电机设计及其CAD-第1章

SchoolofElectricalEngineering127六月20241课程内容是一门专业课，是电机学的后续课程。介绍电机设计理论、磁路计算方法、参数计算方法、性能计算方法、电磁设计方法、温升计算、结构型式的选择、电磁振动与噪声、计算机辅助设计方法等。重点：电机设计理论、电磁参数计算方法、电磁性能计算方法、电磁设计方法（以电机为例介绍电磁装置的设计方法）课程简介SchoolofElectricalEngineering227六月20242课程特点

电机设计理论与工程技术并重，理论联系实际3课程学习要求掌握电机设计的实施过程掌握电机的基本设计理论掌握电机性能分析的基本方法 掌握三相感应电动机设计计算方法初步掌握电机CAD软件编制方法SchoolofElectricalEngineering327六月20244课程安排32学时:授课各单元作业SchoolofElectricalEngineering427六月2024第一节电机制造工业近况与发展趋势

一、国内发电机制造工业的发展概况1875年，法国巴黎北火车站建成的世界首座发电厂，1879年美国首座发电厂,1883年俄罗斯首座发电厂。我国第一次用电：1879年5月17-18日，上海英租界迎接美国总统格兰特，在外滩发电亮灯。第一章电机设计概述SchoolofElectricalEngineering527六月2024第一座自己创办的电厂：西苑电灯公所，1889.1发电，20马力1882年，英国人立德尔成立上海电气公司，今南京东路190号创办了中国第一座发电厂。7月26日19时，电厂开始供电，夜幕下，弧光灯一齐发光。SchoolofElectricalEngineering627六月2024中国第一座水电站：1905年，台湾龟山水电站（500kW）中国自建的第一座水电站：石龙坝发电厂位于滇池出水道，距离昆明70公里。1908年开始筹建，1910年开工，1912年4月发电，送电到昆明市区，23kV。

1、2号机组共480千瓦，西门子公司制造的机组，奥地利伏依特公司生产的水轮机仍在运行，7040kW。SchoolofElectricalEngineering727六月2024我国生产的第一套发电设备：

1936年，发展重工业的第一个三年计划，航空发动机、动力机械和工具机具的制造厂，成立中央电工器材厂（现在的湘潭电机厂）和中央机器厂（现在的昆明机床厂）SchoolofElectricalEngineering827六月2024中央机器厂（1938年成立）

从瑞士BBC公司，引进2MW汽轮发电机技术，转子进口，改造定子，提高了端电压。汽轮机进口，锅炉仿造瑞士产品设计并自行制造。1943年在泸县电厂和昆明电厂使用，此后中断了火电设备生产。

中央电工器材厂（1936年成立）1942年，研制1000马力水轮机，改造了一台1940kVA、6.9kV发电机，安装在四川下清渊发电厂

与西屋公司合作SchoolofElectricalEngineering927六月20241945年，国民政府与西屋公司签订合同，引进汽轮发电机、水轮发电机﹑电动机﹑变压器﹑开关设备﹑仪器仪表﹑电力电容器﹑电工绝缘材料等电工产品技术﹐以及设计能生产以上产品的工厂和5年内培训300名技术人员的技术合作。

由于战乱，未能实现，培训96人，培养了中国第一代电机人才，为新中国作了人员和技术储备。

1950—1958年，仿造阶段此阶段主要引进6—100MW火电设备制造技术初期，华东工业部和东北工业部分别成立火电设备生产基地，进行练兵；

SchoolofElectricalEngineering1027六月2024上机基地：1952年引进捷克的中压6-12MW技术进行仿制。

1954年，根据捷克图纸制成6MW空气冷却汽轮发电机，于1956年在安徽淮南电厂投运。1956年，仿捷TQC型12MW空冷式汽轮发电机1958年，仿捷TQC型25MW空冷式汽轮发电机哈尔滨基地：1952年，引进苏联的中压（6～25MW）和高压（25～50MW）技术，以高压为主

SchoolofElectricalEngineering1127六月20241958年，根据苏联图纸资料于制成第一台仿25MW空冷式汽轮发电机按苏联图纸制造30MW

