ylg90s2双值电容单相异步电动机的设计--张仕冲.doc

毕 业 设 计 论 文题 目 YLG90S-2双值电容单相异步电动机的设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 电机制造与运行 班 级 0211班 学 号 0201221113号学生姓名 张 仕 冲 导师姓名 彭 晓 教 授 完成日期 2005 年6月20 日 湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： YLG90S-2双值电容单相异步电动机的设计 姓名 张 仕 冲 系别 电气与信息工程系 专业 电机制造与运行班级 0211班 学号 0201221113号 指导老师 彭 晓 教研室主任 石安乐 一、 一、基本任务及要求：二、 1. YLG90S-2双值电容单相异步电动机的设计：根据电机体积与容量关系的确定；定、三、 转子主要尺寸及冲片尺确定；定、转槽数确定；主绕组设计计算；参数计算；磁路计四、 算；铁耗和机械损耗计算；副绕组设计；起动点的性能计算；过载能力的性能计算；五、 结构设计（主要零部件设计如：定子冲片、定子线圈展开图形及接线原理图，转子冲片图）；六、 电机性能满足JB4270-86标准。 七、 二、进度安排及完成时间： 1、4月28日：布置任务，下达设计任务书。 2、5月7日-5月15日：查阅资料，撰写文献综述 3、5月15日-5月26日：毕业实习，撰写实习报告。 4、5月27日-6月8日：电机磁路设计及特定工作点变频时电机性能计算， 中期检查。 5、6月9日-6月14日：结构设计和变频电路的选用，撰写毕业设计说明书。 6、6月15日-6月17日：修改、装订毕业设计说明书。 7、6月18日-6月20日：毕业设计答辩 湖南工程学院毕业设计论文前 言单相异步电动机以其结构简单、成本低的优点，在民用和工业上有着十分广泛的应用。近年未，随着人们对生活质量要求的提高，工业中节能降耗。环境保护要求的提高，家用电器和工业控制对单相电动机起动性能及运行性能以提出了越来越高的要求。传统的单相电动机起动性能及运行性能无法满足这种要求。而YLG90S-2双值电容单相异步机却满足了人们的这种要求。YLG90S-2双值电容单相异步电动机作为一种新的电容运转和电容起动的单相异步电动机，就是它的副绕组与两个并联的电容器串联后接到单相电源上，当电机转速达到75%-80%时，通过起动开关将起动电容切离电源而工作电容与副绕组继续参与运行。双值电容电机以其优异的起动性能及运行性能，受到广泛地重视，成为最具有发展前景的焦点技术。目前，双值电容电机在国内家电产品中己有运用，越来越多的家电企业开始涉足双值电容电机家电领域。“双值电容电机”与家电产品结缘，己成为目前家电业的一个新亮点，可以说，双值电容电机家电将是新一代家用电器的发展趋势。 本次设计的任务就是将电容运转和电容起动技术结合起来，设计一种低耗、节能、低噪音、起动性能及运行性能都比较好.的环保型电机。本设计参考了陈永校，汤宗武编小功率电动机、单相异步电动机、电机学、电机设计、微特电机等资料。目 录摘要Abstract第1章 单相异步电容运行电动机原理11.1单相异步电动机的工作原理11.1.1单相异步电容运转电机的特点11.1.2 单相异步电容运转电机的工作原理11.1.3 脉振磁势的分解和合成31.1.4 椭圆形磁势4第2章 双值电容单相异步电动机52.1 双值电容单相异步电动机的工作原理及特点52.2 YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机5第3章 单相电动机设计思路6 3.1.1 单相电机尺寸的确定6 3.1.2 气隙长度的确定6 3.1.3 定子、转子槽数的选择及配合6 