開題報(bào)告

電氣工程及自動(dòng)化

井用潛水異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

1．我國電機(jī)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

隨著社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，我國的工農(nóng)業(yè)需水量不斷增大，而在農(nóng)村、工廠、礦山、鐵路、自來水公司、地?zé)衢_發(fā)、油田和地質(zhì)勘探等領(lǐng)域廣泛應(yīng)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(nóng)機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)面臨產(chǎn)品老化、減產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益不斷下降的形勢(shì)下，井用潛水電泵卻恰恰相反，其生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量不斷增加，產(chǎn)量以每年平均20%的速度增長，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。作為井用潛水泵的配套動(dòng)力設(shè)備，井用潛水異步電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)劣則直接影響到泵的使用質(zhì)量。自從80年代我國引進(jìn)RITZ公司潛水電機(jī)制造技術(shù)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(shù)》），我國國內(nèi)潛水電機(jī)行業(yè)才開始進(jìn)入一個(gè)全新的發(fā)展階段。在JQS、YQS等系列新型的潛水電機(jī)相繼研發(fā)并大量投放市場(chǎng)之后，我國國內(nèi)潛水電機(jī)產(chǎn)量不僅滿足了國內(nèi)的需求，而且大量出口，相繼打入了中東、非洲市場(chǎng),并向美國、歐洲發(fā)展。

目前我國電機(jī)設(shè)計(jì)方法主要有兩種：一是完全憑借人的計(jì)算能力，對(duì)電機(jī)的電磁參數(shù)進(jìn)行校核計(jì)算，然后進(jìn)行優(yōu)化選擇等，其最大的缺點(diǎn)就是要對(duì)電磁設(shè)計(jì)的百余個(gè)公式逐一進(jìn)行計(jì)算，還要完成四個(gè)迭代計(jì)算，其涉及因素及計(jì)算量很大很復(fù)雜，工作量非常大，不符合現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)；第二則是借助計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備，特別是電機(jī)設(shè)計(jì)CAD技術(shù)的發(fā)展，被廣大電機(jī)設(shè)計(jì)人員用來從事電機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算、分析及繪圖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化，加速了設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期、提高了電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，也適應(yīng)了電機(jī)產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代迅速的要求。因此，現(xiàn)今基本上電機(jī)設(shè)計(jì)企業(yè)都已經(jīng)選擇了CAD軟件開發(fā)設(shè)計(jì)電機(jī)。

2．電機(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)

借助于計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)的迅猛發(fā)展，給電機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)注入巨大的更新血液。目前我國潛水電機(jī)在設(shè)計(jì)制造方面有了很大的進(jìn)步，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）潛水電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fā)出了具有高導(dǎo)磁、低損耗的DGX系列電工鋼片；

（3）開發(fā)出了125°C高溫耐水線，給高溫潛水電機(jī)的設(shè)計(jì)和單機(jī)功率的提高提供了條件；

（4）在設(shè)計(jì)、制造高承載力推力軸承方面有了較大發(fā)展；

（5）計(jì)算機(jī)電機(jī)CAD等軟件的廣泛應(yīng)用，縮短了研究周期、減小成本等等。

在中國國內(nèi)井用潛水電機(jī)行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，國外的電機(jī)設(shè)計(jì)革新也在悄然進(jìn)行。目前國外潛水電機(jī)的生產(chǎn)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(duì)電機(jī)革新?lián)Q代方面的問題，國外企業(yè)對(duì)量大面廣的潛水電機(jī)進(jìn)行了不斷的改進(jìn),取得了明顯的進(jìn)展,主要表現(xiàn)在:

（1）提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，以提高泵的流量和揚(yáng)程，從而減少電泵機(jī)組的總長度，降低成本。

（2）提高單機(jī)工作功率，適應(yīng)工作場(chǎng)地及溫度的需要,同電機(jī)機(jī)座號(hào)的單機(jī)工作最大功率提高了2.5～3倍。

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

（4）提高力能指標(biāo)，實(shí)行高效節(jié)能。

（5）實(shí)行計(jì)算機(jī)電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低電機(jī)的重量以及成本。

