24KW-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计南昌大学电机电器本科毕业论文原稿

密级：NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR〔2006—2021年〕题目24KW-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计学院：信息工程学院系电气与自动化工程系专业班级：电机电器061班学生姓名：王风学号：6101106023指导教师：黄劭刚职称：教授起讫日期：2010年3月26日—2010年6月8日南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要奉献的个人和集体，均已在文中以明确方式说明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承当。作者签名：日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或局部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。〔请在以上相应方框内打“√〞〕作者签名：日期：导师签名：日期：24KW-6极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计专业：电机电器学号：6101106023学生姓名：王风指导教师：黄劭刚摘要这篇文章简单先介绍了同步电机的结构，类型，用途，根本技术要求，然后介绍同步电机的工作原理，其中包括同步电机的变频调速，控制系统和同步电机的运行特性。接着引出本文的正题，即电机设计，关于电机设计这一块，先介绍了下电机设计应当注意的内容，包括气隙对电机性能的影响，槽满率对电机性能的影响。其次就根据自己的课题进行电机设计。在电机设计的时候，分三个方案，其一先算出一个方案出来，然后从节省材料的角度进行优化设计第二个方案。其三从提高效率的角度进行优化设计出第三个方案。最后根据自己的设计过程，写出自己的心得体会。同时利用CAD画出电机的定子，转子，以及绕组的分布图。关键词：同步电动机；设计；CADTheelectromagneticdesignofthree-phasesynchronousmotorAbstractThisarticle,atfirst,introducesthestructure,thetype,theutilization,thebasictechniquerequestofthesynchronousmotor,andthenintroducestheprincipleofthesynchronousmotor,includingthespeedcontrollingofthesynchronousmotor,thecontrolsystem,andtherunningcharacterofthesynchronousmotor.Thenitleadstothepointwhichismotordesign.Duringthispart,itfirstintroducessomethingweshouldnotice,then,itsaysthedepartmentimpactandslotfillfactorofelectricalperformance.Accordingtothetitle,Idesignthearticle.whenIdesign,Imakethreesteps,first,Idesignoneprogramme,thenImakethesecondprogrammewhichisadvantageofthesavingmaterial,thenImakethethirdprogrammewhichisadvantageofincreasingefficiency.Atlast,IwritedownwhatIhavelearnaccordingtowhatIhavedone.Atthesametime,Inthedesignprocesswehavedrawnthestatorandrotorpunchingdrawing，thearrangementofthestatorwindingandtheharmonicwindingbyusingAutoCADKeywords:synchronousmotor；design；CAD.目录摘要 IAbstract II绪论 1第一章同步电机概论 21.1同步电机的根本特点 21.2主要类型和用途 21.3主要结构部件 31.4根本技术要求 31.5同步电动机的励磁方式 41.6同步电动机的工作原理 4第二章同步电动机变频调速及其控制系统 62.1同步电动机的变频调速 62.2同步电动机的控制系统 72.2.1同步电机的矢量控制原理 72.2.2同步电机的矢量控制系统 10第三章电机设计根本理论 123.1电机设计过程和内容 123.2主要尺寸确实定 123.3电磁设计 133.3.1同步发电机的主要性能指标和额定数据 133.3.2气隙对电机性能的影响 133.3.3槽满率对电机性能的影响 133.4结构设计 14第四章电磁设计方案及计算 154.1电磁设计思路 154.2电磁设计计算步骤 15第五章毕业设计结果及分析 325.1材料用量结果及分析 325.2电机损耗和效率结果及分析 325.3电磁负荷结果及分析 335.4电机参数结果及分析 33第六章AUTOCAD绘图 356.1AUTOCAD使用方法 356.2定子冲片图 356.3转子冲片图 366.4绕组排布图 37第七章总结 38参考文献〔References〕 39致谢 40绪论同步电机主要作为发电机使用，同时也可以作为电动机使用，特别是在不要求调速的大功率生产机械中，同步电动机使用的很多。