5KW高频交流电动机设计及工艺分析.doc

1、目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2国内外研究的情况1第2章 高频交流电机的特点32.1高频交流电机的基本机构32.1.1定子的结构组成32.1.2转子的结构组成32.1.3工作原理32.2高频交流电机定子设计研究42.2.1定子铁芯设计研究42.2.2定子槽型的设计52.2.3定子绕组结构设计与参数分析62.3高频交流电机转子设计72.3.1转子槽数的选择及定转子槽配合问题72.3.2转子槽形的选择和槽形尺寸的确定82.4高速轴的研究92.4.1机械轴承设计92.4.2无摩擦轴承技术102.4.3国内外高速电转轴的研究情况102.5本章小结11第3章 高

2、频交流电机的设计123.1高频驱动对电机设计的影响123.2高速感应电动机的设计流程123.2.1设计方法123.2.2设计流程图133.3电机主要尺寸设计公式的推导143.4本章小结17第4章 5KW高频交流电机实例计算184.1额定数据和主要尺寸184.2磁路计算234.3参数计算274.4工作性能计算324.5起动性能计算37第5章 结论41第6章 参考文献42致 谢44 ii湖南工程学院毕业设计（论文）摘要随着电力电子技术、高强度低损耗电磁材料以及控制技术的发展，高速电机在机械工业、国防工业等各个方面都获得了广泛的应用。在高速电机应用中，感应电机由于成本低、结构简单和控制技术成熟，是高

3、速电机的主选类型。目前，高速电机的设计还没有成熟，许多设计和工艺问题还没有获得圆满解决，在世界范围内各工业先进国家都在进行相关课题的研究。与传统感应电机相比，高速感应电机采用中频变频器供电，其运行条件发生很大的变化，这使得电机的设计自由度大，难度高。针对此特点，本文从高速感应电动机的设计出发，分析了高速感应电机结构和电磁设计上的特点，并借鉴传统电机的设计方法，给出了系统的针对高速感应电动机的设计方法。根据高速感应电动机的上述特点和设计思想的分析，对一台高速感应电动机进行了电磁计算和分析。在感应电动机等效电路的基础上，分析了电源频率发生改变，等效电路中主要参数的变化规律。由于变频调速系统通常应用

4、在需要频繁起动和调速的场合下，高速变频感应电机需要在不同的工况下工作。所以电机的效率、功率因数、损耗等运行性能参数变化范围也很大。关键词 高速；感应电机；变频调速；电磁设计AbstractFollowing with the development of power electronics technology, the kind of material having larger compression strength and smaller loss ,and control technology, high-speed motors are applied in all area su

5、ch as machine industry and national defense industry. On account of lower cost, simple structure and advanced control technology, induction motor is the main choice as high-speed motor. At present，the technology for design of high-speed motors is not perfect，many problem for design and techniques ar

6、e not solved，the interrelated investigations are carried out in all advanced industry country.As compared with traditional induction motor, the operational condition channel greatly due to adopting mid-frequency inverter for power supply. This makes the design of motor high in free degree and high i

7、n difficulty. Directing against this peculiarity, this paper begins with the design of high-speed induction motor, the specialty of its structure and electromagnet is analyzed in details.Based on the design method of traditional induction motor, put forward the systematic design method of high-speed

8、 introduction motor. At the foundation of design and analysis on high-speed introduction motor, in terms of the T-type equivalent circuit of induction motors, the principle of main parameters with the change of source frequency is given, and the operation property of motors by changing frequency is

9、also studied.Because the variable frequency and adjustable speed systems are commonly used in the situations which need frequent starting-up and speed adjustment, the inverter-driven induction motor is required to work under different power points. The parameters, such as efficiency, power factor, l

10、oses and so on, are different under different power points. Keywords：high-speed; introduction motor; variable frequency and adjustable speed; electromagnet designII5KW高频交流电动机设计及工艺分析第1章 绪论1.1 课题研究背景高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点。由于转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，因此可以有效地节约材料；由于高速电机的转动惯量较小，因此动态响应较快；又由于高速电机

