畢業(yè)論文10kw高頻交流電動機設(shè)計及工藝分析

1、畢業(yè) 論 文題 目：10kw高頻交流電動機設(shè)計及工藝分析系：電氣與信息工程系專業(yè)： 電氣工程及其自動化班級：0708學(xué)號：學(xué)生姓名：導(dǎo)師姓名：完成日期：2011年6月10日湖南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書設(shè)計（論文）題目：10kw高頻交流電動機設(shè)計及工藝分析姓名 何旭峰 系別 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 電氣0708 學(xué)號 200701010829指導(dǎo)老師 彭 曉 教研室主任 謝衛(wèi)才 一、基本任務(wù)及要求： 三相交流電動機在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的用途。通過畢業(yè)設(shè)計要求學(xué)生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識，為學(xué)生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。設(shè)計的主要內(nèi)容如下：1. 分析高頻交流電動機特點

2、及基本原理;2. 掌握高頻交流電動機設(shè)計的基本方法;3. 分析和掌握高頻交流電動機的工藝特點;4. 完成高頻交流電動機電磁設(shè)計。二、進度安排及完成時間：1.2月 21日至3月 13日：查閱資料；撰寫文獻綜述和開題報告；確定總體方案。 2. 3月 14日至4 月15日：畢業(yè)實習(xí)、撰寫實習(xí)報告。 3. 4月 18日至6 月 1日：畢業(yè)設(shè)計(1). 4月18日-5月7日分析高頻交流電機的基本特點及基本原理(2). 5月8日-5月20日分析高頻交流電機的基本方法(3). 5月21日-6月1日完成高頻交流電機的電磁設(shè)計4.6 月 1 日至 6 月 8日：撰寫畢業(yè)設(shè)計論文5. 6 月 8 日至 6 月 9

3、日：指導(dǎo)老師評閱、電子文檔上傳FTP。 6. 6 月 10 日至 6 月12 日：畢業(yè)設(shè)計答辯。 目 錄摘 要Abstract第1章 緒論11.1 概 述11.2 高頻電動機的研究現(xiàn)狀11.3 高頻電動機的應(yīng)用1第 2 章 高頻電動機設(shè)計特點32.1 磁性材料的選擇32.2鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽型和導(dǎo)條材料選擇32.3定子槽型和繞組問題42.4 高頻異步電機的參數(shù)計算問題42.5 高頻電機散熱設(shè)計問題6第 3 章高頻異步電機的軸承分析83.1 機械軸承設(shè)計83.2 無摩擦軸承技術(shù)83.3非機械接觸式高速軸承的分類8第4章 10kw高頻交流異步電動機電磁設(shè)計104.1額定數(shù)據(jù)和主要尺寸104.2 磁路計

4、算154.3參數(shù)計算194.4工作性能計算244.5 起動性能計算29結(jié)束語34參考文獻35致謝37附錄3810kw高頻交流電動機設(shè)計摘 要:高頻電機現(xiàn)正成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。其主要特點有兩個：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)；二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率。由此決定了不同于普通電機的高頻電機特有的關(guān)鍵技術(shù)。本文討論了高頻異步電機設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù):電磁設(shè)計問題;軸承設(shè)計問題;轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題;散熱設(shè)計問題。這些關(guān)鍵技術(shù)不同于普通異步電機的設(shè)計技術(shù) ,對于高頻異步電機的正常運行和控制有重要的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:高頻異步電機;電機設(shè)計;關(guān)鍵技術(shù)10kw High-frequency ac m

5、otor designAbstract :The high- frequency electrical motors are now becoming one of the hot areas of research. There are two main features: First, the rotor high-speed rotation and the other is the stator windings current and iron hearts of the high-frequency magnetic flux. This decision is different

6、 from the ordinary high-speed electrical motor unique key technologies. The key technology for design of highfrequency asynchronous motor : electromagnetic design ; bearing design ;structural strength design of rotor ; thermal design are discussed this paper. These key technologies are different fro

7、m the design of standard AC motors and such technologies are very important to control and apply the high frequency induction motors better.Keywords: high-frequency asynchronous motor ; Design of Electrical Motor ; key technology.第1章緒論1.1 概述高頻電機現(xiàn)正成為電機領(lǐng)域的研究熱點之一。其主要特點有兩個：一是由于輸入頻率高使轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)；二是定子繞組電流和鐵心中磁

8、通的高頻率。由此決定了不同于普通電機的高速電機特有的關(guān)鍵技術(shù)。高頻電機在機械工業(yè)(如高速磨床、銑床) 、國防工業(yè) 等各方面獲得了廣泛的應(yīng)用 ,它對于減少裝置體積重量 ,提高設(shè)備性能有重要的意義。高頻電機要求轉(zhuǎn)子上無繞組、無電刷和滑環(huán) ,鼠籠式異步電機、無刷直流電機、開關(guān)磁阻電機等均適合于高速運轉(zhuǎn)。在高速電機應(yīng)用中 ,異步電機由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單和控制技術(shù)成熟,是高速電機選擇的主要類型。高頻驅(qū)動電源、高強度低損耗電磁材料及計算機技術(shù)的發(fā)展使電機能高速運行。隨著材料技術(shù)、控制技術(shù)、電機設(shè)計技術(shù)以及制造業(yè)的發(fā)展，高頻電機的優(yōu)越性。高頻電機已經(jīng)在渦輪機械、高速加工中心、飛輪儲能、電動工具等許多領(lǐng)域獲得

