5KW高频交流电动机设计及工艺分析.doc
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1、目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2国内外研究的情况1第2章 高频交流电机的特点32.1高频交流电机的基本机构32.1.1定子的结构组成32.1.2转子的结构组成32.1.3工作原理32.2高频交流电机定子设计研究42.2.1定子铁芯设计研究42.2.2定子槽型的设计52.2.3定子绕组结构设计与参数分析62.3高频交流电机转子设计72.3.1转子槽数的选择及定转子槽配合问题72.3.2转子槽形的选择和槽形尺寸的确定82.4高速轴的研究92.4.1机械轴承设计92.4.2无摩擦轴承技术102.4.3国内外高速电转轴的研究情况102.5本章小结11第3章 高
2、频交流电机的设计123.1高频驱动对电机设计的影响123.2高速感应电动机的设计流程123.2.1设计方法123.2.2设计流程图133.3电机主要尺寸设计公式的推导143.4本章小结17第4章 5KW高频交流电机实例计算184.1额定数据和主要尺寸184.2磁路计算234.3参数计算274.4工作性能计算324.5起动性能计算37第5章 结论41第6章 参考文献42致 谢44 ii湖南工程学院毕业设计(论文)摘要随着电力电子技术、高强度低损耗电磁材料以及控制技术的发展,高速电机在机械工业、国防工业等各个方面都获得了广泛的应用。在高速电机应用中,感应电机由于成本低、结构简单和控制技术成熟,是高
3、速电机的主选类型。目前,高速电机的设计还没有成熟,许多设计和工艺问题还没有获得圆满解决,在世界范围内各工业先进国家都在进行相关课题的研究。与传统感应电机相比,高速感应电机采用中频变频器供电,其运行条件发生很大的变化,这使得电机的设计自由度大,难度高。针对此特点,本文从高速感应电动机的设计出发,分析了高速感应电机结构和电磁设计上的特点,并借鉴传统电机的设计方法,给出了系统的针对高速感应电动机的设计方法。根据高速感应电动机的上述特点和设计思想的分析,对一台高速感应电动机进行了电磁计算和分析。在感应电动机等效电路的基础上,分析了电源频率发生改变,等效电路中主要参数的变化规律。由于变频调速系统通常应用
4、在需要频繁起动和调速的场合下,高速变频感应电机需要在不同的工况下工作。所以电机的效率、功率因数、损耗等运行性能参数变化范围也很大。关键词 高速;感应电机;变频调速;电磁设计AbstractFollowing with the development of power electronics technology, the kind of material having larger compression strength and smaller loss ,and control technology, high-speed motors are applied in all area su
5、ch as machine industry and national defense industry. On account of lower cost, simple structure and advanced control technology, induction motor is the main choice as high-speed motor. At present,the technology for design of high-speed motors is not perfect,many problem for design and techniques ar
6、e not solved,the interrelated investigations are carried out in all advanced industry country.As compared with traditional induction motor, the operational condition channel greatly due to adopting mid-frequency inverter for power supply. This makes the design of motor high in free degree and high i
7、n difficulty. Directing against this peculiarity, this paper begins with the design of high-speed induction motor, the specialty of its structure and electromagnet is analyzed in details.Based on the design method of traditional induction motor, put forward the systematic design method of high-speed
8、 introduction motor. At the foundation of design and analysis on high-speed introduction motor, in terms of the T-type equivalent circuit of induction motors, the principle of main parameters with the change of source frequency is given, and the operation property of motors by changing frequency is