11、可与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音，提高传动系统的效率。并且交流电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。又随着变频调速目前已经成为主流的调速方案，可广泛应用于各行各业无级变速业控制领域内日益广泛的应用，高频交流电机的使用也日益广泛起来，可以这样说由于传动。特别是随着变频器在工高频电机在高频控制方面较普通电机的优越性，凡是用到变频器的地方我们都不难看到高频电机的身影。因为电机频率越高转速就越快，从某种意义上讲高频交流电机就是高速感应电机，而高

12、速电机的作用越来越大了。（1） 高速电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用，而随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。 （2） 随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。 （3）由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。 1.2国内外研究的情况近年来，国际高频交流电动机市场需求十分可观，并将持续处于高速增长阶段。国外研究的高频交流电机已经取的较好的成绩，10KW以上

13、的中、大功率高频电机转速一般达到6万转每分钟。10KW以内的中、大功率高频电机的转速达到10万转每分钟。并且以及开始产品化。美国MIT已经研制出5MW，1.5万转/分钟感应发电机，美国Calnetix公司研制出2MW，1.9到2.25万转/分钟永磁发电机，美国Kentucky大学、GE公司、Sundstrand公司研制出30KW、250KW、375KW、500KW，4.8到5.2万转/分钟开关磁阻发动机、英国谢菲尔德大学转1996年研制出2万转/分钟的永磁无刷直流电动机，ML4425无传感器控制。1998年开始研究12万转/分钟的BLDCM。IMR_UKRC在1997年开始研究10万转/分钟的

14、BLDCM，SRIM。美国Calnetix公司研制出1KW，45.2万转/分钟永磁无刷发动机，堪称世界最高速。我国高频交流电机目前的研究还处在起步阶段。特别体现在高速轴上面，国内电主轴的研究始于20世纪60年代，主要用于零件内表面磨削，这种电主轴的功率低，刚度小。并且它采用无内圈式向心推力球轴承，限制了高速电主轴的生产社会化和商品化。20世纪70年代后期至80年代，随着高速主轴轴承的开发，研制了高刚度、高速电主轴，它被广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域。在20世纪80年代末以后，由磨用电主轴转向铣用电主轴，它不仅能加工各种形体复杂的模具，而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铣用电主轴，推

15、动了高速电主轴在铣削中的应用。此外，食品工业的固体饮料；染化工业的染料；医药工业的药品等粉状和粒状物质均需用高速离心干燥技术来生产，而高速离心干燥设备也需要高速电主轴技术。高速拉伸电主轴的应用也促进了我国有色管材精密冷成型技术的发展。高精度硅片切割机用电主轴，促进了电子工业设备的更新和进步。利用高速电主轴的优良性能，还可以开发多种高性能试验机。第2章 高频交流电机的特点2.1高频交流电机的基本机构高频交流电机的结构和普通三相交流电机的结构是一样的，其基本原理和普通三相交流电机的原理也是一样的。所以在分析高频交流电机的结构和原理时，就可以分析普通交流电机的结构和原理。2.1.1定子的结构组成定子

16、由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成，定子铁心是异步电动机磁路的一部分，一般由含硅3%和0.18毫米厚的硅钢片叠压而成，用压圈及扣片固紧，各片之间相互绝缘，以减少涡流损耗。定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的，小型电机采用散下线圈或称软绕组，大中型电机采用成型线圈，又称为硬绕组。2.1.2转子的结构组成转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成，转子铁心和定子铁心一样，也是硅钢片叠压而成。鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽内的裸导条和两端的环形端环连接而成，如果去掉转子铁心，绕组的形状象一个笼子；绕线型转子的绕组与定子绕组相似，做成三相绕组，在内部星型或三角型。2.1

