电机设计及其CAD-第2章

SchoolofElectricalEngineering106八月2024主要尺寸：电枢铁心直径和长度

直流电机,感应电机、同步电机主要尺寸的意义不同主要尺寸确定的重要性：主要尺寸确定后，其它尺寸大体确定电机的成本、工作特性和运行可靠性都和主要尺寸及它们的比值有密切关系，是设计第一步。第二章电机主要尺寸的确定SchoolofElectricalEngineering206八月2024本章主要内容：主要尺寸的确定几何相似定律电磁负荷选择原则系列电机设计特点第一节电机主要参数之间关系式一、电机主要尺寸和电磁功率的关系电机主要尺寸与通过定转子之间气隙传递的电磁功率与有重要关系。SchoolofElectricalEngineering306八月20241

交流电机

电磁功率可用计算功率表示。计算功率与电磁功率的区别：mE'2I'2cos

2

mEIcos

2计算功率:P'=mEI其中m为相数，E为相电动势，I为相电流。E=4KNmfNKdp

KNm气隙磁场波形系数，Kdp为绕组因数(通常取为Kdp1)

N为每相串联匝数，

为每极磁通SchoolofElectricalEngineering406八月2024气隙磁场波形系数KNm：电机中，对于任意气隙磁场波形，在每对极范围内，其有效值与平均值的比值，就是波形系数。对于正弦波，有效值为平均值的

/(2

2)=1.11SchoolofElectricalEngineering506八月2024频率:f＝np/60其中,n转速，p极对数每极磁通:其中，B

为气隙磁密最大值（磁负荷）

lef为电枢计算长度极距为电负荷为SchoolofElectricalEngineering606八月2024

'p为计算极弧系数，

'p

=B

av/B

当磁路不饱和时，'p

=0.637则计算功率为整理得采用国际单位制：D、lef－m，B

—T，P'

—VA，n－r/minEa－V，A－A/m，

－WbSchoolofElectricalEngineering706八月20242直流电机电磁功率：故所以因得又因为Na-电枢绕组总导体数SchoolofElectricalEngineering806八月2024得和交流机关系相似二、电机常数对一定功率和转速范围的电机，A、B

变化不大，

'p等的变化范围更小，因此CA称为电机常数。SchoolofElectricalEngineering906八月2024CA大体上反映了产生单位转矩所耗用有效材料的体积，也一定程度上反映了结构材料的用量。单位体积有效材料产生的转矩，称为利用系数。（1）随制造工艺、设计水平、材料性能的提高而增大

例如使用高等级的绝缘材料(F级、H级)、高品质铁心材料（2）已制成电机的KA随电机功率的增大而增大感应电机和直流电机，功率越大，转速越低，KA越大同步电机，功率越大，转速不变，KA越大SchoolofElectricalEngineering1006八月2024（3）利用系数与工作制密切相关。

短时工作制等三、电枢计算长度无径向通风道电机，与铁心实际长度很接近有径向通风道电机，略小于铁心实际长度。直流电机和同步电机，小5~10%；感应电机，小10~15%四、计算功率确定根据额定功率、效率、功率因数等参数近似确定SchoolofElectricalEngineering1106八月2024⑴感应电动机：⑵同步发电机:⑶同步电动机：⑷并励直流发电机：Kg考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数SchoolofElectricalEngineering1206八月2024⑸并励直流电动机：Km考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数五、结论（1）主要尺寸由转矩决定，其它条件相同时，计算转矩相近的电机耗用材料也相近。

（2）A、B

不变时相同功率的电机，转速高的，尺寸较小；尺寸相同的电机，转速高的，功率较大。提高转速可减少电机体积和重量（如减速式电机），但是一定范围内有效：SchoolofElectricalEngineering1306八月2024SchoolofElectricalEngineering1406八月2024转速升高，n

，pmec和pFe,发热严重，电磁负荷只能降低。机械损耗增加，转动部件的机械应力增加。直流电机:铁耗增加，换向困难交流电机:转速受极数和频率限制(3)转速一定时，若直径不变而采用不同长度，可得不同功率电机。如：Y100L1-4(2.2kW)、Y100L2-4(3kW)(4)一般变化不大，因此主要尺寸取决于A和B

