三相笼型感应电动机设计及仿真.doc

三相笼型感应电动机设计及仿真

学 院： 姓 名：
学 号：
指 导 老 师：
日 期：

一 课程设计内容：
1． 在查阅有关资料的基础上，确定电机主要尺寸、槽配合，定、转子槽形及槽形尺寸。
2． 确定定、转子绕组方案。
3． 完成电机电磁设计计算方案。
4． 画出定、转子冲片图。
5．完成说明书（16开，计算机打印或课程设计纸手写，计算机打印需提供纸质计算原稿）
6.对已经完成的电磁设计方案建立有限元模型，利用ANSOFT软件进行运行性能的仿真计算，给出性能分析图表等。
二 设计基本要求：
1．求每位同学独立完成一种型号规格电机的全部电磁方案计算过程，并根据所算结果绘出定、转子冲片图。
2．要求计算准确，绘出图形正确、整洁。
3．要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。
题目2：Y132M2-6 额定数据与性能指标
1、电机型号Y132M2-6 2、额定功率 PN=5.5kW
3、额定频率fN =50Hz 4、额定电压及接法UN=380 伏 1-Δ
5、极数 2p=6 6、绝缘等级 B
7、力能指标：效率 8、功率因数
9、最大转矩倍数
起动性能：起动电流倍数,起动转矩倍数
主要尺寸
转子外径
定子槽形采用斜肩圆底梨形槽：
转子采用斜肩平底槽：
三 概述
三相异步电机广泛应用于采矿、机械、冶金、油田等领域。三相异步电机在工业中起着重要的作用。与其他机器相比,它具有成本低、结构简单、易于制造等优点。但它也有一些缺点,比如小的起动转矩,表现不佳的速度控制在轻载和低功率因数。Ansoft 作为世界领先的电磁有限元分析软件， Maxwell 已广泛应于电气设备行业，RMxprt作为Ansoft最重要的一个模块，广泛应用在工程电磁场，它可以优化前期项目的设计。然后我们可以生成一个合理的2 d / 3 d有限元分析模型。可自动加载几何和自动定义的各个部分材料,给电动机的边界条件时,励磁电源等等。在本设计报告中,我们利用Ansoft Maxwell 进行建模。详细分析步骤和过程，根据给定的设计参数结合上课所学习的知识，在Ansoft Maxwell 14中进行仿真和计算，来验证电机设计的合理性。
四 设计分析
根据给定的设计数据，经过一系列的计算，为后续进行仿真设计打下了基础，三相异步电动机电机设计是个复杂的过程，需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。根据转子结构分类，可分为笼式和绕线式，本设计选择的是笼型感应电动机设计，其转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。
三相感应电动机作电动机运行时，转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。电磁设计主要的内容是确定电机的电磁负荷及定子两套绕组的极对数。
仿真设计时需注意以下几点：
(1) 负载的性质
明确负载需要恒功率调速或恒转矩调速，或在整个调速范围内部分转速区为恒功率、部分转速区为恒转矩。
(2) 调速范围
确定电机的常用转速区间和最大转速区间，以便选择合适的电机数据
(3) 通风冷却系统
在设计时应兼顾电机各方面性能的要求，根据不同的情况采取不同的方法，整个
电磁计算中的几个主要部分包括：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组与冲片设计；工作性能的计算；起动性能的计算等。
五 仿真设计
双击桌面的Maxwell 16.0，运行Maxwell 软件，进入如下界面，点击菜单栏中的，新建电机设计

图1 新建电机设计
点击machine，设置电机参数如下

图2 设置电机参数
设置定子slot参数如下:

图3 定子槽型和参数
双击图中Stator 下的Slot，设置定子槽型参数

图4定子槽型参数
双击图中Stator 下的Winding，设置定子绕组

图5 定子绕组和参数设置
双击图中Rotor设置转子参数

图6 转子槽型和参数
双击图中Rotor下的Slot设置转子槽型数据

图7 转子槽型数据
双击图中Rotor下的Winding设置转子绕组

图8转子绕组设置

图9 定、转子冲片
至此电机参数设置完毕
选择菜单栏中的RMxprt→AnalysisSteup→Add Solution Setup
设置求解器参数

图10 求解器参数设置
求解器设置完毕，开始运行仿真，点击工具栏中的运行Validate

图11 点击仿真
所有参数均设置正确，可以运行仿真，点击工具栏中的，运行Analyze All
等待运行结束，查看仿真结果,如图12.1-12.3所示：
选择菜单栏中RMxprt→Results→ Solution Data→Performance

