三相异步电动机的设计说明书

三相异步电动机的设

计说明书

一．三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机由两个基本部分构成：固定部分—定子和转子，转子

按其结构可分为鼠笼型和绕线型两种。

1-1.定子的结构组成

定子由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成，定子铁心是异步电动机磁路的一部分，一般由0.5毫米厚的硅钢片叠压而成，用压圈及扣片固紧，各片之间相互绝缘，以减少涡流损耗。

定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的，小型电机采用散下线圈或称软绕组，大中型电机采用成型线圈，又称为硬绕组。

1-2.转子的结构组成

转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成，转子铁心和定子铁心一样，也是由0.5毫米硅钢片叠压而成。鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽的裸导条和两端的环形端环连接而成，如果去掉转子铁心，绕组的形状象一个笼子；绕线型转子的绕组与定子绕组相似，做成三相绕组，在部星型或三角型。

1-3.工作原理

当定子绕组接至三相对称电源时，流入定子绕组的三相对称电流，在气隙产生一个以同步转速n

1

旋转的定子旋转磁场，设旋转磁场的转向为逆

时针，当旋转磁场的磁力线切割转子导体时，将在导体产生感应电动势e

2

，电动势的方向根据右手定则确定。N极下的电动势方向用?表示，S极下的

电动势用Θ表示，转子电流的有功分量i

2a 与e

2

同相位，所以Θ

?和既表示

电动势的方向，又表示电流有功分量的方向。转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力f

em

,根据左手定则，在N极下的所有电流方向为

?的导体和在S极下所有电流流向为Θ的导体均产生沿着逆时针方向的切

向电磁力f

em ,在该电磁力作用下，使转子受到了逆时针方向的电磁转矩M

em

的驱动作用，转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡，转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行，从而实现了电能与机械能之间的能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理。

二．异步电动机存在的缺点

2-1.笼型感应电动机存在下列三个主要缺点。

（1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要。当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。

（2）大转矩不大，用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。

（3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。另一办法是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。

2-2.绕线型感应电动机

绕线性感应电动机正常运行时，三相绕组通过集电环短路。起动时，为减小起动电流，转子中可以串入起动电阻，转子串入适当的电阻，不仅可以减小起动电流，而且由于转子功率因数和转子电流有功分量增大，起动转矩也可增大。这种电动机还可通过改变外串电阻调速。绕线型电动机

虽起动特性和运行特性兼优，但仍存在下列缺点：

（1）由于转子上有集电环和电刷，不仅增加制造成本，并且降低了起动和运行的可靠性，集电环和电刷之间的滑动接触，是这种电动机发生故障的主要原因。特别是集电环与电刷之间会产生火花，使传统绕线型电动机在矿山、井下、石油、华工等防爆要求的场所，对于灰土、粉尘浓度很高的地方，也不敢使用，这就限制了其应用围。

（2）当前的传统绕线型电动机为了提高可靠性，多数不提刷，因此运行时存在下列电能浪费：集电环和电刷间的摩擦损耗和接触电阻上的电损耗，电刷至控制柜短路开关间三根电缆的电损耗，若电动机与控制柜之间距离很长，则该损耗将非常严重。并且由于集电环与电刷产生碳粉、电火花和噪声，长期污染周围环境，损害管理人员和周围居民健康。

（3）传统绕线型电动机的起动转矩比笼型电动机的有所提高，但仍往往不能满足满载起动的需要，以至仍然需要增容而形成“大马拉小车”。

上述传统感应电动机存在的严重缺点的根本原因在于“起动”、“运行”和“可靠性”三者之间存在难以调和的矛盾，因此势必顾此失彼，不可兼优。

三．电机主要尺寸比的选择及一般方法

3-1.主要尺寸比的选择

在选定线负荷A 和气隙磁密B δ后，由式A dp Nm p ef C AB K K P n

l D ==δ

α1.62 即可确定电机的D 2l ef 。但D 2l ef 相同的电机，可以设计的细长，也可以设计的粗短。为了反映电机这种几何形状关系，通常采用主要尺寸比τλef

l =这

一概念。λ的大小与电机的运行性能、经济性、工艺性等均有密切关系或对它们产生一定影响。现在分别说明不同类型电机的λ值的选择。 ef l D 2若不变而λ较大：

（1）电机将较细长，即ef l 较大而D 较小。这样，绕组端部变得较短，端部的用铜(铝)量相应减少，当λ仍在正常围时，可提高绕组铜(铝)的利用率。端盖，轴承，刷架，换向器和绕组支架等结构部件的尺寸较小，

重量较轻。因此，单位功率的材料消耗较少，成本较低。

（2）今电机的体积未变，因而铁的重量不变，在同一磁密下基本铁耗也不变。但附加铁耗有所降低，机械损耗则因直径变小而减小。再考虑到电流密度一定时，端部铜(铝)耗将减小，因此，电机中总损耗下降，效率提高。

（3）由于绕组端部较短，因此，端部漏抗减小。—般情况下，这将使总漏抗减小。

（4）由于电机细长，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀度增大。为此必须采取措施来加强冷却，例如：采用较复杂的通风系统。但在主要依靠机座表面散热的封闭式电机中，热量主要通过定子铁心与机座向外发散，这时电机适当做得细长些可使铁心与机座的接触面积增大，对散热有利(对于无径向通风道的开启式或防护式电机，为了充分发挥绕组端部的散热效果，往往将λ取得较小)。

