1、 本科 毕业设计 井用潜水异步电动机设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成 日期 年 月 I 摘要 随着科学技术的发展，超导体制冷等新技术新材料的不断涌现以及电机 CAD 设计软件的普及，进一步促进了电机设计行业的不断革新。但由于近几年我国地下水位 普遍下降、水温过热、砂量过多等新的一系列问题的出现，使得广泛使用的井用潜水电机行业不得不面临新的挑战，如何设计出更高效能、更低噪声 低振动 、更安全智能的井用潜水异步电动机已经成为必然。因此，我们首先需要从电机设计的常规方式入手，在掌握其常规设计的基础上，不断改善，使得我国电机设计逐步走上国际化道路甚至成
2、为世界的掌舵者。 本文中，通过确定井用潜水异步电动机的主要尺寸，进行电机的磁路计算，对电机的定子槽、转子槽选型，铁芯和绕组设计、磁路计算、参数计算、校验损耗、运行性能计算、启动性能计算等 ,使其各项性能满 足任务书标准给定的要求，制造出的产品实验数据应与设计数据相符合。最终完成电机的设计。 随着科技发展，计算机辅助设计、计算机辅助制造以及计算机辅助管理三者相结合成的CAD CAM CAM 技术带来的不仅仅是产品研发的效率和生产周期的缩短，更重要的是该计算机技术使得电机产品系列化、部件通用化、零件标准化，从而在保证电机质量的前提条件下从根本上减小电机产品的成本，使电机利润最大化。因此，综合以上科
3、学技术，电机设计将进入一个全新的时代。 关键词 ：潜水电机设计 ；磁路计算；起动性能；噪声控制 II Abstract With the development of the technology of science, new technologies and new materials like superconductor refrigeration has come forth constantly and the electrical CAD design software is much more widely used than before, which promotes th
4、e innovation of the motor design industry. In recent years, as many new problems come out such as Falling water tables, overheating of the temperature of the water and the nimiety of the sand, the widely used submersible motor industry has to face a new challenge to design a safer intellective subme
5、rsible motor which has not only higher performance but also lower noise and vibration. Therefore, we should start the electric machine design in a conventional way, and improve it constantly in the master on the basis of the conventional design, in order to make our electric machine design gradually
6、 embarked on the path of internationalization even becoming the helm of the world. In this dissertation, firstly we should set the main dimensions of the submersible asynchronous motor and calculate the motors magnetic circuit. Then select the motor stator slot and rotor slot, do the core and windin
7、g design, magnetic circuit calculation, parameter calculation, calibration loss, running performance calculation, performance calculation starts and so on. When the performance meet the mission statement with a given standard and the products experimental data meet the design data, we had finished t
