三相鼠笼式异步电动机的电磁设计论文.docx
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1、密级: NANCHANG UNIVERSITY学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR(20072011年)题 目: 三相鼠笼型异步电机设计(Y100L-2 3KW) 英文题目: Design of three phases squirrel-cage asynchronous motor (Y100L-2 3kW) 学 院: 系 别: 工程技术系 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 7电气本 学生姓名: 学 号: 指导老师: 起讫日期: 2011年2月1日2011年5月10日 目 录摘 要1ABSTRACT2第1章 三相异步电动机原理41.1三相异步电动机的额定数据与技
2、术指标41.1.1三相异步电动机的名牌额定数据41.1.2.三相异步电动机的主要技术经济指标51.2三相异步电动机的工作原理51.3三相异步电动机的功率关系61.4三相异步电动机的机械特性和工作特性71.4.1三相异步电动机的机械特性71.4.2.三相异步电动机的工作特性8第2章 电机设计理论92.1电机设计的概况92.2电磁设计9第3章 毕业设计要求及结果分析123.1手算程序12附录113附表3.1三相异步电动机Y100M-2 3KW手算步骤与结果1313.2优化方案30总 结34参考文献35致 谢36附录3.CAD图37Y100L-2 3kW三相鼠笼式异步电动机的电磁设计摘 要本文介绍了
3、异步电机的特征、类型和用途,从而引出三相异步电动机的类型和结构,进一步阐述了三相异步电动机的额定数据、技术要求、工作原理、功率平衡关系、机械特性和工作特性等。这些都是为下一步的电动机设计做准备的。电动机设计是个复杂的过程,需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多,因此遇到错综复杂的矛盾。而本文全面地、综合地看待了这个问题,充分协调了电动机的耗材量与各项性能之间以及技术指标和经济指标之间的关系。作者先按照电动机的手算程序进行手算工作,了解了国家的有关标准规定,熟悉了电动机各项指标之间的大致关系,为优化方案打了个基础。方案一中在追求节省材料时,会导致电机性能降低。方案二中采取措施提高效率、功率因数也会
4、使起动电流变大。因此,综合考虑各方面得失,最后得出一个既节省材料又提高性能的方案。关键词:异步电动机;设计;优化;绘图Design of three phase squirrel-cageasynchronous motor(Y100L-2 3kW)AbstractThis paper shows the character, type and usage of induction motor. In succession, it introduces the type and framework of three phase squirrel-cage asynchronous motor,
5、 and farther set forth its rated data, technical specification, operation theory, power equation, mechanism specialty, running specialty and so on. This is the groundwork to the design of motor.Constructing a motor is a complexity. The designer must consider many factors and ascertain lots and lots
6、of sizes and dates, and therefore barge up against reticule illogicality. However, this study treats the problem all-sided and synthetically, and that well harmonizes the material wastage, capabilities, technical dates as well as economical dates. After the handworker count, the designer has known a
7、bout the national criterion and is up on the rough connections among the specifications, which grounds for the next work. In the first optimized project, aspiring after economizing the materials will deteriorate the motor capabilities. In the second optimized project,taking measures for augmenting e
