单相异步电机的设计与应用毕业论文.doc

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Single-phase induction motors take smaller space and use less energy than a three-phase one, in addition to its convenience of design and production. In recent years, the design standard of a single-phase asynchrony machine has become higher and higher. It calls for not only a better performance, but also for paying more attention to the accuracy of design and the development of CAD technology.In this essay, author introduced the background information of design and application of single-phase induction motors in the first few pages. With the number of page increasing, the author demonstrated recent domestic and international situations of the technology to design single-phase induction motors and explained the research route of authors practice designing a single-phase induction machine. Some information of applications of single-phase asynchrony motors in daily life. The principles of single-phase induction motors were introduced as same as the applications.In the core part of this essay, the author explained the logic route of the design work at first, and then listed details of the design work step by step and equation by equation. A simple check on results of electromagnetic calculation was exhibited after the details. In the part of calculation, the author finished designing a single-phase induction machine referring to some experiential equations and reference values. In the simulation part, steps and results of a simulation done by ANSOFT RMXPRT were exhibited. The way to use this software and the process of analysis done by ANSOFT RMXPRT were introduced. The author discussed the rationality of the results simulated.Through these steps, the rationality of the design done by the author would be justified. Having the essay done, the author learned to realize the structure of single-phase induction motors and to understand the principles of single-phase asynchrony machines and the way to use ANSOFT RMXPRT to analyze properties of a single-phase induction motor. Key words: Single-phase induction motor Motor design CAD 目录摘要IAbstractII一 绪论11 课题背景12 国内外现状12.1新的电机设计模型22.2 提高电机设计的准确性22.3高速异步电机设计的关键技术33 研究路线33.1 设计过程33.2 模拟运行状态44 单相异步电机的应用举例44.1 电扇44.2 洗衣机54.3 压缩式电冰箱6二 单相异步电机原理71 一相绕组通电72 两相绕组通电11三 单相异步电机的设计121 基本设计思路122 基础设计参数123 设计计算过程144 重要参数的选择325 初步计算结果中的问题及参数调整346 计算结果校验34四 ANSOFT RMXPRT仿真与仿真结果351 RMXPRT仿真过程352 RMXPRT仿真结果39五 总结42致谢43附录：ANSOFT RMXPRT计算结果44参考文献52一 绪论1 课题背景异步电机在1885年由意大利物理学家和电气工程师费拉里斯发明。1888年，提出实验报告，对旋转磁场作了严格的科学描述，为以后开发异步电动机、自起动电动机奠定了基础。费拉里斯相信他所提出的旋转磁场理论以及他所开发的新产品在科学上的价值远远超过物质上的价值，因此他有意不为自己的发明申请专利，而是在实验室向公众演示这些最新成果。他还倡导使用交流电系统。同年，尼古拉·特斯拉在美国取得了感应电机的专利。一年之后，Mikhail Dolivo-Dobrovolsky发明笼型异步电机 Babbage C, Herschel J.W.F. Account of the repetition of M. Arago's experiments on the magnetism manifested by various substances during the act of rotation, Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 1825:467-496。异步电机的发展迅速，对于相同大小的异步电机，额定功率由1897年的5.5kW发展到1976年的74.6kW。现在，鼠笼型异步电机是使用最广泛的异步电机。 异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机（asynchronous motor）拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。在当今世界能源危机亮起红灯的大背景之下，世界范围内随处可见的单相异步电机用电能扮演着我们生活不可或缺的帮手：压缩式电冰箱、洗衣机、电风扇、排气扇等。设计单相异步电机的工作需要更高的效率、更高的精度，人们需要转速更快、体积更小、效率更高的单相异步电机来为他们服务。因此，研究单相异步电机的设计问题变得很重要，在计算机辅助设计得到大量应用的今天，怎样才能有更高效率的设计方式让工程师有更多时间去思考单相异步电机的进化，怎样才能有更精确的电磁计算程序让模拟出来的数据和曲线能够确确实实地反映电机实物在实际工作环境中的功能与状态，怎样才能有更好的平台让世界范围内的电机设计师们能够方便地交流、把先进的技术和理念传播给需要帮助的人、教育质量不发达的国家和地区、入门的新人。研究单相异步电机的设计与应用绝对不是浪费时间。2 国内外现状可以肯定的是，如今的电机设计行业沐浴着电子科学技术与计算机网络技术进步井喷式发展的春风，电机设计师们要考虑的问题与10年、20年前完全不同。2.1新的电机设计模型中国CAE技术研究、开发和应用可以说是几起几落，走着一条十分艰难的发展之路。已故我国著名计算数学家冯康先生在50年代就提出了有限元方法的基本思想，几乎是和国外同步 冯康. 基于变分原理的差分格式. 应用数学与计算数学, 1965, 30(11): 11-12。 