3.1.4 定转子冲片设计7 3.1.5 定子绕组设计73.1.6 齿谐波的消除方法83.1.7 有效匝比和外接电容器的选择83.1.8 减少电动机运行时噪音的一系列措施10第4章 单相异步电动机电磁计算程序 12 4.1 数据与技术要求124.2 定、转子尺寸及其冲片设计124.3 主绕组设计 144.4 主相参数计算 154.5 磁路计算 194.6 铁耗和机械风摩耗计算 224.7 副绕组设计 234.8 起动性能计算 244.9 运行性能的计算254.10 有效材料用量29结束语30参考文献31致谢32附录33 摘 要YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机根据市场需求自行研制开发的新系列产品，符合国际电工委员会（IEC）推荐中的有关规定。本系列电动机采用计算机优化设计，汇集了电容起动异步电动机与电容运行异步电动机的优点，具有起动转矩大、输出功率大、效率和功率因数高、体积小、结构紧凑、外形美观、振动和噪音低、运行安全可靠、使用寿命长等优良性能. 重量轻、维护方便等特点。重量轻、维护方便等特点。广泛应用于空气压缩机、水泵、风机、制冷、医疗器机械及小型机械等。对只有单相电 源的场合尤为适用。关键词：高起动转矩 双值电容 电动机YLG Series High Starting Torque Double-valuecapacitor single-phase Induction MotorsYLG Series High Start Torque Double-value Capacitor Single-phase Induction Motors is a new series of products developed according to the market demand,which is corresponding to the standards of International Electromechanical Commission(IEC).This series motors adopt computer optimizing design and integrate the advantage of capacitor starting induction motors and capacitor running induction motors,have the advantages of big start torque and output power,high efficiency and output factor,small dimension,compact structure,elegant appearance,low noise and vibration,safe and reliable running and long usage life.第1章 单相异步电容运行电动机的工作原理和设计思路1.1 单相异步电容运行电动机的工作原理单相异步电动机只需单相电源供电，使用方便，广泛应用于工业、农业和人们日常生活的各个领域，如用在洗衣机、电风扇、空调器等日用电器。本章主要介绍单相异步电容运转电动机的特点、工作原理和设计思路。1.1.1 单相异步电容运转电机的特点运转电容单相异步电动机的接线图如图1-1。这种电动机不仅在起动时，而且在运行时也是一个两相电机，所以运行时能够产生较强的旋转磁场，他提高了运行性能，因而它的功率因素、效率、过载能力都比电阻起动电机和电容起动电动机好。由于副绕组需长期运行，故副绕组电密应与主绕组电密差不多。副绕组串入电容，考虑到长期运行的要求，应选用耐压较高的聚炳乙烯电容器。电容起动运行电动机的不如电容起动的单相电动机，它的起动转矩较低，起动电流也较大。