小功率电动机的应用十分广泛，如家用电器，工厂的小型机床，汽车电器，办公设备，医疗器械，计算机外设以及电开工具，儿童玩具等等。目前，我国是同步电机的生产大国，尤其是小型的同步电机市场，中国占据着很大市场，同时我们要看到，电机市场的竞争相当的剧烈，所以，我们必须提高生产的自动化水平，提高劳动生产率，保证产品的质量，降低生产本钱以及提高新产品的研究开发。第一章同步电机概论同步电机可分为同步电动机和同步发电机。同步电机可分为同步发电机和同步电动机。同步电机和异步电机在结构的主要区别是，同步电机在转子上有励磁绕组，这使得同步电机在运行时能到达同步速，故称为同步电机。同步电动机运行时的速度为同步速，与频率有着稳定的对应关系。同步电机在定子铁芯上的槽内放置导线，转子上装有磁极及励磁绕组。当直流电流通过励磁绕组时，电机内就会产生磁场，如果转动转子使磁场与定子导线之间有相对运动，就会在定子导线中感应出交流电势。电势的频率为：，当电机的极对数和转速一定时、感应电势的频率也是一定的。1.1同步电机的根本特点同步电动机与感应电机一样，也是运用电磁感应的原理的一种交流旋转电机。同步电机的转子转速和钉子电流的频率f之间，维持着不变的关系，就是：n=60f/P同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。1.2主要类型和用途同步电机一般是做发电机使用，但也可用作电动机来拖动生产机械，尤其是在不要求调节转速的时候，而且是大功率的电机时，同步电动机使用就很广泛，同时可以通过改变励磁电流的大小来改变电网的功率因素。同步电机一般在定子上放置电枢绕组，在转子上装了磁极，磁极上套励磁绕组。当作为发电机运行时，励磁绕组中通入直流电流，电机内产生磁场，由原动机拖动电机的转子旋转，磁场与定子导体之间有了相对运动，在定子绕组中就会感应交流电动势。交流电动势的频率f决定于极数p和转子的转速n，即f=pn/60，可以看出，当电机的频率一定时，发出的交流电动势的频率也是固定的。同步电机一般是做发电机使用，但也可用作电动机来拖动生产机械，如果作为同步电机运行时，尤其是在不要求调节转速的时候，而且是大功率的电机时，同步电动机使用就很广泛，同时可以通过改变励磁电流的大小来改变电网的功率因素。作为同步补偿机，这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以到达改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。1.3主要结构部件同步电机只要是由定子，转子，端盖和轴承等部件构成，其中最主要的还是定子、转子两个根本局部〔1〕定子定子局部由定子铁心、定子电枢绕组组成。为了减少定子铁芯的铁耗，定子铁芯是由硅钢片叠成的，叠层之间还留出通风槽。当定子铁芯的外径大于1m的时候，用膳性的硅钢片拼成一个整圆，叠装时将每片的接缝错开，在扇形片上涂上绝缘漆，以减少铁芯的涡流损耗。定子槽形根据容量和电压大小的不同而不一样。大容量高电压多用开口槽；小容量低电压多用半闭口槽。定子绕组是由许多线圈联接而成，每个线圈又是由多股铜线绕制而成的。〔2〕转子转子的组成局部有转子铁芯与轴、转子绕组、阻尼绕组、护环和中心环组成。转子铁心与轴是用导磁性能好、机械强度高的合金刚锻造而成。绕线转子要利用滑环和电刷，1.4根本技术要求㈠、同步发电机铭牌额定数据同步电机的额定值有:额定容量；额定功率；额定电压；额定频率；额定电流；额定功率因数；额定效率；额定转速；额定励磁电流和额定励磁电压。㈡、主要技术指标同步发电机主要技术指标有:效率η：电动机输出机械功率与输入电功率之比,通常用百分数表示；功率因数COSφ：电动机输入有效功率与视在功率之比；堵转电流Ik：电动机在额定电压、额定频率和转子堵住时从供电回路输入的稳态电流有效值；堵转转矩Tk：动机在额定电压、额定频率和转子堵住时所产生的最小测得值；最大转矩：电动机在额定电压、额定频率和运行温度下,转速不发生突降时所产生的最大转矩。1.5同步电动机的励磁方式同步电动机有他的励磁电源，这个励磁电源装置叫做同步电动机的励磁系统同步电动机有不同的励磁方式，电机不同，可能用到的励磁系统也是不同的，但是，对于励磁系统必须是要有一定的标准，以下是一些根本要求：1〕当电动机从空载运行到满载或者是过载的过程中，同步电动机的励磁系统必须动能提供可靠的稳定的励磁电流，而且尽量使能够简单，有实用性。2〕有的一些一步启动的电动机，他要求能重载启动，或者是自启动。启动的过程中能自动实现下面的一些功能，当转速小于0.95倍的同步转速的时候，励磁绕组能够附加短路电阻，当转速等于0.95倍的同步转速的时候，将附加电阻能够立即的去除掉。3〕我们通常尽量改善电网的功率因数，于是大中型的同步电动机应该是按照功率因数不变或者是输出功率不变来进行励磁电流的调节的。4〕还有很重要的的，当电网的电压不稳的时候，励磁系统应该能实行强制的励磁5〕当电动机停止运行或者是非正常的停运时，励磁系统应该能快速的灭磁。目前主要的励磁系统有两类，直流发电机励磁系统和静止的整流器励磁系统。直流发电机励磁系统改变直流励磁机的励磁电流就能控制同步电动机的励磁电压，进而就能控制励磁电流了。励磁调节其的用途是对励磁电流能进行调节，然后是它能运行在给定的数值之上。改变励磁的给定值的大小，就能改变励磁电流的大小，但因为直流励磁机的维护很不方便。费用较高，因此用的比拟少。目前用的比拟广泛的是静止整流器励磁系统，它的主电路一般而言，是采用三相桥控式整流电路。然后给同步电动机的励磁绕组提供电源。当电动机正常运行的的时候，就采用恒定电流励磁的控制方式。这样励磁电流就可以不受到电网电压波动的影响。恒定电流励磁可以调节的范围很广，这样就能够对电动机的功率因素进行很好的控制。静止整流器励磁系统具有良好的可靠性能。响应的速度也很快。因此，使用十分广。1.6同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理与异步电机不大一样，他的工作原理主要是根据气隙磁场和转子磁场中的磁拉力而形成的，当三相电源接通到定子三相绕组后，定子三相绕组就会产生三相电流，从而在定子上形成旋转磁势的旋转磁场。