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.docx
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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PN
11KW
额定频率fN
50Hz
额定电压及接法UN
3801-Δ
极数
2P=6
绝缘等级
B
3.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*=2.0
M
起动性能
起动电流倍数I*=6.5,起
st
动转矩倍数T*=2.0
st
4.结构与安装尺寸主要尺寸
D1=0.26mDi1
=0.18ml=0.195md=0.4mmDi2
=d=0.06m;Z1
Z
2
=3633
定子槽形采用斜肩园底梨形槽:
b=3.8mmh
=0.8mmb
=7.4mma=30or
=5.1mmh +h
=16mm
01 01 s1
1 s1
s11
s12
转子采用斜肩园底槽:
b =1mmh
=0.5mmb
=4.2mmr
=2.1mma=300h +h
=25mm
02 02
s2 s2
2 s21
s22
hs21+hs22=20mm
5.主要标准
(1)Y系列三相电动机产品目录
(2)Y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Y160L-6 2、额定功率 PN=11kW
3、额定频率fN=50Hz 4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ
5、极数 2p=6 6、绝缘等级B
7、力能指标:
效率h=0.87
8、功率因数cos𝜑=0.78
M
9、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*=2.0
st st
主要尺寸
D1=0.26m
Di1
=0.18m
l=0.195md=0.4mm𝐷𝑖2=𝑑1=0.06𝑚;Z1
Z
2
=3633
转子外径D2
=Di1
-2d=0.18-2´0.4´10-3=0.1792m
定子槽形采用斜肩圆底梨形槽:
b01
=3.8mmh01
=0.8mmbs1
=7.4mma=30o,
1
𝑟21=5.1𝑚𝑚,ℎ11=1.04𝑚𝑚,ℎ21=14.96𝑚𝑚,ℎ11+ℎ21=16𝑚𝑚
转子采用斜肩圆底槽:
b02
=1mmh02
=0.5mmbs2
=4.2mm𝑟22=2.1𝑚𝑚a=300
2
ℎ12=0.924𝑚𝑚,ℎ22=24.076𝑚𝑚,ℎ12+ℎ22=25𝑚𝑚
(一)额定数据和主要尺寸:
1.额定功率:
PN=11kW
2.额定电压:
UN=UNF=380V(1-D接)
3.功电流:
IKW
=PN =
mUNF
11´103
3´380
A=9.49A
4.效率:
h¢=0.87(按照设计任务确定)
5.功率因素:
cosj¢=0.78
6.极数:
2p=6
7.定、转子槽数:
Q1=36,Q2=33
8.定转子每极槽数:
定子每极槽数:
QP1
转子每极槽数:
QP2
=Q1
2p
=Q2
2p
=36=6
6
=5.5
9.确定电机电机主要尺寸主要尺寸来确定Dil和lef
KE¢=0.0108lnPN-0.013p+0.931=0.0108ln11-0.013´3+0.931=0.918
计算功率
P¢=K
¢PN =0.918´
11´103
=14.881kW
Eh¢cosj¢ 0.87´0.78
初选
a'=0.68,K' =1.095,K' =0.96,A¢=25.6´103A/m,B
=0.67T
p NM dp1 d
假定n¢=1450r/min
V= 6.1P¢ =
6.1´14881
=0.00511m3
a'K'
K'A¢B¢n¢
0.68´1.095´0.96´25600´0.67´1450
p NM dp1 d
𝑖1
𝜆=1.5,𝐷'=
𝐷'
6×0.00511
3
2𝑝𝑉
𝜆𝜋
=3 𝑚=0.187𝑚1.5𝜋
0.187 𝐷
1
𝐷'=
𝐷
𝑖1
=0.25
𝑚=0.746𝑚,取𝐷1
=0.75𝑚,则𝐷𝑖1
=𝐷1×(
𝑖1
𝐷)
=0.1875𝑚
𝑖1
𝐷
铁芯的有效长度:
𝑙𝑒𝑓
𝑉
𝐷
=
2
𝑖1
=0.0051=0.145𝑚
0.18752
取铁芯长:
𝑙𝑖=0.145𝑚
10.气隙的确定
Di1li
d=0.3(0.4+7 )´10-3m=0.3(0.4+70.1875´0.145)´10-3m=0.47´10-3m
