三相异步电动机的设计及优化（Y160M-411kW）_开题报告

电能适宜于大量生产、集中管理、远距离运输和自动控制，比其他各种形式的能两更有优越性。人类对能量利用和控制的能力决定着社会的生产潜能， 从而又影响着人类生活方式的进步。目前，全球每年电能的用量大约为10^4kW·h，并且还在以每年10亿kw·h的速度增长。

电机是将电能从最初的能源形式转换过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置。电机在电力工业、工矿企业、农业、交通运输业、国防、科学文化及日常生活等方面都是十分重要的设备。在电力工业中，将机械能装换为电能的发电机以及将电网电压升高或降低的变压器，都是电力系统中的关键设备。在很多地方都需要不同特性的电机来驱动和控制。随着工业企业电气化、自动化、电脑化的发展，还需要众多的各种容量的精密控制电机，作为整个自动控制系统中的重要元件。

电机行业是一个传统的行业。经过200多年的发展，它已经成为现代生产、生活中不可或缺的核心、基础，是国民经济中重要的一环。作为劳动密集型产业，我国发展电机制造业有着得天独厚的优势。到目前为止，我国的电机制造业已经具有一定规模。统计数据显示，2008年上半年，全行业实现工业总产值180.5亿元，同比增长19.7%。累计产量6805万千瓦，同比增长11.1%。在总产量中，大中型电机产量为2878.7万千瓦，增速减缓3.5个百分点；小型交流电机产量为3224.8万千瓦，同比增长5.6%，增速同比减缓8.8个百分点；直流电机产量284.2万千瓦，同比降低20.9%，增速同比减缓21.7个百分点。上半年全行业实现销售收入178.5亿元，同比增长17.7%。

2008年以来，虽然我国经受了全球经济危机的影响，部分产业产值呈下降趋势。但是电机企业产量突飞猛进。其主要原因是，企业积极实施国家节能政策，风电生产项目的效果显著。

小型交流电机同比小幅增长，大中型电机增势明显，这与国家经济快速增长拉动有关；直流电机产量同比降幅加大，主要是用户如轧钢机行业的需求量减少。随着交流变频器电机技术的发展，依靠性价比优势，替代部分直流电机，使直流电机市场萎缩。例如，以起重冶金、中型高压大功率变频调速特种电机为发展核心的江特电机有限公司，预计到2009年公司产能将由目前的120万千瓦增加至255万千瓦。

 此外，出口电机虽然保持小幅度增长，但同比增速大幅回落，原因在于世界经济增速放缓，人民币持续升值，生产成本继续加大，导致企业利润减少，甚至出口出现亏损，企业主动或被动限产自救。

2008年以来电机行业实现利润102324万元，同比增长38.8%。2008年受国内外市场因素的影响，原材料价格一路走高。目前，成本压力正加速转向下游工业行业，企业普遍感到赢利障碍增多，与工业生产紧密关联的原材料、燃料购进价格1月上涨了8.9%，3月上涨了11%，到6月涨幅已经增至13.5%。这意味着，2008年上半年企业要比一年前消化更多的成本。目前，热轧硅钢片价格每吨比一季度上涨了501元，比上年末上涨了1185元；冷轧硅钢片价格每吨比一季度上涨了532元，比上年末上涨了1102元。

显然，电机在国民经济建设中其者重要的作用，随着生产的发展和科学技术水平的提高，他本身的内容也在不断地深化和更新

国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

国内外变频调速三相异步电动机发展概况分析

变频调速三相异步电动机已有近20年的研制开发、设计和生产史。尤其近些年来,随着变频器研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善,性价比趋于合理,变频调速技术被广泛采用。又因为变频调速笼型异步电动机其结构简单可靠、维修工作量小、节能、调速性能好等优点,较直流机调速更优越,广泛用于驱动各种石油、化工、起重运输、机械加工、造纸、纺织和冶金等行业的机械设备。