转子笼型启动绕组被旋转磁场切割，产生了启动转矩和启动电流，电机转速慢慢升高的过程中，当转速上升到0.95倍的同步转速的时候，投入励磁，产生主磁场，在气隙磁场和主磁场之间产生的同步转速距的作用下，电动机被带入同步。牵入同步后，电动机就开始正常的运行了。实际上，只有当赚的转速时等于同步速的时候，同步电动机才能输出平稳的同步转矩。我们可以把这样的S极和N极之间的磁拉力看成是转子主磁场和气隙磁场之间存在着一种弹簧关系的联系。当电动机空载运行的时候，弹簧也就像是处于没有别拉伸的状态，这个时候，主磁场和气隙磁场的轴线就是重合的，电磁转矩的大小就是零，当电动机带上负载以后，弹簧就好似是被拉伸了，这时主磁场和气息磁场就被拉开了一个角度，从而产生了一定的同步电磁转矩。如果负载越大，气息磁场和主磁场之间的轴线角度就被拉开的越大，同步电动机的电磁转矩也就越来越大，就像弹簧一样，被拉得越长，弹性越大。主磁场和气息磁场之间的轴线夹角称之为功率角。当然，弹簧被拉升的长度是有限的，同步电动机的电磁转矩也必须有一定的限度，如果超出了这个限度，同步机就会失去同步而不能正常的工作了。同步电动机的转子主磁场和气隙磁场之间的磁拉力，会产生一个电磁转矩，这个电磁转矩就称之为同步转矩。当同步电动机稳定运行的时候，他的转速与所加的负载大小就无关了。电动机就始终保持在同步转速之下，当负载越大的时候，电磁转矩也就越大，功率角也就越大，同步点电动机得到的输入功率也就越大。当电动机的负载不变时，级在恒定的负载转矩运行下，从电网输入的电流中，有功分量根本上是保持不变的，而无功分量的大小就会随着电动机的功率因数的和励磁电流的改变而改变。当功率因素为1的时候，无功电流分量就等于0，电枢电流就到达最小值，这个时候的励磁就称之为正常励磁。当功率因数小于1的时候，无功电流的分量就会大于0，电枢电流就会大于正常励磁时候的电流，如果这个时候励磁电流大于正常工作时候的电流，就称之为过励情况。如果这时的励磁电流小于正常时候工作电流就称之为欠励。由此看来，调节同步电动机的励磁电流就可以改变同步电动机的功率因素角，可以看到，过励的时候，功率因数是超前的，而欠励的时候，功率因数是滞后的。第二章同步电动机变频调速及其控制系统2.1同步电动机的变频调速1〕整流电路的根本形式整流的作用是将交流输入转换成直流输出，由于电网的额定频率一般为50HZ，它对电力电子器件的工作频率要求不高，且不需要关断，为此，几乎所有的逆变器都是使用二极管或晶闸管作为整流器件。从电路的结构上，变频器与交流伺服驱动器中的整流电路可以分为单相桥式整流与三相桥式整流；两种。单相供电的逆变器的功率较小，为了简化结构，提高靠性，大多数的场合都很使用二极管整流。从控制形式上，整流可以分为不可控整流〔二极管整流〕与可控整流〔晶闸管整流〕两种。可控整流的最大优点是输出可以调节，并可以使用回馈制动节能。但控制的电路比不可控整流复杂，生产本钱高，一般用于大功率的变频器，或是向多组逆变电路同时供电的公用的额整流电路〔称为电源模块〕。2〕电路的根本形式逆变电路是将直流转换频率可调的交流的电路，根据控制方式的不同，逆变控制主要有电流控制型，电压控制型，与PWM控制型，电流控制型与电压控制型的逆变的共同特点是：负载电流或电压的调节在整流电路或直流电路母线上的中间电路上实现，频率的控制只是在逆变环节上进行，但是，PWM逆变却可以在逆变电路中同时进行电压的调节和频率的控制。电流控制和电压控制型逆变一般用于交通运输，冶金，矿山等大型逆变器。而中小型的电气设备控制用的变频器与交流伺服驱动器通常都采用PWM控制型。为了适应大型逆变器的高压，大电流的控制要求，电流控制型和电压控制型的逆变器常常使用晶闸管，PWM控性的逆变由于工作频率高，就必须使用IGBT等可控关断的电力电子器件。3〕PWM逆变的原理晶体管脉宽调制〔简称PWM〕是一种通过电力电子器件通与断将直流转换成一定形状的脉冲序列的技术，在交流调速系统中，这一脉冲序列可等效代替正弦波。PWM控制的关键是如何将直流电压转换成电机控制所需的正弦波。下面简要介绍一下PWM的根本原理。根据采样控制理论，当面积相等，形状不同的窄脉冲加到一个惯性环节上，其产生的效果根本相同，根据这一原理，如果将矩形波进行N等分，就可以用N个面积相等窄脉冲进行等效了。这样，如果脉冲的幅值保持不变，那么可通过改变脉冲的宽度来调节矩形波的幅值，这就是说，方波PWM调制或PWM直流调〔直流斩波〕的根本原理。同样，如果将正弦波N等分，并将每一个区域看成一个宽度相等的，幅值不同的窄波冲，这样的窄脉冲便可以用一列幅值相等宽度不等，同时面积与等分的矩形脉冲串来代替，这就是正弦波PWM调制的根本原理。2.2同步电动机的控制系统2.2.1同步电机的坐标转换同步电机的转矩与磁场是定子旋转磁场，转子磁场，定子电流，转子电流等多个变量共同作用的结果，直接分析就很麻烦，因此，先进性坐标变换。由于同步电动机的转子方面是不对称的，于是就可以将坐标轴放在不对称的转子上，因此选用坐标系统d，q，0。坐标系统的转换就是变量的转换，即将一组变量用另一组变量来代替。假定原来的一组变量为，，，…，，令=〔1〕或者Y=CX时，可获得另一组新变量，，，。上式中的转换矩阵C的元素称为变换系数，可以取为常数〔实数或复数〕，也可以取为时间t的函数。在线性变换中，与变量x，y无关。从线性代数的根本知识可知，为了实现上面的变换，并且使新的变量和旧的变量之间具有一一对应的关系，显然，在式子〔1〕中转换矩阵C的行列式应该满足=(2)满足〔2〕式的要求的变换系数有很多，以三相同步电机为例，如果以其在a,b,c系统的变量为原始变量，那么经过〔1〕的转换关系而得到的新变量和相应的新坐标系统也是很多的。但是本课题选，，0坐标系统。