自行设计一台50MW，设计不成熟，只生产2台

苏联图纸50WM

1960年，按苏联图纸制造100MW，因定点电厂下马，闲置4年，1967年安装在高井电厂。上述工作为自行开发奠定了基础。1958～1978年：自行开发0.75-600MW汽轮发电机（1）双水内冷汽轮发电机1958年6月26日，郑光华、王槱生等人首先提出了转子绕组铜线内通水冷却方案，并试验成功。SchoolofElectricalEngineering1227六月2024SchoolofElectricalEngineering1327六月202427日到上海电机厂

28日交流

7月7日成立课题组开始设计

9月试制成功世界首台12MW隐极式双水内冷汽轮发电机

1958年12月并网运行

1959年,25MW和50MW双水内冷汽轮发电机

1960年,100MW双水内冷汽轮发电机。

6月28日，浙江省委第一书记接见浙大课题组老师，指示萧山电机厂进行设计和制造

同年,3MW、1500r/min凸极式双水内冷汽轮发电机，并网运行。双水内冷为自主创新成果。电磁弹射SchoolofElectricalEngineering1427六月2024

问题：

“大跃进”期间，双水内冷汽轮发电机还不成熟，漏水事故多，一次投产20台6MW发电机，造成了很大损失。哈尔滨电机厂也进行了类似工作，由于问题较多，终止

整改：1961年，中央指示“一年过关，三年完善，暂停生产”。1966年，解决了关键问题。制成许多规格的发电机，安全运行。

开发新产品：哈尔滨电机厂：1971年200MW，72年并网运行。援助朝鲜60MW共8台，成功。1972年，上机厂完成了600MW双水内冷汽轮发电机施工设计并开始作生产准备工作。这项研制工作一直持续到1978年，由于有关领导部门确定引进国外技术而终止。SchoolofElectricalEngineering1527六月2024（2）氢冷发电机哈机厂：从1958年开始，先后试制了50MW氢内冷汽轮发电机、仿制了50MW氢外冷和100MW氢内冷汽轮发电机。对氢冷技术积累了一定的经验。1966年开始600MW氢水冷汽轮发电机的设计，1972年10月完成施工设计，并进入生产准备阶段，和上机厂一样，由于相同的原因而中止。

1972年，哈机厂试制成200MW氢水冷汽轮发电机：定子绕组水内冷、转子绕组氢内冷、铁芯氢冷，75年顺利并网发电。以后，哈机厂生产的200MW及以上大电机组一般均采用水氢氢冷却。SchoolofElectricalEngineering1627六月2024（3）空冷发电机50年代仿造的空冷汽轮发电机在运行中暴露出不少缺点。1961～1963年期间，全国电机行业进行联合设计，对仿苏和仿捷系列进行了完善。

联合设计QF新系列：3～25MW首台机组先后在1962一1965年期间试制完成。该新系列后来在行业中推广和批量生产。1977—1985年：整改与引进整顿火电机组的质量，引进300MW、600MW火电技术（1）整顿100～300MW火电机组的质量许多大机组投运后，暴露了大量的质量问题，严重地损害了国产大机组的形象。SchoolofElectricalEngineering1727六月2024原因：一是先天不足，缺乏必要的试验依据；二是后天失调，粗制滥造。电力部门为了解决电力建设迫切的需要，从1973年开始陆续进口了一些火电大机组，使中国火电设备制造行业面临严峻的挑战。联合攻关，列了354项需要解决的问题。国产100～300MW火电机纪经过完善化和改进设计，技术水平有了很大提高。因此，机械、电力部门商定对国产型和引进型300MW火电机组采取“同时并存”方针。整顿的基础上进行了改进设计，可靠性大大提高。但仍存在一些问题，发电机绝缘等。SchoolofElectricalEngineering1827六月2024（2）引进300MW和600MW火电设备制造技术1978年2月，一机、水电两部共同向国务院提出，为了提高中国大型火电机组经济指标和制造水平，建议进口电机的同时引进制造技术。1980年9月和11月，一机部分别与美国西屋公司和美国燃烧工程公司签订了汽轮机、汽轮发电机和锅炉的技术转让和购买部分零部件合同。上海基地承制的300MW考核机组于1985年制成，装在山东石横电厂，1987年7月投运，1988年5月通过考核试验SchoolofElectricalEngineering1927六月2024这两种引进型机组具有当代国际水平，通过消化和吸收，大大提高了火电设备的技术水平。（3）国产100-300MW火电设备的改进设计在对引进的300-600MW进行消化吸收的基础上，对国产100-300MW进行改进设计。1985年投入运行的22台100-300MW机组，平均年利用5688小时，可靠性大大提高。哈尔滨基地承制的600MW考核机组于1986年制成，装在安徽平纤电厂。于1989年11月投运。SchoolofElectricalEngineering2027六月2024目前的水平

