開題報告

電氣工程及自動化

井用潛水異步電動機設計

一、綜述本課題國內外研究動態，說明選題的依據和意義

1．我國電機設計的現狀

隨著社會生產的不斷發展，我國的工農業需水量不斷增大，而在農村、工廠、礦山、鐵路、自來水公司、地熱開發、油田和地質勘探等領域廣泛應用的井用潛水泵則成為了搶手貨。因而在近十幾年全國諸多農機產品生產企業面臨產品老化、減產、經濟效益不斷下降的形勢下，井用潛水電泵卻恰恰相反，其生產企業數量不斷增加，產量以每年平均20%的速度增長，企業的經濟效益不斷提高。作為井用潛水泵的配套動力設備，井用潛水異步電動機的性能優劣則直接影響到泵的使用質量。自從80年代我國引進RITZ公司潛水電機制造技術起，并隨后制訂了國GB/T—2816

-91（即《井用潛水泵型式和基本參數》），我國國內潛水電機行業才開始進入一個全新的發展階段。在JQS、YQS等系列新型的潛水電機相繼研發并大量投放市場之后，我國國內潛水電機產量不僅滿足了國內的需求，而且大量出口，相繼打入了中東、非洲市場,并向美國、歐洲發展。

目前我國電機設計方法主要有兩種：一是完全憑借人的計算能力，對電機的電磁參數進行校核計算，然后進行優化選擇等，其最大的缺點就是要對電磁設計的百余個公式逐一進行計算，還要完成四個迭代計算，其涉及因素及計算量很大很復雜，工作量非常大，不符合現代發展趨勢；第二則是借助計算機等輔助設備，特別是電機設計CAD技術的發展，被廣大電機設計人員用來從事電機產品的設計計算、分析及繪圖，實現電機產品設計過程的自動化，加速了設計過程，縮短了設計周期、提高了電機產品質量，也適應了電機產業更新換代迅速的要求。因此，現今基本上電機設計企業都已經選擇了CAD軟件開發設計電機。

2．電機設計的趨勢

借助于計算機CAD技術的迅猛發展，給電機設計行業注入巨大的更新血液。目前我國潛水電機在設計制造方面有了很大的進步，主要表現為以下幾個方面：

（1）潛水電動機的產品結構設計、電磁優化設計以及制造工藝日趨完善；

（2）在取材方面用冷軋硅鋼片取代了熱軋硅鋼片，開發出了具有高導磁、低損耗的DGX系列電工鋼片；

（3）開發出了125°C高溫耐水線，給高溫潛水電機的設計和單機功率的提高提供了條件；

（4）在設計、制造高承載力推力軸承方面有了較大發展；

（5）計算機電機CAD等軟件的廣泛應用，縮短了研究周期、減小成本等等。

在中國國內井用潛水電機行業蓬勃發展的同時，國外的電機設計革新也在悄然進行。目前國外潛水電機的生產廠家主要有德國的Ritz、KSB，美國的Flygt、Itt-Loware、富蘭克林，日本的日立以及丹麥的格蘭富等。

同樣面對電機革新換代方面的問題，國外企業對量大面廣的潛水電機進行了不斷的改進,取得了明顯的進展,主要表現在:

（1）提高電機轉速，以提高泵的流量和揚程，從而減少電泵機組的總長度，降低成本。

（2）提高單機工作功率，適應工作場地及溫度的需要,同電機機座號的單機工作最大功率提高了2.5～3倍。

（3）提高電機止推軸承的承載能力，提高該電機工作時的可靠性，滿足其提高泵效及高揚程的需要。

（4）提高力能指標，實行高效節能。

（5）實行計算機電機優化設計，降低電機的重量以及成本。

近幾年來，由于社會發展等需要，地球資源損耗日益加大，水源缺乏、糧食短缺、環境污染，已經深深影響到我們人類的生存與發展。能源危機，這是個亟需解決的問題。由此，開發并使用高效率電機已逐漸成為全球的共識。因此，高效能、低噪聲低振動、便于調速等已經成為國內外電動機研究設計的主要發展方向。

3.課題說明及選題的意義

隨著科學技術的發展，超導體制冷等新技術新材料的不斷涌現，電機CAD設計軟件的普及，也進一步促進了電機設計行業的不斷革新。但由于近幾年我國地下水位普遍下降、水溫過熱、砂量過多等新的一系列問題的出現，使得廣泛使用的井用潛水電機行業不得不面臨新的挑戰，如何設計出更高效能、更低噪聲低振動、更安全智能的井用潛水異步電動機已經成為必然。因此，我們首先需要從電機設計的常規方式入手，在掌握其常規設計的基礎上，不斷改善，使得我國電機設計逐步走上國際化道路甚至成為世界的掌舵者。這也完全符合我國可持續發展的需要。

綜合上述原因我認為了解并改善井用潛水異步電動機設計有著十分重要的現實意義

二、研究的基本內容，擬解決的主要問題：

確定井用潛水異步電動機的總體結構型式，包括防護式、安裝式、通風和冷卻方式、軸承類型和數量、軸伸型式和數量等。確定零部件的結構型式、材料、形狀、尺寸、加工精度、形位公差、表面粗糙程度和技術要求等。確定某些零部件（如轉子鐵芯與軸、機座和端蓋等）之間的機械連接方式、配合種類等。核算零部件的機械性能。進行電機的磁路計算，對電機的定子槽、轉子槽選型，鐵芯和繞組設計、磁路計算、參數計算、運行性能計算、啟動性能計算、異步電動機的通風與溫升計算、異步電動機的噪聲計算以及校驗損耗等

擬解決井用潛水異步電動機面對近幾年我國地下水位普遍下降、水溫過熱、砂量過多等環境時顯得動力不足、抗熱性不高、安全密封性能不佳等問題。

三、研究步驟、方法及措施：

1.根據任務書要求，查閱各類書籍和資料，進行調研，完成開題報告、文獻綜述、外文翻譯。

2.研究井用潛水異步電動機的特性，熟悉其設計方法。

3.根據任務書所給數據，進行電磁參數計算，具體步驟如下：

1）預選尺寸，給初始設計

①確定外形尺寸：由容量和尺寸關系式確定；

②開槽：考慮槽配合要求合理地選擇定、轉子槽數，并選擇槽型、槽寬、槽高、槽面積等；

③選導線：由定子每相電壓及電勢降落系數以及每極磁通確定每槽串聯導體數，確定每根導線截面、聯接方式及絕緣等。

2）校核計算：用初始設計給定數據進行性能計算，包含四個迭代計算

①磁路計算：由預選尺寸計算磁密及磁勢，求出激勵電流和激磁電抗；

②參數計算：包括計算定、轉子電阻及各個漏電抗、電流及相應電密；

③損耗及性能計算：計算各損耗，效率功率因數、最大轉矩倍數以及額定滑差率；

④起動計算：確定起動電流倍數及啟動轉矩倍數。

3）調整方案

初始設計方案不一定滿足要求，還要做多次調整，直到得到可用設計。

4）挑選方案

算出一批可行設計，經比較選出最佳設計，并滿足材料、制造及運行三項總費用最小的要求。

4.完成上述步驟后進行電機優化的進一步設計，得出整個設計成果，完成論文初稿。

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