异步电动机的功率密度与转矩密度分析_苏凤飞
合集下载
异步电动机的功率、转矩与运行性能
维护保养
安全操作
运行监测
环境适应
定期对异步电动机进行维护保养，包 括清洁、润滑、检查等，确保其正常 运行。
Байду номын сангаас
对异步电动机的运行状态进行实时监 测，发现异常及时处理，防止故障扩 大。
06
CATALOGUE
异步电动机的发展趋势与未来展望
技术创新
01
高效电机设计
通过优化电机设计，提高异步电 动机的运行效率和功率密度，降 低能耗。
定的品牌和型号。
功率匹配
确保所选异步电动机的功率与实际负 载需求相匹配，避免过大或过小的功 率选择。
经济性
在满足性能要求的前提下，选择性价 比高的异步电动机，降低运行成本。
使用注意事项
在使用异步电动机时，应遵循安全操 作规程，避免发生触电、机械伤害等 安全事故。
根据实际使用环境，如温度、湿度、 海拔高度等，选择合适的异步电动机 或采取相应的防护措施。
异步电动机的功率 、转矩与运行性能
contents
目录
• 异步电动机的基本原理 • 异步电动机的功率特性 • 异步电动机的转矩特性 • 异步电动机的运行性能 • 异步电动机的应用与选型 • 异步电动机的发展趋势与未来展望
01
CATALOGUE
异步电动机的基本原理
工作原理
异步电动机是利用电磁感应原理工作的旋转电机。当 三相交流电通过定子绕组时，产生旋转磁场，该磁场
最大转矩
最大转矩
异步电动机在运行过程中能够承受的最大瞬时转矩。
影响因素
最大转矩与电动机的设计、制造工艺和使用环境等因 素有关。
意义
最大转矩决定了电动机承受突然负载变化的能力，是 电动机安全运行的重要指标。
第二十章异步电动机的功率、转矩与运行性能
n = f（T）；
s = f（T）； T-s曲线
转子绕组经频率折算和匝数相数折算后
R1
I1
x1
I0
R2 S
x2
I2
U1
E1 E2
Rm
Xm
异步电机等效电路
I1
R1
jx1
I2 E1
R2
jx2
形 等 效 电 路
I 0 R1
K m 的大小通常在 1.8~2.5 之间
过载能力是异步电机重要性能指标之一，当
电动机运行时，总的负载转矩 T2 不能超过 Tmax 。
T2
T2 m
T2 T0 Tmax
否则电动机将无法运 转，没有起动加速度。
0
t
选电机步骤： ① 由负载转矩图计算平均负载转矩 T2； ② 计算
PN TN 2 nN / 60
(R1 R2 2 ) s
x1 x2
6.96
( x1 x2 ) 2
48. 5
空载 至满 载S 较小 起动 时S 较大
S=0.5% 210
44100
47382
S=5%
S=0.8 S=1
21
1. 31 1. 05
441
1.72 1.1
529
7.42 6.03
6. 96
6.96 6.96
dT 求 0时的Sm，带入上式，得Tmax . ds
sm
R 2
R ( x1 x2 )
2 1
2
忽略
R1
R 2 sm X1 X 2
1 R2 f1
sm
R 2
2 R 1 ( x1 x2 ) 2
异步电动机的功率、转矩与运行性能-091016-lmj
异步电动机的转速略低于旋转磁场的转速，因此被称为异步电动机。
异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜等优点，广泛应用于工 业、农业、交通运输等领域。
结构特点
异步电动机主要由定子（包括机 座、绕组、铁芯等）和转子（包 括转子铁芯、转子绕组、轴承等
）组成。
定子绕组是异步电动机的电路部 分，当三相交流电流通过时，产
异步电动机的效率受到多种因素的影响，如设计 、制造工艺、材料、负载状况等。
损耗分析
01
02
03
04
损耗是异步电动机在运行过程 中产生的额外能量损失，主要 包括铁损、铜损和机械损耗等
。
铁损是由于电动机铁芯中的磁 滞和涡流现象产生的能量损失
。
铜损是由于电动机绕组中的电 阻产生的能量损失。
机械损耗包括轴承摩擦、风阻 等机械运动产生的能量损失。
使用环境
根据实际使用环境选择适合的异步电 动机，如防水、防尘等特殊要求。
应用场合
01
02
03
工业生产
