75kw4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计南昌大学电机电器原稿版.docx

题 目75kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计

一、毕业设计的主要内容和基本要求
（一）主要内容
1、 分析同步电动机的工作特性
2、 阐述同步电动机的设计理论
3、 设计与之相配的变频调速系统。
4、
5、

1、技术要求：
①额定功率: 75KW ②额定电压: 400V
③相 数：三相Y接法 ④额定功率因数：0.95（滞后）
⑤额定转速：1500r/min ⑥额定频率：50Hz
⑦ 效率：91.5% ⑧定子槽满率：80 ~ 85%

2、原始数据：
① 定子外径 Dy=43Cm ②定子内径 D=30Cm
③定子槽数 N=48 ④气隙长度 =0.12Cm
3、参考数据:
①定子绕组电密：8 ~ 9A/mm2
② 气隙磁密：0.73 ~ 0.88T（4极）
4、设计要求：
根据原始数据和参考数据设计一台符合技术要求的同步电动机，并给出三个方案，设计与之相配的变频调速系统。分析电机的材料利用率与效率的关系，掌握设计节能电机和节约材料电机的方法。

二、毕业设计图纸内容及张数
1、定子冲片图 1张
2、转子冲片图 1张
3、绕组联接图 1张
三、毕业设计应完成的软硬件的名称、内容及主要技术指标
（例如：软件、电路板、机电装置、新材料、新制剂、结构模型或其他）
四、毕业设计进度计划
序号
各阶段工作内容
起讫日期
实施地点
1
开题报告
3.24 ~ 4.4
实验室
2
同步电动机电磁设计
4.7 ~ 5.16
实验室
3
AUTOCAD 制图及外文翻译
5.19 ~ 5.23
实验室
4
撰写毕业论文
5.26~ 6.6
实验室
5
毕业答辩
6.9 ~ 6.13
教室

五、主要参考资料

六、毕业设计进度表（本表由学生填写一次，交指导教师签署审查意见）
第一、二周
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

年 月 日
第三、四周
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

签名： 年 月 日
第五、六周
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

签名： 年 月 日
第七、八周
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

签名： 年 月 日
第九、十周
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

签名： 年 月 日
第十一周至毕业
设计工作结束
（ 月 日至 月 日）
学生主要工作：

指导教师审查意见：

签名： 年 月 日

七、其他（学生提交）
1．开题报告1份
2．外文资料译文1份（2000字以上，并附资料原文）
3．论文1份（8000字以上）

指 导 教 师：
学科组负责人：
学生开始执行
任务书日期：
学生姓名：
送交毕业设计日期：

毕业设计（论文）开题报告
题 目 75kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计
学 院： 信息工程学院 系 电气工程及其自动化系
专 业： 电机电器及其控制
班 级： 电机电器06级2班
学 号： 6101106076
姓 名： 闫 永 佳
指导教师： 黄 劭 刚
填表日期： 2010 年 3 月 20 日
一、选题的依据及意义

二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）

三、本课题研究内容

四、本课题研究方案

五、研究目标、主要特色及工作进度

起讫日期
工作内容
备注
第一周—第三周
论文的开题报告

第四周—第五周
毕业实习

第六周—第九周
复算电机的各种参数

第十周—第十二周
上机设计三个优化方案

第十二周—第十三周
用Autocad制图

第十四周—第十五周
写毕业论文

第十五周—第十六周
论文答辩

六、参考文献

南 昌 大 学
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。

作者签名： 日期：

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在 年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名： 日期：

导师签名： 日期：

75kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计75kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计
专 业 电气工程及其自动化 学 号 6101106076
学生姓名 闫永佳 指导教师 黄劭刚

目录
摘要 I
Abstract II
第一章 同步电机概论 1
1.1同步电机的基本特点 1
1.2同步电机的基本类型 1
1.3同步电机的基本结构 2
1.4同步电机主要用途 4
1.5基本技术要求 4
第二章 同步电动机的工作特性 7
2.1同步电动机的工作原理 7
2.2凸极同步电动机工作特性及分析 8
2.3同步电动机的功率平衡关系 10
第三章 电机设计基本方法 11
3.1总体设计过程 11
3.2电磁设计 11
第四章 电磁设计方案计算 14
4.1设计要求 14
4.2方案计算 14
第五章 电磁设计结果分析 40
5.1复算程序 40
5.2方案结果比较与分析 40
5.3心得与总结 42
第六章 同步电动机变频调速系统设计 43
6.1同步调速系统类型 43
6.2变频调速系统的基本控制类型 43
6.3同步电动机矢量控制系统 44
第七章 Auto CAD 2004绘图 49
7.1Auto CAD简介 49
7.2画定子冲片图 49
7.3画转子冲片图 50
7.4画绕组图 51
参考文献 54
总结 55
致谢 56

