电机优化设计_第二讲_电机主要结构尺寸的确定

1、电机优化设计 第二讲电机主要结构尺寸的确定讲课人：封海潮2015年3月提 要电机的设计任务书电机的主要尺寸参数（长、径、气隙）；电磁负荷的选择与主要尺寸的确定；电机的几何相似定律；系列化电机的设计。1 电机的设计任务书产品规格额定功率相数及连接方式额定电压额定转速（频率、极数）技术要求效率、功率因数可靠性温升稳定性运行条件工作制使用环境2 电机的主要尺寸参数电机的“身材”2 电机的主要尺寸参数电机尺寸三要素电枢直径D铁芯长度L气隙让姚明去举重？让王国政来打篮球？直流电机D转子外径交流电机D定子内径长径比转矩电机的“身材”人身高三围力量速度肌肉电机轴向长度L电枢直径D功率P速度n电磁负荷A、B短

2、粗的电机低速力矩电机长细的电机高速伺服电机王国政举重姚 明打篮球主要尺寸公式计算功率P电磁功率以交流电机为例：电枢绕组相电势：KNm气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时为1.11；Kdp绕组系数，单层绕组0.96，双层绕组0.92；N每相串联导体数；f频率每极磁通p计算极弧系数极距主要尺寸公式线负荷A：电枢圆周单位长度上的电流导体数（安匝数）则：代入 并化简：电机常数CA单位计算转矩所耗用有效材料的体积，反映材料的消耗量！一定功率和速度范围的电机，B、A变化不大，且p、 KNm、 Kdp变化范围也不大，故CA近似为常数。主要尺寸公式对于直流电机：则：Na气电枢绕组总导体数；a电枢绕组的并联支

3、路对数。其：利用系数KA 单位体积有效材料及单位额定速度所能产生的计算功率（视在功率），反映材料的利用率，与材料性质和工艺水平有关。计算功率P的选取 计算功率为电机的电磁功率（视在内功率），可由给定的额定功率PN来决定。对于异步电动机：对于同步电动机：对于同步发动机：KE满载电势标幺值。电机的主要尺寸由其计算功率P或计算转矩T 决定。在其它条件相同时， T 相近的电机耗用的材料相近。电磁负荷A和B不变时，相同功率，转速高尺寸小；或尺寸相同电机，转速高功率大；通过提高转速可减小电机的体积（Y160L-6-11kW 与Y160M-4-11kW）。转速和直径一定，不同铁心长得到不同功率的电机。 S短

4、基座号、M中基座号、 L长基座号。电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A、B有关；电磁负荷选得越高，则电机在一定功率下的尺寸就越小；或电机在一定尺寸下的功率就越大。重要结论Y系列三相异步电动机技术数据3.1 电磁负荷的选择利用系数KA 人们总希望选取较高的A和B，可以提高有效材料的利用率，但过高的A和B也带来负面影响，对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有影响。电磁负荷对电机性能和经济性的影响线负荷A较高，气隙磁密B不变电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；由于B一定，以及铁心重量减轻，铁耗也随之减小；绕组的用铜量增加；增大电枢单位表面上的铜耗，使绕组温升增高；影响电机参数与特性：匝

5、数增多，绕组的电抗变大，感应电机的最大转矩、起动转矩、起动电流均降低；同步电机，电压变化率增大等；对直流电机，电势增加，使换向恶化。异步电动机转矩特性方程电磁负荷对电机性能和经济性的影响气隙磁密B较高，线负荷A不变电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；铁耗与磁密B的平方成正比，铁耗增加速度比铁芯减少的速度快，效率降低，可能导致温升提高；气隙磁压降和磁路的饱和程度增加：励磁电流标幺值：漏抗标幺值：对直流电机：需要增加励磁，励磁损耗增加，效率下降；对异步电机：激磁电流分量增加，功率因数下降；同时，漏抗的减少，电机的堵转转矩及过载能力将提高，但堵转电流增加。线负荷A和气隙磁密B的选择A与 B值不易过

6、高，而且比值要适当：其除了影响电机的参数和特性，还与电机铜耗、铁耗的分配相关，也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置；应综合考虑电机的冷却条件、材料、绝缘等级、功率、转速、电机的结构形式等。电机所选用的绝缘材料的等级越高，电机允许的温升也就越高，电磁负荷可选高些；电机所选用的导磁材料（硅钢片）及导电材料性能好，则电磁负荷可选高些；电机的通风冷却条件好，则电磁负荷可选高些。3.2 主要尺寸的确定主要尺寸比主要尺寸比：电磁负荷A和B选定后，即可求解得到D2lef；引入尺寸比系数： 大电机细长， 小电机粗短。D2lef不变，较大时电机较细长：绕组端部变短，端部用铜量减少，绕组的铜的利用率提高；端