在几十年的发展道路上，有限元分析用于电机设计的例子已经数不胜数 Tsukerman I A. Coupled Field - circuit Problems : Trends and AccomplishmentJ . IEEE Trans. Mag, 1993, 29(2) : 1701- 1704，新的有限元数学思想也带动了新的电机设计模型的发展 Wang Jian-She. A NodalAnalysis Approach for 2D and 3D Magnetic- Coupled ProblemsJ. IEEE Trans. On Magnetic, 1996, 32(3): 1074-1077。异步电机产品分为大体积小功率和小体积大功率两大类。对于后者,在产品着手生产以前, 设计人员需要使用 2D /3D有限元法分析电机的电、磁、热、力各方面, 必须花费相当大精力以确保设计指标能够完全满足客户要求 Tan H Pham, Transient Finite Element Analysis of an Induction Motor with External Circuit Connections and Electromechanical CouplingJ . IEEE Transactions on Energy Conversion, 1999, 14(4): 1407-1412。对于前者,情况显然不同, 本文集中讨论此类电机的设计方法。此类大体积小功率电机的设计对设计模型提出的基本要求就是: 快而准, 这是一个两难选择,传统等值电路模型在此领域独占鳌头 王爱龙, 熊光煜. 新型异步电机设计模型的研究. 微特电机, 2007, 8: 5860这种设计方法也称为等效电路-磁路法,数学模型的框架主要建立在等值电路的基础上,等值电路中的参数采用磁路的方法求得, 或者是在假设前提下,根据电磁场方程用解析法求得。计算公式中的一些修正系数不可避免地依赖于设计者的个人经验, 一些设计程序经过若干年的调整、修正,已经最大限度地接近试验结果。然而, 传统的等值电路模型不仅受制于修正因子选取,而且也很难准确考虑诸如叠片的复杂磁路、饱和、集肤效应、铁心损耗等对电机性能的影响。特别是对于结构特殊的新产品的开发 Zhong L, Rahman M F. Analysis of direct torque control in permanent drivesJ. IEEE Tra on Power Electronics, 1997, 12(3): 528-530,由于没有经验可依,修正系数往往选取不当, 从而导致计算误差过大。电机设计和等值电路参数之间的联系根深蒂固: 设计变量对电机性能的影响可以通过它对等值电路参数的影响来评估,因而寻找精确可靠的等值电路参数的计算方法就成为推动异步电机设计进步的原动力。近年来, 随着计算机计算能力的迅速提高和数值计算方法的不断成熟, 许多计算强度高的复杂模型应运而生。特别是用有限元法计算电机内电磁场已变得非常实际 张榴晨, 徐松著. 有限元法在电磁计算中的应用M . 北京: 中国铁道出版社, 1996,这种数值计算技术能够解决传统解析法无法解决的问题, 计算等值电路参数时也无需引入过多经验系数。随着计算机性能的进一步提高, 时谐有限元最终将被时步有限元替代, 未来的设计方法必将建立在融电磁、机械、声学和流体热等分析功能为一体的3D有限元模型上。2.2 提高电机设计的准确性单相电容运转异步电动机由于使用单相电源、结构简单、运行性能良好,在工农业生产及日常生活中,得到非常广泛的应用。针对不同的场合, 所使用的电机的型号、规格也各不相同。在实践中, 常常要求进行电机的电磁设计, 而且,随着技术的进步, 对设计计算的精度要求也不断提高。在使用不同的计算机辅助设计方法的时候，我们常常会得到不同的模拟运行结果，如何去取舍这些结果成为了必须要面对的问题。通过优化电磁计算程序的算法、增加迭代的次数可以使电机设计的准确度更高。2.3高速异步电机设计的关键技术高速电机在机械工业(如高速磨床、铣床)、国防工业如飞机环境控制系统和电子设备高效冷却系统、电能存贮系统、电动推进系统)等各方面获得了广泛的应用, 它对于减少装置体积重量, 提高设备性能有重要的意义高速电机要求转子上无绕组、 无电刷和滑环, 鼠笼式异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等均适合于高速运转。在高速电机应用中,异步电机由于成本低、结构简单和控制技术成熟, 是高速电机选择的主要类型高频驱动电源、高强度低损耗电磁材料及计算机技术的发展使电机能高速甚至超高速运行。