1.1同步电机的基本特点
1.2同步电机的基本类型
1.3同步电机的基本结构
1.4同步电机主要用途
1.5基本技术要求

2.1同步电动机的工作原理
2.2凸极同步电动机工作特性及分析

b）

2.3同步电动机的功率平衡关系

3.1总体设计过程
3.2电磁设计
4.1设计要求
4.2方案计算

方案一
方案二
方案三
一、额定数据和技术要求
1．额定
功率

75
75
75
2．相数

3
3
3
3．额定
线电压

400
400
400
4．额定
相电压

230.94

230.94

230.94

5．额定
频率

50
50
50
6．极数

4
4
4
7．额定
效率

0.915
0.915
0.915
8．额定功率因数

0.950
0.950
0.950
9．额定
相电流

125.22
125.22
125.22
10．额定
转速

1500
1500
1500
11．额定
转矩

477.45
477.45
477.45
12．机座中心高（cm）

25
25
25
13．定子
槽满率
80~85%
80.1%

14．定子
绕组
电密
7~9.5A/mm2
8.21

15．气隙
磁密
0.73~0.88T
0.85

二、定子冲片设计
16．定子
外径

43
43
43
17．定子内径

30
30
30
18．定子槽数

48
48
48
19．电枢拼片条件
（1）每圈扇
形片数

6
6
6
（2）重叠数

2
2
2
（3）每片槽数

8
8
8
（4）扇形片高

8.51
8.51
8.51
（5）扇形片宽

21.5
21.5
21.5
（6）无轴流拼片条件

6
6
6
20．每极每相
槽数

4
4
4
21．极距

23.55
23.55
23.55

22．定子槽形

(1)

0.32
0.32
0.32
(2)

0.9
0.9
0.9
(3)

0.1
0.1
0.1
(4)

0.15
0.15
0.15
(5)

1.25
1.25
1.25
(6)
R
0.51
0.51
0.51

23．每槽有效面积

为绝缘层厚度,E级取=0.027cm,
为槽楔厚,取为0.2cm, =2r
1.38
1.38
1.38

（1）
直径位置

30
30
30
槽节距

1.963
1.963
1.963
槽宽

0.32
0.32
0.32
齿 宽

1.643
1.643
1.643

（2）
直径位置

30.5
30.5
30.5
槽节距

1.995
1.995
1.995
槽宽

0.9
0.9
0.9
齿 宽

1.095
1.095
1.095

（3）
直径位置

33
33
33
槽节距

2.159
2.159
2.159
槽宽

1.02
1.02
1.02
齿 宽

1.139
1.139
1.139
25．定子齿距

1.963
1.963
1.963
25．平均齿宽
=1/3×[bz2,bz3中之大者+2（bz2,bz3之最小者）]
1.110
1.110
1.110
27．电枢卡氏
系数

其中：槽节距
1.073
1.073
1.073
三、转子冲片设计
28．气隙长度
=
0.12
0.12
0.12
29．最大气隙

0.145
0.145
0.145
30．转子外径

29.76
29.76
29.76
31．磁轭外径

17
17
17
32．转子(磁轭)
内径

8
8
8
33．磁极宽度

9
9
9
磁极尺寸计算
（1）

0.2
0.2
0.2
（2）

2.569
2.569
2.569
（3）

3.811
3.811
3.811
（4）

1.779
1.779
1.779
（5）

16.018
16.018
16.018
（6）

31.973
31.973
31.973
（7）

5.1
5.1
5.1
（8）

33.062
33.062
33.062
（9）

6.084
6.084
6.084
（10）

23.378
23.378
23.378
（11）

8.351
8.351
8.351
35．磁极压板厚

0.4
0.4
0.4
36．磁极压板宽

8.2
8.2
8.2
37．气隙极距
比值

0.005
0.005
0.005
38．气隙比值

1.208
1.208
1.208
39．极抱百分值

0.725
0.725
0.725
40．磁极抱角

32.625
32.625
32.625
41．等效极弧
系数
（查曲线1及2）[用公式计算见附录一]
0.644
0.644
0.644
42．波形系数
（查曲线1及2）[或用基波幅值系数，用公式计算见附录一]
1.128
1.128
1.128
43．磁极偏心距

