【最新版】中型高压异步电动机设计及仿真毕业设计

中型高压异步电动机设计及仿真

Design and Simulation of Medium-Sized High Voltage Induction Motor

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摘要

对中型高压异步电动机的电磁设计方法进行了研究。并且提出了应用MATLAB软件进行电机电磁计算过程仿真的优势和方法。

首先说明了国内外电机制造工业的发展状况，电机的分类情况和选用方法，并对中型高压异步电动机的特点和用途进行了简单的叙述。分析了三相异步电动机的基本工作原理，讲述了电机设计的主要任务和主要过程。为电机设计做好了必要理论知识的准备。

然后详细介绍了中型高压异步电动机的电磁设计步骤与设计方法。电机设计中所需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾。因此设计者必须针对具体的情况采取适合的解决方法，全面地、综合的看待问题。本阶段的任务是根据设计要求，手算电机电磁计算程序。确定所设计电机有关的尺寸和参数，并核算其电磁性能。

最后应用MATLAB软件进行整个计算过程的仿真。计算机技术的不断发展，为复杂的电磁计算创造了有利条件；计算机辅助工具的应用，给电机设计和优化带来了新的契机。利用计算机编写电磁计算程序进行电磁计算的求解已经成为必然的趋势。通过电磁计算所得的电机性能指标必须符合设计要求，否则应对计算过程中的某些参数进行调整。改变某些参数得到不同的电机设计方案，通过比较这些方案，确定出最佳的设计方案。利用计算机软件（MATLAB）编写电机设计程序进行电机的电磁计算能够提高工作效率和设计的精确度。

关键词：中型高压异步电动机；电机设计；电磁计算

Abstract

Study the electromagnetic design methods of medium-sized high voltage induction motor, and propose advantages and methods of applying MATLAB software in simulation process of electromagnetic calculation.

First, state the development of motor manufacturing industry at home and abroad, the classification of motor and way of selection. Simply narrate the feature and use of medium-sized high voltage motor. Analyze working principle of three-phase induction motor, and state the main task and process of electrical machine design. Prepare the necessary theory to electrical machine design.

Then introduce the electromagnetic design steps and methods of medium-sized high voltage induction motor in detail. There are many uncertain factors, size and data in the process of electrical machine design, which means intricacy contradictions unavoidable. Therefore, the designers are supposed to look at problems in the general and synthetically and adjust measures to local conditions. Task of this stage is to base on the rules of design, and calculate electromagnetic calculation program of motor.Determine size and factors related to the motor to be designed and check its electromagnetic property.

Finally, use MATLAB software to simulate the whole process of calculation. The development of computer science offers advantages to electromagnetic calculation. Application of computer aided software brings new chances to electrical machine design and optimization. It is inevitable to use computer to write electromagnetic calculation program when making electromagnetic calculation. The performance index of motor obtained by electromagnetic calculation is obliged to fit in national standard or request in Assignment of Technical Design, otherwise some factors needs adjustment in the process of calculation. Change important parameters to get different design schemes and compare each scheme with others to elect optimal design scheme. Using

MATLAB software to write program of electrical machine design when making electromagnetic calculation improves work efficiency and accuracy of design.

Keywords: medium-sized high voltage induction motor; electrical machine design; electromagnetic calculation

目录

摘要 ............................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... I I 第1章绪论 (1)

1.1 国内外电机制造工业的差距 (1)

1.2 电机的分类 (1)

1.3 中型高压异步电动机的介绍 (1)

1.4 电机的电磁设计任务与过程 (2)

1.5课题研究的过程及目的 (2)

第2章基本工作原理 (4)

第3章中型高压异步电动机的电磁设计 (6)

3.1 电机设计要求 (6)

3.2 主要尺寸与气隙的确定 (6)

3.2.1 主要尺寸和计算功率 (6)

3.2.2 电磁负荷的选择 (7)

