三相鼠笼式异步电动机设计

密级：

NANCHANG UNIVERSITY

学 士 学 位 论 文

THESIS OF BACHELOR

（2007—2011年）

题 目: Y250M-4 55KW三相鼠笼式异步电动机设计 英文题目: Y250M-4 55KW Three-phase asynchronous

motor design a rat trap type

学 院: 共青学院 系 别: 工程技术系 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 07级电气本 学生姓名: 晏 悠 学 号: 8051207037 指导老师: 杨 莉 起讫日期: 2010年12月24日－2011年5月4日

毕业设计任务书

题 目： Y250-4 55KW三相鼠笼式异步电动机设计

学 院： 共青学院 系： 工程技术系 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 07电气本 学 号： 8051207037 学生姓名： 晏 悠 起讫日期： 2010.12.24~2011.5.4

指导教师： 杨莉 职称： 讲师

系分管主任： 黄 玉 水 审核日期： 2011.5.15

说明

1. 毕业设计任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到学生。 2. 进度表由学生填写，每两周交指导教师签署审查意见，并作为毕业设计工作 检查的主要依据。

3. 学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，3周内提交给指导教师 批阅。

4. 本任务书在毕业设计完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业 设计答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。

一、毕业设计的要求和内容（包括原始数据、技术要求、工作要求） 1、 原始数据 ① 型号： Y ② 额定功率：PN?55KW ③ 额定电压：UN?380V ④ 额定转速：nN?750n/min ⑤ 额定频率：fN?50Hz 2、 主要性能指标 ① 效率：??92% ② 功率因数：cos??0.88 ③ 最大转矩倍数：TmT?2.2倍 N④ 起动转矩倍数：TstTN?2倍 ⑤ 起动电流倍数：IstIN?7倍 3、 设计中选用的基值 ① 电压基准值：UN??380V 为电动机额定相电压 ② 功率基准值：PN=55KW 为电动机额定功率 ③ 电流基准值：Ikw 为电动机每相的功电流 Ikw?④ 阻抗基准值：ZN?UN?Ikw?2m1UN?PN?48.2456A m1UN?PN3?3802??7.876 55000 PN55?9550?95.5n/min nN550⑤ 转矩基准值：TN 为电动机额定转矩 TN?95504、 设计指标要求 ① 效率：?－?? ?0.005 ?—计算值，?′—修改值

??FT?FT② 饱和系数：?0.01 FT FT′—修改值， Fт—计算值， (1??L)?(1??L)??0.005③满载电势标么值： 1??L（1-εl）′—修改值，（1-εL）—计算值 Ist?Ist?④起动电流倍数：?0.01~0.03 IST′—修改值，IST—计算值 Ist5、 电磁设计中若干参数的选择及经验数据

① 槽满率： sf=75% -80% ② 槽绝缘厚：采用聚脂薄膜和聚脂无纺布复合材料（DMD，DMD+M和DMDM） H80—H112 Ci=0.25(mm) H132—H160 Ci=0.3（mm） H180—H280 Ci=0.35（mm） ③ 槽楔厚h： 槽楔采用新型软槽楔和3240环氧玻璃布压板，计算时厚度h=2mm： ④ 叠压系数：H80-H160 定子冲片不涂漆时 =0.95 H180-H280 定子冲片涂漆时 =0.92 ⑤ 冲剪余量：δ=0.5cm ⑥ 转子斜槽：为一个定子齿距 ⑦ 定子绕组型式：H160及以下全部采用单层软绕组；H180及以上采用双层迭绕组 ⑧ 硅钢片材料：采用D23硅钢片， ⑨ 导电材料：定子绕组采用QZ-2型高强度聚脂漆包圆铜线； 转子铸铝，采用AL-1； 线径为0.63-1.0(mm)时，漆膜双面厚度计算时取0.06mm; 线径为1.0-1.6(mm)时，漆膜双面厚度计算时取0.08mm; ⑩ 设计时杂散损耗假定值： 6、 设计要求 ① 复算原设计方案； ② 上机设计三个方案： 在原复算方案的基础上节省材料； 在原复算方案的基础上提高性能； 在原复算方案的基础上既节省材料，又提高性能； ③ 将最好的一个方案的全部设计步骤、计算过程写出来（要有文档、电子版本及幻灯片）； ④ 将三个方案进行比较，并用已学过的理论进行分析。