9、廣泛的應(yīng)用，并且這個領(lǐng)域仍在不斷的擴大。與電網(wǎng)供電不同，變頻器供電電壓、電流中含有大量的諧波，對電機的性能會產(chǎn)生顯著的影響，如電機電流增大，損耗增加，效率、功率因數(shù)降低，溫升增加，還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動，使振動和噪聲增大。這些都對異步電機的特性研究提出了新的課題，特別是高頻電機在各個行業(yè)得到應(yīng)用使得電機特性分析更加有必要。1.2 高頻電機的研究現(xiàn)狀近年來，高頻電機在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對電機在高速運行狀態(tài)下的特性分析越來越顯得重要。高頻電機運行在高頻狀態(tài)下，無論是工作狀態(tài)還是材料性質(zhì)都發(fā)生了很大的變化，同時高頻電機均為變頻器供電，運行在大量的諧波下。要考慮諧波對電機性能的影響?，F(xiàn)在對高頻電機的

10、研究更多的集中在對高頻電機的損耗計算和溫升分析1，由于高頻電機的供電中含有多次諧波使得鐵耗的計算更為復(fù)雜。文獻2使用了諧波分析法對高頻電機進行研究取得一定成果。文獻3提出考慮鐵損的異步電機高速性能的矢量模型，為研究高頻電機特性和設(shè)計提供了新思路總之對電機的高速性能研究現(xiàn)在還在初級階段，還沒能找到行之有效的方法，還有很長的一段路要走。1.3 高頻電機的應(yīng)用高頻高速電機正成為電機領(lǐng)域的研究熱點。所謂高頻高速電機通常是指頻率超過400Hz的電機。它們具有以下優(yōu)點：一是由于頻率高轉(zhuǎn)速高，所以電機功率密度高，而體積遠小于功率普通的電機，可以有效的節(jié)約材料。二是可與原動機相連，取消了傳統(tǒng)的減速機構(gòu)，傳動效

11、率高，噪音小。三是由于高頻高速電機轉(zhuǎn)動慣量小，所以動態(tài)相應(yīng)快4-5。基于以上優(yōu)點，高頻電機在以下各方面具有廣闊的應(yīng)用前景：（1） 高頻電機在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機等各種場合得到應(yīng)用6，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來越多，它的應(yīng)用也會越來越廣泛。（2） 隨著汽車工業(yè)混合動力汽車的發(fā)展，體積小，重量輕的高頻發(fā)電機將會得到充分的重視，并在混合動力汽車，航空，船舶等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。（3）由燃氣輪機驅(qū)動的高頻發(fā)電機體積小，具有較高的機動性，可用于一些重要設(shè)施的備用電源，也可作為獨立電源或小型電站，彌補集中式供電的不足，具有重要的實用價值。由于高頻電機轉(zhuǎn)子上的離心力與線速度的平方成正比，高頻

12、電機要求具有很高的機械強度；又由于高頻電機頻率高，鐵耗大，在設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低鐵心中的磁密，采用低損耗的鐵心材料。軸承的研究也是與高頻電機密不可分的內(nèi)容，因為普通軸承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長時間運行，必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。目前人們正在研究的類型有氣動軸承及磁力軸承。高頻電機在高速旋轉(zhuǎn)時的離心力很大，當(dāng)線速度達到200m/s以上時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子動力學(xué)發(fā)展的近百年的歷史中，出現(xiàn)過很多計算方法，發(fā)展到今天，現(xiàn)代的計算方法主要可以分為兩大類：傳遞矩陣法和有限元法。有限元法的運動方程表達方式簡潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題或

13、轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復(fù)雜機械系統(tǒng)的問題時，有很多優(yōu)點。有限元法對復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)剖分龐大，計算結(jié)果比傳遞矩陣法準(zhǔn)確，然而計算耗時長，占用內(nèi)存大?，F(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)，目前，有限元方法得到了廣泛的應(yīng)用?？偠灾?，國外對高頻電機及相關(guān)技術(shù)的研究比較早，已經(jīng)取得了很多的研究成果，而且隨著新材料的不斷出現(xiàn)，加工工藝的不斷改進，技術(shù)必將以更快的速度向前推進。國內(nèi)對高頻電機的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機或電動機。第2章 高頻異步電機的設(shè)計特點2.1 磁性材料的選擇高頻異步電機供電頻率在幾百赫茲到幾千赫茲 ,隨著頻率的提高,鐵心損耗會迅速增加,鐵心損耗將占高頻異

14、步電機總損耗的比重較大(與普通異步機相比) ,而且高頻異步電機的轉(zhuǎn)速要比普通異步電機的轉(zhuǎn)速快幾倍到幾十倍,在旋轉(zhuǎn)過程中,必然產(chǎn)生比普通異步機高得多的離心力。在額定運行時 ,轉(zhuǎn)子材料將承受很大的切向應(yīng)力,所以不能采用 50Hz 供電的普通異步電機的磁性材料,而應(yīng)選用其他性能更好的磁性材料。為了減少鐵心損耗和在低磁場強度下產(chǎn)生高飽和磁通密度 ,可選用各向同性3 %硅含量的 0.18mm 厚硅鋼片。高強度軟磁合金鈷鐵合金也非常適用于作高頻異步電機的磁性材料,鈷鐵合金比較昂貴 ,但是經(jīng)過特殊的熱處理 ,這種材料的屈服強度可以達到 600mN/m2(如 49Co/ 49Fe/ 2V 合金) ,電磁性能較

15、好。鈷鐵合金已經(jīng)被應(yīng)用于航空發(fā)電機和磁軸承上 ,取得了較好的效果7。非晶態(tài)磁性材料也是一類研究和開發(fā)中的新材料 ,高飽和型非晶態(tài)軟磁材料很薄(0.030.05mm) ,電阻率比晶態(tài)合金高 3 到 4倍,具有優(yōu)良的軟磁特性 ,可取代硅鋼片作為鐵心材料 ,損耗只有硅鋼片的 1/31/6 ;另外,這種材料的抗拉強度是普通硅鋼片的 3 倍。與硅鋼片相比 ,非晶態(tài)磁性材料的缺點是飽和磁感應(yīng)強度(最大值是 2T) 和鐵心占空比系數(shù)較低,機械加工性差 ,在較高溫度下性能不穩(wěn)定 ,但是此種材料的高電阻率和高機械強度很適合高頻電機的特點。從上面的分析可知 ,高頻異步電機可以采用三種方案 : ( 1 ) 定子鐵心

