电机设计讲稿

1、第二章 电机的主要参数之间的关系什么是主要尺寸?电机的几何尺寸很多，有铁心尺寸、绕组尺寸、外形尺寸、安装尺寸，其它各种结构部 件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸：电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，其能量形式 的转换则是通过“气隙主磁通”进行的。因此主要尺寸就必定与气隙有密切关系。实践证明,靠近气隙的电枢直径（D ）与铁心有效长度（匚）是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个尺寸。从几何角度看，这些尺寸一经确定了，其它尺寸就大体上确定了，而且不少电磁性 能也就基本上为它们左右或稍许变动。电机的几何尺寸绕组尺寸外形尺寸安装尺寸其它尺寸大体确定4主要尺寸昇不少电磁性能变化不大 （D、lef、） I电机

2、矢量确定I结构部件尺寸电枢直径D:交流电机Di1 （定子内径）直流电机D2 （转子外径）二、 本章研究内容1 确定主要尺寸依据的基本关系式 -选择电磁负荷 -确定主要尺寸;2.电磁负荷的选择；3 确定主要尺寸的一般方法。 2-1电机的主要参数之间的关系式、几个物理量即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系额定功率Pn :输出功率电动机：轴上输出的功率 发电机：出线端输出的电功率额定转速：同步速60fA 2mW 线负荷:电枢圆周单位长度上电 流（A/米） 电磁负荷:DB 磁负荷:气隙中磁通密度的最大 值（T）电磁功率（计算功率）：电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），能量都是以电磁能的

3、形式通过定转子间的气隙进行传递的，与之相对应的功率称为电磁功率。电磁功率在电机设计中用计算功率表示（P）、交流电机中D,G与P , n,A,B 的关系计算功率：P mEI 10 3（KVA）（PM mE I 10 3KW）m电枢绕组相数；E 电枢绕组相电势；I 电枢绕组相电流。其中电势：E 4KNmpfN（伏）KNm气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时;K NmE有效值E平均值-Em1.11 ；f电流频率；N 电枢绕组每相串联匝数;Kdp 电枢绕组系数；0每极磁通（韦）。每极磁通:avl efBs气隙磁密最大值（T）；Bav 气隙磁密平均值；计算极弧系数;lef电枢计算长度;pB avB(0

4、.63 0.72)D2p(米)电负荷A：A2mWID电枢直径（米）;D把上面关系代入：D2lefn6.1 103C A电机常数Pp K Nm K dpABT极距（米）；对一定功率和转速范围内的电机，B、A变动范围不大，p、KNm、 小，Ca 一般为常数。三、直流电机计算功率：P Eala 10 3（KW）Kdp变化范围更其中电势:Ea60a每极磁通:B av leflef电负荷A：把上面关系代入:比较:D2p2mWIDD2#P36.1 1036.1 10p ab直流电机中 K Nm Kdp 1p K Nm Kdp AB四、CA、Ka的物理意义23D lefn6.1 10CA电机常数Pp KNm

5、KdpABCa是电机常数：对一定功率范围内电机 Bs、A变动不大，p、KNm、 Kdp变化范围更小;1. CaC AD 2|ef 60 D 2|efP / n2 TP 60 P2 n（T是计算转矩）D2lef近似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也和它有关。Ca的物理意义：反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电工钢）的体积,并在一定程度上反映了结构材料的耗用量2. KaKa是电机常数Ca的倒数，叫作利用系数Ka1Ca2 T260D lefPD2lefnKa物理意义Ka表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用 程度。在设计方案比较时，Ka往往

6、是一项很好的比较指标，随着电机制造水平的提高，材料质 量的改进，Ka将不断增大。2Ca并非是常数，转速一定时，Ca 一ef 。Ca随着电机功率的增大百减小，利用系数 心P和转矩应力则随电机功率的增大而增大。小结:23D lefn6.1 10Cap KNmKdpAB确定主要尺寸的基本关系式找到根据Ca(Ka) f(P /n)之间的曲线f Dtf五、计算功率与额定功率的关系在设计电机时，一般都是给定额定功率，因此应找出P与Pn的关系1 异步电机:输入功率：PmUN I11COS n10 3(kW)额定功率：PnP1 NmUN ICOS N N103 (kW)计算功率：PmEi11103(kVA)比

