三相鼠笼式异步电动机电磁计算及其优化

毕业设计（论文）

（ 2015届）

题 目 三相鼠笼式异步电动机电磁计算及其优化

学 号 1101230122

姓 名 杜杰辉

所 属 系 电气与电子信息学院

专 业 电气工程及其自动化

班 级 11电气本（一）班 指导教师 裴建良

摘 要

本论文介绍了三相鼠笼异步电机的设计，并对其工作原理和与其他类型的电

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机比较来展现了它的特点和用途。之后对其结构进行了简单的介绍。从而由各个方面分析三相鼠笼异步电机，为下一步关于电动机的设计做了铺垫。

关于电机的设计，其中的因素需要从多个方面考虑，并且电动机的外部结构和内部数据分析比较复杂，所以在分析的时候比较繁琐。本论文將从多个角度分析这些问题。充分的调节电动机的耗量与其他指标之间的关系。通过对典型电动机铭牌数据，并通过对典型电动机铭牌数据的分析计算。从而达到下一步的优化。本文从经济与效率两个角度，全面的剖析了电动机的优化，最后做出一个优化方案。

最后，本文还通过一些工具以及相关图表，对电动机进行了深入的分析。 关键词：异步电动机；设计；优化；

Abstract

Keywords: induction motor; design；optimize；

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第一章 前言

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电动机一般由两种电机形式组成，分别是直流电机和交流电机。生活中结构不同,主要是在转子上,鼠笼式的转子是铸铝的，用铜线绕制的绕线式,外接电阻接在转子上的三个铜环上。它的作用是用来调整转速。起动转矩越大,起动电流越小。鼠笼式电机则与绕线式相反。

绕线式的转子和定子绕组在结构上基本相同，一模一样的道理三相绕组是Y星连接方式，它的三根端线在转轴上的铜环上，与外电路接通的方式是通过电刷的。鼠笼式电机得到广泛的应用，是因为他的结构简单，价格也比较实惠，而且容易控制。相反绕线式的应用就少一点，因为它的结构复杂，价格也比较贵，而且电机运行的时候不容易控制。所以用的比较少。但是有些地方也会使到绕线式，一般在重负荷的情况下，因为绕线式他的运行力矩比较大。鼠笼式这种电动机的优点是简单，成本低，使用时间长。所以鼠笼式电机的使用场合遍布生活各个领域。

鼠笼式因为他自己特别的优点，所有很多领域都适用这种电机，在我们的生活生产中使用的相当的普遍。根据有关数据的统计，我们的鼠笼式电动机大部分用在机械拖动中应用的比较广泛。在我们日常生活生产中也是对这种电机进行安装、维护保养等。它在国名经济和生活生产中得到非常广泛的应用，为设备提供所需要的机械动力。例如：工业机械设备、中小型轧钢设备。拖动这些机械设备都是利用三相异步电机；在我们平时家庭中，异步电机也无处不在，比如说电风扇、洗衣机，都是利用异步电机。同样的我们的异步电动机也可以用来做发电机。

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第二章关于异步电动机

2.1异步电机的分类、特点和用途

异步电机有很多品牌，我们可以有不同的分类方法，对电机的结构及工作原理可分为两类：第一类是直流电机，第二类是同步和异步电机。对于工作电源的类别进行如下分类：可分做直流以及交流电机。根据工作以及目的分为：电机的控制和驱动电机。根据工作运行方式能够划分为：电容起动式、起动运转式两中单相异步电动机。根据转子的结构划分别分为：有笼型和绕线转子型这两种形式电动机。按照电机的转速能够进行以下分类：分为高、低、恒、调速电动机几种类型。

在现在，通过三相电动机的功率划分电机，和附加它们的电源特点、工作情况、生活作用、内外部结构、等作为功率划分的补充。

在生活中异步电机特点很多，他的优点也很多比如他比较小型。并且容易实

现转速大于10 000r/min 的高速转动。高速低扭矩时，它的运行效率是很高的。低俗

的时候转矩大，调速范围宽，并且结实耐用，成本低价，控制简单。

异步电机在生活中的通途：异步电机生活中大多作为电动机，实现电能机械能

之间的转化，用作驱动很多生产中的机械。比如：工业上的各种加工中心、专业加工设备、机床、工长用的机器人等机械，抽水机、新型工业机械等机械设备的控制;化学及其他各矿物企业设备的控制；并用于军事航天等各种设备的方面。在农业方面，电力排水电机，割稻谷机，榨油机械等各种农用机械基本是由异步电动机进行拖动。可以说生活中每各个领域都要采用异步电机