8、he design. With the development of technological, the CAD / CAM / CAM technology which based on the computer-aided design, computer aided manufacturing and computer-aided management has brought not only the efficiency of product development and shorten the production cycle but make the motor product
9、s series, components universal and parts standardized. It could reduce the motor products fundamental cost under the premise of ensure the quality of the motor and can make the motor to get its maximize profits. Therefore, motor design would reach a new era with the science and technology in above.
10、Keywords: The designing of submersible motor; Circuit Calculation; start-up performance; The control of noise III 目 录 前 言 . 1 第 1 章 潜水电机概述与设计现状 . 2 1.1 潜水电机概述 . 2 1.1.1 潜水电机简介 . 2 1.1.2 潜水电机分类 . 2 1.1.3 潜水异步电动机的结构 . 3 1.2 潜水电机设计现状 . 4 1.2.1 潜水电机设计发展状况 . 4 1.2.2 潜水电机的设计方法 . 5 第 2 章 井用潜水异步电动机电磁计算 . 7
11、2.1 井用潜水异步电 机的选择与设计步骤 . 7 2.1.1 井用潜水异步电动机的选择 . 7 2.1.2 井用潜水异步电动机设计步骤 . 7 2.2 电机额定数据与主要尺寸 . 8 2.2.1 设计参数 . 8 2.2.2 电机的主要尺寸 . 8 2.2.3 计算定子绕组 . 8 2.2.4 定子槽型的计算 . 9 2.2.5 转子绕组的计算 . 11 2.3 磁路计算 . 12 2.4 参数计算 . 17 2.4.1 线圈长度计算 . 17 2.4.2 电机定子绕组漏抗计算 . 17 2.4.3 电机转子绕组 漏抗的计算 . 19 IV 2.5 工作性能计算 . 21 2.5.1 满载时
12、电流计算 . 21 2.5.2 电负荷计算 . 21 2.5.2 潜水电机损耗计算 . 22 2.5.3 效率检验及计算确定 . 24 2.6 起动性能计算 . 24 2.6.1 定子起动参数 . 24 2.6.2 转子起动参数 . 26 2.6.3 起动参数的确定 . 27 2.7 计算结果核对 . 28 第 3 章 潜水电机的噪声控制及保护处理 . 29 3.1 电机噪声与控制 . 29 3.1.1 电机噪声 . 29 3.1.2 电机噪声的控制 . 29 3.2 潜水电机冷却方式 . 30 3.3 潜水电机密封处理 . 30 3.4 潜水电机防腐处理 . 31 结 论 . 32 致 谢
13、. 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 1 前 言 社会现代化的发展，需要各种各样高性能的电机。作为电能与机械能量转换的主要器件，电机 在于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中广泛地应用着。而随着社会生产的不断发展，人民生活水平的不断提高，以及全球资源逐步匮乏的背景下，人们对电机的安全、可靠和高效运行提出了越来越高的要求，因而设计生产高效、低损耗的新型电机已成为电机制造行业的趋势。 当今社会的发展离不开电，但更离不开水资源。随着 农村、工厂、矿山、铁路、自来水公司、地热开 发、油田和地质勘探等领域 的需水量的急剧增加，潜水电泵拥有了更广阔的市场。其中，潜水电动
14、机作为一种用于水下可驱动的动力源，常与潜水泵组装成潜水电泵机组，以潜入井下或直接江河湖泊以及其他任何场合的水中工作。而 作为潜水电泵的动力设备， 井用潜水异步电动机的性能直接决定了潜水电泵的使用质量。由于使用环境的特殊性（电机需与潜水泵一同潜入井下水中工作），较于一般电机的设计，井用潜水异步电动机在于密封性、安全性等方面有更高的要求。目前，由于 其电动机其结构简单，成本低，维护方便，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠，并能获得和直流 电机控制系统相媲美或更好的控制性能，因此在工农业生产中得到了极广泛的应用。 目前我国电机设计方法主要有两种：一是完全凭借人的计算能力，对电机的电磁参数进行 校核计算，