3.2.3 主要尺寸比λ的选择 (8)

3.2.4 主要尺寸的确定 (9)

3.2.5 空气隙的确定 (10)

3.3 定子绕组与铁心的设计 (11)

3.3.1 定子槽数的选择 (11)

3.3.2 定子绕组型式和节距的选择 (11)

3.3.3 每相串联导体数，每槽导体数的计算 (12)

3.3.4 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定 (13)

3.3.5 定子冲片的设计 (14)

3.4 转子绕组与铁心的设计 (15)

3.4.1 转子槽数的选择 (15)

3.4.2 转子绕组的特点及设计方法 (15)

3.5 磁路计算 (17)

3.5.1 概述 (17)

3.5.2 空气隙磁压降的计算 (17)

3.5.3 齿部磁压降的计算 (20)

3.5.4 轭部磁压降的计算 (21)

3.5.5 励磁电流和空载特性计算 (21)

3.6 参数计算 (22)

3.6.1 绕组电阻的计算 (22)

3.6.2 主电抗计算 (23)

3.6.3 漏电抗计算 (24)

3.7 工作性能的计算 (25)

3.8 起动性能的计算 (29)

第4章用MATLAB进行电机设计仿真 (31)

4.1 计算机技术在电机设计中的应用与发展 (31)

4.2 应用MATLAB在电机设计中的优势 (32)

4.3应用MATLAB软件进行编程的流程图 (33)

4.4 用CAD软件绘制电机的定、转子冲片图 (34)

4.5 MATLAB程序中的查表程序示例 (34)

4.6计算结果和分析 (35)

第5章总结 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

附录 (40)

第1章绪论

1.1 国内外电机制造工业的差距

国外注重新产品的开发，并且对电机的安全、噪声、电磁兼容等方面要求比较高。国外的先进水平主要体现在：电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，而且也考虑了电机制造成本的降低等要求。国内部分产品已达国际水平，但相当部分的产品可靠性差，效率低，重量重，体积大和噪声大，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上[1]。

国外电机设计理念先进，对于电机采用计算机分析技术，运用多功能分析软件，如电磁计算分析软件、结构仿真分析软件等，产品综合设计水平高。而国内电机企业设计手段传统、缺乏先进的设计理念和手段，对于基本系列电机研发与衍生电机开发的分工比较模糊，产品设计周期长[2]。

1.2 电机的分类

我国目前生产的三相异步电动机按电机尺寸分成大、中、小型。

大型：中心高H >630mm，定子铁心外径> 1000mm；功率范围在400kW 以上，电压为3000V和6000V。

中型：中心高H =（355~630）mm，定子铁心外径=（500~1000）mm；功率范围在（45~1250）kW以上，电压为380 V和3000V和6000V。

小型：中心高H =(80~315)mm，定子铁心外径=（120~500）mm,功率范围在（0.55~132）kW，电压为380 V。Y（IP44）系列的中心高H =（80~280）mm，定子铁心外径=（120~445）mm，共11个机座，功率范围为（0.55~90）kW，电压380V[3]。

1.3 中型高压异步电动机的介绍

本文中讲述的是中型高压异步电动机的电磁设计方法。

中型高压电动机是指额定电压在1000V以上，中心高在（355~630）mm，定子铁心外径在（500~1000）mm的电动机。常使用的有6000V和10000V两种

电压等级[4]。本文中所研究电机的额定电压为6000V。由于电机功率与电压和电流的乘积成正比，因此当电机功率增大时，如果电机电压不产生变化，那么导线中的电流必然增大。导线中通过电流后会受到电磁力的作用。当电流增加到一定程度，电磁力的大小会超过导线的允许承受能力的限制[5]，所以需要通过提高电压实现大功率输出[6]。

