齿部基本平行，齿宽 0.0074𝑚 =0.0092835
18、9898;𝑏𝑖1= 0.0090946 + 0.0092835𝑚 = 0.009189𝑚2i1B -定子齿磁密，范围在1之.4间1，.6T取（平均值）。1.5TKFe铁芯叠压系数，KFe=0.92(涂漆),KFe=0.95(不涂漆)，本设计选择 KFe=0.95(不涂漆)bi1 =t1B di1KFe B = 0.01571 0.67 0.951.5m= 0.00739m按下式估计定子轭部计算高度B j1 定子轭部磁密；因轭部磁路较长，体积较大，因此一般 Bj1 取得比 Bi1 略低， 以保证合理的铁心损耗和空载电流。一般在1.1
19、1.5T 之间，初选 Bj1 = 1.25Tdh = tpapB m = 0.09425 0.68 0.67 m=0.0181mj12K B2 0.951.25Fe j1一般取槽口宽b01 = 2.5 4.0mm 。为了嵌线方便， b01 应比线径大1.21.6mm。槽口高度h01 = 0.5 2.0mm 。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b01 = 3.8mm ，h01 = 0.8mm 。19. 槽在面积𝐴𝛿2𝑟21 + 𝑏11=2( ) +𝜋𝑟
20、;212𝛿2= 2 5.1 + 7.42(16 0.5) +𝜋 52𝑚2h=0.5mm, 即槽楔为 0.5mm 层压板。按槽绝缘采用 DMDM 复合绝缘，1 = 0.5𝑚𝑚，槽楔为 = 0.5𝑚𝑚,复合板， 槽绝缘占面积。𝛿𝐴𝑖 = 1(2 + 𝜋𝑟21) = 0.0005 (2 0.016 + 𝜋 0.0051) = 24.01 10 6𝑚2槽有效面积𝐴&
21、#119890;𝑓 = 𝐴𝛿 𝐴𝑖 = 138.9 10 6𝑚2槽满率𝑁𝑖1𝑁𝑠1𝑑24 60 (0.66 10 3)2𝑆𝑓 =𝐴𝑒𝑓= 75.27%138.9 10 620. 绕组系数𝐾𝑝1 = 1𝐾𝑑1sin 𝑞𝛼=2𝛼sin
22、2 30=230= 0.9659𝑞sin 22sin 2其中𝛼 = 2𝜋𝑝 = 3 360 = 30𝑍136𝐾𝑑𝑝1 = 𝐾𝑑1𝐾𝑝1 = 1 0.9659 = 0.9659每相有效串联导体数𝑁1𝐾𝑑𝑝1 = 360 0.9659 = 34821. 设计转子槽形与转子绕组按下式转子导条电流：k1=0.83(由资料查出)𝐼 =
23、𝐾 𝐼 3𝑁1𝐾𝑑𝑝1 = 0.83 13.98 3 360 0.9659 = 366.798𝐴2𝐼 1𝑍233其中 KI=0.83, 由资料查出。表 3.5 KI 与cosj的关系cosj0.650.700.750.800.850.900.95KI0.740.770.820.850.900.950.985𝐽 = 3.5𝐴/𝑚𝑚2初步取转子导条电密 𝐵，于是导条的截面积：&
24、#119861;𝐴 =𝐼 2 =𝐽𝐵𝐵 366.7983.5= 1.3𝑇𝑚𝑚2 = 104.799𝑚𝑚2初步取𝑖2,估算转子齿宽𝑡 𝐵 0.02468 0.67𝑏2𝑖2 =𝐾𝛿 =𝐵 0.95 1.3𝑚 = 0.013389𝑚𝐵 = 1.21𝑇&#
