1、,3.1 三相异步电机的电磁设计 3.2 三相感应电动机电磁设计例题 3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法（简介）,第3部分 异步或感应电机设计,异步电机也称感应电机主要作为电动机运行，按使用电源的相数分为三相异步电机和单相异步电机，其中三相异步电机应用最多，主要介绍三相异步电机。变频异步电机是在适应于变频电源性能要求，对三相异步电机的局部设计参数微调的情况下应运而生的。这部分重点介绍三相异步电机的设计，最后简单介绍变频异步电机的设计特点。,3.1 三相异步电机的电磁设计,主要介绍中小型三相异步电动机的主要尺寸与气隙的确定，定、转子绕组与冲片的设计，工作性能和起动性能的计算等。,3.1
2、.1概述,1、我国异步电机的主要系列：我国目前生产的三相异步电动机约有100个系列，按电机尺寸分为大、中、小型。,大型：中心高 ，定子铁心外径,；功率范围在,以上，电压为,。,中型：中心高,，定子铁心外径,；功率范围为,，电压有,、,。,小型：中心高,，定子铁心外径,；功率,范围为,，电压为,。基本系列：,-,3.1 三相异步电机的电磁设计,小型三相感应或异步电动机，,；,三相感应电动机，,小型,机（中型）,；派生和专用系列：,三相笼型转子感应电动,；,高起动,转矩感应电动机（小型）；,变极多速感应电动机；,感应电动机,。,潜水,电机的系列及主要技术数据可查找有关电机,设计手册。,2、感应电动
3、机的主要性能指标和额定数据,1）感应电动机的主要性能指标,电机设计时应满足设计任务书规定的各项技术要求。三相感应电动机的各项主要性能要达到一定指标-主要性能指标，,有效率,； 功率因数,；最大转矩倍数,；,3.1 三相异步电机的电磁设计,起动转矩倍数,；起动电流倍数,和铁心温升,；绕组,；对笼型转子电动机还有起动过程中,的最小转矩,。,2）感应电动机的额定数据和标幺值,设计任务书中常常给定下列额定数据：额定功率,额定运行时转轴上输出的机械功率；额定电压 电动机在,电动机在,额定运行时所接的电源电压；额定频率 电动机在额定运行时的电源频率；额定转速 电动机在额定运行时的转速。,电机设计时，广泛地
4、采用标幺值。三相感应电动机电磁设计时，选用的基（准）值为： 电压的基值为电动机的额定相电压,功率的基值为电动机的额定功率 ；电流的基值为每相的,3.1 三相异步电机的电磁设计,功电流 。 ；阻抗的基值为,转矩的基值为电动机的额定转矩,；,。,；注意,标幺值是在物理量相应符号的右上角加 表示，如,。,3.1.2 主要尺寸与气隙的确定,1、主要尺寸和计算功率,感应电动机的主要尺寸为定子铁心内径 及铁心有效长度 。,其主要尺寸关系式：,。,感应电动机的计算功率,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,由电机学知感应电动机定子电压方程式为：,对应的相量图如右图。其中,，,-分别为定子相电流,的有功分量和无
5、功分量；一般认为,两相量间的夹角,，得定子绕组满载,电势,。,。,-电势系数；,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,。由于电机设计计算之前，,都未知，即电势系数 不能确定，电机设计计算前按经验,公式先估算一个电势系数 ：,2极小型电机,非2极小型电机,；,中型电机,单位用,。,-极对数；,。,2、电磁负荷的选择,电磁负荷 的大小对电机的性能和经济性都有影响，其值是依据制造和运行经验所积累的数据来选取的。对于中小型感应电动机：线负载 、气隙磁密,范围；对于大型感应电动机，电磁负荷可略高些。,3.1 三相异步电机的电磁设计,3、主要尺寸比 的选择,国产的感应电动机的主要尺寸比 值范围可从手册查出：
6、,系列，,；,。,国产感应电动机定子铁心外径 已规定了标准外径，见前面第,2部分。当 时，定子铁心采用扇型冲片。国产感应电动机给定了 的值及和极对数的关系。比值 的变动范围一般在 左右。 系列，,，,；,，,；,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,4、主要尺寸的确定,，,前面已求出或估算,出。,，气隙波形系数,的有效值、平均值；气隙磁场正弦分布时，,-气隙磁密,磁路饱和时，气隙磁场波形不再是正弦分布，有扁平的趋势，磁场的平均值增加的较快，波形系数是微微下降的。一般工厂设计时不考虑波形系数减少，仍用1.11处理。计算极弧系数,，气隙磁密正弦分布时,。一般磁路,略有饱和，,。绕组系数,可根据绕组型