在，，0坐标系统中，其转换矩阵C==〔3〕以电流为例，将〔3〕式代入〔1〕式中，那么得〔4〕其反变换为〔5〕，分量与d，q分量之间的关系式为〔6〕在，，0坐标系中，同步电机的磁链，电压，输出功率及电磁转矩的公式如下：〔7〕〔8〕〔9〕〔10〕注意磁链方程〔7〕和电压方程〔8〕都是用海氏运算法写出的，因此，式中各项的各因子之排列顺序不可随意改变，也就是，，以及运算电导等并不作用于其前面的函数，，而只作用于写在他们后面的时间函数。不难看到，磁链，是电流，的复杂函数，但是忽略转子有效电阻时，上述方程可大大简化，应用起来也很方便。在讨论d，q，0坐标系统是，电流及反映了电机的纵轴方向和横轴方向的定子合成气隙磁动势，并且是在与转子一起旋转地坐标系统观察的，而现在讨论的，，0坐标系统中，由式子〔3〕〔4〕不难看出，其中的电流和那么反映了在方向的定子合成气隙磁动势〔其中轴线与a相轴线重合，轴线领先轴线〕，并且这一结果是在相对定子为静止的坐标系统中观察的。此外，在d，q，0坐标系统中，及，和，和等分别代表了定子纵轴方向和横轴方向的家乡回路中的电流，磁链及电压，而在，，0坐标系统中，具有相似变换式的与，与，与等，那么为定子轴方向和轴方向假象回路中的电流磁链及电压，这样一来，我们又得到了同步电动机的一种物理模型，它相当于将三相同步电机转化为等效的两相同步电动机。同步电机的矢量控制原理同步电机的转矩与磁场是定子旋转磁场，转子磁场，定子电流，转子电流等多个变量共同作用的结果，转子的转速与磁场的旋转磁场的转速相同。在同步电机的电流与磁场的矢量图中，包括了如下的变量：1〕三相定子合成电流，它是与转子磁场同步旋转的矢量2〕转子电流，他是与转子轴同步旋转的矢量，同时旋转速度与定子电流相同。3〕转子磁链矢量，它是由转子感应电流产生，与转子电流成一定的夹角。将以上的矢量在同一静止的坐标系XOY上进行表示以后，与永磁同步电动机同样在转子磁链上建立的d-q坐标系，可以得到同步电机的磁场与矢量如下图。图中，ζ为定子的电流〔旋转磁场〕与静止的坐标系的夹角，，θ为转子轴与静止坐标系的夹角，；ρ为转子磁链和静止坐标系的夹角。转子磁链方程同步电机的转矩同样可以看成是转子磁链与定子电流的正交分量的作用的结果，即M=KI1q，因此，为了分析电机的特性，必须先知道转子的磁链。由于同步电机的转子无固定不变的磁链，它只是旋转磁场在转子中所产生的间接效果的，因此，必须先求出转子的磁链方程。同步电机的转子为短路导条，其电压平衡方程可表示为：(1)由图可知，转子感应电流相对于转子磁链矢量的旋转角度为d〔ρ-θ〕/dt，因此，它在转子磁链d-q坐标系上的微分可以表示为代入〔1〕式中，并考虑到后，可以得到转子电压平衡方程式在直轴和交轴的表达式，直轴〔d轴〕分量〔2〕交轴〔q轴〕分量根据磁链计算公式，=Li，转子感应电流在d-q坐标系上的转子磁链计算式为直轴〔d轴〕分量交轴〔q轴〕分量因此〔3〕式子中——转子电感〔自感〕；——定子与转子间的互感将式子〔3〕代入〔2〕，整理后就可以得到如下的转子磁链方程〔4〕式子中：——转子电路的时间常数；——转子角速度——转子励磁电流由此可见，转子的磁链〔或者励磁电流I2m〕只与定子电流的直轴〔d轴〕分量有关。定子电压平衡方程同步电机用来产生转矩的定子电流交轴分量可以通过建立定子电压平衡方程来求出，根据定子磁链的变化率，定子电压的平衡方程式〔5〕在图一中，如果将转子的磁链d-q坐标系作为参考，以矢量形式表示定子磁链为当转子磁链轴以速度旋转时，定子磁链的全微分表达式为：=代人式子〔5〕，并考虑到，后，可得到，〔6〕将〔3〕式代人〔6〕式中，消去转子电流后可得到〔7〕式子中，，,同步电机的输出转矩同样可以用转子磁链与定子电流正交分量〔交轴分量〕的乘积进行表示，从式子〔7〕中可见，在同步电机中，相当于用代替了永磁同步电机的常数K，因此可以得到同步电机的输出转矩为：(8)由〔4〕式与〔8〕式可见，通过矢量变换，市现率定子电流在转子磁链坐标系的解耦，定子电流的直轴〔d轴〕分量决定了转子的磁链，定子电流的交轴〔q轴〕分量决定了电机的输出转矩，这样就大大简化了多变量强耦合交流电机的控制问题。但是，需要注意的是感应电机和同步电机的控制不同，同步电机可以通过控制使得定子电流的直轴〔d轴〕分量为零。2.2.3同步电机的矢量控制系统从〔4〕〔7〕〔8〕式子中可以看到，同步电机矢量控制的前提是需要知道实际电机的全部参数，但是对于通用型的变频器，由于生产制造厂家的不同，变频器的参数就无法得知，这样就很难进行正确的控制，为此，矢量控制变频的一个重要的问题是变频器必须根据用户设定的参数，事先建立同步电机的数学模型，才能实施控制，从某种意义上说这是一种预测控制。同步电动机的矢量控制有两种形式，开环和闭环，采用矢量控制的变频器不仅可以提高速度控制的进度，还可以大大提高变频调速的调速范围，目前，其性能已接近交流伺服电机，因此，高性能的变频器一般都采用矢量控制技术。同步电机闭环矢量控制变频调速系统的组成原理如下图，考虑到变频器的闭环与开环的通用性，原那么上闭环系统只在开环系统的根底上进行修补，因此，与开环系统相比拟，闭环系统在速度反响与频率控制通道采用了自测电机。第三章电机设计根本理论3.1电机设计过程和内容〔1〕准备阶段首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本〔或样机〕和技术资料〔包括试验数据〕，并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的根底上，编制技术任务书或技术建议书。〔2〕电磁设计本阶段的任务是根据技术条件或技术任务书〔技术建议书〕的规定，参照生产实践经验，通过计算和方案比拟，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。〔3〕结构设计结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。通常，首先根据技术条件或技术任务书〔技术建议书〕中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再考虑电磁计算中所选负荷的上下，来选取适宜的通风冷却系统；然后安排产品的总体结构，绘制总装配草图。