CN111313582B

CN111313582B - 一种小型高速三相异步电动机及设计方法

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Publication number: CN111313582B
Application number: CN202010226822.7A
Authority: CN
Inventors: 李旻宸; 闫如忠; 卢文科
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-12-10
Anticipated expiration: 2040-03-27
Also published as: CN111313582A

Abstract

本发明涉及一种小型高速三相异步电动机，目标转速值为98000转/分、功率1.5千瓦，采用18槽2极槽极整数槽配合，其特征在于，定子铁芯及转子铁芯上的绕组形式为双层绕组；定子铁芯和转子铁芯之间的电机气隙为0.2mm；定子槽数为18；转子铁芯采用冲片式转子，转子槽采用闭口的圆底槽型结构，转子槽数为16、槽满率为80％，转子铁芯的厚度为55‑65mm，嵌入转子铁芯的导条的材料为铸铝。本发明通过多次优化电机参数的方式，提高电机的性能以及降低能耗，实现小型超高速三相异步电动机低成本、高效率和低损耗。本发明适用于中小型轧钢设备、各种金属切割机床轻工机械等机械设备中。

Description

一种小型高速三相异步电动机及设计方法

技术领域

本发明一种小型高速三相异步电动机以及该小型高速三相异步电动机的设计方法，可用于高速电主轴及相关高速飞转机械驱动上。

背景技术

传统电动机具有起动和调速性能较好，调速范围较广较平滑，受电磁干扰较小转矩较大的优点，但是具有成本较高、结构较复杂、寿命较短等缺点，无法满足日益增加的机械需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种提三相异步电动机及其优化设计方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种小型高速三相异步电动机，目标为实现小型超高速三相异步电动机，包括电机外壳，电机外壳内有定子铁芯；定子铁芯内设有定子槽；定子槽的中心有定子绕组；定子铁芯中心设有转子铁芯；在转子铁芯内设有转子槽，其特征在于，定子铁芯及转子铁芯上的绕组形式为双层绕组；定子铁芯和转子铁芯之间的电机气隙为不大于0.7mm；槽满率为80％左右，转子铁芯的厚度为55-65mm，嵌入转子铁芯的导条的材料为铸铝。

优选地，所述冲片式转子为高槽口转子。

优选地，所述转子铁芯的叠压系数与定子铁芯的叠压系数相同。

优选地，所述转子铁芯外径为19.1mm、内径8.9mm；转子铁芯的材料和定子铁芯的材料相同。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的小型高速三相异步电动机的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：新建一个RMxprt项目文件，选择电机类型；

步骤2)：异步电机极数设置2极，杂散损耗系数设置0.01，所以机械和摩擦损耗设置功率的2％，电机额定转速为98000rpm；

步骤3)：转子材料选择铸铝材料；

步骤4)：降低定子磁动势谐波含量，定子绕组采用双层跨距绕组，利用短距绕组可以削弱5、7次谐波并联支路数为1，电机的绕组参数为：单根0.58线绕18匝；

步骤5)：采用20JNEH1500冲片材料；

步骤6)：转子槽型设计，采用梯形槽闭口槽结构；

步骤7)：转子设计，转子采用铸铝工艺，所以材料设置铝合金，端环宽度设置5mm,端环高度设置4mm，转子导条选用铸铝；

步骤8)：设置电机求解器，电机采用恒功率工况，电机额定功率为1.5kw，电压为三相交流电380VAC，工作温度75℃；

步骤9)：Rmxprt计算完后一键生成有限元模型，利用有限元校验磁路法参数是否正常，采用场路结合方法进行电机设计；

步骤10)：将RMxprt导入至Maxwell2D有限元模块，设置有限元网格，通过额定转速点最后计算时刻的磁力线和磁密分布图；

步骤11)：利用band设置转子旋转；

步骤12)：设置转子端环，即对电机端环中相邻导条之间电阻和电感参数的设置；

步骤13)：设置有限元求解时间，通过对三相异步电动机空载的模型建立，运用有限方法计算其空载特性，用有限元法计算所得的空载特性能够较好地逼近实测的空载特性。

本发明通过对转子的材料进行修改，并采用闭口槽工艺，实现小型超高速三相异步电动机。具体操作为其转子采用实心铁磁体，结构相比普通异步电机更简单、机械强度更高、转速更快、成本也较低，如此可以降低电机的杂散损耗和铁耗，也能够保证三相异步电动机的预定转速。可以有效改进电机的效率，具有损耗低、成本低、效率高的特性。