16、材料采用各向同性3 %硅含量的0.18mm厚的硅鋼片,轉(zhuǎn)子鐵心則采用軟磁合金疊裝; (2)定子和轉(zhuǎn)子鐵心材料可都采用軟磁合金材料; (3) 定子鐵心采用傳統(tǒng)疊層結(jié)構(gòu)的硅鋼片或軟磁合金材料 ,而轉(zhuǎn)子為了提高強度、剛度、均勻度可設(shè)計成實心的。2.2 鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽型和導(dǎo)條材料選擇一般高頻異步電機轉(zhuǎn)子的鼠籠被設(shè)計成圓形閉口槽,以防止由于電機高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將導(dǎo)條拋出 ,發(fā)生危險。為了減小轉(zhuǎn)子的熱損耗 ,提高電機的效率 ,導(dǎo)條要選用銅甚至銀材料 ,這樣電流密度可做大。定子電密度可達16A/ mm2(普通異步電機是 711A/mm2) ,轉(zhuǎn)子電密度達 20A/mm2(普通異步電機是 1015A/ m

17、m2) 。另外,如果轉(zhuǎn)子槽閉口 ,轉(zhuǎn)子的圓柱表面可以制作得比較光滑,可以減小電機的風(fēng)阻損耗等附加損耗。轉(zhuǎn)子端環(huán)可采用整體銅環(huán)并經(jīng)銀焊與導(dǎo)條牢固地焊在一起 ,可以進一步減小轉(zhuǎn)子電阻降低轉(zhuǎn)子電損耗。在高頻異步電機的設(shè)計中 ,轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)強度是一個重要的問題。研究表明 ,傳統(tǒng)的異步電機疊層轉(zhuǎn)子的圓周線速度最高可達 200m/s ,但是超過這一速度,疊層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子機械強度就不夠了8。采用實心轉(zhuǎn)子的異步電機由于結(jié)構(gòu)簡單 ,轉(zhuǎn)子的機械可靠性高 ,適宜于高速甚至超高速運行。實心轉(zhuǎn)子異步電機的定子結(jié)構(gòu)與普通電機相同。轉(zhuǎn)子為實心鐵磁圓柱或圓筒 ,它既是磁路的鐵心部分,又兼作電路的繞組 ,二者合二為一 ,這是實心轉(zhuǎn)

18、子異步電機區(qū)別于普通異步電機的關(guān)鍵。在實際運行時 ,由于集膚效應(yīng) ,轉(zhuǎn)子電流(渦流) 和磁通主要集中在轉(zhuǎn)子表面較薄的滲透層內(nèi) ,其電流及磁場的分布情況與普通異步電機中的情況迥然不同 ,因而形成了實心轉(zhuǎn)子異步電機的特有性能。研究表明,高速光滑有限長實心轉(zhuǎn)子異步電機效率較一般鼠籠異步電機要小很多 ,其主要原因是電機中的氣隙諧波引起的9。而氣隙諧波的產(chǎn)生是由于定子繞組在槽中位置的不連續(xù)性(繞組諧波)以及不光滑的定子表面的導(dǎo)磁率的變化(導(dǎo)磁諧波) 。減小高速實心轉(zhuǎn)子異步電機的損耗的方法總結(jié)出來有:(1)減小磁導(dǎo)諧波。一是盡可能減小定子槽開口的尺寸,利用有限元方法研究新的定子齒形。另外增加氣隙長度可以減

19、小轉(zhuǎn)子表面的磁通波動。二是采用半磁性材料去封閉定子的槽開口 ,半磁性材料顯著地減小了槽開口下方磁密分布的變化從而減小轉(zhuǎn)子表面的損耗。(2) 用分層理論方法對 48000r/ min 的實心轉(zhuǎn)子電機的分析計算表明 ,含銅量在 25%30%的銅鐵合金作高速實心轉(zhuǎn)子電機具有較高的電氣性能。(3)可以在實心轉(zhuǎn)子表面覆蓋一層合適的材料來減小轉(zhuǎn)子表面的損耗 ,這種做法增加了轉(zhuǎn)子的表面阻抗。覆蓋在轉(zhuǎn)子表面層的材料一般要求高導(dǎo)磁性和低導(dǎo)電性。一般用鋁鐵合金或純銅。要減小轉(zhuǎn)子的基本阻抗 ,可以在外層材料和轉(zhuǎn)子本體之間加一層有很好導(dǎo)電性的材料,這樣做可以得到更大的轉(zhuǎn)矩。(4)為了改善實心轉(zhuǎn)子異步高頻電機的電氣性能

20、 ,可以在轉(zhuǎn)子表面軸向或周向開槽。在一些應(yīng)用中 ,在實心轉(zhuǎn)子中加入導(dǎo)條(類似于疊層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子) 以提高電機性能,但是其等值電路要修正 ,實心轉(zhuǎn)子的參數(shù)作為等值電路中新加入的并聯(lián)支路。2.3 定子槽型和繞組問題高頻異步電機定子槽型的選擇和繞組線規(guī)的選擇可類似于普通異步機的設(shè)計，對于高頻感應(yīng)電機 ,定子槽可采用半閉口槽 ,但采用較寬的槽口 ,以減小槽漏抗 ,提高運行特性的硬度及過載能力 ,最好在三相繞組端部串聯(lián)三個溫度傳感器(熱敏電阻)進行過載保護(散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)故障可能引起電流過載) 。為了得到較好的正弦波形,消除和減少高次諧波的影響 ,減小振動,定子一般采用雙層短距或整距繞組 ,定子斜槽。2