9、also studied.Because the variable frequency and adjustable speed systems are commonly used in the situations which need frequent starting-up and speed adjustment, the inverter-driven induction motor is required to work under different power points. The parameters, such as efficiency, power factor, l
10、oses and so on, are different under different power points. Keywords:high-speed; introduction motor; variable frequency and adjustable speed; electromagnet designII5KW高频交流电动机设计及工艺分析第1章 绪论1.1 课题研究背景高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点。由于转速高,电机的功率密度大,其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机,因此可以有效地节约材料;由于高速电机的转动惯量较小,因此动态响应较快;又由于高速电机
11、可与原动机或负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,因而可减小噪音,提高传动系统的效率。并且交流电动机的工作效率较高,又没有烟尘、气味,不污染环境,噪声也较小。由于它的一系列优点,所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。又随着变频调速目前已经成为主流的调速方案,可广泛应用于各行各业无级变速业控制领域内日益广泛的应用,高频交流电机的使用也日益广泛起来,可以这样说由于传动。特别是随着变频器在工高频电机在高频控制方面较普通电机的优越性,凡是用到变频器的地方我们都不难看到高频电机的身影。因为电机频率越高转速就越快,从某种意义上讲高频交流电机就是高速感应电机,而高
12、速电机的作用越来越大了。(1) 高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用,而随着科学技术的发展,特殊要求越来越多,它的应用也会越来越广泛。 (2) 随着汽车工业混合动力汽车的发展,体积小,重量轻的高速发电机将会得到充分的重视,并在混合动力汽车,航空,船舶等领域具有良好的应用前景。 (3)由燃气轮机驱动的高速发电机体积小,具有较高的机动性,可用于一些重要设施的备用电源,也可作为独立电源或小型电站,弥补集中式供电的不足,具有重要的实用价值。 1.2国内外研究的情况近年来,国际高频交流电动机市场需求十分可观,并将持续处于高速增长阶段。国外研究的高频交流电机已经取的较好的成绩,10KW以上
13、的中、大功率高频电机转速一般达到6万转每分钟。10KW以内的中、大功率高频电机的转速达到10万转每分钟。并且以及开始产品化。美国MIT已经研制出5MW,1.5万转/分钟感应发电机,美国Calnetix公司研制出2MW,1.9到2.25万转/分钟永磁发电机,美国Kentucky大学、GE公司、Sundstrand公司研制出30KW、250KW、375KW、500KW,4.8到5.2万转/分钟开关磁阻发动机、英国谢菲尔德大学转1996年研制出2万转/分钟的永磁无刷直流电动机,ML4425无传感器控制。1998年开始研究12万转/分钟的BLDCM。IMR_UKRC在1997年开始研究10万转/分钟的
14、BLDCM,SRIM。美国Calnetix公司研制出1KW,45.2万转/分钟永磁无刷发动机,堪称世界最高速。我国高频交流电机目前的研究还处在起步阶段。特别体现在高速轴上面,国内电主轴的研究始于20世纪60年代,主要用于零件内表面磨削,这种电主轴的功率低,刚度小。并且它采用无内圈式向心推力球轴承,限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。20世纪70年代后期至80年代,随着高速主轴轴承的开发,研制了高刚度、高速电主轴,它被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在20世纪80年代末以后,由磨用电主轴转向铣用电主轴,它不仅能加工各种形体复杂的模具,而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴,推
15、动了高速电主轴在铣削中的应用。此外,食品工业的固体饮料;染化工业的染料;医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产,而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴,促进了电子工业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能,还可以开发多种高性能试验机。第2章 高频交流电机的特点2.1高频交流电机的基本机构高频交流电机的结构和普通三相交流电机的结构是一样的,其基本原理和普通三相交流电机的原理也是一样的。所以在分析高频交流电机的结构和原理时,就可以分析普通交流电机的结构和原理。2.1.1定子的结构组成定子