但是由于风扇电机的起动转矩要求不高，而且要求长期运行，所以单相电容运转电机是最佳的选择！图1-1 单相异步电动机的接线图1.1.2 单相异步电容运转电机的工作原理单相电动机是一种在气隙磁场中通过电磁感应实现机电能量转换的电动机，由于其运行转速与电网频率之比不是恒定值，按国家标准规定，在不致引起误解或混淆的情况下，一般也可以称之为异步电动机。普通单相异步电动机在起动后运行时，定子绕组结构主要有两种形式：一种形式是副绕组在起动后脱离，只有主绕组参与工作；另一种形式是副绕组在起动后不脱离，和主绕组同时参与工作。而单相电容运转电动机的副绕组一直和主绕组并联，不会脱离。当主副绕组同时参与工作时，副绕组串有电容，以实现主副绕组电流的分相。当主副绕组的匝比及电容的选择满足一定的关系时可在电机内部产生圆形旋转磁场，我们知道，电机在工作时，如果其内部合成磁场是圆形旋转的，则此时电机的各项性能都很好。但此圆形旋转磁场只在某一转差率下才会产生，无法满足在一定的调速范围内使电机内部始终是圆形旋转磁场的要求。电容运行电动机由于定子上主、副绕组处于不同空间位置，并流着不同时间相位电流而产生旋转磁场的，由这一旋转磁场的作用而使电机起动运行。定子绕组由两相绕组（主绕组、副绕组）组成，两绕组相轴夹角为90，副相外接电容。当两绕组并联接入电压时，由于电容接于副绕组，会使副绕组电流滞后主绕组电流90电角度，两相绕组产生的磁场合成椭圆磁场，转子即在磁场驱动下旋转（见图1-3）。单相电动机中定子产生椭圆磁场，其效率明显低于产生圆形磁场的三相异步电机，其气隙中谐波较大，振动和噪音也较大。当单相异步电动机只有主绕组工作时，其在空间产生的是脉振磁势，这个脉振磁势可以分解成两个大小相等、方向相反，幅值为脉振磁势幅值一半的旋转磁势（如图1-2）。与转子同向旋转的旋转磁势，称为正序磁势F+，与转子反向旋转的磁势，称为逆序磁势F-。在单相异步电动机中，F+F-，但在正常运行时，由于转子绕组对F-的阻尼作用较强，使F-的作用远小于F+，所以正序磁势F+产生的正序转矩T+。要大于逆序磁势F-产生的逆序转矩T-，所以电机能够旋转起来。但逆序转矩T-的存在，使单相异步电动机的效率，功率因数，有效材料利用，温升等性能部变差。 F- 图1-2 正序旋转磁势F+和负序旋转磁势F-1.1.3 脉振磁势的分解和合成： 图1-3 脉振磁势的分解和合成图一个集中绕组通电后，在空间产生的是随时间脉振的矩形波磁势，分解后将有各高次谐波分量存在，经适当设计绕组，便可消去高次谐波分量，仅余下基波分量。这样便是在空间以绕组轴线为对称成余弦分布，并随电流周期交变而脉振的磁势。当t=0时，电流值为最大，则这个余弦分布的脉振磁势可写作：F=Fm cosxcost （式中基波磁势幅值：Fm=0.9Kdp1N1I）这样一个在空间上不动，而幅值是随时间脉振的波就是驻波，一个驻波可以看做是由两个幅值减半，其方向相反的行波合成，即：F=F+F-。就幅值上来看 F+=F-=0.5Fm=0.5(0.9Kdp1N1I)。随着时间的变化，任一时刻的脉振磁势都可以看着是由两个正序和负序旋转磁势所组成的，见图1-2。脉振磁势的分解，实际上是反映着时间变量向空间向量的转化，其中每一个旋转磁势都具有磁势幅值恒定，转速是频率所确定的同步转速的性质，即为圆形旋转磁势。它们与转子间的作用关糸将因与转子间有不同的转差率而不同。如以s代表正序磁势与转子间的转差率，则有 正序磁式的转差率： s =1-v 负序磁式的转差率： 2-s=1+v (式中v=n/n1转子的相对转速)把每个磁势对转子的作用计算出来以后，再予迭加起来，便是一个脉振磁势与转子相作用的结果。这就是相对单绕组电机的脉振磁势，采取双旋转磁势的分析方法。单绕组产生的脉振磁势F是一对应于绕组中电流I的，同样，分解出来的每一个圆形旋转磁势也要对应于绕组中的一个电流分量。