7、式计算出。,3.1 三相异步电机的电磁设计,这样,。再从有关手册选择,适当的主要尺寸比,，推导得,，,得,，,再从给定的,值求出定子铁心外径,。,根据标准的外径值，最后确定取接近外径计算值的标准值,再由给定的,，,值求出,。主要尺寸就确定了。,5、空气隙的确定,气隙 的大小要取的合适；气隙 取小了，可降低空载电流，提高电机的功率因数，但影响机械可靠性，不利于装配。并且,会增强谐波磁场，增加附加损耗等。气隙的大小已根据生产经验和所设计的电机给定的范围了。 系列：1号机座号，,3.1 三相异步电机的电磁设计,；,，,。,3.1.3 定子绕组与铁心的设计,1、定子槽数的选择,定子槽数,。对一般感应电
8、动机，定子每极每相槽数,在 范围内选取，且尽量选取整数。对于极数少，功率,大的电机， 可取大些；对于极数多的电机， 取小些。,2、定子绕组型式和节距的选择,1）定子绕组型式 定子绕组主要分为单层绕组和双层绕组。单层绕组 按线圈连接方式又分为链式绕组（ ）、 交叉式绕组（ ）及同心式绕组（ ）。单层绕组主要用在10kW以下的电机中，其优点是槽内只有一个线圈边，无层,3.1 三相异步电机的电磁设计,间绝缘，槽的利用率高；槽中的组成线圈边的串联导线都属于同一相，在槽内不会发生相间击穿；嵌线比较简单。缺点是绕组不能做成短距削弱谐波磁场，从而电磁性能比双层绕组的差。双层绕组 分为双层叠绕组和双层波绕组，
9、用在10kW以上的电机中。它可利用短距改善气隙磁场，使电机的电气性能较好。 除了感应电动机采用单、双层绕组外，在一些中大型高效节能感应电动机还采用 混合连接绕组，主要,为串联方式。,就是把每相 相带所占,槽的绕组分为两部分，一部分组成该相,连接绕组，另一部分组成该相 连接绕组,连接绕组和 连接绕组在空间上相距,电角，在串联起来，如图。该类绕组,3.1 三相异步电机的电磁设计,绕组系数高，谐波含量少，电磁性能好，其缺点是工艺复杂。,2）绕组节距的选择 对双层绕组，主要削弱五次谐波和七次谐波磁场，节距（跨距） 。其绕组系数,，,，,。双层绕组,对单层绕组,。,，,。,3、每相串联导体数，每槽导体数
10、的计算,设定子绕组每相串联导体数 ，每相电流 ，支路数 。则每相每条支路电流即线圈电流或每相串联导体电流为 ，每相总导体电流为,，线负荷,。考虑到,，得,。感应电机设计时常常通过,3.1 三相异步电机的电磁设计,改动 来取得若干不同的设计方案进行选优。每槽导体数,，,。对单层绕组， 应圆整为整数，而每线圈匝数：,对双层绕组， 应为偶数，每线圈匝数 。,；,再得到 。,4、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定,一般对铜线感应电机，定子电密,在,范,围。工厂一般用热负荷 控制电机的温升， 级绝缘 系列小型,感应电动机 在,范围。故电流密度,通常根据选定的热负荷及线负荷确定。确定好电流密
11、度 后，,估算出导线的截面积,。,-定子并联支路数；,-导线并绕根数。,采用圆形导线的小型感应电动机，其单根圆,3.1 三相异步电机的电磁设计,导线的线径不要超过 ，即较粗的单根圆导线用 根较细的圆导线并绕组成。这 根圆导线截面积可以不相等，但截面积要求相差不大。功率较大的电机，采用扁导线。 注意，算出导线截面积后，查标准线规表，选用截面积相近的标准导线，得到圆导线的直径或扁导线的宽和厚,。,5、定子冲片的设计,1）槽形,感应电动机的,定子槽形常用的有四种，,如图。梨形槽和梯形槽,绕成的散嵌绕组。,是半闭口槽，齿壁基本上,平行。用在功率在100kW,以下，电压在500V以下的感应电动机中，定子
12、绕组为圆导线,3.1 三相异步电机的电磁设计,低压中型感应电动机采用半开口槽，定子绕组为分爿（pan）式成型绕组，为分爿（pan）式成型绕组的线圈的线圈边分为两半。中型高压（3000V、6000V）感应电动机采用开口槽。,2）槽满率,为了反映导体嵌入槽中的合理程度，用槽满率,来表示。槽满率是导线有规律排列所占的面积与槽的有效面积之比。,。 -绝缘导线的直径，采用绝缘,聚酯漆包圆线，,线规表示,，,；,，,，,，,，此时导线所占面积为,。,-槽有效面积。,-槽面积。,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,对梨形槽如图。,-槽绝缘所占面积。,对于双层绕组,对于单层绕组,。,；,-槽绝缘厚度，,-槽楔
