单相串励异步电动机结构设计 35页

'单相串励异步电动机结构设计第1章概述1.1选题的意义一、选题的依据和意义　自十九世纪八十年代发明旋转电机以来，随着技术、材料的不断进步与发展，电机的性能得到逐步的提高，呈现出大容量和小型化趋势。为配合电动工具、家用电器的发展需求，单相串励电动机应运而生，其特点是交直流两用，转速高、转速随着负载变化而变化、启动转矩大及调速方便等。用于家用电器的有吸尘器、电吹风、食物搅拌器、果汁机、洗碗机、洗衣机、电动缝纫机等。而电动工具上则有剪枝机、手电钻、电刨、电动锯、电动螺丝刀、打磨机、抛光机、打蜡机、电动扳手、除草机、清洗机，喷漆机、草坪机、吹树叶机等。因此，其使用面非常的普及。二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。这种电机应用十分广泛，主要在于它具备以下一些优点：(1)使用方便这种电机虽然跟串励式直流电机的结构一样，但是它能在交流电源下使用。改变输入电压的大小，可以改变转速，所以调速也很方便。(2)转速高，体积小，重量轻其它的交流电机的转速，都与电源的频率有关，当电源的频率为60Hz时，转速不可能超过3600rad/min，但是单相串励电动机的转速却不受电源频率的限制，它的转速一般可以设计在3000~30000rad/min之闯。电机的转速越高，电机中铁磁材料的用量越小，因此电机的体积重量相应减少。(3)软的机械特性单相串励电动机具有软的机槭特性，转速随着负载的改变而改变。负载越大转速越低。它的电磁转矩几乎与电流的平方成正比，再加上串励电动机的软的机械特性，使其特别适用于电气牵引和卷扬机械。因为这类机械需要经常启动，并且还有可能过载。当负载增大时，串励电动机的转速将急剧降低，以便保证安全：当负载减小时，串励电动机的转速将迅速上升，以便提高生产效率。由于机械功率等于转矩和转速的乘积，因此，当负载转矩变大时，电动机的输出功率和由电网提供给电动机的电功率也可以保持在比较稳定的数值，两不致有很大的波动。31 （4)启动力矩大，过载能力强单相串励电动机的启动力矩很大，12000rad/min电动机的启动转矩高达额定转矩的4～6倍。而其它的单相交流电动机大多为1倍以下。所以比较实用于电动工具，不容易被卡住，有较大的过载能力。诸如以上优点单相串励电动机的前景广阔。1.2单相串励电动机的发展近况与发展趋势二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。近年来，由于市场需求量大，对单相串励电动机的研究更加深入，在制造工艺上也有长足发展。但是，单相串励电动机也有很多的缺点，现在的最主要发展方向是尽可能抑制其缺点。单相串励电动机主要存在以下缺点：（1）高速运转的单相串励电动机又容易产生谐波，这使电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除电力系统中谐波的方法，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常重要的意义。谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。（2）单相串励电动机在交流电源下工作，其换向情况复杂，加上该类型电机一般在高速下工作"其转速可达30000r/min，由此产生的换向火花(振动和异常噪声也更为严重。单相串励电动机的噪声和其他类型电动机大致相同，主要分为机械噪声和动力噪声以及磁噪声。（3）由于单相串励磁电动机需要换向器装置，因此，其寿命存在一些问题。由于单线串励电动机存在比较多的缺点，现在对单相电动机的研究主要倾向于解决单相电动机的这些缺点。1.3单相串励电动机设计要求电机设计包括电磁设计和结构设计两个设计内容，习惯上所指的电机设计往往是指电磁设计。本次设计内容也主要是电磁设计，单相串励电动机由于转速高、机械特性软、换向条件严酷以及功率比较小等特点，因此，在电磁设计中有其特点和要求：其一，额定工作点，也就是保证转速、力矩为额定值。因此在电磁设计中往往提高额定点的设计转速5％～1031 ％，以保证电机输出功率不低于额定功率；其二，控制换向火花，对于换向条件严酷的单相串励电机控制影响换向火花的电磁因素尤为重要。至于其他性能指标，一般电机设计的一些基本要求对单相串励电机也是适用的，但由于单相串励电机自身的特点，往往对有些性能指标不作考核，有的指标则允许有较大的偏差。如单相串励电动机的启动转矩、最大转矩、功率因数(一般高达0.9左右)都比一般交流异步电机高得多，所以不作严格要求。但值得注意的是，功率因数和效率在设计中仍需要严格核算。1.4电机设计分析的方法当前，用于永磁同步电机电磁性能分析的方法主要有等效磁路法、电磁场数值计算法以及场路结合法，其中电磁场数值计算法中用得最多的是有限元法。l、等效磁路法等效磁路法是研究电机性能的传统方法，将空间实际存在的不均匀分布的磁场转化成等效的多段磁路，并近似认为在每段磁路中磁通沿截面和长度均匀分布，将磁场的计算转化为磁路的计算，然后用各种系数来进行修正，使各段磁路的磁位差等于磁场中对应点之间的磁位差。这种处理方法，可以大大减少计算所需的时间，在方案估算、初始方案设计和类似结构的方案比较时更为实用。但由于永磁同步电机磁场分布复杂，仅依靠等效磁路模型难以描述永磁同步电机磁场的真实情况，使得一些关键系数如极弧系数、漏磁系数等无法由磁路法直接推导得出，而只能借助于经验数据或曲线。又由丁永磁同步电机是一种较为新型的电机，设计经验的积累还不够丰富，经验数据或曲线通用性差，该种电机磁路结构多种多样，且继续有所创新。这样按照经验修正参数必然会影响计算结果的准确性，要得到高精度的结果必须采用其它的分析方法。2、电磁场数值计算法电磁场数值计算方法包括有限差分法、有限元法、积分方程法和边界元法等四种基本类型，以及近年来发展产生的有限元法和边界元法相结合的混合法。其中，最有效的是有限元法。有限元法具有单元剖分灵活和算法统一、通用的优点，且特别适合在电子计算机上运算，近年来在工程中得到了广泛的应用。有限元法最主要的特点是根据该方法编制的软件系统对丁各种各样的电磁计算问题具有较强的通用性，通过前处理过程能有效地形成方程并进行求解。它能较好地处理非线性问题，处理第二类边界条件和内部媒质交界条件非常方便。它所形成的代数方程具有系数矩阵对称、正定、稀疏等特点，所以求解容易，收敛性好。但利用有限元法进行电磁场数值分析时，所占用的计算机资源较多，计算时间较长。总之，工程设计和科学研究对电磁计算精确度要求的不断提高，促进了有限元法的发展及其在电机设计方面的广泛应用，而计算机资源的不断开发义为有限元法电磁计算的发展创造了必不可少的条件。