本文中设计的电机是YR系列绕线式电机。YR系列电动机系是Y基本系列上派生出来的[7]。YR系列电动机采用双层短矩波绕组绕线转子，接法均为Y联结。电机转子通过滑环及电刷装置与外加的启动（调速）电阻相连接，通过调节外加电阻的数值，可获得大的启动转矩，较小的启动电流，并能在一定范围内调节电动机的转速[8]。

对于大中型电动机带重载启动的工况，可采用绕线式异步电动机[9]。对于大中型电动机容量大，起动电流对电网的冲击较大[10]；又因带重载，负载要求电动机提供较大的起动转矩。这种情况下绕线式异步电动机就显出明显的优势。只要转子回路串的电阻合适，就既可减少起动电流又可增加起动转矩，因而电动机容量大、重载这两个要求可同时满足[11]。

1.4 电机的电磁设计任务与过程

电机电磁设计是根据用户提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性要求等），运用有关的电磁计算方法进行电机的电磁计算。通过正确处理设计时遇到的各种矛盾，确定出所设计电机合适的主要尺寸和电机性能[12]。

电机电磁设计中需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾所以设计过程比较复杂。因此设计人员必须全面地、综合的看待和分析问题。感应电机设计时通常给定下列数据：额定功率、额定电压（线电压）、功率因数、额定频率、额定转速。

1.5课题研究的过程及目的

本课题是对中型高压异步电动机进行电磁设计和仿真。首先应学习电机电磁设计的基础知识和设计方法。然后根据设计要求手算电机电磁设计程序。计

算的主要参数有：定（转）子铁心尺寸；定（转）子绕组结构；电机的磁路、运行性能和起动性能等。最后应用MATLAB软件进行整个计算过程的仿真。电磁计算相当于求解一项比较复杂的数学计算题[13]，计算机技术的发展为电磁计算创造了有利条件，利用计算机编写程序进行求解是解决这类问题的有效途径。通过电磁计算所得的电机性能指标必须符合设计要求，否则应进行调整。改变重要的参数得到不同的方案，比较这些方案并进行分析，从它们中选出最优的设计方案。

第2章基本工作原理

本文中所介绍的中型高压异步电动机所用的为绕线式转子。绕线式绕组是与定子绕组相似的对称三相绕组。一般接成星形。将三个出线端分别接到转轴的三个滑环上，在通过电刷引出电流。绕线式转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速，其接线如图2-1所示。

图2-1 绕线式转子电机接线图

当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速取决于电网频率和绕组的极对数，即

(2-1)

这个基波旋转磁场在短路的转子绕组（若是笼型绕组则其本身就是短路的，若是绕线式转子则通过电刷短路）中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。为了描述转速，引入参数转差率。转差率为同步转速与转子转速之差对同步转速之比值，以表示，即

(2-2)

当异步电机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载的变化而变动。转子旋转时，转子绕组的电动势、电流的频率取决于气隙中的旋转磁场和转子的相对转速。转子绕组中电动势和电流的频率为

(2-3)

异步电机在作电动机额定运行时，值很小，一般在0.01~0.04范围内变化。当时，，可见此时转子铁心中主磁通交变的频率很低，转子铁耗很小，可以忽略不计[14]。

第3章 中型高压异步电动机的电磁设计

3.1 电机设计要求

这一章主要讨论中型三相绕线转子异步电动机电磁计算中的几个主要部分，包括：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组的设计；工作性能的计算[15]。绕线转子感应电动机适用于要求起动转矩高而起动电流低、起动频繁或在窄范围内调速的场合。

本文中电机设计的要求如表3-1中所示：

表3-1 电机设计要求

P N /k

W

U N /V f /Hz ηN /% cosφN n T max * T st * T st * 500k

W 6000V 50Hz

95.3% 0.86 1480 r/min 2.0 0.8 6.5 3.2 主要尺寸与气隙的确定

3.2.1 主要尺寸和计算功率

定子铁心内经D i1及有效长度是感应电动机的主要尺寸，主要尺寸确定后，其他尺寸就可以大体确定。电机的重量、价格、工作特性和运行可靠性等也都和主要尺寸以及它们的比值有密切关系。所以确定主要尺寸是电机的第一步。