7、较上两式：PEiUn1n COSFNN满载电势标么值：Ke-Un额定负载时感应电势与端电压的比值KeE11IipRiI1QX1UnUn1 (i IP Rii iqXi )1 li 1pRii 1qX!定子绕组阻抗压降的标么值感应电动机的相量图PPn给定，N,COS N与给定，Ke与可先假设再得到计算功率P2.同步电动机：P5N COS N3.同步发电机：PKePn(输出功率是电功率PN mUN hcos N 10 3kW)COS n4.同步调相机：P KePn(kVA)(Pn mUN I 10 3kVA)5.并励直流发电机：P KgR（kW）（Kg考虑电枢压降和绕组电 流而引入系数）6.并励直

8、流电动机：P KmPN（Km考虑电枢压降和并励绕 组电流而引入系数）N N六、从确定主要尺寸关系式所得的结论Dn6.110K Nm K dp AB选定 A、B8,p=0.630.72CAD1 2 3 4|ef60DlfP /n 2 T结论：p1. Ca是常数，电机主要尺寸决定于 一（T ）, T相近（P ,n和P ,n ）,电机体积上基n本相同，D,lef基本相同；2.Ca 疋，P定，n疋，D2lef J3.p、KNm、Kdp定，给定P ,n，D2lef 决定于 A、Bg 选 A、B汀，D%f J；4.Ca一疋，n疋,D疋,left，P T，可得不同容量。 2-2电机中的几何相似定律概述1 .

9、什么是几何相似？指电机对应的尺寸具有相同的比值。如：A、B两台电机若是几何相似，则它们的对应尺寸成比例，即：匹1旦匹（hS,bS分别指槽高和槽宽）D B lB hSB bSB2.几何相似定律：在电流密度、磁感应强度、转速、频率保持不变时，对一系列功率递增，几何相似的电机，每单位功率所需有效材料的质量 M（G）、成本Cef及产生的损耗与功率P的1/4次方成反比的定律称几何相似定律。G 鱼 _pippp p p1/43证明：条件：J,B,n, f保持不变 I长度与功率P之间的关系PEI(PmEI10 3 kVA )EN(E4 .KNm f NK dp)BS FeENBS FeIJS c(J:电流密

10、度;SC :导体裁面积)(B,J保持不变,Scu NSc)PSFe ScuSFel2SCul2p rl P 4代入 P , PNBSFeJSc有效材料的成本Cef与损耗p与M(G)成正比。G I3CefGp GG P3/4CefP3/4P P3/4单位功率所需有效材料的质量M(G)、成本Cef及产生的损耗与功率P的关系CefpP PP 3/41/4 G,Cef, p与P的关系 有效材料重量与体积成正比，也与长度I的立方成正比;即得：几何相似定律：在J,B, n, f保持不变时，对一系列功率递增、几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料的 M(G)、成本Cef及产生的损耗p与功率P；4成反比。

11、4. 用途： 这定律可用来大体上估计与已制成电机几何相似， 但功率不同的电机的质量、成本或损耗不同； 也可用来分析通常是几何相似的系列中各规格电机之间的对应关系。5. 解释几个问题为什么在可能的情况下尽可能采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率（为什么要提高单机容量）？随着单机容量增加，其有效材料的重量 G、成本的增加相对容量的增加要慢。因此有效 材料的利用率提高了，损耗增加相对容量增加也慢，因此效率提高了。人们常说的电机怕效 率也就是这个道理。 为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要（也就是人们常说的大电机怕温 升）?电机损耗与长度I的立方成正比，而冷却表面却与长度成正比，功率

12、，长度丨，损耗冷却表面，故电机温升 。因此就必须设法改变冷却系统或冷却方式，放弃它们的几何形 状相似。 2-3电磁负荷的选择根据确定主要尺寸的关系式来看：D2lefn6.1 103Pp KNmKdpAB在正常的电机中，p,KNm,Kdp实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，主要尺 寸D2|ef就决定于电磁负荷代B。从上式看出，A, B越大，D2lef越小，质量越轻，成本越低。因此希望A,B 一点好 但是A,B选择与许多因素有关，它将影响电机的其它性能，它不但影响有效材料的耗用量， 对电机的参数、启动和运行影响较大。究竟如何选择才好？下面介绍具体选择方法。p,KNm,Kdp 变化不大.M