图12.1 查看运行结果
图12.2 Design sheets

图12.3 Curves (运行特性曲线)
后处理，将RMxprt项目导入到Maxwell 2D

图13 生成Maxwell 2D项目

图14 生成3D项目

六 仿真结果
Three-Phase Induction Motor Design
File: Setup1.res
GENERAL DATA
Given Output Power (kW): 5.5
Rated Voltage (V): 380
Winding Connection: Wye
Number of Poles: 6
Given Speed (rpm): 1462
Frequency (Hz): 50
Stray Loss (W): 71.775
Frictional Loss (W): 131.076
Windage Loss (W): 30.751
Type of Load: Constant Speed
Operating Temperature (C): 75

STATOR DATA
Number of Stator Slots: 36
Outer Diameter of Stator (mm): 210
Inner Diameter of Stator (mm): 148
Type of Stator Slot: 2
Stator Slot
hs0 (mm): 0.8
hs1 (mm): 0.952
hs2 (mm): 10.548
bs0 (mm): 3.5
bs1 (mm): 6.8
bs2 (mm): 8.8
Top Tooth Width (mm): 6.42671
Bottom Tooth Width (mm): 6.27296
Length of Stator Core (mm): 140
Stacking Factor of Stator Core: 0.95
Type of Steel: steel_1008
Number of lamination sectors 1
Press board thickness (mm): 0
Magnetic press board No
Number of Parallel Branches: 1
Type of Coils: 11
Coil Pitch: 0
Number of Conductors per Slot: 19
Number of Wires per Conductor: 4
Wire Diameter (mm): 0.86
Wire Wrap Thickness (mm): 0.06
Wedge Thickness (mm): 0
Slot Liner Thickness (mm): 0
Layer Insulation (mm): 0
Slot Area (mm^2): 120.388
Net Slot Area (mm^2): 112.685
Slot Fill Factor (%): 57.0852
Limited Slot Fill Factor (%): 75
Wire Resistivity (ohm.mm^2/m): 0.0217
Top Free Space in Slot (%): 0
Bottom Free Space in Slot (%): 0
Conductor Length Adjustment (mm): 0
End Length Correction Factor 1
End Leakage Reactance Correction Factor 1

ROTOR DATA
Number of Rotor Slots: 33
Air Gap (mm): 0.35
Inner Diameter of Rotor (mm): 48
Type of Rotor Slot: 3
Rotor Slot
hs0 (mm): 1
hs1 (mm): 1.58
hs2 (mm): 18.42
bs0 (mm): 1
bs1 (mm): 6.5
bs2 (mm): 2.6
rs (mm): 0

Cast Rotor: Yes
Half Slot: No
Length of Rotor (mm): 140
Stacking Factor of Rotor Core: 0.95
Type of Steel: steel_1008
Skew Width: 1
End Length of Bar (mm): 0
Height of End Ring (mm): 31
Width of End Ring (mm): 13.5
Resistivity of Rotor Bar
at 75 Centigrade (ohm.mm^2/m): 0.15873
Resistivity of Rotor Ring
at 75 Centigrade (ohm.mm^2/m): 0.15873
Magnetic Shaft: No

MATERIAL CONSUMPTION
Armature Copper Density (kg/m^3): 8900
Rotor Bar Material Density (kg/m^3): 2700
Rotor Ring Material Density (kg/m^3): 2700
Armature Core Steel Density (kg/m^3): 7872
Rotor Core Steel Density (kg/m^3): 7872
Armature Copper Weight (kg): 3.37533
Rotor Bar Material Weight (kg): 1.13184
Rotor Ring Material Weight (kg): 0.811494
Armature Core Steel Weight (kg): 13.7141
Rotor Core Steel Weight (kg): 12.812
Total Net Weight (kg): 31.8447

Armature Core Steel Consumption (kg): 29.4887
Rotor Core Steel Consumption (kg): 18.0115
RATED-LOAD OPERATION
Stator Resistance (ohm): 0.508125
Stator Resistance at 20C (ohm): 0.417974
Stator Leakage Reactance (ohm): 0.324881
Rotor Resistance (ohm): 1.24075
Rotor Resistance at 20C (ohm): 1.02061
Rotor Leakage Reactance (ohm): 0.396957
Resistance Corresponding to
Iron-Core Loss (ohm): 1.52666e+007
Magnetizing Reactance (ohm): 1.80947

