Проектирование асинхронных двигателей

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
А.Ф. ШЕВЧЕНКО, Л.Г. ШЕВЧЕНКО  
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 
 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.313.333(075.8) 
Ш 379 
 
Рецензенты: 
В.Ю. Нейман, д-р техн. наук, профессор  
Г.А. Шаншуров, канд. техн. наук, доцент  
 
 
Работа подготовлена на кафедре электромеханики 
 
 
Шевченко А.Ф. 
Ш 379  
Проектирование асинхронных двигателей: учебное пособие / 
А.Ф. Шевченко, Л.Г. Шевченко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2020. – 122 с. 

ISBN 978-5-7782-4106-0 

В учебном пособии рассмотрены вопросы проектирования асинхронных машин на примере расчета машин серии 4А. Представленная 
методика расчета содержит все основные разделы проектирования от 
выбора главных размеров до расчета рабочих характеристик. Однако 
особое внимание уделяется электромагнитному расчету асинхронного 
двигателя. 
Учебное пособие составлено применительно к учебным программам курса «Электрические машины» для студентов факультета мехатроники и автоматизации и может быть полезно студентам, обучающимся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», при выполнении курсовых и квалификационных работ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.313.333(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4106-0 
© Шевченко А.Ф., Шевченко Л.Г., 2020 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2020 

 
 
 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 4 
1. Общая характеристика и требования к проектируемой  
электрической машине ..................................................................................... 5 
2. Выбор главных размеров, расчет и выбор размеров магнитопровода ....... 10 
3. Обмотка статора .............................................................................................. 16 
4. Обмотки короткозамкнутого ротора ............................................................. 29 
5. Расчетные параметры двигателя для рабочего режима ............................... 35 
6. Намагничивающий ток ................................................................................... 45 
7. Режим холостого хода .................................................................................... 52 
8. Номинальный режим и рабочие характеристики ......................................... 53 
9. Начальный пусковой момент и начальный пусковой ток ........................... 58 
10. Максимальный момент ................................................................................... 64 
11. Тепловой расчет двигателя ............................................................................ 66 
Пример поверочного расчета асинхронного двигателя ..................................... 71 
Приложение 1 ...................................................................................................... 114 
Приложение 2 ...................................................................................................... 119 
Библиографический список ............................................................................... 121 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В учебном пособии приведены основные стандарты, которым 
должна соответствовать проектируемая электрическая машина, методика расчета элементов машины, ее параметров и характеристик. Поверочные расчеты вентиляции и элементов конструкции не приведены 
в учебном пособии и могут быть предложены студентам по указанию 
преподавателя. 
Пояснительная записка выполняется в соответствии с ГОСТ 7322017 на оформление отчетов и должна содержать необходимый минимум эскизов и поясняющих чертежей. В качестве основных учебных 
пособий следует пользоваться книгами [1, 2]. 
Кроме названных книг полезными при проектировании могут служить [3–5]. 
 
 
 

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И ТРЕБОВАНИЯ  
К ПРОЕКТИРУЕМОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЕ 
 
Проектируемая асинхронная машина должна соответствовать последним достижениям в области расчета и конструирования электрических машин переменного тока. С 1973 года асинхронные двигатели 
от 0,06 до 400 кВт при частотах вращения 500–3000 об/мин выпускаются главным образом в виде серии 4А, которая заменила в этом диапазоне мощностей серию А2, разработанную и освоенную в 60-х годах. 
Серия 4А удовлетворяет рекомендациям МЭК (Международной электротехнической комиссии) по шкале мощностей и установочным размерам, что обеспечивает взаимозаменяемость с электрическими машинами, изготовленными другими фирмами. Благодаря применению 
электротехнической стали с улучшенными магнитными свойствами, 
реализации запасов по нагреву и усовершенствованию охлаждения,  
а также переходу на более высокие классы изоляции мощность двигателей серии 4А при данных высотах оси вращения на 2–3 ступени 
шкалы мощностей больше по сравнению с двигателями серии А2.  
Это позволило уменьшить массу двигателей в среднем на 15–18 %  
и сэкономить 20–25 % обмоточной меди и электротехнической стали 
при тех же энергетических показателях. 

1.1. Шкала мощностей, установочные  
и присоединительные размеры 

Мощность, установочные и присоединительные размеры, увязка 
мощности с установочными размерами проектируемого асинхронного 
двигателя должны соответствовать ГОСТ 12139-84, 13267-73, 18709-73 
и 19523-81. Увязка мощностей с установочными размерами асинхронных двигателей серии 4А со степенью защиты IP44 приведена в 
табл. 1.1. 
 