异步电动机广泛应用于工 业生产中，如传送带、泵 、风机等设备的驱动。
自动化生产线
在自动化生产线中，异步 电动机作为动力源，实现 各种机械运动的控制。
电力驱动
在电动汽车、轨道交通等 领域，异步电动机作为电 力驱动系统的重要组成部 分。
异步电动机的输出功率还与其转速有关，通常转速越高，功 率越小。
03
CATALOGUE
异步电动机的运行性能
启动性能
启动转矩
异步电动机在启动时需要克服静 摩擦力和惯性，因此需要较大的 转矩。启动转矩的大小取决于电
动机的参数和电源电压。
启动电流
由于异步电动机在启动时电流较 大，因此需要采取措施限制启动 电流，以避免对电网造成冲击。
异步电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜等优点，广泛应用于工 业、农业、交通运输等领域。
结构特点
异步电动机主要由定子（包括机 座、绕组、铁芯等）和转子（包 括转子铁芯、转子绕组、轴承等
）组成。
定子绕组是异步电动机的电路部 分，当三相交流电流通过时，产
异步电动机的效率受到多种因素的影响，如设计 、制造工艺、材料、负载状况等。
损耗分析
01
02
03
04
损耗是异步电动机在运行过程 中产生的额外能量损失，主要 包括铁损、铜损和机械损耗等
。
铁损是由于电动机铁芯中的磁 滞和涡流现象产生的能量损失
。
铜损是由于电动机绕组中的电 阻产生的能量损失。
机械损耗包括轴承摩擦、风阻 等机械运动产生的能量损失。
使用环境
根据实际使用环境选择适合的异步电 动机，如防水、防尘等特殊要求。
应用场合
01
02
03
工业生产
异步电动机广泛应用于工 业生产中，如传送带、泵 、风机等设备的驱动。
自动化生产线
在自动化生产线中，异步 电动机作为动力源，实现 各种机械运动的控制。
电力驱动
在电动汽车、轨道交通等 领域，异步电动机作为电 力驱动系统的重要组成部 分。
异步电动机的输出功率还与其转速有关，通常转速越高，功 率越小。
03
CATALOGUE
异步电动机的运行性能
启动性能
启动转矩
异步电动机在启动时需要克服静 摩擦力和惯性，因此需要较大的 转矩。启动转矩的大小取决于电
动机的参数和电源电压。
启动电流
由于异步电动机在启动时电流较 大，因此需要采取措施限制启动 电流，以避免对电网造成冲击。
三相异步电动机的功率和转矩
三相异步电动机的功率和转矩异步电动机的机电能量转换过程和直流电动机相似。
其机电能量转换的关键在于作为耦合介质的磁场对电系统和机械系统的作用和反作用。
在直流电机中，这种磁场由定、转子双边的电流共同激励，而异步电机的耦合介质磁场仅由定子一边的电流来建立。
这种特殊性表现为直流电机的气隙磁场是随负载而变化，由此发生了所谓电枢反应的问题，而异步电机的气隙磁场基本上与负载无关，故无电枢反应可言。
尽管如此，异步电动机由定子绕组输入电功率，从转子轴输出机械功率的总过程和直流电动机还是一样的。
不过在异步电动机中的电磁功率却在定子绕组中发生，然后经由气隙送给转子，扣除一些损耗以后，在轴上输出。
在机电能量转换过程中，不可避免地要产生一些损耗，其种类和性质也和直流电机相似，这里不再分析。
下面仅就功率转换过程加以说明，然后导出功率方程式和相应的转矩方程式。
一、功率转换过程异步电动机在负载时，由电源供给的、从定子绕组输入电动机的功率为P1，从图4—12所示的等值电路可看出，P1的一小部分消耗于定子电阻上的定于铜耗P Cu1，又一小部分消耗于定子铁心中的铁耗ｐＦ，余下的大部分电功率借助于气隙旋转磁场由定子传送到转子，这部分功率就是异步电动机的电磁功率。
它和直流电机中的电磁功率稍有不同。
前者是靠电磁作用而传递的功率，后者由电磁作用而转换的功率。
异步电动机中的电磁功率传送到转子以后，必伴生转子电流，有电流在转子绕组内通过，在转子电阻上又发生了转子铜耗ｐCu2。
在气隙旋转磁场传递电磁功率的过程中，与转子铁心存在着相对运动，旋转磁场切割着转子铁心，理应引起转子的铁心中的铁耗，但实际上由于异步电动机在正常运行时，转差率很小，即气隙旋转磁场与转子铁心相对运动很小，以致转子铁心中磁通变化频率很低，通常仅1～3Hz／s，所以转子的铁耗可以略去不计。