本发明转子的槽口采用闭口槽结构，闭口槽结构具有气隙磁阻较低，产生的铜损耗较小和电机铁芯表面的附加铁芯损耗较小等优点，为保证电机转速要求达到节能高效的效果。本发明可用于高速电主轴及相关高速飞转机械驱动上，具有损耗低、成本低、效率高的特性。

本发明通过多次优化电机参数的方式，提高电机的性能以及降低能耗，实现小型超高速三相异步电动机低成本、高效率和低损耗。本发明适用于中小型轧钢设备、各种金属切割机床轻工机械等机械设备中。

附图说明

图1为本发明提供的一种三相异步电动机的主视图的剖视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，为本发明提供的一种小型高速三相异步电动机的仿真示意图，包括电机外壳1，电机外壳1内有定子铁心2；定子铁心2内设有定子槽3；定子槽3的中心有定子绕组4；定子铁心2中心设有转子铁心5；在转子铁心5内设有转子槽6。

上述小型高速三相异步电动机欲设定转速达到超高速、额定功率1.5kw。转子采用闭口槽结构，槽满率为80％，铁芯厚度约为60mm，转子槽数16，导条材料为铸铝，电机绕组形式为双层绕组的电机设计。具体参数设计如下：

1)预设定超高速电机目标转速值为98000转/分，功率1.5千瓦。电机采用18槽2极槽极整数槽配合。

2)转子采用16槽结构，转子叠压系数和定子一样。电机气隙为0.2mm，所以转子外径为19.1mm。转子内径8.9mm，转子铁芯厚度60mm，材料和定子一样的材料，这样方便实现模具冲压成型。

3)电机外径35mm，内径设置19.5mm，铁芯长度60mm，定子18槽，定子使用标准工艺叠压系数为0.97。电机冲片材料为：20JNEH1500的0.2mm超薄硅钢片降低电机铁损。SkewWidth为电机斜槽宽度，本电机定子不斜槽所以设置0。定子槽型使用梯形槽平行齿结构；

上述三相异步电动机仿真设计的具体步骤为：

步骤1)：新建一个RMxprt项目文件，选择电机类型，本设计选用ThreePhaseInductionMotor三相感应电机模块。

步骤2)：异步电机极数设置2极，杂散损耗系数设置0.01，高速异步电机旋转过程中产生风摩擦和轴承机械损耗比常规的异步电机大，所以机械和摩擦损耗设置功率的2％，电机额定转速为98000rpm。

步骤3)：本发明对转子材料选择铸铜和铸铝作性能对比，铸铜的电导率比铸铝更低，铸铜材料具有更低的转子损耗。优选地，本发明选择铸铝材料。

步骤4)：降低定子磁动势谐波含量，定子绕组采用双层跨距绕组，利用短距绕组可以削弱5、7次谐波，并联支路数为：1。电机的绕组参数为：单根0.58线绕18匝。

步骤5)：本发明在1667Hz高频下，电机铁耗占比较大，占到总损耗的50％左右。因此主要考虑降低电机铁耗，降低铁耗可以从降低电机磁密、降低电机极数、提高硅钢片材料等措施。采用DW310-35和20JNEH1500铁耗差一倍，转子铝耗差3.7倍，采用DW310-35损耗过大，本发明采用20JNEH1500冲片材料。

步骤6)：转子槽型设计，为了保证转子强度，转子采用梯形槽闭口槽结构。

步骤7)：转子设计，转子采用铸铝工艺，所以材料设置铝合金，端环宽度设置5mm，端环高度设置4mm。这样做是因为由于铜的密度比铝的密度大，在同等转速下产生的离心力更大，为了保证转子强度，转子导条选用铸铝。

