论文初稿(最新版)

学号 2010040211050

密级

武汉大学东湖分校本科毕业设计（论文）

7.5KW三相异步电动机的设计

院（系）名称：机电工程学院

专业名称：电气工程及其自动化

学生姓名：王胡

指导教师：杨长安教授

二〇一四年五月

BACHELOR'S DEGREE THESIS

OF DONGHU COLLEGE WUHAN

UNIVERSITY

7.5KW Three-phase asynchronous

motor design

College ：College of Electromechanical Engineering

Subject ：Electric Engineering and Automation

Name ：WangHu

Directed ：YangChangAn

May 2014

郑重声明

本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

本设计为7.5kW异步电动机的设计。全文分为5章，第1和第2章主要是介绍了异步电机的概念，基本结构和工作原理。第3章建立在对电机理论的了解上，简要的讲述了电机设计的基本理论，主要原则，设计要求。第4章是在前面4章的理论基础上，对电机参数的具体计算，这是全文的重点内容，也是该设计是否达标的具体体现。第5章是对电机如何降低起动电流的专题研究，目的是为了更加深刻的体会，理解电机理论。全文按照从理论到设计的逻辑顺序，逐步的介绍了一台电机的设计过程。

关键词：异步电动机；设计；起动电流；

ABSTRACT

The design for the 7.5kW induction motor design. Paper is divided into five chapters, the first and second chapter is to introduce the concept of asynchronous motors, the basic structure and working principle. Chapter 3, based on the knowledge of motor theory, briefly describes the basic theory of motor design, the main principles of the design requirements. Chapter 4 is based on the theory of the previous four chapters, specific calculation of motor parameters, which is the focus of the full text of the content, but also whether the design is embodied compliance. Chapter 5 is a case study on how to reduce the starting current of the motor, the purpose of a more profound experience, understanding of the motor theory. Full text in a logical sequence from theory to design a gradual introduction to the motor design process.

Keywords: induction motor; design; starting current;

目录

摘要 ............................................................................................................................................. I ABSTRACT ............................................................................................................................. II 引言 .. (1)

第1章异步电机的基本概念 (2)

1.1异步电机的类型、特点和用途 (2)

1.2异步电机的发展趋势 (2)

第2章三相异步电动机的结构和原理 (4)

2.1三相异步电动机的基本结构 (4)

2.2三相异步电动机的工作原理 (5)

2.3三相异步电动机的铭牌数据 (6)

2.4 三相异步电动机的工作特性与机械特性 (6)

第3章设计说明 (7)

3.1结构设计的基本内容和原则 (7)

3.2电机设计的基本理论 (7)

3.3电磁设计 (8)

第4章设计计算 (10)

4.1参数计算 (10)

4.2计算结果分析 (28)

第5章专题研究 (28)

如何降低异步电机的起动电流 (28)

5.1理论分析 (28)

5.2降低起动电流的方法 (28)

5.3关于电机的软启动 (29)

参考文献 (31)

致谢 (32)

引言

电动机是一项伟大的发明,是人类继蒸汽机后又一动力来源。电动机可分为直流电机与交流电机。由于三相交流输电的广泛应用,能直接从电网获得能量的交流电机得到了广泛应用。按照转子的绕线方式区分，交流电机有鼠笼式和绕线式两种。据不完全统计,在电网的负荷中85%是异步电动机.由此可见异步电动机在生产生活中占有举足轻重的地位。特别是三相鼠笼式异步电动机,由于其结构简单使用方便机械强度好,能适应生产生活中的各种恶劣环境因此得到广泛应用。它的确有诸多优点,但在技术不断革新的今天,作为专业技术人员必须不断探索,寻求技术突破,使其能更好地适用于生产需要。

本文主要是对电机参数的理论计算，其具体过程包括：电机外部尺寸的计算、内部磁场的计算、电机五个基本性能的计算。通过计算巩固电机学与电机设计的理论知识，熟悉电机设计的整个过程，对各个参数对消耗硅钢片、铜、铝等材料量与电机性能的影响有了更深的理解。在理论计算通过以后，又对如何降低起动电流进行了专题研究。

第1章异步电机的基本概念

广义言之电机可以泛指所有实施电能生产,传输使用和电能特性变换的机械装置.在生活中常用的电机有异步电机与同步电机两类.