，A和B

越高，电机尺寸越小。SchoolofElectricalEngineering1506八月2024

为什么我们希望电机的单机容量大？

上节关系式可确定电机主要尺寸，但不能明晰地表述电机的经济和技术指标随功率的变化趋势。

最简单的情况：几何相似电机系列，即用途和结构型式相同、功率递增、各对应部分的几何尺寸比保持不变的一系列电机，具有相同电流密度、磁通密度、转速和极数。研究几何相似电机的经济和技术指标与功率之间的规律。

若电机A、B几何形状相似，则

hsA为槽深，bsA为槽宽第二节电机中几何相似定律SchoolofElectricalEngineering1606八月2024一、几何相似定律SchoolofElectricalEngineering1706八月2024单位功率下电机重量G、成本Cef、损耗

p

――――几何相似定律实际的系列电机：电流密度和磁密不是不变的，几何尺寸也不是严格按比例变化。但几何相似定律的变化趋势仍然存在SchoolofElectricalEngineering1806八月2024二、几何相似定律的意义B、J数值保持不变时，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重量、成本及产生的损耗均与成反比，即随单机容量的增大，其有效材料利用率和电机效率均提高。

采用大功率电机代替总功率与其相等的几台小电机。（2）可用来大体上估计与已制成几何形状相似、功率不同的电机的重量、成本和损耗。（3）上述规律是近似的。SchoolofElectricalEngineering1906八月2024实际情况下，它们反映出来的关系因其他条件限制而不得不放弃。如电机损耗正比于L3，冷却表面正比于L2，为了保证温升不超限，随功率增加，必须设法改变冷却系统，从而放弃几何形状的相似。矛盾：主要尺寸关系式：功率正比于几何尺寸的立方几何相似定律：功率正比于几何尺寸的四次方原因：在几何相似定律中，若几何尺寸增大为2倍，电流增大为4倍，匝数不变，A增大为2倍，即A正比于几何尺寸。二者不矛盾SchoolofElectricalEngineering2006八月2024例题：一台1kW的电机定子铁心长10cm、电机质量为15kg、成本100元，电机效率83.3%。今欲按几何相似定律设计一台16kW电机，问电机定子铁心长、质量、成本、效率是多少?解：功率增为16倍，则铁心长度为2倍，20cm

p=0.2kW

电机质量和成本为8倍，分别为120kg和800元,损耗为8倍损耗增加为0.2

8=1.6kWSchoolofElectricalEngineering2106八月2024第三节电磁负荷的选择

P'、n一定时，主要尺寸取决于A、B

,一般希望取A、B

较高：尺寸小、重量轻、成本低。

A、B

的选择与许多因素有关，不但影响有效材料用量，且对电机参数、性能、可靠性都有重要影响。讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影响，介绍选择方法。SchoolofElectricalEngineering2206八月2024一、电磁负荷对性能和经济性影响1.

A较大，B

不变

(1）尺寸、体积减小，节约钢铁材料（2）B

一定时，铁耗减小（因重量减小）（3）绕组用铜增加。因电机体积小，B

不变，每极磁通

减小，要保证绕组的电压平衡，必须增多匝数。(匝数、导体数关系？)（4）增大了电枢单位表面上的铜耗，绕组温升提高.绕组有效部分的铜耗：SchoolofElectricalEngineering2306八月2024其中Rcef为每根导体有效部分电阻，为电阻率，L为导体有效长度，Ac为导体截面积，J导体电流密度。单位表面上铜耗、J一定时，qa随A的增大而增大

