三相笼型感应电动机系列电磁设计(课程设计)

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一、设计任务的依据

《电机设计》的课程设计是电气工程及其自动化专业电机电器及其控制方向（本科）、电机制造（专科）专业的一个重要实践性教学环节，通过电机设计的学习及课程设计的训练，为今后从事电机设计工作、维护的人才打下良好的基础。电机设计课程设计的目的：一是让学生在学完该课程后，对电机设计工作过程有一个全面的、系统的了解。另一个是在设计过程培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生查阅表格、资料的能力，训练学生的绘图阅图能力，为今后从事电机设计技术工作打下坚实的基础。

根据用户对产品提出的技术要求及使用特点，结合设计和制造的可能性而编制。

1设计的指导思想

设计一般用途的全封闭自扇冷、笼型三相异步电动机，应具有高效节能、起动转矩大、性能好、噪声低、振动小、可靠性高，功率等级和安装尺寸符合IEC标准及使用维护方便等优点。

2产品的用途

环境条件：海拔不超过1000米，环境空气温度随季节而变化，但不超过400C。

适用于不含易燃、易爆或腐蚀性气体的一般场所和无特殊要求的机械上。

3.额定数据

型号Y100L1

额定容量 1.5KW

额定电压220V

额定电流 5.03A

额定转速1430r/m

4.主要性能指标

效率0.81

功率因数0.82

起动电流倍数7

起动转矩倍数2

最大转矩倍数 2.3

4.工作方式连续(SI)制

5．结构与安装尺寸

外壳防护等级IP44 安装结构B3

绝缘等级B级外型L1*b/h

转子结构铸铝热套安装A*B/

6.主要标准

精品

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（1）Y系列三相电动机产品目录

（2）Y系列三相异步电动机技术条件

二、设计内容：

1.在查阅有关资料的基础上，确定电机主要尺寸、槽配合，定、转子槽形及槽形尺寸。

2.确定定、转子绕组方案。

3.完成电机电磁设计计算方案。

4.用计算机（手画也可以）画出定、转子冲片图，电机结构图。

三、课程设计的基本要求

1．求每位同学独立完成一种型号规格电机的全部电磁方案计算过程，并根据所算结果绘出定、转子冲片图、电机总装图。

2．要求计算准确，绘出图形正确、整洁。

3．要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。

四、指导书、参考资料

指导书：《电机设计》陈世坤主编，机械工业出版社，2002年出版

参考资料：Y系列三相异步电动机技术设计

小型三相异步电动机技术手册

五、说明书格式

1．课程设计封面；

2．课程设计任务书；

3．说明书目录

4．前言

5．三相感应电动机电磁设计特点及设计思想（重点写）。

6．三相感应电动机定、转子绕组方案。

7．电磁设计设计单。

8．定、转子冲片图。

9．总结与体会

10．参考资料。

精品

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目录

前言 (1)

一、三相感应电机及设计特点及设计思想 (2)

二、三相感应电动机定、转子绕组方案 (2)

三、定、转子冲片图 (12)

四、总结与体会 (14)

参考文献 (14)

精品

. 精品

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前言

在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，而作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。

电机包括变压器和旋转电机，都用于实现机械能和电能之间的转换。旋转电机分为直流电机和交流电机，交流电机又分为异步电机和同步电机。三相异步电动机隶属交流电动机，又称感应电机。具有结构简单，制造容易，坚固耐用，维修方便，成本低廉等一系列优点。因其具有较高的效率及接近于恒速的负载特性，故能满足绝大部分工农业生产机械的拖动要求。

三相异步电动机在国内外的生产量、需求量都非常大，我国有许多厂家能生产各类永磁直流电机。对于从事电机设计、生产的工作者来讲，在电机设计实践中经常会遇到电机仿制、电机按性能要求进行改制、电机按技术参数全新设计等问题，因此就需要有一套比较实用的能够进行永磁直流电机设计的思路和方法，以便有效、简便、正确地对电机进行设计。

电机设计的任务是根据用户提出的产品规格、技术要求，结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计时遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。

电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。设计要根据电机用户对电机各方面性能的要求，能因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法,从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维护方便的先进产品。设计一台小型三相异步电动机的意义在于：首先设计电机是电机原理和实践电机相结合的环节，是设计者综合运用所学知识解决所学专业实际问题能力的检验，是学习深化知识和提高的重要过程。其次，三相异步电动机是各行各业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，使用广泛，值得研究。而本次课程设计的目的就是通过收集各类书籍，杂志，网络相关资源，了解三相异步电动机在国内外的发展状况；通过电机设计相关教材，结合具体情况设计一般用途的全封闭自扇冷、笼型三相异步电动机，应具有高效节能、起动转矩大、性能好、噪声低、振动小、可靠性高，功率等级和安装尺寸符合IEC标准及使用维护方便等优点。

