电机设计课后习题答案

电机设计第一章电机设计的任务是什么？答：电机设计的任务是依据用户提出的产品规格〔功率、电压、转速〕与技术要求〔效率、参数、温升、机械牢靠性〕，结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际状况，运用有关的理论和电机设计过程分为哪几个阶段？答：电机设计的过程可分为：①预备阶段：通常包括两方面内容：首先是生疏国家标准，收上，编制技术任务书或技术建议书。性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算电磁性能。③构造设计：构造设计的任务是确定电机的机械构造，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、通风计算和温升计算。电机设计通常给定的数据有哪些？答：电机设计时通常会给定以下数据：(1)额定功率额定电压相数及一样连接方式(4)额定频率(5)额定转速或同步转速(6)额定功率因数感应电动机通常给定(1)～(5)；同步电机通常给定(1)～(6)；直流电机通常给定(1)(2)(5)其次章CA

和利用系数KA

的物理意义是什么？答：CA

：大体反映了产生单位计算转矩所消耗的有效材料〔铜铝或电工钢〕的体积，并在肯定程度上反映了构造材料的耗用量。K：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A映了电机有效材料的利用程度。什么是主要尺寸关系式？依据它可以得出什么结论？答：主要尺寸关系式为：

D2lef

n 6.1

，依据这个关系式p” ”Kp

KABNmdp Pˊnp或计算转矩n

Tˊ所打算；②电磁负荷A和Bδ

不变时，一样功率的电机，转速较高的，尺寸较小；尺寸一样的电机，转速较高的，则功率较大。这说明提高转速可减小电机的体积和重量；③转速肯定时，假设直径不变而实行不同长度，则可得到不同功率的电机；④由于计算极弧系数

、波形系数Kp

Kdp的数值一般变化不大，因此电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A和Bδ什么是电机中的几何相像定律？为何在可能状况下，总期望用大功率电机来代替总功率相等的小功率电机？为何冷却问题对于大电机比对小电机更显得重要?Da

=la=ha=ba

=…下，G

∝Cef∝PDb lb hb bb

P” P” P”13p” 1∝4∝p”4P”

即当B和J的数值保持不变时，对一系列功率递增，G、本钱C及产生损耗Σp1次方成反比。用大功率电机ef 4代替总功率相等的数台小电机的缘由是随着单机容量的增加，其有效材料的重量G、本钱Cef

和损耗Σp的增加要慢，其有效材料的利用率和电机的效率均将提高，因此用大功率电机代替总功率相等的数台小电功率机。冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要的缘由是电机损耗与长度l的立方成正比，而冷却表面却与长度的平方成正比。功率上升，长度变长，损耗增加大于冷却的增加。为了使温升不超过允许值，随着功率的增加，要改变电机的通风和冷却系统，从而放弃它们的几何外形相像。电磁负荷对电机的性能和经济性有何影响？电磁负荷选用时要考虑哪些因素？答：当

p肯定，由于n

”，K，Kp Nm

变化不大，则电机主要尺寸决定于电磁负荷。生产固定效率的电机，假设其电磁负荷越高，电机的尺寸将越小，重量越轻，本钱越低，经济效益越好。电磁负荷电机的功率，转速等。2假设电机1的线负荷比电机2的线负荷高，则2密度能否选得一样，为什么？答：不能选的一样，由于：从qa

=ρAJA>A1 2

由题中可知ρρ1

=q1

J

<J1的电流密度须选得低一些。1 2什么是电机的主要尺寸比？它对电机的性能和经济性有何影响？

l l

(电机电枢计算长度与极距之比)2lef不变而λ较大：电机将较瘦长，即l

较大而D较小。绕组端部变得较短，ef端部的用铜〔铝〕量相应减小，当λ仍在正常范围内时，可提高绕组铜〔铝〕利用率。端盖，轴承，刷架，换向器和绕组支架等构造部件的尺寸较小，重量较轻。因此单位功率的材料消耗少，本钱较低。电机的体积不变，因此铁的重量不变，在同一磁通密度下根本铁耗也不变。但附加铁耗有所降低，机械损耗则因直径变小而减小。再考虑到电流密度肯定时，端部铜〔铝〕耗将减小，因此，电机中总损耗下降，效率提高。由于绕组端部较短，因此端部漏抗减小。一般状况下总漏抗将减小。由于电机瘦长，在承受气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀度增大由于电机瘦长，线圈数目较粗短的电机较少，因而使线圈制造工时和绝缘材料的消耗减小。但电机冲片数目增多，冲片冲剪和铁芯叠压的工时增加，冲模磨损加剧；同时机座加工工时增由于电机瘦长，转子的转动惯量与圆周速度较小，这对于转速较高或要求机电时间常数较小的电机是有利的。电机的主要尺寸是指什么？怎样确定？电枢直径是指转子外径；对于一般构造的感应电机和同步电机，p”n或计算转矩T所打算。确定电机主要尺寸一般承受两种方法，即计算法和类比法。⑴lef