21、.4 高頻異步電機的參數(shù)計算問題10高速頻電機電磁設(shè)計的一個很重要的內(nèi)容是計算電機參數(shù),通過電機參數(shù)可以計算得到高頻電機的機電特性(如轉(zhuǎn)矩/速度曲線,轉(zhuǎn)矩/電流曲線,效率/輸出功率曲線等) 。但是高頻異步電機有其特殊的電磁規(guī)律 ,原來用于普通異步電機的電機參數(shù)計算方法顯然不能用于高頻異步電機。特別要考慮:主磁通的飽和;漏磁通的飽和;定子和轉(zhuǎn)子繞組的集膚效應(yīng)。(1) 定子電阻 Rs實際工作狀態(tài)下 ,定子繞組的頻率很高 ,由于集膚效應(yīng)的影響,定子的交流電阻必然發(fā)生變化 ,其值是直流電阻乘以集膚效應(yīng)系數(shù)。但是文獻10研究表明,一般高頻異步電機定子繞組由于線徑很小 ,對集膚效應(yīng)不很敏感 ,用直流電阻值

22、代替交流電阻 ,對高頻異步電機的性能計算精度影響不大。因此該電阻的計算公式和普通異步電機的計算公式完全一致。(2) 定子漏抗 XsXs = X1s + X1c + X1a(5)對于高頻異步電機來說 ,定子的槽漏抗 X1s和氣隙漏抗 X1a受磁飽和的影響,但受集膚效應(yīng)的影響不大 ,因此其定子的槽漏抗和氣隙漏抗的設(shè)計值可以利用普通異步電機相應(yīng)的計算公式獲得 ,但還要乘上相應(yīng)飽和系數(shù) ,槽漏抗對應(yīng)的飽和系數(shù) Kal = 1-1/2 q,氣隙漏抗對應(yīng)的飽和系數(shù) Kal0. 9 ,上式中 q 表示每極每相槽數(shù)。端部漏抗X1c就采用普通異步電機的計算公式。(3) 轉(zhuǎn)子電阻(折算到定子側(cè))一般高頻異步電機被

23、設(shè)計成鼠籠型轉(zhuǎn)子 ,導(dǎo)條的截面積較定子導(dǎo)線截面積大得多 ,且在額定轉(zhuǎn)差率下 ,轉(zhuǎn)子的滑差頻率較高(例如同步轉(zhuǎn)速 30000r/ min ,2 對極,轉(zhuǎn)差0.1 時,轉(zhuǎn)子的工作頻率就是100Hz) ,因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的集膚效應(yīng)就不能忽略了 ,集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增大。另外,轉(zhuǎn)子的電阻還受到轉(zhuǎn)子槽閉合飽和的影響。由于轉(zhuǎn)子的槽被閉合,閉口槽的齒橋高很易飽和 ,而且受到?jīng)_剪加工的影響,晶格受到破壞,因此齒橋的磁導(dǎo)率也就大大降低,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻和電抗的非線性特征。對于高頻異步電機來說 ,這個現(xiàn)象可以用等效開槽來模擬10,此槽的的開口尺寸是原閉口槽直徑尺寸的 2.5 %3.5 %比較合適(與實驗結(jié)果吻合得較好

24、) 。由以上分析可知 ,轉(zhuǎn)子電阻(折算到定子側(cè)) 的計算要考慮集膚效應(yīng)系數(shù) Kr和飽和效應(yīng)。(4) 轉(zhuǎn)子漏抗轉(zhuǎn)子的槽漏感受集膚效應(yīng)的影響 ,使槽漏感減小,其集膚效應(yīng)系數(shù)為 Kl ;另外,受飽和的影響,轉(zhuǎn)子的實際漏抗要減小,將轉(zhuǎn)子閉口槽的等效開口槽尺寸定為原閉口槽直徑尺寸的2.5 %3.5 % ,用所對應(yīng)的半閉口圓形槽的計算公式,以此來模擬閉口圓形槽的飽和效應(yīng)。(5) 轉(zhuǎn)子的槽漏抗集膚效應(yīng)系數(shù) Kl 和轉(zhuǎn)子的電阻集膚效應(yīng)系數(shù) Kr 的計算Kr =Rac/Rdc> 1 Kl =Lac/Ldc< 1(6)轉(zhuǎn)子的電阻集膚效應(yīng)系數(shù)和槽漏抗集膚效應(yīng)系數(shù)的計算比較困難 ,這是因為目前為止對圓形槽

25、里的圓形導(dǎo)體的特性研究得不是很深入 ,不可能用簡單的關(guān)系式來計算。一般用下面的方法計算:首先計算不考慮集膚效應(yīng)的轉(zhuǎn)子直流電阻 Rrdc和轉(zhuǎn)子槽漏抗 Xrdc ,由Xrdc/Rrdc= 2(h)2/3(7)可求得 h (等效矩形導(dǎo)條的高度) ,則Kr=hsinh(2h)+sin(2h)/cosh(2h)-cos(2h)Kl=3sin h(2h)-sin(2h)/cos h(2h)-cos(2h)/2h(8)其中:=(0c/2s )1/2 (9) 式中:為電角速度(對應(yīng)于導(dǎo)條內(nèi)電流的頻率) , c 為導(dǎo)條寬, s 為槽寬, h 為等效矩形導(dǎo)條高,為材料的電阻率。對于一個圓形槽來說, c/ s 等于