二、毕业设计图纸内容及张数 1、三相异步电动机总装备图 1张 2、定子冲片图 1张 3、转子装备图 1张 4、绕组联接图（只画一相） 1张 三、毕业设计实物内容及要求 （1） 三相异步电动机手算设计程序，主要是根据电机的额定数据及主要尺寸进行电机基本的磁路计算和参数计算及起动性能计算，要求计算结果误差在允许范围内。 （2） 编制程序进行调试并在此基础上综合设计。 （3） 提出电动机的效率优化设计方案，采用程序进行优化。 （4） 绘制电机定子、转子冲片图，定子绕组图，转子装配图，电机总装配图纸。

四、毕业设计进度计划 序号 1 2 各阶段工作内容 选择课题，查阅资料，撰写开题报告 复算原设计方案，反复检查设计中存在的问题 设计调试三个新方案 起讫日期 3.24 ~ 4.4 4.7 ~ 4.25 1.省材料 3 4.28 ~ 5.9 2.提高性能 3.最优化 4 5 6 AutoCAD绘图 整理资料，完成毕业论文 毕业答辩 5.12~ 5.16 5.19~ 6.6 6.9 ~ 6.13 备注

五、主要参考资料 [1] 陈世坤，《电机设计》机械工业出版社 [2] 戴文进，《电机学》航空工业出版社 [3] 王冲权，《电机的计算机辅助设计与优化技术》上海交通大学出版社 [4] 程福秀，《电机的设计与计算》龙门联合书局 [5] 彭友元，《电机绕组手册》辽宁科学技术出版社 [6] 季杏法，《小型三相异步电动机技术手册》机械工业出版社 [7] 刘宝友，《三相异步电动机可靠性和经济分析》中小型电机 [8] 倪文乞、傅丰礼，《中小型电机“十五”发展战略》中小型电机 [9] 张建华、杨鹏，《三相异步电动机参数的确定》中小型电机 [10] 李景灿，《高效率三相异步电动机研究与应用情况综述》中小型电机 [11] 沈阳工业大学教研组，《三相异步电动机设计原理与实验》沈阳工业大学电机系 [12] 上海电气科学研究所，《中小型电机设计手册》机械工业出版社 [13] 南昌大学电气自动化系电机教研室，《中小型三相异步电动机电磁设计手算程序》南昌大学 六、毕业设计进度表（本表每两周由学生填写一次，交指导教师签署审查意见） 学生主要工作： 第一、二周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见：

年 月 日

学生主要工作： 第三、四周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日 学生主要工作： 第五、六周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日

学生主要工作： 第七、八周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日 学生主要工作： 第九、十周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日

学生主要工作： 第十一、十二周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日 学生主要工作： 第十三、十四周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日

学生主要工作： 第十五、十六周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日 学生主要工作： 第十七、十八周 （ 月 日至 月 日） 指导教师审查意见： 年 月 日

七、其他（学生提交） 1、开题报告1份 2、外文资料译文1份（2000字以上，并附资料原文） 3、论文1份（8000字以上） 指 导 教 师：

学科组负责人： 学生开始执行 任务书日期 2008.03.24

学生姓名 送交毕业设计日期 2008.06.07

毕业设计（论文）开题报告

题 目: Y250M-4 55KW三相鼠笼式异步电动机设计 英文题目: Y250M-4 55KW Three-phase asynchronous

motor design a rat trap type

学 院: 共青学院 系 别: 工程技术系 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 07级电气本 学生姓名: 晏 悠 学 号: 8051207037 指导老师: 杨 莉 起讫日期: 2010年12月24日－2011年5月4日

一、选题的依据及意义：

随着社会的不断发展，如今在各行各业对工业技术要求的不断提高，电机无论是交通运输、航空航天、医疗卫生、农业生产商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器都大量地使用各式各样的电机现有90%以上的动力来源于电动机，电动机已与人们的日常生活密不可分。

据相关资料介绍，现有90%以上的动力源来自于电动机，我国生产的电能大约有b0%消耗于电动机。而动力与运动是可以互相转换的，从这个意义上讲，电动机也是最常见的运动源，对运动控制的最有效方式是对运动源的控制，因此，常常通过对电动机的控制来实现运动控制。比较简单的电动机控制，如在适当的时刻让电机启动、制动和正反转，这类控制可以通过继电器和电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现己普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电动机的动作。对于复杂的电动机控制，主要指对电动机的速度、转角、转矩、电压、电流等物理量进行控制，而且往往需要非常精确的控制。