λ分别求得主要尺寸D和l

；确定沟通电机定子外径D，直ef 1流电机电枢外径D，对电枢长度进展圆整，并对外径标准化。a⑵类比法：依据所设计的电机的具体条件〔构造、材料、技术经济指标和工艺等，参照已生产过的同类型相像规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及其他数据。何谓系列电机，为什么电机厂生产的大多是系列电机？系列电机设计有哪些特点？答：系列电机指技术要求，应用范围，构造型式，冷却方式，生产工艺根本一样，功率及安装尺寸按肯定规律递增，零部件通用性很高的一系列电机。由于生产系列电机生产简洁并给制造，使用和维护带来很大便利，可成批生产通用性很高的理工部件，使生产过程机械化，自动化，有利于提高产品质量，降低本钱。其.功率按肯定规律递增2.安装尺寸和功率等级相适应3.电枢冲片外径充分利用现已有的工艺设备4.重视零部件的标准化，系列化，通用化5.考虑派生的可能性。第三章为什么可以将电机内部比较简单的磁场当作比较简洁的磁路计算？答：为简化计算，可将简单的磁场以磁极为对称单元，依据磁路理论l

d

流的磁路简化计算。磁路计算时为什么要选择通过磁极中心的一条磁力线路径来计算，选用其他路径是否也可得到同样的结果？答：磁路计算时选择通过磁极中心的一条磁力线的缘由是此路径B、H较简洁计算。选用其他路径也可得到一样的结果。磁路计算的一般步骤是怎么样的？答：①先依据假设条件将电机内的磁路分段。②利用磁路定律列写各段的磁压降和磁通密度的关系式，该关系式是磁路尺寸参数和材料特性的函数。③修正磁场，简化磁路计算过程中带来的偏差，给出磁压降和磁通密度关系式的修正公式。气隙系数Kδ把电枢槽由半闭口槽改为开口槽，则K

将增大还是减小？δKδ

的引入是考虑因槽开口的影响使气隙磁阻增大的问题。由半闭口槽变成开口槽，由于磁通不变〔由于外部电压不变即B 增大，而B不变，K

将增大.δmax δ δ空气隙在整个磁路中所占的长度很小，但却在整个磁路计算中占有重要的地位，为什么？答：由于铁芯磁导率远大于空气磁导率，尽管气隙长度很小，但磁阻很大，导致在气隙上的磁压降占据整条闭合磁路的60%～85%，故而格外重要。当齿磁通密度超过时，计算齿磁位降的方法为什么要作校正？答：齿部磁密超过，此时齿部磁密比较饱和，铁的磁导率μ比较低，使齿部的磁阻和槽部相比差异不是很大。这样，一个齿距内的磁通大局部将由齿部进入轭部，局部磁通通过槽部进入轭部。因而齿部中的实际磁通密度B

B

Blt计算出eft t ef

l”bFe t t来的结果小些，即实际的磁场强度及磁压降也会小一些，所以要进展修正。在不均匀磁场的计算中，为什么常把磁场看作均匀的，而将磁路长度〔空气隙有效长度δ

，铁芯轴向有效长度l

和齿联轭磁ef efLj

〕加以校正？校正系数有的大于1，有的小于1，试说明其物理意义？答：为了简化计算而将磁场看成均匀的，δef

大于1比照校正是考虑到槽开口影响。lef

大于1比照校正是考虑边缘效应，而齿联轭处有一局部磁路损失段。感应电机满载时及空载时的磁化电流是怎样计算的？它们与哪些因素有关？假设它们的数值过大，可以从哪些方面去调整效果更为显著？答：1.先依据感应电势E确定每极气隙磁通Φ；2.计算磁路各局部的磁压降，各局部磁压降的总和便是每极所需要磁势；3.计算出磁路饱和程度有关。假设它们的数值过大，可从增加匝数，减小气隙来调整将一台感应电机的频率由50Hz改为60Hz，维持原设计的冲片及励磁磁势不变，问应如何调整设计？在不计饱和时其值为多少？E4.44fNK,dp当频率由50Hz改为60Hz原来的5。又，在不计饱和时，铁耗将增加为原来的倍。6380V，Y流不变，问如何设计？答：Y接法的电机改为接法，将增大倍，频率不变；则将增大倍，又冲片不变，则不变，槽尺寸不变，又不变，所以需增大倍，槽尺寸不变，则线径应适当减小。解释气隙系数Kδ