相对于同步电机，异步电机“异”在何处？这要从异步电机的工作原理讲起。当电机定子通入三相交变电流，会在电机的气隙中形成基波旋转磁场。转子导条切割该磁场，随之产生感应电动势，之后有感应电流，必然会产生转矩来驱动转子转动。由于转子的转动是被动的，在无外力拖动的情况下，其转速必定永远小于旋转的磁场的转速—异步。因而，凡是利用转子与磁场之间的速度差来产生电磁转矩的电机都可称为异步电机。

1.1异步电机的类型、特点和用途

三相异步电机在工业应用中，它可以拖动风机，压缩机，起重机，各种金属切削机床；在农业中可以用于稻田的灌溉，作物的脱壳、粉碎；在居民的生活中是空调，电冰箱，电风扇，洗衣机的动力来源。总之，三相异步电动机是应用最为广泛的一种电动机。

三相异步电机的分类如下表1.1所示。

1.2异步电机的发展趋势

我国的电机制造工业基本上可以分为三个时期：直流电机的生产时期、交流

电机的生产时期、大发展时期。新中国成立时，我国电机生产十分落后，只有大型城市有生产能力。但到了改革开放时期，由于大量先进技术的引进，在原有的基础上进行了技术革新，使电机的性能大大提高，并研发出多种新型电机，能满足各种特殊要求。到2002年我国交流电机的产量已超过7000万千瓦。

电机工业基本上向：大型电机、中小型电机、微型电机三个方向发展。（1）大型电机主要体现在功率较大，多用于大型的起重设备，在重工业生产中有广泛用途；

（2）中小型电机主要用于轻工业生产和家用电器来驱动电扇，冰箱和空调的压缩机；

（3）微型电机，产品向微型化发展，在医疗卫生等领域有应用。

随着纳米技术的发展将来还可能制造出纳米电机用于微生物方面的研究。

总之，电机工业的发展趋势将多种学科的最新技术成果与电机的制造相结合,不断丰富理论，指导实际生产。

7.5kW三相异步电动机的设计

第2章三相异步电动机的结构和原理

2.1三相异步电动机的基本结构

异步电动机的基本结构为定子（不动部分），转子（旋转部分）两部分组成。定子与转子之间有气隙。根据转子的结构不同，异步电动机可分为鼠笼式和绕线式两种。

异步电机的定子由定子铁芯，定子绕组和机座三部分构成，如图2.1 所示

（1）定子铁心由于作为磁路的一部分,必须采用高磁导率的材料,所以金属的铁磁材料成为首选。为了减小涡流效应,即让材料内部尽可能少的形成回路,所以定子铁心采用了由绝缘漆包裹的硅钢片(采用冷轧技术制成)叠压制成。

（2）定子绕组是电磁能量转换的重要部件,要采用良好导体制成。同时要经受住较大起动电流。特别强调定子绕组嵌入定子槽时,一定要用槽楔楔紧,否这承受不了由大电流产生的机械应力。

（3）机座要有一定的机械强度与韧性.

异步电动机的转子是由铁心，转子绕组，和转轴组成。如图2.2所示

（1）转子铁心作为磁路的一部分,也必须满足涡流损耗小的要求,所以也用硅钢片(冷轧工艺)叠压制成。

（2）转轴是向外传输机械能的部件,要求有机械强度。

（3）鼠笼式异步电动机绕组结构为：在转子槽中嵌入导条，并利用两个端环将导条短接，若此时去掉转子铁心剩下部分就像一个装老鼠的笼子，即所谓鼠笼式。对于绕线式的，在此不作表述。

和其他电机一样，异步电机的定子与转子之间必须有气隙。由于该气隙的存在。异步电动机的空载电流不能像变压器那样忽略不计。在中小型电机中气隙一般在0.2——1.5mm。

2.2三相异步电动机的工作原理

异步电动机的定子绕组通入工频三相交流电时，定子中会有三相交变电流。此时，在电机的气隙中会有基波旋转磁场，转子还未转动，即转子导条与磁场发生了相对的切割运动。由电磁感应定理，在转子导条中会有感应电动势。转子导条端环连接起来构成闭合回路，有感应电流产生。由安培定理可知，通有电流的导条在旋转磁场中会受到电磁力的作用，产生电磁转矩。在此电磁转矩作用下转子开始转动。

定转子之间的转速转差率S=(N1-N)/N1 N为转子转速，N1为额定转速，转差率的数值的范围表达了异步电机的工作状态。

在定转子之间相对运动产生的电磁力作用下，

异步电动机工作状态可分为三种：

（1）电动机运行状态。此时N

（2）发电机运行状态。当转子受到外力拖动时，转子转速大于额定转速，转差率小于0，此时转子电流的有功部分与旋转磁场不满足左手定则。电磁转矩起制动作用，转子将从转轴吸收机械能，并通过电磁感应，转化为电能，输送到电网。

（3）电磁制动运行状态,电动机的转子转轴因受到外力拖动,向与原旋转磁场的转动方向相反的方向高速旋转,此时产生的电磁转矩与电机的电动机运行状态相同,但为制动性质。

2.3三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机的主要额定值如下：

●额定功率(单位 KW)。

●额定电压（单位 V,kV）

●额定电流（单位 A）

Hz Hz

●额定频率（单位我国为50）

●额定转速（单位r/min）

●额定功率因数?

