电机设计及其CAD-第1章

SchoolofElectricalEngineering109十一月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SchoolofElectricalEngineering209十一月2024初步掌握电机CAD软件编制方法SchoolofElectricalEngineering309十一月20244课程安排32学时:授课各单元作业SchoolofElectricalEngineering409十一月2024第一章电机设计概述SchoolofElectricalEngineering509十一月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。SchoolofElectricalEngineering609十一月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。SchoolofElectricalEngineering709十一月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）SchoolofElectricalEngineering809十一月2024SchoolofElectricalEngineering909十一月2024SchoolofElectricalEngineering1009十一月2024SchoolofElectricalEngineering1109十一月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。SchoolofElectricalEngineering1209十一月2024SchoolofElectricalEngineering1309十一月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SchoolofElectricalEngineering1409十一月2024SchoolofElectricalEngineering1509十一月2024

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。SchoolofElectricalEngineering1609十一月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。SchoolofElectricalEngineering1709十一月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。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。SchoolofElectricalEngineering1809十一月2024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SchoolofElectricalEngineering1909十一月2024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。SchoolofElectricalEngineering2009十一月20242007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。SchoolofElectricalEngineering2109十一月2024SchoolofElectricalEngineering2209十一月2024（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SchoolofElectricalEngineering2309十一月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SchoolofElectricalEngineering2409十一月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）SchoolofElectricalEngineering2509十一月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。SchoolofElectricalEngineering2609十一月2024（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）SchoolofElectricalEngineering2709十一月2024SchoolofElectricalEngineering2809十一月2024SchoolofElectricalEngineering2909十一月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。SchoolofElectricalEngineering3009十一月2024SchoolofElectricalEngineering3109十一月2024SchoolofElectricalEngineering3209十一月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。SchoolofElectricalEngineering3309十一月2024SchoolofElectricalEngineering3409十一月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。

SchoolofElectricalEngineering3509十一月2024SchoolofElectricalEngineering3609十一月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。SchoolofElectricalEngineering3709十一月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SchoolofElectricalEngineering3809十一月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。SchoolofElectricalEngineering3909十一月2024SchoolofElectricalEngineering4009十一月2024SchoolofElectricalEngineering4109十一月2024SchoolofElectricalEngineering4209十一月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SchoolofElectricalEngineering4309十一月2024调速永磁同步电动机永磁直流电动机SchoolofElectricalEngineering4409十一月2024无刷直流电动机异步起动永磁同步电动机SchoolofElectricalEngineering4509十一月2024SchoolofElectricalEngineering4609十一月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SchoolofElectricalEngineering4709十一月2024感应电机：1-5同步电机：1-6直流电机：1、2、5SchoolofElectricalEngineering4809十一月2024SchoolofElectricalEngineering4909十一月2024SchoolofElectricalEngineering5009十一月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SchoolofElectricalEngineering5109十一月2024

直流电机的装配图SchoolofElectricalEngineering5209十一月2024

转子分装配图SchoolofElectricalEngineering5309十一月2024SchoolofElectricalEngineering5409十一月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）。SchoolofElectricalEngineering5509十一月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SchoolofElectricalEngineering5609十一月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SchoolofElectricalEngineering5709十一月2024夹具，如夹紧定子机座的夹具SchoolofElectricalEngineering5809十一月2024量具：关键尺寸的检验工具