从高速异步电机的设计角度, 首先必须要讨论的是高速异步电机的功率和速度限制问题, 需要给出高速与超高速异步电机的分类准则; 其次是高速异步电机的电磁设计问题,高速运行时, 必须考虑因温度变化、集肤效应因素、饱和引起的电机定转子电阻等电机参数的变化, 而这需要精确的电磁场分析才行; 第三是轴承设计问题, 特别是无磨擦轴承的技术; 第四是转子结构强度、结构稳定性设计。第五是高速异步电机的散热设计问题, 高速异步电机设计必须以电机损耗最小和效率最优为原则。采用模糊控制器、提高在线修改能力是两个必须要做到的关键技术。3 研究路线大致来讲，笔者的研究路线就是：第一，按照电磁装置设计的步骤，参照国家标准的参数来设计出一套单相异步电机的参数；第二，用相关的软件建立所设计的单相异步电机的模型，观察它的性能是否合乎要求；第三，了解单相异步电机的应用，知道它们的工作原理，并做相应的记录。3.1 设计过程从纯粹数学的角度来讲，所谓单相异步电机设计的过程，完全就是选择接近50个独立变量，让它们满足一定的数学规范，能够模拟一台能够正常运转的单相异步电机。 Riccardo Marino, Patrizio Tomei, Cristiano M. Verrelli. Induction Motor Control Design. Springer, 2010设计的第一步是要选择所需要的电机型号，根据所需要的应用选取合适的电机类型、尺寸和功率，从国家标准的表格里边查阅定转子冲片的尺寸、主副绕组的参数、输出参数的参考值。第二步，根据这些基础的参数展开电磁计算，在计算过程中根据电机的电磁、机械状况和应用需求选择合理的参数、系数，完成电磁计算之后，校验各主要输出参数是否在容差范围之内。3.2 模拟运行状态使用Ansoft Rmxprt 5.0版本的软件，将设计好的电机参数输入程序，进行电磁模拟计算，得到电机在额定、堵转、空载运行下的参数还有输入电流与转速关系特性曲线、电机效率与转速关系特性曲线、输出功率与转速关系特性曲线功率因数与转速特性曲线输出转矩与转速特性曲线，校验它们是否与相应运行状态下理想状况的取值和图形是否相符，是否在容差范围之内。4 单相异步电机的应用举例4.1 电扇电风扇简称电扇，香港称为风扇，日本及韩国称为扇风机，是一种利用电动机驱动扇叶旋转，来达到使空气加速流通的家用电器，主要用于清凉解暑和流通空气。广泛用于家庭、办公室、商店、医院和宾馆等场所。电扇主要由扇头、风叶、网罩和控制装置等部件组成。扇头包括电动机、前后端盖和摇头送风机构等。 机械风扇起源于1830年，一个叫詹姆斯·拜伦的美国人从钟表的结构中受到启发，发明了一种可以固定在天花板上，用发条驱动的机械风扇。这种风扇转动扇叶带来的徐徐凉风使人感到凉爽，但得爬上梯子去上发条，很麻烦。1872年，一个叫约瑟夫的法国人又研制出一种靠发条涡轮启动，用齿轮链条装置传动的机械风扇，这个风扇比拜伦发明的机械风扇精致多了，使用也方便一些。 飞速转动，阵阵凉风扑面而来，这就是世界上第一台电风扇。图1-1电扇基本结构电风扇的主要部件是：交流电动机。其工作原理是：通电线圈在磁场中受力而转动。能量的转化形式是：电能主要转化为机械能，同时由于线圈有电阻，所以不可避免的有一部分电能要转化为热能。电风扇工作时（假设房间与外界没有热传递）室内的温度不仅没有降低，反而会升高。让我们一块来分析一下温度升高的原因：电风扇工作时，由于有电流通过电风扇的线圈，导线是有电阻的，所以会不可避免的产生热量向外放热，故温度会升高。但人们为什么会感觉到凉爽呢？因为人体的体表有大量的汗液，当电风扇工作起来以后，室内的空气会流动起来，所以就能够促进汗液的急速蒸发，结合“蒸发需要吸收大量的热量”，故人们会感觉到凉爽。4.2 洗衣机洗衣机（washing machine/washer）是利用电能产生机械作用来洗涤衣物的清洁电器。按其额定洗涤容量分为家用和集体用两类。中国规定洗涤容量在6kg以下的属于家用洗衣机：家用洗衣机主要由箱体、洗涤脱水桶（有的洗涤和脱水桶分开）、传动和控制系统等组成，有的还装有加热装置。洗衣机一般专指使用水作为主要的清洗液体，有别于使用特制清洁溶液，及通常由专人负责的干洗。普通型波轮洗衣机的结构：由洗衣桶、电动机、定时器、传动部件、箱体、箱盖及控制面板等组成。工作原理：依靠装在洗衣桶底部的波轮正、反旋转，带动衣物上、下、左、右不停地翻转，使衣物之间、衣物与桶壁之间，在水中进行柔和地摩擦，在洗涤剂的作用下实现去污清洗。 