决定电机主要尺寸的基本关系式：

n P C n P AB K K a l D '

A 'δdp1Nm 'p ef

2

i11.1.6== (3-1) 由上式可得出下列重要结论：

1、电机的主要尺寸由其计算功率和转速n 之比或计算转矩所决定。

2、电磁负荷A 和不变时，相同功率的电机，转速较高的，尺寸较小；尺寸相同的电机，转速高的，则功率较大。

3、转速一定时，若直径不变而采用不同长度，则可得到不同功率的电机。

4、系数、、与的数值一般变化不大，因此电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A 、有关。电磁负荷选的越高，电机的尺寸就越小。 计算功率：

(3-2)

对于中型异步电机满载电势标幺值

p 01.0ln 0109.0892.0N E -+='P K (3-3)

利用上述公式并假设表3-2中的参数，初步估算电机的体积：

表3-2假设的各个参数

K dp1

K E αp K NM B δ A 0.92 0.95 0.68 1.10 0.75T 46000A/m

3.2.2 电磁负荷的选择

本次电机设计中取=0.75T ，A =46000A/m 。我们可以对它们进行调整来改变电机的性能。

在电机中、、与等各量一般只在较小的范围内变化，因此对功率和转速一定的电机，其主要尺寸和基本上将由电磁负荷A 和值的大小来确定。电磁负荷A 和的值决定了利用系数，直接影响电机的有效材料的耗用量，更为重要的是A 和的值与电机运行参数、性能和可靠性有密切关系。

电磁负荷的选择要考虑的因素很多，应综合考虑电机技术和经济指标，其选择要点如下：

（1）当输出功率一定时提高电磁负荷A和电机的尺寸和体积将减小，可节省有效材料，但其需要较好的冷却条件和绝缘材料。

（2）选取较高的A，绕组用铜（铝）量将增加。由于电机的尺寸减小了，若不变，每极磁通将减小，为得到一定的感应电势，绕组匝数必将增多。

（3）选择较高的A或导体电流密度J，绕组电阻将增加，使绕组温升升高。

（4）选择较高的，电机基本铁耗增加。由于电枢铁心中的磁密与有一定比例关系，而铁的比损耗（单位重量铁心中的损耗）与铁磁材料内磁密的平方成正比关系，故随着的提高，比损耗的增加速度比铁心重量减少的速度更快。因此导致电枢铁耗增加、效率降低及在冷却条件不变时温度将升高。

（5）A和应选择恰当的比值。由于励磁电流标幺值正比于/A，选取较高的或较低的A，励磁电流将增大，使异步电机的功率因数降低。而漏抗的标幺值正比A/，故较高或A较低时，漏抗减小，电机的起动转矩、最大转矩和起动电流将增加。

总的来说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难单纯从理论上来确定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机在使用材料、结构、技术条件和要求等方面的异同后进行选取。随着材料性能提高、冷却条件改善、电机结构不断改进，A、的数值和电机利用系数正在逐步提高，从而在保证电机性能的同时，使其体积和重量不断减小。

3.2.3 主要尺寸比λ的选择

在选定A和后，即可初步确定电机的体积。但体积相同的电机，长度可以设计的不同。为了反映电机这种几何形状关系，通常采用主要尺寸比这一概念。λ的大小会对电机运行性能产生影响

选择λ值时，通常主要考虑：（1）参数与温升；（2）节约用铜（铝）；（3）转子的机械强度；（4）转动惯量等方面的限制和要求。

中型电机的λ一般取0.8~2.1，本次电机设计中取λ=2。

3.2.4 主要尺寸的确定

根据电机的计算功率和转速n，在充分考虑采用的材料、结构、工艺等因素后，选择合适的电磁负荷A和值，算出并令它等于V(单位为)。然后选择适当的λ值，便可求出

(3-4)最后，根据调整的求出

(3-5)