三相鼠笼式异步电动机是目前工农业生产中使用最广泛的一种电动机，在电网的总负载中，异步电动机的容量约占整个动力负载的85%，可见其使用的广泛性和重要性，在供水泵站中亦广泛使用。

传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能很好，但带有机械换向器，有机械磨损和换向火花等问题:交流电动机，无论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而又经济地调节。交流电机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，目前，三相鼠笼式异步电动机由于结构简单、价格便宜、坚固耐用等一系列优点获得了广泛的应用。

因此，我们在通过电机专业课程的学习已基本掌握电机学、电机设计和电机优化设计等课程的知识，对电机理论有较好的理解的前提下，在毕业设计中选择三相异步电机设计的课程既是对所学专业知识的巩固和检验，也是未来实践的必然要求。

二、国内外研究现状及发展趋势：

20世纪40年代以前，我国电机制造工业极端落后。中华人民共和国成立后，电机工业才获得了迅速发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。50年代以仿制国外产品为主，60年代起即走上自动设计的道路；50年代初只能生产一般中小型电机，不久即能制造大型发电设备和特殊用途电机，与此同时，新技术、新材料、新结构和新工艺的应用日益广泛。建国以来我国电机工业迅速

目 录

摘 要 ............................................................ I ABSTRACT .......................................................... II 绪 论 ............................................................ 1 第1章 异步电机概念 ................................................ 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 ............................................ 3 第2章 三相异步电动机的基本结构和工作原理 .......................... 5 2.1 三相异步电动机的基本结构 ...................................... 5 2.2三相异步电动机的铭牌数据与主要系列 ............................ 6 2.3三相异步电动机的工作原理 ...................................... 8 2.4 三相异步电动机的机械特性和工作特性 ............................ 9 第3章 电机设计基本理论 ........................................... 10 3.1电机制造与设计的概况 ......................................... 10 3.2电磁设计 ..................................................... 10 第4章 毕业设计手算程序及优化方案 ................................. 13 4.1手算程序 ..................................................... 13 4.2优化方案 ..................................................... 32 结 论 ........................................................... 36 参考文献 .......................................................... 37 附录I.CAD图 ...................................................... 39

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Y250-4 55KW三相鼠笼式异步电动机设计

摘 要

本文为毕业论文，是关于三相异步电动机的设计，介绍了异步电动机的特点、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铭牌数据、技术要求、工作原理、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、功率因数也会使起动电流变大。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。

最后，为了使本设计直观，也为了便于生产，用CAD绘制了定子冲片图、转子装配图、绕组连接图和总装图，附在论文附录中。

关键词：异步电动机；设计；优化；绘图

I

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Y250-4 55KW Construct three phase squirrel-cage

asynchronous motor

Abstract

It is a disquisition of Bachelor on constructing three phase squirrel-cage asynchronous motor. This 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, and farther set forth its rated data, technical specification, operation theory, 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 of sizes and data, and therefore barge up against

contradiction. However, this study treats the problem all-sided and synthetically, and that well harmonizes the material wastage, capabilities, technical data as well as economical data. After the handwork count, the designer has known about the national criterion and is up on the rough connections among the specifications, which grounds for the next work. First, aspiring after economizing the materials will deteriorate the motor capabilities. Second, taking measures for augmenting efficiency 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.

At last, in order to understand the motor intuitionist and manufacture the motor expedite, the designer plot stator develop film graph, rotor constructional graph, coil coupling graph and general install graph. These graphs have been deposited in the excursus of this thesis

Keywords: induction motor; design；optimize；plot

II

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绪 论

电动机可分为直流和交流电机。由于直流电机和交流电机的特点又决定了机械设备的动力大多由交流异步电机提供，尤其以鼠笼式电机居多。据统计，在电网的总负载中，动力负载约占59%，而异步电机则占总动力负载的85%，由此可见异步电动机在工农业中的重要性，而且随着电气自动化的发展，它在工农业生产中的重要性也将逐步增大。尤其是三相鼠笼式异步电动机，具有结构简单，效率很高，使用方便，性能稳定，易于维修成本低的优点。为了保证异步电动机的安全运行，电工工作者必须掌握有关三相异步电动机的安全运行的基本知识，了解对异步电动机的安全评估，对异步电动机深入研究也是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。