下面关于前面介绍的异步电机，我们做一个表格进行系统的分类，和其结构详细参考表2-1。

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表2-1 三相异步电动机的分类 分类方式 按转子绕组形式 定子铁芯外径 大 >630 (>1000) 按保护的方式 按照通风冷却的方式 按照安装的结构 按绝缘等级 按电机工作的定额 按用途 类别 笼型、绕线型 中 355-630 (500-1000) 小 80-315 (120-500) IP11、IP22、IP2、IP44 自冷，他扇冷，自扇冷，管道通风 卧、立、带底脚、带凸缘 E、B、F、H 持续、短暂、有周期，无周期 防爆，潜水，起重等

2.2异步电机未来发展趋势

现在，随着Y系列异步电机高性能制动电动机取代JO2型发动机之前，并不是由以前的约束影响，所以，，目前在Y取代JO2型异步电动机在很多实用的场合上。。JO2型快被淘汰了，Yx系列电机的销量遭受它的容量的约束。在平时，90KW以下可被Y系列代替。近十几年来，政府大力于推广关于电动机调速，各个行业都在各种事情上会用到电机的调速。对一些大公司的一个调查显示。石油，化学建材应用电机转速的控制是能很好的应用。在400000000千瓦的负载电流，约50%的负荷是随时变化的，其中约30%的制动电机转速，解决其负载变化的问题。我们有6000万千瓦的电机市场，这么大的市场。我们所有的发电机的总装机容量大概是4亿千瓦，异步电机占的比例比较大，大约为90%。中小型电动机占其中80%，机械的电动机大概有1.3亿千瓦。

最近许多年来，各个相关的部分都在关注电机的节电的这个方面，大力发动人力物力对节能电机进行研究，取得了较好的成效。这些节能电机就是我们的高效电动机和调速电机。

第三章 关于异步电动机的内外部结构以及工作的原理

3.1 三相异步电动机的基本结构

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此类电动机主要的构成部分即是定子模块以及转子模块。鼠笼以及绕线这两种形式是转子的固有形式。定子与转子之间又有气隙存在。下图是此类电机的基本结构。

图3-1 异步电机的结构

1、 定子

异步电机的定子是能够产生磁场的，具体是由定子铁心和外壳以及定子绕组三个部分作用。

（1）定子铁心 主要由齿压板、圆形铁心冲片和压圈等压缩装在一起的，经其他一些零件焊接固定成一整体。铁心冲片一般来说由互相绝缘硅钢片冲接成，硅钢片有好多的型号。在内环板凹槽均匀分布，定子绕组嵌在里面。

（2）定子绕组 由相互对称的三个绕组共同组成了三相异步电机的定子绕组，是由好多个线圈接照一定的规律连接而成的。

（3）外壳 包括一个轴承盖，座盖和环、接线盒，等。 2、转子

转子铁心、转轴和转子绕组是组成异步电机的转子的最主要的三个部分。 （1）转子铁心的结构分为两种，一种是通过堆叠很多0.5毫米厚的钢硅钢

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片而成的，另一种是绕线转子。铜条或铸铝焊接通过某种方式组成了笼型转子，在转子支架上或在转轴上有整个铁心都会固定在上面，若去掉这个铁心，绕组的外形就好像笼，所以通常又把笼型转子又叫做鼠笼转子。

（2）转子绕组 绕线和笼型绕组是我们的转子绕组的两种结构。双笼型和深槽型是笼型的两种结构，他们比较优秀的特殊结构可以改善电机的启动性能，更多用于100X103w之上的比较大型的电动机。定子绕组和转子绕组的绕线，同时由三相对称绕组，，常连成Y联结，引出线接在与转轴之间已经绝缘很好的集电环上面，与外电组或者其他的控制器相互连接是通过相关电刷设备，这样用来改善电动机的调速和启动性能。，举刷相关装置被安放在比较大容量的绕线式电动机，这样做可以减少电刷和集电环之间的损耗。

（3）轴主要的材料是中碳钢，转子铁芯套在轴或由压圈通过特定的方式放在轴上，它撑住了转子，所以定子腔才能做匀速的旋转，使转子可以做匀速转动，并將三相电动机所输出的转矩进行传导。