7、盖、轴承等结构部件尺寸变小，重量减轻；单位功率材料消耗较少，成本较低。总损耗下降，效率提高：体积未变，基本铁耗不变；铜耗下降；机械损耗因直径的变小而减小。绕组端部较短，因此端部漏抗减小。对散热的影响：加长了轴向风路和风阻，散热条件变差。对加工和工艺的影响：冲片数目增多，冲片加工与叠压工时增加；结构细长嵌线难度增大，嵌线工时增多。转动惯量小：对于要求频繁起动运行的电机是有利的。主要尺寸比异步电机 中小型电机，=0.41.5，对大型感应电机则为=13.5主要尺寸比的选择范围同步电机 凸极同步电机：中小型=0.62.5，其上限为多极电机。高速或大型同步电机：转子材料机械强度限制，=34。直流电机 中

8、小型=0.61.2，大型=1.252.5。 大，电枢细长，不利于换向，直流电机一般值较小。Y系列三相异步电动机技术数据计算法 主要尺寸的确定方法根据额定功率PN等，计算计算功率P；由P、n、A、B等，计算D2lef；选取合适的主要尺寸比，计算得到lef和D；根据内外径比经验值，估算电机外径D1，并调整D和lef。对于交流电动机：类比法 主要尺寸的确定方法根据所设计电机的具体条件，结合已有同类型相似电机的设计和试验数据，初步选择主要尺寸及其他数据。例如：要设计的电机与同类型电机具备相同的极对数，而功率不相同，则由可近似认为：4 电机的几何相似定律 所谓几何相似，是指电机对应的尺寸具有相同的比值。

9、 一般而言，相同转速不同容量电机间，有相似的几何形状，对应尺寸有近似相同的比值。几何相似定律Y系列三相异步电动机技术数据 电流密度、磁感应强度、转速和频率保持不变时，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G、成本Cef及损耗p与功率P的1/4成反比。几何相似定律计算功率：f不变时：又因：I=JS0，J为电流密度，S0为导体截面积B、J不变：因此重量G、成本Cef、损耗p：证明过程 几何相似定律重要结论 有效材料的重量、成本、损耗的增加要比容量增加的慢；随着功率增大，电机的有效材料利用率提高，成本降低；随着功率增大，电机的损耗相对减小，效率提高；随着功率增大，电机的功率密

10、度提高。带来的温升问题：随着功率的增加，温升问题凸显，有时需要放弃几何相似。问题：为什么要尽可能用大功率电机来代替总功率相等的多台小功率电机？5 系列化电机的设计系列电机电机产品通常按系列生产，以便利用已有的工艺装备，降低成本和缩短研发生产周期。系列电机就是在应用范围、结构型式、性能水平，以及生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例系数递增，并成批生产的一系列电机。基本系列：Y系列三相异步电动机；Z2、ZF、ZD系列直流电机；T2、TD系列同步电机等。派生系列：ZJD系列大型轧钢及卷扬用直流电动机、Y2系列三相异步电动机等。专用系列：特殊应用，如FXD系列纺织系列电动机等。系列电机的设计特点功率

11、按一定规律递增： 相邻两功率等级之比或称为功率（容量）递增系数，按照“GB321-64优先数和优先数系”选取；可在小功率范围内采用小的递增系数，在大功率范围内采用大的递增系数，所谓复合优先数系。 安装尺寸和功率等级相适应： 系列化电机的安装尺寸一般按轴中心高分级，原则上也应按优先数系递增；系列化设计时，需要确定功率等级与轴中心高的对应关系；轴中心高等级太少，则可减少电机制造时的工艺设备，方便用户安装，但电磁设计将不够合理，材料得不到充分利用。通常一个轴中心高对应23个功率等级。 系列电机的设计特点电枢冲片外径的确定要综合考虑三个因素： 与轴中心高一致；硅钢片利用的经济性；整个系列外形的匀称性 。重视零部件的标准化、系列化和通用化，降低生产成本和方便使用维修 ： 有时为了提高冲模、铸造模、夹具、量具等的通用性，宁愿适当降低电机的性能。 考虑派生的可能性： 作少量改动即派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊环境与特殊使 用条件方面的要求 系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中一种或几种：如Y系列为380V系列电机有一定的转速范围或等级：Y系列、Y2系列小结电机的设计任务书的主要内容电机的主