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第1章 异步电机概念

异步电机的转速与气隙中基波旋转磁场的转速之间存在一定差异，即不同步（或称异步），因此被起名为异步电机。异步电机的工作原理是通过气隙旋转磁密与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的。由于异步电机转子绕组的电动势和电流是通过感应产生的，所以异步电机有又称感应电机。

1.1异步电机的类型、特点和用途

异步电机的系列、品牌、规格众多，归纳起来可从定子相数、电源屏率、转子结构、额定功率、防护形式、绝缘等级、运行方式、尺寸和用途等不同的角度来分类。按电源相数分为“单相”异步电机、“双相”异步电机、“三相”异步电机；按电机的尺寸或额定功率分为“大型”、“中型”、“小型”和“小功率”电机；按电机的防护形式分为“开启式”、“防护式”、“封闭式”；按转子结构型分为笼型、绕线型和换向器电机；按运行方式分为异步发电机和异步电动机等。

目前，我国以三相电动机的功率划分大类，并以其电源性质、性能、用途、结构特性、形式等作为补充部分。例如，中小型电动机的功率范围是1-1000KW，其中1-1000KW是小型三项电动机，100-1000KW为中型三相电动机。异步电动机按其电源性质和结构特征，较详细的分类如下：

异步电动机分为：三相异步电动机和单相异步电动机两大类；三相异步电动机又分为：绕线型和鼠笼型两种；三项鼠笼式异步电动机又包括三鼠笼型、双鼠笼型和单鼠笼型三种；单相异步电动机又分为：交直流两用式、罩极式、电容式和分组式。

三相异步电动机是应用最为广泛的一种电动机，它的主要分类见表1-1：

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表1-1 三相异步电动机的分类 分类方式 按转子绕组形式 按电机尺寸中心高H/mm（定子铁芯外径D1/mm） 按防护形式 按通风冷却方式 按安装结构形式 按绝缘等级 按工作定额 按用途 大型 >630 (>1000) 类别 笼型、绕线型 中型 355-630 (500-1000) 小型 80-315 (120-500) 开启式（IP11），防护式（IP22、IP23），封闭式（IP44） 自冷式，自扇冷式，他扇冷式，管道通风式 卧式，立式，带底脚，带凸缘 E级、B级、F级、H级 连续，短时，周期性，非周期性 防爆，潜水，起重等

异步电机与直流电动机、三相同步电机不同，其转子绕组无需与其他电源连接，因此具有结构简单、效率高、控制方便、性能稳定，以及制造容易，成本低廉，易于维修等优点。

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生产机械的传动要求。异步电机还便于派生成各种防护形式，以适应不同环境条件的需要。

由于异步电机的转速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。但近一、二十年来，以电力电子器件和微型计算机为基础发展起来的异步电动机交流调速系统，使异步电动机的调速性能得以改善，因此其用途更加广泛。

异步电机主要用作电动机，将电能转换为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。例如：工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、印刷机械、纺织机械、泵和压缩机、新型工业缝纫机等设备的控制;机械制造工业、冶金工业、煤炭工业、石油工业、轻纺工业，化学工业及其他各工矿企业的控制；军事和航天方面的卫星姿态、飞船光电池对太阳跟踪、雷达天线的控制。在农业生产方面，电力排灌设备、打谷机、辗米机、榨油机、饲料粉碎机等大都由异步电动机拖动。可以说各个领域都有采用它作驱动设备。

1.2异步电机的发展趋势

近年来我国已开始研究、设计、生产高效率异步电机。随着我国加入WTO及机电行业产业结构和产品结构的调整，高效率异步电机将成为市场需求的主导

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产品。电机关键设备旨在衡量电机性能好坏的重要技术经济指标之一。随着电机功率的增大，单位功率损耗相对减小，效率提高。普通大容量电机效率一般为95%到98%，小容量电机一般为80%到92%。所谓高效电机，只有一个定性的概念，即设计制造出的电机效率较普通标准电机效率高出一

定水平。例如美国70年代研制并推广到欧洲和日本的高效率电动机的平均效率比普通电动

机提高了2%到3%，其现行NEMA高效率电动机较我国Y系列和Y2系列电机效率高2%到8%。

提高国内异步电机的可靠性和经济性指标被列为“十五”计划基本任务的两项重要内容。国内异步电机质量和技术水平差距的其中两个体现方面就可靠性差，经济指标落后。随着科学技术的发展和人类环保意识的加强，人们越来越重视环境的噪声污染问题。因此电机的噪声成为考核产品竞争力的一个重要因素。为提高电机的品质，必须采取措施消弱电磁噪声。