13、高度。,一般槽满率 在 范围。,3）槽形尺寸的确定,半闭口槽,和轭部的磁密要适当；齿部有足够的机械强度，轭部有足够的刚度。具体确定方法：定子齿宽 ， -定子,确定槽形尺寸时，要求齿部,3.1 三相异步电机的电磁设计,齿距，,， -铁心叠压系数，对厚 的硅钢片 ，,涂漆，,不涂漆（ 及以下的电机铁心，靠,氧化膜绝缘），定子齿磁密,；,定子轭部计算高度,，定子轭部磁密,，计算,极弧系数 在0.68左右取值；,槽口尺寸,从电气性能和工,艺制造考虑，,槽口宽,槽口高度,3.1 三相异步电机的电磁设计,斜角 取 。平行槽,平行槽槽形中导线截面积为,矩形。定子槽宽,，槽高,。,3.1.4 转子绕组与铁心的
14、设计,1、笼型转子的设计计算,1）转子槽数的选择及定转子槽配合问题,笼型转子感应电机转子槽数和定子槽数的配合，称槽配合,用,表示。,槽配合对附加损耗的影响,时，附加损耗最少，但对,起动性能造成极不利的影响。为此，槽配合采用少槽-近槽配合，即定、转子槽数相近，转子槽数略小于定子槽数；,3.1 三相异步电机的电磁设计,槽配合对异步附加转矩的影响,三相感应电机定子绕组,产生的磁场中有一系列谐波，它们分别在转子绕组中感生电流，相互作用产生一系列谐波转矩，称异步附加转矩。定、转子槽数接近时，产生的异步附加转矩小些。为限制一阶齿谐波产生的异步附加转矩，转子槽数,。,槽配合对同步附加转矩的影响,同步附加转矩
15、是由独立,来源的的极对数相同的定、转子两个谐波磁场在某一特定的转速下，此两个谐波磁场相对静止，从而产生的转矩（详细见电机学教材）。同步附加转矩会使电机的在那一特定的转速附近的转矩急剧下降，影响电机起动性能。为避免产生同步附加转矩，,；,3.1 三相异步电机的电磁设计,感应电机定、转子槽配合的选择,损耗及产生对电机起动不利的影响。根据已有的经验及实践验证，工程上已做出了感应电动机的槽配合数值的推荐表格，以供设计时查选（见电机工程手册（第二版）电机卷）。,为了避免产生过大的附加,2）转子槽形的选择和槽形尺寸的确定,转子槽形,中小型感应电动机笼型铸铝转子常用的槽形 如,图，见后一页。图a、b是平行齿
16、的槽形；图c、d是平行槽；图e、 f是利用集肤效应来改善起动性能的刀型槽及凸形槽；还有也是改善起动性能的双笼转子槽形。对于功率较大采用铜条转子的大中型电动机，采用半闭口槽。,转子槽形尺寸的确定 铸铝转子,槽面积的确定：认为转子,槽面积和铝条的截面积相等，转子导条电流,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,-考虑定转子电流相位不同而引入的系数，它和电机的功率,3.1 三相异步电机的电磁设计,因数有关，见表。,与 的关系,-定子每相串联导体数；,导体截面积,；,；,；转子导条的电流密度：,转子槽的具体尺寸的确定方法与定子槽形的确定方法一样，不再介绍，只是转子齿磁密范围,。,，转子轭部磁,密 在 左右
17、。,3.1 三相异步电机的电磁设计,端环的设计,端环如图。,端环电流,端环截面积,。,-端环电流密度，,，,；端环的外径,比转子外径 小,通常,，端环内径,一般略小于转子槽底所在园的直径。,2、绕线转子的设计计算,1）转子槽数的选择,，,，,且,尽量为整数。,3.1 三相异步电机的电磁设计,2）转子绕组的特点及设计方法,功率较小的电机,组采用单层绕组，转子槽形为平行齿的半闭口槽。转子绕组开路时，感应电机相当一变压器运行，转子每相绕组串联导体数,转子绕,，,-转子基波绕组系数；,-转子静止时,开路相电势；,-空载时定子相电势，,功率较大的电机 转子绕组采用双层整距波绕组，转子槽形为半闭口的平行槽
18、。,转子三相绕组一般为 接法，每相并联支路 一般不大于2，,以免极间连线过多。在大型电机中，为了避免集电环上过高的电压，转子绕组也可接成 。转子绕组每相串联导体数,3.1 三相异步电机的电磁设计,转子绕组相电流,，转子绕组导体截面积,，转子绕组电密,。由标准,线规表选用适当的导线。,3.1.5 工作性能的计算,图a异步电动机较准确等效电路图,感应电机的主要尺寸、气隙以及定转子绕组和铁心设计好以后，参数也可计算得到。接着就对电机的工作性能和起动性能进行计算，以确定设计方案是否要进行调整。图 是感应电机较准确的,3.1 三相异步电机的电磁设计,等效电路图，校正系数,。为便于分析，将图,励磁支路中励