2007年，哈尔滨锅炉厂有限责任公司、上海汽轮机有限公司、上海汽轮发电机有限公司：1000MW汽轮发电机组运行成功。国内单机容量最大的火电机组。

2007年，世界最大的水电机组在三峡运行成功。由哈电独立设计建造，700MW。此前，我国只有设计、制造320MW水电机组的能力。SchoolofElectricalEngineering2127六月2024二、国外发电机制造工业的发展概况

汽轮发电机大多数国家以火电为主：（1）水电站受环境、移民等限制，投入大；（2）火电厂建厂快、投资少。50年代，100～200MW

60年代，300～600MW

七十年代后期，800～1300MW。进入80年代之后，国外发达国家汽轮发电机技术已经成熟。产品定型，实现了系列化、标准化，产品技术经济性能先进，运行可靠，能充分满足电力工业的需要。从其鼎盛时期的高速发展走向平稳发展阶段，特点：SchoolofElectricalEngineering2227六月2024从70年代后期开始，空冷汽轮发电机的订单迅速增加，重新受到青睐。单机容量迅速提高，100MVA到350MVA级。技术性能也迅速提高，额定运行效率（230MVA及300MVA为98.74%）与同容量级的氢冷汽轮发电机（有些实测值已达到99.2％)相近。（1）单机容量：70年代中期突破1200MW后停滞不前，巨型机组暴露一些问题，对巨型汽轮发电机需求量的增长减缓（2）一些公司汽轮发电机产量急剧下降

GE（通用电气）和西屋公司，80年代后急剧下降SchoolofElectricalEngineering2327六月2024（3）欧美公司并购重组．形成4大集团

演变过程（4）核电机组需求量增加70年代起，核电单机容量的增长速度就超过常规机组。80年代后，研制成功1000MW级及以上的核电机组，投运的许多核电机组的单机容量也超过1000MW。以500—600MW级机组为主。目前核电汽轮发电机的发展速度也已减缓，甚至停滞不前

（5）冷却方式：早期：氢冷、空冷SchoolofElectricalEngineering2427六月2024目前：定子绕组：大多采用水内冷转子绕组：部分国家采用水内冷，多采用氢冷或空冷。“内冷”：把线圈导线做成空心的，让流体直接吹过铜线，对线圈进行直接冷却。冷却介质：空气

氢气

液体内冷（上世纪50年代）水的冷却能力最强：国际上第一次出现水内冷（1956年，定子）

对于转子水内冷，在文献上虽然有过讨论，但由于某些重大技术问题难以解决

1958年，中国的双水内冷。SchoolofElectricalEngineering2527六月2024双水内冷：我国的自主创新成果。郑光华教授和上海电机厂于1958年制造的12000千瓦双水内冷汽轮发电机，是世界上第一台定子、转子双水内冷汽轮发电机。1964年，郑光华获国家发明一等奖，1985年获国家科技进步一等奖。4大冷却技术体系（1）GE体系：水氢氢：定子绕组水内冷，转子气隙取气式氢内冷，定子铁心、端部构件氢外冷。冷却效果好、转子温度均匀、发电机效率较高等优点。其单机容量可达1500-1800MW左右。前苏联、中国等仿效。SchoolofElectricalEngineering2627六月2024（2）西屋体系：定子氢内冷和转子轴向氢内冷。这种冷却系统用于1000MW级汽轮发电机尚可，但用于更大容量的汽轮发电机就困难较大，制造难度和技术经济性也差（3）西门子体系：氢氢氢、水氢氢（4）ABB体系：主要方式：水氢氢，其次：双水内冷水电设备60年代以前，最大200MW