根据计算结果按照定子内外径比求出定子外径的初算值，从表中查出与其接近的标准直径，从表3-3中查得，再根据计算。表3-4中记录了上述计算结果。

表3-3 定子外径标准值

老系列新系列

机座号NO中心高mm定子铁心外径mm中心高mm定子铁心外径mm

1 90 120 80 120

2 100 145 90 130

3 112 167 100 155

4 132 210 112 17

5 大直径方案

5 160 245 132 210

6 180 280 160 260 290

7 225 327 180 290 327

8 250 368 200 327 368

9 280 423 225 368 400

续表3-3

10 315 493 250 400 445

11 375 560 280 445 493

12 450 650 315 520 520

13 500 740 355 560 590

14 560 850 400 630 670

15 630 990 450 710 740

16 630 1180 500 800 850

17 630 1430 560 900 950

18 630 1730 630 990 1060

19 630 2150 710 1120 1180

20 630 2600 800 1250

21 630 3250 900 1400

22 630 4250 1000 1600

表3-4电机尺寸计算结果

λ2p D1D i1τl ef

2 4 630mm 403mm 317mm 606mm

3.2.5 空气隙的确定

通常气隙δ选取得尽可能的小，以降低空载电流，因为感应电动机的功率因数主要决定于空载电流。但是气隙不能过小，否则除影响机械可靠性外，还会使谐波磁场及谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，进而造成较高温升和较大噪声。

气隙δ的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。因为机座、端盖、铁心等在加工和装配时都有一定偏差；而轴的直径和轴承间的距离决定了轴的挠度；定转子装配在一起后，定子铁心内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙的不均匀度，其值对电机运行性能有很大影响。

气隙的大小要综合上述两个方面，并根据生产经验和所设计电机的特点加以确定。对于大、中型电机，2p=2~16，可用下列经验公式求出δ（单位为m）：

(3-6)

其中，单位为米。本次电机设计中所选用的气隙大小为δ=1.66mm。

3.3 定子绕组与铁心的设计

3.3.1 定子槽数的选择

在极数、相数既定的情况下，定子的槽数决定于每极每相槽数。值得大小对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。当采用较大的值时：

1、由于定子谐波磁场减小，使附加损耗降低，谐波漏抗减小。

2、一方面每槽导体数减少，使槽漏抗减小；另一方面槽数多了，槽高和槽宽的比值相应增大，使槽漏抗增大，但这方面影响较小。

3、槽中线圈边的总散热面积增加，有利于散热。

4、绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率降低。

因此选择槽数时应对各方面的因素综合考虑。对于一般感应电机，每极每相槽数可在2~6间选取，而且尽量选取整数，因分数槽容易引起振动和噪声。对极数少、功率大的电机，可取的较大一些；对于极数多的电机，则取的小些。

本次电机设计中根据上述选取条件取=5求出=60。

3.3.2 定子绕组型式和节距的选择

三相感应电动机定子绕组的型式很多，常用的有单层同心式、单层链式、单层交叉式、双层叠绕组等。本次电机设计中采用的是双层叠绕组。

双层叠绕组通常用于功率较大的感应电动机。其主要优点是：（1）可以选择有利的节距以改善磁势与电势波形，使电机的电气性能较好；（2）端部排列方便；（3）线圈尺寸相同，便于制造。缺点是多用了绝缘材料，嵌线也较为麻烦。

对双层绕组应从电机具有良好的电气性能和节约导线材料两方面来考虑节距的选择。在正常三相感应电机中，通常选以便削弱磁势的5次和7次谐波分量。本次电机设计也是选用的来进行计算的。选定每极每相槽数和节距后，可按下列公式求出基波绕组系数。

分布系数

(3-7)

其中，(3-8)为用电角度表示的槽距角；

短距系数

(3-9)