然后分别绘制部件的分装配图和零件图，并对总装配草图进行必要的修改。3.2主要尺寸确实定一、确定定子绕组先假定一个槽满率，设为80%，根据槽满率计算公式确定导线所占面积.由公式得出根据上式选取值.由公式推出.计算每槽导体数;根据条件设计绕组,确定、、、.根据计算出的数据,进行计算验证.二、确定铁心长度由给定的参数计算槽节距,平均齿宽,电枢卡氏系数，定子斜槽因数，每极磁通等。由经验在电枢齿磁密范围内选取一适宜值，再由公式求出。由公式计算出。3.3电磁设计同步发电机的主要性能指标和额定数据1〕、性能指标效率，功率因数，最大转矩倍数，起动转矩倍数，起动电流倍数，绕组和铁心的温升，起动过程中的最小转矩。2〕、额定数据额定功率PN[kW]额定电压UN[V]额定电流IN[A]额定转速nN[r/min]额定功率因素cosφN额定励磁电压Uf[V]额定励磁电流if[A]额定温升[℃气隙对电机性能的影响通常气隙选取得尽可能小，以降低空载电流，因为电机的功率因数主要决定于空载电流。但是气隙不能过小，否那么除影响机器可靠性外，还会使谐波磁场及谐波电抗增大，导致启动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，进而造成较高温升和较大噪声。气隙的数值根本上决定于定子内经、轴的直径和轴承间的转子长度。因为机座、端盖、铁心等在加工和装配时都有一定偏差；而轴直径和轴承间距离决定了轴的高度；定转子装配在一起后，定子铁心内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙的不均匀度，其值对电机运行性能有很大影响。气隙大小要综合上述两个方面，并根据生产经验和所设计电机的特点加以确定。槽满率对电机性能的影响槽满率是导线有规那么排列所占的面积与槽的有效面积之比。即其中：——导线所占面积——电机槽的有效面积——槽满率当槽满率变小时，电枢绕组电密会变大，相应的电枢发热参数升高，因而不利槽内导线的散热。同时，槽满率变小会导致电枢绕组每相电阻变大，使得电组铜耗上升，降低了电机的效率。较高的槽满率值不仅可以缩小槽面积，铁心尺也可应缩小，提高材料的利用率；而且有利于槽内导线的散热。但是高槽满率会给嵌线带来困难并增加嵌线工时。槽满率太高了在嵌线时极易引起绝缘损伤，将造成电机报废等比拟严重的后果。3.4结构设计结构设计和机械计算是电机设计的一个组成局部，它主要是电磁设计完成后进行的。其目的是解决机械局部的设计问题对它的要求是从结构上来保证电机性能、制造时的经济合理和运行可靠等。此次设计没有进行结构设计，所以在此对它只作简单的介绍。影响电机总体结构的因素很多，例如电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护型式、轴承型式和数目、安装方式等等。

结构设计的根本内容和原那么

大致内容：1〕确定电机的总体结构型式，包括防护型式、轴承型式和数目、轴伸型式、安装方式、通风系统等。2〕确定零部件的结构型式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位误差、外表粗糙度和技术要求等。3〕确定某些零部件〔例如转子铁心与轴，机座与端盖〕之间的机械连接方法、配合种类等等。4〕核算零部件的机械性能。考虑以下原那么：1〕应保证电机在规定期限内能平安可靠的运行。2〕所用的结构型式一般应符合有关国家标准的规定，并满足使用部门及环境保护方面所提出的要求。3〕要尽量使零部件符合“标准化、系列化、通用化〞的要求，尽可能采用标准件和标准规格的材料，注意零部件的通用。4〕应具有良好的结构工艺性。5〕应考虑电机的装拆和维修方便，并注意运输条件与使用单位的技术条件。6〕应适当注意电机的外形美观。第四章电磁设计方案及计算4.1电磁设计思路首先要确定所要设计的发电机的主要规格，例如功率、功率因数、频率等，然后根据给出的定转子图纸计算出定子外径、内径、气隙大小等，关键是铁心长度确定和电枢绕组的选择，这直接关系到设计的成败。铁心长度确定和电枢绕组的选择用以下方法：由电枢齿磁密计算公式气隙磁密计算公式可以得出，其中在15800-16600中取值，槽节距,平均齿宽,每极磁通等由给定的参数算出。根据槽满率计算公式和线负荷公式可以得出线负荷和电枢绕组电密之间关系，其中先假定一个槽满率设为80%，得出一个比值关系，然后在范围150-260和范围800-950选取。再由线负荷公式得出每相串联导体数，再根据条件选择绕组节距,确定、、、及每槽导体数。确定好铁心长度和选择好电枢绕组后，然后按照三相同步发电机计算程序进行计算。得出以下：4.2电磁设计计算步骤 一、主要规格1.功率(千瓦〕2424242.功率因数0.950.950.953.相数3334.频率5050505.容量25.2625.2625.266.额定线电压4004004007.额定相电压230.940230.940230.9408.额定相电流〔安〕41.2241.241.29.额定转速〔转/分〕10001000100010.飞逸转速倍数柴油机发电1.2水轮机发电1.81.21.21.211.绝缘等级定子级磁场级12.极数666二.主要尺寸13.定子外径34343414.电枢气隙处直径24.124.124.115.极距12.612.612.616.气隙0.0850.0850.08517.最大气隙0.110.110.1118.磁极在气隙处直径23.9323.9323.9319.磁轭外径12.812.812.820.磁轭内径88821.周边速度(米/秒〕33.75533.75533.75522.电枢铁心长14.27915.57715.57723.磁极铁心长15.27916.57716.57724.铁心有效长14.27915.57715.57725.铁心纯长13.56514.79814.79826.磁极铁心净长14.51515.74815.748三、磁场波形27.