电机设计最佳教程第一讲电机设计概论.ppt

电机设计 第一讲 电机设计概论,2011.09.08,讲课人：邢伟,2019年6月4日星期二,提 要,1、电机设计的名词解释为什么要学电机 设计课？,2、电机设计的任务和过程建立电机设计整体印象,3、电机的国际、国内标准简介了解电机设计的“规矩”,4、电机设计技术的发展概况把握电机设计的手段,5、电机设计课的学习方法怎么学习电机设计课？,1 名词解释“电机设计”,两个问题： 什么是电机 （ Electric Machine）？ 什么设计 （Design）？,1.1 什么是电机？,（1）在电机学中都学过哪些电机形式？ （2）你日常生活中接触过哪些使用电机的领域？,2019年6月4日星期二,1.1-（1） 电机学中学过的主要电机形式,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,新能源之风力发电,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,新能源之电动汽车,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,新能源之动车组,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,新能源之磁悬浮列车,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,新应用之航空母舰舰载飞机的电磁弹射,1.1-（2）日常生活中接触到的电机的应用领域 新方向,飞机的舵面机电作动器、电液作动器 飞机机轮电刹车 新型涡轮增压环控系统 汽车、飞机发动机的尾气涡轮增压发电 核动力潜艇的低噪音电推动 炮弹的电磁发射 。 。,1.1 什么是电机？,电机是通过磁场实现机电能量转换的装置。,发电机(generator),电动机(motor),变压器(transformer) 变流器(converter),电能,机械能,1.1 什么是电机？,日本人的电机概念还包括“静止电力电子功率变换器”,1.1 什么是电机？,控制电机（电磁元件） 用于传感器：测速、测角度、测直线位移 用于自动控制：自整角机 数学运算：求积分、做加法,1.1 电机是什么？,电机就是工业 电机就是生活 电机就是美好的未来,国内电机行业的发展概况2009年行业分析报告,2009年18月 电机制造企业：2853个 从业人数：57.57万人 累计产品销售收入：2038.53亿元 同比增长速度为：14.25% 利润总额：123.27亿元 毛利润率：15.23% 2009年19月发电设备累计生产8339.5万kW 2009年19月交流电动机累计生产13454万kW 2009 年19 月，累计生产变压器93374.37 万kVA,国内电机行业的发展概况2009年行业分析报告,国内电机行业的发展概况2009年行业分析报告,国内电机行业的发展概况2009年行业分析报告,国内电机厂所概述,研究所：上海电器研究所、电子工业部上海21所，西安微电机研究所，广州电器研究所，哈尔滨大电机研究所，沈阳变压器研究所 工厂：哈电、东方、上海、南洋、115、125、博山、ABB天津、兰州（西门子）、艾默生、德昌、北微、天微,1.2 什么是设计？,设假设：给定一些假设条件 设置：初始参数设置 计计算：计算详细参数与性能 算计：相互矛盾的或耦合在一起的 参数之间的权衡，以取得最优结果,2.1 电机设计的任务,根据用户提出的产品规格（功率、电压、转速）、技术要求（效率、参数、温升限度、机械可靠性要求）和运行条件，综合考虑技术的可行性和方案的经济性（国家的方针、政策），运用有关理论和计算方法（电机设计课程的内容），正确处理设计时遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单、可靠性高、工艺性好和维修性好的产品。,2.2 电机设计的过程,电机设计的准备工作：与用户沟通，明确需求（技术指标、运行条件、成本、供货周期、验收标准）；了解制造、加工厂的设备条件，人力条件；根据用户需求和相关国家标准编制设计任务书。 电机的初步设计：确定电机的总体结构形式，这是电磁设计的基础。 接下一页,2.2 电机设计的过程,电机的电磁设计：在初步设计的基础上，通过一些“假设”和“参数设置”给出电机的初步电磁结构尺寸，然后进行电磁“计算”，通过反复迭代计算，在参数之间进行权衡，最终给出满足电磁性能要求的设计结果（材料、各部分结构尺寸参数）。 电机的结构设计：确定电机的机械结构、零部件尺寸、材料规格及性能要求、加工要求，期间涉及必要的机械（强度、刚度）计算和温升计算，最终给出电机的设计图样（零件图、组件图、装配图等）。电机的结构设计要考虑电机的加工、运输、安装、使用、维修等多个方面。