偏心半径：=14.634
0.246
0.246
0.246
四、电枢绕组和铁心长度计算

44．绕组并联
支路数

2
2
2
45．估算每槽
导体所占面积

1.104
1.104
1.104
46．选择每槽
导体数

注意：选偶数
10
11
10
47．电枢绕组
节距

单层匝数=
10
11
10
双层匝数=
5
5
5
48．每相串联
导体数
(q=2,3,4或5)
80
84
80
49． 线
负荷

319.032
334.983
319.032
50．估算每根
导体的截面积

0.087
0.079
0.087
51．每根导线并 绕根数
n
3
3
3
52．电枢线规
裸径/绝缘径 /
0.938
0.952
0.938
截面积
0.0254
0.0254
0.0254
53．电枢绕组
电密

821.654
821.654
821.654
54．每槽导线所 占面积

1.106
1.179
1.106
55．槽
满率

0.801
0.85
0.801
56．绕组系数Kdp

0.925
0.928
0.925
57．定子斜槽
因数
（一般，可不计算）
1
1
1

8500
8500
8800
58．每极磁通

2766661
2625935
2766661
59．电机铁芯
长度

21.462
20.37
20.73
60．电枢铁心长

21.462
20.37
20.73
61．磁极铁心长

22.462
21.37
21.73
62．磁极铁心
净长

21.338
20.301
20.643
63．铁心有效长

21.462
20.37
20.73
64．铁心纯长

20.388
19.351
19.693
65．电枢绕组
尺寸

(1)
(y以槽数计)

22.847
22.847
22.847
18.693
18.693
18.693
14.539
14.539
14.539
(2)

14.451
14.451
14.451
11.823
11.823
11.823
9.196
9.196
9.196
(3)

5.579
5.579
5.579
4.565
4.565
4.565
3.551
3.551
3.551
(4)

26.228
26.228
26.228
21.459
21.459
21.459
16.691
16.691
16.691
(5)
bc取1.5cm
24.462
23.37
23.73
66．每相电枢
绕组长

3769.055
3880.117
3710.524
67．电枢绕组每相电阻 （欧）
(1)在75℃时
(欧)
0.054
0.055
0.053
(2)在20℃时 (欧)
0.044
0.046
0.044
68．电枢绕组
铜重
(千克)
15.337
15.789
15.098
69．电枢绕组铜毛重
(千克)
16.103
16.578
15.853
五、磁路计算
70．气隙磁密

8500
8500
8800
71．气隙安匝

875.481
875.481
906.38
72．电枢齿磁密
15800-16600
15823.068
15823.068
16381.53

73．电枢齿磁
场强度
， 根据查表1
33.1
33.1
49.36
74．电枢齿计
算高度

1.57
1.57
1.57

75．电枢齿安
匝数

51.967
51.967
77.495

76．电枢轭高度

4.49
4.49
4.49
77．电枢轭计
算高度

4.66
4.66
4.66

78．电枢轭磁密

14560
14560
15074

1.087
1.087
1.087
79．电枢轭磁
路长
（拼片定子）
16.878
16.878
16.878
80．电枢轭磁通分布系 数
根据查表4
0.353
0.353
0.329
81．电枢轭磁
场强度
根据查表1
16
16
20.87
82．电枢轭安
匝数

95.324
95.324
115.885

83．电枢齿轭及气隙安 匝和

1022.772
1022.772
1099.760
84．极掌漏磁
常数

45.956
44.328
44.865
85．极身漏磁
常数

为压板厚
47.648
45.914
46.486
86．磁极漏磁
常数

102.965
99.267
100.486
87．每极漏磁通

105309.329
101527.33
110510.78
88．磁极磁通

2871970
2727463
2877172
89．漏磁系数
P 2 4 6 时 1.04
1.04
1.04
1.04
90．磁极极身
截面

=0.95 （1m/m钢片）
198.606
189.272

192.350
91．磁极 极身
磁密
14000~15600
14460.650
14410.249
14957.975
92．磁极极身磁场强度
，根据查表2
17.285
17.05
20.06

93．磁极极身
安匝

88.154
86.956
102.307
94．磁轭高度

4.5
4.5
4.5
95．转子磁轭
路长

4.906
4.906
4.906
96．转子磁轭
长度

22.462
21.37
21.73
97．转子磁轭
磁密

14206.874
14181.245
14711.814
98．转子磁轭磁场强度
，根据 查表3
22.3
22.16
26.29
99．转子磁轭安匝数

109.409
108.723
128.985
100．残隙长度

0.0087
0.0087
0.0087
101．残隙处截面

202.154
192.329
195.569
102．残隙磁密

14206.874
14181.245
14711.814
103．残隙安匝数

99.434
98.841
102.681
104．每极空载的磁安匝数

1319.769
1317.291
1433.733
六、参数计算
105．电枢槽单位漏比磁导
从曲线3查出
[的计算公式见附录二]
1.158
1.158
1.158
106．槽面积