31 3、场路结合分析法场路结合分析法是指磁场和磁路相结合的分析方法。传统的磁路法虽然计算速度快，但精度不高；而以有限元法为代表的电磁场数值计算法虽然较为准确，但对计算机资源要求较高且计算时间较长。因此，利用电磁场数值计算求出磁路法计算中不易准确计算的一些参数，如空载漏磁系数、计算极弧系数、气隙磁密波形系数等，再将这些参数结合到磁路计算中去，可以提高计算结果的准确性。综上所述，场路结合法是一种较为理想的电机性能分析方法，如果能将之应用到电机的性能分析中，在计算精度满足工程设计的要求下将使计算速度大大快于有限元法，对电机设计具有很大的实用价值。冈此，本文采j用场路结合的方法对永磁同步电机进行设计分析，完成以等效磁路解析求解为主，用有限元法计算得出的各种系数进行修正的永磁同步电机计算机辅助设计分析软什。本文使用等效磁路法进行设计分析。31 第二章单相串励电动机的基本理论2.1单相串励电动机的工作原理单相串励电动机与直流串励电动机的工作原理基本相同。单相串励电动机的电枢绕组通过换向器、电刷与定子绕组串联起来接到单相正弦交流电上。如图2.1所示。图2-1串励电动机的工作原理图2-1（a）当电流为正半周时，电流从左端流入，主磁通方向从右向左，依据左手定则，转子为逆时针方向旋转。图2-1（b）当电流为负半周时，电流从右端流入，主磁通方向从左向右，依据左手定则，转子旋转方向不变，仍沿逆时针方向旋转。以上原理试用于直流、交流、交直流两用型的串励电动机，三者只是相同原理下的不同参数设计而已。单相串励电动机工作时转速为4000-10000r/min.2.2单相串励电动机的基本结构单相串励电动机主要由定子、电枢、换向器、电刷组成。1定子部分定子由定子铁芯和励磁绕组构成。定子铁芯由0.5mm厚的硅钢片叠装组成，励磁绕组由绝缘铜线绕制成集中绕组嵌入定子铁芯。如图2-2所示31 图2-2串励电动机定子几百瓦以上的串励电动机还装有换向绕组和补偿绕组。一般来说，单相串励电动机功率小于200w时制成两级，200W以上制成4级。2电枢部分电枢又称转子是串励电动机的旋转部分，电枢由铁芯、电机转轴、电枢绕组、换向器和电机转轴上固定的冷却风扇组成。电枢铁芯采用0.5mm硅钢片沿轴向叠装组成。电枢铁芯冲片为半闭口槽，内嵌电枢绕组。电枢绕组由若干线圈组成，在单相串励电动机中，线圈又称为原件，线圈首尾端与换向器上的换向片相焊接。单相串励电动机的电枢构成如图2-3所示图2-3串励电动机电枢结构图电枢铁芯槽一般制成与转轴相平行，有时为了减弱电动机运行时的噪音，而将铁芯叠压成斜槽式。3.换向器部分31 换向器由许多围抱在圆形绝缘筒上而形成，各换向片间用云母片绝缘。换向片为铜质，加工成楔形片，在各换向片的下部两端均有V形槽，通过注塑的方法使换向片结合成整体。换向器固定在转轴上，并与转轴相互绝缘。这样的机械结构，可以使电机在高速运转时，承受离心力而不变形。换向器的结构如图2-4所示图2-4换向器结构图4.电刷结构图2-5为单相串励电动机的结构示意图图2-5单相串励电动机结构及电刷结构电刷是单相串励电动机的重要附件，它负责电枢绕组与外电路相连接，同时与换向器配合，负责电枢绕组的换向。单相串励电动机的电刷安装在电刷刷握中，并固定在电刷架上。电刷必须与换向器间滑动接触，当电刷存在较大的磨损和机械振动，或配合不当时，会产生严重的火花为了保证电机的正常运行，必须正确的选择电刷。电刷的选择要根据温升、换向器圆周速度而定。单相串励电动机多采用DS型电化石墨电刷，这种电刷温升与电刷的电流密度、电刷与换向器的接触电压降、机械损耗及电刷的导热性有关，圆周速度过高容易引起发热、加大电火花，在选择电刷时，还应考虑电刷的硬度和磨损性能等因素。31 2.3单相串励电动机的基本特性借助各个电压相量组成的向量图，如图2.3所示。电势平衡方程式是设计计算中所用的最基本的公式。由于外加电压u是一个给定的值，因此，可以用电势平衡仪程式来校验计算是否成立。若计算结果与此不符，那么设计方案便是没有意义的。这也是本次电磁设计程序把△U<1％作为一个重要检验指标的原因所在。图中，I为电机电流；、分别为在交流电源馈电下，电流流过定、转子线圈所产生的定、转子磁通。图2.3单相串励电动机电压向量图31 第三章单相串励电动机设计分析的主要问题3.1单相串励电动机设计分析软件本设计采用等效磁路计算法设计电机，电机磁路的计算采用matlab编程。MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。采用matlab编程可以实现电机磁路的自动化计算，而且利用matlab里面自带的插值函数可以自动插值查表，这就省去了人工查表和手动计算的麻烦。这也对方案的调整也更加的方便，更有利于计算出准确合理的设计方案。3.2单相串励电动机设计的基本思路与其他电机设计方法一样，单相串励电动机的设计师思路有以下几个步骤：（1）首先根据经验和已经生产出来的单相串励电动机大概估计电机的电磁负荷的大小，从而由单相串励电动机的主要尺寸关系（式3—1）确定电机的主要尺寸。（3—1）其中，为短距系数。（2）31 为了最大限度利用硅钢片，增强模具的通用性，节省原材料和降低成本，定子冲片外径不应任意确定，而是根据额定数据选取标准的定转子冲片。根据本设计的额定数据，可以选择定子冲片外径为=9.0cm的定子冲片。这样就确定了电机的主要尺寸比的大小。（3）冲片槽型、槽数选取可以凭借以往的经验进行预选取，槽数Z=（）D。由磁负荷的大小可知每极磁通的大小，感应电势E的大小可以确定每槽导体数的大小，但此时必须使槽满率满足要求。（4）定子冲片、绕组已定，接下来就是对电机磁路的计算，从而求得总的磁压降，这时可以确定每极励磁绕组和电流的大小。（5）最后就是进行一些参数的计算和核算，必须使端电压、效率和功率因数满足要求，如果不满足要求再进行定转子及绕组参数的调整，以使性能指标满足要求。3.3单相串励电动机的优化措施对电动机的优化设计是在尽量减少消耗材料的情况下，最大提高电动机的效率、功率因数和转矩的大小。下面对单相串励电动机如何提高效率措施进行分析。要提高电机的效率无非是要减小电机的损耗的大小，减小损耗可以从两方面下手：一是降低不变损耗，二是降低可变损耗。（1）不变损耗主要包括铁耗和机械损耗，可以采用损耗低的铁芯材料、降低气隙磁密和优化气隙磁场波形。减小机械损耗的主要措施有，提高电机的制造工艺水平和装配质量、采用合适的轴承和风扇。（2）可变损耗包括铜耗和杂散损耗。减小杂散损耗的措施有，合理设计极弧系数、选取合适的槽配合、定子斜槽等，提高功率因数使电流减小，从而使铜耗减小。