3、气隙 任何旋转电机和异步电机一样，在转子和定子之间一定存在一定的气隙。气隙也属于电机磁路的一个部分，它的大小对异步电动机运行性能会造成很大影响。如果定转子之间的气隙越大，电机的磁阻将会更大，但是这样的话会致使我们的异步电机的功率因数会下降。但还和其他因素一起决定。大概是0,2毫米~1.5毫米的气隙比较合适。

3.2三相异步电动机的铭牌和一些参数

每台电动机都有一块铭牌，铭牌上有一些有用的参数，在平时分析计算和使用的时候我们都需要注意

1、三相异步电动机的铭牌上的数据

（1）型号 现如今我们使用的电机一般是Y型连接的三相异步电机，这种电机是按照IEC标准生产的三相异步电机，是一款新型的三相异步电机。

（2）额定电压 一般来说是指电机在额定运行的时候，定子绕组两端的电压的大小称为额定电压，单位是伏（V）。一般来说在铭牌上都会标有两个电压的数据。

（3）额定功率 是指三相异步电机在额定电压运行时，在异步电机轴端所输出的频率叫做额定功率，单位为W（瓦）或者是KW（千瓦）。

（4）额定频率是指输入频率为50Hz，规则在中国的频率，都是50Hz。

（5）额定电流 一般来说是指电机在额定电压以及额定频率下，定子绕组上的存在的电流，单位叫做A（安培） 。

（6）电机的额定转速是在轴的额定输出功率，和额定频率，额定电压的情

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况下转子的转速，它的单位是转/分

（7）额定功率因数 在额定的情况下运转，定子相电压和它的相电流之间的相位差

（8）额定效率 额定运行时的效率。

（9）绝缘等级 一般来说是指电机在额定的情况下转动运行，电动机绕组的温度和其周围的温度之间的差值。当然不同的绝缘水平的绝缘材料的耐热性是不一样的，详见下表3-1。。

表3-1 绝缘材料的耐热等级 耐热等级 最高的工作温度 Y 90℃ A 105℃ E 120℃ B 130℃ F 155℃ H 180℃ C >180℃ （10）标准符号 至电动机产品按规定标准生产，技术数据能看到这个要求的标准。

（11）工作制或者说定额 一般来说是指电机的运行转动的状态以及它可以持续不断工作的时间，一般来说可把它分为三种状况：第一种是连续状态、第二以及第三种状态分别是断续以及短时周期状态。

（12）联结 是指三相异步电动机的连接方式，一般可以接成三星型或者星型。接线时应当注意好几个事件，比如说电动机电流、还有电压、还有联结三者之间的约束的关系。

2、异步电动机的主要系列

异步电机在我国有很多型号类别，通过一些他们拥有的特殊性质，异步电动机主要有一下类别：

以前的J02系列三相异步电机被现在的Y型小型全封闭自冷式所代替。用于各种机械的生产，也可用于惯性载荷或静载荷拖动机械，如压缩机，输送机和小型起重运输机械等。异步电机处于380V额定电压的情况下，功率一般在0.55千瓦~90千瓦这个范畴。

在如果需要起动惯性负载比较大的机械的时候，我们一般用高起动转矩异步电机，有两种型号分别是：JQ2和JQ02。他们区别是：分别防护式和封闭式。

JD2系列以及JD02系列都是嫡出于JQ2系列、JQ02系列延伸出来的。还有其他一种特殊型号的电机属于JN系列

3.3三相异步电动机的工作原理

切割磁感线的时候，产生了感应电动势，在产生的电动势的作用下，在闭合的道题中产生感应电流，产生的感应电流又和磁场互相作用。这样会在转子的产生了一个力F。这个力会组合成一个力矩，使得转子发生转动。电

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动机的转子的实际转速一直低于旋转磁场的同步转速，这是异步电机的一个特点。所以他的转速永远都不会大道同步转速，这是一个和同步电机鲜明的特点。这样的话他们之间就没有感应电势，当然也没有感应电流。所以转子的转速会慢下来。所以电动机运转的时候，转子转速总会低过它的同步转速。 工作原理详情见图3-2

图 3-2 三相异步电动机工作原理

其实，异步电机有发电机运行、电动机运行、电磁制动运行，三种运行状态具体如下：

（a）0（c）s>1：这时的电机处在电磁制动的状态

3.4 机械特性和工作特性

Tmax

TTqTNOsm1n0nNnab TNTqTmaxT(a) T=f(s)曲线 (b) n=f(T)曲线s Oc

图 5-5 三相异步电动机的机械特性曲线

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第4章 对电机设计和优化

4.1电机制造与设计的概况

电机设计的任务可总结为四个基本要点：1、遵守国家经济政策，符合经济性，可靠性；2、满足用户所需要的基本要求；3、使用相关实际的理论和计算的方法；4、对待各种矛盾时，可以正确处理。