16、由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成,定子铁心是异步电动机磁路的一部分,一般由含硅3%和0.18毫米厚的硅钢片叠压而成,用压圈及扣片固紧,各片之间相互绝缘,以减少涡流损耗。定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的,小型电机采用散下线圈或称软绕组,大中型电机采用成型线圈,又称为硬绕组。2.1.2转子的结构组成转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成,转子铁心和定子铁心一样,也是硅钢片叠压而成。鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽内的裸导条和两端的环形端环连接而成,如果去掉转子铁心,绕组的形状象一个笼子;绕线型转子的绕组与定子绕组相似,做成三相绕组,在内部星型或三角型。2.1
17、.3工作原理当定子绕组接至三相对称电源时,流入定子绕组的三相对称电流,在气隙内产生一个以同步转速n1旋转的定子旋转磁场,设旋转磁场的转向为逆时针,当旋转磁场的磁力线切割转子导体时,将在导体内产生感应电动势e2,电动势的方向根据右手定则确定。N极下的电动势方向用表示,S极下的电动势用表示,转子电流的有功分量i2a与e2同相位,所以既表示电动势的方向,又表示电流有功分量的方向。转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力fem,根据左手定则,在N极下的所有电流方向为的导体和在S极下所有电流流向为的导体均产生沿着逆时针方向的切向电磁力fem,在该电磁力作用下,使转子受到了逆时针方向的电磁转矩Me
18、m的驱动作用,转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡,转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行,从而实现了电能与机械能之间的能量转换,这就是异步电动机的基本工作原理,其原理就是高频交流电机的原理。2.2高频交流电机定子设计研究 2.2.1定子铁芯设计研究按照感应电动机设计原理,定子铁耗可由下式估算:pFe=k0(B/B0)2(f/f0)1.3GFe式中K0铁心单位重量损耗,是在定子铁心磁通密度和定子铁心磁通频率分别为B0和f时所测值;B定子铁心实际磁通密度;f定子铁心实际磁通频率;GFe铁心重量。从式中可以看出,由于高速电机中的磁通频率f比普通工
19、频电机高很多,使得其定子铁耗较大。在高速感应电动机中定子铁耗占总损耗的主要部分。例如,本文设计的转速为1800r/min的2极高速感应电机和一台转速为1500r/min的2极普通工频感应电机相比,如果其他参数相同的话,前者的铁耗近似于后者铁耗的几倍。如果不采取相应措施来降低该损耗值的话,它在高速电机的总损耗中所占比重就会很大,严重影响电机效率。在电机转速(频率)一定的情况下,有两种方法可以减小定子铁耗:一方面,电机定子齿部和轭部的磁通密度B 不能选的太高,要低于普通工频电机的B值,可采取的办法是增大电机的气隙值;另一方面要选择使损耗系数尽可能小的材料,硅钢片的厚度应满足下式关式中d硅钢片厚度;
20、绕组电流角频率;导体磁导率;导体电导率。为了减少铁心损耗和在低磁场强度下产生高饱和磁通密度,可选用各向同性3%硅含量的0.18mm厚硅钢片。高强度软磁合金钻铁合金也非常适用于作高速感应电机的磁性材料,钻铁合金比较昂贵,但是经过特殊的热处理,这种材料的屈服强度可以达到600mN/m如49Co/49Fe/2V合金),电磁性能较好。钴铁合金已经被应用于航空发电机和磁轴承上,取得了较好的效果非晶态磁性材料也是一类研究和开发中的新材料,高饱和型非晶态软磁材料很薄(0.030.05mm),电阻率比晶态合金高3到4倍,具有优良的软磁特性,可取代硅钢片作为铁心材料,损耗只有硅钢片的1/31/6;另外,这种材料
21、的抗拉强度是普通硅钢片的3倍。与硅钢片相比,非晶态磁性材料的缺点是饱和磁感应强度(最大值是2T)和铁心占空比系数较低,机械加工性差,在较高温度下性能不稳定,但是此种材料的高电阻率和高机械强度很适合高速电机的特点。2.2.2定子槽型的设计高速感应电机定子槽形的选择和绕组线规的选择可类似于普通感应电机的设计,一般感应电机的定子槽形常用的有四种,梨形槽、梯形槽、半开口槽、开口槽。梨形槽和梯形槽是半闭口槽,槽的底部比顶部宽,使齿壁基本上平行。这两种槽形一般用于功率在100KW以下,电压为500V以下的感应电机中,因为这些电机通常采用由圆导线绕成的散嵌绕组。采用半闭口槽可以减少铁芯表面损耗和齿内脉振损耗
22、,并使有效气隙长度ef减少,功率因数得到改善。梨形槽和梯形槽相比,前者的槽面积利用率较高,冲模寿命较长,而且槽绝缘的弯曲程度较小,不易损伤,所以用的较为广泛。高速感应电机一般采用的是半闭口梨形槽,这是因为槽开口较小,可以大大减少铁心表面损耗和齿内脉振损耗,并使气隙系数较小,从而减小励磁电流;同时使槽面积利用率高,冲模寿命较长,功率因数也得到改善,因此得到了广泛的应用。定子半闭口梨形槽的设计参数主要为:槽口高与槽口宽以及槽肩部斜角1、定子齿宽、定子轭高bt1、定子槽宽bs1、定子槽高hs1。其中槽口尺寸主要由电气性能、冲模制造、冲压和下线等因数决定。一般取b01=2.54.00mm,槽口高度取h
23、01=0.52.0mm,1取30左右。槽口宽度取较大值,可减小槽漏抗,提高运行特性的硬度和过载能力。定子槽形如图2-1所示:定子槽形尺寸的确定一般有两种法。第一种方法是先选取气隙磁密B、齿磁密Bt1和轭磁密B j1,分别计算出所需齿宽bt1和轭高hj1,然后通过作图,得出槽形尺寸,最后用槽满率Sf进行校核,并进行必要的调整。第二种方法是初选槽满率Sf值,计算出槽部有效面积,然后根据、槽形及有关数据,初步确定槽尺寸,最后校核Bt1、Bj1等参量,看是否满足要求,然后作适当的调整。但通常习惯采用第一种方法。在这里需要重点强调的是,高速电机设计时,为提高电机的效率,减小损耗,选择较低的气隙磁密,一般
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