15、然后进行优化选择等，其最大的缺点就是要对电磁设计的百余个公式逐一进行计算，还要完成四个迭代计算，其涉及因素及计算量很大很复杂，工作量非常大，不符合现代发展趋势；第二则是借助计算机等辅助设备，特别是电机设计 CAD 技术。 随着科学技术的发展，新技术新材料的不断涌现，促进了电机设计制造行业的不断翻新。如由于超导材料临界温度的不断提高，使得电机对制冷系统 的要求逐渐降低，这使得大容量超导发电机、电动机的实验研究及工业应用可以以更高的速度发展。而稀土族钕铁硼永磁材料的研究使积磁钢的生产及应用成为现实，改善了电磁负荷能力，促进了大容量交直流电机的研究及制造。现代电机设计不仅仅要求掌握电路理论、电机原理
16、、工程力学、交变电磁场以及电机过渡过程分析等， 还要学会使用计算机电机 CAD、 MATLAB 等 设计软件， 进行 电机的设计仿真， 从而缩短产品开发周期、 减少试制成本， 提高我国电机产品档次 。 2 第 1 章 潜水电机概述与设计现状 1.1 潜水电机概述 在飞速发展的今 天，电动机作为动力机构，已经支撑起了整个世界的运转。而作为电动机中的特殊种类 潜水电动机 ,因为其使用的范围逐渐扩大，也越来越受到电机行业的重视。我们有必要认知下其发展状况。 1.1.1 潜水电机简介 作为一种水下驱动的动力源，潜水电机常常与潜水电泵一起组装成潜水电泵机，放入到井下或者江河湖泊中进行各种工作。由于其总体
17、积较小，质量小，启动前不需要吸水且不受吸程的限制，因此具有效率高、价钱便宜、可靠性高等各项优点，可广泛适用于井下或者湖泊取水、灌溉、供水等各种需要，也可为城市企业供给水源，是目前国内电机业大 力发展的产品。当然，潜水电机也可作为配套动力源，用于水下机械的运行与工作，如海洋考察队水下探测钻头、推进器等。 1.1.2 潜水电机分类 目前市场上充斥着各种潜水电机，它们的分类不同作用也不同，具体分析可见下。 潜水电机按其供电源的不同，可以分为交流与直流二大类。其中只在一些特殊场合下使用的直流潜水电动机，例如深海潜水艇驱动、舰船排水用以及其他特殊场合使用，因此生产数量比较少。而目前市场上，作为普遍应用的
18、潜水异步电动机则得到大量生产。 （ 1）按照电源型式或电压等级分类，潜水电机可以分为 单相潜水异步电动机以 及由单相潜水电动机与电泵组合成的单相潜水电泵，例如 QDX 型干式单相潜水异步电动机与 YQSD 型井用充水式潜水单相异步电动机。 三相潜水异步电动机以及由三相潜水异步电动机与泵组合城的三相潜水电泵，例如 QY型号充油式潜水电机、 QS 型号充水式潜水电机以及常用的 YQS 型井用充水式三相潜水异步电动机等。 （ 2） 而按照潜水电机的使用电压等级分，可以分为 低压潜水异步电动机以及低压潜水电泵 潜水电动机可分为各种供电电压为 1000V 的以下的低压，例如 110V、 220V 等等，
19、还有几种低压潜水电泵功率在 300 400kW 左右 。 高压潜水异步电动机以及高压潜水电泵与低压不同，它的主要供电电压为 3000V、 6000V或者更高的电压，功率也高达 300 到 400kW 及以上。 （ 3） 按照电动机内部结构分类 可以分为干式潜水电动机与干式潜水电泵、充水式潜水电机与充水式潜水电泵、充油式潜水电动机与充油式潜水电泵以及屏蔽式潜水电动机与屏蔽式潜水电泵。 （ 4） 按照泵与电动机的配置方式分 可以分为上泵型潜水电泵、下泵型潜水电泵、外装式潜水电泵、内装式潜水电泵、半内装式潜水电泵以及贯流式潜水电泵。 （ 5） 潜水电动机或潜水电泵的用途分类 分为井用潜水电 动机和井
20、用潜水电泵、清水型潜水电泵、污水污物型潜水电泵、矿用潜污电泵、轴流型潜水电泵、矿井用高压潜水电泵以及大型潜水电泵。 3 1.1.3 潜水异步电动机的结构 为了设计合格的潜水电机，必须从内部了解其主要构造与零件，下面做简要叙述。 按照潜水异步电动机内部的不同结构，可以大致分为充水式、充油式、干式与屏蔽式四种最基本。 图 1.1 充水式井用潜水异步电动机构 1 引出电缆 2 甩砂环 3 联接法兰 4 橡胶油封 5 机械密封 6 上导轴承 7 定子 8 转子 9 下导轴承 10 上止推轴承 11 止推轴承 12 底座 13 橡胶调压囊 14 底脚 4 充水式潜水异步电动机（关于其内部结构可见上图 1
21、.1）一般为充水密封式结构，其内腔多充以清水或防锈润滑剂。由于其结构比较简单，可将定子转子绕组与铁心结合直接浸入水中，因此可获得大输出功率、效率高、冷却效果也比较好，不会对井水水质产生污染，从而既保证了水质，又具有较高的可靠性，因而也成为了潜水异步电动机中产量大，广泛使用的一种。为了能够提高电动机使用的可靠性，减少绕组的接头以及简化制造工艺，该电机的定子绕组通常采用整根的耐水绝缘导线连续穿线或连续绕线 。当然，其端部要进行可靠包扎以此防止绝缘层的损伤以禁止砂质或液体进入。与普通电机不同的是，它还需要保证接头密封、使用水润滑导轴承、水润滑止推轴承、轴伸端防砂密封装置以零部件的防锈蚀处理 3。 充
22、油式潜水异步电动机主要为充油密封式，使用变压器油或绝缘润滑油。均用涂密封胶密封，其结构比较复杂些，运行可靠性主要取决于轴伸端安装的机械密封的性能，所以当机械密封处的泄漏量变得较小时，该电动机也会有较高的可靠性。 屏蔽式电动机主要采用拥有独立密封舱的定子，对于导线的耐水性以及耐油性比较强，能够在腔内进水的情况下继续工 作，采用定子屏蔽与密封结构、电缆与引出线密封结构、轴伸端密封与导轴承与止推轴承。此种电机一般用于机座号为 100 与 500 的井用潜水异步电动机中。但我国国内基本上只用于 100 机座的电动机中。 1.2 潜水电机设计现状 1.2.1 潜水电机设计发展状况 自从 80 年代我国引