一定时，qa

AJ(热负荷)，为避免温升过高，AJ乘积不超过一定限度，A选择大，J就相应小些，会使用铜量增加。A、J一定时，qa随

的增大而增大（5）影响电机性能,A，电抗

SchoolofElectricalEngineering2406八月2024感应电动机同步电机

同步电机电压变化率增大，短路电流和短路比都减小，静态和动态稳定性降低SchoolofElectricalEngineering2506八月2024直流电机

换向恶化直流电机的线圈匝数限制2.电负荷A不变，磁负荷较高

（1）电机尺寸、体积减小，节约钢铁材料

（2）

铁耗增加，损耗增加，效率降低，温升提高SchoolofElectricalEngineering2606八月2024（3）气隙磁位降和磁路饱和程度增加B

B

饱和度增加

励磁磁势增大

用铜量与励磁损耗增加，效率降低，励磁绕组温升提高。

感应电动机功率因数降低。（4）影响电气参数和电机特性,B

，漏抗

感应电动机：同步电机电压变化率减小，短路电流和短路比都增大。二、线负荷A和气隙磁密B

的选择⑴不应选择过高的A，B

，它们的比值也要适当SchoolofElectricalEngineering2706八月2024比值影响到铜、铁耗分配，影响效率曲线出现最高的位置，因此经常处于轻载的电机，选较大A，较小B

。解释⑵冷却条件好，选A、B

高

防护式电机的A、B

比相同的规格封闭式电机高15%-20%左右⑶材料绝缘等级绝缘等级高，允许温升高，A、B

可选高些（A-105℃，E-120℃，B-130℃，F-155℃，H-180℃）；导磁材料铁耗低，B

可高些；铝线电机(电阻率大)，A、B

低。SchoolofElectricalEngineering2806八月2024⑷A、B

与转子圆周速度有关圆周速度较高的电机，转子和冷却介质相对速度较大，A、B

可选得大些。⑸与电枢直径有关，直径越小，所选的A、B

应越小。绕组安放空间的限制。内电枢电机（直流电机）：平行槽，受齿根磁密限制，D小，不能太宽、太深，限制了A的取值。平行齿，槽空间比直径大的电机小，限制A的取值内极式电机（凸极同步电机）：直径小，励磁绕组安放空间小，限制了励磁磁动势的大小，使电枢磁动势和与之有关的A、B

不能取高SchoolofElectricalEngineering2906八月2024

D小，通常导线较细，绝缘所占比重较大，槽空间利用率低，为增大槽空间，齿变窄，B

不能取高(6)与工作制有关。短时工作制，A、B

可选较高。A、B

选择考虑因素很多，很难从理论上确定。一般考虑电机工业积累的经验数据，并对比所设计电机与已有电机之间在材料结构，技术要求等方面的异同后选取。随材料、结构、冷却条件改进，A、B

一直逐渐提高，使重量、体积减小。Y2系列与Y系列对比：体积小、节约材料、热负荷高SchoolofElectricalEngineering3006八月2024单位：A2/(mm2.cm)

小电机的热负荷为什么高？

SchoolofElectricalEngineering3106八月2024SchoolofElectricalEngineering3206八月2024SchoolofElectricalEngineering3306八月2024SchoolofElectricalEngineering3406八月2024SchoolofElectricalEngineering3506八月2024§4主要尺寸比选择及确定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比选择A、B

D2lef

可以细长、粗短引进主要尺寸比

=lef/

其中

=

D/2p长径比lef/D

对电机性能、经济性、工艺性有较大的影响。1.

影响

D2lef不变，

较大时，电机细长SchoolofElectricalEngineering3606八月2024⑴电机细长，绕组端部短:端部用铜减少，

在正常范围内时，可提高绕组铜利用率。端盖、轴承、刷架、换向器等结构部件尺寸小，重量轻，成本降低⑵损耗下降，效率提高铁重不变，铁耗不变；直径变小，机械损耗减小，绕组端部铜耗减小，所以损耗下降。⑶端部较短，端部漏抗小，总漏抗减小SchoolofElectricalEngineering3706八月2024⑷对冷却的影响气体冷却：风路长，冷却条件差封闭式：靠表面散热，细长对散热有利开启式、防护式：为充分发挥端部散热，

取小些⑸转子易弯曲，应保证有足够的刚度⑹转动惯量小、圆周速度小，对高速电机有利，如汽发⑺线圈数少线圈制造工时和绝缘材料消耗少，但冲片数目多，冲剪和SchoolofElectricalEngineering3806八月2024叠压工时增加，冲模磨损加剧，下线难度大机座加工工时多轴应较粗，保证足够刚度。2.