26、1。(6) 激磁電抗電機參數(shù)的激磁電抗是非線性的 ,這種非線性歸因于高頻異步電機磁性材料的飽和 ,因此用一個精確的關(guān)系式來計算它是不可能的。然而 ,僅考慮高頻異步電機等效氣隙的基波磁場的話 ,不飽和激磁電抗可以用下面的關(guān)系式來計算:Xm=16msf(NsKws)2L/p×10-7 （10） 式中:- 考慮狹槽效應(yīng)的等效氣隙長度。從工業(yè)用高速電機的大量使用后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看 ,高頻異步電機的實際激磁電抗必須要在不飽和的激磁電抗的基礎(chǔ)上乘上一個考慮飽和效應(yīng)的系數(shù): Xm=(0.70.8) Xm(11)(7) 鐵耗等效電阻電機的鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗兩部分，它與電機鐵心的結(jié)構(gòu)參數(shù)、電壓頻

27、率以及磁通密度有關(guān)，從理論上很難推導(dǎo)出精確計算鐵損的公式。在動態(tài)分析時參考文獻11提出的電機物理模型思路，根據(jù)鐵耗產(chǎn)生機理，將電機損耗用一等效的純電阻損耗來表示。對于異步電機，鐵耗主要產(chǎn)生于定子鐵心中，即在模型中只在定子側(cè)有鐵耗等效繞組。鐵耗等效電阻的精確計算一般很困難 ,因為需要知道鐵心內(nèi)部的磁通密度的分布。在電機性能計算中忽略鐵耗等效電阻,計算得到的機電特性不受影響。2.5 高頻電機散熱設(shè)計問題在高頻電機應(yīng)用系統(tǒng)中 ,主要的熱源是高頻電機本身和軸承。高頻電機的發(fā)熱和散熱狀況 ,不僅影響電機的效率,也影響電機絕緣材料的性能 ,從而影響電機的使用壽命。研究表明軸承高 NDm 值引起的軸承損耗占

28、了高頻電機的總損耗的相當(dāng)大的比例 ,約30 %40 %。轉(zhuǎn)子與空氣間的摩擦損耗是高頻電機要特殊考慮的熱源12。轉(zhuǎn)子的散熱主要依靠氣隙中的氣流 ,氣隙中的摩擦損耗使轉(zhuǎn)子的溫度升高 ,氣隙中的軸向冷卻氣流可以降低氣隙溫度。除了摩擦損耗 ,轉(zhuǎn)子的溫升還依賴于轉(zhuǎn)子表面的熱交換系數(shù) ,這一參數(shù)決定于轉(zhuǎn)子圓周線速度和冷卻氣流的軸向速度。許多學(xué)者和研究人員提出了相應(yīng)的計算摩擦損耗的公式 ,但這些公式只能用在氣隙表面光滑的條件下。除了轉(zhuǎn)子速度外 ,氣隙中的摩擦轉(zhuǎn)矩還受高頻電機軸向冷卻氣流速度的影響。另外 ,目前還沒有用來評估定子轉(zhuǎn)子軸向開槽對摩擦轉(zhuǎn)矩的影響。電機在低速運轉(zhuǎn)時 ,氣隙流是層流狀的,并且氣隙中的熱

29、交換是通過導(dǎo)體進行的 ,其熱交換率與轉(zhuǎn)速無關(guān)。電機超過一定的轉(zhuǎn)速 ,在其氣隙中就會產(chǎn)生環(huán)形渦流(泰勒渦流) ,它影響氣隙中摩擦的產(chǎn)生和熱交換。此時 ,熱交換率隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大 ,電機產(chǎn)生的熱量是從定子和轉(zhuǎn)子向氣隙傳遞的 ,熱交換率發(fā)生了變化 ,與熱量沿轉(zhuǎn)子到氣隙再到定子路徑傳遞時不一樣了。研究表明 ,表面粗糙的轉(zhuǎn)子與光滑的轉(zhuǎn)子相比 ,最高可增加熱交換率70%。為了減小溫升和高頻電機的體積 ,將電機運行時產(chǎn)生的熱量有效散發(fā)出去 ,采用封閉的液體散熱系統(tǒng)。設(shè)計時,定子表面都用外隔循環(huán)水冷卻。這種散熱系統(tǒng)采用常溫的乳化水作為致冷劑 ,水就在定子的水槽中流動。高頻電機的散熱設(shè)計既要考慮有利于電機尺

30、寸的減小和控制軸承的溫升,又要考慮不影響軸的性能。轉(zhuǎn)子的散熱是比較困難的事情 ,因為轉(zhuǎn)子和軸承內(nèi)部不能用水冷系統(tǒng)直接進行散熱。轉(zhuǎn)子、軸和軸承可以用潤滑系統(tǒng)的油霧進行局部散熱。對高頻電機進行散熱設(shè)計時應(yīng)注意以下問題:(1) 水冷系統(tǒng)不能帶走轉(zhuǎn)子隨輸出功率升高而增加的損耗熱量。(2) 不能被水冷系統(tǒng)帶走的損耗熱量 ,可通過潤滑油霧和轉(zhuǎn)軸空氣的熱交換帶走。(3) 在電磁設(shè)計階段 ,要考慮水冷系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子損耗散熱作用不大這種情況。(4) 在總損耗不變時 ,設(shè)計中應(yīng)盡量增加定子產(chǎn)生的損耗,而減少轉(zhuǎn)子損耗。(5) 設(shè)計良好的散熱系統(tǒng)必須使電磁結(jié)構(gòu)和機械軸承的溫升限度同時到達。如果在電磁系統(tǒng)未達到額定溫升的時

31、候軸承已達到額定溫升的話 ,那么在電磁系統(tǒng)達到額定溫升時軸承可能超過了額定溫升 ,電機就不能正常工作了。第3章 高頻異步電機的軸承設(shè)計分析3.1 機械軸承設(shè)計軸承是高頻電機的核心部件。高頻異步電機好的軸承選擇能夠提高系統(tǒng)壽命、減小摩擦溫升、改善動態(tài)特性、縮短維護時間以及降低維護成本。軸承設(shè)計時要考慮:最大轉(zhuǎn)速;軸向和徑向的剛度;機械負載的方向和大小;軸的尺寸;使用的軸承數(shù)目。一般來說 ,軸承都標(biāo)有最大轉(zhuǎn)速值 ,但是 NDm 值是選擇軸承的主要參數(shù)。NDm 定義為:最大轉(zhuǎn)速( r/min)與軸承內(nèi)外徑平均值(mm)的乘積。那么,軸承的選擇并不依賴于最大轉(zhuǎn)速,而是由所要求的轉(zhuǎn)矩決定的。由于軸承的尺