于是铁芯有效长度lef=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:
Di2=0.0006m
定转子冲片尺寸如下图所示
11.极距
t=pDi1=3.1415´18cm=9.425cm
p 2p 6
12.定子齿距
1
t=pDi1=3.1415´18cm=1.571cm
Q1 36
转子齿距
2
t=pD2=3.1415´17.91cm=1.776cm
Q2 33
每相每极槽数取整数q1=2
则Z1=2mpq1=2´3´2´3=36
Z2=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1-9,2-10,11-12
14.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=0.0157m
15.设计定子绕组每相串联导体数
f1
N¢=h¢cosj¢pDi1A¢=0.87´0.78´p´0.1875´25600=359
m1IKW
3´9.49
1
并联支路数a1=2.每槽导体数
Ns1=
m1a1Nf¢Q1
=3´2´359=60,于是每线圈匝数为60
36
每相串联导体数确定为
f1
N =NS1Q1=60´36=360
m1a1 3´2
16.每相串联匝数
N=Nf1=360=180
1 2 2
17.绕组线规设计
定子电流初步估计值
1
I¢=
IKW =
h¢cosj¢
9.49
0.87´0.78
=13.98A
1
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
NA¢=I¢
=13.98=1.398mm2
1
i1C1
aJ¢
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0.05~0.09mm,选择0.06mm,绝缘后直径d=0.66mm,
A =
C1
截面积:
¢
0.3495mm2
18.设计定子槽形
r21
h21
hδ1
b11
h11
b01
h01
𝑏𝑖1,𝑚𝑖𝑛
𝜋(𝐷𝑖1+2ℎ01+2ℎ11+2ℎ21)
1
= 𝑍
–2𝑟 =𝜋(0.1875+2×0.000
21 [
36
𝑏𝑖1,𝑚𝑎𝑥
𝑚=0.0090946𝑚
𝜋(𝐷𝑖1+2ℎ01+2ℎ11)
1
= 𝑍
𝜋(0.1875+2×0.0008+2×(
–𝑏11= 36
齿部基本平行,齿宽
–0.0074𝑚= 0.0092835𝑚
𝑏𝑖1
=0.0090946+0.0092835𝑚=0.009189𝑚
2
i1
B¢-定子齿磁密,范围在1之.4间~1,.6T取
(平均值)。
1.5T
KFe—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¢
d
i1
KFeB¢
=0.01571´0.670.95´1.5
m=0.00739m
按下式估计定子轭部计算高度
Bj1¢—定子轭部磁密;因轭部磁路较长,体积较大,因此一般B¢j1取得比Bi¢1略低,以保证合理的铁心损耗和空载电流。
一般在1.1~1.5T之间,初选B¢j1=1.25T
d
h¢=tpap¢B¢m=0.09425´0.68´0.67m=0.0181m
¢
j1
2KB
2´0.95´1.25
Fej1
一般取槽口宽b01=2.5~4.0mm。
为了嵌线方便,b0¢1应比线径大
1.2~1.6mm。
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
𝐴𝛿
2𝑟21+𝑏11
= 2
(ℎ'‒ℎ)+
𝜋𝑟212
𝛿
2
=2×5.1+7.4
2
(16‒0.5)+
𝜋×5
2
𝑚2
h=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ℎ=0.5𝑚𝑚,复合板,槽绝缘占面积。
𝛿
𝐴𝑖=∆1(2ℎ'+𝜋𝑟21)=0.0005×(2×0.016+𝜋×0.0051)=24.01×10‒6𝑚2
槽有效面积
𝐴𝑒𝑓=𝐴𝛿‒𝐴𝑖=138.9×10‒6𝑚2
槽满率
𝑁𝑖1𝑁𝑠1𝑑2
4×60×(0.66×10‒3)2
𝑆𝑓=
=
𝐴𝑒𝑓
=75.27%
138.9×10‒6
20.绕组系数𝐾𝑝1=1
𝐾𝑑1
sin𝑞𝛼
= 2
𝛼
sin2×30°
= 2
30°
=0.9659
𝑞sin2 2sin2
其中
𝛼=2𝜋𝑝=3×360°=30°
𝑍1 36
𝐾𝑑𝑝1=𝐾𝑑1𝐾𝑝1=1×0.9659=0.9659
每相有效串联导体数𝑁Φ1𝐾𝑑𝑝1=360×0.9659=348
21.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'=𝐾𝐼'3𝑁Φ1𝐾𝑑𝑝1=0.83×13.98×3×360×0.9659=366.798𝐴