8、fficiency and power will make the starting current large. Consequently, after considering all factors synthetically, the designer has gotten a project to both economize materials and improve capabilities.keywords: induction motor;design;optimize;plot绪 论电机在当代各个领域中得到了广泛的应用电动机是工农业中生产机械和日常生活中各种电器最重要的原动力
9、和驱动装置。异步电动机是其中应用最广、需要量最大的,据统计,全世界每年发电量的70%-80%消耗在各种类型的电动机上,而其中中小型异步电动机的用电量占总发电量的40%左右。尤其纺织、大型机械加工等特殊工业部门中,异步电动机的用电量占70%以上。异步电动机结构简单、运行可靠、坚固耐用,具有适用的工作特性,但缺点是功率因数较差,在运行时,必须从电网吸收滞后性的无功功率。异步电机与直流电动机、三相同步电动机不同,其转子绕组无需与其它电源连接,因此具有结构简单、使用方便、运行可靠,以及制造容易,成本低廉等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业
10、生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种防护型式,以适应不同环境条件的需求。由于异步电动机的转速n与其旋转磁场转速n1有一定的转差关系,其调速性能较差,对要求较宽广和平滑调速范围的交通运输机械、印染及造纸机械等,采用直流电机较经济、方便。异步电动机由于电网的功率因数可以用别的办法进行补偿,因而这一点并不妨碍异步电动机的广泛使用。因此,对异步电动机深入研究是非常必要和有意义的,要尽量节省异步电动机的材料用量,改善效率和功率因数等性能,使其能更好地适用于生产需要。第1章 三相异步电动机原理1.1三相异步电动机的额定数据与技术指标1.1.1三相异步电动机的名牌额定数据1)型号 Y系列国产三相异步
11、电动机型号是按国际电工委员会IEC标准设计生产的新系列三相电动机,它是以电动机中心高为依据编制型号谱的,如:“Y100M-2”Y:异步电动机;100:中心高100mm;M:中机座(L-长机座,S-短机座);2:2极。2)额定值(1)额定功率(PN):指电动机在额定运行时,轴端输出的机械功率,单位为瓦(W)或千瓦(KW)。(2)额定电压(UN):指电动机在额定运行时,加在定子绕组上的线电压,单位为伏(V)。如果铭牌上标有两个电压数据。(3)额定电流(IN):指电动机在额定电压下,轴端输出额定功率时,定子绕组中的线电流,单位为安(A)。(4)额定频率(fN):指输入交流电(即电网)的频率,我国规定
12、的电网频率为50HZ,除出口电动机(多为60HZ)外,国内用的异步电动机的额定频率都是50HZ。(5)额定功率因数():指电动机额定运行时,定子相电压与相电流之间的相位差。(6)额定转速(nN):指电动机在额定频率、额定电压下,且轴端输出额定功率时,转子每分钟的转速,单位为转/分(r/min)。(7)额定效率(N):指电动机在额定运行时的效率。(8)绝缘等级:指电动机在额定运行时,绕组允许的温度升高值(即绕组的温度比周围空气稳定高出的数值)。允许温升的高低取决于电动机使用的绝缘材料。绝缘材料的耐热等级见表1-1,也有些电动机制造厂在铭牌上直接给出电动机的允许温升。表1.1 绝缘材料的耐热等级耐
13、热等级YAEBFHC最高工作温度()90105120130155180180(9)标准编号:指电动机产品按这个标准生产,技术数据能达到这个标准的要求。例如国际GB755-2000。(10)工作制或定额:指三相电动机的运行状态,即允许连续使用的时间,分为连续、短时、断续周期三种。连续工作制(S1)的电动机在铭牌规定的额定负载范围内允许长期连续使用。短时工作(S2)的电动机在铭牌规定的条件下,只能在规定的时间内短时运行,短时运行的持续时间标准有四种:10min、30min、60min及90min,达到规定的时间后必须停机,待三相电动机完全冷却后才可以开机运行。断续周期工作制(S3)的电动机在铭牌规
14、定的额定值下只能断续周期性使用,断续运行常以负载持续率百分数表示,标准负载持续率分为四种:15%、25%、40%、60%,每周期为10min。1.1.2.三相异步电动机的主要技术经济指标效率():指电动机输出机械功率与输入电功率之比,通常用百分数表示。功率因数():指电动机输入有效功率与视在功率之比。堵转电流(IK):指电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的稳态电流有效值。堵转转矩(TK):指电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生的最小测得值.。最大转矩(Tmax):指电动机在额定电压、额定频率和运行温度下,转速不发生突降时所产生的最大转矩。51.2三相异步电动机的工作原