Т а б л и ц а  1.1 

Высота оси вращения двигателей 

Высота оси 
вращения, 
мм 

Обозначение 
длины 

Мощность двигателя, кВт при 2p 

2 
4 
6 
8 
10 
12 

56 
– 
0,18 
0,25 
0,12 
0,18 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 
– 

63 
– 
0,37 
0,55 
0,25 
0,37 
0,18 
0,25 
– 
– 
– 
– 
– 
– 

71 
– 
0,75 
1,1 
0,55 
0,75 
0,37 
0,55 
0,25 
– 
– 
– 
– 
– 

80 
– 
1,5 
2,2 
1,1 
1,5 
0,75 
1,1 
0,37 
0,55 
– 
– 
– 
– 

90 
L 
3,0 
– 
2,2 
– 
1,5 
– 
0,75 
1,1 
– 
– 
– 
– 

100 
S 
L 
4,0 
5,5 
3,0 
4,0 
– 
2,2 
– 
1,5 
– 
– 
– 
– 

112 
M 
7,5 
– 
5,5 
– 
3,0 
4,0 
2,2 
3,0 
– 
– 
– 
– 

132 
S 
M 
– 
11 
7,5 
11 
5,5 
7,5 
4,0 
5,5 
– 
– 
– 
– 

160 
S 
M 
15 
18,5 
15 
18,5 
11 
15 
7,5 
11 
– 
– 
– 
– 

180 
S 
M 
22 
30 
22 
30 
– 
18,5 
– 
15 
– 
– 
– 
– 

200 
M 
L 
37 
45 
37 
45 
22 
30 
18,5 
22 
– 
– 
– 
– 

220 
M 
55 
55 
37 
30 
– 
– 

250 
S 
M 
75 
90 
75 
90 
45 
55 
37 
45 
– 
– 
– 
– 

280 
S 
M 
110 
132 
110 
132 
75 
90 
55 
75 
– 
– 
– 
– 

315 
S 
M 
160 
200 
160 
200 
110 
132 
90 
110 
55 
75 
45 
55 

355 
S 
M 
250 
315 
250 
315 
160 
200 
132 
160 
90 
110 
75 
90 

На одной высоте вращения для каждого числа пар полюсов 
обычно выполняются двигатели двух мощностей. В этой же таблице 
приведены условные обозначения длин корпусов (по расстоянию 
между осями отверстий под крепежные болты в лапах) двигателей с 
одинаковыми высотами оси вращения: S – малая длина; M – средняя; L – большая. 

1.2. Номинальные напряжения 

Номинальные напряжения питающих сетей переменного тока до 
1000 В устанавливаются ГОСТ 21128-83. Из практики проектирования 
установлены определенные диапазоны мощностей, для которых 
наиболее целесообразными и экономически обоснованными являются 
следующие номинальные напряжения: 
 

Мощность, кВт 
0,06...0,37 
0,55...11 
15...110 
132...400 

Uн, В 
220 и 380 
220, 380  
и 660 
220/380 
380/660 
380/660 

1.3. Исполнение двигателя по степени защиты 

Исполнение электрических машин по степени защиты установлены 
ГОСТ 17494-72. Под понятием защиты электрических машин подразумевается защита обслуживающего персонала от соприкосновения с 
токоведущими или вращающимися частями, находящимися внутри 
машины, и защита машин от попадания внутрь твердых посторонних 
тел и воды. 
Асинхронные двигатели серии 4А по степени защиты выполняются 
в двух исполнениях: IP23 – защищенное; IP44 – закрытое (IP – International Protection – международная защита). 
Первая цифра характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями. Вторая 
цифра характеризует степень защиты от попадания твердых посторонних тел и воды внутрь машины. 

1.4. Исполнение по способу охлаждения 

Асинхронные двигатели серии 4А по способу охлаждения выполняются трех исполнений: IC01 – защищенная машина с самовентиляцией, 
вентилятор расположен на валу машины; IC0141 – закрытая машина с 
естественным охлаждением; IC0151 – закрытая машина, имеющая корпус с трубами для прохода воздуха, с наружным и внутренним вентиляторами (IC – International Cooling – международное охлаждение).  
Рекомендуемые способы охлаждения в зависимости от высоты 
вращения двигателей и исполнения по степени защиты приведены в 
табл. 1.2. 
Т а б л и ц а  1.2 

Рекомендуемые способы охлаждения 

Исполнение по степени 
защиты 
Высота оси вращения 
Способ охлаждения 

IP23 
160...560 
IC01 

IP44 
50...355 
IC0141 

IP44 
400...630 
IC0151 

 
Экспериментальные исследования свидетельствуют о предпочтительном применении радиальной системы вентиляции перед аксиальной в двигателях со степенью защиты IP23. Степень защиты IP23 для 
машин с самовентиляцией предопределяет применение наружного обдува корпуса. 