精品

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一、三相感应电动机电磁设计特点及设计思想

三相感应电动机电磁设计主要的内容包括如何确定电机和选择电机的电磁负荷及定子两套绕组的极对数。由于作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

同时需注意一下三点：

(1) 调速范围

明确电机转速运行的最大区间，并应指明电机的常用转速区间，以便选择合适的电机数据，获得良好的力能指标。

(2) 负载的性质

明确负载需要恒功率调速或恒转矩调速，或在整个调速范围内部分转速区为恒功率、部分转速区为恒转矩。这对选择自然同步转速（即确定pp、pc之和）及控制绕组电源在调速范围内是否需要改变相序十分重要。

(3) 通风冷却系统

一般交流电机包括同步电机和感应电机，转子不计算铁耗，然而该类电机正常稳态运行时，定子绕组产生的2个旋转磁场转速与转子本体转速存在较大的转差，转子铁芯损耗不容忽视。不仅电磁设计时，其电磁负荷的选择应与常规电机有所区别，而且对通风冷却结构设计应予足够的重视。

设计要根据电机用户对电机各方面性能的要求，能因地制宜，针对具体情况采取不同的解决方法,从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维护方便的先进产品。本次设计共包括四个方案，方案一：复算。方案二:提高其功率因数.方案三:提高其效率.电磁计算中的几个主要部分包括：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组与冲片设计；工作性能的计算；起动性能的计算等。

精品

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二、三相感应电动机定、转子绕组方案

（一）额定数据及主要尺寸

1 输出功率PN=2.2kW

2额定电压 Un =380V

3 功电流 φN N KW U m P I 1=

=3.33A 4 效率 y =0.81

5 功率因数cos φ’ =0.82

6 极对数p=2

7 定转子槽数 Z1=36 Z2=32

8 定转子每极槽数 p Z Z p 211=

= 9 p Z Z p 222==8 9 定转子冲片尺寸

10 极距 p D i 21

πτ== 0.07696m

11 定子齿距 111Z D t i π=

= 0.00855m 12 转子齿距 22

2Z D t π== 0.00956m

13 节距 y =3

14 转子斜槽宽 b sk = t 1= 0.0145m

15 每槽导体数 单层线圈 N s1 =41 16 相串联导体数 1

1111a m Z N N s =φ=492 17 绕组线规（估算）1

1111''''J a I A N c t == 1.42 mm 2 I ’1（定子电流初步值）=

'cos '?ηKW I = 5.01A 18 槽满率（教材图10-8）

⑴ 槽面积2

)'(222211121r h h b r A s s π+-+== 0.0081725m 2 (2)槽有效面积 t s ef A A A -== 0.00589869 m 2

.

精品 (3)槽满率

%100211?=ef

s t f A d N N S = 0.78 19 铁心长l t 铁心有效长 l t =105mm

绕组系数 111p d dp K K K == 0.959795

21 每相有效串联导体数 11dp K N φ=477

（二）磁路计算

22 每极磁通 1

1111122.24dp dp Nm K fN E fN K K E φφ≈==0.0068125T 其中φεN L U E )1('1-= = 203.38v （假设'1'L E K ε-=）

23 极齿部截面积 定子 111p t t Fe t Z b l K A == 0.004039m 2

转子 222p t t Fe t Z b l K A == 0.003591m 2

24 轭部截面积 11'j t Fe j h l K A == 0.001683m 2

定子轭部计算高度 圆底槽 3221111'1r h D D h s i j +--== 0.01687m 转子 21'j t Fe j h l K A == 0.0025805 m 2

转子轭部计算高度 圆底槽 222222'23232v s i j d r h D D h -+--=

= 0.02587m 25 空气隙面积 ef l A ?=τδ= 0.00808m 2

26 波幅系数 av s B B F δδ=

= 1.3745（可先假定饱合系数K ’s ，再从教材图附1-2中查出F s ）

27 定子齿磁密 11t t A Fs B φ=

=1.53326T 28 转子齿磁密 22t t A Fs B φ=

= 1.58243T 29 定子轭磁密 1121j j A B φ?=

= 1.45644T 30 转子轭磁密 2221j j A B φ?=

= 1.42909T 31 空气隙磁密 δ

δφA F B s == 0.724068T 32 根据B t1、B t2、B j1、B j2、B δ从磁化曲线（教材附录5）中查出H t1、H t2、H j1、H j2 33 齿部磁路计算长度

.