气隙极距比值0.0070.0070.00728.气隙比值1.2941.2941.29429.极抱百分值0.7850.7850.78530.磁极抱角21.621.621.631.等效极弧系数(查曲线1及2)[用公式计算见附录一]0.6470.6470.64732.波形系数(查曲线1及2)1.1271.1271.12733.磁极偏心距H5.2345.2345.23434.偏心半径11.4511.4511.45四、电枢铁心及电枢绕组35.电枢槽数36363636.电枢拼片条件〔1〕每圈扇形片数666〔2〕重叠数222〔3〕每片槽数101010〔4〕扇形片高6.66.66.6〔5〕扇形片宽171717〔6〕无轴流拼片条件44437.每极每相槽数22238.电枢绕组节距005/63/600000011121111121139.每槽导体数22242240.每根导线并绕根数33341.绕组并联支路数23442.每相串联导体数26428826443.绕组系数Kdp0.83650.83650.836544.线负荷A1470.106431.197431.19745.电枢线规裸径0.140.1450.145绝缘径0.1480.1530.153截面积0.015390.016510.0165146．电枢绕组电密〔安/厘米2〕892.354831.819831.8247.电枢发热参数397726.210198863.105169094.25148.每槽导线所占面积Ad(单层槽)〔双层槽〕=谐波绕组匝数=谐波绕组线绝缘1.5771.531.54549．每槽有效面积Aws1.9121.9121.85650.槽满率0.8250.8080.81851．定子槽型，槽节距及齿宽34.00034.00034.0002.1022.1022.1020.320.320.321.7821.7821.78224.5424.5424.542.142.142.141.151.151.150.990.990.9927.227.227.22.3762.3762.3761.221.221.221.1561.1561.14752.平均齿宽=1/3×[bz2,bz3中之大者+2〔bz2,bz3之最小者〕]1.0461.0461.04353．电枢卡氏系数=1.0861.0861.05954．电枢绕组尺寸(1)11.29111.29111.2696.7756.7756.761(2)7.1427.1427.1284.2854.2854.2771(3)2.7572.7572.7521.6541.6541.651(4)12.96212.96212.9377.787.787.762(5)b取1.5cm17.27918.57718.57755.每相电枢绕组长7962.787641.9057636.61856.电枢绕组每相电阻〔欧〕⑴在75℃0.3740.3350.335⑵在20℃0.3080.2760.27657．电枢绕组铜重9.81610.10610.09958．电枢绕组铜毛重10.30710.61110.604五、磁路计算59．电枢硅钢片环形重197.37952.143952.143960．定子斜槽因数〕11161.每极磁通85058392790992790962.气隙磁密73007300730063.气隙安匝539.178539.178539.1864.电枢齿磁密15448.215448.215491.27565.硅钢片牌号66.电枢齿磁场强度252526.767.电枢齿计算高度1.71.71.6568.电枢轭高度2.772.772.8269.电枢轭磁密10544105441037070.电枢轭磁路长8.8978.8978.89771.电枢轭磁鬃分布系数0.3460.5450.54872.电枢轭磁场强度4.334.334.2273.电枢齿安匝数42.5842.5844.14474.电枢轭安匝数20.99520.99520.57475.电枢齿轭及气隙安匝和=602.756602.756603.89676.磁极材料77.磁极尺寸计算(1)1.1751.1751.175(2)0.30.30.3(3)4.594.594.59(4)0.8830.8830.883(5)8.8498.8498.849(6)0.3280.3280.328(7)4.9214.9214.921(8)0.3890.3890.389(9)3.1263.1263.126(10)0.2310.2310.231(11)5.035.035.0378.极掌漏磁常数28.230.0730.0779.极身漏磁常数51.23654.53854.53880.磁极漏磁常数87.37993.06993.06981．每极漏磁通=52668.373356097.95620482．每极磁通90325298400798411383．漏磁系数1.061.061.0684.磁极长度15.27916.57716.57785．磁极宽度44486．磁极压板厚0.40.40.487．磁极压板宽3.23.213.288．磁极极身截面60.6265.55265.55289.磁极极身磁密1490015010.9815012.60290．磁极极身磁场强度19.522.722.791．磁极极身安匝95.968111.716111.71692．磁轭材料93．磁轭高度2.22.22.294．样轭磁路长2.6692.6692.66995．磁轭长度15.27916.57716.57796．磁轭截面33.61436.46936.46997．磁轭磁密13435.82913490.88613492.34198．磁轭磁极长度17.618.118.199．磁轭安匝数46.9748.30948.309100．残隙长度0.00850.00860.0086101.残隙处截面61.11666.30866.308102.残隙磁密1477914839.97514841.575103.残隙安匝数100.6101.536101.55104.