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第2章 三相异步电动机的基本结构和工作原理

2.1 三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机主要是由定子和转子两大部分组成，转子有鼠笼型及绕线型转子两种。定子与转子之间有气隙，中小型三相异步电动机的气隙一般为0.2~2mm。

1、 定子

异步电动机的定子是用来产生磁场的，它一般由定子铁心、定子绕组和外壳组成。

（1）定子铁心 定子铁心一般由圆形铁心冲片、齿压板和压圈等零件压装后，经扣片或焊接紧固定成一体。铁心冲片一般由相互绝缘的0.5mm厚的硅钢片冲成，常用的硅钢片有D22、D23等型号。冲片内圈有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组。定子铁心的槽及开口三种。中小型低压电机一般采用半闭口槽。

（2）定子绕组 三相异步电动机的定子绕组由对称的三个绕组组成，每个绕组异步电动机的定子绕组由许多线圈接一定的规律连接而成。中小型低压电动机的线圈由高强度漆包线绕制、线圈与槽壁之间垫以槽绝缘。定子绕组在槽内的布置分为单层绕组和双层绕组两种基本形式。10kw以下的小容器异步电动机常用单层同心式、链式或交叉式绕组。双层绕组的优点是可以灵活选择节距以改善电动势和磁通式波形，因此容量大的异步电动机都采用双层短距叠绕组或波绕组。绕组嵌好后用槽楔锁口压紧，槽楔用竹、胶布板和环氧玻璃布板等非磁性材料组成。

（3）外壳 外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。小型机座通常用灰铸铁铸成。大、中型箱式电动机机座由钢板焊接而成。端盖是支承轴并受径向和轴向负荷的重要部件，由灰铸铁铸成。有的机座的端盖与外轴承盖铸成一体，具有装配方便、节省工时等优点。

2、转子

异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。

（1）转子铁心 转子铁心是用0,5mm厚的硅钢片叠成的圆柱体，另一种是绕线转子。笼型转子是铸铝的或铜条焊接的笼型转子，整个铁心固定在转轴或转子支架上，如果去掉铁心，整个绕组的外形就像一个松笼子，所以习惯上又称笼型转子为鼠笼转子。

（2）转子绕组 转子绕组分为笼型和绕线型两种结构。笼型绕组有双笼型及深槽型，这两种转子可改善异步电动机的启动性能，主要用于100kw以上的

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大中型电动机。绕线转子绕组与定子绕组一样，也是由对称三相绕组构成，一般接成星形联结，三根引出线分别接到与转轴绝缘的三个滑环（又称集电环）上，通过电刷装置可与外电组或其他控制器相连接，以改善电动机的启动性能和调速性能。为了减少电刷与集电环的磨损，中等容量以上的绕线转子电动机装有举刷装置，电动机启动后，可将电刷提起，同时将三个集电环短接。

（3）转轴 转轴一般用中碳钢制成，转子铁心套在转轴上或通过压圈套在轴上，它支持着转子，使转子在定子内腔均匀地旋转，并传导三相电动机所输出的转矩。

3、气隙

如同其他旋转电机一样，异步电机的定子与转子之间必须有一气隙。由于气隙是电机磁路的一部分，气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响。气隙越大，磁阻越大，要产生同样大小的旋转磁场，就需要较大的励磁电流，从而使异步电动机的功率因素下降。为了提高功率因素，气隙应尽可能的小。但是的最小值常由制造工艺和运行安全可靠性等因素决定。从减少附加损耗并减少高次谐波磁通势产生的磁通来看，气隙稍大一点也有其有利的一面。但总的来说，异步电动机的气隙比同步电机的小得多，在中小型异步电动机中，气隙大约为0,2mm~1.5mm。

2.2三相异步电动机的铭牌数据与主要系列

每台电动机的外壳上都应有一块铭牌，铭牌上标出这台电动机额定值及其他必要事项。

1、三相异步电动机的铭牌额定数据

（1）型号 Y系列国产三相异步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：“Y180M-2”—Y：异步电动机；180：中心高 180mm；M：中机座（L-长机座，S-短机座）；2：2极。

（2）额定功率 指电动车在额定运行时，轴端输出的机械功率，单位为瓦（W）或千瓦（KW）。

（3）额定电压 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，如220V/380V，表示电动机定子绕