2 𝐼1
𝑍2 33
其中KI=0.83,由资料查出。
表3.5KI与cosj的关系
cosj
0.65
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
KI
0.74
0.77
0.82
0.85
0.90
0.95
0.985
𝐽'=3.5𝐴/𝑚𝑚2
初步取转子导条电密𝐵 ,
于是导条的截面积:
𝐵
𝐴'=
𝐼'
2=
𝐽
'
𝐵
𝐵'
366.798
3.5
=1.3𝑇
𝑚𝑚2=104.799𝑚𝑚2
初步取
𝑖2
,估算转子齿宽
𝑡𝐵'
0.02468×0.67
𝑏
'
2
𝑖2=
𝐾
𝛿=
𝐵'
0.95×1.3
𝑚=0.013389𝑚
𝐵'
=1.21𝑇
𝐹𝑒𝑖2
初步取𝑗2
,估算转子轭部计算高度
𝐵
𝜏𝑎'𝐵'
0.09425×0.68×0.67
ℎ'=
𝑝𝑝𝛿=
𝑚=0.0188𝑚
𝑗2
2𝐾
𝐹𝑒
'
𝑗2
2×0.95×1.21
齿壁不平行的槽形的齿宽计算如下:
r22
b12
h22
hδ2
h12
b02
h02
péD
-2´2(h+h+h)ù
bi2=
ëê2
3 02 12 22
Z2
û-b12
ú
ép´(0.1886-4´0.0255)
=ê3 -
ù
ú =0.01052m
ê 33
0.0042úm
ê ú
ë û
导条截面积(转子面积)
b+b pr2
A=(02 12)h
+bh
+22
B 2 12 1222 2
=é0.0005+0.0042
p´0.00212ù 2
ê( 2 )´0.000924+0.0042´(0.025-0.000924)+ 2 úm
ë û
=1.10217´10-4m2
估计端环电流
𝐼'=𝐼'
𝑍2
=366.798×33=642.1𝐴
𝑅 22𝜋𝑝
2𝜋×3
端环所需面积
𝑅
𝐴'=
𝐼'
𝑅=
𝐽
'
𝑅
642.1
2.1
𝑚𝑚2=305.788𝑚𝑚2
𝐽'=0.6𝐽'=2.1𝐴/𝑚𝑚2
其中端环电密𝑅 𝐵
(二)磁路计算
22.满载电势
初设𝐾'=(1‒𝜀')=0.918
𝐸 𝐿
𝐸
𝑁Φ
则𝐸1=𝐾'𝑈 =0.918×380=348..84𝑉
23.计算每极磁通
𝐾'=1.14 𝐾
=1.10
初设𝑠
,由图3.3查得
𝑁𝑀
,由下式得
KNm
1.12
1.10
a¢p
a¢p
4
0.8
0.80
1.080.76
m
KN
1.06 0.72
1.040.68
1.02
1.00
0.64
s
0.601.0 2.0 3.0 K
𝐸1
图3.3 感应电机的a¢p=f(Ks)及KNm=f(Ks)曲线
348.84
4𝐾
𝜙=
𝑁𝑀
𝐾𝑑𝑝1
= 𝑊𝑏=0.009120086𝑊𝑏
𝑓𝑁1 4×1.10×0.9659×50×180
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=0.95×0.214×0.009189×6=0.01120874𝑚2
𝐴𝑖2=𝐾𝐹𝑒𝑙𝑖𝑏𝑖2𝑍𝑝2=0.95×0.214×0.01052×5.5=0.0111815𝑚2
定子轭部计算高度
𝐷1‒𝐷𝑖1
ℎ'= ‒ℎ
𝑟21 0.26‒0.1875 0.0051
+ = ‒0.0168+ 𝑚=0.02115𝑚
𝑗1 2
𝛿1 3 2 3
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0.07239m
ℎ
'
𝑗2
𝐷2‒𝐷𝑖2
= 2 ‒ℎ𝛿2+
𝑟22
3‒
2
3
𝑑𝑣2=
0.1886‒0.0006‒0.0255+
2
0.0
轭部导磁截面积
𝐹𝑒𝑖
𝐴𝑗1=𝐾
𝑙ℎ'
𝑚=0.02094𝑚
𝑗1
=0.95×0.214×0.02115𝑚2=4.300×10‒3𝑚2
𝐴𝑗2=𝐾
𝑙ℎ'
=0.95×0.214×0.02094𝑚2=4.257×10‒3𝑚2
𝐹𝑒𝑖
𝑗2
26.一极下空气隙截面积
𝐴𝛿=𝜏𝑝𝑙𝑒𝑓=0.09425×0.2148𝑚2=0.0202449𝑚2
27.波幅系数
𝐵𝛿 1 1
28.气隙磁密计算
𝐹𝑠=
𝐵
𝛿𝑎𝑣
= = =1.47
𝑎
' 0.68
𝑝
𝐵𝛿=
29.定子齿部磁密:
𝐹𝑠𝜙
𝐴𝛿
=1.47×0.009120086𝑇=0.662𝑇
0.0202449
𝐹𝑠𝜙
𝐴
𝐵𝑖1=
𝑖1
=1.47×0.009120086𝑇=1.196078𝑇
0.01120874
30.转子齿部磁密
𝐹𝑠𝜙
𝐴
𝐵𝑖2= =
𝑖2
1.47×0.009120086𝑇=1.198991𝑇
0.0111815
31.从
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