19、磁电阻 及定子漏阻抗 忽略不计，,且认为,，得简化等效电路图b,及对应的电流相量图图c，,图b用标幺值表示。,图b,图c感应电机电流相量图,3.1 三相异步电机的电磁设计,，从图b可以看到，,。,励磁电流,和定子电流的无功分量 同相位。图b、图c是进行工作特性f分析计算所用的等效电路图及相量图。,1、定子电流 的计算,定子电流,。从图c可知，定转子电流的有功分量,相等。定子无功分量,。 -额定负载时转子电流无,功分量的标幺值，又称满载电抗电流标幺值；,-额定负载时,磁化电流的标幺值，由磁路计算得到。,定子电流有功分量的标幺值,额定负载时的效率 是需要计算的一个性能指标。,开始计算时，,3.1
20、三相异步电机的电磁设计,先预设一个效率值 ，从而求出 。,转子电流无功分量标幺值,，,。最后得定子电流,。,2、功率因数 的计算,任务书上的,。,3、效率 的计算,-电动机所有损耗标幺值之和。,。,负载附加损耗的标幺值,取经验值。因为铁耗 是通过空载,3.1 三相异步电机的电磁设计,试验分析计算出来的，故 -称空载时定子铁耗的标幺值，用空载时定子齿部和轭部的磁密来计算。注意，计算出的效率,要和预设的效率 进行比较，若,，且,任务书给定的效率,，合格。,，则再重设,效率值,（注意效率是离散发散的，即,重设的,，,；,，,）直,到满足条件为止。若,任务书给定的效率,，则要调整电机的有关参数。,4、
21、额定转差率 的计算,理论上,工程上,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,旋转铁耗,-定子齿部，轭部的基本铁耗。,5、最大转矩倍数,最大转矩,。,工程上常通过调整 使 满足任务,书上的要求。,3.1.6 起动性能的计算,三相感应电动机的起动性能主要是指起动转矩和起动电流对相应额定值的倍数。国家标准对各类感应电动机的起动性能都有,3.1 三相异步电机的电磁设计,具体的规定。由于绕线转子感应电动机的起动性能随转子回路中串接的外电阻的大小不同而不同。本节讨论笼型转子感应电动机的起动性能的计算。感应电动机起动时起动电流很大，定转子漏磁路高度饱和；转子电流频率等于电源频率，转子导条中的电流产生集肤现象。这
22、两点对电机起动时的参数都有影响。,1、感应电机起动漏磁路饱和效应及其对漏抗的影响,起动瞬间，定转子电流可达到额定电流值的 倍，定转子绕组的磁势随电流成正比而大为增加，漏磁路的铁心部分出现高度饱和现象。漏磁路的饱和主要引起定转子漏抗的减少。电流增加，使磁势成正比增加，但由于饱和，磁通增加不多，导致单位电流产生的磁链实际上减少了，故漏电抗随电流的增加而是减少了。由于磁场分布复杂，准确地计算饱和对漏抗的,3.1 三相异步电机的电磁设计,影响是很难的。工厂采用近似计算方法：1）预定起动电流值,；2）定转子每槽磁势幅值：,-定子绕组槽口部分节距漏抗系数。,，,-定子绕组分布系数。,，,起动时产生,漏磁的
23、定转子槽磁势平均值,。,3）,全部在漏磁路的气隙部分建立一,个虚拟磁密,，,系数,-定转子齿距。,，,实际上，,不是全部,消耗在气隙上，还有一部分消耗在铁心中，即气隙中实际磁密比虚拟磁密要小，用 表示气隙磁势与总磁势之比，即实际磁,3.1 三相异步电机的电磁设计,密与虚拟磁密之比。,-起动时漏磁饱和系数。工程上给定了,和,的关系曲线，p157 图2B-17。,虚拟磁密越大，漏磁路,越饱和，,气隙磁势所占的比例越小，漏磁饱和系数,漏抗减少的越厉害。,越小，,4）起动时定转子漏抗：,谐波漏抗,；斜槽漏抗,；,槽漏抗的减少，通常等效地看成是定转子槽口加宽引起的。这样起动时槽口部分比漏磁导分别减少,，
24、,对不同的槽形，,的计算工程上已给定，见p145-147。,故起动时定子槽比漏磁,导,；起动时转子槽比漏磁导,-集肤效应时转子导条槽比漏磁导,减少系数。,，,起动时定转子槽漏抗,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,5）起动时定转子漏抗和总漏抗,定子,定子的斜槽漏抗已折算到转子边。,转子：,。总漏抗为,这是因为起动时，起动电流很大，而磁化电流很小可忽略不计即励磁支路在起动时可看出开路，定子支路和折算到定子边的转子支路串接起来。,2、集肤效应及其对转子参数的影响,前面已分析了集肤效应，在此不再介绍。笼型感应电动机起动时，转子导条产生集肤效应，使电阻增加，槽漏抗减少。集肤效应引起的电阻增加系数 和槽