分别叫做等效的正、负序电流分量I+、I -。则： F+=0.9Kdp1N1I+ F-=0.9Kdp1N1I-即每个圆形旋转磁势是由绕组中的一半电流所产生，并随时间变化正、负序磁势在空间向着相反方向旋转。1.1.4 椭圆形磁势：设电动机的定子铁心上放有两套绕组M和A，在空间上，它们轴间的夹角为电角度，分别对时间t作正弦变化的交流电流m和a，且设时间上a导前m一个角。仍取电动机气隙圆周空间坐标直线x=0与相轴A重合。合成磁势幅值的失端点轨迹是一个长轴为f+和f-幅值之和，短轴为f+和f-幅值之差的椭圆。这就是所谓的椭圆磁势。如图1-4所示。 图1-4 椭圆形磁势 图1-5 正序磁势与转子作用的电路图解（a） 转子开路 （b）转子旋转 （c）简化电路有时为了改善电机的性能，故意把电机设计成90；有时为了通用定子冲片，也会导致两相绕组相轴夹角90。在这些情况下，为获得圆形磁场，在相位上就必须考虑+=180这个条件了。总之，椭圆磁势可以分解为两个速率相等，转向相反而幅值不等的旋转磁势。当正、负序磁势大小相等时，就是脉振磁势，当负序磁势待于零时，就成了圆形磁势了。电容运转感应电动机的效率和功率因数较高，但它的起动转矩偏小，如果要加大起动转矩，有时可选用较大电容值的电容器，但这又会影响电机的运行性能和成本，故它的容量一般做得偏小。另外，单相异步电动机与三相异步电动机的主要不同就在于它的不对称。三相对称电动机工作时，内部是圆形旋转磁场。而单相异步电动机在一般情况下，内部则是椭圆形磁场，仅在某一转速上满足条件时才是圆形磁场。第2章 双值电容单相异步电动机 2.1双值电容单相异步电动机的工作原理及特点双值电容单相异步电动机的副绕组与两个并联的电容器并联后串联到电源，当电机的转速达到70%80%时，通过起动开关将起动电容器切离电源，而工作电容与副绕组继续参与运行。这种电机的运行特点是：运行性能和起动性能都比较好，电机噪音比较小，所以它是单相电机中比较理想的一种电机2.1YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机（1）概述：YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机根据市场需求自行研制开发的新系列产品，符合国际电工委员会（IEC）推荐中的有关规定。本系列电动机采用计算机优化设计，汇集了电容起动异步电动机与电容运行异步电动机的优点，具有起动转矩大、输出功率大、效率和功率因数高、体积小、结构紧凑、外形美观、振动和噪音低、运行安全可靠、使用寿命长等优良性能. 重量轻、维护方便等特点。重量轻、维护方便等特点。广泛应用于空气压缩机、水泵、风机、制冷、医疗器机械及小型机械等。对只有单相电 源的场合尤为适用。（2）结构特点：YLG系列高起动转矩双值电容单相异步电动机采用全封闭结构，外壳防护等级为IP44。本系列电动机采用B级绝缘材料，绕组具有良好 的绝缘性能与机械强度。接线盒装在电动机的顶部，便于从多个方向接线。离心式起动开关装的电动机内部，电容器装在电动机上方，接线从接续线盒内引出。电动机结构及安装方式有下列三种基本型式： B3型机座有底脚，端盖上无凸缘；B5型机座无底脚，端盖有大凸缘；轴伸在凸缘端； B14型机座无底脚，端盖有小凸缘；轴伸在凸缘端；（3）型号说明： 第3章 单相电动机设计思路3.2.1 单相电机尺寸的确定 在电机的许多尺寸中，定子冲片外径D1和铁心长度l为电机的主要尺。产品设计主要参考同类型的、规格相近的电机来决定主要尺寸。在这个过程中，为了节省成本和标准化生产，我们使用了已经标准化生产的定子冲片。我们取： D1=155 mm 叠长： L1/L2=99.2/99.23.2.2 气隙长度的确定气隙长度的选择非常重要，因为与电机的参数和性能有很大的影响。