31 第四章单相串励电动机电磁设计与方案调整本章详细阐述单相串励异步电动机的设计，定子绕组为铜线，绝缘等级为B级，其基本结构防护要求达到国家电工委员会外壳防护等级IP44的要求。满足国内标准，向某些国际标准及某些发达国家标准靠拢，贯彻“三化”——标准化、系列化及通用化的要求。4.1电磁设计程序（1）额定数据1.额定功率2.额定电压3.额定转速4.额定转矩5.额定频率（2）技术要求6.效率7.功率因数（3）冲片尺寸及主要数据参见附图，冲片尺寸（cm）：b0=0.25h0=0.070h2=0.9bp=3.8b1=0.540h=0.10hj1=0.9hp=1R=0.16h1=0.67L=5.28.定子外径9.定子内径10.电枢外径11.电枢内径12.铁心长度13.气隙14.电枢槽数15.极距31 1.极弧系数2.计算极距3.换向片数K=384.换向器直径DK=3.3cm5.电枢圆周线速度6.换向器线速度10-2=10-2=17.106m/s7.定子极高8.定子极宽（4）电磁数据计算9.负载电流10.电枢绕组线规导线截面积11.电枢绕组电流密度2=10.598212.电枢总导体数式中，取线负荷A=129A/cm13.电枢每槽导线数14.电枢槽满率=69.5362%15.电枢绕组平均半匝长式中16.电枢绕组电阻31 ==3.05891.计算功率式中2.旋转电动势3.实槽节距4.短距系数5.每极磁通（5）换向性能6.换向器节距7.换向器片距8.电刷尺寸9.电刷电流密度10.换向区域宽度31 式中1.电枢齿距2.电枢齿顶宽3.电枢齿宽上部齿宽：下部齿宽：平均尺宽：4.电枢槽宽5.电枢槽形系数式中6.电枢单位漏磁导31 1.电枢每元件匝数2.换向元件电抗电动势3.换向元件反应电动势4.换向元件变压器电动势（6）磁路计算5.定子轭高6.电枢轭高式中转轴采用双重绝缘，。7.定子轭部磁密8.电枢轭部磁密9.定子磁极磁密10.气隙磁密11.电枢齿磁密12.根据和查附录表得，31 根据和查附录表得，1.定子轭部磁路长度2.电枢轭部磁路长度3.电枢齿部磁路长度4.气隙系数5.气隙磁压降6.定子轭部磁压降7.电枢轭部磁压降8.定子磁极磁压降9.电枢齿部磁压降10.去磁磁动势11.换向增磁磁动势12.电枢反应磁动势式中(查附录图)31 1.总磁压降2.定子每极匝数3.定子导线线规导线截面积4.定子绕组电流密度（7）工作性能计算5.定子绕组线模宽度6.定子绕组线模长度7.定子绕组线模高度8.定子绕组线模每层匝数式中9.定子绕组宽度10.定子绕组平均每匝长度11.定子绕组电阻12.定子绕组电阻电压降31 1.电枢绕组电压降2.定子绕组漏抗电压降3.电枢绕组漏抗电压降4.定子绕组自感电动势5.电枢绕组交轴电动势6.电枢绕组变压器电动势7.定子轭部重量8.定子磁极重量9.电枢轭部重量10.电枢齿部重11.电枢旋转频率95.基本铁耗式中、，可查表得零速时电枢磁滞损耗31 式中、查表可得电枢谐波损耗1.总损耗2.换向损耗式中（按查附录图）3.电压有功分量;4.电压无功分量5.端电压6.功率因数，与24项相符7.定子铜耗8.电枢铜耗9.机械损耗和附加损耗（根据电枢外径和转速查附录图）。10.总损耗11.效率31 1.，与24项相符。（8）有效材料2.硅钢片重量3.定子绕组铜重量4.电枢然组铜重量4.2电机调整方案电机的重要数据可以通过前面的章节初步确定，但是欲得到合理的方案设计数据，则需要通过计算机调试来获得，实验结果如果不能满足要求，则需要进行再次方案调整，直至符合国家标准和用户要求。电机方案的调整和优化是一项非常复杂的工作，要综合考虑电机主要参数对电机性能的影响。下面我们把计算中可能遇到的问题、调整方法以及调试方案所得分析介绍如下。现象原因调整方法注意事项一、效率η低1、定子铝（铜）损耗大降低定子绕组电阻：（1）增大导线面积（2）减少每相串联导体数（即减少每槽导体数）（3）减少绕组端部长度（1）槽满率增高，嵌线困难（2）用铝（铜）量增加（1）漏抗减小，起动电流增高（2）齿、轭部磁密增高，铁耗增加，功率因数可能下降（1）嵌线困难2、转子铝（铜）损耗大降低转子绕组电阻：（1）增大转子槽面积（2）端环尺寸放大（特别是两极电机）（1）齿、轭部磁密增高，功率因数下降（2）转子电阻减小，引起起动转矩下降（1）过厚可能引起裂纹、缩孔31 3、铁耗大降低定子铁心成磁密：（1）减小定子内径（中圆）、改变定子槽形，适当地降低定子磁密，使定、转子齿、轭磁密和损耗分配合理（2）增加铁心长（特别是设法增加净铁心长，如采取氧化膜、退火等工艺措施，注意提高涂漆质量）降低旋转铁耗：（3）减少定转子槽口宽度以及采用闭口槽（一般用于转子）和磁性楔（一般用于定子）调整铝（铜）耗与铁耗分配：（4）增加定子绕组匝数（1）转子齿、轭部磁密增高（1）用铁量增加（1）漏抗增加，起动转矩、最大转矩下降（1）铝（铜）损耗增加4、机械损耗大（1）减小风扇尺寸（2）轴承润滑油适合（3）提高装配质量（1）温升升高5、杂散损耗大（1）工艺处理（转子脱壳、硅钢片退火等）减少横向电流损耗（2）选择合适槽配合（3）适当增大气隙（4）采用磁性槽楔、闭口槽和合适的转子槽斜度等（1）注意附加转矩、振动和噪声（1）功率因数下降（1）漏抗增加，起动转矩、最大转矩下降二、功率因数低1、磁化电流大（1）增加定子绕组每槽导体数，使磁通密度下降（2）增加铁心长（3）减小气隙（4）调整槽形尺寸，使定转子齿、轭磁密分布合理（1）电抗电流有所上升（2）漏抗增大，起动转矩、最大转矩下降（1）用铁量增加（1）杂散损耗增加（2）可靠性下降（3）谐波漏抗增加2、漏电抗大（1）减少每槽导体数（2）减少铁心长（3）改变槽形尺寸，减少槽漏抗（1）磁化电流增加31 三、起动电流大1、漏电抗小（1）增加每槽导体数（2）改变定转子槽形，使槽变成深而窄（3）减小槽口，肩部斜度增加（即α角增大）使漏磁磁路不致过分饱和（1）定子铝（铜）损耗增加、效率降低（2）漏抗大，起动转矩降低（1）轭部磁密过饱和，功率因数下降四、起动转矩和最大转矩小1、漏电抗大（1）适当减少定子绕组每槽导体数（2）改变定转子槽形，增加槽宽、减小槽高（1）起动电流增大（1）定转子齿磁密过饱和，引起功率因数下降2、转子电阻不够大（1）改变转子槽形，使槽变深，增加挤流效应（2）适当缩少转子槽面积和端环面积（1）降低功率因数（1）增加损耗、降低效率五、温升高1、线负荷A大（1）减小每槽导体数（1）起动电流增加（2）功率因数下降2、电流密度过大（1）增大导线面积（1）槽满率增高（2）用铝（铜）量增加3、损耗大调整方法如前述4.3方案结果分析方案一：节省材料节省材料无非是节省硅钢片和铜的用量，但还必须保证效率和功率因数满足规定的标准。