在电机的设计过程中，我们要经过三个阶段才能全部完整整个电机的设计，分别是：（1）准备过程，（2）对于电机结构的设计，（3）对于电机电磁的设计

（一）准备阶段

做到熟悉国家的相关标准，收集各个相应方面的资料，接纳各方面的意见和建议；然后指定相应的方案。

（二）电磁设计

根据相关政策或法律，根据我们的生活经验，通过各种方式，指定程序确定相关数据，相应的材料，选择，并再次进行电磁特性计算。

（三）结构设计

对电机的各个外部因素、性能、材料等进行确定，包括机械计算、温度、通风等计算。

本次设计主要针对电磁设计所以只对电磁设计部分所处相应介绍。

4.2电磁设计

电磁设计分成四个基本步骤：

①电机的额定数据指标和内外部尺寸；②电机的磁路计算；③电机的相关参数计算；④电机的起动相关数据计算。

我们要做好设计方案一定要以节省材料为主要目标，就是将定子用铜量等各种用量尽量小，再者，电机性能也要保持良好，效率和功率因数是比较大的，尽可能的起动电流小，最大转矩和起动转矩大的电动机。但是，电机的经济与性能的指标方面往往存在矛盾，容易偏重一点。所以作为设计人员，应该用全面综合的眼光看待问题。找出最优的方案。

下面重点介绍电机的五个重要的性能指标与改善的方法 1．效率η

(1P)100%(1P)100%1P

..

-ppCu1pCu2pspFepfw（即电动机所有损耗标幺值的和）

在本设计中，低效率的原因通常是铝转子定子铁损耗大。出于不同的原因，应采取相应措施，提高电机的效率。

1）转子的铝损大可采取的两种方式：第一种方法是加大转子的槽面积；第二种方法是加大端环的尺寸大小。

2）定子的铜损大可采取的措施：降低定子绕组的电阻，方式：（1）把导条的面积增加，或者还可以把导体数的数量减少（2）还可以把每个槽的导体数量减少 ；（3）把绕组的端部的长度减小

3）对于铁耗量大我们才可以采用的办法：使得铁心的磁密减低，（1）把定子的内径变小，使槽型和磁密都得到合理分配，合理布局，转子齿，轭磁通密度和损失；（2）加大铁心的长度，降低产生的旋转的铁耗；c.加大定子绕组的匝数量。

2．cos（功率因数）

cosI1PI1I1PI1PI1Q22

导致效率低的原因基本都是磁化电流比较大或者漏电流比较大。我们可以通过调整槽型尺寸的大小，让磁密分布的更加合理来使降低磁化的电流的目的得以实现。

3．Ist（起动电流倍数）

22IstIKWist,Ist,ZstRstX(st)I1Zst

总而言之，漏抗比较小会导致起动电流会偏大。如果想使起动电流得以降低，可增加电抗，方法有好几种：比如说加大每槽的导体数；还有通过改变定转子槽的型，可以让槽变得深并且相当窄；削减槽口数目，增长电机肩的地方的斜度，使得漏磁磁路不会容易太饱和。 4．Tst （起动转矩倍数）

TstR2(st)Zst(1SN)

SN是相应的额定转速下的转差率。

通常，起动转矩大更好。起动转矩太小主要决定漏电抗过大和转子电流比较小。可以通过一些手段来针对漏电抗比较大这个情况，比如说：改变定转子的槽

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型，还有增加槽的宽度，或者把槽高减小等，这些措施都这可以解决漏电抗较大的情况。但当转子电流太小，你可以改变转子槽的槽的面积减少，这样就可以增大起动时候的转矩了。 5．Tmax（最大转矩倍数）

Tmax1sN2(R1R1X)22

在我们生活生产中，最大转矩的倍数大肯定更有利。转子电流过小和漏电抗过大，使得我们的最大转矩倍数产生变化。加大最大转矩倍数的方法和加大起动转矩的方法是相似的。

通过以上的的分析，我们可以发现当采取措施得到某一个性能，常常使其他一方面性能变差。所以，我们要综合的考虑问题，早各项指标都达到要求后，在想出合适的方法优化某一指标。