组在两种不同联结时的线电压。

（4）额定电流 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）。如果铭牌上标有两个电流数据，表示的定子绕组在两种不同联结时的输入电流。

（5）额定频率 指输入交流电（即电网）的频率，我国规定的电网频率为

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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。

（6）额定转速 指电动机在额定频率、额定电压下，且轴端输出的额定功率时，转子每分钟的转速，单位为转/分(r/min)。

（7）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。

（8）额定效率 指电动机在额定运行时的效率。

（9）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2-1，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2-1 绝缘材料的耐热等级 耐热等级 最高工作温度（℃） Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C >180 （10）标准符号 至电动机产品按这个标准生产，技术数据能表达到这个标准的要求。

（11）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数范围内允许长期连续使用。短时工作制（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）的电动机在铭牌规定的额定值下只能周期性使用，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。

（12）联结 指三相电动机定子绕组的六根引出线头的接线方式，即接成 Y还是△。接线时必须注意电动机电压、电流、联结三者之间的关系。 2、异步电动机的主要系列

我国生产的异步电动机种类很多，主要系列产品有：

Y系列为小型笼型全封闭的自冷式三相异步电动机，取代老产品J02系列。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械和农业机械等，也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、锤击机、粉碎机、小型起重机和运输机械等。额定电压为380Ｖ，功率范围为0.55~90kw，同步转速为750~3000r/min，外壳防护型式为IP44、B级绝缘。

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J2、J02和J02-L系列为小型鼠笼式三相异步电动机。其中，J2是防护式结构，J02、J02-L（铝）是封闭式结构，额定电压为380V，同步转速为600~300r/min采用E级绝缘。

JQ2和JQ02系列是高起动转矩异步电动机，用于起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2是防护式，JQ02是封闭式。

JD2和JD02系列是从J2、JQ02系列派生出来的，为防护式和封闭式多速笼型异步电动机，主要用于机床和起重设备中需多种速度的传动装置。

JN系列是中型防护式笼型异步电动机。 其他类型异步电动机可参阅产品目录。

2.3三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机的定子装有三相对称绕组，当接至三相交流电源时，流入定子绕组的三相对称电流在电机的气隙内产生一个以同步转速n1旋转的磁场。转子导体嵌放在转子铁心槽内，两端被导电环短接。当旋转磁场以逆时针方向旋转时，转子导条切割磁力线产生感应电动势，其方向可用右手定则来判别。转子上半部导体中的电动势方向都是进入纸面，下半部导体中的电动势方向都是穿出纸面。

在转子回路闭合的情况下，转子导体中就有电流流通。如不考虑转子绕组电感，那么电流的方向与电动势的方向相同。

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（n

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。转差s是异步电动机的一个非常重要的变量。当负载变化时，转子的转差率s也随之变化，通常异步电动机额定负载时的转差率2%~6%左右。

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（0

（b）发电机状态（s<0）：原动机械动转子以n（n

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（c）电磁制动状态（s>1）：转子逆着磁场方向旋转（n<0），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。

2.4 三相异步电动机的机械特性和工作特性

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）。

2、三相异步电动机的工作特性

三相异步电动机的工作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、定子电流、功率因数、电磁转矩、效率等与输出功率的关系。电机空载时，随着输出功率的增加，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。电动机运行是必须吸取滞后无功功率，其功率因素总小于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，额定负载时最高，如负载再增大，功率因数又反而减少。

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第3章 电机设计基本理论

3.1电机制造与设计的概况

在我国，电机制造工业的发展趋势大概为产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高；积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺；标准化、系列化和通用化程度不断提高；积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究。

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）和技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性等）；2、贯彻国家的技术经济政策，结合生产的经济性和可靠性；3、运用有关的理论和计算方法；4、正确处理设计时遇到的各种矛盾。

电机设计的目的就是设计性能好、体积小、运行可靠、维修方便的电机。电机设计时通常给定数据：额定功率、额定电压、相数及相间连接方式、额定频率、额定转速或同步转速、额定功率因数。在此次的中小型异步电动机的设计中，以上6个数据都已给出。

总的电机设计分三个阶段：准备阶段、电磁设计、结构设计。 （一）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。

（二）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。

（三）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。通常，首先根据技术条件或技术任务书（技术建议书）中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再考虑电磁计算中所选负荷的高低，来选取合适的通风冷却系统；然后安排产品的总体结构，绘制总装配草图。然后分别绘制部件的分装配图和零件图，并对总装配草图进行必要的修改。