调整参数的方法可以按以下过程进行：减小铁心长，由原核算时的L=5.2cm4.7cm，此时由于槽满率和感应电动势的限制，每极下的气隙磁通必须保持基本不变，也就是在143600Gs左右，此时必须增加气隙磁密的值。由电机主要尺寸计算公式可知，要使电枢计算长度在4.7cm左右，必须使线负荷和极弧系数必须为一个合适的值，大概为A=129，=0.72。为了让齿部不会过于饱和，可以将槽数从原来的Z=19变为Z=17，从而增大齿的宽度。然后进行总磁势的计算，从而算出励磁绕组的匝数，再计算出端电压的大小，和效率的大小，此时发现效率和端电压的不满足要求，效率过小端电压过大，此时可以减小总磁势的大小，观察各部分的磁密饱和程度可以知道，定子轭部饱和程度比较大，因此可以增大的大小，从31 =1cm增大到=1.03cm，此时总磁势减小了，励磁绕组匝数减小导致激磁绕组匝数减小，由激磁绕组漏电抗压降和激磁绕组变压器电动势可知，其值都会减小，相应的端电压减小了，而效率也由于定子轭部磁密的减小导致铁耗减小而提高。这样就达到了减小材料损耗的要求。结果数据：项目核算时调整后节约材料原因Gfe(kg)2.73342.47060.2628铁芯长减少；Gcu(kg)0.11550.09930.0162线径不变，但由于铁芯长度的增加，电枢用铜减小了槽满率69.5362%70.2878%线径不变，但每槽导体数增加由结果数据表明，经过电机参数的一些调整后，电机的材料消耗有了明显的减小，硅钢片用量有原来的2.7334kg减小为2.4706kg，铜的用量由原来的0.1155kg减小为0.0162kg，而且效率和功率因数还维持在原来的，。方案二：提高效率在不改变铁芯材料的前提下，可以增加铁芯的长度以减小磁密，从而降低铁芯损耗，增加导线的直径以减小电流密度，从而降低铜耗。这样就可以达到减小损耗的目的，但出于经济上的考虑，材料消耗不能过大，否则会照成造价过高。调整参数的方法按以下过程进行。增大铁芯长度，由核算时的L=5.2cm增加到L=5.7cm，此时因为还有增大电枢绕组的线径，为了保证槽满率符合要求，可以增大槽的面积，可以把R=0.16cm增大到R=0.17cm，h1=0.67cm增大到h1=0.68cm，把电枢绕组线规从d1/d2=0.49/5.5cm改为d1/d2=0.51/0.58cm。结果数据：主要指标核算时调整后偏差百分比原因0.9170.931.4%端电压无功分量减小效率0.6820.725.57%损耗减小端电压E221.626220.9160.32%电压降增加31 Gfe(kg)2.73342.99629.61%铁心长增加Gcu(kg)0.11570.132214.2%线径加大此时每槽导体数基本不变，为了使感应电动势E不变，每极气隙磁通必须基本不变，因为铁芯长度变长了，所以气隙磁密必须减小，可以使=4990Gs，这样电机每个部分的磁通密度减小了，从而铁耗减小了，电枢线径增大了，虽然铜线长度增加，但电阻还是减小了，以致铜耗减小。然后计算总的磁动势的大小，从而可以算出励磁绕组和励磁电流的大小，最后进行电机参数的计算和核算，因为总的磁动势基本不变，导致励磁绕组匝数基本不变，所以励磁绕组变压器电势基本不变，以致于端电压不会太大，刚好符合要求，功率因数也提高了，效率也提高了，核算也满足要求。分析结果：1）增加铁心长，电机每个部分的磁通密度减小，导致铁损耗减小；2）铁心长增加，使用的铁量由2.7334kg增加为2.9962kg，线径增大，铜损耗Pcu有所下降。线径增大，用铜量上升，由原来的0.1157kg增为0.1322kg，槽满率上升，由原核算时的Sn=69.5362%Sn=72.9751%,从而使槽的利用率得到了提到，但相应嵌线难度加大过高嵌线困难，劳动量及工时增加，容易损伤绝缘。4.4提高电机工作性能的其他措施提高电机工作性能还可以采用一些其他措施。1.合理选取近槽配合，采用少槽-近槽配合，同时增加定转子槽数，可以降低电机系数损耗。2.采用较好的导磁材料，可以降低电机的铁耗。3.合理设计风扇，进一步解决温升的问题，可以提高电机的效率。4.采用正弦绕组，可减少电机的相带谐波，改善气隙磁势曲线，以接近正弦分布，提高基波分布系数，从而减少电机导致损耗，提高效率。31 总结本次毕业设计是大学教学计划的重要环节，也是大学最后的学习阶段和综合训练阶段，是对学生学习与实践成果的全面总结，更是对大学四年教学计划和培养目标的全面检验。毕业设计不仅对所学知识起到深化和提高的作用，也是毕业资格认定的重要依据。通过这次毕业设计，使我对所学的专业知识得到了一个总结，也解决了许多以往学习中还不太明白的问题，让我对异步电动机的设计有了一个更直观的认识，也提高了我对所学专业知识的应用能力。因为一直都是在学理论知识，所以欠缺知识的实际运用，一开始老是觉得比较难，而且大四又有很多外来的因素干扰，使得毕业设计中遇到了蛮多的困难，还好在老师和同学们的帮助下坚持下来，之后发现其实也没想象中的难，什么事情只要钻进去了，就会觉得豁然开朗。在毕业设计过程中，我发现我对以往所学知识的掌握还不够彻底，还存在着许多问题，于是又反复看了几遍《电机学》、《电机设计》等基本专业书籍，对于这几门专业课程有了更深的认识。通过毕业设计的学习和实践，我收获了很多，也扩大了我的视野，进一步认识到自己的水平。通过毕业设计，夯实了我在学校所学的专业基础知识，提高了实践能力，使我能尽快地处理和解决做毕设过程中遇到的问题，特别是提高自学能力和独立思考并解决问题的能力。当然经过这么长时间的准备、酝酿，终于把论文写好了，这也就意味着毕业设计也快要落下帷幕了。其中的酸甜苦辣也只有自己体验出来，从刚刚开始一步一步手算程序，了解到各个公式中参数的含义及每一步骤计算的目的。然后一遍又一遍的对电磁设计程序进行修改优化。一开始的确有些茫然，面对诸多的数据，不知道改哪些也不敢随便乱改，只有自己一遍一遍的尝试，结合理论知识和老师的指导，经过几十次的修改，才最后得到最优化的程序。最后，为了画好定转子冲片图和装配图，自己自学了AUTOCAD。总而言之，这次是大学最后一次考验，也是对大学四年的考察，总的来说还比较满意吧。31 参考文献[1]孙旭东，王善铭.电机学[M].北京：清华大学出版社，2006年[2]戴文进，徐龙权.电机学[M].北京：清华大学出版社，2008年[3]陈世坤.电机设计（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2000年[4]张国华.单相交流串励电动机温升计算和振动分析[D].南京:东南大学，2004年[5]焦志强.