，有效气隙长度δ

，计算极弧系数”，波ef pFb‘KK

，残隙δ p s NmδKf

kFe

，磁极漏磁系数σ的含义。sK表示了由于齿槽存在而使气隙磁密增大的倍数δ2.有效气隙长度δef

是指用一台无槽电机来代替有槽电机，在气隙磁密的值仍当作有槽电机气隙磁密最大值Bδ隙长度3.计算极弧系数”=B ，表示气隙磁密平均值与最大值之比Fδ

p=1=”

avBB ，表示气隙磁密最大值与平均值之比Bp av极弧计算长度b””是假想每极气隙磁通集中在肯定范围p p内，并认为在这个范围内气隙磁场均匀分布，其磁密等于最大值BδKs

表示了齿部磁路的饱和程度，KS

FFF， t1 t2，F

为转子齿部磁δ t1 t2压降波形系数KNm

为半波有效值与半波平均值的比值，对于正弦波KKNm

的增大，Bδav

增大，因此KNm

渐渐减小残隙δ

f电机转子磁极与磁轭的接触面不行能处处密合，而在局部消灭残隙，在磁路计算时把它看成磁路之中附加了一个均匀的等值气隙铁芯叠压系数KFe

是考虑了由于硅钢片的叠压而使齿的计算截K≈～ks

Fek)又称磁分路系数，打算于齿、槽尺寸，是该处槽的导磁截面积与该处齿的截面积的比值磁极漏磁系数1

，是表征漏磁通所占比例大小的量，σ值过大，电机设计得就不够经济，且对电机的运行特性可能产生不良影响第四章从等式X*K

A BB 1

越大，漏抗标幺值越小，试说明漏抗确定值是否也变小？为什么？漏抗的计算可归结为漏磁链的计算，对于肯定的绕组，便只是漏磁通的计算。由于B 增大，得到漏磁通增大，漏抗确定值变大。1漏抗的大小对沟通电机的性能有何影响？答：一方面漏抗不能过小，否则同步发电机短路时或感应电机起动时将产生不能允许的电流。另一方面漏抗又不能过大，否则会引起同步发电机的电压变化率增大，感应电动机的功率因数、最大转矩和起动转矩降低〔假设为直流电机则换向条件恶化。槽数越多为什么每相漏抗变小？试从物理概念上进展说明。答：由每相槽漏抗公式X

4fl

可知，当槽数越大，即qs 0efpqs越大，漏抗变小，从物理概念上承受分布绕组和增大槽数都是使每相槽产生的磁势波形的基波越接近正弦波从而削减每相槽漏抗.有些资料中把笼形绕组的相数取作ZZ2，2 p到底应当取等于多少？为什么？答：两种都可以，由于都是对定子磁场的波形进展分析的。一般地，假设Z2