Stator Phase Current (A): 141.362
Current Corresponding to
Iron-Core Loss (A): 1.30867e-005
Magnetizing Current (A): 110.413
Rotor Phase Current (A): 73.5934
Copper Loss of Stator Winding (W): 30462.1
Copper Loss of Rotor Winding (W): 20159.6
Iron-Core Loss (W): 0.00784373
Frictional and Windage Loss (W): 161.827
Stray Loss (W): 71.775
Total Loss (W): 50855.3
Input Mechanical Power (kW): 63.9569
Output Electrical Power (kW): 13.1016
Mechanical Shaft Torque (N.m): 417.745
Efficiency (%): 20.4851
Power Factor: 0.141586
Rated Slip: -0.462
Rated Shaft Speed (rpm): 1462
Operation mode: generator
NO-LOAD OPERATION
No-Load Stator Resistance (ohm): 0.508125
No-Load Stator Leakage Reactance (ohm): 0.329726
No-Load Rotor Resistance (ohm): 1.23865
No-Load Rotor Leakage Reactance (ohm): 0.409937
No-Load Stator Phase Current (A): 99.7474
No-Load Iron-Core Loss (W): 0.00640152
No-Load Input Power (W): 15338.4
No-Load Power Factor: 0.23254
No-Load Slip: 0.00126475
No-Load Shaft Speed (rpm): 998.735

BREAK-DOWN OPERATION
Break-Down Slip: 1
Break-Down Torque (N.m): 375.794
Break-Down Torque Ratio: 0.899577
Break-Down Phase Current (A): 143.733
LOCKED-ROTOR OPERATION
Locked-Rotor Torque (N.m): 375.794
Locked-Rotor Phase Current (A): 143.733
Locked-Rotor Torque Ratio: -0.899577
Locked-Rotor Current Ratio: 1.01677
Locked-Rotor Stator Resistance (ohm): 0.508125
Locked-Rotor Stator
Leakage Reactance (ohm): 0.324738
Locked-Rotor Rotor Resistance (ohm) 1.24844
Locked-Rotor Rotor
Leakage Reactance (ohm): 0.396071

DETAILED DATA AT RATED OPERATION
Stator Slot Leakage Reactance (ohm): 0.226211
Stator End-Winding Leakage
Reactance (ohm): 0.0912937
Stator Differential Leakage
Reactance (ohm): 0.00737612
Rotor Slot Leakage Reactance (ohm): 0.339147
Rotor End-Winding Leakage
Reactance (ohm): 0.033844
Rotor Differential Leakage
Reactance (ohm): 0.016482
Skewing Leakage Reactance (ohm): 0.00748217

Stator Winding Factor: 0.965926
Stator-Teeth Flux Density (Tesla): 2.44751
Rotor-Teeth Flux Density (Tesla): 2.34519
Stator-Yoke Flux Density (Tesla): 2.14273
Rotor-Yoke Flux Density (Tesla): 1.17919
Air-Gap Flux Density (Tesla): 1.14309
Stator-Teeth Ampere Turns (A.T): 1678.68
Rotor-Teeth Ampere Turns (A.T): 2591.97
Stator-Yoke Ampere Turns (A.T): 647.83
Rotor-Yoke Ampere Turns (A.T): 7.84111
Air-Gap Ampere Turns (A.T): 427.765
Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Stator Yoke: 0.1915
Correction Factor for Magnetic
Circuit Length of Rotor Yoke: 0.7
Saturation Factor for Teeth: 10.9836
Saturation Factor for Teeth & Yoke: 12.5164
Induced-Voltage Factor: 0.910647
Stator Current Density (A/mm^2): 60.8397
Specific Electric Loading (A/mm): 207.959
Stator Thermal Load (A^2/mm^3): 12652.2
Rotor Bar Current Density (A/mm^2): 16.2385
Rotor Ring Current Density (A/mm^2): 6.24831
Half-Turn Length of
Stator Winding (mm): 238.629
WINDING ARRANGEMENT
The 3-phase, 1-layer winding can be arranged in 12 slots as below:
AAZZBBXXCCYY

Angle per slot (elec. degrees): 30
Phase-A axis (elec. degrees): 105
First slot center (elec. degrees): 0
TRANSIENT FEA INPUT DATA
For one phase of the Stator Winding:
Number of Turns: 114
Parallel Branches: 1

Terminal Resistance (ohm): 0.508125
End Leakage Inductance (H): 0.000290597
For Rotor End Ring Between Two Bars of One Side:
Equivalent Ring Resistance (ohm): 4.12711e-006
Equivalent Ring Inductance (H): 6.56283e-009
2D Equivalent Value:
Equivalent Model Depth (mm): 140
Equivalent Stator Stacking Factor: 0.95
Equivalent Rotor Stacking Factor: 0.95
Estimated Rotor Inertial Moment (kg m^2): 0.05047