截止到2000年,变频器供电的电动机占欧洲交流机市场的30% , 预计到2020 年将提高到50% ,国内发展更为迅速。在冶金行业中,凡是需要调速的机械设备, 90%以上采用变频调速装置(变频器与电动机及控制的组合) ,采用直流机调速的很少。其次是起重机械、风机水泵及其它行业,品种较齐全。国内外分普通型和防爆型高低压变频调速三相异步电动机。

试验研究表明,变频器供电的异步电动机,虽然有其显著不可比的优点,但也存在高次谐波大、损耗大,受到电压变化率dv / dt的冲击等问题。除了变频器本身在不断改进提高外,就目前情况而言,变频调速电动机在设计上如何适应变频器这一特点,多年来,尤其是20世纪90年代以来,国际上从事变频调速电动机研究的广大科技人员在广泛试验研究的基础上,通过优化设计、改进转子槽形、增强绝缘结构、研究新材料、采用绝缘轴承等一系列措施以适应变频器的特点,来提高变频调速电动机的性能、使用寿命和可靠性,效果显著。国内也有从事这方面的研究人员。但变频调速电动机生产企业多借鉴国外的研究成果,多在实践上下功夫,取得了可喜的效果。

1　积极制订、修改和完善国际标准和地区标准

变频器供电的电动机应用和实践积累了丰富的经验,这给制订标准奠定了基础,研究与再实践给修订和完善标准提供了理论根据。有关标准如下:

(1) IEC 60034—17自1993年以技术报告形式公布, 于1998 年经修改变成第2 版, 又于2002年改进成技术规范出版公布。IECTS60034—17第4 版“旋转电机—第17 部分: 变频器供电笼形感应电动机—应用指南”,以技术规范于2006205公布。

(2) IEC TS60034—25“旋转电机—第25 部分:变频器供电专用笼型感应电动机设计与性能指南”, 2004年4月第1版。

(3)美国NEMAMG1第30部分“具有谐波含量的正弦波电网供电恒速电动机和调压控制器或

调频控制器或调压调频控制器供电通用电动机的应用条件”和第31部分“变频器供电专用电动机(1998) ”也在不断完善,努力使定性化参数变成定量化参数。

(4)ANSI/AP1 541—2003美国石油学会标准“500马力及以上成型绕组笼型感应电动机”,2004年6月第4版。

(5)德国D IN VDE0530标准中关于变频电动机部分也随IEC的有关标准的修订而修订。

(6)国内还没有关于变频调速电动机的国标(有变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则,等同采用IEC TS60034—25) ,只有行业标准JB /T7118—2004 YVF2系列( IP54)变频调速专用三相异步电动机技术条件(机座号最大到315) 。

2　改进设计、采取措施以适应变频器的特点

改进设计(国外情况):(1)电压源变频器供电笼型异步电动机优化设计;(2)电流源变频器供电笼型异步电动机优化设计;(3)转子槽优化设计;(4)绝缘结构设计;(5)轴承结构设计;(6)转子齿部几何形状的选择;(7)性能参数的选择:比如起动电流、起动转矩在设计上不做为主要目标进行考核;最大过载电流应当尽量小,这与选择变频器容量有关;在矢量控制时,转矩电流Iq 与励磁电流Id 的比率: 恒转矩控制区: Iq / Id ×过载倍数≤10 恒功率控制区: Iq / Id ×过载倍数×( nB / nT ) ≤10～15 ( nB 与nT 为转速);(8)变频器的输出含高次谐波电流一般情况下是电动机的额定电流的约10%,使电动机温升增高,设计时应留有温升裕度。国内在上述(4) 、(5) 、(7)和(8)方面的设计上采取措施,变频调速异步电动机的优化设计在电动机生产企业应用有限。

绝缘结构

绝缘结构通常指槽绝缘、相间绝缘、绕组端部绝缘、绕组绝缘、浸渍漆和电磁线,这在国外都有研究成果,国内采取的措施是加强绝缘的结构,选无溶剂漆VP I浸漆工艺,选防电晕的变频调速电动机专用线。