其中，(3-10) y为以槽数表示的绕组节距；

基波绕组系数

(3-11)

3.3.3 每相串联导体数，每槽导体数的计算

每相串联导体数：

(3-12)

在确定电机的定子内径后，从上式可以求出定子绕组的每相串联导体数。从式（3-3）可以看出，的大小必然影响电机电磁负荷A和的数值。当电机的主要尺寸确定后，A的乘积就确定了，因此如果减小，A值就降低而值就增大，这一般地使功率因数降低，最大转矩、起动转矩和起动电流倍数都有所增加。因此设计时常常通过改动来取得若干不同设计方案进行选优。

如果定子绕组采用的并联支路数为，则每槽导体数为

(3-13)

对双层绕组，应取偶数，此时每个线圈匝数：

最后可算出定子绕组每相串联匝数：

(3-14)

上面计算出的是初步数据，待磁路、参数、性能计算后，如必要还须进一步调整。表3-5记录了上述计算结果。

表3-5定子绕组参数计算结果

K dp1Nφ1N1a1N s1N c1

0.936 320 160 1 16 8

3.3.4 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定

电流密度的选择对电机的性能及成本影响很大，所以必须全面考虑电机的具体情况：效率、制造成本、使用寿命、散热条件、绝缘等级、导线材料等。选用较大的值，导体截面减小，可节省材料、降低成本，但同时却导致了损耗增大、效率降低，同时电机的温升增高，寿命和可靠性都降低[16]。对于中型电机，可以在范围内选用。工厂中常用控制A和的乘积（称为热负荷）来控制电机的温升，所以在选择时要注意到前面所选用的A值。

选定后，便可按下式估算导线截面积

(3-15)

其中，为定子绕组额定相电流，为导线并绕根数，为定子绕组并联支路数。

当较大时，为了避免采用截面太大的导线，一般常把定子每相绕组接成

路并联，以使每支路的电流减为，或者采用根截面相同的导线并绕(也可以采用几根截面差别不大的导线并绕），使每根导线所通过的电流减为，或者既采用路并联，又采用根并绕。选择时主要根据工艺条件考虑。一般来说，小型电机

的支路数应少些，以免极间连线太多，而大、中型电机（特别是低压的）有时为了得到合适的每槽导体数，常采用较多的支路数。

双层整数槽绕组所能使用的并联支路数的条件为等于整数，因此最多为；单层绕组当为偶数时，并联支路数最多为，当为奇数时，并联支路数最多为。

对于功率较大的电机，选用扁导线。这时应注意：（1）导线的宽厚比在1.5~4.0范围内，并要与电机的槽口、槽宽和槽高尺寸相适应；（2）每根导线的截面最好小于15，导线截面太大会引起较大的涡流损耗，并在制造线圈时，较难于胀形及整形。表3-6记录了上述计算结果。

表3-6 定子绕线线规数据计算结果

N t1J1A c1b1a1

3 5A/mm2 4.223mm2 3.55mm 1.25mm

3.3.5 定子冲片的设计

中型高压（3000V及以上）电机则采用开口槽，这是因为线圈的主绝缘需要在下线以前包扎好并进行浸烘处理。这种槽型的槽壁都是平行的，因此称平行槽。开口槽增大了气隙磁场中的磁导齿谐波分量，为了避免因此引起较大的空载附加损耗，可采用磁性槽楔，但此时槽漏抗将增大。

平行槽的槽型尺寸要和扁导线的尺寸及绝缘结构尺寸等结合起来考虑，不须核算槽满率。

为使齿部磁密在正常的范围内，定子槽宽和齿距有下列关系

(3-16)槽高和槽宽的比例也要适当，以保证合理的槽漏抗，通常

(3-17)最后要校验齿部最小截面处的磁密，其值必须不超过2.0T。表3-7记录了本次电机设计所选用的开口槽的尺寸。

表3-7 定子开口槽尺寸