（5）由于电机细长，线圈数目常较粗短的电机为少，因而使线圈制造工时和绝缘材料的消耗减少。但电机冲片数目增多，冲片冲剪和铁心叠压的工时增加，冲模磨损加剧，同时机座加工工时增加，并因铁心直径较小，下线难度稍大，而可能使下线工时增多。此外，为了保证转子有足够的刚度，必须采用较粗的转轴。

（6）由于电机细长，转子的转动惯量与圆周速度较小，这对于转速较高或要求机电时间常数较小的电机是有利的。

3-2.确定主要尺寸的一般方法 首先根据电机的额定功率，利用式N N N E P K P ?ηcos ='和式N

N m P K P η='得出计算功率P '。然后根据P '与n ，结合所设计电机的特点，利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷δB A ,，代入式A dp Nm ef C AB K K P n

l D ='='δ

α1.62即可得出ef l D 2。计算时，交流电枢若采用单层整距绕组，可预取96.0=dp K ；若为双层绕组（线圈节距τ6

5=y 时），则可预取92.0=dp K 。

然后参考推荐的数据选用适当的 ，即可由已算得的ef l D 2分别求得主要尺寸D 与l ef 。对于感应电机和同步电机，同时还要确定它们的定子外径D 1。为了充分利用硅钢片，减少冲模等工艺的规格与数量，加强通用性和考虑系列电机功率等级递增的需要，我国目前规定了交流电机定子铁心的标准外径D 1（见表1），当D 1>99cm 时，应采用扇形片。算得D 1后，需将其调整至表

1的标准直径，然后对定子径D i1与铁心计算长度l ef 进行必要调整。

表1 交流电机定子的标准外径D 1 单位：cm

当绕组过电流，在电机的有效部分、端部及部分结构零件中就激发了磁场。为了简化物理图象及电磁计算，把电机中的磁场分为主磁场及漏磁场。磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势，并进而计算励磁电流以及电机的空载特性。通过磁路计算还可以校核电机各部分磁通密度选择得是否合适。

4-1.电磁负荷匹配

电磁负荷的匹配直接影响电机的温升。某电机厂在低压200kW 2极、高压450kW 2极电动机上试验，在维持硅钢片、铜钱用量不变的情况下，将定、转子各部分电密的比例关系重新分配，使温升分别降低，19.5～22.6K 及11—16K ]6[。其主要原因是电密匹配变化后使温度场的分布趋于合理。

尽管随着电机类型不同，温度场分布亦不尽相同，但仍有一个共同的规律。就散热途径而言，转子热量有很大一部分要先传给定子，再经机座或通风道，与定子热量汇集在一起传给周围介质。除特殊产

品外，从散热观点看定子情况要比转子优越得多。

以前电机设计，在温升计算公式中未纳入转子电密(它关系到转子绕组产生的热量)，从温升计算结果上显示不出转子电密的影响，致使某些设计因转子电密偏高而造成温度场分布不合理，其结果是铜线并没少用，但电机温升偏高。

经过对高压、低压、IP44、铸纯铝转子电机的分析、验证，推荐下列的匹配关系。

定子电密：转于导条电密：转子端环电密 4：2：1。

铜条转子、绕线转子及铝合金转子可在维持与上列匹配关系相当的转子铜耗的前提下，按与纯铝之间的电阻率之差选取相应的电密。

磁负荷亦应遵循类似的规则，只是转子部分铁耗很小，转子部分磁密只要在推荐的围选取，其损耗可以忽略不计，电机总的铁耗可以认为仅由定子齿部铁耗及定子轭部铁耗两部分构成。当铁心尺寸确定后，铁耗随磁密的增加而增加。当齿、轭磁密相近肘，由于轭部体积较大，特别是2、4极电机，其铁耗常常是齿部的好多倍。所以设计人员常将轭部磁密选得较低，齿部磁密选得较高，这从计算结果上看是合适的。但在散热的途径中齿部的散热不如轭部，同时，齿部磁密偏高时，还会使其脉振损耗显著增加，这些从计算结果上很难察觉，但却往往导致温升增高，因此，齿部磁密不宜偏高。对于外装压、小容量、多极数的电机，当采用扣片固紧铁心时，因轭部小，扣片槽对磁路的影响较大，则轭部磁密不宜过高，并且当扣片槽与定子槽数匹配不当使磁路不对称及轭部过窄时还要产生电磁噪声。

对于某些结构特殊的电机，如氟里昂冷却或转轴通冷却液的电机，则未必遵循上述的匹配规律。

4-2.绕组型式的选择

绕组的型式，连同其结构参数对电机的所有电气性能均产生不同程度的影响。不同型式的绕组按照各自的特性有不同的适用围。

改善磁动势波形是指气隙磁动势分布波形接近于正弦波，即其谐波含量减少了，由此带来的效果是附加损耗、电磁噪声都减小了；T--s曲线的形状也改善了，即减少了寄生转矩，提高了起动过程中的