现代电机设计及分析方法 课件全套 第1-8章 电机设计概述 - 电机发热与冷却计算

现代电机设计及分析方法第一章

电机设计概述1.1

课程说明课程的目的和任务：专业方向课 研究电机设计原理和方法的一门课程通过本课程的学习，了解电机设计的基本原理通过典型机种的设计，使学生掌握电机设计的基本方法和过程。课程特点：内容涉及面广（电、磁、机械、力学、热、流体、声、计算机、数值计算、电力电子）内在关系复杂（技术指标与变量间的多方约束）工程观点处理问题等效观点处理问题博观而约取，厚积而薄发——苏轼第一章电机设计概述概述1.2

电机制造业的发展趋势电机作为应用最广泛的电气设备，是中国制造业的重要组成部分，目前我国普通电机的设计技术已经成熟，随着企业技术水平的提高以及不断吸收国外先进的技术，未来电机行业也将向着高效性、高可靠性、轻量化小型化、智能化等更高目标发展。单机容量增大特种电机更多引起设计、制造、运行方式变化。博观而约取，厚积而薄发——苏轼第一章电机设计概述概述1.2

电机制造业的发展趋势3.

三化、四新三化：从管理的角度在宏观降低整个行业的成本标准化；

系列化；

通用化四新：利用科技进步提高产品的品质新技术新结构新工艺新材料多用途、多品种、高可靠性、寿命长；噪声低、重量轻、高效节能、机电一体化、智能化。4.

高效电机、超高效电机第一章电机设计概述概述1.3电机设计的任务和依据1、任务PNU

NnNmf

cos

mTTstIst5个运行规范5个技术要求国家经济政策、电机理论及设计方法两个关系：

性能与成本理论与实际性能好体积小重量轻结构简单运行可靠制造、维修方便…博观而约取，厚积而薄发——苏轼第一章电机设计概述概述1.3

电机设计的任务和依据2、设计过程用户要求初始设计标准、资料现场运行工况任务书电磁设计电磁性能计算电磁方案总装草图结构设计机械、冷却加工图性能校核（一）准备阶段收集资料，即相关的国家标准、相近的电机技术资料，包括试验数据。在分析资料的基础上编制技术任务书。（二）电磁设计根据技术任务书的规定，进行电磁计算，确定所设计电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能。（三）结构设计确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格等。博观而约取，厚积而薄发——苏轼第一章电机设计概述概述1.3

电机设计的任务和依据3、对设计人员的要求1）具备过硬的电机设计技术；2）设计人员要注意贯彻国家的技术经济政策，努力使产品既满足使用要求，又尽可能地降低成本；3）设计人员应认真地听取有关人员的意见和建议，注意理论与实际、设计与工艺相结合，认真进行调查研究、访问用户和查阅资料等。电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一定要求的文件，它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。生产部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家标准规定的要求。博观而约取，厚积而薄发——苏轼第一章结束！第2章

电机主要参数之间的关系第二章

电机主要参数之间的关系§2-1 电机的主要尺寸关系1、何为电机的主要尺寸电机主要尺寸是指：电枢铁心的直径和长度对于直流电机，电枢直径是指转子外径；对于感应电机和同步电机，则是指定子内径。确定主要尺寸是设计电机的第一步。主要尺寸确定以后，电机的重量、价格、工作特性等方方面面也随之而定。2、电机主要尺寸关系式电机的主要尺寸与电磁功率有着密切的关系，后者可以用电机的计算功率来表示。因此，可由计算功率（通过气隙的电磁能）出发得到主要尺寸关系式。E

4KNmKdpfN

Nm交流电机的电磁计算功率：P'

mE（I VA）交流电机电枢绕组的相电势为：KNm

—气隙磁场的波形系数K =

气隙磁场有效值

（正弦分布时等于1.11）气隙磁场平均值Kdp

—绕组系数'av ef

p ef每极磁通：

B

l

B

l''av p

B

B

—计算极弧系数pB

—气隙磁密的最大值B

av

—气隙磁密的平均值ef

Dl —铁心等效长度

—极距

=2

p第二章

电机主要参数之间的关系引入线负荷概念又将E和I的计算公式带入整理后可得：※

D线负荷：单位电枢圆周上的安培导体数

A

m2NIm2NI

DA''6060Nm dpNm dpNm dpefpnpn2

p

p ef

p

D

lNB

lNB

E

4KK fN

4K

K

4K

KP'

mE（I

VA）'6.11efAp Nm dpAD2l

nP'K ABK

K

C

=B

—磁负荷CA

—电机常数 KA

—利用系数主要尺寸关系式第二章

电机主要参数之间的关系主要尺寸计算公式中'pNmdp,

K ,

K

在一定功率和转速范围内的电机，A

和

B

的变动范围不大，而的变化范围更小，所以把

CA

称为电机常数。ef efefefAD2l

n

D2lD2lD2lP'P'P'T

'n602

C

60

2

P'