带换向器的单相串励电动机调速控制系统谐波问题研究[D].西安：西安电子科技大学，2009年[6]罗洪.单相串励换向器电机异常噪声故障原因和排除方法[D].瑞安：瑞安长城换向器有限公司，2003年[7]彭亦胥.单相串励电动机的换向及其改善方法[D].丽水：丽水职业技术学院，2004年31 附图31 外文翻译2006IEEECOMPELWorkshop,RensselaerPolytechnicInstitute,Troy,NY,USA,July16-19,2006APreliminaryInvestigationofComputer-AidedSchwarz-ChristoffelTransformationforElectricMachineDesignandAnalysisTimothyC.O’ConnellandPhilipT.KleinGraingerCenterforElectricMachineryandElectromechanicsDepartmentofElectricalandComputerEngineeringUniversityofIllinoisatUrbana-Champaign1406W.GreenSt.Urbana,IL61801-2918USAAbstract-Analternativemethodtofiniteelementanalysis(FEA)forelectricmachinedesignandanalysisispresentedthatappliesSchwarz-Christoffel(SC)conformalmappingtheoryusingtheSCToolboxforMATLAB®thathasappearedinthepreviousliterature.Inthismethod,atwo-dimensional(2D)developedmachinecross-sectiondomainismappedviaSCtransformationtoaconcentriccylinderdomainwheresolutionsfortheelectromagnetic(EM)fieldsareknown.Thesesolutionsaremappedbacktotheoriginaldomain,thussolvingtheoriginalproblem.AllmappingisdoneviatheSCToolbox.ExamplesaregiveninwhichtheprocedureisusedtocalculatetheEMfieldintheairgapofandtheforceontherotorofvarious2Ddevelopedmachinecross-sections.Thenumericalaccuracyoftheresultsisverifiedbycomparingthesolutionsastheairgapgetssmallwithmagneticequivalentcircuit(MEC)-derivedco-energysolutions.I.INTRODUCTIONThemostgeneralelectricmachinedesignproblemcanbedescribedasfollowsgivenasetofdesiredmachineoutputcharacteristics,findtheoptimummachinegeometry,materials,andinputsourcecharacteristicsthatwillachievethesegoals.Thisisaformidableprobleminitsmostgeneralform,especially-consideringtherecentincreaseintheavailabilityofinverters,exoticpermanentmagnet(PM)materials,andlow-cost,precisionmanufacturing.Usuallyseveral-assumptionsandbasicaprioridesigndecisionsmustbemadetorendertheproblemtractable.Astandardtechniqueistousebasicmachinetheorytogeneratearoughdesignwhichmightincludethetypeofmachine(synchronous,31 induction,PM,etc.),thenumberofpoles,andthematerials.ThebasedesignisthenanalyzedandrefinedinaniterativeprocessusingFEAsoftwareuntilanacceptablematchtothedesiredoutputisfound.WhileFEAisapowerfulanalysistoolthatisfairlyeasytouseandwidelyavailableinanumberofcommercialsoftwarepackages,itsutilityindesignislessobvious.UsingFEA,itisoftendifficulttoseetherelationshipsbetweenvariousinputandoutputparameterswithoutextensiveandtime-consumingiterations.Frequently,thenecessaryaccuracyneededforagivenproblemcannotbeachievedwithoutunreasonablecomputerruntimes.Thus,analternativetoFEA,moresuitedtodesign,canbeausefuladditiontothemachinedesigner’srepertoire.ThispaperinvestigatestheutilityoftheMATLAB®SCToolbox,afreeadd-ontoolboxdevelopedbyT.Driscoll[1-3]thatautomatestheprocessofcalculatingSCmaps.TheSCmethodisa2Dcomplexanalysistoolthatallowsonetocircumventmanyofthedifficultiesencounteredwhensolvingaboundaryvalueproblemonadomaindefinedbyacomplicatedgeometry.Usingacomplexconformalmappingfromtheproblemdomaintoasimplerdomain,onecanmoreeasilysolvetheproblem,andthenmapthesolutionbacktotheoriginalgeometry.ThekeytosuccessfullyapplyingtheSCmethodistofindthecorrectmappingbetweendomains.TheSCToolboxmakesthisstepmucheasierthanithasbeenpreviouslyandthusallowsfurtherexplorationintothemeritsofSCmappingasaviablemachinedesigntool.Thetorque(force)onthemoveablememberofanelectricmachineisusuallyfoundbyapplyingeithertheCoulombvirtualwork(CVW)method[4,5]ortheMaxwellstresstensor(MST)method[6]totheEMfields[7-10].Ineithermethod,theforceisfoundastheproductoffieldterms;thus,anyerrorsinthecalculatedfieldsarecompoundedwhenforceiscomputed.Inaddition,theusefulforcesinanelectricmachinearetypicallyconcentratedatsharpcorners(i.e.atpoleteethcorners)whereFEAsolutionsareleastaccurate.WhenusinganFEAfieldsolution,bothCVWandMSTaresensitivetothemeshchoicebecausethefieldsareinterpolatedbetweenafinitenumbersofsolutionpointsatthemeshnodes.Incontrast,SCconformalmappingtheorycancalculateanaccuratesolutionforthefieldsateverypoint.Nointerpolationisnecessary.31 Inherently,theaccuracyoftheSCmappingdoesnotsufferatsharp-corners.TheSCToolboxmakesitmucheasierthanpreviouslypossibletofindtheEMfieldsaccuratelyusingconformalmapping.Withanaccuratefieldsolutionforcecalculationalsobecomesmoreaccurateandeasiertoimplement.TheutilityofSCmappingisexploredhereforthefollowingreasons:(i)itsimplementationismucheasierthanpreviouslyowingtotheintroductionoftheSCToolbox;(ii)itcanproduceanaccuratefieldsolutionateverypointthatdoesnotsuffernearsharpcorners;(iii)thesolutionsallowanII.BACKGROUNDEarlymachinedesignersquicklysawthedifficultiesofsolvingtheEM-fieldequationsinelectricmachines.InTesla’sseminalinductionmachinepaper[11]therearealmostnoequations.MuchofhisdesignwasbasedonafundamentalunderstandingofthefieldinteractionsnecessarytocreatemotionBehrend[12]developedseveralgraphicalarosewhendesignersattemptedtoanalyzepole-pieces,slots,andteeth,allofwhichsignificantlychangedtheboundaryconditionsandfielddistributionsinmachines.Conformalmapping,ofwhichtheSCmethodisasubset,wasusedbyCarterinanattempttobetterunderstandtheseproblems[13,14].However,duetothemathematical-complexitiesheencountered,CarterrecommendedagainstusingSCmappingforallbutthesimplestcases.Signerssubsequentlyusedmeasurementsandobservationstodevelopempiricaldesignequations;equivalentcircuitmodels,magneticequivalentcircuits(MEC)andgraphicalmethodswereallcommonplaceby1916[15].Thesuccessofthesemethodsiswellestablished.In1929,Hague[16]notedtherewasinsufficientliteraturedescribingfundamentalmachineinteractionsfromMaxwell’sequations.HepresentedatheoryfordeterminingtheEMfieldsofcurrent-carryingconductorsintheairgapofvariousirongeometries,thesolutionofwhichdescribestheoperationofelectricalmachines.Haguefounditsurprisingthatonlyonepersonbeforehim(Searle,in1898[17])hadconsideredthisproblem.WhileHague’sworkwasimportantinbridgingthegapbetweenfundamentalfield-basedmachineanalysisandcircuit-basedmodels,itdidnotpresentausefulalternativetothe31 