绝缘轴承的应用

变频器供电的电动机比普通电源供电的电动机产生的轴电压和轴电流要大,并电蚀轴承旋转

工作面,轴承损坏成为突出问题,这在国外文献中可以看到电蚀的图片,所以选用绝缘轴承或轴接地碳刷。但绝缘轴承昂贵,且没有大规格绝缘轴承,尤其防爆变频调速电动机不能用轴接地碳刷,所以国外采用了绝缘端盖结构,既经济又实用。国内佳木斯电机股份有限公司早已采用绝缘端盖结构,但与国外相比,其功能一样,结构不完全相同。

3　电动机的结构

(1)变频器供电的电动机与普通电源供电的电动机结构件是相同的,在国内外产品上是一致的。

(2)冷却方式有两种:其一是与普通电源供电的电动机相同,其二是设独立风机进行冷却,以提高变频器供电的电动机散热效果,同时不受电动机的转速影响,国内外产品是一致的。

4　辅助装置

由于变频调速系统控制上的需要,变频调速电动机装有如下辅助设备: (1)测速发电机; ( 2)编码器; (3)超速开关;(4)绕组及轴承控温用热敏电阻, 如PT100 或PTC。

5　试验方法

由于变频器供电的电动机与普通电动机有其共性,也有其特殊性,所以还应有特定的试验方法,下面只简要介绍美国的情况。美国NEMA MG1规定,变频器供电专用电动机的试验方法应符合IEEE122标准规定。NEMA标准规定的变频器供电的电动机试验项目如下:

例行试验：(1)测量绕组电阻;(2)用正弦电压测量基准额定电压和额定频率下的空载电流和转速;(3)耐压试验按NEMA MG1的3. 1、12. 3或20. 17条款进行。

性能试验

除非制造厂和用户之间另有协议,性能试验应当用60Hz电源进行(美国工频为60Hz) 。从以上看试验方法还不完善,我国还没有变频器供电的电动机试验方法的国家标准,都是各生产厂自行决定。

6　产品种类

近十几年来,国外一些大公司都根据变频器供电条件和特点设计开发和生产不同种类变频调

速异步电动机,国内也是如此。大致分类如下:

电网供电和变频器供电通用电动机,但在产品设计上充分考虑到变频器供电的不利条件和有利条件。

变频器供电专用电动机,其特点是产品能在零赫兹至上百赫兹范围内工作,以满足大调速比的要求。

变频器装在电动机机座的一体化变频调速异步电动机,其优点是减小作用在电动机端子上的高脉冲电压冲击,提高使用寿命。目前这种电动机最大功率为7. 5kW。

派生系列电动机很多,举例如下:防爆变频调速电动机;冶金辊道用变频调速电动机;变频调速制动电动机;变频调速伺服电动机。

变频调速电动机低电压比较多,高电压比较少。近十年来国内生产的变频调速电动机量比较大,品种齐全。佳木斯电机股份有限公司生产的低压变频调速电动机机座号802710、功率0. 75 kW～1 800 kW,同时生产防爆高压变频调速电动机。尤其是于1986年开始研制的变频调速电动机,其特点是既防爆又防X射线,用于西昌卫星发射中心。随着国内其它生产厂的变频调速电动机生产规模逐年增加,为国民经济发展作出了贡献。

本课题研究内容

本课题研究Y160M-4 11KW 三相鼠笼式异步电动机设计，复算出电机的各种数据。并提出提升性能方面的建议。

本课题研究方案

研究Y160M-4 11KW 三相鼠笼式异步电动机设计，对照已有的同型号的电机;参考提供的设计程序进行电磁复算。并：

1.在原复算方案的基础上节省材料；

2.在原复算方案的基础上提高性能；

3.在原复算方案的基础上既节省材料，又提高性能；

4. 将三个方案进行比较，并用已学过的理论进行分析。

研究目标、主要特色及工作进度

对所选型号的电机进行电磁复算，参照已有的目标进行改进

工作进度：

1.2-3周  电磁复算

2.5-6周  设计三个方案，即节省材料、提高性能、即节省材料，又提高性能。

3.2-3周  绘图   总装图 转子装配图 定子冲片图

4.写^文档^范文

六、参考文献

《电机学》

《国内外变频调速三相异步电动机发展概况分析》