这样．从定子传递到转子的电磁功率仅须扣除转子钢耗，便是使转子产生旋转运动的总机械功率p mec。
第20章 异步电动机的功率、转矩与运行性能
Pm pm pa P2 Ω Ω Ω
三相异步电动机的转矩平衡方程式：
T T2 T0
式中，T为电磁转矩；T2为负载制动转矩；
T0为空载制动转矩。
3.电磁转矩
Pm PM T Ω 1
1 式中， 为同步角速度。 1 s
1 s PM PM Pm Pm PM 2πn 2 π 1 s n1 2πn1 1 60 60 60
2 1
2.固有机械特性 1）固有机械特性曲线
固有机械特性：三相异步电动机 电压、频率均为额定值，定、转 子回路中不串入任何电路元件时 的机械特性。
机械特性曲线位于三个象限, 第Ⅰ象限：电动状态
Tm
s
sm
n
0 n1
发 电 状 态
sm
sN n N
电 动 电 机 动 状 状 态 态
TN Ts
20-1 三相异步电动机的功率与转矩关系
20-2 三相异步电动机的机械特性
20-3 三相异步电动机的工作特性Βιβλιοθήκη 20-4 三相异步电动机参数的测定
第二十章 异步电动机的功率、 转矩与运行性能
基本要求：
1.掌握三相异步电动机的功率转换流程和功率平衡方程式 2.掌握电磁功率、总机械功率和转子铜耗之间的关系 3.掌握三相异步电动机的转矩平衡方程式，电磁转距与电磁 功率、总机械功率之间的关系 3.掌握三相异步电动机电磁转距的三种表达式和T-s曲线
20-3 三相异步电动机的工作特性
1.性能指标 1）效率
电动机输出功率和输入功率之比，即
P2 100% P 1
2）功率因数
三相异步电动机的功率因数cos1永远小于1。
3）堵转转矩
第十七章 异步电动机的功率、转矩和运行特性(动画)
＋：电动机状态 ；—：发电机状态
1、最大电磁转矩 、
讨论： 讨论：
TM max = +
sm = +
Cr2' r12 + ( x1 + Cx2′ ) 2
m1 pU12
4π f1c +r1 + r12 + ( x1 + Cx2′ )2
U1 、r2'、f1 的影响， 电机运行的稳定性
时，则
2 1
sm ≈ ±
r2′ xk
TM max
m1 pU ≈+ 4π f1 xk
四、电磁转矩的实用表达式
m1 pU12 TM = r2′ sxk 2π f1 xk [ + ] sxk r2′
m1 pU12 TM = sm s 2π f1 xk [ + ] s sm
r2′ sm = xk
TM max m1 pU12 = 4π f1 xk
§17-2 异步电动机的转矩关系
三、电磁转矩的参数表达式和机械特性曲线
Cr1
i
jCx1
′′ ′ I2 = I2 C
i i i
C2
r2′ s
jC 2 x2
I1
r1
i
′ U 1 Im
i
jx1 rm
CZ m
jxm
PM pm1 2 r2′ ′ TM = = I2 Ω1 2π f1 s
I 2′ =
U1 r2′ r1 + C + ( x1 + Cx2′ ) 2 s
'2 1 2
称为总机械 功率的等效 电阻。
§17-1异步电动机的功率 异步电动机的功率
第22讲 三相异步电动机的功率和电磁转矩
I 0 , P0
P0
I0
U1、空载电流I0、空载功率p0以及转速n。且绘
出I0=f（U1）及p0=f（U1）的曲线，如图所示。
0
空载特性曲线
U1
三、三相异步电机的参数测定
2、励磁参数的确定 （1）机械损耗与铁心损耗的分离。空载实验测得的功率只有 输入功率P0，由于转子电流很小，转子铜损耗忽略。由于空载 输入功率P0没有产生输出，全部被消耗，即
三相异步电动机的工作特性
四、电磁转矩特性 T f (P2 )
根据转矩平衡方程式 T T0 T2 ， 当负载变化时，空载转矩T0保持不变 。
而 T2 P2 / ，当P2在0~PN 之间变化时， s变化很小，Ω变化也不大，所以可认为 T2与P2成正比，特性曲线 T2 f (P2 ) 为 一直线。由于 T T0 T2 ，T0基本保持 不变，近似为常数，从而使电磁转矩特性
pCu1 pFe pCu2
pm+ps P2
P1
PM
Pm
异步电动机功率平衡流程图