1.608
1.608
1.608
107．

1.093
1.093
1.093
108．

0.807
0.807
0.807
109．互感漏磁导

0.761
0.761
0.761
110．.电枢槽漏磁比磁导

1.258
1.362
1.258
111．.电枢绕组等效节距

0.833
0.841
0.833
112．电枢绕组端接漏磁比磁导

1.886
2.021
1.953
113．曲折比漏
磁导

1.105
1.112
1.105

114．相带漏磁
比磁导
（1）q=整数

（，无阻尼笼）根据y从
曲线5查出，或用公式计算见附录三
（2）q=分数

0.0496
0.0499
0.0496
115．每相电阻
标幺值

0.029
0.030
0.029
116．每相定子
漏抗

0.146
0.161
0.143
117．每相漏磁电抗标么值

0.079
0.087
0.078
118．空载额定电压时的气隙与残隙磁势和

974.914
974.322

1009.061
119．每相电枢反应磁势

3127.387
3294.985
3127.387
120．直轴电构反应常数
查曲线4
0.82
0.82
0.82
121．横轴电枢反应常数
查曲线4
0.47
0.47
0.47
122．直轴电枢反应磁势

2564.457
2701.888
2564.457
123．横轴电枢反应磁势

1469.872
1548.643
1469.872
124．直轴电枢反应电抗标么值

2.630
2.773
2.541

125．横轴电枢反应电抗标么值

1.508
1.589
1.457
126．直轴同步电抗标么值

2.709
2.861
2.619
127．横轴同步电抗标么值

1.587
1.677
1.534
七、短路比
128．电枢电抗压降磁势

77.054
85.189
78.227
129．短路磁势

2641.511
2787.077
2642.684
130．饱和短路比

0.5
0.473
0.543
131．不饱和短
路比

0.369
0.35
0.382

132．额定电压时感应电势标么值

1.052
1.056
1.051

0.066
0.074
0.065

1.054
1.058
1.053
133.对应于 的空载磁势
将 及各部磁密 ， 均乘以C倍，并计算， 求得各部分的H及F，得对应于的空载磁势
（1）

2917142.5
2779106.8
2914431.2
（2）

8962.324
8995.807
9270.017

923.099
926.548
954.791
（3）

16683.702
16746.031
17256.485
根据查表1
59.8
62.2
83.1

93.886
97.654
130.467

(4)

15351.751
15409.103
15878.805
根据查表1
24.4
25.17
34.6

411.811
424.807
583.962
(5)

1428.796
1449.008
1669.219
(6)

147115.47
143838.49
167733.63
(7)

3064258
2922945.3
3082164.8

(8)

15428.838
15443.059
16023.703
根据查表2
29.3
29.48
40.5

149.431
150.349
206.551

(9)

15158.071
15197.642
15760
根据查表3
30.5
31
37.78

149.641
152.094
185.358

(10)

15158.071
15197.642
15760.004

106.091
105.925
109.996

2017.354
2043.114
2388.238

134．满载励磁
磁势

-2690.89
-2844.91
-2712.36

2959.011
3031.117
3348.439

3999.583
4157.063
4309.172
八、励磁绕组

135．励磁绕组
线规
（1）圆线
（2）扁线
（安） 5 10 20
线规 1.30
0.0254
0.0254
0.0254

136．励磁绕组电
密初值

ｐ 2 4 6
450～500；500～600（隐极）
470
498
472
137．满载励磁电
流初值

11.938
12.649
11.989
138．励磁绕组每
极匝数
取接近的整数
336
330
360
139．满载励磁
电流

11.904
12.597
11.970
140．励磁绕组电密

468.643
495.951
471.257
141．空载时的励磁电流

3.142
3.193
3.186
142．空载额定电压时的励磁电流

3.928
3.992
3.983
143．短路额定电流时的励磁电流

7.862
8.446
7.341
144.励磁绕组排列
先按比例作图，确定层数及各层匝数
(1) 绕组高度
圆线：=沿高度方向导体数
扁线：=没度度方向导体数
4.234
4.366
4.032
(2) 绕组厚度
圆线： =沿高度方向导体数
扁线： =没度度方向导体数
3.072
2.835
3.456
(3)几何中心距

（其中，）
1.536
1.418
1.728

145．励磁绕组平
均匝长

74.367
71.440
74.110
=0.2
23.062
21.970
22.330

9.6
9.6
9.6
=0.25
0.35
0.35
0.35

146．励磁绕组电阻
（1）时

8.539
8.056
9.117
（2）时
7.036
6.638
7.513
（3）时
9.777
9.225
10.439
147．励磁绕组
铜净重
（千克）
22.595
21.318
24.125
148．励磁绕组
铜毛重
（千克）
23.831
22.383
25.331
149．额定励磁电压