每极空载的磁安匝数846.308864.317865.468六、稳态电压105.电枢槽单位漏比磁导2.0432.0432.043106.槽面积2.1842.1842.125107.b'21.2661.2661.266108.h'20.9040.9040.879109.互感漏磁导0.610.610.605110.电枢槽漏比磁导q=2.5或50.1790.1790.18111.电枢绕组等效节距yq=2.5或50.6670.6670.667112.电枢绕组端接漏磁比磁导0.5060.4640.464113.曲折比漏磁导1.351.351.35114.相带漏磁比磁导q=整数0.13340.13340.1334115.每相电阻标幺值0.0670.060.06116.每相漏磁电抗0.8450.760.76117.每相漏磁电抗标幺值0.1510.1360.136118.空载额定电压时的气隙与残隙磁势和639.788640.714640.725119.每相电枢反响磁势22332047.152047.15120.直轴电枢反响常数0.830.830.83121.横轴电枢反响常数0.570.570.57122.直轴电枢反响磁势1853.61699.131699.134123.横轴电枢反响磁势1272.951166.871166.87124.直轴电枢反响电抗标么值2.8972.6522.652125.横轴电枢反响电抗标么值1.991.8211.821126.直轴同步电抗标么值3.0482.7872.787127.横轴同步电抗标么值2.141.9571.957七、短路比128.电枢电抗压降磁势9686.8586.88129.短路磁势19501785.991786.0136130.饱和短路比0.4340.4840.485131.不饱和短路比0.3280.3590.359132.额定电压时感应电势标么值1.111.11.10.1220.110.111.1171.1051.105133.对应于的空载磁势(1)950311.751024943.81024924.2(2)8155.98063.398063.233602.395595.562595.55(3)17259.45817063.67417110.92676.476.476.4130.13130.1350.533(4)11780.79711647.1611454.325.6865.6850.53353.3850.533(5)783.063779.076772.398(6)68423.472507.86871886.322(7)1018735.21097451.71096810.5(8)16805.316741.57916731.79859.562.359.5292.825306.605292.825(9)15153.64215046.23215037.44228.929.928.977.13479.80377.134(10)1666916550.85516541.186113.473113.242113.1761393.141406.61381.086134.满载励磁磁势-2021.23-1824.87-1840.262070.5282034.012007.222885.8432744.72723.142八、励磁电组135.励磁绕组线规0.13/0.1380.13/0.1380.13/0.1380.175/0.2810.147/0.2660.147/0.2660.013270.013270.01327136.励磁绕组电密初值550.000540550137.满载励磁电流初值7.37.1667.299138.励磁绕组每极匝数396384374139.满载励磁电流7.37.1487.281140.励磁绕组电密549.17538.633548.691141．空载0.8UN时的励磁电流1.711.8011.851142．短路额定电压时的励磁电流2.1372.2512.314143．短路额定电流时的励磁电流4.9244.6514.775144．励磁绕组排列先按比例作图，确定层数及各层匝数〔1〕绕组高度沿高度方向导体数1.063.4193.8563.534(2)绕组厚度沿宽度方向导体数1.052.6642.4482.601(3)几何中心距1.3321.2241.3145．励磁绕组平均匝长48.72150.63951.11915.87917.17717.1774.64.64.60.350.350.35146．励磁绕组电阻(1)75℃18.9319.07918.785(2)20℃15.59815.72115.457(3)120℃21.67521.84521.478147．励磁绕组铜净重13.67213.77913.548148．励磁绕组铜毛重14.33514.46814.225149．额定励磁电压166.482164.58164.836九、短路电流，过载能力及暂态电抗150．空载时稳定短路电流倍数0.3280.3280.328151．额定负载时稳定短路电流倍数1.481.481.48152．额定负载时励磁磁势与气隙，残隙磁势和的比值4.5114.8994.25153.ξ0.4310.4370.382154.考虑磁路饱和时过载能力修正系数K对应于ξ查曲线61.081.081.08155．过载能力标幺值1.6821.7471.733156．励磁绕组漏磁导0.7950.7810.781157．励磁绕组漏抗标幺值0.3120.2830.283158．励磁绕组总电抗标幺值3.22.9342.934159．瞬变直轴电抗标幺值0.4330.3910.391160．瞬变横轴电抗标幺值2.141.9571.957161.冲击短路电流倍数标幺值4.3684.8354.835十、谐波绕组162.满载75℃142.614169.502167.317163.谐波绕组总匝数初值171.137152.552139.431164.谐波绕组每线圈匝数取整141312165.谐波绕组总匝数168156144166.谐波绕组电流3.3432.3952.336167.