32、寸不同,即使是轉(zhuǎn)速相同,內(nèi)部圓周速度也不同,所以不能單純用轉(zhuǎn)速的高低來表示電機的轉(zhuǎn)速水平 ,而要用 NDm 值來表示。一般把 NDm > 1000000 作為高速范圍,此值還直接反映高頻電機的剛度特性。在高速電機的應(yīng)用中 ,角接觸球軸承用得比較廣泛 ,因為在高頻異步電機有實際機械負載的條件下 ,這種軸承顯示了很好的速度和剛度的折中。一般情況下 ,超高頻的電機的軸承要用彈性材料進行預(yù)負載。3.2 無摩擦軸承技術(shù)為克服機械軸承的性能不足 ,近二十年來發(fā)展起來了氣浮軸承、磁軸承 ,特別是磁軸承具有無接觸、無潤滑、無磨損、無機械噪聲和結(jié)構(gòu)簡單的特點 ,在高速運轉(zhuǎn)領(lǐng)域獲得較為廣泛的運用。采用磁軸承

33、的高頻電機在其兩端分別配置一個磁軸承單元 ,每個磁軸承單元含有環(huán)繞著轉(zhuǎn)軸的電磁體 ,利用帶反饋的徑向位置控制器來控制電磁體的勵磁電流即電磁體的徑向磁力 ,使轉(zhuǎn)軸保持懸浮運轉(zhuǎn)。在實際運用中 ,磁軸承電機存在著如下問題: 輸出功率難以進一步提高。為了提高電機的輸出功率 ,電機的軸向長度和徑向長度必然要隨之加大。由于電機兩端磁軸承本身占有一定的軸向長度 ,為了在高速時能避開轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速(以免引起轉(zhuǎn)軸的共振) ,只能盡量控制電機本身的軸向長度;而電機轉(zhuǎn)軸徑向尺寸(半徑) 則受電磁體材料機械強度的限制。磁軸承需要一定數(shù)量的勵磁線圈、變換器和造價不菲的傳感器。近年來興起的無軸承交流電機13是高頻電機領(lǐng)域

34、的一項重大突破 ,一方面它在保持磁軸承電機長壽命的優(yōu)點外 ,還突破更高轉(zhuǎn)速和大功率的限制 ,拓寬了高頻電機的應(yīng)用范圍。3.3非機械接觸式高速軸承的分類普通的機械軸承在高頻電機中應(yīng)用壽命很短 ,一般需要采用非機械接觸式軸承 ,主要有三類14:1) 充油軸承。通過在轉(zhuǎn)動體與非轉(zhuǎn)動體之間形成一層油膜使轉(zhuǎn)子懸浮 ,需要一套油循環(huán)系統(tǒng)。由于存在漏油問題和損耗較大 ,因此逐漸被先進的氣懸浮和磁懸浮技術(shù)所代替。2) 空氣軸承?？諝廨S承的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。用壓縮空氣代替油膜實現(xiàn)氣懸浮 ,漏氣比漏油問題容易解決。與磁懸浮軸承比 ,空氣軸承的體積較小 ,控制簡單;其缺點是用很薄的一層壓縮空氣(25nm)支撐轉(zhuǎn)子

35、 ,承受負載能力有限 ,同時對軸承材料的性能與加工精度要求極高。圖 6 空氣軸承結(jié)構(gòu)原理示意圖3) 磁懸浮軸承。通過磁力耦合實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子之間的非接觸懸浮 ,可進行動態(tài)懸浮力控制 ,不存在漏油和漏氣問題 ,在高頻高速電機中應(yīng)用較多。第4章 10KW高頻交流異步電動機電磁計算已知數(shù)據(jù)：輸出功率 額定電壓 相數(shù) 頻率 極數(shù) B級絕緣，連續(xù)運行4.1 額定數(shù)據(jù)和主要尺寸：1. 額定功率：2. 額定電壓： （接）3. 功電流：4. 效率：5. 功率因素：6. 極對數(shù)：7. 定轉(zhuǎn)子槽數(shù) 每相每極槽數(shù)取整數(shù) 則并采用轉(zhuǎn)子斜槽8. 定轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)9確定電機主要尺寸 主要尺寸來確定和計算功率 初選，可取，取，假定

36、。取 則 按定子內(nèi)外徑比求出定子沖片外徑 取 鐵心的有效長度： 取鐵心長10氣隙的確定于是鐵心有效長度轉(zhuǎn)子外徑轉(zhuǎn)子內(nèi)徑先按轉(zhuǎn)軸直徑：11極距 12定子齒距 轉(zhuǎn)子齒距 13定子繞組采用單層繞組，交叉式，節(jié)距1-9，2-10，11-1814為了削弱齒諧波磁場的影響，轉(zhuǎn)子采用斜槽，一般斜一個定子齒距，于是轉(zhuǎn)子斜槽寬15.設(shè)計定子繞組 并聯(lián)支路.每槽導(dǎo)體數(shù)16.每相串聯(lián)匝數(shù) 每相串聯(lián)匝數(shù) 17.繞組線規(guī)設(shè)計 初選定子電密，計算導(dǎo)線并繞根數(shù)和每根導(dǎo)線截面積的乘積。 其中定子電流初步估計值 選用截面積相近的銅線：高強度漆包線，并繞根數(shù)，線徑，絕緣后直徑，截面積，18. 設(shè)計定子槽形取19. 槽在面積 按槽