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。

3.2电磁设计

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。

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一个好的设计方案应该达到节省材料的目标，即将定子用铜量、转子用铝量、硅钢片用量尽量降到最小，另外，电机性能良好，即效率和功率因数应该尽可能大、起动电流尽可能小、起动转矩倍数和最大转矩倍数尽量大。然而，电机的各项性能之间以及技术指标和经济指标之间，经常存在矛盾，长了此短了彼。例如，当采取措施改善某个性能时，常会使其他一些性能变差，因此必须全面照顾。又如，在设计电机时，不能片面追求体积小和材料省，因为这样容易导致电机性能变差，特别是效率降低，加工工时增加，而使运行费用或制造成本上升，并造成浪费。因此，设计人员必须全面、综合地看问题。

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??P)?100%?(1????P是电动机所有损耗标幺值之和：

?P)?100%1??P -???????p?pCu1?pCu2?ps?pFe?pfw。

针对本次设计，由于风摩损耗和杂散损耗基本上不容变动，所以，通常导致效率低的原因有定子铜损耗大、转子铝损耗大、铁损耗大。针对不同原因，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。 2．功率因数cos?

???cos??I1PI1?I1PI1P?I1Q?2?2

导致效率低的原因通常是磁化电流大和漏电抗大。当磁化电流大：可以通过a.增加定子绕组每槽导体数；b.使磁通密度下降增加铁心长；c.减少气隙；d.调整槽型尺寸，使定、转子齿、轭部磁密分布合理四种方法来降低磁化电流。而减少每槽导体数、减少铁心长或改变槽型尺寸来减少槽漏抗都可以减小漏电抗。 3．起动电流倍数ist

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2?2?IstIKW?ist?,Ist??,Zst?Rst?X?(st)I1Zst

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

Tst?R2(st)Zst??(1?SN)

SN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

Tmax?1?sN2(R1?R1?X?)??2?2 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。

看了以上的介绍，就会发现当采取措施改善某个性能时，常会使其他一些性能变差。例如，当漏电抗较大导致功率因数、起动转矩倍数和最大转矩倍数偏小，然而当采取措施如减少每槽导体数时，虽然功率因数、起动转矩和最大转矩都有所改良，但也可能导致起动电流过大。因此，要综合考虑，在各项性能指标达到要求后尽量去提高其中某些性能。

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第4章 毕业设计手算程序及优化方案

4.1手算程序

设计中小型三相感应电动机，型号是Y250M-4 55KW。给定数据：输出额定功率PN=55KW,额定电压UN=380V（?接法），额定频率为50HZ，极数是4，相数m1=3，B级绝缘，外壳的防护等级为IP44，冷却方式为IC0141。主要性能指标按技术JB3074-82规定，依照手算电磁计算程序，进行各个项目的核算，具体步骤详见表4-1。通过手算巩固所学的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。从而给下一步的三个优化方案的研究和调试打下基础。

表4-1三相异步电动机Y250-4 55KW手算步骤与结果

一、 额定数据及主要尺寸 1．输出功率P2 2．外施相电压U1 3．功电流IKW 4．效率?? 5．功率因数cos?? 6．极数p 7．定子槽数Q1 转子槽数Q2 8．定子每极槽数 P2=55kw P2=55kw U1=380v U1=380v IKWP2?10355?103==48.2456A ?m1?U13?380IKW=48.2456A ??=0.9200 cos??=0.8800 p=4 ??=0.9200 cos??=0.8800 p=4 Q1=48 Q2=44 QP1?QP2? Q1=48 Q2=44 QP1=12 Q148==12 4pQ244==11 p4转子每极槽数 QP2=11 9．定、转子冲片尺寸见附录I图 10．极距?P ?P???Di1p=??2604=204.2034 P?=204.2034 mm （?=3.1415） 13