1.5. Исполнения и модификации двигателей серии 4А 

Формы исполнения асинхронных двигателей общего назначения по 
способу монтажа и их условные обозначения установлены ГОСТ 2479-79: 
 М10 – на лапах с двумя подшипниковыми щитами; 
 М20 – на лапах с большим фланцем со стороны выступающего 
конца вала; 
 М30 – без лап с большим фланцем со стороны выступающего 
конца вала. 
Исполнение двигателей для различных климатических районов, категории, условия эксплуатации, хранения и транспортировки двигателей устанавливаются ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15543-70. 

Серия 4А имеет примерно 100 тыс. модификаций. Основные электрические модификации приведены в табл. 1.3. 
Т а б л и ц а  1.3 

Электрические модификации двигателей серии 4А 

Тип модификации 
Назначение 

С повышенным пусковым моментом 
Для привода механизмов с большими пусковыми 
моментами (компрессоры, дробилки и т. д.) 

С повышенным скольжением 
Для привода механизмов с большими моментами инерции, с нагрузкой пульсирующего характера, с большой частотой пуска и реверсов 

С повышенными энергетическими показателями 
Для привода механизмов с круглосуточной работой, при которой особое значение имеет повышение КПД 

С фазным ротором 
Применяется, когда мощность питающей сети 
недостаточна для пуска двигателей с короткозамкнутым ротором и в регулируемых электроприводах 

Многоскоростные 
Для привода механизмов со ступенчатым регулированием частоты вращения 

Встраиваемые 
Для встраивания в станки и механизмы 

 
Кроме перечисленных имеется ряд специализированных исполнений. Размеры всех модификаций (за исключением двигателей с фазным ротором) совпадают с размерами соответствующих двигателей 
основного исполнения. 

1.6. Обозначение типов двигателей 

Обозначения двигателей серии 4А расшифровываются следующим 
образом: 
4 – порядковый номер серии; 
А – асинхронный; 
Н – обозначение двигателей защищенного исполнения; 
А – станина и щиты из алюминия; 
Х – станина из алюминия и чугунные щиты; 
50…355 – высота оси вращения; 
S, L, M – установочные размеры по длине корпуса; 

А, В – обозначение длины магнитопровода (первая длина – А, вторая – В); 
2, 4, 6, 8, 10, 12 – числа полюсов; 
У – климатическое исполнение; 
3 – категория размещения. 
Например: 4АА56А2У3 – двигатель серии 4А, асинхронный закрытого исполнения, станина и подшипниковые щиты из алюминия, высота оси вращения 56 мм, магнитопровод первой длины, двухполюсный, 
для районов умеренного климата, третьей категории размещения. 
 
 
 
2. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ, РАСЧЕТ И ВЫБОР 
РАЗМЕРОВ МАГНИТОПРОВОДА 
 
Главными размерами электрической машины является диаметр 
расточки статора 
1
D  и длина сердечника статора l . От размеров 
1
D   
и l  и соотношения между ними зависят вес машины, ее стоимость и 
технико-экономические характеристики. 
В серии асинхронных машин 4А выбор главных размеров осуществляется исходя из увязки, сделанной между мощностью машины 
при определенном числе пар полюсов и высотой оси вращения, с одной стороны, и между высотой оси вращения и диаметром 
1
D  статора 
и наружным диаметром пакета активной стали 
,
а
D
 с другой стороны. 
Эти увязки приняты на основе существующего опыта расчета и эксплуатации асинхронных машин. 
Выбор главных размеров рекомендуется производить в следующем 
порядке. 
2.1. Определяется высота оси вращения (табл. 1.1) и наружный 
диаметр сердечника статора 
а
D  (табл. 2.1). 
Т а б л и ц а  2.1 

Наружный диаметр сердечника статора 

h, мм 
50 
56 
63 
71 
80 
90 
100 
112 
132 

Dа, м 
0,086 
0,089
0,1 
0,116
0,131
0,149
0,168
0,191
0,225 

h, мм 
160 
180 
200 
225 
250 
280 
315 
355 
 

Dа, мм 
0,272 
0,313
0,349
0,392
0,437
0,520
0,590
0,660
 

2.2. Внутренний диаметр статора, м: 

 
1
D
a
D
k
D


, 
(2.1) 

где 
D
k
 – по табл. 2.2. 

Т а б л и ц а  2.2 

Отношение kD = D1/Da в двигателях серии 4А при различных числах  
полюсов 

2р 
2 
4 
6 
8…12 

kD 
0,52...0,57 
0,64...0,68 
0,70...0,72 
0,74...0,77 

 
2.3. Расчетная мощность, Вт: 

 
2
,
cos
E
P
k
P

  
  
(2.2) 

где  и cos  определяются из рис. 2.1 и 2.2, 
E
k
 – из рис. 2.3. 
 

 
Рис. 2.1. Среднее значение КПД асинхронных  
двигателей