近幾年來，由于社會(huì)發(fā)展等需要，地球資源損耗日益加大，水源缺乏、糧食短缺、環(huán)境污染，已經(jīng)深深影響到我們?nèi)祟惖纳媾c發(fā)展。能源危機(jī)，這是個(gè)亟需解決的問題。由此，開發(fā)并使用高效率電機(jī)已逐漸成為全球的共識(shí)。因此，高效能、低噪聲低振動(dòng)、便于調(diào)速等已經(jīng)成為國內(nèi)外電動(dòng)機(jī)研究設(shè)計(jì)的主要發(fā)展方向。

3.課題說明及選題的意義

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)體制冷等新技術(shù)新材料的不斷涌現(xiàn)，電機(jī)CAD設(shè)計(jì)軟件的普及，也進(jìn)一步促進(jìn)了電機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)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(xiàn)，使得廣泛使用的井用潛水電機(jī)行業(yè)不得不面臨新的挑戰(zhàn)，如何設(shè)計(jì)出更高效能、更低噪聲低振動(dòng)、更安全智能的井用潛水異步電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為必然。因此，我們首先需要從電機(jī)設(shè)計(jì)的常規(guī)方式入手，在掌握其常規(guī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，不斷改善，使得我國電機(jī)設(shè)計(jì)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(xù)發(fā)展的需要。

綜合上述原因我認(rèn)為了解并改善井用潛水異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

確定井用潛水異步電動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)型式，包括防護(hù)式、安裝式、通風(fēng)和冷卻方式、軸承類型和數(shù)量、軸伸型式和數(shù)量等。確定零部件的結(jié)構(gòu)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(shù)要求等。確定某些零部件（如轉(zhuǎn)子鐵芯與軸、機(jī)座和端蓋等）之間的機(jī)械連接方式、配合種類等。核算零部件的機(jī)械性能。進(jìn)行電機(jī)的磁路計(jì)算，對(duì)電機(jī)的定子槽、轉(zhuǎn)子槽選型，鐵芯和繞組設(shè)計(jì)、磁路計(jì)算、參數(shù)計(jì)算、運(yùn)行性能計(jì)算、啟動(dòng)性能計(jì)算、異步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)與溫升計(jì)算、異步電動(dòng)機(jī)的噪聲計(jì)算以及校驗(yàn)損耗等

擬解決井用潛水異步電動(dòng)機(jī)面對(duì)近幾年我國地下水位普遍下降、水溫過熱、砂量過多等環(huán)境時(shí)顯得動(dòng)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(jù)任務(wù)書要求，查閱各類書籍和資料，進(jìn)行調(diào)研，完成開題報(bào)告、文獻(xiàn)綜述、外文翻譯。

2.研究井用潛水異步電動(dòng)機(jī)的特性，熟悉其設(shè)計(jì)方法。

3.根據(jù)任務(wù)書所給數(shù)據(jù)，進(jìn)行電磁參數(shù)計(jì)算，具體步驟如下：

1）預(yù)選尺寸，給初始設(shè)計(jì)

①確定外形尺寸：由容量和尺寸關(guān)系式確定；

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

③選導(dǎo)線：由定子每相電壓及電勢(shì)降落系數(shù)以及每極磁通確定每槽串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，確定每根導(dǎo)線截面、聯(lián)接方式及絕緣等。

2）校核計(jì)算：用初始設(shè)計(jì)給定數(shù)據(jù)進(jìn)行性能計(jì)算，包含四個(gè)迭代計(jì)算

①磁路計(jì)算：由預(yù)選尺寸計(jì)算磁密及磁勢(shì)，求出激勵(lì)電流和激磁電抗；

②參數(shù)計(jì)算：包括計(jì)算定、轉(zhuǎn)子電阻及各個(gè)漏電抗、電流及相應(yīng)電密；

③損耗及性能計(jì)算：計(jì)算各損耗，效率功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)以及額定滑差率；

④起動(dòng)計(jì)算：確定起動(dòng)電流倍數(shù)及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

3）調(diào)整方案

初始設(shè)計(jì)方案不一定滿足要求，還要做多次調(diào)整，直到得到可用設(shè)計(jì)。

4）挑選方案

算出一批可行設(shè)計(jì)，經(jīng)比較選出最佳設(shè)計(jì)，并滿足材料、制造及運(yùn)行三項(xiàng)總費(fèi)用最小的要求。

4.完成上述步驟后進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化的進(jìn)一步設(shè)計(jì)，得出整個(gè)設(shè)計(jì)成果，完成論文初稿。

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