23、进 RITZ 公司潜水电机制造技术 起， 并 随后 制订了国 GB/T 2816-91（即井用潜水泵型式和基本参数），我国国内 潜水电机行业 才开始进入一个全新的发展阶段。在 JQS、 YQS 等系列新型的潜水电机相继研发并大量投放市场之后，我国国内潜水电机产量不 仅满足了国内的需求， 而且大量出口 ，相继 打入了中东 、非洲 市场 , 并向美国、欧洲发展 。但是由于近几年地下水位下降、水温过热、砂量过多等新的一系列问题的出现，井用潜水电机行业曾一度遭遇瓶颈，但是这 为 我国 潜水电机制造行业提出了新的 挑战 , 也 给 潜水电机的发展提供了新的机遇 。目前我国潜水电机在设计制造方面有了很大的
24、进步，主要表现为以下几个方面： （ 1） 潜水电动机的产品结构设计、电磁优化设计以及制造工艺日趋完善。 （ 2） 在取材方面用冷轧硅钢片取代了热轧硅钢片，开发出了具有高导磁、低损耗的 DGX 系列电工钢片。 （ 3） 开发出了 125 C 高温耐水线，给高温潜水电机的设计和单机功率的提高提供了条 件。 （ 4）在设计、制造高承载力推力轴承方面有了较大发展。 （ 5）计算机电机 CAD 等软件的广泛应用，缩短了研究周期、减小成本等等。 在中国国内井用潜水电机行业蓬勃发展的同时，国外的电机革新也在悄然进行。目前国外潜水电机的生产厂家主要有德国的 Ritz、 KSB，美国的 Flygt、 Itt-L
25、oware、 富兰克林 ，日本的日立 以及丹麦的格兰富等。同样面对电机革新换代方面的问题，国外企业 对量大面广的潜水电机进行了不断的 改进 , 取得了明显的进展 , 主要表现在 : （ 1） 提高 电机 转速 ，采用变频调速， 以提高 泵 的流量和扬程 ， 从而减少电泵机组的总长度 ， 降低成本 。 （ 2） 提高电机的单机工作功率， 适应工 作场地及温度 的需要 ,能将 同 个 机座号的单机 工5 作的 最大功率提高 2.5 3 倍。 （ 3）增强电机 止推轴承的承载力 ， 提高 该 电机 安全运转时 的可靠性 ，并 满足 该电机在于 泵效提高 与 高扬程 方面 的需要。 （ 4） 提高 电
26、机的 力能指标 ，达到 高效节能 的目的 。 （ 5）实行 电机 的 优化设计 ，尽量 降低电机重量 ，降低制造 成本 。 （ 6） 计算机电机 CAD 等软件的广泛应用，缩短了 研究周期、减小成本等。 比较国内外潜水电机设计制造改进等发面，我们可以看到很多相似之处，除了材料革新、节能要求外，共同提到的还是涉及电机设计软件 CAD 等方面的使用问题。 对于电机设计而言，计算机辅助设计、计算机辅助制造以及计算机辅助管理三者相结合成的 CAD CAM CAM 技术带来的不仅仅是产品研发的效率和生产周期的缩短，更重要的是该计算机技术使得电机产品系列化、部件通用化、零件标准化，从而在保证电机质量的前提
27、条件下从根本上减小电机产品的成本，使电机利润最大化。而随着超导材料、稀土族钕铁硼永磁材料及新型绝缘材 料等新科技材料的进一步研究与使用，相应地解决了电机设计开发中所遇到的关于大容量、冷却技术、等瓶颈问题，不仅 缩小了体积，简化了结构，提高了系统精度和可靠性 ，更 使得电机设计实现现代化。另外，由于电力电子技术的迅速发展，变频技术不断得到完善，各种变频调速节能装置不断翻新，使得电动机 变频装置 控制设备实现一体化。所以，综合以上科学技术，电机设计将进入一个全新的时代。 1.2.2 潜水电机的设计方法 电机设计的基本任务是根据给定的容量、转速、电压等电机的规格数据预先选择电机各主要尺寸，经过校核计
28、算使其各项性能 满足国家标准给定的或用户提出的要求，制造出的产品实验数据应与设计数据相符合。以井用潜水三相异步电动机的设计为例。其电磁计算一般可分为以下四个步骤： （ 1）预选尺寸，给初始设计； （ 2）校核计算，用初始设计给定数据进行性能计算，包含四个迭代计算； （ 3）调整方案； （ 4）挑选方案。 算出一批可行设计，经比较选出最佳设计，并满足材料、制造及运行三项总费用最小的要求。这就是最最基本的设计步骤。 目前我国电机设计方法主要有两种：一是完全凭借人的计算能力，对电机的电磁参数进行 校核计算，然后进行优化选择等，其最大的 缺点就是要对电磁设计的百余个公式逐一进行计算，还要完成四个迭代计
29、算，其涉及因素及计算量很大很复杂，工作量非常大，不符合现代发展趋势；第二则是借助计算机等辅助设备，特别是电机设计 CAD 技术。 随着现代电机制造行业的迅猛发展，尤其是对电机性能要求的提高以及种类型号的增多，人们对于电机设计也提出了更高的要求，其中包括电机性能参数的计算、设计的方法以及材料的使用等。而近年来由于计算机技术的迅速发展、计算机信息系统的广泛应用以及计算机辅助设计技术学科的崛起，使得电机设计进入一个全新的领域。计算机辅助设计（简称CAD） 、计算机辅助制造（简称 CAM）以及计算机辅助管理（简称 CAM）三者相结合成的 CADCAM CAM 技术正在引起电机设计的技术革命。特别是 CAD 技术的发展，被广大电机设计人员用来从事电机产品的设计计算、分析及绘图，实现电机产品设计过程的自动化，加速了设计