二、三相异步电动机的转矩关系
异步电动机传输给转轴的总机械功率Pm就是电磁转矩T与 转轴机械角速度Ω的乘积，即
Pm T T
同时还可以表示为： T Pm Pm
Pm
2 n 60
Pm PM 2 n1 1 (1 s ) 60
一、功率和损耗 二、转矩平衡方程式
三、电磁转矩公式
四、工作特性
五、整距分布线圈组的电动势
一、三相异步电动机的功率关系
（一）三相异步电机的功率和损耗
1、输入的电功率P1： 2、定子铜损耗pCu1： 3、铁心损耗pFe： 因为正常运行时，异步电动机的转速接近于同步转速， Δn很小，转子电流频率f2=1~3Hz，转子损耗pFe2<pFe1，计算 整个异步电动机铁损耗时可忽略pFe2，所以有
异步电动机的功率密度与转矩密度分析_苏凤飞
Va ( cm3 ) 1501 1614 1964 2363 3276 3842 4955 7287 8673 13220 15609 19750 21071 28201 36971 41226 47978 65260 73814
SP (W / cm3 )
0. 366 0. 465 0. 560 0. 635 0. 672 0. 781 0. 807 0. 755 0. 865 0. 832 0. 961 0. 937 1. 044 1. 064 1. 001 1. 092 1. 146 1. 149 1. 219
1
防爆电机
( EXPLOSION
-
PROO F
ELECTR IC MACH INE)
2007年第 第 42卷 (总第
1期 134期
)
定功率 ; Va —电动机铁心与绕组包围的空间体积 , 即定子铁心外表面包括绕组端部所占的总体积 。
对于 Va 的计算 ,不同的文献有不同的计算方 法〔1 - 3〕,反映作者对电动机所占空间体积 Va 有不 同的理解 。本文采用文献 [ 2 ] 对电动机空间体积
PN
( kW ) 0. 75 1. 1 1. 5 2. 2 3. 0 4. 0 5. 5 7. 5 11 15 18. 5 22 30 37 45 55
nN
D1
L0
Va
( r/m in) 910 940 960
0 引言
上世纪 80年代 ,国外就提出了功率密度的概 念 。在现代的电机设计中 ,功率密度已经成为一 个极其重要的指标 。在现在的实际应用中 ,人们 总希望使用的电动机体积小 、重量轻 、效率高 (省 电 ) 、价格便宜等 。特别是用于航空航天 、潜艇 、 电动汽车等特殊场合的电动机 ,由于空间的限制 , 希望使用的电动机体积更小 、重量更轻 、效率更 高 ,也就是要求电动机有较高的功率密度或转矩 密度 。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PN
( kW ) 0. 75 1. 1 1. 5 2. 2 3. 0 4. 0 5. 5 7. 5 11 15 18. 5 22 30 37 45 55
nN
D1
L0
Va
( r/m in) 910 940 960
Va ( cm3 ) 2036 2206 2647 2971 4170 5662 9248 9767 17324 18652 20510 23515 31401 34340 43651 55983 71854 76520
SP (W / cm3 )
0. 368 0. 499 0. 567 0. 741 0. 719 0. 706 0. 595 0. 768 0. 635 0. 804 0. 902 0. 936 0. 955 1. 077 1. 031 0. 982 1. 044 1. 176
ST ( 10 - 3N ·m / cm3 )
2. 515 3. 195 3. 820 4. 332 4. 488 5. 216 5. 352 5. 007 5. 737 5. 442 6. 286 6. 087 6. 782 6. 912 6. 459 7. 046 7. 395 7. 414 7. 813
关键词 功率密度 转矩密度 异步电动机 中图分类号 TM343 文献标识码 A 文章编号 1008 - 7281 (2007) 01 - 0001 - 04