15、理三相对称的绕组通过三相对称的电流产生旋转的磁场,其转速即为同步速n1=60f/p;转子直流励磁产生固定磁极;辅助电动机起动转子旋转,当转子转速接近同步n1时,其异性磁极就被旋转磁场拉住,即定子旋转磁场就拖着固定磁场(转子)以转速n(nn1)旋转,实现电能转换为机械能。故称为三相异步电动机。转差率(s):同步转速n1和电动机转子转速n之差与同步转速n1的比值。其实,异步电机有三种运行状态:(a)电动机运行;(b)发电机运行;(c)电磁制动运行。具体如下:(a)电动机状态(0s1):辅助电动机起动转子旋转,当转子转速接近同步时,其异性磁极就被旋转磁场拉住,持续以转速n(nn1)旋转。电机从电网吸
16、收电功率,经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。(b)发电机状态(s0):原动机拖动转子以n(n1):转子逆着磁场方向旋转(n0),电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率,消耗在电机内部。51.3三相异步电动机的功率关系三相异步电动机以转速稳定运行时,定子绕组从电源输入的电功率为定子铜损耗为 转子铁损耗很小,可忽略不计,故铁损耗主要是定子铁心损耗:电磁功率:电磁功率也可表示为转子绕组中的铜损耗为电磁功率PM减去转子绕组中的铜损耗PCu2就是等效电阻上的损耗。这部分等效损耗实际上是传输给电机转轴上的机械功率,用PM表示。它是转子绕组中电流与气隙旋转磁通密度共同作用产生的电磁转矩,带动转子以转
17、速旋转所对应的功率。电动机在运行时,会产生轴承以及风阻等摩擦阻转矩,这也要损耗一部分功率。把这部分功率叫做机械损耗,用pm表示。在异步电动机中,除了上述各部分的损耗外,由于定、转子开了槽和定、转子磁动势中含有谐波磁动势,还要产生一些附加损耗,用pa表示。pa一般不易计算,往往根据经验计算,在大型异步电动机中,pa约为输出额定功率的0.5%;而在小型异步电动机中,满载时可达输出额定功率的1%-3%或更大些。机械功率Pm减去机械损耗pm和附加损耗pa,才是转轴上真正输出的功率,用P2表示。可见异步电动机运行时,从电源输入电功率P1到转轴上输出功率P2的全过程为从以上功率关系定量分析中看出,异步电动
18、机运行时,电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的比例关系是51.4三相异步电动机的机械特性和工作特性1.4.1三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性是指电动机转速n与电磁转矩M之间的函数关系,即n=f(M)。三相异步电动机的机械特性有不同的表达形式,如物理表达式、参数表达式和实用表达式。本文中仅介绍参数表达式。三相异步电动机的电磁功率为 (1)所以,电磁转矩为 (2)三相异步电动机近似等值电路如下:图2.1由图可知: (3)而 (4)由式(2)、(3)、(4)得出: (5)式(5)即为三相异步电动机机械特性的参数表达式。51.4.2.三相异步电动机的工作特性三相异步电动机的工作
19、特性是指在电动机的定子侧加额定电压,电压的频率又为额定值时,电动机的转速n、定子电流I1、功率因数、电磁转矩T、效率等与输出功率P2的关系。即:U1=UN、f1=fN时,n,I1,T,=f(P2).(1)效率特性:,电机空载时,P2=0, =0,随着输出功率P2的增加,效率也增加,当铁损耗与机械损耗之和等于定、转子铜损耗之和时,电动机的效率达到最大。但当负载继续增大时,效率反而降低。一般来说,电动机的容量越大,效率越高。(2)功率因数特性:电动机运行时必须吸取滞后无功功率,其功率因数总小于1。空载时,功率因数很低,不超过0.2。当负载增大时,定子电流中的有功电流增加,使功率因数提高,额定负载时
20、最高,如负载再增大,功率因数又反而减少。(3)定子电流特性I1=f(P2):空载时,转子电流差不多为零,定子电流等于励磁电流,随着负载的增加,转速下降,转子电流增大,定子电流也增大。(4)电磁转矩特性T=f(P2):空载时,电磁转矩T=T0。随着负载增大,P2增大,但由于机械角速度变化不大,电磁转矩T随P2的变化近似为一条直线。(5)转速特性n=f(P2):空载时,转速n接近n1,随着负载的增加,转速n略微降低,随着输出功率P2的增加,转子转速n下降,转差率s增大。5第2章 电机设计理论2.1电机设计的概况电机设计的任务可归纳为四要点:1、满足用户提出的产品规格(如功率、电压、转速等)和技术要
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