17、.3工作原理当定子绕组接至三相对称电源时，流入定子绕组的三相对称电流，在气隙内产生一个以同步转速n1旋转的定子旋转磁场，设旋转磁场的转向为逆时针，当旋转磁场的磁力线切割转子导体时，将在导体内产生感应电动势e2，电动势的方向根据右手定则确定。N极下的电动势方向用表示，S极下的电动势用表示，转子电流的有功分量i2a与e2同相位，所以既表示电动势的方向，又表示电流有功分量的方向。转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力fem,根据左手定则，在N极下的所有电流方向为的导体和在S极下所有电流流向为的导体均产生沿着逆时针方向的切向电磁力fem,在该电磁力作用下，使转子受到了逆时针方向的电磁转矩Me

18、m的驱动作用，转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡，转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行，从而实现了电能与机械能之间的能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理，其原理就是高频交流电机的原理。2.2高频交流电机定子设计研究 2.2.1定子铁芯设计研究按照感应电动机设计原理，定子铁耗可由下式估算：pFe=k0(B/B0)2(f/f0)1.3GFe式中K0铁心单位重量损耗，是在定子铁心磁通密度和定子铁心磁通频率分别为B0和f时所测值；B定子铁心实际磁通密度；f定子铁心实际磁通频率；GFe铁心重量。从式中可以看出，由于高速电机中的磁通频率f比普通工

19、频电机高很多，使得其定子铁耗较大。在高速感应电动机中定子铁耗占总损耗的主要部分。例如，本文设计的转速为1800r/min的2极高速感应电机和一台转速为1500r/min的2极普通工频感应电机相比，如果其他参数相同的话，前者的铁耗近似于后者铁耗的几倍。如果不采取相应措施来降低该损耗值的话，它在高速电机的总损耗中所占比重就会很大，严重影响电机效率。在电机转速（频率）一定的情况下，有两种方法可以减小定子铁耗：一方面，电机定子齿部和轭部的磁通密度B 不能选的太高，要低于普通工频电机的B值，可采取的办法是增大电机的气隙值；另一方面要选择使损耗系数尽可能小的材料，硅钢片的厚度应满足下式关式中d硅钢片厚度；

20、绕组电流角频率；导体磁导率；导体电导率。为了减少铁心损耗和在低磁场强度下产生高饱和磁通密度，可选用各向同性3%硅含量的0.18mm厚硅钢片。高强度软磁合金钻铁合金也非常适用于作高速感应电机的磁性材料，钻铁合金比较昂贵，但是经过特殊的热处理，这种材料的屈服强度可以达到600mN/m如49Co/49Fe/2V合金），电磁性能较好。钴铁合金已经被应用于航空发电机和磁轴承上，取得了较好的效果非晶态磁性材料也是一类研究和开发中的新材料，高饱和型非晶态软磁材料很薄（0.030.05mm），电阻率比晶态合金高3到4倍，具有优良的软磁特性，可取代硅钢片作为铁心材料，损耗只有硅钢片的1/31/6；另外，这种材料

21、的抗拉强度是普通硅钢片的3倍。与硅钢片相比，非晶态磁性材料的缺点是饱和磁感应强度（最大值是2T）和铁心占空比系数较低，机械加工性差，在较高温度下性能不稳定，但是此种材料的高电阻率和高机械强度很适合高速电机的特点。2.2.2定子槽型的设计高速感应电机定子槽形的选择和绕组线规的选择可类似于普通感应电机的设计，一般感应电机的定子槽形常用的有四种，梨形槽、梯形槽、半开口槽、开口槽。梨形槽和梯形槽是半闭口槽，槽的底部比顶部宽，使齿壁基本上平行。这两种槽形一般用于功率在100KW以下，电压为500V以下的感应电机中，因为这些电机通常采用由圆导线绕成的散嵌绕组。采用半闭口槽可以减少铁芯表面损耗和齿内脉振损耗