Ana lysis of Power and Torque D en sity for the Induction M otor
S u Fengfei and Q iu A ru i Abstract Starting from the definition of motor power and torque density, the paper calculates the motor power and torque density of Y2 range of three2phase induction motors of IP 54 in detail, analyzes and comp rises the calculation results, and give the changing conditions of motor power and torque density of the motor w ith different no. of poles and output. In the paper, the motor power and torque density is about general basic ranges of motor. The result can be a basic reference and has some reference value for research and design of other motors w ith higher motor power and high torque density. Key words Power density, torque density, induction motor.
0 引言
上世纪 80年代 ,国外就提出了功率密度的概 念 。在现代的电机设计中 ,功率密度已经成为一 个极其重要的指标 。在现在的实际应用中 ,人们 总希望使用的电动机体积小 、重量轻 、效率高 (省 电 ) 、价格便宜等 。特别是用于航空航天 、潜艇 、 电动汽车等特殊场合的电动机 ,由于空间的限制 , 希望使用的电动机体积更小 、重量更轻 、效率更 高 ,也就是要求电动机有较高的功率密度或转矩 密度 。
2007年第 第 42卷 (总第
1期 134
期 )
(
EXPLO
S
ION
-
PROO F
ELECTR IC MACH INE)
防爆电机
异步电动机的功率密度与转矩密度分析
苏凤飞 邱阿瑞
清华大学电机工程与应用电子技术系 ,北京 (100084)
摘 要 从电动机功率密度及转矩密度的定义出发 ,以 Y2系列 ( IP54)三相异步电动机的技 术数据为依据 ,对 Y2系列部分型号规格的异步电动机的功率密度及转矩密度进行了详细的计算 , 对计算结果进行了分析和比较 ,并通过图表形式给出了不同极数 、不同功率等级电动机的功率密 度及转矩密度的变化情况 。本文所分析的是一般用途基本系列电动机的功率密度和转矩密度情 况 ,其结果可以用来作为一种基本参照标准 ,对研究与设计其它高功率和高转矩密度电机具有一 定的参考价值 。
ST ( 10 - 3N ·m / cm3 )
1. 242 1. 684 1. 907 2. 492 2. 392 2. 333 1. 959 2. 529 2. 070 2. 621 2. 940 3. 040 3. 092 3. 487 3. 315 3. 158 3. 357 3. 781
表 2 4极电动机的功率密度和转矩密度值
1 功率密度及转矩密度的定义
电动机的功率密度是指单位体积上电动机轴
上所输出的额定功率 ,用公式可表示为SP源自= PN Va(1)
式中 , SP —电动机的功率密度 ; PN —电动机的额
收稿日期 : 20062092261 苏凤飞 男 1981年生 ;清华大学电机系在读硕士 ,研究方向为电机及其控制 1
较电动机的功率密度和转矩密度时 ,通常要与应 用最为广泛的普通异步电动机作比较 。因此 ,有 必要对应用最为广泛的 、作为一般用途基本系列
三相异步电动机的功率密度和转矩密度情况进行