25、漏抗减少系数 与转子槽形尺寸等有关。,3.1 三相异步电机的电磁设计,起动时，考虑集肤效应，转子导条相对高度：,。,-转子导条实际高度，对铸铝转子，,；,不包括槽口高,-转子导条宽度；,-转子槽宽，,对于铸铝,转子,，对于窄长铜导条,；,-导条电阻率；,起动时转子电流频率,。由转子导条相对高度,和转子,槽形尺寸从p157-158图2B-18,19查出系数,-考虑集肤效应时导条的交流电阻；,。,-导条的直流电阻；,-考虑集肤效应时的槽漏抗；,-不考虑集肤效应时的槽漏抗。,所以起动时转子电阻和槽漏抗：,3.1 三相异步电机的电磁设计,-转子铁心及导条长度；,-转子导条及端环电阻标幺值。,起动时总电
26、阻,。,转子槽漏抗：,起动时转子槽比漏,磁导,，,。,3、起动电流和起动转矩的计算,起动时定子电流很大，,定子绕组,的阻抗压降比运行时的大得多，,这时定子电势 较小，磁化电,流也很小可忽略不计即此时励磁支路相当开路，等效电路如图。有：,。,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,起动电流：,=,。,起动电流倍数,。,若,；,且,；,小于任务书的规定值，合格。否则，再,重新假设一个,值，计算,及,，直到合格为止。,3.1 三相异步电机的电磁设计,起动转矩,，,。,3.2 三相感应电动机电磁设计例题,单层绕组-西交大p264-280 主要性能指标在p280。,双层绕组-沈阳机电学院 例题最好用Word
27、文档。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,3.3.1 概述,在对交流无级调速系统中，采用SPWM-正弦脉宽调制技术来调节感应电动机的电源的电压及频率。感应电动机-变频调速感应电动机或交流变频电动机。,1、变频电动机所面临的问题,提供给变频电动机的电源，其电压及频率按一定规律变化的，且电源波形不是正弦波，含有一些谐波。这样，变频电动机和工频正弦波供电的电动机相比较：损耗增加，效率降低。这是变频电源的输出中含有大量的高次谐波产生损耗造成的。一般效率要下降 ，故变频电动机的谐波损耗是一个较大的问题；电磁振动和噪声增大。高次谐波会产生电磁振动和噪音；低速时出现低频脉动转矩，,，功率因数下降
28、,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,影响低速稳定运行。变频电源的输出中也含一定程度的低次谐波，在电动机低速运行时产生脉动转矩，影响电机低速稳定运行；出现浪涌电压和电晕现象，损耗电动机绝缘。电动机运行时，外加的电压与变频装置中元器件换流时产生的浪涌电压相叠加，叠加值过高时，会使线圈绝缘加速老化。还会产生电晕现象，使线圈对地绝缘损害（电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场，在不均匀的电场周围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时，由于空气游离就会发生放电，形成电晕。）,产生轴电压和轴电流，缩短轴承寿命。轴电压的产生主要是磁路不平衡和静电感应现象的存在，这在变频电源供电的电动机中
29、较为突出。低速运行时散热效果降低。变频电动机低频时转速很低，若采用自扇冷却方式，则提供的通风量很小，,；,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,散热效果很差。变频电动机采用强迫冷却方式。容易产生共振干扰。组成电动机的机械部件都有各自的固有频率，变频电动机运行时频率变化范围广，使其容易发生共振。,2、变频感应电动机的设计特点,1）设计时，要考虑变频电源输出中的波形非正弦，频率从低频到高频的宽频及转速也是宽转速范围变化的运行情况。 2）在变频调速系统中，感应电动机、变频电源及控制单元是密切相关的，构成了一个相对独立系统。设计时，从感应电动机和变频电源的最佳匹配来设计感应电动机的参数，不能仅