精品 定子 圆底槽 212111131r h h L t ++== 0.0127008m 转子 平底槽 22122h h L t +==0.020m

34 部磁路计算长度 定子 21

2)'('111?-=p

h D L j j π= 0.05424m 转子 2

1

2)'('222?-=p h D L j j π= 0.02809m 35 有效气隙长度 δδδδ21K K ef == 0.000378m

开口槽 2000)5()5(b b t b t K -++=δδδ= 1.3244 36 齿部磁压降 定子 111t t t L H F ==18.04v 转子 222t t t L H F == 17.24v 37 厄部磁压降 定子 1111'j j j j L H C F ==25.75v 转子 2222'j j j j L H C F == 9.113v 38 空气隙磁压降 0μδδδδB K F =

= 391.64V 39 饱和系数 δ

δF F F F K t t s 21++== 1.4307 （s K 值与26项中假定的's K 应相符，否则重新假定's K ，并重新计算26～39项中各有关量，直至相符。要求精度≤±1%） 40 磁压降 21210j j t t F F F F F F ++++=δ=367.95V 41 满载磁化电流 11109.02dp m K N m pF I =

=3.4411A 42 满载磁化电流标么值 KW

m m I I I =*= 0.75495 43 励磁电抗标么值 **

1m ms I X ==1.1883 （三） 参数计算

44 线圈平均半匝长（见教材图附1-4）

单层线圈 y c B c K l l τ+==0.156432m 46 单层线圈端部平均长

y c E K d l τ+=12=0.067645m

47 漏抗系数

.

精品

3

2

2112

1211010)(263.0)(4-?=

=

φ

φ

μπN N

ef dp N N

ef dp pU P l K N pU m P l K N f Cx = 0.032178 Ω

48 定子槽比漏磁导 11111L L U U s K K λλλ+== 1.35188 49 定子槽漏抗 Cx l K Z pl m X

ef

dp s t s 2

111'11*

1

2λ== 0.024183 Ω 无径向通风道时 1'

1t t l l ==0.026813m

50 定子谐波漏抗 Cx K K s

m X s

dp ef 2

121*

1δπτδ∑=

= 0.012063Ω （s ∑从图13或表5中查出）

51 定子端部漏抗

单层同心式 Cx K

l l X dp ef y E E 21

*

1)64.0(67

.0τ-==0.005667Ω

52 定子漏抗 *

1*1*1*1E s X X X X ++=δσ= 0.042033 Ω

53 转子槽比漏磁导 222L U s λλλ+== 1.5812（2U λ、2L λ从教材附录四查出） 54 转子槽漏抗 Cx l Z pl m X

ef

s t s 22'21*2

2λ== 0.02929 Ω

无径向通风道时 2'

2t t l l ==0.02979m

55 转子谐波漏抗 Cx K R

m X s

ef δπτδ2

1*

2∑=

= 0.031493Ω（R ∑从教材图4-11或附录9查出）

56 转子端部漏抗 Cx p

D l l l X R

t E ef E )213.1(757.02*

2+-=

= 0.0045301Ω 57 转子斜槽漏抗 *

222

*

)(

5.0δX t b X sk sk == 0.015132 Ω 58 转子漏抗 *

*2*2*2*2sk E s X X X X X +++=δσ= 0.080445 Ω 59 总漏抗 *

2*1*σσσX X X +== 0.12248 Ω

60 定子直流相电阻 '

21111c t c

A N l N R ρ

=

=1.8933 Ω

对A 、E 、B 级绝缘 铝m ?Ω?=-6

100346.0ρ，铜m ?Ω?=-6100217.0ρ 对F 、H 级绝缘 铝m ?Ω?=-6

100392.0ρ，铜m ?Ω?=-6100245.0ρ

61 定子相电阻标么值 φ

N KW

U I R R 1*

1== 0.039335Ω 62 有效材料

定子导线重量 ''1111ρt c s c w N A Z N Cl G == 3.9602kg

.

精品

式中C 为考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铝线取1.1，漆包圆铜线取1.05；

'ρ为导线密度，铝为2.7×103kg/m 3，铜为8.9×103kg/m 3

硅钢片重量 ')(2

1Fe t Fe Fe D l K G ρδ+= = 37.678kg (δ为冲剪余量，取

5mm) 63 转子电阻

导条电阻折算值 22

111)

(4'Z K N m A l K R dp B B B B ?