13、,CefABP ,n一定时对性能影响大（参数，启动，运行）D2|ef AB电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（一）电负荷A较高A 2mN沿电枢圆周单位长度上的总电流（安/米）D1优点： 电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料 ；D3ef1AB（p,KNm,Kdp变化不大,P,n定时）A ,D2|ef（ D2|ef 电机有效材料近似表示转子有效部分体积） 定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。A ,D2|ef ,PFe（ B 一定时）2. 缺点： 绕组用铜（铝）量将增加；A ,D2lef , B 一定时,（E 4KNm fN Kdp）E U 一定时， ，N ,用铜量 增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗

14、，使绕组温升增大；绕组有效部分（即槽内部分）的铜耗为：2l 2皿m(2N)RcefIm(2N)SSC12mNIl J电枢表面的铜（铝）耗为:qa也.沁 AJ （瓦 /米2）DlDlRcef每根导体有效部分电阻导体材料电阻率l导体有效部分长度Sc导体截面积J 导体电流密度N每相串联匝数,J一定时,A ,qa ,温升A ,D2|ef电机温升 f AJ热负荷的大小 f 温升不超过一定限度 f AJ不能超过一定限度 fat, J； f 有铜量T （J 丄,J ,Sc ）Sc 改变了电机参数和电机特性。由后面4-3可知交流绕组的电抗（互感电抗或漏电抗）的标么值K 比例常数A ,B 一定,X*（A ,B

15、一定,N ,X N2）1）异步电机：启动转矩J,最大转矩J,启动电流J;2）同步电机：电压变化率T,短路电流短路比稳定度J;3）直流电机：换向恶化，换向时电抗电势和电枢反应电势影响换向电流的变化（二）气隙磁密较高1. 优点：电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。1D2lef （p ,KNm，Kdp变化不大,P , n定时）ABB ,D2lef ,用铁量2. 缺点： 使电枢基本铁耗增大；基本铁耗=铁心质量 X比损耗（单位质量铁心中损耗）a）B ,D2lef ，电枢铁心质量b）B ，B Fe ， P 比f B FeP 比且 p比电枢铁心质量B ，铁耗,温升 气隙磁位降和磁路饱和程度将增加；B H

16、FBBFe磁路饱和程度励磁电流ifa）同步机、直流机：由于上面两原因使励磁磁势T-励磁绕组用铜量T-励磁损 耗T-效率J、励磁绕组温升T,使励磁绕组排列困难或导致磁极和电机外形 尺寸加大。b）异步机：励磁电流cos J 改变了电机参数和电机特性。X* K-AB ,X* ，影响启动运行特性BB*（B ,BFe ,饱和程度,-,Rm , m ,Xm）H二、电负荷A和气隙磁密B的选择1. A、B不应选择过高2. A、B的比值要适当* AX K 这比值影响电机的参数和特性；影响铜、铁的分配，即影响电机效率曲B线上出现最高效率的位置（可变损耗=不变损耗，效率最大）。一般轻载电机A大点，B小点，使效率较率

17、。（轻载I J，pcu ；,可变损耗小，AT，可变损耗T二不变损耗）3. A、B的选择要考虑冷却的条件防护式冷却方式条件较好，A、B选择一般比同规格封闭式的高，对一般小型异步电机通常可高出15-20%。4. A、B的选择要考虑所用材料和绝缘结构的等级绝缘结构的耐热等级愈高，电机允许温升愈高，AT;导磁材料（包括结构部件材料）性能越好，B T；电枢绕组用铝f Rai大f A、B比铜要好5. A、B的选择要考虑P和n的大小（圆周速度取决于D,n,v ,P ,D ,v ;n ,v ）60 va冷却条件有所改善A,B可大点 P ,D ,A,B 小总的说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难从理论上来确

18、定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机之间在使用材料、结构、技术 条件、要求等方面的异同后进行选取。关于A、B的具体选用值可参看后序文章。随材料性能，冷却条件、电机结构不断改进， A,B 一体积。 2-4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法D 2lef n6.110p K Nm K dp AB在正常的电机中，p ,KNm,Kdp实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，当电磁设计幺细长l负荷A, B选定后，则可确定D2|ef ff（主要尺寸比） f 大小影响设计粗短电机运行性能、经济性、工艺性。大小的影响D2lef 一定,豈（极距），较大时: 大，电

