Y系列三相异步电动机再优化设计探讨

Y系列三相异步电动机再优化设计探讨[20191213104722]
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随着电力电子技术和计算机技术的不断进步,电机的发展呈现出引用范围不断扩大,使用要求不断提高,结构类型不断增多,理论研究不断深入的趋势。在现代社会生产生活中,电能起着非常重要的作用,而作为电能的重要传播与使用者,电机在人们生活中扮演着不可缺少的重要角色,为此,电机的优化越来越受到人们的重视。
电机的优化设计一般分为两方面,一是电机性能优化,提高电机效率,降低温升,用较低的电能创造更多的能量,为环境美化做出贡献;另一方面是电机体积优化,节约成本,为企业创造财富。近年来,围绕电机优化的研究越来越多,研究手段越来越丰富,特别是与电机设计有关的各类软件层出不穷,为电机设计及其优化提供了许多便利。
本文主要围绕Ansoft RMxprt 软件在电机设计及其优化方面的强大作用,根据异步电机的设计方法及其优化方案,运用该软件对异步电机的性能特别是对Y2系列三相异步电动机进行优化。RMxprt是旋转电机专业设计软件,能快速设计并计算各种电机(感应电机、同步电机、电子或机械换向电机等)的性能指标。RMxprt还能快速地对各种设计方案进行评估,并可帮助工程设计人员对预选方案进行设计优化。
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关键字:字电机设计优化;异步电机;节能;AnsoftRMxprt软件
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
第2章 异步电机基础及设计理论 3
2.1 异步电机介绍 3
2.2 三相异步电动机介绍及主要性能技术指标 3
2.2.1定子部分 5
2.2.2转子部分 6
2.3 异步电机设计介绍 8
2.4 异步电机的优化设计 9
第3章 RMxport软件介绍 12
3.1 RMxprt软件介绍 12
3.2 Rmxprt软件使用 14
第4章 优化对比分析及分析报告 18
4.1 异步电机优化方法概述 18
4.2 对Y-801-4进行优化 18
4.3 对Y2-801-4进行分析及优化 23
4.3.1 Y2-801-4三相异步电动机的开发及现状 23
4.3.2 利用RMxprt软件对Y2-801-4进行参数分析及优化 24
4.4.3 对Y系列及Y2系列的优化分析报告 27
第5章 总结 30
参考文献 31
致 谢 33
附 录 35
英文资料翻译 35
第1章 绪论
在现如今的工农业生产生活中,电机的使用越来越频繁,它对生产力的提高产生着重大的作用。而各类电机中使用最普遍最多的是异步电动机,据不完全统计,在电机的使用量中,约有70%是异步电动机,它们具有结构简单、运行可靠、坚固耐用,具有适用的工作特性,非常适合大规模的工农业生产。而在异步电动机中,Y系列三相异步电动机又是使用最广,用途最多的一类。而此类电动机仍具有功率因数较差,在运行时,必须从电网吸收滞后性的无功功率等缺点。
异步电机又叫感应电机,转子上的电磁场是通过定子磁场感应出来的。异步电机的转速会随负载的不同,略有改变,而且这个转速是低于定子磁场的转速的,所以才叫异步电机。异步电动机可以直接启动。异步电动机的基本特点是,转子绕组不需与其他电源相连,其定子电流直接取自交流电力系统;与其他电机相比,异步电动机的结构简单,制造、使用、维护方便,运行可靠性高,重量轻,成本低。以三相异步电动机为例,与同功率、同转速的直流电动机相比,前者重量只及后者的二分之一,成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求,派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性,能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。由于异步电动机生产量大,使用面广,要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。因此,异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化[15]。
异步电动机具有较高的运行效率和较好的工作特性,从空载到满载范围内接近恒速运行,能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成各种防护型式,以适应不同环境条件的需要。随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展,由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以及经济性已可与直流调速系统相媲美,且使用维护简便,因而应用愈来愈广泛。