60年代，200～500MW

70年代，600MW

定子绕组水内冷、转子绕组强迫空气冷（有的水内冷）SchoolofElectricalEngineering2727六月2024三、中小型电机制造工业的发展概况中小型电机是量大面广的机电产品，它广泛应用于工业、农业、国防、公共设施和家用电器等各个领域，如风机、泵、压缩机、纺织机、轧钢机、机床、空调机、电动车辆的动力等。

其用电量占全国总发电量的60%以上。对国民经济建设、能源利用、环境保护和人民生活的提高都有重要影响。各国政府对其发展均相当重视，并制定了相应的法规、标准和优惠政策加以制约、规范和扶持。SchoolofElectricalEngineering2827六月20241国外发展趋势：在材料、工艺、设计等方面不断进行改进，电机更新换代速度快、开发周期短，技术先进。国外电机的先进水平主要体现在：可靠性高、寿命长、专业化程度高、电机效率高、噪声低、外形美观、绝缘等级高（采用F级或H级）等方面。以美国、欧盟为代表的工业发达国家又在高效电机、变频电机和特种电机等方面作了大量细致和深入的研究工作，推出了新的产品系列，制定了相应的产品标准。SchoolofElectricalEngineering2927六月20242国内发展概况产量大、价格竞争力强主要生产量大面广的产品（档次低、利润小、市场竞争激烈）。高附加值产品少、高效电机少、精密电机少：材料和生产工艺落后外形不美观缺乏法规的支持，节材和提高性能使厂家进退两难。三、高效节能电机1国外

70年代的两次世界性的能源危机。SchoolofElectricalEngineering3027六月2024

第一次危机（1973年）：1973年10月第四次中东战争埃及、叙利亚收复失地美国卷入战争，尼克松：“把所有能飞的玩意都飞往以色列！”。石油输出国组织的阿拉伯成员国当年12月宣布收回石油标价权，并将其原油价格从每桶3.011美元提高到10.651美元，对美国禁运美国的工业生产下降了14%，日本的工业生产下降了20%以上。SchoolofElectricalEngineering3127六月2024中东产油国暴富。1980年，阿联酋人均年收入达2.63万美元，成为世界上人均收入最高的国家第二次危机（1978年）：伊朗的政局发生剧烈变化，国王巴列维下台，伊朗停止输出石油60天。伊拉克支持巴列维，轰炸伊朗，两伊战争爆发，两国停止生产石油。全球石油产量从每天580万桶降到100万桶,从每桶13美元猛增至34美元。70年代末西方经济全面衰退美国体会到能源对国民经济和社会的稳定的重要作用，于80年代制定了电机能效标准。当时能够达到电机能效标准的电机被视为高效电机。SchoolofElectricalEngineering3227六月2024对购买高效电机的用户进行补贴（每马力10-20美元正好是低效电机与高效电机的差价）。1990年，在美国所有销售的中小型电机中，已有20%~30%的电机达到了能效标准的要求。

进入90年代，全球环境问题又成为困扰世界经济持续发展的大问题。美国各阶层的人们都认识到，现代经济的发展必须依赖于大量能源的消耗，而消耗能源所带来的污染降低了生活品质。继续以加大能源的消耗来发展经济是行不通的，而简单地限制能源使用量也不可取。SchoolofElectricalEngineering3327六月2024解决这一问题最可行的方法是提高能源利用的技术水平。美国国会于1992年10月24日通过了《能源政策法案》，规定：97.10.24后只允许生产高效电动机2002.10.10后生产更高效的电动机2007.10后生产技术上达到极限、经济上可行的最高效电动机高效电机的特点：成本增加、价格提高、长时间运行场合节约电费、电机寿命长。美国的各大电机厂家纷纷推出自己的高效电机。SchoolofElectricalEngineering3427六月2024为进一步节能，美国国家电气生产商协会（NEMA）又制定了更高效率水平的电机标准，即所谓的NEMA能效标准。