37、絕緣采用DMDM復(fù)合絕緣，槽楔為，復(fù)合板，槽絕緣占面積。槽滿率 20. 繞組系數(shù) 其中 每相有效串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)21.設(shè)計轉(zhuǎn)子槽形與轉(zhuǎn)子繞組 預(yù)計轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流： 其中由資料查出。 初步取轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電密，于是導(dǎo)條的截面積：導(dǎo)條截面積（轉(zhuǎn)子槽面積）估計端環(huán)電流端環(huán)所需面積其中 端環(huán)電密得端環(huán)所需面積為4.2 磁路計算22. 滿載電勢 初設(shè)23. 每極磁通初設(shè)由圖3-5查得為計算磁路各部分磁密，需先計算磁路中各部分的磁導(dǎo)截面24. 每極下齒部截面積25. 定子軛部高度轉(zhuǎn)子軛部高度 軛部導(dǎo)磁截面積26. 一極下空氣隙截面積27.波幅系數(shù)28. 氣隙磁密計算29. 定子齒部磁密：30. 轉(zhuǎn)子齒部磁密31. 從D

38、23磁化曲線找出對應(yīng)上述磁密的磁場強度：32. 有效氣隙長度 其中氣隙系數(shù)為33. 齒部磁路計算長度34. 軛部磁路計算長度35. 氣隙磁壓降36. 齒部磁壓降37. 飽和系數(shù) 誤差=，合格38. 定子軛部磁密39. 轉(zhuǎn)子軛部磁密40. 從D23磁化曲線找出對應(yīng)上述磁密的磁場強度：41. 軛部磁壓降：其中軛部磁位降校正系數(shù)由資料的附圖查出, 于是，于是42. 每極磁勢43. 滿載磁化電流：44. 磁化電流標(biāo)么值45. 勵磁電抗4.3 參數(shù)計算46. 線圈平均半匝長 單層線圈 =0.195+1.2×0.09929=0.336m=0.165+2×0.015=0.185my=0.

39、17+2(0.8+1.09)+(15.2-1.09)×10-3+5.1×10-3/2×2=0.129×10-3m節(jié)距比 2/31,取=0.8其中d1是線圈直線部分伸出鐵心的長度，取1030mm。kc是經(jīng)驗系數(shù)取1.247單層線圈端部平均長 2×0.015+1.2×0.109=0.186m48漏抗系數(shù)Cx=4××50×0.4×10-7（0.9598×174）2×0.153×1.1×10-3/3×2×3802=0.0436149定子槽比漏磁

40、導(dǎo)=1×0.410+1×0.765=1.17=0.41=0.765 因=1.37=0.76其中Ku1=KL1=150定子槽漏抗= =0.4207Cx51定子諧波漏抗=0.77Cx 其中S=0.00952定子端部漏抗單層交叉式繞組的端部漏抗與分組的單層同心式繞組相近則：=0.3367Cx53定子漏抗=（0.4214+0.775+0.336）Cx=1.533Cx=0.0669154轉(zhuǎn)子槽比漏磁導(dǎo)=2.23h/b2=7.6， b1/b2=1.83查表得L=1.8655轉(zhuǎn)子槽漏抗=1.28Cx56轉(zhuǎn)子諧波漏抗=1.09Cx 查表得R=0.01957轉(zhuǎn)子端部漏抗XE2*=0.156C

41、x58轉(zhuǎn)子斜槽漏抗=0.273Cx59轉(zhuǎn)子漏抗=(1.26+1.09+0.15+0.27)Cx=2.7633Cx=0.120860總漏抗 =0.18861定子直流電阻 R1=0.9662定子相電阻標(biāo)幺值 R1*=0.0245763有效材料定子導(dǎo)線重量=1.05×0.34×29×36×1.329×10-6×8.9×103=8.9 kg式中C為考慮導(dǎo)線絕緣和引線重量的系數(shù)，漆包圓銅線取1.05為導(dǎo)線密度硅鋼片重量GFe=0.95×0.155×（0.26+0.005）2×7.8×10-3=8

42、0.7 kg式中為沖剪余量，取7.8×10-3m64轉(zhuǎn)子電阻導(dǎo)條電阻折算值RB=0.684式中KB是疊片不整齊造成導(dǎo)條電阻增加的系數(shù)端環(huán)電阻折算值RR=0.1837導(dǎo)條電阻標(biāo)幺值RB*=0.00174端環(huán)電阻標(biāo)幺值RR*= =0.0047轉(zhuǎn)子電阻標(biāo)么值R2* =RB* +RR*=0.02254.4 工作性能計算65. 滿載時定子電流有功分量標(biāo)么值I1p*=66. 滿載時轉(zhuǎn)子電流無功分量標(biāo)么值Ix*=* I1p*21+(* I1p*)2=1.0216×0.13944×(1.1236)2×1+(1.0216×0.1394×1.1236)2

43、 =0.181=1+ =1.021667滿載時定子電流無功分量標(biāo)么值I1Q*=Im*+ Ix*=0.469+0.143=0.6568 滿載電勢標(biāo)么值KE=1=1(I1p*R1 *+ I1Q*)=1(1.1236×0.0207+0.65×0.0491)=0.942與22項初設(shè)值KE相符69. 空載時電勢標(biāo)么值 1=1Im*=10.309×0.0419 =0.97670. 空載時定子齒磁密 Bt10=1.637T 71. 空載時轉(zhuǎn)子齒磁密 Bt20=1.658T 72空載時定子軛磁密 Bj10=1.502T 73. 空載時轉(zhuǎn)子軛磁密 Bj20=1.287T 74. 空