22、，并使有效气隙长度ef减少，功率因数得到改善。梨形槽和梯形槽相比，前者的槽面积利用率较高，冲模寿命较长，而且槽绝缘的弯曲程度较小，不易损伤，所以用的较为广泛。高速感应电机一般采用的是半闭口梨形槽，这是因为槽开口较小，可以大大减少铁心表面损耗和齿内脉振损耗，并使气隙系数较小，从而减小励磁电流；同时使槽面积利用率高，冲模寿命较长，功率因数也得到改善，因此得到了广泛的应用。定子半闭口梨形槽的设计参数主要为：槽口高与槽口宽以及槽肩部斜角1、定子齿宽、定子轭高bt1、定子槽宽bs1、定子槽高hs1。其中槽口尺寸主要由电气性能、冲模制造、冲压和下线等因数决定。一般取b01=2.54.00mm，槽口高度取h

23、01=0.52.0mm，1取30左右。槽口宽度取较大值，可减小槽漏抗，提高运行特性的硬度和过载能力。定子槽形如图2-1所示：定子槽形尺寸的确定一般有两种法。第一种方法是先选取气隙磁密B、齿磁密Bt1和轭磁密B j1，分别计算出所需齿宽bt1和轭高hj1，然后通过作图，得出槽形尺寸，最后用槽满率Sf进行校核，并进行必要的调整。第二种方法是初选槽满率Sf值，计算出槽部有效面积，然后根据、槽形及有关数据，初步确定槽尺寸，最后校核Bt1、Bj1等参量，看是否满足要求，然后作适当的调整。但通常习惯采用第一种方法。在这里需要重点强调的是，高速电机设计时，为提高电机的效率，减小损耗，选择较低的气隙磁密，一般

24、设计为0.50.6T，而一般普通中小型感应电机的气隙磁密大都在0.7T左右。定子齿磁密Bt1范围取在1.45T1.55T，轭磁密Bj1范围取在1.3T1.5T，设计计算中确定定子齿磁密Bt1和轭磁密Bj1时，选用较小的值，这样可以大大降低电机的铁损耗。 图2-1定子半闭口梨形槽2.2.3定子绕组结构设计与参数分析高速感应电机的定子绕组是作为励磁绕组，它的设计关系到电机的动力性能。定子绕组的设计主要包括线圈节距、绕组形式和线规的设计。由于变频器供电的高速电动机定子绕组中电流含有谐波成分，再加上电机气隙磁导不均匀，所以，必然导致定子磁动势中含有谐波分量。为了得到较好的正弦波形，消除和减少高次谐波的

25、影响，减小振动，定子一般采用双层短距或整距绕组。在高速电机中，由于定子绕组工作在高频状态下，如果绕组线径较大就会在导体内产生强烈的集肤效应，导体的有效截面减小，电阻相对增大，导致绕组铜耗的增加和电机效率的降低。因此，在设计高速电机时，为了提高定子绕组的材料利用率，绕组多采用多支路并联或绕组导线采用多股并绕的形式。这样定子绕组的线径减小，对集肤效应不很敏感。定子绕组采用多股并绕形式的缺点是填充系数低，因为在保证导体有效截面的前提下，增加了导线与导线之间的绝缘以及导线之间的空隙。为了弥补这一缺点，应采用绝缘层较薄的高质量导线，尤其是采用真空压力整浸技术处理的导线，可获得较高的槽满率，并具有较好的导

26、热性和较长的寿命。感应电动机的线负荷A及定子电流I1表达式为：A=m1 N1I1/𝝅Di1I1=IKW/cos𝝋式中 N1定子绕组每相串联导体数；Ikw感应电动机的每相功电流；、cos𝝋设计中规定的效率、功率因数；A初步选定的线负荷。合并上述两式得N1=𝜼cos𝝋𝝅 Di1 A/ m1 IKW在确定电机的定子内径D i1后，从上式可以求出定子绕组的每相串联导体数N1。设计时需要严格控制线负荷A的选定，分析如下：（1）若线负荷A较高，气隙磁密B相对稳定，虽然节省材料，电机尺寸减小，铁耗PFe减少，但在