30、仅只从电动机本身的要求考虑。3）变频电动机采用降频降压的软起动方式，设计时，不需要考虑工频时对起动性能指标设计的约束。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,3、小型变频变压调速电动机设计的专用技术术语及技术条件,1）变频变压调速电动机： 在变频装置供电下，在额定频率及以下的响应频率范围内，能输出由该电动机标称功率的额定转矩，在额定频率以上的响应频率范围内，能输出标称功率的电动机。（从电机学也知，在额定频率（基频）及以下的响应频率范围内，变频电动机适合恒转矩特性。在额定频率以上的响,应频率范围内，变频电动机适合恒功率特性。）,2）额定频率：是调速系统（由变频电压调速电动机与电源等组成）
31、输出恒转矩和恒功率特性之间的转折点所对应的电动机工作频率值。 3）额定转矩：调速系统在额定功率下，电动机能以,(不是罗马数,输出由标称功率,电动机工作制S1、S2、S3,决定的转矩。,，,S10)工作制,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,4）标称功率：额定转矩乘以电动机同步角速度（工频）获得的功率（单位为kW）即为标称功率。,标称功率=额定转矩,额定转矩,=,额定转矩,。,；注：小型调频、调压、调速,电动机的技术条件中规定，,该类电动机均设计为,4极，同步转速,。,统一设计的小型调频调压调速电动机的标称功率,（kW）值为：,0.55、0.75、1.1、1.5、2.2、4.0、5.5
32、、7.5、11、15、18.5、22、30、37、45、55、75、90。,5）效率：在额定功率值下，电动机输出（有功）功率对装置输出（有功）功率之比。装置输出（有功）功率是指变频器（,变,频电源）的输出（有功）功率，即变频电动机的输入功率。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,7）技术条件 电动机的防护条件为IP44,；电动机的冷却,电动机标称功率在,条件为空气冷却；,3kW（工频供电的Y系,列电动机功率为4 kW，见p420）及以下为Y联接，,其他功率时,为 联接；,电动机的极数为4极；电动机的机座号与额定,转矩、标称功率、调速范围的对应关系应符合下表之规定：,3.3 变频调速专
33、用三相感应电动机的设计方法,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,80-1中的1表示铁心长度代号。,3.3.2 主要尺寸及电磁负荷的选择,和其它电机一样，变频电动机主要尺寸关系式也为：,-设计常数；,，,-输出转矩。,规定了统一的机座号及中心高，其主要的尺寸已确定。对其它中、大型的或一些特殊要求的小型变频电动机，当输出转矩一定时，主要尺寸,对于小型变频变压调速异步电动机，国家标准,由,决定。,决定。,1、选取,值的决定因素,变频电动机选取,值的大小，主要考虑以下因素：,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,1）效率和温升,使得变频电动机的铁耗、铜耗及其他损耗比工频供电的感应电动
34、机的这些损耗增加不少。,由于变频电源（逆变器）的输出有时间谐波，,铁耗,若正弦基波磁通的铁耗为,，则电源谐波使得铁耗,的增加量,-高次谐波次数；,，,-第,谐波,次,的含有率。 若正弦基波磁通时的转子铁心表面损耗为,，,则电源谐波使得转子铁心表面损耗的增加量,，,。,上述两部分的铁耗增加的结果，使得变频电,动机的铁耗比比工频供电的感应电动机的铁耗增大了,。,铜耗 高次谐波电流的集肤效应，使得电阻增加，铜耗增大。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,高次谐波引起的定子电流,。,-第 次高次谐波电压；,- 次计及集肤效应后,的定子电阻及电抗。谐波产生的高频铜耗,动机设计手册第2版傅丰礼p