目前,国内的Y系列三相异步电动机在社会经济生产中起到了关键性的作用,带来了巨大的经济效益。国内Y系列小型三相异步电机近几年来在稳定生产的基础上有了一定的改进和提高,为使我国的低压三相异步电动机达到先进水平,针对Y系列存在的某些不足和差距,又进行了Y2系列三相异步电动机设计。Y2系列电机参照国际先进水平,运用先进技术手段,通过不断地优化设计,达到了国际先进水平,满足了Y2系列电机在生产生活中的质量与性能各方面的要求[1]。
因此,对异步电动机深入研究是非常必要和有意义的,要尽量节省异步电动机的材料用量,改善效率和功率因数等性能。电机优化分为两种,一种是在体积保证不变的情况下,将事先得到的初步设计参数,作为计算机的输入数据,然后按照一定步骤,得出性能指标,查看其是否达到设定值;另一种是在性能指标已确定的情况下,通过改变参数,然后将得出的性能指标与目标要求对比。
RMxprt是旋转电机专业设计软件,能快速计算各种电机(感应机、同步电机、电子或机械换向电机等)的性能指标。RMxprt还能快速地对成百上千种设计方案进行评估,并可帮助工程设计人员对预选方案进行设计优化。通过使用该软件,可以大大减少在计算电机磁路上锁耗费的时间与精力,并且得到较为准确的数据。同时,软件自带的优化设计选择,可以帮助设计人员选择较好的方案,用户通过软件可以很简单地利用电机参数及模板驱动型用户界面对电机建模,指定材料,设置电机运行方式及驱动电路,计算电机性能、确定初始尺寸,并在很短时间内执行数百个假设-条件分析。RMxprt 可以自动构建一个完整的Maxwell 3D或2D工程,该工程包含了电机的几何模型、运动和机械参数设置、材料属性、铁心损耗、以及电源与驱动电路设置[3]。
本课题主要是使用RMxprt软件,对Y系列三相异步电动机进行优化设计,在输入给定的技术数据的基础之上,通过软件得到性能更佳的电机数据。其中主要是用到RMxprt 的前半部分,对温升与3D等分析暂不作考虑。在RMxprt软件设计分析之后,通过计算单和数据分析曲线,与国家标准对比,得到分析结果与最终目标。
第2章 异步电机基础及设计理论
2.1 异步电机介绍
感应电机包括三相和单相异步电动机,三相异步电动机广泛用于机械工业、采矿工业、冶金工业、化学工业及其他各种工业企业中。在这些行业中都用电动机作为生产机械的原动力,如机床、吊车、鼓风机、压缩机、搅拌机、纺织机等都用电动机拖动。大功率机械拖动时,一般都用三相异步电动机,根据用途的不同,异步电动机有普通型、特殊专用型和派生系列产;按转子结构分,有鼠笼试异步电动机和绕线式异步电动机两种,按机壳的保护方式分,有防护式异步电动机、封闭式异步电动机,以及防爆式异步电动机[14]。
作电动机运行的异步电机。因其转子绕组电流 是感应产生的,又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在电力系统的总负荷中,异步电动机的用电量占相当大的比重。在中国,异步电动机的用电量约占总负荷的60%多。
2.2 三相异步电动机介绍及主要性能技术指标
(1)效率:电动机输出机械功率与输入电功率之比,通常用百分数表。
(2)功率因素:电动机输入有效功率与视在功率之比。
(3)起动电流:电动机在额定电压、额定频率和转子起动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流。
(4)起动转矩:电动机在额定电压、额定频率和转子起动时说产生的转矩的最小测得值。
(5)最大转矩:电动机在额定电压、额定频率下说能产生的最大稳态异步转矩。
(6)最小转矩:电动机在额定电压、额定频率下,在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。
(7)噪声限值:电动机在空载稳态运行时A计权声功率级(dB),以及在额定负载运行是时超过空载运行的噪声声功率级增量。
(8)振动限值:电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。
三相感应电机的定子绕组通常连接到对称的三相电源上。定子绕组由p 对极,在空间成正弦分布。定子电流产生旋转磁场。转子绕组一般为鼠笼型,其极数自动与定子绕组保持一致。转子导条中感应的电流反过来又产生第二个旋转磁场。这两个旋转磁场在电机气隙中产生合成磁场。气隙合成磁场与转子导条电流相互作用产生电磁转矩,使转子按磁场旋转的方向旋转,同时有大小相同方向相反的转矩作用于定子上。
定子绕组分为p组线圈,每一组都按三相对称分布,在电机中占据πD/2p空间,此处D为气隙直径。因而气隙磁场有p个周期,定子绕组具有p对极。