世界主要国家都制定了自己的高效电机标准。

发达国家的普通用途电机主要依赖进口，而向不发达国家出口高附加值产品。

SchoolofElectricalEngineering3527六月20242国内通用电机

建国初期，引进苏联A、AO系列1953年参照A、AO系列仿制了J、JO系列电机

1958年，研制了J2、JO2系列（设计不成功）1961年，调整J2、JO2系列设计，江泽民任组长，进行了大量研究工作，采用了E级绝缘，提高了性能，减小了体积和重量。1965年推广，使用20多年，85.1.1淘汰1971年起，设计了JO3系列电机，不太成功。84.1.1淘汰SchoolofElectricalEngineering3627六月20241979年开始，组织了Y系列电动机的统一设计，采用B级别绝缘，性能良好，运行可靠。功率范围为0.55～250kW，机座中心高为80～315mm，共12个机座。上世纪90年代，又设计了替代Y系列电动机的Y2系列，与Y系列相比，Y2系列提高了防护等级和绝缘等级，降低了噪音，电机结构更为合理，安装尺寸及功率等级符合IEC标准。其功率范围为0.12～315kW，机座高为63～355mm，共15个机座。是目前的主流产品。比Y系列体积小、效率稍低、电磁负荷高本世纪初，Y3系列的设计，Y3系列电机全部采用冷轧硅钢片，具有效率高、噪音低、起动性能好等优点。SchoolofElectricalEngineering3727六月2024这些系列产品均为一般效率电动机，目前国内生产的高效率电动机产品主要用于出口。3我国的电动机能效标准（1）1998年颁布了“节约能源法”对若干重要用能产品规定了最低能效限值，实施了节能产品的认证制度。（2）2OO2年1月颁发了“中小型的三相异步电动机能效限定值和节能评价值(GB18613-2002)”标准有二套效率指标：最低效率限值：属强制性指标；目前所生产的电动机的平均效率水平SchoolofElectricalEngineering3827六月2024

（3）2006年，GB18613-2006《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》分为1、2、3级能效限定值：100%、75%额定功率的效率均应不低于3级。目标能效限定值：100%、75%额定功率的效率均应不低于2级，其值在本标准实施之日4年后开始实施。节能评价值:100%、75%额定功率的效率均应不低于1级2007年07月01日实施。节能效率评价值：属推荐性指标。比前者高2～3个百分点，为节能电动机的效率水平。SchoolofElectricalEngineering3927六月2024SchoolofElectricalEngineering4027六月20242011年07月01日，中国销售的三相异步电机必须2级(4)财政补贴政策2010年6月2日，财政部、国家发展改革委联合出台《节能产品惠民工程高效电机推广实施细则

》，对达到2级标准的电机进行补贴。SchoolofElectricalEngineering4127六月2024SchoolofElectricalEngineering4227六月20244高效永磁电机用永磁体产生磁场永磁电机特点：结构多样、结构简单、体积小、效率高永磁电机种类：永磁直流电机、调速永磁同步电机、无刷直流电机、异步起动永磁同步电动机补贴主体：为具备一定规模的电机厂。要求相关厂家低压三相异步电机和高压三相异步电机年推广量不少于30万千瓦，或稀土永磁电机年推广量不少于1万千瓦。目前改变政策，补贴用户。

SchoolofElectricalEngineering4327六月2024调速永磁同步电动机永磁直流电动机SchoolofElectricalEngineering4427六月2024无刷直流电动机异步起动永磁同步电动机SchoolofElectricalEngineering4527六月2024第二节

电机设计的任务与过程一、电机设计的任务及设计时给定的数据1.电机设计的任务根据用户提出的产品规格（来自国家、使用单位和个人）、技术要求和技术指标（包括功率、电压、转速、效率、温升等），结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论与计算方法，设计出性能符合要求、可靠性高、经济性好的合格产品。2.对电机设计的要求明确设计要求：不同种类电机有不同的性能要求，同一类电机在不同应用场合也有不同的性能要求。SchoolofElectricalEngineering4627六月2024设计准确：避免大马拉小车、小马拉大车性能满足要求，可靠性高，经济性好符合国家有关标准和法规3.对设计人员的要求掌握相应的专业知识和设计方法贯彻国家标准，注意电机的经济性和可靠性对性能指标统筹兼顾，对不同问题采取相应措施理论联系实际，设计与工艺相结合如感应电动机，不同场合对起动转矩倍数的要求不同SchoolofElectricalEngineering4727六月20244.电机设计时给定的数据和技术要求（1）额定功率：输出功率。电动机：输出机械功率发电机：输出电功率（2）额定电压（供电方式，频率）（3）极数与连接方式（4）额定频率（5）额定转速（6）额定功率因数其它要求：起动转矩、起动电流、牵入转矩、牵出转矩、过载能力等。感应电机：1-5同步电机：1-6直流电机：1、2、5SchoolofElectricalEngineering4827六月2024二、电机设计的过程和内容1准备阶段（1）听取生产和使用单位的意见和要求;收集电机产品的技术资料，了解国家标准的有关规定；使用环境：如高温、水下、高海拔等；要求：性能指标、外形尺寸、安装尺寸（2）编制技术任务书，形成技术条件若无适当的国家标准，则需制定技术条件