可以被P整除，则可以将笼型绕组的相数取为Z2，如pZPZ2 2试写出主电抗，槽漏抗，谐波漏抗的计算公式，并说明其大小主要与哪些因素有关？答：①主电抗：

N2 ，

mK2q

，其大小主要X4fm

l0ef

pqm

dp1m 2ef与绕组每相匝数的平方，基波绕组系数，电枢轴向计算长度，极距与气隙有效长度之比，频率有关。X

4fl

N2

，

h h1 0

其大小主要与绕组s 0efpqs

s 3b bs s每相匝数的平方，电枢轴向计算长度，频率，每极每相槽数以及具体的槽宽、槽深和槽型有关。③谐波漏抗：X

4fl

N2

， mq

s， 0efpq

2efs(Kdp2算长度，频率，极距与气隙有效长度之比，各次谐波绕组系数有关。感应电机励磁电抗的大小主要与哪些因素有关？它对电机的性能有什么影响？

N2 ，

mK2q

f，X4fm

l0ef

pqm

dp1m 2ef相数m，极数p肯定的状况下，感应电机的主电抗Xm

主要与绕组每相匝数的平方，基波绕组系数Kl及极dp1 ef距与气隙之比有关。当主电抗增大时，功率因数也会增加。最为有效？答：由X

4f

l0ef

N2可知转变匝数，即适当削减电机匝数，pq另外也可以调整电机尺寸，如增加电机槽数，及承受分布绕组或漏抗含量少的绕组，也可以适当调整电磁负载来减小电机漏抗。齿顶漏抗与谐波漏抗有何区分？在哪种电机里需要计算齿顶漏抗？为什么？答：一般把由各次谐波磁场所感生的基频电势看作为漏抗压降，相应的电抗称之为谐波漏抗。而在同步电机里，由于气隙一般比较大，气隙磁场不是完全沿径向方向穿越气隙，其一局部磁力线经由一个齿顶进入另一个齿顶形成闭合回路，这些磁通称之为齿顶漏磁通，与之相应的漏抗即为齿顶漏抗。但是有一局部谐波磁场也不是沿径向穿越气隙而经由齿顶之间闭合。在隐极同步电机，由于气隙是均匀的，可利用齿顶漏抗直接计算。电阻的大小对电机有何影响？答：电阻的大小不仅影响电机的经济性，并且与电机的运行性能有着极亲热的关系。电阻越大，电机运行时绕组中的电损耗就越大，绕组中瞬变电流增长或衰减速度越快，感应电机转子电阻的大小对其转矩特性影响特别突出。单层整距绕组的槽漏抗如何计算？〔磁链法〕答：设槽内有Ns根串联导体，其电流有效值为I，计算磁链时，hh0

段分别计算，并设计算点距槽底的距离为x，取微元厚dxl。h 段：H

efbN

2I H

N2I s

B H0 x s s

x b x 0 xsd Blx x ef

dxdx

Nds x

h1h0x h1 x

2IL 2Ih 段：Hbx s

xNh 1

2I HxN2Isx xN2Iss1

B Hx 0 xd Blx x ef

dxdxh

xNh 1dx

h1 Lx2Ix 0 x2IL”LL

N2l(0 1)s 1 2

0 sefb 3bs sh h1)s s

0efb 3bs s

pq假设绕组每相并联支路数为a，则每一支路中有a

个槽中的导体相互串联，故每一支路的槽漏抗等于

2pqa

X”，每相中有a条支路并联，因此每相槽漏抗Xs s

2pqa2

X，考虑到sN Na

X

4fl

s pq

s 0efpqshh 1 0hhs 3b bs shXh

4fl

N2

1

h0〔矩形开口槽〕s 0efpqs

s 3b b2s s2hXh

4fl

N2

3

h0.785h

0〔半闭口槽〕0s 0efpqs

s 3b b bs s 0X fl

N2

2h h 2h h4s

0efpqs

s 3bs1

3 2 1 0b) b bb bs2 s1 0 s1 sX

4fl

N2

h0〔圆形半闭口槽〕s 0efpqs s b0备注：在电磁场的计算中，H，B，Ψ均为幅值，故电流取用2I第五章空载铁芯损耗的大小主要与哪些因素有关？答:空载铁芯损耗主要是涡流损耗和磁滞损耗，其大小主要与磁Bf要减小负载时绕组铜中的附加损耗，一般承受哪些措施？答：附加损耗主要由漏磁产生，而漏磁又主要是谐波和齿谐波产生的，当要减小负载附加损耗时，可用谐波含量少的绕组，分布绕组，也可以用斜槽，近槽协作来削减齿谐波。在凸极同步电机中，空载外表损耗与负载时由绕组磁势齿谐波引起的磁极外表损耗有何区分？〔指出产生的缘由与哪些因素有关〕答：空载外表损耗的产生是由于转子磁势不是严格的正弦波以及开槽导致的气隙磁密不均匀使磁场中有谐波存在，转子相对于谐波磁场转动产生了涡流损耗；负载时的磁极外表损耗的产生是由于定子中的电流产生的磁势含有的谐波在转子外表感生涡流产生损耗，两者的区分在于磁势产生的源不同。空载外表损耗的影响因素为励磁电流的大小，转子磁极的外形，定子开槽的状况，气隙的大小；负载时的磁极外表损耗主要影响因素为定子电流中的谐波成分，绕组的节距与分布，定子开槽的状况，气隙的大小。假设将一台感应电机的额定频率由50Hz改为60Hz，要求保持励磁磁势根本不变，应转变什么为最正确？实行措施后，根本铁耗在不计饱和影响时会不会发生变化？答：由 E4.44NfKdp