44、載時氣隙磁密 =0.748T75. 空載時定子齒部磁壓降 Ft10 =Ht10Lt1=46.8×102×15.97×10-3=74.74A76. 空載時轉(zhuǎn)子齒部磁壓降 Ft20=Ht20Lt2=53.4×102×23×10-3=122.82A77. 空載時定子軛部磁壓降 Fj10=Cj1Hj10Lj1=0.40 ×20.1×102×78.81×10-3=63.36A78. 空載時轉(zhuǎn)子軛部磁壓降 Fj20=Cj2Hj20Lj2=0.43 ×8.90×102×27.69

45、×10-3=10.597A79. 空氣隙磁壓降 =244.05A 80. 空載總磁壓降 =74.74+122.82+63.36+10.597+244.05=504.97A 81. 空載磁化電流 =4.36A （四）工作性能計算82. 定子電流標(biāo)么值 =1.316定子電流實際值 1.319×9.58=12.61A 83. 定子電流密度 J1=84. 線負荷 A1=85. 轉(zhuǎn)子電流標(biāo)么值 I2*=1.1536轉(zhuǎn)子電流實際值 I2 =429.65A 端環(huán)電流實際值 IR=A86. 轉(zhuǎn)子電流密度 導(dǎo)條電密 端環(huán)電密 87. 定子電氣損耗 =1.3232×0.0257=0.

46、04470.0447×10×103=447W88. 轉(zhuǎn)子電氣損耗=1.172×0.022=0.0301 PAl2= PAl2* PN=0.0301×10×103=301W89. 附加損耗銅條轉(zhuǎn)子 Ps*=0.02 Ps= Ps* PN=0.02×10×103=200W90. 機械損耗 二級封閉自扇冷式 Pf w= (3/p)2(D1)4×104= (3/2)2×(0.26)4×104=102.7W機械損耗標(biāo)么值 Pfw*= Pf w/ PN=102.7/10×103=0.0102791

47、. 定子鐵耗(1) 定子軛重量 Gt=4pAt1Lt1=4×2×3.77×10-3×92×10-3×7.8×103=21.65(2) 定子齒重量 Gj=2pAj1Lj1=4×2×98.73×10-3×16.97×10-3×7.8×103=5.211(3) 損耗系數(shù) Phet=5.388 Phej=3.765(4) 定子齒損耗 PFet= K1 Phet Gt=2.5×5.388×5.21=70.2W(5) 定子軛損耗 PFej= K2P

48、hej Gj =2×3.80×21.6=163W(6) 定子鐵耗 PFe= PFet+PFej=163+70.2=233.2W 對于半閉口槽按經(jīng)驗取K1=2K2=2.5鐵耗標(biāo)么值 PFe*= PFe/ PN=233.2/10×103=0.02392. 總損耗標(biāo)么值 p*= Pcu1* +PAl2*+Pfw*+Ps*+PFe*=0.12393. 輸出功率 PN1*=1+p*=1+0.123=1.122794. 效率 =1p*/PN1*=10.1227/1.1227=89.07% (89.07%89%)/89.07%=0.08%<0.5%95. 功率因數(shù) =I1

49、p*/I1*=1.1236/1.309=0.8696. 轉(zhuǎn)差率 SN=0.0275PFer*=0.0113497. 轉(zhuǎn)速 nN=(60f/p)(1SN)=60×60/2×(10.0275)=1750r/min98. 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) Tm*=2.2744.5 起動性能計算99. 起動電流假設(shè)值 Ist=(2.53.5) Tm*Ikw=74A 100. 起動時定轉(zhuǎn)子槽磁勢平均值Fst= Ist(Ns1/a1)0.707Ku1+Kd12Kp1(Z1/Z2) =74×32×0.707×1+0.95982×1×(36/26)×

50、=3404A101空氣隙中漏磁場的虛擬磁密BL=0Fst/2=0.4×10-6×3022/2×0.5×10-3×0.9377=4.538T =0.64+2.5=0.64+2.5=0.9377由BL查得漏抗飽和系數(shù)Kz=0.46102齒頂漏磁飽和引起的定子齒頂寬度的減少CS1=(t1b01)(1Kz)=()×(10.46)=5.96×10-3m 103.齒頂漏磁飽和引起的轉(zhuǎn)子齒頂寬度的減少CS2=(t2b02)(1Kz)=(20.421)×(10.46)=10.5×10-3m104.起動時定子槽比漏磁導(dǎo)=K

51、u1()+KL1= (0.407-0.1865)+ 0.765=0.9762 = =0.195105.起動時定子槽漏抗Xs1(st)* =()Xs1*=(1.055/1.124)×0.440CX=0.3510CX106.起動時定子諧波漏抗X1(st)*=KZ X1*=0.51×0.77 CX =0.3577CX107.起動時定子漏抗X1(st)*= Xs1(st)*+ X1(st)*+XE1*=(0.3510+0.3577+0.3350) CX =0.0455108.考慮集膚效應(yīng)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條相對高度=1.987×10-3hB=1.987×10-3×

52、28×10-360/0.0434×10-6 =1.915hB轉(zhuǎn)子導(dǎo)條高度 hB=284×10-3mbB/bS2導(dǎo)條寬和槽寬之比 bB/bS21109.轉(zhuǎn)子電阻增加系數(shù)和電抗減少系數(shù)KF=1.8KX=0.778110.起動時轉(zhuǎn)子槽比率磁導(dǎo)=（）+0.778×2.239=1.785=(h02/b02)CS2/(CS2+b02)=(0.5/1)×9.52/(9.52+1)=0.4565111.起動時轉(zhuǎn)子槽漏抗Xs2(st)* =()Xs2*=(1.7854/2.739)×1.256 CX=0.8187CX112.起動時諧波漏抗X2(st)*=KZ X2* =0.51×1.08CX =0.4982CX113.起動時轉(zhuǎn)子斜槽漏抗XSK(st)