机械全自动洗衣机的结构：由电动程控器、水位开关、安全开关（盖开关）、排水选择开关、不排水停机开关、贮水开关、漂洗选择开关、洗涤选择开关等组成。工作原理：通过各种开关组成控制电路，来控制电动机、进水阀、排水电磁铁及蜂鸣器的电压输出，使洗衣机实现程序运转。 4.3 压缩式电冰箱保持恒定低温的一种制冷设备。也是一种使食物或其他物品保持恒定低温冷态的民用产品。箱体内有压缩机、制冰机用以结冰的柜或箱；带有制冷装置的储藏箱 荣俊昌. 新型电冰箱空调原理与维修M. 北京: 高等教育出版社, 1999。 家用电冰箱的容积通常为20500升。1910 年世界上第一台压缩式制冷的家用冰箱在美国问世。1925年瑞典丽都公司开发了家用吸收式冰箱。1927年美国通用电气公司研制出全封闭式冰箱。1930年采用不同加热方式的空气冷却连续扩散吸收式冰箱投放市场。1931年研制成功新型制冷剂氟利昂12。50年代后半期开始生产家用热电冰箱。中国从50年代开始生产电冰箱。该种电冰箱由电动机提供机械能，通过压缩机对制冷系统作功。制冷系统利用低沸点的制冷剂，蒸发汽化时吸收热量的原理制成的。其优点是寿命长，使用方便，目前世界上9195%的电冰箱属于这一类。目前常用的电冰箱利用了一种叫做氟利昂的物质作为热的“搬运工”，把冰箱里的“热”“搬运”到冰箱的外面。 二 单相异步电机原理1 一相绕组通电图2-1单相绕组的磁动势 脉振磁动势单相异步电动机定子两相绕组是主绕组m及副绕组a，它们一般是相差90度空间电角度的两个分布绕组，通电时主绕组及副绕组都要产生空间分布的磁动势。定子绕组所产生的磁动势实际上是两相绕组产生的磁动势的叠加。由于副绕组是用于单相异步电动机的起动及改善运行性能，所以首先分析只有主绕组一相绕组通电时的机械特性，在此基础上再讨论定子两相绕组同时通电时的机械特性。空间谐波： (2-1)假定它的匝数为N，流过的瞬时电流为i，电流i将产生磁动势，磁动势将产生磁通。根据全电流定律可知，闭合磁路的总磁动势等于该闭合回路所包围的总安匝数。所以无论路径远近，每条磁力线的安匝数都是相等的，又由于都经过两次气隙，如果忽略铁心中的磁阻，那么每段气隙上的磁动势各占总磁动势的二分之一，即0.5Ni，并且在气隙的不同空间位置上各点磁动势都相等，只不过方向不同。图2-2的脉振磁动势若 (2-2)则有 (2-3)这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。脉振的频率就是交流电流的频率。可以看出在这一点上（空间位置固定），选取不同的，可以分别看出。若 (2-4)则 (2-5)图2-3把以2 为周期的矩形磁动势波用傅氏级数分解由 (2-6)可以认识到基波脉振磁动势可以分解成两个转向相反、转速相同、幅值相等的旋转磁动势，两个旋转磁动势的幅值等于脉振磁动势最大幅值的1/2。图2-4将基波脉振磁动势分解成两个转向相反、转速相同、幅值相同的旋转磁动势由此根据三相异步电机原理，可以将单相异步电动机视为两台完全一样的三相异步电动机分别作正相序运行及负相序运行时的叠加。对于正相序运行的三相异步电动机，其转差率为： (2-7)对于反转磁动势而言，即负相序运行的三相异步电动机，其转差率应该为： (2-8) 正转电磁转矩与正转转差率的关系，反转电磁转矩与反转转差率的关系，如图表5中曲线1和曲线2所示。图2-5 一相绕组通电时电磁转矩-转速关系曲线单相异步电动机的曲线就是曲线1、2的叠加，如图中曲线3所示。单相异步电动机的曲线具有下列特点：（1）当 即 时，电磁转矩 即无起动转矩，电机不能够起动。（2）当即时，电磁转矩。如果由于其它原因使电动机正转后，电磁转矩能使电动机继续正转运行。如果电动机反转了,也能继续反转运行。所以，对于单相异步电动机，定子上如果只有主绕组，则无起动转矩。 2 两相绕组通电当单相异步电动机主绕组与副绕组同时通入不同相位的两相交流电流时，一般情况下将产生椭圆形旋转磁动势 张传课. 单相电机的正逆转原理及其控制兼答2002年10期例9吴愿文先生J. 家电检修技术, 2003, (06)。 椭圆旋转磁动势同样可以分解成：一个正转磁动势与一个反转磁动势。 此时合成的机械特性是一条不过原点的曲线。当时，电动机的 、及 3条曲线如下图所示。 图2-6 两相绕组通电的机械特性可见，当时，若，则，电动机可以正向起动；同理，当时，若，则 ，电动机可以反向起动。根据上述分析可知，单相异步电动机若能起动必须具备： 定子具有空间不同相位的两个绕组； 两个绕组中通入不同相位的交流电。三 单相异步电机的设计1 基本设计思路设计一台单相异步电机，首先要确定它的应用场合。不同的应用场合会决定到这台单相异步电机的设计参数上的区别。本人在此设计的是一台用于家用、用于人体散热或者衣物风干的电扇的单相异步电机。那么考虑到这样的应用，这一台的电机的特点就很明显了，4050W的输出功率，1000rpm左右的转速，启动转矩略大于额定运行状态下的输出转矩就可以。输出功率不大，散热和绝缘的问题就不需要过多地考虑 Nakahama T, Biswas D, Kawano K, et al. Improved cooling performance of large motors using fans J . IEEE Trans On Energy Conversion, 2006, 21(2): 324-331。从以上的特点来看我们基本可以确定的是：第一，该电机需要的启动转矩小，功率小，所以选择采用适用于小功率的、结构简单的电容运转型单相异步电机；第二，1000rpm左右的转速，由单相异步电机转速公式 (3-1)可以计算出来，取电机极数2p=4比较合适。确定了这两点之后，根据我所要设计的单相异步电机的功率查阅国家标准的电容运转型单相异步电机相应型号的标准设计参数，开始设计。2 基础设计参数查阅相关资料 李德成. 单相异步电动机原理、设计与试验. 北京：科学出版社, 1993 J. Wilson, Current state of surge testing induction machines, Iris Rotating Machines Conference, Santa Monica, CA, USA, 2003可以得到额定输出功率为40w的5022型电容运转单相异步电机，现列举它的标准参数如下：表3-1单线异步电机（电容运行式）基本设计参数 括号中为修改之后的值额定电压220V额定功率40W额定频率50Hz定子参数外径80mm内径44mm铁心长度45mm气隙0.20mm槽数12主绕组线规0.25mm（0.38mm）每极串联匝数489绕组系数0.804副绕组线规0.25mm每极串联匝数819绕组系数0.804定子槽型圆底槽最大槽满率71.6%2.2mm6.6mm11.3mm0.5mm0.5mm8.8mm9.8mm转子槽梨形槽槽数150mm3.7mm1.8mm0.2mm1.85mm5.5mm8.45mm转子斜槽1定子槽至此，确定了设计电机最基本的参数，打下了设计一台满足笔者需要的电容运转型单相异步电机的基础。3 设计计算过程几何参数极距 (3-2)定子齿距 (3-3)转子齿距 (3-4)定子齿宽 (3-5)转子齿宽 (3-6)定子齿部磁路计算长度 (3-7)转子齿部磁路计算长度 (3-8)定子轭部磁路计算高度 (3-9)转子轭部磁路计算高度 (3-10)定子轭部磁路计算长度 (3-11)转子轭部磁路计算长度 (3-12)定子槽定子槽面积 为槽楔厚度，按照相应绝缘等级的国家标准，取0.2cm。 (3-13)绝缘面积 绝缘厚度按照相应绝缘等级国家标准取0.025cm。 (3-14)槽有效面积 (3-15)转子槽转子槽面积 (3-16)转子斜槽宽 (3-17)端环端环面积 (3-18)端环内径端环外径端环平均直径 (3-19)端环修正系数 (3-20)气隙系数定子 (3-21)转子 (3-22) (3-23)主绕组计算平均跨槽 (3-24)绕组系数初选气隙磁密假设磁路饱和系数计算极弧系数波形系数每极磁通初值 (3-25)总串联导线数初值 (3-26)每极串联匝数 (3-27)总串联导线数 (3-28)定子主相电流初步估算值 (3-29)主绕组线规导线截面初值 (3-30)选用线规直径导线截面积 (3-31)线圈中心直径 (3-32)主绕组平均半匝长 (3-33)主项参数计算主绕组电阻 (3-34)转子电阻导条电阻 (3-35)端环电阻 (3-36)定子槽单位漏磁导 (3-37) (3-38)查表得定子谐波单位漏磁导 (3-39)定子端部单位漏磁导 (3-40)漏抗系数 (3-41)定子槽漏抗 (3-42)定子谐波漏抗 (3-43)定子端部漏抗 (3-44)定子漏抗 (3-45)转子槽单位漏磁导 (3-46) (3-47) (3-48)查表获得转子谐波单位漏磁导 (3-49)转子斜槽单位漏磁导 (3-50)转子槽漏抗 (3-51)转子谐波漏抗 (3-52)转子斜槽漏抗 (3-53)转子端部漏抗 (3-54)转子漏抗 (3-55)总电阻 (3-56)总漏抗 (3-5