T

'

—计算转矩

T

'

2ef 体现的是电机的体积，即所需消耗的有效材料“Dl

”的体积。则电机常数和利用系数的物理含义为：CA

—大体上反映了产生单位计算转矩所消耗的有效材料的体积，反映了材料的消耗量。KA

—表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩。KA

的大小反应了电机材料的利用率，因此，通常称之为利用系数。利用系数的高低取决于两方面：其一是材料的质量；其二是制造工艺水平。第二章

电机主要参数之间的关系3、讨论从主要尺寸关系式得出的结论（在一定范围内成立）

※'6.1efAD2l

nP'K ABp Nm dp

K

=C重要结论1）若P

为常数,

则

n

增加

体积降低；2）若体积为常数,

则

n增加

P

增加

---n大、P

大的电机可以同n小、P

小的电机放在同一机座号内；3）若n为常数,

体积增加

P

增加,

若D为常数,

则长度增加

P

增加；4)

若P

为常数,

n为常数,

A、B

增加

体积降低，高能量密度电机。第二章

电机主要参数之间的关系§2-2 电机中的几何相似定律和系列电机1、电机的几何相似定律及由此引出的结论电密、磁密、转速和极数相同，容量递增、相应几何尺寸成比例。几何相似电机是指电机对应的尺寸间具有相同的比值则，因此，单机容量越大越好。受温升约束，单机容量不能任意大。cuFecu

FeFe cu

FeP

EI

N

BFe

SFe

J

S

J

BN

S S

J

BS S

l

41即，l

P

4而，重量、成本、损耗

l31P

4

P

' P

' P

' l重量 成本损耗 1 1(J、B不变时，损耗只与体积成正比)可知，随着电机容量的增大，电机有效材料的利用率和电机的效率均将提高第二章

电机主要参数之间的关系2、系列电机及其特点定义：技术要求、应用范围、结构形式、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。便于成批生产和实现生产过程的机械化、自动化，也有利于提高产品质量和产量。系列电机具有以下几方面特点：1）系列电机的额定功率具有一定的范围，按一定比例递增。2）系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中的一种或几种。3）系列电机有一定的转速范围或等级。4）系列电机规定了若干铁心冲片的外径尺寸，且每一外径对应于一个机座号。同一个机座号可有几种不同的铁心长度。每一种铁心长度对应于不同的功率数值。第二章

电机主要参数之间的关系§2-3 电磁负荷的选择AK AB

Cp Nm

dp

K'efP'D2l

n6.1根据主要尺寸关系式，由于αp′、KNm、Kdp变化不大，因此当计算功率P′与转速n一定时，电机的主要尺寸取决于电磁负荷A、Bδ。显然，A

,

B

CA

D

l

体积

重量

成本

2ef所以，人们总希望选取较高的A和Bδ，但是，过高的A和Bδ也带来负面影响。因此，要掌握电磁负荷选择对电机性能的影响及选择依据。第二章

电机主要参数之间的关系1、A和Bδ的选择对电机的影响1）在n、P’=Const.

（出力一定）,

若

Bδ

=Const.（常数），而A增加，则：① 体积降低，节省硅钢片等材料，成本减小②③④电抗↑→起动转矩↓，起动电流↓，最大转矩↓

(感应电机)铁耗PFE ↓体积降低

Φ

↓

N↑

(匝数)

R

↑

Pcu

↑N↑

铜重量↑、铜温升↑η

？Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1与体积成正比第二章

电机主要参数之间的关系2）在n、P’=Const.

（出力一定）,

若

A

=Const.（常数），而Bδ增加，则：① 体积降低，节省硅钢片等材料，成本减小②③ 饱和程度增大→气隙磁位降↑→磁化电流↑→cosφ↓④ 电抗减小→最大转矩↑，起动过电流↑，起动转矩↑

(感应电机)Bδ↑→PFE

↑↑体积↓→

PFE

↓PFE↑→铁心温升↑，

↓Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1与体积成正比第二章

电机主要参数之间的关系2、电磁负荷选择的依据电磁负荷选择时关联的因素很多，很难单纯地从理论上加以确定。要根据具体条件来选择，通常有以下要求及依据。制造成本1）

A和Bδ的比例适当运行成本2）导电、导磁材料好→

A、Bδ可增加3）工艺好→

A、Bδ可增加4）冷却条件好（冷却系统、结构）→

A、Bδ可增加5）转子圆周速度高→

A、Bδ可增加6）绝缘材料等级高→

A、Bδ可增加第二章

电机主要参数之间的关系3、关系曲线A和Bδ的值可以根据经验曲线来选取线负荷与功率之间的关系曲线磁负荷选择的经验值随着电工材料性能的不断提升及制造工艺的不断进步，电机的电磁负荷一直逐步提高，从而使电机的体积、重量不断减小。丰田Prius第三、四代电机对比第二章