well-establishedmethodsbecauseHague’ssolutionswereintheformofinfiniteseries.Infact,hissolutionshaveremainedvirtuallyunusedsincehepublishedthem.AquickliteraturesearchrevealsthatlessthantwentyauthorshavecitedHague’sworkintheirresearchoverthepast80years.Conversely,othertextbookmethodsdatingfromtheearly20thcenturypersisttothepresent.Traditionally,conformalmappinghasbeenusedtosolveproblemsinelectro-andmagneto-statics[18].Morerecently,conformalmappinghasbeenused,amongotherthings,fortheanalysisanddesignofpolygonalresistors[19],magneticRead-writeheads[20,21],coplanaraveguides[22],andlectoragnaticactuators[23].TheutilityoftheMSTethosformachineforcealkylationhasbeeninvestigatedrecently,butwiththelocalEMfieldsgeneratedusingFEAsolutions[24,25].WeknowofnoworktodatethatattemptstousetheMSTmethodonEMfieldscalculatedbySCmappingtoexamineelectricMachines.ThisworkisapreliminaryinvestigationintoboththeSCmethod’sutilityformachinedesignandtheSCToolbox’sutilityinimplementingthemethod.III.SCMAPPINGA.TheoryTheSCMappingTheoremcanbestatedasfollows[26]:LetPbetheinteriorofapolygonīHavingverticesw1,…,wnandinterioranglesĮ1ʌ,…,ĮnʌincounterClockwiseorder.Letfbeanyconformalmapfromtheupperhalf-planeH+toPwithf(f)=wn.Then,forsomecomplexconstantsAandC,wherewk=f(zk)fork=1,…,n-1Thistheoremstatesthataconformalmap(acomplexmapthatpreservesangleslocally)canalwaysbeconstructedthatmapstheupper(lower,respectively)half-planetotheinterior(exterior)ofanypolygon,andthatthemappingfwillhavetheaboveform.Theformulain(1)canbemodifiedtoallowmapsfromdisks,bi-infinitestrips,andrectangles(allreferredtoascanonicaldomains)toapolygon.Thetheorem’sutility’sinallowingtheusertosolveadifficultboundaryvalueproblemonanarbitrarypolygon-shapeddomainbyfirstsolvingtheprobleminacanonicaldomainandthenmappingtheresulttothedesireddomain.Unfortunately,forproblemswithmorethan3vertices,unlesstheyaresymmetric,ingeneraltheSC31 integralin(1)hasnoclosed-formsolution.Inaddition,inproblemsofthissizethelocationsofpointszk,calledpreventives,areunknownapriori.Inotherwords,thetargetpolygonisknown,butthepointsinthecanonicaldomaincorrespondingtoitsverticesarenot.Thus,theSCmethodrequiresthreenumericalsteps:(a)findingpoint’szk;thisisknownastheparameterproblem,(b)calculatingtheSCintegralin(1),and(c)invertingthemap.Historically,thesestepshavebeendifficulttoimplementnumericallyformeaningfulproblems.Butrecently,eachof(a)-(c)hasbeencodedintotheSCToolbox,inwhichtheuserspecifiesthecanonicalandsourcedomains,andtheToolboxcalculatestheSCmap.TheSCToolboxanditsfeaturesarenowdescribed.B.SCToolboxforMATLAB®TheSCToolboxwasoriginallyreleasedin1994.ThecurrentVersion2.3werereleasedin2005.AkeyimprovementinVersion2.3istheadditionoftheCRDAlgorithm[2,27].Thisalgorithmfacilitatesmappingtomultiplyelongatedregions,whicharenormallyverydifficulttomapduetocrowding1.Mosttypicalmotorairgappolygonshavemultipleelongationsduetothestatorandrotorslots,sothisnewfunctionalityiskeyinmakingtheToolboxusefulformotordesign.TheToolboxprovidesalibraryofcommandlinefunctionsaswellasagraphicaluserinterfacethatallowseasiervisualizationoftheprocess.Thekeyfunctionsusedarethefollowing:31 中文翻译应用计算机辅助施瓦兹—克里斯托菲尓变换电机设计和分析的初级研究摘要：借助已经出现在以前文献中的MATLABSC工具箱应用施瓦兹-克里斯托菲尔保角映射理论进行电机设计和分析的有限元分析替代方法已经问世。使用这一方法，以使用SC映射把二维开发的机械横截面区域变换为在那进行电磁场求解的同轴圆筒区域而出名。这些解决方案再映射到原始区域，这样就解决了原始问题。所有的映射都是借助工具箱进行的。在给出的例子中，那些程序都被用作计算二维开发机械截面气隙中的电磁场和转子上的力矩。磁性等效电路数值计算的结果通过方案比较进行验证，因为气隙得到小磁等效电路进而导出同能方案。最普遍的电机设计问题可以记述于如下，给出一组要求达到的电机输出特性，找出能达到这些目标的电机最佳几何形状、材料和输入电源特点，在其最普遍的形式上这是一个棘手的问题,尤其考虑到最近在变换器应用、独特的永磁材料、低成本精密的制造业上新增的问题。通常几个假定和基本的先验的设计方案必须达到使问题便于决。一个标准的技术是使用机械理论产生一个粗糙的可以包括电机类型（同步的，电磁感应，永磁等等）、极数和材料的设计。在一个使用有限元分析软件的迭代过程中一个基本的设计方案被分析和优化出，直到找到可以接受的与预期相匹配的结果。尽管有限元分析软件是一个很强大的，相对比较容易使用和在很多商业软件里相对应用比较广泛的分析工具，但在设计方面的实用性不那么明显。使用有限元分析软件，没有大量的费时的迭代，它通常很难找到各种各样的输入输出参数之间的联系。通常，没有不切实际的计算机运行时间，对一个给定问题的必要的精度要求将不能达到。因此，一个更加适合设计的有限元的替代物，能成为机械设计师技能的一个有用的新增物。这篇论文研究MATLAB31 SC工具箱的应用，由T.Drisoll【1—3】开发的能使计算SC图过程自动进行的扩展工具箱。SC方法是一个二维的复变分析工具，当解决一个由复杂几何体定义的区域的边界值问题时，可以让人们避免遇到很多困难。从艰难问题到简单问题使用一个复杂的保角变换，人们可以更加容易地解决问题，随后映射解决方案到原始几何学。成功应用SC方法的关键是找到正确的映射关系。SC工具箱使者一步比以前更加容易，这样允许更进一步探测SC映射的优点，使之成为一个有用的机械设计工具。在一个电机的可移动部件上的转矩，应用库伦虚拟工作方法【4,5】或麦克斯韦压力张量方法【6】到EM菲尔兹【7-10】。在任何一种方法中，力距作为现场条件结果被发现；这样，当力矩计算出来后，在计算字段中的任何错误都被混合。此外，在电机中有用的力矩主要集中在有限元分析最不精确的极尖角（也就是在极齿角）。当使用有限元分析场解决方案，库伦虚拟工作方法和麦克斯韦压力张量方法对网格选择是敏感的，因为字段是在网格节点插有限数目的解之间的积分。与此相反，SC保角映射理论能对任何一点的字段计算出精确的解。没有内插的必要。SC映射的精确度在尖角处不会受损害。SC工具箱使之比以前更加容易去使用保角映射精确找到EM字段。利用一个精确的场解决方案，力矩的计算也成为更加精确和容易完成。SC映射的效用开发是为了三个理由：（1）、这种实现比以前更加容易，因为SC工具箱的引入；（2）它能在每一个点上产生一个精确的不会受到尖角附近影响的场解；（3）、这种解决方案与有限元分析相比能达到一个更加容易、更加灵活的力矩计算图表的使用。早先的机械设计师能迅速地处理求解电机中的电磁场方程过程中遇到的困难。在特斯拉的感应电机论文中几乎没有方程式。大多数他的设计都是根基于一个理解场的相互作用产生运动基础。贝德伦建立了几个图解的、直观的方法，这比在那时候的分析技术学习要简单的多。当设计师企图去分析极靴、槽和齿是出现了很多困难，所有的都显著地改变电机中的边界条件和场分布。保角映射中的SC方法是一个字方法，被卡特企图用于更好地理解这些问题。然而，由于他遇到的数学问题的复杂性，除了简单的例子之外，卡特推崇反对使用SC映射。设计师随后使用测量和观察去建立经验设计方程；在1916年时，等效电路模型、磁等效电路和图解法都很普遍。这些方法的成功是很好地被确定。在1929年，海牙注意到那时缺乏文献从麦克斯韦方程去描述基本机械相互作用。他提出了一个为决定在各种铁几何体气隙中载流导体的电磁场，一个描述电机运行的方案。海牙发现这很奇怪，只有一个人在他之前考虑过这个问题。当时海牙在搭接基本的以场为基础电机分析和以路为基础之间的桥梁的工作，它不能呈现一个有用的替代物去等到确定的方法，因为海牙的方案是以无穷级数的形式表示的。事实上，自从他的方案出版以后，他的方案也几乎没有使用。一个快速的文献研究揭示了，在过去的80年里还不到20位学者在他的研究里引用过海牙的论文。相反地，其他追溯到二十世纪的课本中的方法都存留到了现在。传统意义上，保角映射曾经被用作解决电磁干扰的问题。最近，保角映射定理已经用在了其他方面，像多边电阻器、读写磁头、共面波导管和电磁制动器的分析31 和设计。电机力矩计算的MST方法最近已经研究出来了，但只能对局部电磁场的产生使用有限元分析方案。我们知道至今还没有企图借助施瓦兹-克里斯托菲尔映射使用MST方法进行电磁场计算去校验电机的研究。本文是SC方法在电机设计上的应用和SC工具箱在这一方法的实际应用。31'