详细分析 ,以其结果作为一种基本的参照数据 ,对 所设计的其它电动机的功率密度和转矩密度进行
对比考核 ,就可衡量其结构设计的先进性 。
260
290 327 368 400 445
L0 (mm ) 180. 0 195. 0 199. 4 223. 8 221. 0 235. 4 267. 0 282. 0 326. 3 351. 3 386. 3 356. 0 373. 9 408. 9 410. 4 445. 5 462. 0 492. 0
Va 的定义与计算方法 ,即电动机所占空间体积为
Va
=
π
D 4
2 1
L0
(2)
ST
= T2N Va
=ΩPN NVa
=ΩSP N
(3)
式中 , ST —电动机的转矩密度 ; T2N —电动机的输 出额定转矩 ;ΩN —电动机额定转速时的机械角速 度。
2 Y2 系列三相异步电动机功率密 度与转矩密度的计算和分析
动机轴上所输出的额定转矩 ,用公式可表示为
表 3、表 4所示 。
表 1 2极电动机的功率密度和转矩密度值
型号
Y2 - 801 - 2 Y2 - 802 - 2 Y2 - 90S - 2 Y2 - 90L - 2 Y2 - 100L - 2 Y2 - 112M - 2 Y2 - 132S1 - 2 Y2 - 132S2 - 2 Y2 - 160M1 - 2 Y2 - 160M2 - 2 Y2 - 160L - 2 Y2 - 180M - 2 Y2 - 200L1 - 2 Y2 - 200L2 - 2 Y2 - 225M - 2 Y2 - 250M - 2 Y2 - 280S - 2 Y2 - 280M - 2
近年来 ,国内外在探索高功率 、高转矩密度电 动机的进程中 ,已经研发了各种新型电动机 ,如开 关磁阻电机 、轴向 、横向磁场永磁电动机 、超导电 动机以及其它特殊结构的电动机等 。在评价这些 新型电动机的性能时 ,其功率密度 /转矩密度已成
为重要的衡量指标之一 。
现在 ,国内外许多电机专家都在积极探索功 率密度这一新的电机结构优化的考核标准 。在比
1
防爆电机
( EXPLOSION
-
PROO F
ELECTR IC MACH INE)
2007年第 第 42卷 (总第
1期 134期
)
定功率 ; Va —电动机铁心与绕组包围的空间体积 , 即定子铁心外表面包括绕组端部所占的总体积 。
对于 Va 的计算 ,不同的文献有不同的计算方 法〔1 - 3〕,反映作者对电动机所占空间体积 Va 有不 同的理解 。本文采用文献 [ 2 ] 对电动机空间体积
2
2007年第 第 42卷 (总第
1期 134
期 )
(
EXPLO
S
ION
-
PROO F
ELECTR IC MACH INE)
防爆电机
表 3 6极电动机的功率密度和转矩密度值
型号
Y2 - 90S - 6 Y2 - 90L - 6 Y2 - 100L - 6 Y2 - 112M - 6 Y2 - 132S - 6 Y2 - 132M1 - 6 Y2 - 132M2 - 6 Y2 - 160M - 6 Y2 - 160L - 6 Y2 - 180L - 6 Y2 - 200L1 - 6 Y2 - 200L2 - 6 Y2 - 225M - 6 Y2 - 250M - 6 Y2 - 280S - 6 Y2 - 280M - 6
PN ( kW ) 0. 75 1. 1 1. 5 2. 2 3. 0 4. 0 5. 5 7. 5
11 15 18. 5 22 30 37 45 55 75 90
nN ( r/m in)
2830
2840 2870 2890 2900
2930
2940 2950
2970
D1 (mm ) 120
130 155 175 210
155 175 210
260
290 327 368 400 445
L0 (mm ) 132. 7 142. 7 148. 0 178. 0 173. 6 203. 6 206. 0 210. 4 250. 4 249. 0 294. 0 299. 0 319. 0 335. 8 347. 6 387. 6 381. 8 419. 6 474. 6