35、917机工社）。,（参阅异步电,-,次定转子高频铜耗。,一般来说，定子高频铜耗,为工频定子铜耗,的,，转子高频铜耗已接近于工频转子,铜耗,。,谐波绕组端部漏磁损耗,高次谐波在定、转子端部引起端部漏,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,磁损耗为：,。,-基波漏磁损耗；,-谐波电流及频率；,-基波电流及频率。,总之，由于电源谐波的影响，总损耗增加约,，温升增加，,效率降低,。在和工频供电的感应电动机具有相同的绝缘,结构及冷却条件下，变频电动机应选用较低的,值。,2）变频电源的类型,用在变频电动机的变频电源或逆变器主要采用交-直-交逆变。按直流环节的基本功能及滤波方式，逆变器分为电压型和电
36、流型两种。电压型逆变器 对于由电压型逆变器供电的电动机，脉动转矩及谐波电流取决于电动机的漏抗 值。出于限制脉动转矩及谐波电流的考虑，希望定、转子漏抗大一些。,因为,，,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,为保持一定的漏抗 值，应选较大的,普通电动机承受更大的转矩冲击和振动，变频电动机所选的气隙比同容量普通异步电动机的稍大一些。,。由于变频电动机比, 电流型逆变器,减少最大的换流时间，限制换流时逆变器和电动机中出现的过电压，要求换流电路中的总电感越小越好。由于电动机的漏电感是换流电路电感的一部分，故要求电动机的漏电感越小越好。并且，电动机的漏抗越小，电流型逆变器输出一定量电流谐波所产生
37、的电压谐波也就越小。故由电流型逆变器供电的变频电动机应选取较小的,对于由电流型逆变器供电的电动机，为了,值（和电压型逆变器供电时情况,相反）。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,2、,之比的确定,一般,值的范围：,极对数,时，,；,极对数,时，,。,对变频电动机，宜选较小的直径,。这是因为直径 小，,使变频电动机运行在高频高速时所受的离心力随之较小；,直,径对于常常处于调速状态的变频电动机的转动惯量随之较小，也减少了电动机的机械过渡过程的时间常数。,3.3.3 额定电压及极对数的确定,1、额定电压的确定,仅仅从电动机本身考虑，电动机容量一定时，电压越高越好。电压高，电机的用铜量也少
38、，电机单位容量耗材料也低。但变频电动机的电压受逆变器的输出电压及电动机控制方式等因素的制约。逆变器的输出电压受直流环节的限制，直流环节电压,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,受工频电网电压的限制。电动机额定电压为：,。,-供给整流器的三相工频交流电源电压；,-系统转矩过载,倍数；,-额定运行时转差率；,-最大负载与额定负载时,定子频率比；,-电动机励磁电抗。,电压型逆变器供电的电动机要求有较大的漏抗值，当电动机额定功率一定时，电压高则电流就小，跟电压平衡的电势，其对应的绕组匝数就多，绕组漏抗值也就大。故电压型逆变器供电,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,的电动机应取较高
39、的额定电压；而电流型逆变器供电的电动机则正好相反，应取较小的额定电压。,异步电动机一般采用电压型逆变器供电，其额定电压不会超过工频电网电压。如工频电网电压为 ，考虑到变频器内器件的压降，故一般设计变频感应电动机在 输出标称功率时的额定电压为 。,中小型变频变压调速,2、极对数的确定,通常变频调速电动机极对数选2或3。中小型变频变压调速异步电动机在部级标准规范中统一定为,。 当然，在实际使用的,，如用在地铁作牵引的,80kW电流型变频异步牵引电动机，,其极对数,。这是因为对电流型逆变器供电的变频电动机，,应取较大的极对数。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,3.3.4 电动机参数的选
40、取电动机参数是决定电动机的主要因素，也是决定变频电源技术经济性能的重要参数。 1、减少谐波电流的技术措施 在变频调速异步电动机中，谐波电流主要是由谐波电压的含量和定、转子漏抗决定的。谐波电流的存在对变频电源和电动机都不利。减少高次谐波电流从逆变器和电动机设计两方面采取措施。在逆变器方面，可采用较高的调制频率以提高谐波的次数，从而减少谐波的幅值；在异步电动机方面，主要是增大漏电抗，使其在合理的范围。,2、确定电动机短路阻抗的方法,1）最大脉动电流幅值较小时短路电抗的确定,这时确定电动机漏抗总量的最小允许值：,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,-谐波次数；,-第 次切换时的角度；,-一