选择主要考虑：①参数、性能和温升;②用铜量;③转子机械强度;④转动惯量要求。⑴感应电机感应电机性能（起动、过载、功率因数）与漏抗大小有关，因而与

有一定关系。SchoolofElectricalEngineering3906八月2024中小型：

=0.4-1.5；大型：

=1-3.5极数多取较大值⑵同步电机a.凸极同步发电机：

随极数的增加而增大中小型同步电机，

=0.6-2.5；高速或大型，机械强度限制，转子直径不能太大，

值较大3-4。b.内燃机驱动同步发电机或负载脉动的同步电动机：防止共振、限制负载时的功率振荡幅值，要求电机有较大的转动惯量，

一般小些SchoolofElectricalEngineering4006八月2024C.同步电动机：异步起动同步电机，牵入同步困难，惯量不宜太大。d.水轮发电机：飞逸转速高，为保证机械强度，

取大值。突然卸全载时，为控制机组转速在一定范围内，保证转速变化不大，需要有一定惯量，

取小值，矛盾。原则：转速高或容量特大的水轮发电机，机械强度问题突出，

取大些；转速低，转子机械应力一般不大，惯量重要，

取小SchoolofElectricalEngineering4106八月2024e.汽轮发电机：2极或4极，转速较高，直径小些，

大些；而冷却又希望

小些。机械应力突出。在保证机械强度前提下，通过加强冷却，增大电枢长度，使功率增大，

一般随功率增大而增大。⑶直流电机

大

lef

，D

槽数少

每线圈匝数多，从而导致片间电压和er大，换向差

过大磁极截面狭长，励磁绕组金属利用率低SchoolofElectricalEngineering4206八月2024小型电机：换向问题不大，可取

大；但为获得足够的槽数，常取低

频繁起动：要求惯量小，取大

值大型、高速电机：机械应力差，

应取大些。通常，中小型：0.6-1.2大型：1.25-2.5SchoolofElectricalEngineering4306八月2024二、确定主要尺寸的方法1一般方法标准直径：充分利用硅钢片、减少冲模等工艺装备，加强通用性和考虑系列电机功率等级的递增需要，规定了交流电机的标准定子外径，和直流电机的标准电枢外径。SchoolofElectricalEngineering4406八月2024主要尺寸关系式是确定主要尺寸的理论基础，用其确定主要尺寸时，不够简便。外径大于990mm时，用扇形片机座号8090100112132160定子冲片外径120130155175210260机座号180200225250280定子冲片外径290327368400449交流电机标准定子外径直流电机的标准转子外径见表2-2SchoolofElectricalEngineering4506八月2024（1）设计极数相同而功率相近的电机取则2类比法实际中，根据试验经验，采用类比法。根据具体条件，（结构、材料、技术、经济指标、工艺等）参照已生产过的同类型相近规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其他数据。SchoolofElectricalEngineering4606八月2024线圈匝数之比导线截面积之比（2）用已有冲片设计新电机（感应电机），电压等级变化，极数、功率、频率相同SchoolofElectricalEngineering4706八月2024前提：气隙磁密不变一台三相异步电动机，额定电压为1140V，用已有同功率、同极数的380V电机的冲片进行设计。为保持电压平衡，N应为原来的3倍。输出功率不变，则电流应与电压成反比，为原来的1/3。保持电流密度不变，导体的截面积应为原来的1/3输出转矩不变，则铁心长度不变。保持磁负荷不变，则磁通不变。SchoolofElectricalEngineering4806八月2024（3）用已有冲片设计新电机（感应电机），电压不变，极数相同，功率相同，频率不同（如：50Hz60Hz）前提：气隙磁密不变，电枢长度与转矩成正比极数不变，频率由50Hz升高到60Hz，则转速为原来的6/5倍功率不变，则转矩为原来的5/6倍，铁心长度为原来的5/6倍保持磁负荷不变，则磁通为原来的5/6倍为保持电压平衡关系，N应不变电压不变，功率不变，则电流不变，导线直径不变SchoolofElectricalEngineering4906八月2024§5系列电机及其设计特点一、系列电机