27、保持电密J1较小时，线圈的匝数N1增多，用铜量增加，漏抗X变大，使电机的机械特性工作特性改变，最大转矩减小，起动转矩倍数变小，起动电流减小。（2）若A相对稳定，而B工作在铁心较饱和状态，虽然用材量上减少，电机尺寸减小，但PFeB2，温升升高,，效率，磁化电流Im增大，功率因数cos𝝋降低，漏抗X变小，起动电流增大，性能难以保证。定子电流密度J1的选取也非常重要，它对电机的性能及成本影响。所以必须综合考虑一些因素如：效率、制造成本、散热条件、绝缘等级、导线材料等。选用较大的J1值，导体截面减小，可节省材料、降低成本，同时将导致损耗加大、效率降低，同时温升增加，寿命和可靠性都降低。

28、对于强制水冷的高速感应电机，定子电流密度J1一般在814A/mm2之间，转子导条电流密度J B可比J1低5%10%，这样定子选择较高的电流密度可以有效利用槽面积，提高电机的功率；而较低的转子电密可降低转子的铜损，减小散热状况不佳的转子温升。其定子电流密度J1与线负荷A的乘积一般为1000020000A2/mm3，频率高者和功率小者取小值。2.3高频交流电机转子设计2.3.1转子槽数的选择及定转子槽配合问题笼型转子感应电机在选取转子槽数时，必须与定子槽数有恰当的配合，这就是通常所谓的槽配合。如果配合不当，会使电机性能感化，例如有可能导致附加损耗、附加转矩、振动与噪声增加，从而使效串降低、沮升增高

29、、起动性能变坏、严重时甚至无法起动。下面就槽配合对附加损耗，附加转矩，振动与噪声的影响及共如何选择等问题作一扼要介绍。感应电机的附加损耗主要由气隙谐波磁通引起。这些谐波磁通在定，转子铁心中产生高频铁耗(表面损耗和齿部脉振损耗)，在笼型转子中产生高频电流损耗(包括转子笼内的高频电流损耗及斜槽时由导条和铁心所构成的回路中的横向电流损耗)。其中以定、转子齿谐波磁通的作用最为显著。图2-2表示定，转子槽数相等时，定子齿谐波磁通在转子导条中感生电势的情况。由图可见，相邻导条a与b中由定子齿谐波磁通感生的电势大小 相等，相位相同，因而在它们之间不会产生电流(包括横向电流)。这表明，在等槽配合时，定子齿谐波

30、磁通不会在转子中产生高频电流损耗(包括横向电流损耗)。从图2-2中还可看出，当定，转子槽数很接近时，转子齿顶的宽度将十分接近定子齿谐波的波长，因此转子齿中由定子齿谐波磁通引起的脉振较小，脉振损耗也就较小。同理，定子齿中由转子齿谐波磁通引起的脉振损耗也较小。2-2 定转子槽数相等时定子齿谐波磁通在转子导条中感生电势的示意图由上可知，选择感应电机的槽配合时，从减少附加损耗的角度出发，定，转子槽数应尽量接近。但不能取Z2=Z1。经验证明，当定子为开口槽或半闭口槽、转子为直槽铸铝转子时，若转子槽数多于定子槽数，会使空载附加损耗增加，因此最好也采用少槽近槽配合。2.3.2转子槽形的选择和槽形尺寸的确定感

31、应电机笼型转子的槽形种类很多，目前对于采用铸铝转子的中小型电机一般采用平行齿槽、平行槽、凸形槽、刀形槽、闭口槽、双笼转子槽、梯形槽等各种转子槽形。对于功率较大或转速较高、采用铜条转子的大中型电机，采用半闭口的平行槽。转子槽形尺寸对于电动机的一系列性能参数如：起动电流、起动转矩、最大转矩、起动过程中的转矩、转差率、转子铜耗、功率因数、效率、温升等都具有相当大的影响；此外，槽的各部分尺寸对于这些技术参数又有程度不同、性质不同的影响。其中起动转矩、起动电流、最大转矩、和转差率与转子槽形尺寸的关系最为密切，由于起动电流和最大转矩之间存在一定的比例关系，因此笼形转子槽形尺寸的确定除与定子槽形尺寸的确定有