步骤8)：设置电机求解器。电机采用恒功率工况，电机额定功率为1.5kw。电压为三相交流电380VAC，工作温度75℃；

步骤9)：Rmxprt计算完后一键生成有限元模型，利用有限元校验磁路法参数是否正常，采用场路结合方法进行电机设计。

步骤10)：将RMxprt导入至Maxwell2D有限元模块，设置有限元网格，通过额定转速点最后计算时刻的磁力线和磁密分布图。

步骤11)：利用band设置转子旋转。

步骤12)：转子端环设置，即对电机端环中相邻导条之间电阻和电感参数的设置。

步骤13)：设置有限元求解时间，通过对三相异步电动机空载的模型建立，运用有限方法计算其空载特性。用有限元法计算所得的空载特性能够较好地逼近实测的空载特性。

一个较佳的实施方式是：为保证转速和性能达到要求，转子槽型圆底槽和平行槽电磁转矩基本上一致，但是圆底槽的起动转矩比平行槽大，因为圆形槽槽漏抗比平行槽小，所以圆底槽起动性能比平行槽好。圆底槽的铁损比平行槽大，因为圆底槽的转子槽面积比平行槽大，转子磁密圆底槽略高，所以铁损大。为了考虑电机的起动性能和转子强度，本发明选用圆底槽。

一个较佳的实施方式是：由于单层绕组的绕组系数比双层高，在同等电机性能情况下，单层绕组需要的励磁电流更小，所以电机铁耗、铜耗、转子铝耗都比双层的，但是单层绕组会产生很大的磁动势谐波，本发明考虑电机振动噪音，绕组选用双层。

一个较佳的实施方式是：本发明转子采用冲片式转子，所述转子的铁心与轴采用大过盈量配合，所述冲片式转子为高槽口转子；在所述转子的轴的轴身上设有若干平衡盘；

所述传动端轴承和所述非传动端轴承采用滑动轴承。

本发明公开了一种小型高速三相异步电动机计算机设计方法。特别的，仿真优化为：在转子闭口槽宽度选择方面，本发明利用Ansoft软件对转子闭口槽宽度0.5mm和0.7mm进行强度分析，将铁芯厚度调整为60mm；在转子材料选择方面，本发明对比铸铜转子铁心和铸铝转子铁心在100000rpm下应力，将其效果进行对比，最终选择铸铝转子。本发明通过多次优化参数提高三相异步电动机的性能，具有结构合理、性能优良和运行效率高等优点，实现小型超高速三相异步电动机的设计。

Claims

1.一种小型高速三相异步电动机，目标转速值为98000转/分、功率1.5千瓦，采用18槽2极槽极整数槽配合，包括电机外壳，电机外壳内有定子铁芯；定子铁芯内设有定子槽；定子槽的中心有定子绕组；定子铁芯中心设有转子铁芯；在转子铁芯内设有转子槽，其特征在于，定子铁芯及转子铁芯上的绕组形式为双层绕组；定子铁芯和转子铁芯之间的电机气隙为0.2mm；定子槽数为18；转子铁芯采用冲片式转子，转子槽采用闭口的圆底槽型结构，转子槽数为16、槽满率为80％；转子采用实心铁磁体，转子铁芯的厚度为55-65mm，嵌入转子铁芯的导条的材料为铸铝，采用以下方法设计而成：

步骤1)：新建一个RMxprt项目文件，选择电机类型；

步骤3)：转子材料选择铸铝材料；

步骤5)：采用20JNEH1500冲片材料；

步骤6)：转子槽型设计，采用梯形槽闭口槽结构；

步骤11)：利用band设置转子旋转；

2.如权利要求1所述的一种小型高速三相异步电动机，其特征在于，所述冲片式转子为高槽口转子。

3.如权利要求1所述的一种小型高速三相异步电动机，其特征在于，所述转子铁芯的叠压系数与定子铁芯的叠压系数相同。

4.如权利要求1所述的一种小型高速三相异步电动机，其特征在于，所述转子铁芯外径为19.1mm、内径8.9mm；转子铁芯的材料和定子铁芯的材料相同。