1

系列电机技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本相同，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。如Y、Y2、Z2、T2企业产品：①工厂生产的一般为系列电机②只有用户要求与系列产品在功率、技术要求和结构等方面差别较大时，才进行专门设计，但仍尽可能利用已有的工艺装备或零部件，降低成本，缩短开发制造周期SchoolofElectricalEngineering5006八月20242系列电机的特点：⑴额定功率有一定范围，按一定比例递增，为“硬性”等级Y系列0.55kW-250kW26个等级:0.55,0.75,1.1,1.5,2.2,3,4,5.5,7.5,11,15,18.5,22,30,37,45,55,75,90,110,132,160,185,200,220,250⑵额定电压按规定的电压等级选一种或几种Y系列异步电动机：380VZ2系列直流电机：电动机110或220V，发电机115V或230V⑶有一定转速范围或等级Y系列的同步速：3000、1500、1000、750r/min同步发电机：3000（2极）、1500（4极）、1000（6极）750（8极）SchoolofElectricalEngineering5106八月2024⑷规定了系列电机铁心的若干外径尺寸或轴中心高考虑功率递增情况和标准尺寸硅钢片的合理剪裁。感应电动机：中心高（用毫米表示）＝机座号型号Y100L1－4的意义每个系列有多个机座号，同一机座号几种极数，同一机座号中每种极数有多种铁心长度，对应不同功率等级。Y系列12个机座号：80、90、100、112、132、160、180、200、225、250、280、315；每机座号有2－5个不同极数，每一机座号有1－3种不同长度。SchoolofElectricalEngineering5206八月2024315机座，共有14个规格：2极(110、132、160kW)4极（110、132、160kW）6极(75、90、110、132kW)8极(55、75、90、110kW)10极(45、55、75kW）(5)规定了一定的防护型式Y系列小型三相感应电动机:IP23与IP44IP23：能防止手指触及机壳内带电或转动部分，能防止直径大于12毫米的固体进入与垂直线成60度或小于60度的淋水无有害影响SchoolofElectricalEngineering5306八月2024IP44：能防止厚度大于1毫米的工具、金属线或类似的物体触及机壳内带电或转动部分能防止直径大于1毫米的小固体进入（不包括由外风扇送、吸风的通风孔）。任何方向溅水于电机，应无有害影响。

这些特点为设计、制造、使用和维护带来了方便，如：零部件通用性高，便于成批生产和实现生产过程的机械化、自动化，有利于提高产品质量和产量，降低成本。SchoolofElectricalEngineering5406八月2024

3系列电机的分类⑴基本系列：使用面广、生产量大的一般用途系列YY2T2Z2系列⑵派生系列：按不同使用要求，进行部分改动而由基本系列派生出的系列，与基本系列有很多通用性。如YD系列多速感应电动机采用多速绕组，YH系列高转差率感应电动机的转子笼为铝合金，都是从Y系列派生的，其结构和主要零部件与Y系列相同。SchoolofElectricalEngineering5506八月2024

⑶专用系列：适用于某种特殊条件但使用面很窄的系列。YB系列隔爆型三相异步电动机，适用于煤矿井下的固定设备及工厂可燃性气体或空气形成的爆炸性混合物的场所。二、系列电机设计特点1.功率递增的规律⑴功率递增系数k’p：同一系列中相邻两功率等级之间的比值（P大/P小）SchoolofElectricalEngineering5606八月2024⑵k’p影响：k’p小，功率等级多，易于满足不同用户要求，选用方便，减小过安装容量，使用经济性好；但制造工艺装备增加，生产管理复杂，制造