32、一些相似的原则之外，还必须考虑起动性能的要求。对于铸铝转子，槽面积和铝条的截面积可认定是相等的。一般高速感应电机的转子槽形被设计成闭口槽，以防止由于电机高速旋转产生的离心力将导条抛出，发生危险。在同等条件下，电机采用闭口槽时转子导条的电阻增加系数最小，可以降低电机损耗。不仅如此，采用闭口槽还能够有效削弱电机齿谐波，从而减小电机杂散损耗，提高电机效率。并且有利于提高转子槽的机械强度，同时降低电磁和空气涡流噪声。因此，高速变频电机设计时转子应优先选取闭口槽，尤其是闭口圆形槽。它一般不设计为深槽，因为深槽设计首先在制造成本上会增加，而且会增大转子漏抗；深槽还将占据转子大量的空间不利于电机参数的优化。

33、为了减小转子的热损耗，提高电机的效率，导条要选用铜甚至银材料，这样电流密度可做大。另外，如果转子槽闭口，转子的圆柱表面可以制作的比较光滑，可以减小电机的风阻损耗等附加损耗。转子端环可以采用整体铜环并经银焊与导条牢固地焊在一起，可以进一步减小转子电阻降低转子电损耗，也可采用整体铸铝的方案。2.4高速轴的研究2.4.1机械轴承设计轴承是高速电机的核心部件。高速感应电机好的轴承选择能够提高系统寿命、减小摩擦温升、改善动态特性、缩短维护时间以及降低维护成本。轴承设计时要考虑：最大转速；轴向和径向的刚度；机械负载的方向和大小；轴的尺寸；使用的轴承数目。一般来说，轴承都标有最大转速值，但是NDm值是选择轴

34、承的主要参数。NDm定义为：最大转速与轴承内外径平均值的乘积。轴承的选择并不依赖于最大转速，而是由所要求的转矩决定的。由于轴承的尺寸不同，即使是转速相同，内部圆周速度也不相同，所以不能单纯用转速的高低来表示电机的转速水平，而要用NDm值来表示。一般把NDm1000000作为高速范围，此值还直接反映高速电机的刚度特性。在高速电机的应用中，角接触球轴承用得比较广泛，因为在高速感应电机有实际机械负载的条件下，这种轴承显示了很好的速度和刚度的折中。一般情况下，超高速的电机的轴承要用弹性材料进行预负载。2.4.2无摩擦轴承技术为克服机械轴承的性能不足，近二十年来发展起来了气浮轴承、磁轴承，特别是磁轴承具

35、有无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单的特点，在高速运转领域获得较为广泛的运用。采用磁轴承的高速电机在其两端分别配置一个磁轴承单元，每个磁轴承单元含有环绕着转轴的电磁体，利用带反馈的径向位置控制器来控制电磁体的励磁电流即电磁体的径向磁力，使转轴保持悬浮运转。在实际运用中，磁轴承电机存在着如下问题：输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率，电机的轴向长度和径向长度必然要随之加大。由于电机两端磁轴承本身占有一定的轴向长度，为了在高速时能避开转轴的临界转速（以免引起转轴的共振），只能尽量控制电机本身的轴向长度；而电机转轴径向尺寸（半径）则受电磁体材料机械强度的限制。磁轴承需要一定数量的

36、励磁线圈、变换器和造价不菲的传感器。近年来兴起的无轴承交流电机是高速电机领域的一项重大突破，一方面它在保持磁轴承电机长寿命的优点外，还突破更高转速和大功率的限制，拓宽了高速电机的应用范围。2.4.3国内外高速电转轴的研究情况国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量上都有较大差距，主要为:（1）国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300Nm，而我国目前仅在100Nm以内。（2）在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已75000r/min，我国则多在15000r/min以内。（3）电主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。（4）其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量