技术条件：制造厂与用户间或设计者与制造厂之间的一种协议，相当于技术合同，是设计、生产和验收的依据。SchoolofElectricalEngineering4927六月20242电磁设计根据技术条件的规定，参照生产实践经验，通过电磁计算和方案比较，确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，确定相关材料，核算其电磁性能，得到一个合格的电磁设计方案。包括：定转子铁心材料及尺寸绕组材料及数据（电机运行特性计算、起动计算）3结构设计确定电机机械结构，部件尺寸、加工要求与材料规格要求，机械强度计算和温升计算。SchoolofElectricalEngineering5027六月2024⑴确定防护型式、安装方式、冷却方式防护：对带电部分和转动部分有机械保护。开启、封闭、防爆、潜油、潜水安装方式：底角安装、凸缘安装冷却方式：自冷、自扇冷、他扇冷、氢冷、水冷⑵

根据所选负荷高低，选取适当的通风冷却系统⑶安排总体结构，绘制总装图⑷零件的分装配图和零件图,对总装图进行修改SchoolofElectricalEngineering5127六月2024

直流电机的装配图SchoolofElectricalEngineering5227六月2024

转子分装配图SchoolofElectricalEngineering5327六月2024SchoolofElectricalEngineering5427六月20244

工艺设计（1）工艺流程的确定每一工件的加工，往往要经过多道工序，这些工序的顺序、加工方法、两道工序之间的加工裕度、尺寸的检验等，都要有合理安排，也就是工艺流程。

转子轴加工流程：下料、打顶尖孔、粗车、精车、铣键槽、磨轴颈（与轴承配合的地方）。SchoolofElectricalEngineering5527六月2024

先精车再铣键槽，否则刀具和工件之间是断续切削，表面光洁度无法保证，容易打刀SchoolofElectricalEngineering5627六月2024（2）工具、夹具、模具、量具的设计在电机制造过程中，为保证质量、提高生产效率所必须的工具、模具、夹具、量具的设计。模具：冲模、铸铝模、绕线模等SchoolofElectricalEngineering5727六月2024夹具，如夹紧定子机座的夹具SchoolofElectricalEngineering5827六月2024量具：关键尺寸的检验工具

SchoolofElectricalEngineering5927六月2024第三节国家标准一、国家标准国家有关部门在总结以往电机设计、制造和使用经验的基础上，从当前实际出发，并考虑今后的发展需要，而对电机提出的一定要求的文件。作用：电机质量评定标准，电机生产依据。特点：（1）综合考虑产品实用性、技术先进性、经济合理性、使用可靠性和生产上的可能性（2）由国家标准化主管机构批准发布，且在全国范围内统一的标准。委托标委会、有关单位制订。

分类：国家标准分为强制性国标（GB）和推荐性国标（GB/T)SchoolofElectricalEngineering6027六月2024二、我国电机方面的标准我国标准分为国家标准（GB）、行业标准、地方标准(DB)、企业标准(QB)四级。

国家颁布（GB）和部委颁布（例如JB：原机械工业部标准），根据内容分类：⑴

电机的一般规定和技术要求《GB755-2000旋转电机定额和性能》：规定各类电机的技术要求、试验项目、试验方法、铭牌和线端标志。内容简介

SchoolofElectricalEngineering6127六月2024（2）一种或几种具体类型电机的技术条件《JBT9616-1999Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件（机座号80～315）》：对额定数据、使用条件、性能指标及允许偏差（容差）、安装尺寸、试验方法、验收规则以及标准、包装、保管等有详细而明确的规定。内容简介容差：大批量生产时，材料和工艺参数的允许波动、各种测量方法和仪表的允许误差、