?=ρ=1.168 Ω 端环电阻折算值 221112

2)

(42'Z K N m A p Z D R dp R

R B ??=πρ=0.28094 Ω 因叠片不整齐造成导条电阻增加而引入系数K B ，铸铝转子为1.04，铜条转子为1.0 对于A 、E 、B 级绝缘：紫铜m ?Ω?=-6

100217.0ρ，黄铜m ?Ω?=-6

10

0804.0ρ,

硬紫铜杆m ?Ω?=-6

10

0278.0ρ，铸铝m ?Ω?=-6100434.0ρ，

硅铝m ?Ω?=-6

10)0723.0~062.0(ρ 对于A 、E 、B 级绝缘：紫铜m ?Ω?=-6

100245.0ρ，黄铜m ?Ω?=-6100908.0ρ,

硬紫铜杆m ?Ω?=-6

10

0314.0ρ，铸铝m ?Ω?=-6100491.0ρ，

硅铝m ?Ω?=-6

10)0816.0~07.0(ρ 导条电阻标么值 φ

N KW

B B U I R R '

*== 0.024265 端环电阻标么值 φ

N KW

R

R U I R R '

*== 0.0058367 转子电阻标么值 *

*

*

2R B R R R +== 0.030102

（四）工作性能计算

64 满载时定子电流有功分量标么值 '

1

*

1η=

P I = 1.2285（假定效率'η） 65 满载时转子电流无功分量标么值 ])(1[2

*

1*

12

*1*

1*P P X I X I X I σσσσ+== 0.19604

**111ms

X X σ

σ+==1.0789

66 满载时定子电流无功分量标么值 *

**1X m Q I I I +== 0.951

67 满载电势标么值 )(11*

1*

1*

1*

1σεX I R I K Q P L E +-=-== 0.9117

.

精品 此值应与22项假定相符，否则重新假定K E 并计算22～67项，直至误差小于±0.5%

68 空载电势标么值 *1*011σεX I m -=-=0.7896

69 空载时定子齿磁密 L

t B εε--=11010B t1=1.4293T 70 空载时转子齿磁密 202011t L t B B εε--=

= 1.6874T 71 空载时定子轭磁密 L j B εε--=11010B j1= 1.3803T 72 空载时转子轭磁密 202011j L j B B εε--== 0.76422T 73 空载时气隙磁密 δδεεB B L --=1100= 0.6919T 74 空载定子齿磁压降 11010t t t L H F ==25.978v 75 空载转子齿磁压降 22020t t t L H F == 151.88v 76 空载定子轭磁压降 '11010j j j L H F ==24.03v 77 空载转子轭磁压降 '22020j j j L H F == 3.5977v 78 空载空气隙磁压降 00

0μδδδδB K F == 253.12v

79 空载总磁压降 20102010000j j t t F F F F F F ++++=δ=458.6v 80 空载磁化电流 1110009.02dp m K N m pF I =

= 4.2889A 81 定子电流标么值 2*12*1*1Q P I I I +=

= 1.5536 定子电流实际值 KW I I I *11== 5.173488A

82 定子电流密度 '11111c t A N a I J =

= 6.2968e+006 83 线负荷 11111i D I N m A πφ==21463A

84 转子电流标么值 2*2*1*2X P I I I +=

= 1.2441 转子电流实际值 2111*22Z K N m I I I dp KW

φ==244.99A 端环电流实际值 p

Z I I R π222== 428.9A

.

精品 85 转子电流密度 导条电密 B B A I J 2=

=3.42586e+006 端环电密 R R R A I J =

= 1.78165e+006 86 定子电气损耗 *12*1*1R I p cu = = 0.094944w N cu cu P p p *11==284.83w

87 转子电气损耗 *22

*2*2R I P Al = = 0.046591w N Al Al P p p *22== 139.77w 88 附加损耗

铸铝转子：=*

p 0.025（2极），0.02（4极），0.015（6极），0.01（8极和10极） 铜条转子：=*

p 0.005 或参考相近规格的实测值

N s s P p p *==60

89 机械损耗 参考实际试验值或按下列公式计算

二极防护式： 332210)()3(5.5?=D p p fw = 11.435w

机械损耗标么值 N fw fw P p p =

*

= 0.0064827w 90 定子铁损耗

⑴ 定子齿重量 '211Fe t t t L pA G ρ==3.4325kg

定子轭重量 ''411Fe j j j L pA G ρ==7.2747kg

⑵ 定子齿损耗 t het Fet G p p = = 121.17 损耗系数het p 根据10t B 查表4得到 ⑶ 定子齿损耗 j hej Fej G p p = = 62.972 损耗系数hej p 根据10j B 查表4得到 ⑷ 定子铁损耗 Fej Fet Fe p k p k p 21+== 184.15w

铁耗校正系数 =1k 2.5（半闭口槽），3.0（开口槽）

=2k 2.0（半闭口槽）2.5（开口槽）

定子铁损耗标么值 N Fe Fe P p p =

*= 0.061382 91 总损耗标么值 ****2*1*Fe fw s Al cu p p p p p p ++++=∑= 0.2294

92 输入功率 **11p P N ∑+== 1.2294w

93 效率 *1

1N P =η=0.822005 此值应与64项假定值相符，否则重新假定'η并计算64～93项，直至误差小于±0.5%

.