37、控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停止等。（5）在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。图1-1高速电主轴结构示意图2.5本章小结本章从高速感应电机的原理分析开始，分析电机的定子、转子等几个方面，讲述了高频交流电机的基本组成结构和基本运行原理，并且将高速感应电动机的设计和普通工频电机设计进行了对比。对高速感应电动机的设计特点进行了分析研究，并给出了相应问题的解决办法。本章从材料的选取、气隙磁通密度

38、和电流密度的选取等几个方面提出了降低铁耗的措施。在定子绕组方面，采用多股并绕导线可以增大有效导体面积，减小集肤效应，降低铜耗。转子方面从转子槽形的选取上进行了研究，提出了适合于高速感应电动机的转子结构。第3章 高频交流电机的设计3.1高频驱动对电机设计的影响由于采用专门的变频器供电，高速感应电动机的运行条件发生了很大的变化。下述两种具体表现：（1）电机起动时可以采用调频调压的方式，将最大转矩调到起动点，并降低电机的起动电流。（2）对应于每一个运行点，都有不同的运行方式，其中必然可以找到一个最佳运行方式，使得电机的某项性能最佳。通过变频器对感应电动机进行矢量控制，可以提高功率因数和效率。上述运行

39、条件的变化使得高速感应电动机的设计思想发生了很大变化。一方面，起动性能不再是电机设计的主要约束条件，设计自由度大了。另一方面，设计过程中必须综合考虑变频器性能，从机电一体化的角度出发，达到系统性能的最优。这极大地提高了电机设计的难度。在此我们借鉴变频调速感应电机的设计思想。认为在变频调速系统中电机的运行情况改变，其设计策略也与传统电机有着很大的区别。从设计的权重来看，传统的感应电机设计将50%的精力花在对电机起动性能的考虑上，只有30%的精力用于考虑电机的效率、功率因数等稳态特性。而在变频调速感应电机的设计上，因为电机可以通过变频器调压调频增大起动转矩，减小起动电流，所以起动性能通过系统的控制

40、就能满足。因此在高频调速电机的设计策略中，设计的权重发生了改变，主要精力都可以集中在系统电机运行的效率、功率因数等性能上面。同时，因为起动性能可以不通过电机设计来满足，起动性能对转子槽形设计的约束被放开，转子槽形设计的目标转变为：减小转子电阻和漏抗，提高电机的效率和功率因数。3.2高速感应电动机的设计流程3.2.1设计方法由于高速运行状态的特殊性，使得用传统的磁路方法准确地计算高速电机变得比较困难。针对此特点，本文提出采用直接设计法与场路计算相结合的方法来设计高速感应电动机。传统的磁路计算法用磁路来代表磁场，同时引入一系列系数来进行计算。但引入参数的值往往难以确定，从而影响计算结果的准确性。通

41、过电磁场分析，以有限元法为基础可以较准确地求出电机的各种计算参数，再将这些参数引入到磁路计算中去，可以得到更准确的计算结果，提高电机设计的合理性。该方法的主要内容是用直接设计法对电机的主要尺寸进行初始设计，由于用直接设计法计算出的电机尺寸，其计算公式是以若干假定和从类似电机的经验中导出的参数为基础推算出的。一般地说，它能给出较好的电机尺寸估算值。为了验证初步设计使用的所有假定和参数，考虑饱和对电机性能的影响，还必须利用二维有限元对电机的磁场分布进行分析计算，最后利用有限元法结合磁路方法计算出电机的性能及其参数。并运用此计算结果用直接设计法对电机的主要尺寸作进一步的调整，使电机的结构更加合理，材

42、料利用率进一步提高，电机的性能更加优良。3.2.2设计流程图开始给定额定数据计算电机主要尺寸和绕组匝数二维有限元分析电机磁场各部分磁密是否合理 N计算电机参数、性能 Y参数性能是否符合要求 N结束图3-1高速感应电机电磁设计流程3.3电机主要尺寸设计公式的推导在推导高速感应电机主要尺寸设计公式时，用定子电流密度公式（3-1）代替线负荷公式（3-6）。其中定子电流密度公式可表示为 （3-1） J1式中定子电流密度，单位为A/mZ1定子槽数；A Cu1定子每槽铜面积。仿照传统设计公式的推导步骤，把（3-1）带入可以得到（3-2）由定子槽形尺寸可以得到定子槽面积As，而对于不同的槽形，As的表达式不