,3 电机的国内、国外标准,国际标准：国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会（IEC）、欧盟标准（EU）、 国家标准：国家强制性标准（GB）、国家推荐性标准（GB/T）、国家军用标准（GJB） 其他国家标准：日本标准（JIS），德国标准（DIN）、美国标准（ANSI）美国军用标准（MIL） 部颁标准：机械工业部标准（JB）、航空工业部标准（HB）,3 电机的重要国家标准,电机宪法 GB 755 旋转电机定额和性能 IEC 60034-1 GB 1971 电机线端标志与旋转方向 IEC 60034-8 GB 10069.3 旋转电机噪声测试方法及限值 噪声限值 IEC 60034-9 GB10068 轴中心高为56mm及以上电机的机械振动 振动测测量、评定及限值 GB 12350 小功率电动机的安全要求 GB 14711 中小型旋转电机安全通用要求 GB 18613 中小型三相异步电动机能效限定值及节能评价值 GB/T 755.2 旋转电机（牵引电机除外）确定损耗和效率的试验方法 IEC 60034-2 GB/T 997 电机结构及安装型式代号 IEC 60034-7 GB/T 1993 旋转电机冷却方法 IEC 60034-6 GB/T 4942.1 旋转电机外壳防护等级（IP代码） IEC 60034-5,3 电机的重要标准,电机设计的新要求：绿色环保设计 电机的环保设计欧盟电子产品环保指令 电机的节能设计欧盟三级能效标准、美国的能效标准,4 电机设计技术的发展概述,电机设计的重要任务是电磁设计，而电磁设计的核心问题是电机磁路的精确计算 磁路法 等效磁网络法 场路（指磁路）结合法 电磁场解析分析法 电磁场数值分析法 场路（指电路）耦合时步有限元法,4.1 磁路法,磁路法是电机磁场分布的传统计算方法 原理：基于磁路-电路类比原理，将磁路计算问题转化为电路计算问题，利用欧姆定律和基尔霍夫定律列写方程组，求解得到电机各部分的磁压降和磁通。 磁路法的优点是高效率 磁路法的缺点：依靠少量几个集总参数构成的磁路模型，难以精确地描述磁场分布情况，所以磁路法在电机设计中往往需要借助于大量的经验公式和修正系数对电磁参数做出调整；只能获得电磁量集总参数，对于电磁量波形求解无能为力。 磁路法多用于初始方案设计和相似方案设计。,4.2 等效磁网络法,可看作进一步细化的磁路法。 原理：依据磁通管原理，将电机中磁通分布较均匀、几何形状较规则的部分作为一个独立单元，并计算其等效磁导。电机内各部分对磁场的分布作用不同，可等效为性质不同的单元：等效磁导单元和等效磁势源单元。所有单元通过节点连接为一个磁网络，根据磁路-电路类比原理，通过基尔霍夫定律求解该网络获得电机内磁场的分布情况。 优缺点：相对于磁路法，等效磁网络法的计算结果精度更高，但相对于有限元法，其灵活性和精度还稍逊一筹，在商用有限元软件相当完善和计算机计算能力大大提高的今天，等效磁网络法的快速性优势日益微弱。,4.3 电磁场解析分析法和电磁场数值分析法,以场值为计算量 其中，应用最多的是电磁场数值分析法，它包括有限差分法、有限元法、边界元法等。 电机电磁场的数值分析已经发展得比较成熟，商用软件如Ansys、Ansoft、JMAG、Magnet等已得到广泛地推广和应用。 电磁场解析分析法在一些简单结构的电机的参数与性能求解中有所应用，如气隙磁场分布、齿槽转矩、电枢反应。由于解析法具有清晰的物理概念和明确的变量关系，在电机优化设计中往往具有指导作用，但同时存在对非线性处理能力不足的缺陷。,4.4 场路耦合时步有限元法,为适应非正弦供电而引入的一种瞬态电磁场求解方法。 （磁）场方程与（电）路方程的耦合有直接耦合与间接耦合两种。直接耦合法是指将场方程与路方程联立，同时求解，特点是收敛性好。而间接耦合法是指场求解器与电路求解器分立，通过实时数据交换来实现场激励的施加和场计算结果的返回，如果计算步长不合适可能出现计算结果发散的问题，但间接耦合法工程实施性好，有利于软件公司的开发。 场路耦合时步有限元法是目前在电机设计的计算方法中最为理想的方法，它考虑到了磁场对时间的变化率，可以在计算过程充分考虑涡流的影响、齿槽的影响、电枢反应的影响等，同时由于采用电路求解器实时对磁场施加激励，可以充分考虑非正弦供电对电机性能的影响。,5 电机设计课程的学习方法,积极响应，提高上课效率 实践性强，以学生思考、理解为主，老师提纲挈领、指点难点为辅 学什么？学方法和思想 教学的内容：课堂讲解、小程序、小论文、小设计、电机人物/历史/书籍简介/国内国际著名的电机制造厂/优秀电机设计赏析/电机加工工艺录像。,5 电机设计课程的学习方法,考核办法：作业与小论文，期末考试。闭卷考试(或抽签口试)占本课程总成绩的50%，作业及小论文占本课程总成绩的50%。 作业：本课程的作业大多来源于工程实际，有些是将课程中的某些概念、原理或公式推导引申改编而成。基本上每次课后安排2至3道习题，共约60道习题。 小论文：本课程是工程实践性很强的一门专业课，配合课程进度安排1篇小论文的写作，写作内容取材于对课程内容的理解、工程问题的分析、电机设计计算机程序的编写与调试报告、电机电磁设计结果报告等。每人1题，自由选做。,5.1 电机设计课程大纲,5.1 电机设计课程教材与参考书,1教材 陈世坤. 电机设计（第2版）. 北京：机械工业出版社, 1997年 2参考书 程福秀, 林金铭. 现代电机设计. 北京：机械工业出版社, 1993年 胡之光. 电机电磁场的分析与计算（修订本）. 北京：机械工业出版社, 1989年 唐任远. 现代永磁电机理论与设计. 北京: 机械工业出版社, 1997年,本讲内容总结,2019年6月4日星期二,电机设计名词解释 回顾了电机的主要形式 电机的应用情况介绍 电机的发展情况介绍 电机设计的任务和过程 电机的国内外标准简介 电机设计技术发展概况 电机设计课程的授课内容及考核办法,课后习题（4选