电机主要尺寸比的选择原则

电机主要尺寸比的选择原则一个团队到企业参观，对于一台特别修长的电机提出一个问题：为何这台电机这么苗条？Ms.参认为该问题提的特别好，这就引出一个非常专业的问题，关于电机主要尺寸比问题，今天Ms.参就与大伙聊聊这个话题。机的磁负荷确定后，即可以初步确定电机的D2lef，为方便描述，我们将D2lef定义为电枢体积。电机可以设计得细长，也可以设计得粗短。为了反映电机这种几何形状关系，通常采用主要尺寸比λ=lef/τ这一概念。λ的大小与电机运行性能、经济性、工艺性等均有密切关系，或对它们产生一定影响。现在分别说明不同类型电机的λ值的选择。以上描述中，相关的代号含义为：lef——电枢的计算长度，单位米；τ——电机的极距，单位米；D——电枢直径，单位米。电枢体积不变λ变大的分析（1）电机将较细长，即电机总长较长而直径较小。这样，绕组端部变得较短，端部的用铜（铝）量相应减少，当λ仍在正常范围内时，可提高绕组铜（铝）的利用率。端盖、轴承、刷架、换向器和绕组支架等结构部件的尺寸较小，重量较轻。因此，单位功率的材料消耗较少、成本较低。（2）假设电机的电枢体积未变，因而铁的质量M不变，在同一磁密下基本铁耗也不变。但附加铁耗有所降低，机械损耗则因直径变小而减小。再考虑到电流密度一定时，端部铜（铝）耗将减小，因此，电机中总损耗下降，效率提高。（3）由于绕组端部较短，因此，端部漏抗减小。一般情况下，这将使总漏抗减小。（4）由于电机细长，在采用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。为此必须采取措施来加强冷却，例如采用较复杂的通风系统。但在主要依靠机座表面散热的封闭式电机中，热量主要通过定子铁心与机座向外发散，这时电机适当做得细长些可使铁心与机座的接触面积增大，对散热有利（对于无径向通风道的开启式或防护式电机，为了充分发挥绕组端部的散热效果，往往将入取得较小）。（5）由于电机细长，线圈数目常较粗短的电机为少，因而使线圈制造工时和绝缘材料的消耗减少。但电机冲片数目增多，冲片冲剪和铁心叠压的工时增加，冲模磨损加剧；同时机座加工工时增加，并因铁心直径较小，下线难度稍大，而可能使下线工时增多。此外，为了保证转子有足够的刚度，必须采用较粗的转轴。（6）由于电机细长，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。选择λ值时，通常主要考虑；●参数与温升，●节约用铜（铝），●转子的机械强度，●转动惯量等方面的限制或要求。不同类型电机λ的选择●异步电机在中小型异步电机中，通常λ=0.4~1.5，少数为A=1.5～4.5；大型异步电机则为λ=1~3.5；极数多时取较大值。异步电机的过载能力与功率因数等性能都和漏抗有关，因而也就与λ有一定关系，计算经验表明，这方面较合适的λ=1~1.3左右。当=1.5～3时，可得到用铜（铝）量和铜（铝）耗方面较适宜的电机。●同步电机对于凸极同步电机，λ一般随极数的增加而增大。通常，中小型同步电机的λ=0.6~2.5，其上限属于多极电机。对于高速或大型同步电机，由于转子材料机械强度的限制，极距不能太大，因而λ值较大，可达3～4。内燃机驱动的同步发电机或负载具有脉动转矩的同步电动机，为了避免因电机的电磁固有振荡频率与来自内燃机（或压缩机）转矩的强迫振荡频率相近而引起共振，以及为限制负载时功率振荡的幅值，要求电机具有较大的转动惯量。通常这类同步电机的λ=0.8～1.2。对于一般同步电动机，λ的选择则应考虑异步起动和过载能力问题。由于其起动性能比异步电机的要差，而且需要牵入同步，故转动惯量不应太大，即λ一般宜取得大些。水轮发电机的飞逸转速较高（1.6~2.6nN），为了保证飞逸时转子构件的机械应力不超过允许值，最好选用较大的λ；但另一方面，由于在运行中发电机突然卸去全部负载时，水轮机导水机构不能立即关闭，为了控制机组转速上升值在一定范围内，并保证在所有运行情况下转速变化率不大，从而使电力系统运行的稳定性较高，又需要一定的转动惯量，也就是要求λ较小。这两个要求是互相矛盾的，但如根据具体情况正确选择λ，则矛盾是可以解决的。通常对于额定转速较高或容量特大的水轮发电机，转子机械强度问题比较突出；额定转速较低的水轮发电机，转子机械应力一般不大，这时转动惯量对尺寸的要求将起决定作用。汽轮发电机通常为2极或4极，转速较高，转子外径增大时，其离心力迅速增大。转子本体及护环材料目前可能达到的机械性能限制了它们外径的加大。为了使转子机械应力不超过允许值，功率的增长主要只能在加强冷却的情况下，通过增加电枢长度来达到，因此汽轮发电机的λ一般随功率增加而增大。根据分析，从用铜量的观点来看，λ=1.91（2极电机）或3.82（4极电机）是其最佳数值，大于上述数值时，不会降低损耗和提高效率，小于上述数值，则会引起损耗显著增加和效率显著降低。实际上，由于容量、电压、使用材料和冷却方式等的不同，的数值范围仍旧相当大（例如2极电机约为1~4）。●直流电机λ越大，则电枢越长，换向器片间电压和换向元件的电抗电势均将增大，使换向条件变差。过大的λ还会导致磁极铁心的截面形状变得狭长，使励磁绕组金属的利用率下降。一般说，小型直流电机的换向问题不大，本来λ可以取大些；但为了在电枢上获得足够的槽数，仍常采用较低的λ值。频繁起动和可逆转的轧钢电动机，通常要求转动惯量较小，以减少起动和运行过程中的能量损耗，缩短过渡过程的时间，提高生产率，因此需选取较大的λ值。大型电机与高速电机，换向比较困难，而且为了避免因直径太大而使电枢圆周速度过