七 心得总结
首先感谢老师对我们课程学习的指导，感谢我们同一小组的其他同学，在这门课程学习和仿真过程中给我很大的帮助。
这篇仿真报告是我对Motor Design And CAD 这门课学习的一个总结，通过对这门课的学习，我获益良多，不仅学习到了与专业，研究生研究课题相关的知识，还锻炼了对知识检索，整理的能力。颜老师上课教课方式轻松上课能全面了解电机设计这门课，顺便还能巩固电机学以及与电机相关的一些知识。不管是同学的电机学基础怎么样，都能在课堂上学习到电机设计所需要用到的计算，设计思路等等。
最后结课报告的安排也很合理，给我们足够的时间去准备和完成这门课的学习，通过查阅资料，阅读电机设计的书籍，最后到自己独立完成Y132M2-6 型号电机的计算，并在Maxwell 16.0上完成设计和仿真。在计算过程中遇到许多不懂的问题，也通过请教同组同学最后得到解决，同时也接触了Maxwell 16.0这个强大的电磁计算软件，为之后的学习打下了基础。

参考文献
[1] 杨莉 戴文进等 《电机设计理论与实践》, 清华大学出版社, 2013.
[2] 贾好来, 吝伶艳等《电机CAD技术》, 中国电力出版社, 2010.
[3] 谭建成, 《永磁无刷直流电机技术》, 机械工业出版社, 2011.
[4] 宁玉泉,钟长青. 大型三相感应电机电磁设计程序[J]. 大电机技术,1996,02:31-37+57.
[5] 叶光辉. 多相感应电机的设计研究[D].湖南大学,2007.
[6] 王东,邹会权. 基于ANSOFT RMxprt的三相异步电机有限元分析[J]. 能源研究与管
理,2010,04:69-71
[7] 黄斌. 基于Ansoft RMxprt的三相永磁同步电机有限元分析[J]. 机电技术,2014,05:38-40.
[8] 王振,刘建国,王爱凤. 基于ANSOFT的永磁同步电机有限元分析[J].

目 录
第一章 总论 1
1.1项目名称与承办单位 1
1.2研究工作的依据、内容及范围 1
1.3编制原则 3
1.4项目概况 3
1.5技术经济指标 5
1.6结论 6
第二章 项目背景及建设必要性 8
2.1项目背景 8
2.2建设的必要性 9
第三章 建设条件 11
3.1项目区概况 11
3.2建设地点选择 错误！未定义书签。
3.3项目建设条件优劣势分析 错误！未定义书签。
第四章 市场分析与销售方案 13
4.1市场分析 13
4.2营销策略、方案、模式 14
第五章 建设方案 15
5.1建设规模和产品方案 15
5.2建设规划和布局 15
5.3运输 18
5.4建设标准 18
5.5公用工程 20
5.6工艺技术方案 21
5.7设备方案 21
5.8节能减排措施 24
第六章 环境影响评价 25
6.1环境影响 25
6.2环境保护与治理措施 26
6.3评价与审批 28
第七章 项目组织与管理 29
7.1组织机构与职能划分 29
7.2劳动定员 29
7.3经营管理措施 30
7.4技术培训 30
第八章 劳动、安全、卫生与消防 31
8.1编制依据及采用的标准 31
8.2安全卫生防护原则 31
8.3自然灾害危害因素分析及防范措施 32
8.4生产过程中产生的危害因素分析及防范措施 32
8.5消防编制依据及采用的标准 34
8.6消防设计原则 35
8.7火灾隐患分析 35
8.8总平面消防设计 35
8.9消防给水设计 36
8.10建筑防火 36
8.11火灾检测报警系统 37
8.12预期效果 37
第九章 项目实施进度 38
9.1实施进度计划 38
9.2项目实施建议 38
第十章 项目招投标方案 40
10.1招标原则 40

10.2项目招标范围 40
10.3投标、开标、评标和中标程序 40
10.4评标委员会的人员组成和资格要求 42
第十一章 投资估算和资金筹措 43
11.1投资估算 43
11.2资金筹措及使用计划 45
第十二章 财务评价 47
12.1费用与效益估算 47
12.2财务分析 48
12.3不确定性分析 49
12.5财务评价结论 50
第十三章 建设合理性分析 51
13.1产业政策符合性分析 51
13.2清洁生产符合性分析 51
13.3规划符合性分析 51
13.4项目建设环保政策符合性分析 51
13.5环境承载性分析 51
13.6结论 52
第十四章 结论与建议 53