对于小电机，G.G.唯诺特提出一个经验公式：=0.013 + （cm）式中，极对数p不大于3。 一般的范围是：=0.020.03 cm 这里我们取经验数据：=0.043.2.3定子、转子槽数的选择及配合在确定槽数Q1时，需要考虑的因素较多。例如，同机座号的三相电机与单相电机冲片是否通用，对变极电机而言，尚要考虑不同极数之间如何合用冲片。转子槽数Q与定子槽数Q的互相配合，对电机性能，诸如起动性能、振动、电磁噪声、附加损耗、效率、温升等有很大的影响，因而要充分注意。有关槽配合应注意下列几条规则：1. 为了减少振动和噪声，应使 Q1-Q21，2，（2p+1），（2p+2）2. 为了避免机械特性T=（s）上的凹点，应使 Q1-Q22p3. 避免机械特性T=（s）上的死点，应使 Q1-Q22mp（或2mp的倍数）4. 要满足Q1/Q2整数的要求。 根据实际情况和经验，我们选择了合适的槽配合：Q1=24 Q2=313.2.4 定转子冲片设计 有关定转子冲片各部分尺寸的计算公式将在后面的电磁计算程序中介绍。这里仅介绍决定部分尺寸的经验公式。（1） 定子槽口宽b，可按经验公式 当Q1=24 时，b=0.069+0.075D国产小功率电动机单相异步电动机基本系列的b范围： b =0.220.32cm（2） 定子槽口高 H =0.050.07cm（3） 定子槽肩高 H =（11.5）Hcm（4） 平均齿宽t 当p=1 时，t= 当p=2 时，t= t是个初试值，一般根据磁路计算结果，可予以调整。 （5）定子轭宽 式中 定子齿磁通密度与轭部磁通密度之比，唯诺特认为取 =1.15为佳。但实际上最佳比值与极数有关，极数越少，比值越大，不是个常数。（6）转子槽口宽=0.0750.1 cm（7）转子槽口我们采用闭口槽， =0.020.03 cm（8）转子平均齿宽= （9）转子轭高 =（0.951）3.2.5定子绕组设计在单相异步电动机的气隙磁场中，谐波磁场的含量较多，次数低，幅值大，可能会产生较大的附加转矩、附加损耗、振动和噪声，从而使电机起动困难，效率降低、温升升高、振动几噪声指标超差。为了削弱电机气隙中的谐波磁场，关键在于正确选择绕组结构形式及精心设计笼型绕组的斜槽。定子绕组的结构形式通常有双层绕组、单层绕组、集中绕组、分布绕组等几种。在小功率电动机中，为了省去层间绝缘，提高槽的利用率，采用单层绕组为好；为了削弱谐波磁场，则以双层绕组为好，尤其以正弦绕组的效果最好。单相异步电机的主、副绕组轴线一般是正交的，即空间相距电角度。它的主、副绕组所占的槽数通常各占总槽数的1/2，即主、副绕组等相带各占电角度。但也有被设计成主绕组占总槽数的2/3，副绕组仅占1/3的，即主、副绕组相带分别为和电角度。对于电容运转的电动机，如果采用这种绕组，副绕组电流仅产生脉振的三次谐波磁动分量,由此产生的三次谐波转矩在额定负载运行时其影响基本可以忽略,并且副绕组中的三次谐波分量可采用适当的短矩来加以限制。在本次的设计中，我们选用正弦绕组作为定子绕组。由于每极槽数Q= =12查得副表4-1（见中小型电极设计手册机械工业出版社1994年7月第一版，上海电器研究所）其跨距为：y1=11， y2=9 ,y3=7，y4=5，y5=3，槽线数分配比例为：26.8，25 21.4，16.5，10.3，平均跨槽数 y=7.877正弦绕组虽然可基本消除高次谐波磁动势（不包括齿谐波），但由于它的各个线圈的匝数不同，造成绕线、嵌线工艺复杂，且各槽槽满率不均匀，有些槽利用率不高，影响电机出力。所以，一般还是用于小功率电动机。本次设计的送风电动机对输出力矩要求不高，所以采用正弦绕组是很合适的。对于整马力单相电机，国内已经开始采用主、副绕组不相等的相带（比如分别占和相带）的同心式或交叉式等匝绕组，且使用效果好。