cos

●额定效率η

2.4 三相异步电动机的工作特性与机械特性

1.工作特性

电机常用的五个性能指标(效率,功率因数,最大转矩,起动转矩,起动电流)与转速或转差率的函数关系称为工作特性。异步电动机的工作特性可以用计算方法得到。对于已制成的电动机，其工作特性也可以通过实验求得。

2.机械特性

异步电机的机械特性就是转矩与转差率之间的关系,即常用的T—S曲线。

第3章设计说明

异步电动机的设计，包括结构设计与电磁设计两大部分。结构设计又分为总体结构设计和施工图设计。本文主要是电磁设计，该设计主要是围绕电机的五个基本性能指标展开。

3.1结构设计的基本内容和原则

1.设计内容

（1）确定电机的总体结构形式。

（2）确定部件的结构形式。

（3）根据所设计电机的用途来确定电机各部件的连接与配合。

（4）核算零件的机械性能，应保证在规定期限内安全可靠运行。

2.设计原则

（1）结构形式应该符合国家标准和行业标准，并满足用户和环保方面的需要；

（2）应有良好的工艺性；

（3）电机拆装维护方便，并注意运输条件和使用单位的技术水平；

（4）电机造型美观。

3.2电机设计的基本理论

总的电机设计分三个阶段：准备阶段、电磁设计、结构设计。

1.准备阶段

首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本和技术资料，并听取生产和使用单位的意见与要求，然后编制技术任务书或技术建议书。

2.电磁设计

根据技术条件或技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算和方案比较，

来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。

3.结构设计

确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。

3.3电磁设计

由于本次设计主要针对电磁设计，故只对电磁设计部分作重点介绍。 电磁设计分四大步骤： （1）额定数据及主要尺寸； （2）磁路计算； （3）参数计算； （4）起动计算。

电磁结构设计参数众多，以下着重介绍电机的五个性能指标及改善方法。 1．效率η

(1)100%(1)100%1P P P

η-

-

-

=-?=-

?+∑∑∑ 是电动机所有损耗标幺值之和：

。

本次设计中，风摩损耗和杂散损耗基本上不容变动，所以，通常导致效率低的因素有定子铜损耗大、转子铝损耗大、铁损耗大。可以针对不同因素，采取不同的措施来提高效率。

1）定子铜损耗大：降低定子绕组电阻，可采取的措施：a.增大导条面积，减少每相导体数；b.减少每槽导体数；c.减少绕组端部长度。

2）转子铝损耗大：降低转子绕组电阻，可采取的措施：a.增大转子槽面积；b.增大端环尺寸。

3）铁耗大：降低定子铁心磁密，a.减少定子内径，改变定子槽型适当地降低定子磁密，使定、转子齿、轭部磁密和损耗分配合理；b.增加铁心长，降低旋转铁耗；c.减少定、转子槽口宽度以及采用闭口槽和磁性槽锲；d.增加定子绕组匝数实现

P -

∑12-fw

Cu Cu s Fe p p p p p p -----

=++++∑

2．功率因数

（3.1）

对电机的功率因数电网有一定的要求，不能太低，因为它表示了电能的有效利用率，太低会使电网的频率降低，增加无功补偿的装置。 3．起动电流倍数ist

归根结底，漏抗过小导致起动电流过大。要降低起动电流，可通过以下方法来增大漏抗：增加每槽导体数；改变定转子槽型，使槽变成深而窄；减少槽口，肩部斜度增加，使漏磁磁路不至于过分饱和。 4．起动转矩倍数Tst

S N 是对应于额定转速的转差率。

一般说来，起动转矩越大越好。通常起动转矩太小是因为漏电抗太大或转子电流太小。针对漏电抗太大，可采取措施：适当减少定子绕组每槽导体数和改变定转子槽型，增加槽宽减小槽高。而当转子电流太小时，则可以通过改变转子槽型使槽增加挤流效应和适当缩小槽面积和端环面积来增大电流从而增大起动转矩。 5．最大转矩倍数Tmax

通常最大转矩倍数大好。导致最大转矩倍数太小的缘故也是因为漏电抗太大或转子电流太小。因此，增大最大转矩倍数的方法与增大起动转矩的方法是一样的。

cos

?11

cos P I I ?-

-

-

=

=

1

,,st KW st st st st

I I i I Z I Z -

-===2()(1)st st N st

R T S Z -

-=

-max T =

第4章设计计算

4.1参数计算

本设计对象为中小型三相感应电动机，型号是Y160M-6 7.5KW。通过查阅该型号电机的国家标准,得到了如下几个初始数据:

（1）额定电压380(线电压)；

（2）额定功率7.5KW,并且采用三角形连接,

其他如绝缘,保护的类型同国家标准,在此不作叙述。

依照电磁计算步骤，对各个项目的进行核算，具体步骤详见表4.1。

表4-1三相异步电动机YM160-6 7.5KW手算步骤与结果