122.831
122.643
131.835
九、短路电流，过载能力及暂态电抗
150．空载时稳定短路电流倍数

0.369
0.350
0.382
151．额定负载时稳定短路电流倍数

1.514
1.492
1.631
152．额定负载时励磁磁势与气隙，残阳磁势和的比值

4.102
4.267
4.270
153．

0.434
0.465
0.166
154．考虑磁路饮和时过载能力修正系数K
K对应于 查曲线6
1.08
1.08
1.02
155．过载能力
标么值

1.721
1.696
1.751
156．励磁绕组
漏磁导

0.655
0.663
0.661
157．励磁绕组漏
抗标么值

0.191
0.202
0.185
158．励磁绕组总电抗标么值

2.821
2.975
2.727
159．瞬变直轴电
抗标幺值

0.257
0.276
0.250
160．瞬变横轴电
抗标幺值

1.587
1.677
1.534
十、额定负载时的损耗及效率

161．冲击短路电流倍数标幺值

7.356
6.848
7.559
162．额定负载时的电枢磁密

16683.702
16746.031
17256.485
163．电枢齿单
位铁耗
(瓦/千克)
对硅钢片（瓦/千克）
5.845
5.889
6.254
164．电枢齿铁重
千克
12.706
12.060
12.273

165．电枢齿部铁耗
（瓦）
当<100千伏安 取
当千伏安 取
148.545
142.045
153.502
166．额定负载时电枢轭部磁密

15351.751
15409.103
15878.805
167．电枢轭部单
位铁耗
(瓦/千克)
4.949
4.986
5.295
168．电枢轭部铁重
千克
其中
89.217
84.679
86.175

169．电枢轭部铁耗
（瓦）
当<100千伏安 取
当千伏安 取
662.327
633.344
684.429
170．电枢槽口气
隙比值

2.667
2.667
2.667
171．磁极表面磁密脉动系数
，对应于查曲线7
0.2
0.2
0.2

0.2
0.2
0.2
172．磁极表面气隙磁密脉动幅值

1923.123
1930.307
1989.147

173．磁极单位表
面铁耗

（瓦/厘米）
用1mm钢片时，取
槽节距

0.00055
0.00055
0.00059
174．磁极极掌表
面铁耗

0.844
0.809
0.874
175．总铁耗

811.717
776.198
838.806
176．电枢绕组铜耗

2524.503
2598.892
2485.229
177．励磁损耗

1217.063
1286.010
1313.489
178．转子圆周速度
（米/秒）
23.55
23.55
23.55
179．机械损耗

710.044
692.575
698.384
180．附加损耗

以千伏安为单位
375
375
375
181．总损耗

5.638
5.729
5.711
182．效率

93%
92.9%
92.92%
十一、主要材料重量
183.铜线总重

37.931
37.106
39.223
184.硅钢片重

118.472
112.446
114.433
185.磁极钢片重

50.230
47.789
48.594
5.1复算程序
5.2方案结果比较与分析

单位（cm、kg）
方案一
方案二
方案三
每槽导体数
10
11
10
气隙磁密
8500
8500
8800
励磁绕组电密
468.643
495.951
471.257
电枢铁心长
21.462
20.37
20.73
电枢绕组铜重
15.337
15.789
15.098
电枢齿铁重
12.706
12.060
12.273
电枢轭部铁重
89.217
84.679
86.175
励磁绕组铜净重
22.595
21.318
24.125
铜线总重
37.931
37.106
39.223
硅钢片重
118.472
112.446
114.433
磁极钢片重
50.230
47.789
48.594

单位：（w/kg）
方案一
方案二
方案三
气隙磁密
8500
8500
8800
每槽导体数
10
11
10
电枢齿部铁耗
148.545
142.045
153.502
电枢轭部铁耗
662.327
633.344
684.429
磁极极掌表面铁耗
0.844
0.809
0.874
总铁耗
811.717
776.198
838.806
电枢绕组铜耗
2524.503
2598.892
2485.229
励磁损耗
1217.063
1286.010
1313.489
附加损耗
375
375
375
机械损耗
710.044
692.575
698.384
总损耗（kw）
5.638
5.729
5.711
效率
93%
92.9%
92.92%

15823.068
15823.068
16381.53

14560
14560
15074

8500
8500
8800

1923.123
1930.307
1989.147

319.032
334.983
319.032

468.643
4