分析得，假设要维持原设计冲片励磁磁势不变，就要维持φN5，从而保持励6磁磁势根本不变、磁密不变。由公式得，根本铁耗会增加。第六章电机中常用的通风冷却系统有哪几种？选择和设计通风系统时应留意哪些问题？〔1〕开炉冷却〔自由循环〕或闭路冷却〔封闭循环〔2〕〔3〕〔4〕与内冷。在选择和设计通风系统时要综合考虑电机的尺寸〔如轴向长度、功率大小和温升对冷却的要求与冷却的本钱的影响，来确定承受冷却系统的方式，还要考虑其运行环境与运行要求。抽出式和鼓入式两种冷却方式哪一种冷却力量较高？为什么？答：抽出式冷却力量较高。由于抽出式的冷空气首先和电机的发热局部接触，且能实行直径较大的风扇，而鼓入式的冷却空气却试比较离心式风扇和轴流式风扇的工作原理，它们各有什么优缺点？为什么在一般中小型电机中很少用轴流式风扇？答：离心式风扇的工作原理是风扇转动时，处于其叶片间的气体受离心力的作用向外飞逸，因而在风扇叶轮边缘出口处形成压力。优点是压力较高，缺点是效率较低。轴流式风扇的工作原理是风扇转动时，气体受叶片煽动沿轴向方向在风扇出口处形成压力。优点是效率高，缺点是压力低。感应电机和凸极同步机的孔缝很小，使得轴向风很难通过，只有直流电机可以有轴流式风扇而直流电机的应用范围很小，而且离心式风扇能产生较高压力。由于一般电机特别是中小型电机是沟通电机，使用的是离心式风扇，故中小型电机很少承受轴流式风扇。第十章在三相感应电动机的设计中，选择电磁负荷时应考虑哪些问AB之间的比例关系对哪些量有影响？δB

δ磁化电流的标幺值有影响，中选取较高的B或较低的A时，I*δ m增大，使功率因数下降，X*减小，从而电机的最大转矩，起动转δ矩和起动电流会增大。三相感应电机中，气隙的大小对电机性能有哪些影响？一台三相笼型转子感应电动机，起动时间过长不符合要求，在不拆定子绕组的状况下，应实行什么措施来解决这一问题？这样做对电机其他性能有何影响？答：气隙的大小主要对励磁电流、功率因数和附加损耗有影响，通常气隙δ取得尽可能的小，以降低空载电流，由于感应电机的功率因数cos主要打算于空载电流，但是气隙不能过小，否则除影响机械牢靠性外，还会使谐波磁场和谐波漏抗增大，导致起动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，进而造成较高的温升和较大的噪声。故在不拆定子绕组的状况下可以在转子外围增大气隙从而增大起动转矩。但这样做会使电机的励磁电流增加从而减小功率因数。在一般中小笼型三相感应电机中，极数越多则试说明造成这一趋势的缘由？

D的比值越大，D1磁密不变，导致每极磁通减小，轭部磁通相应减小。可以相应减小电机轭部，从而DD1

增大。为什么计算三相感应电动机的起动性能必需考虑集肤效应和饱和效应？它们分别对哪些参数的哪个局部有影响？答：由于起动时电流很大，会使定转子的磁路高度饱和，另外电机转子频率等于电源频率，比正常运行时高很多，这些缘由真实存在，造成的集肤效应和饱和效应对电机的起动有影响，所以必须考虑，集肤效应会增加起动电阻从而提高起动转矩，降低起动电流，饱和效应可以使定转子漏抗减小，从而减小起动转矩。在三相感应电动机的电磁计算中应考虑哪些性能指标？假设计算结果觉察效率不符合要求，应从哪些方面着手调整？答：应考虑1.效率 2.功率因数cos 3.最大转矩倍数T

max 4.TN起动转矩倍数5.起动电流倍数6.绕组和铁芯温升7.起动过程不符合要求时应选择1.优质材料2.适宜的工艺3.合理尺寸从而增加有效材料的用量，降低铜耗和铁耗，也可以设计型绕组以降低谐波引起的附加损耗，改进加工工艺，设计高效风扇等。假设功率因数cos不符合要求，应从哪些方面着手调整？这些调整措施会不会引起其他后果？答：应从电路方面着手调整，设法降低励磁电流和漏磁参数，可调整电机的尺寸如缩小定转子槽面积，降低各局部磁密；减小气隙，增加每槽导体数N

D，放长l

〔或增大定转子槽宽，s1 t1 t减小槽高以降