43、同，下面以半闭口梨形槽为例进行公式推导，槽形的尺寸图引用第二章的图2-1。半闭口梨形槽的槽面积：（3-3）根据图2-1的尺寸几何关系，定子槽各尺寸之间的关系如下，（3-4）（3-5）（3-6）根据气隙磁密B、定子齿磁密B t1和轭磁密B j1得到（3-7）（3-8）式中（3-9）（3-10）（3-11）t1定子齿距，KFe铁心叠压系数。进一步计算得到：（3-12）（3-13）将式（3-11）、（3-12）、（3-13）代入式（3-3），消去不是bs1、rs和hs2，可以得到一个定子尺寸关系式：（3-14）式中，（3-15）定义参数，并定义（3-16）定子槽槽满率Sf为槽导体截面积与槽面积之比：

44、（3-17）则根据式（3-2）、（3-14）、（3-16）和（3-17）可得：（3-18）式中 （3-19）整理得：（3-20）式（3-20）即为本文新推导的高速感应电动机主要尺寸的设计公式。该公式的优点是直接将感应电机的定、转子内外径与电机的电、磁负荷直接建立了联系，在设计时便于把握电机的外轮廓尺寸。只要确定了电机的电、磁负荷，不仅电机的主要尺寸（包括定子内、外径和铁心长）能被确定，而且定子的槽形尺寸和定子用铜量也能被确定。电负荷的大小决定了电机定、转子的电阻和铜损，磁负荷的大小决定了电机的铁损和功率因数，电磁负荷又共同决定电机的效率，填铜率决定了电机的用铜量和价格，又近似反映了槽满率。这种

45、参数的选择方法，使电机设计变得更直观，更容易把握，使得电机设计中的经验成分大大减少。3.4本章小结与普通工频感应电动机相比，高速感应电动机采用中频变频器供电，其运行条件发生了很大的变化。这既增大了电机的设计自由度，又提高了电机设计的难度。并且起动转矩和起动电流是传统感应电机的设计重点。而高速感应电动机由于变频器的使用，电机能够在较低的电压和频率下起动，因此高速感应电动机在起动电流、起动转矩方面的设计约束得到了放宽。由于其高速运行状态的特殊性，使得用传统的磁路方法准确地设计高速电机变得比较困难。针对此特点，本章将综合考虑变频器的性能，从机电一体化的角度，采用直接设计法与有限元法以及磁路计算方法相

46、结合的方法来设计高速感应电动机。第4章 5KW高频交流电机实例计算已知数据：输出功率 额定电压 相数 频率 极数 B级绝缘，连续运行4.1额定数据和主要尺寸：1.额定功率： 2.额定电压： （接）3.功电流： 4.效率：5.功率因素：6.极数：7.定转子槽数 每相每极槽数取整数 则 并采用斜肩平底槽8.定转子每极槽数 9确定电机电机主要尺寸 主要尺寸来确定和计算功率 初选，可取，取，假定。 取 则 按定子内外径比求出定子冲片外径 取 铁心的有效长度： 取铁心长10气隙的确定 于是铁心有效长度转子外径转子内径先按转轴直径：11极距 12定子齿距 转子齿距 13定子绕组采用单层绕组，交叉式，节距1-9，2-10，11-1214为了削弱齿谐波磁场的影响，转子采用斜槽，一般斜一个定子齿距，于是转子斜槽宽15.设计定子绕组 并联支路.每槽导体数16.每相串联匝数 每相串联匝数 17.绕组线规设计 初选定子电密，计算导线并绕根数和每根导线截面积的乘积。 其中定子电流初步估计值 选用截面积相近的铜线：高强度漆包线，并绕根数，线径，绝缘后直径，截面积，18. 设计定子槽形 取19.