3.2.6 齿谐波的消除方法在单相异步电动机中，通常含有三次谐波和三倍频的谐波。因此，在设计时应该注意抑制三、五、七等低次谐波磁动势。此外，要更重视齿谐波的影响。定子齿谐波的次数为为：= K=1，2，齿谐波的绕组系数与基波绕组系数相同，即。因此，齿谐波的谐波强度为：= = K=1，2， 当电机的每极槽数越小，也越小，越大。如果定子次谐波，感应出转子绕组的次谐波，而在定子中有第次谐波，且=，并且在特定的转速下，和次谐波同步旋转，则与之间将产生同步附加转矩，若和次谐波强度足够大，将严重影响起动性能。为了消除齿谐波，我们在设计中，转子采用闭口槽，有效的减少了齿谐波，提高了电机的起动性能。 3.2.7 有效匝比和外接电容器的选择电容运转单相异步电动机的主、副绕组在起动和运行时都是工作绕组。要在起动和运行两种工作状态下都产生圆形旋转磁场是不可能的。因此，一般应兼顾起动和运行两种工作情况，以运行时基本接近圆形旋转磁场为主。由电机学原理可知，两相绕组单相异步电动机产生圆形旋转磁场（或合成的负序磁场为零）的条件是：Wm Im =WaIa+ =式中 Wm Im 、WaIa 主、副绕组磁动势； 两绕组相轴的空间角度； 主、副绕组电流Im、I a的时间相位差。单相异步电动机的主、副绕组接在同一单相电网上，靠电容或电阻移相来使副绕组电流与主绕组电流产生一定的时间相位差。对于电容运转单相异步电动机，如欲使它在某一负载运行点获得圆形磁场，应满足如下关系:a = （1-1）Xc=由于正序电阻Rf和正序电抗Xf均为转差率s的函数，故由上式求得a和Xc仅适宜某负载（即某一转差率）时的工作状况。当负载变化时，圆形磁场被破坏。要重新获得在圆形磁场下工作，就得按上式重新计算a及Xc的值。电容运转异步电机有效匝比a一般取1.22。它的选取原则，通常偏重于电容器的端电压Uc接近于电动机的运行电压。电容运转电机的a值上限，取决于起动条件。有时过高的a会使起动转矩下降。由于要在额定运行时形成圆形磁场，故Wm Im =WaIa，即Ia=Im/a。考虑温升问题，应使主、副绕组具有相同的电密才合理，以使两套绕组发挥作用。因此，副绕组导体截面积Sa=Sm/a。设主绕组电压为Um，副绕组电压为aUm，而且两者时间相位差为，则电容器端电压Uc为： Uc=可见a的上限值也受到Uc的限制。根据式（3-1）可确定电容值C，但电容器也有它的标准规格，应取与C值接近的标准C值。电容运转电机选用的电容值见表1-1： 表1-1 电容运转电动机选用的电容C值P2（W）4 8 15 25 40 60 90 120 180 250极数2p 4 2/4 2/4 2/4 2/4 2/4 2/4 2/4 2/4 2/4C（F） 1 1 1/2 1/2或2 2 2/4或4 4 4 6 83.2.8 减少电动机运行时噪音的一系列措施电机噪音产生的根源主要是电磁噪音和机械噪音，下面我们从这两方面分别阐述： 电磁噪音产生的原因和解决办法：1. 适当降低气隙磁密有利于控制电磁噪音电机定、转子空气隙中的交变电磁场会使定转子产生振动和噪音，而且电机定子所受到的径向力与气隙磁密的平方成正比。所以电机气隙磁密的大小对电机的振动与噪音的大小有着重大影响，因此选择较低的气隙磁密是减小电机噪音的方法之一，但气隙磁密选择太低，在电机转速与输出功率不变的情况下电机体积会相对地增加，即电机的材料会增加，使成本增加。因此气隙磁密也不能选得太低，空调风扇电机一般控制在40006000高斯为好。2. 抑制电机气隙磁场中的高次谐波有利于降低电磁噪音作用在电机定、转子空气隙中的气隙磁场除基波磁场外，还有一系列高次谐波磁场，高次谐波磁场的存在也是引起电磁噪音的原因之一。在单相电容电机设计中，一般可以采用转子斜一个定子齿距，定子绕组采用正-绕组，定、转子之间保证0.04mm的同轴度，定、转子铁