由于三相对称,可建立如图一所示的一相等值电路,对三相感应电机进行性能分析。
图2.1等值电路
图2.2 等效电路
图2.1中,R1和R2分别为定子电阻和转子电阻;X1为定子漏电抗包括槽漏抗、端部漏抗和谐波漏抗;X 2为谐波漏抗和斜槽漏抗。由于漏磁场有饱和现象,X1和X2为非线 均与定子电流、转子电流有关。由于集肤效应R2和X2均为由图2-1所示,X2为转子漏电抗包括槽漏抗、端部漏抗性参数。等值电路中的各项参数的分布参数电路导出的等效值,且随转子滑差s变化。所有转子参数都折算到定子侧。
图2.2中,分布参数等效电路在激磁支路中,Xm为激磁电抗,RFe为铁心损耗所对应的电阻。Xm是经过线性化处理的非线性参数,其数值随主磁场的饱和程度而变化。
2.2.1定子部分
三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。
外壳:三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。
机座:铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。通常,机座的外表要求散热性能好,所以一般铸有散热片。
端盖:用铸铁或铸钢浇铸成型,它的作用是把转子固定在定子内腔中心,使转子能够在定子中均匀地旋转。
轴承盖:也是铸铁或铸钢浇铸成型的,它的作用是固定转子,使转子不能轴向移动,另外起存放润滑油和保护轴承的作用。
接线盒:一般是用铸铁浇铸,其作用是保护和固定绕组的引出线端子。
吊环:一般是用铸钢制造,安装在机座的上端,用来起吊、搬抬三相电动机。
(1) 定子铁心
异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分,由0.35mm~0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成,如图2-3所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的,所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口,用来嵌放定子绕圈。
(a)定子铁心 (b)定子冲片
图2.3 定子铁心及冲片示图
(2) 定子绕组
定子绕组是三相电动机的电路部分,三相电动机有三相绕组,通入三相对称电流时,就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成,且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组为一相,每个绕组在空间相差120°电角度。
定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上,首端分别标为U1, V1, W1,末端分别标为U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图2-3所示,可以接成星形或三角形。
绕组的形式,连同其结构参数对电机的所有电气性能均产生不同程度的影响。不同的形式的绕组按照各自的特性有不同的适用范围。
单层链式绕组:如图2.4所示
图2.4 24槽、节距1—6 单层链
优点:[1] 槽内无层间绝缘,槽利用率高,散热好;
[2] 同一槽内的导线都属于同一相,在槽内不会发生相间击穿。
[3] 线圈总数比双层少一半,嵌线比较方便,节约嵌线工时;
缺点:[1] 不易做成短距,磁势波形比双层绕组差;
[2] 电机导线较粗时,绕组嵌放和端部的整形比较困难;
2.2.2转子部分
(1) 转子铁心
是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成,套在转轴上,作用和定子铁心相同,一方面作为电动机磁路的一部分,一方面用来安放转子绕组。
(2) 转子绕组
异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种,由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。
a. 绕线形绕组
与定子绕组一样也是一个三相绕组,一般接成星形,三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上,通过电刷装置与外电路相连,这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能,见图2-5。

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好棒文