25、119865;𝑒 𝑖2初步取 𝑗2,估算转子轭部计算高度𝐵𝜏 𝑎 𝐵 0.09425 0.68 0.67 =𝑝 𝑝 𝛿 =𝑚 = 0.0188𝑚𝑗22𝐾𝐹𝑒𝑗22 0.95 1.21齿壁不平行的槽形的齿宽计算如下:r22b12h22h2h12b02h02pD- 2 2 (h + h + h )bi 2 = 23021222Z2
26、 - b12p(0.1886 - 4 0.0255)= 3-= 0.01052m330.0042 m导条截面积(转子面积)b + bpr 2A = ( 0212 )h+ b h+ 22 B21212 222= 0.0005 + 0.0042p 0.00212 2(2) 0.000924 + 0.0042 (0.025 - 0.000924) +2 m= 1.10217 10-4 m2估计端环电流𝐼 = 𝐼 𝑍2= 366.798 33 = 642.1𝐴𝑅22𝜋𝑝2𝜋
27、3端环所需面积𝑅𝐴 =𝐼 𝑅 =𝐽𝑅642.12.1𝑚𝑚2 = 305.788𝑚𝑚2𝐽 = 0.6𝐽 = 2.1𝐴/𝑚𝑚2其中端环电密 𝑅𝐵（二）磁路计算22. 满载电势初设𝐾 = (1 𝜀 ) = 0.918𝐸𝐿𝐸𝑁则Ү
28、64;1 = 𝐾 𝑈= 0.918 380 = 348.84𝑉23. 计算每极磁通𝐾 = 1.14𝐾= 1.10初设 𝑠,由图 3.3 查得𝑁𝑀,由下式得KNm1.121.10apap40.80.801.08 0.76mKN1.060.721.04 0.681.021.000.64s0.601.02.03.0K𝐸1图 3.3感应电机的ap = f (Ks ) 及 KNm = f (Ks ) 曲线348.844𝐾𝜙 =&#
29、119873;𝑀𝐾𝑑𝑝1=𝑊𝑏 = 0.009120086𝑊𝑏𝑓𝑁14 1.10 0.9659 50 180为计算磁路各部分磁密，需先计算磁路中各部分的磁导截面24. 每极下齿部截面积𝐴𝑖1 = 𝐾𝐹𝑒𝑙𝑖𝑏𝑖1𝑍𝑝1 = 0.95 0.214 0.009189
30、6 = 0.01120874𝑚2𝐴𝑖2 = 𝐾𝐹𝑒𝑙𝑖𝑏𝑖2𝑍𝑝2 = 0.95 0.214 0.01052 5.5 = 0.0111815𝑚2定子轭部计算高度𝐷1 𝐷𝑖1 = 𝑟210.26 0.18750.0051+= 0.0168 +𝑚 = 0.02115𝑚𝑗12x
31、575;1323转子轭部高度，斜肩圆底槽,𝑑𝑅2为转子轴向径向通风孔直径，取 0.07239m𝑗2𝐷2 𝐷𝑖2=2 𝛿2 +𝑟223 23𝑑𝑣2 =0.1886 0.0006 0.0255 +20.0轭部导磁截面积𝐹𝑒 𝑖𝐴𝑗1 = 𝐾𝑙 𝑚 = 0.02094𝑚𝑗1= 0.95
32、 0.214 0.02115𝑚2 = 4.300 10 3𝑚2𝐴𝑗2 = 𝐾𝑙 = 0.95 0.214 0.02094𝑚2 = 4.257 10 3𝑚2𝐹𝑒 𝑖𝑗226. 一极下空气隙截面积𝐴𝛿 = 𝜏𝑝𝑙𝑒𝑓 = 0.09425 0.2148𝑚2 = 0.0202449
33、19898;227. 波幅系数𝐵𝛿1128. 气隙磁密计算𝐹𝑠 =𝐵𝛿𝑎𝑣= 1.47𝑎0.68𝑝𝐵𝛿 =29. 定子齿部磁密：𝐹𝑠𝜙𝐴𝛿= 1.47 0.009120086𝑇 = 0.662𝑇0.0202449𝐹𝑠𝜙𝐴𝐵𝑖1 =𝑖1= 1.47 0.009120086𝑇 = 1.196078𝑇0.0112087430. 转子齿部磁密𝐹𝑠𝜙𝐴𝐵𝑖2 =𝑖21.47 0.009120086𝑇 = 1.198991𝑇0.011181531. 从