19、机较细长（lef较大、D较小），线圈的跨距较小；绕组端部变短，端部用铜（铝）量相应减少；在正常范围内可提高绕组铜的利用率。各结构部件尺寸较小，重量轻，因此单位功率的材料消耗较少，成本低。D2lef 一定:绕组铜的利用率 结构尺寸小重量轻f 单位功率耗材Jf 成本J D2lef 一定：T, p J, n T附加铁耗D 2| ef 定：机械损耗p nTj 定,端部铜耗 D2lef 定：ff 端部较短 f 端部漏抗Jf总漏抗J D2|ef 一定：ff 冷却条件变差 f 导致轴向温度分布不均匀度增大 T,在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致轴向温度分布不均 匀度增大，必须加强冷却措施

20、。如主要依靠机座表面散热的封闭式电机，热量主要通过定子 机座向外散热，对散热有利。对无径向通风道开启式或防护式电机，为了充分利用端部散热效果，J,端部f ff 线圈数目J f 线圈制造工时Jf绝缘材料J但 ff 铁心长 f 冲片数目ff冲剪叠压工时f，冲模易损坏f f D Jf 机座加工工时ff下线难度大（跨距小）f工时fff D Jf 转轴加粗（为了保证足够的转子刚度） ff 转子转动惯量小， va 大 f 转速较高的电机或要求时间常数较小的电机是有利二、选择 时的考虑 考虑参数与温升 考虑节约用铜（铝） 考虑转子机械强度 考虑转动惯量三、多种不同电机 大致的范围1异步电机异步电机 大中型小

21、异型步异电步机电机0.4 1.5少数 1.5 4.51 3.5极数多时取较大值（一般=1-1.3 为好）大些；极数少的电机，为了极数多的电机，绕组跨距小，电机端部较短，铁心可以长, 保证轭磁密不过高，轭厚， D 大， 小。2.同步电机般随极数增加而T中小型同步电机0.6 2.5高速大型同步电机3 4内燃驱动的同发及负载 有脉动的同步电动机0.8 1.2同步电机一般同步电动机宜大点额定转速较咼及容量特 大的水轮机选较大的水轮发电机 b额定转速较低的水轮机取小一点汽轮发电机一般随功率 ，从用铜观点，1.91(2 极)3. 直流电机直流电机中小型大型0.6 1.2(1.5)1.25 2.5四、确定主

22、要尺寸的一般方法这里只介绍电机主要尺寸确定的一般方法。某些电机可根据其本身特点而采用不同的步 骤，甚至将主要尺寸的关系式写成其它的形式。1. 确定主要尺寸的步骤由电机额定功率Pn 计算功率P ； 利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷 A,B ; 由P , n （交流机n=no,直流机n=nn）、A, B D2lef般可近似认为：KNm 1.110.7Kdp单层整距0.96双层短距0.92 参考推荐的数据选用适当的； D2|ef及 ，分别求得与lef和D ； 确定交流电机定子外径、直流电机电枢外径从表2-1、2-2按标准选取，对定子内径Di1、4进行必要调整2. 用“类比法”来确定主要尺寸,参照 类

23、比法：根据所设计电机的具体条件（结构、材料、技术经济指标、工艺等）已生产过的同类型相似规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。如异步电机D illef1PN12D i 2lef 2PN2般：Dii Di2lef1PN1lef 2PN 2S1PN1S2 PN2NiN Pn2Rn1 2-5 系列电机及其设计特点1 系列电机一一就是指技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本上相同， 功率及安装尺寸按一定规律递增，零部件通用性很高的一系列电机。2系列电机的优点 由此减少材料与工设计时，消耗、降低成本：由于它们的生产工艺过程与另部件型式相 同，可以充分利用冲模、模具、量具、卡具等工艺装配； 缩短生产周期：由于充分利用了原有的工模具等工艺装配图纸等条件； 可以减少设计、制造、使用、维修方面的许多工作； 可以腾出手来提高产品的质量。3系列电机的分类 基本系列：使用面广，生产量大的一般用途的系列如JO2 T2、Z2系列； 派生系列：适按使用的不同要求进行部分改动而由基本系列派生出来的系列，它与基本系列有较多的通用性如JDO2三相多速异步电动机，JH02 相高转差率异步电动机； 专用系列：适用某种特殊条件但使用面很窄的系列如 JG2 辊道电动机。4