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11．定子齿距t1 12．转子齿距t2 13．节距y 14．转子斜槽宽bSK 15．每槽导体数Z1 16．每相串联导体数t1?t2???Di1??260==17.0170 Q148t1=17.0170 mm t2=18.4497 mm y=11 ??D2??258.4==18.4497 Q244y=11 bSK=17.0170 Z1=36 Z?1?Q1?Z148?36==144 3?4m1?a1bSK=17.0170 mm Z1=36 Z?1=144 Z?1 式中： 17．绕组线规（估算） 式中： 导线并绕根数·截面积a1=4 ?I1??N1?S1= 4.0374 ??1=3.69 A/MM2 59.5919==4.0374 N1?S1??4?3.69a1??1????N1?S1（mm22） 定子电流初步估算值 I1? ?IKW48.2456==59.5919 ???cos??0.92?0.88I 定子电流密度?1 18．槽满率 （1）槽面积 /1???1查表得?1=3.69/MM2 ? 22R?bS1???RSS? ?hS?h?????22 SS= 288.6852mm2 2?5.7?8??5.72?26.5?2??= 22=288.6852mm （2）槽绝缘占面积 2Si?Ci??2hS??R?? ?? =0.35（2?26.5???5.7） =31.6075 mm 2?Si= 31.6075 mm2 14

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（3）槽有效面积 Se?SS?Si =288.6852-31.6075 =257.0777 mm 2Se= 257.0777mm2 （4）槽满率 绝缘厚度Ci 导体绝缘后外径 槽契厚度h N1?Z1?d23?36?1.382==0.8001 Sf?257.0777SeSf= 0.7776 Ci=0.35mm d=1.38mm h=2mm Ci=0.35 mm d=1.38mm h=2mm 19．铁心长l 铁心有效长 净铁心长lFe 铁心压装系数KFe 20．绕组系数 （1）分布系数 式中： 无径向通风道leff?l?2g =240?2?0.8=241.6 无径向通风道lFe?KFe?l =0.92?240=220.8 leff= 241.6 mm lFe= 220.8 mm KFe?0.9200 KFe? 0.9200 Kdp1?Kd1?Kp1 =0.9577?0.9914=0.9495 Kdp1=0.9495 Kd1???sin??q1??2??= 0.9577 ?q1?sin2Kd1= 0.9577 q1= 4 ?? 0.2618 q1?Q148== 4 3?4m1?pp?4??= =0.2618 48Q1??（2）短距系数 Kp1?sin??90? = 0.9914 ??Kp1? 0.9914 式中： ??6y== 0.9167 6.75Qp115

?? 0.9167 南昌大学共青学院毕业设计

21．每相有效串联导体数 二、 磁路计算 22．每极磁通 Z?1?Kdp1?Z?1?Kdp1 =144?0.9495=136.7236 Z?1?Kdp1?136.7236 E1?108 ??2.22f?Z?1?Kdp1359.48?108=2368690.2324 ?2.22?50?136.7236?=2368690.2324 式中： ?E1???1??L??U1 ??E1= 359.4800v ?0.946?380=359.48 23．齿部截面积 （1）定子 ST1?bT1?lFe?QP1 =9.1833×220.8×12 =24332.0717 ST1=24332.0717mm2 （2）转子 ST2?bT2?lFe?QP2 = 10.9736×220.8×11 =26652.6797 ST2=26652.6797 mm2 24．轭部截面积 （1）定子 式中：定子轭部磁路 SC1?hC1?lFe =38.7×220.8=8544.96 ?SC1mm2 =8544.96 计算高度hC1 圆底槽 ?D?Di11hC1??1?hS?R23400?2601??33.2??5.7 23?38.7000?hC1?38.7000mm 16

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（2）转子 式中：转子轭部磁路计SC2?hC2?lFe = 43.9000×220.8=9693.12 ?Sc2mm2 =9693.12 算高度hC2 平底槽 ?D?Di22hC2??2?hR?dK223 258.4?85??42.8?43.90002hC2??43.9000 25．空气隙面积 Sg??p?leff＝204.2034×241.6 =49335.5414 S?=49335.5414mm2 26．波幅系数 FS?最大? 平均?FS=1.4925 =1.4925 27．定子齿磁密 BT1?FS?ST1＝1.4925? 2368690.2324 24332.0717BT1?T 1.4662 ? 1.4662T 28．转子齿磁密 BT2?FS＝1.3385 ?ST2=1.4925? 2368690.2324 26652.6797BT2?1.3385 T 29．定子轭磁密 BC1? 2368690.23241?=0.5?＝1.3986 ?8544.962SC1BC1?1.3986 T 30．转子轭磁密 BC2? 2368690.23241??=0.5?＝1.2329 9693.122SC2BC2? 1.2329 T 31．空气隙磁密 Bg?FS0.7231 ?Sg=1.4925? 2368690.232449335.5414＝Bg?0.7231 T 17

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