谐波绕组线规0.1120.0080.1120.1200.100.120168.谐波绕组电密339.633305.059237.142169.谐波绕组节距444170.谐波线圈尺寸〔1〕9.1619.1549.1610.2400.2070.240〔2〕5.7945.7905.794〔3〕2.2372.2362.237〔4〕10.48810.48010.488〔5〕202325171.谐波线圈每匝平均长60.99566.96070.976172.谐波线圈电阻2.2572.8882.252173.谐波线圈铜重0.8980.7300.896174.谐波线圈铜毛重0.943 0.7660.941十一、额定负载时的损耗及效率175.额定负载时的电枢磁密17259.48517063.67417110.926176.电枢齿单位铁耗6.2566.1156.148177.电枢齿铁重6.2536.8216.586178.电枢齿部铁耗78.23283.41980.984179.额定负载时电枢轭部磁密11780.79711647.16111454.32180.电枢轭部单位铁耗2.1952.8492.755181.电枢轭部铁重30.64933.43633.943182.电枢轭部铁耗当<100千伏安取=1.5当千伏安取=1.3133.993142.876140.282183.电枢槽口气隙比值3.7653.7653.765184.磁极外表磁密脉动系数βom,对应于查曲线70.2650.2650.265185.磁极外表气隙磁密脉动幅值2351.312324.6382324.594186.磁极单位外表铁耗用1mm钢片时,取=20.000330.000330.00033187.磁极极掌外表铁耗=0.280.2970.297188.总铁耗212.504226.592221.562189.电枢绕组铜耗1905.8121704.9391703.759190.励磁损耗1009.692979.011998.839191.谐波绕组铜耗25.23616.55912.285192.机械损耗134.933140.548140.548193.附加损耗以千伏安为单位120120120194.总损耗3.3833.1713.185195.效率87.26%88.07%87.99%十二、主要材料重196.铜线总重25.025625.384425.1092197.硅钢片重47.798825.384452.1439198.磁极钢片重19.205920.837520.8375第五章毕业设计结果及分析5.1材料用量结果及分析材料用量单位：千克方案一方案二方案三铁心长度14.27915.57715.577槽满率〔%〕82.47%80.8%83.25%电枢绕组铜重9.8210.109710.1027电枢硅刚片环型重47.798852.143952.1439电枢齿铁重6.25976.82876.5928电枢轭部铁重32.547535.506136.0065励磁绕组铜净重15.205215.274715.0064谐波绕组铜重000铜线总重25.025625.384425.1092硅钢片重47.798825.384452.1439磁极钢片重19.205920.837520.8375分析：随着铁心加长，电枢绕组加长，整个用铜量增多。线负荷变小，相应的铜耗会下降，电机效率上升。而随着铁心加长，相应的电枢轭部铁重增加，所需叠压硅钢片更多，并且磁极越重。如果选用同一励磁绕组线规，励磁绕组铜净重会增加，方案一之所以会大是因为选用的规格更大。如果选用同一规格谐波绕组，谐波绕组铜重会增加，方案二之所以会小是因为选用的规格更小。5.2电机损耗和效率结果及分析电机损耗和效率单位：瓦方案一方案二方案三铁心长度14.27915.57715.577槽满率〔%〕82.47%80.8%83.25%电枢齿部铁耗81.40387.002484.4561电枢轭部铁耗124.0735132.3482130.0702磁极极掌外表铁耗29.152730.988130.9843总铁耗234.6291250.3387245.5106电枢绕组铜耗1905.29181704.56541703.3857励磁损耗915.5793854.3915882.709谐波绕组铜耗000附加损耗142.7053142.7053142.7053机械损耗135.1384140.7617140.7617总损耗〔千瓦〕3.3333.09283.1151效率〔%〕87.26%88.0706%87.9949%分析：从方案一到方案三，由于铁心长是逐渐增加，电枢铁心加长，铁耗在磁密变化不大的情况下均随铁心长度的增加而增加，机械损耗也会增加。而随着用铜量增加，电流密度减小，铜耗和励磁损耗会减小，减小的速度比铁耗等增加的速度快，所以总损耗减小，综合来看,铁心长度增加，电机效率会提高。5.3电磁负荷结果及分析电磁负荷方案一方案二方案三铁心长度14.27915.57715.577电枢齿部磁密15786.01615801.615845.6355电枢轭部磁密9869.11329869.17089716.2394气隙磁密7463.87797471.24627471.2462磁极气隙磁密脉动幅值2398.45132374.0152373.8705线负荷470.1064430.9309430.9309绕组电密892.0355831.5765831.5765槽满率〔%〕82.47%80.8%83.25%分析：随着长度的增加,用铜量增加，导致线负荷减小，从而使绕组电密、磁密等减小,这些参数将直接影响到电机的效率。5.4电机参数结果及分析电机参数方案一方案二方案三铁心长度14.27915.57715.577电枢绕组每相电阻标幺值0.0667560.0597230.05968每相漏磁电抗标幺值0.144590.129750.12968直轴电枢反响电抗标幺值2.84372.60082.6009横轴电枢反响电抗标幺值1.95291.78611.7861直轴同步电抗标幺值2.98