41、定范围内的切换点数；,-额定运行时定子电流的谐波,含量与定子电流（有效值）之比，,-第 次谐波电流。,，,2）最大脉动电流幅值较大时短路电抗的确定,在SPWM逆变器输出的基波电流小于脉动电流时，当脉冲电流,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,峰值 的允许值给定时，电动机的短路电抗,。,-电源频率；,-逆变器输入侧直流电压；,-电压脉冲的时间宽度。,3）定、转子电阻的确定,转子电阻的要求和工频异步电动机设计时的要求一样，设计取较小的定、转子电阻值。,变频调速异步电动机设计时，其定、,3、集肤效应对定、转子参数的影响,由于各次谐波频率较高，因此集肤效应更为显著。,1）,次谐波的定子电阻计
42、算,次谐波的定子电阻,：,-未计及集肤效应时定子的每相电阻；,。,- 次谐波频率下计及集肤效应对定子影响的计算系数，,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,-定子导体等效高度；,。,-折算温度,下定子绕组导体的电阻系数；,次谐波的角频率。,-,2）,次谐波的转子电阻计算 和定子的一样。,3）,次谐波的定、转子漏抗计算,次谐波的定子漏抗,；,次谐波的转子漏抗,-未计及集肤效应时定、转子每相漏抗。,、,3.3.5 电磁设计中的某些特殊考虑,1、各种谐波转矩及其对电动机的影响,电流中的谐波产生谐波磁场，在电动机里产生一系列谐波转矩。,这些谐波转矩分为两种：,1）大小和方向不变的恒定谐波转矩；
43、,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,2）交变谐波转矩。,恒定谐波转矩 是由气隙谐波磁通和由它感应出的转子谐波电流相互作用而产生的。这些谐波转矩叠加，变成一个很小的反向转矩，对电动机运行影响不大。 交变谐波转矩 是由气隙磁通波与该磁通波次数不同的转子谐波电流相互作用产生的。即每一气隙谐波磁通，均可和与它次数不同的任一次转子谐波电流作用产生交变谐波转矩。该转矩是交变的，在一周内的平均值为零。电动机在基波频率很低的情况下转矩会产生脉动。,2、转子采取特殊槽、降低谐波损耗及脉动转矩,1）选用特殊槽形,为了减少集肤效应的影响，,转子可采用上大下小的，槽身较浅的槽形，,如图。,2）采用闭口槽,
44、采用闭口槽，增大了槽漏抗，,抑制了高次谐波电流，降低了脉动转矩。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,3、其它,1）槽口采用磁性槽楔，以增加槽漏抗。2）转子不,斜槽。3）采用H或F级绝缘。,3.3.6 中大型变频调速异步电动机的设计特点,中大型变频调速异步电动机，主要用在电气化铁路上的电力机车和城市地铁用电动机。,1、转速、转矩及功率的确定,电力牵引机车的主要性能指标是牵引力和行驶速度。,转速,-转动比；,；,-机车的行驶线速度；,-动轮直径。,转矩,-每台电动机所传动的动轴数目；,-机车牵引力；,；,-齿轮装置传动效率。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,功率,-功率放
45、大倍数，,。,。,2、额定电压、极对数及频率的选取,1）额定电压的选取,供电的电动机，其额定电压选取的较低。 电力机车的异步牵引电动机属电压型，其额定电压选取的较高。,城市地铁用的牵引机车采用电流型逆变器,2）极对数的选取 变频调速异步牵引电动机的极对数多为3。,3）频率,定子频率,变频运行时转差率,，,很小。,若电动机的转速,存在最大转速,、额定转速,转速,及最低,，则对应的频率为最大频率,、额定频率,及最低频,率,。设计时，最大频率,和最低频率,在变频输出频率范围内。,3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法,3、电磁负荷及气隙尺寸的选取,如前所述，由于变频电源输出谐波的影响，变频调速异步电动机的电磁负荷 应取较小值。而异步牵引电动机，安装在机车上，要求安装尺寸不能过大，即电动机的体积和重量不能过大。这就要求牵引电动机设计时，电磁负荷 应取较大值。为了便于散热，牵引电动机设计时采用强迫通风；采用高性能的硅钢片；采用F级和H级绝缘。,