4.3对电磁设计的优化方案分析

1.方案一

从节省材料这方面进行分析

为了在这些材料保证定子铜和硅钢片的节约，我把这个方案的计划是：把核心的长度减少到7.5，把定子槽的半径的大小减少到4.5，把槽的高度改成12，还有把线径改换为0.68mm。

下面通过我们现实数据和我们做的方案一的槽满率、比较材料用量和它的性能指标和一共8项数据来进行比较：

表4-1 方案一的数据对比

电机效率 功率因起动起动电数转矩流倍数 （cos） 倍数 7 2.2 1.9048 最大转矩倍数 2.2 2.1494 数据项目 槽满率 铜量 铁量 GB 1.4454 9.2625 0.7700 0.86 现实计算 78.00% 优化方案一 0.7676 0.8143 6.8383 79.76% 1.3012 9.1604 0.7534 0.7901 7.1324 2.165 2.1231 由表4-1我们能发现，我们和原来的方案进行数据分析比较：如果槽满率增大，我们对材料的使用方面将会变得更少，但对于电机效率将会减小，并且功率因数也会减小，起动转矩倍数和最大转矩倍数都会有稍微的增加，起动电流会增加。

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分析：

一台定子导线的重量为：GALClzZ1Q1S1N1105.....①， 一台硅钢片重量为：GFeKFel(D1)27.8103.....②

分居式2我们可以发现,对于铁心的冲剪余量和压装系数是不会变动的,因此如果想使硅钢片用的少，就只可以通过减小铁心的长度来减少硅钢片的用量。通过减小铁心的长度，即减小铁的用量，又可以减小定子的铜用量，但是这样的效果不是很明显，而且会降低电机的效率。所以如果想减少铜用量，我们可以减小定子槽形来减少铜用量，也是的电机的功率因素和效率都得到提高，原因的定子高度的加大，会让定子槽面积加大，让定子电阻有所降低，同样达使起动转矩有所提高；如果增加了槽高，电机的漏电抗会变大，cos会升高。这样的话，还是不能平衡上述所带来的效率降低。故，效率和功率因数的约束着定子外径和铁心长度这样不能减少太多，如果降低太多可能无法正常的运行。导致更麻烦的后果。

1.方案二

从提高效率这方面进行分析

为了用各种手段来提高异步电机效率，在第二个方案中我们才去的方式是：使每槽导体数降低为85，线径增加到0.72，铁芯的长度增加到85。

比较下面数据通过我们现实数据和我们做的方案三的槽满率、比较材料用量和它的性能指标等这些一共8个数据做比较：

表4-2 方案二的数据对比

电机效率 0.77 0.7676 0.7825 功率因起动电数流倍数 （cos） 0.86 7 起动转最大转矩倍数 矩倍数 2.2 2.2 数据项目 槽满率 铜量 铁量 GB 1.4454 9.2625 现实计算 78.00% 优化方案二 0.8143 6.8383 1.9048 2.1494 79.63% 1.5321 9.4032 0.7901 6.9637 2.1012 2.2148 由表4-2我们可以得到，我们和我们的原方案的数据相对比：异步电机的效率是提高了，增大了起动转矩倍数与最大转矩倍数，但是起动电流将增大。

通过对4个数据进行变动，最后我们把性能提高了，也节约定子用铜。 2.方案三

下面从节省材料和提高性能这两个方面进行分析

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为了可以在现实本方案的基础上节约定子的量和效率能够相应的有所提高，我在方案三中使用的方法是：把定子槽宽度减小到了7.5，把定子的槽高减小到了13。把每槽的导体数减少到了80，把定子的槽半径减小到了4.5，把线径改变到了0.72 。

比较下面数据通过我们现实数据和我们做的方案三的槽满率、比较材料用量和它的性能指标等这些一共8个数据做比较：

表4-3 方案三的数据对比

电机效率 0.77 0.7676 0.7725 功率因起动电起动转最大转数流倍数 矩倍数 矩倍数 （cos） 0.86 7 2.2 2.2 项目 槽满率 铜量 铁量 GB 现实数据 优化方案三的数据 78.00% 78.76% 1.4454 1.3758 9.2625 9.4032 0.8143 6.8383 1.9048 2.1494 0.7631 6.8631 2.1012 2.1836 由表对比可以知道：定子铜重将会有所减小，这样节省了材料还提高了效率。 经过多次实验，最终对以上共5个数据进行改变，最后节省了材料，综合上还提高电机的性能。