精品 94 功率因数 *1

*1cos I I P =?= 0.802179 95 转差率 ****2*21Fer fw s Al Al N p p p p p s ++++=

= 0.044 N

Fejr

Fetr Fer P p p p +=*

= 0.03473 96 转速 )1(60N N s p

f n -== 1434.66 r/min 最大转矩 )(212*2*1*1*σX R R s T N

m ++-== 2.8515

（五） 起动性能计算

98 起动电流假定值 KW m st I T I *')5.3~5.2(== 41.461A

99 起动时定转子槽磁势平均值

02

1121111'1)(707.0ε-+=Z Z K K K a N I F p d U s st st = 2454.9T 100 空气隙中漏磁场的虚拟磁密 c

st L F B δβμ20== 4.7234T 215.264.0t t c ++=δ

β= 0.93301

由L B 查教材图10-18可得漏抗饱合系数K z =0.512 101 齿顶漏磁饱合引起的定子齿顶宽度的的减少 )1)((0111z s K b t C --== 0.0049248T 102 齿顶漏磁饱合引起的转子齿顶宽度的的减少 )1)((0222z s K b t C --== 0.0066965T 103 起动时定子槽比漏磁导 11111)(1)(L L U U U st s K K λλλλ+?-== 1.1261T 1U λ?= 0.20269T 104 起动时定子槽漏抗 *11

)(1*

)(1s s st s st s X X λλ==0.020495 Ω 105 起动时定子谐波漏抗 *1*

)(1δδX K X z st == 0.0054746 Ω

106 起动时定子漏抗 *1*)(1*)(1*)(1E st st s st X X X X ++=δσ= 0.031756 Ω 107 考虑集肤效应，转子导条相对高度

.

精品 B

s B B b f b h ρξ???=-2310987.0= 1.5512 式中：h B ——转子导条的高度，对铸铝转子不包括槽口高度h 02

2s B b b ——转子导条与转子槽的宽度之比，对铸铝转子其值为1，窄长的铜条其值为0.9

B ρ ——导条的电阻率。

对A 、E 、B 级绝缘，铝为m ?Ω?-6100434.0，铜为m ?Ω?-6100217.0； 对F 、H 级绝缘，铝为m ?Ω?-6100491.0，铜为m ?Ω?-6100245.0 f ——转子电流频率，起动时其等于定子电流的频率 108 转子电阻增加系数和电抗减少系数 K F 、K x 查教材图附1-10及教材图4-23 0~R R K F = = 1.2 0

~X X K x == 0.95 109 起动时转子槽比漏磁导 222)(2)(L x U U st s K λλλλ+?-== 0.9821T 110 起动时转子槽漏抗 *22

)(2*

)(2s s st s st s X X λλ== 0.02023 Ω 111 起动时转子谐波漏抗 *2*)(2δδX K X z st == 0.014293 Ω

112 起动时转子斜槽漏抗 **)(sk z st sk X K X ==0.0068677 Ω

113 起动时转子漏抗 *)(*2*)(2*)(2*)(2st sk E st st s st X X X X X +++=δσ= 0.045921 Ω 114 起动时总漏抗 *)(2*)(1*)(st st st X X X σσσ+== 0.077677 Ω 115 起动时转子总电阻 **22*)(2)]()(

[R B B t B B t F st R R l l l l l K R +-+== 0.034955 Ω 116 起动时总电阻 *)(2*1*st st R R R +== 0.07429 Ω

117 起动时总阻抗 2*)(2**st st st X R Z σ+=

= 0.10748 Ω 118 起动电流 *st

KW st Z I I == 41.642A 此值应与98项假定值相符，否则重新假设并计算98～118项，直至误差小于±3% 起动电流的倍数 1I I i st st =

= 5.65375

.

精品 119 起动转矩的倍数 )1

(2**

)

(2*N st

st st s Z R T -== 2.1375

三、定、转子冲片图

图4-1 电机定子磁路图

图4-2 电机定子绕线图

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