电机主要参数之间的关系§2-4 电机主要尺寸的计算按上节原则初选A、Bδ转速n已知，则因此当计算功率P′确定时，电机的主要尺寸部分便可确定。CA已知efAD2lCP'n

ef初步选取主要尺寸关系式中相关系数1、D2l

的确定p Nm

dpefK AB

CA

K'P'D2l

n6.1主要尺寸第二章

电机主要参数之间的关系§2-4 电机主要尺寸的计算2、

P′

的确定对于同步机p Nm

dpefK AB

CA

K'P'D2l

n6.1主要尺寸P'

mE（I

VA）PN

mUNI

cos

（VA）'E NK Pcos

P

(感应电机)cos

P'

KEPN式中，

、cos

、U

N、PN由设计书上给定KE为电势系数，选择范围为0.85~0.95，

PN大者选大值。第二章

电机主要参数之间的关系§2-4 电机主要尺寸的计算3、

主要尺寸比D2lef可求，如何拆分D和lef？通过前面的计算即可初步确定电机的D2lef

。但是对相同的D2lef

，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，引入一个尺寸比的系数：电机主要尺寸比讨论：D2lef不变而λ较大：①

电机细而长。绕组的端部变得较短，端部用铜量相应减少，可提高绕组的铜的利用率，成本较低。②效率提高。电机体积未变，因而铁的重量不变，在同一磁密下的基本铁耗不变。但是附加铁耗有所下降；端部减小，铜耗也降低；机械损耗也因直径的变小而减小。因此电机总损耗下降，效率提高。

lef第二章

电机主要参数之间的关系§2-4

电机主要尺寸的计算3、

主要尺寸比讨论：D2lef不变而λ较大：③ 绕组端部较短，因此端部漏抗减小。④电机细长，对于轴向强迫通风的电机，通风散热条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀度加大；有利于径向自然冷却电机的散热。⑤电机细长，铁心冲片数目增多，冲片加工与铁心叠压工时增加；因铁心直径较小，嵌线难度增大，嵌线工时增多。⑥电机细长，转子转动惯量减小，适合要求频繁起动运行的电机。综上所述，当选择λ值时，通常要考虑的因数有：1）参数与温升；2）节约用铜量；3）转子机械强度；4）转动惯量等。第二章

电机主要参数之间的关系λ的取值范围（一）感应电机即异步电机通常λ=0.4~1.5，对大型感应电机则为λ=1~3.5。（二）同步电机对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的λ=0.6~2.5，其上限为多极电机。对于高速或大型同步电机，由于转子材料机械强度的限制，λ值选得较高，达3~4。（三）直流电机通常，中小型直流电机的λ=0.6~1.2，大型直流电机的λ=1.25~2.5实际设计时，λ值的选择往往需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的判断。第二章

电机主要参数之间的关系4、

D和lef的确定确定λ后，便可根据D2lef分解出D和lef，则efD2n

n2

CA

P

'D

12.43P'CA,

l计算出D和lef，的值后，还需向标准直径靠拢。为充分利用硅钢片，减少冲模等工装设备的规格与数量，加强通用性和系列电机功率等级递增的需要，规定标准电枢外直径

(交流机：定子、直流机：转子)。则求出电枢内径后→外径→标准外径→内径→长度第二章

电机主要参数之间的关系5、

实用中，根据经验类比法确定D和lef以上所讲的确定主要尺寸的方法不够简便。在实际应用中，人们根据实践经验，通常采用“类比法”来确定主要尺寸。所谓“类比法”，即是将所要设计的电机的具体条件（如结构、材料、技术经济指标、工艺等）参照已生产过的相近规格的电机的设计数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。例如：所设计的感应电机与已生产的同类型电机具有相同的极数

(转速相同)，但PN不同。根据主要尺寸关系式：则可近似认为Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1N

2N1ef

2ef

1N

2N12

ef

21 ef

1PPllPPD2lD

2l

,如果选取D1

D2

,则有

第二章

电机主要参数之间的关系第二章结束第3章

电机绕组与铁心设计第三章

电机绕组与铁心设计§3-1

感应电机定子绕组及铁心设计一、定子槽数选择当电机极数和相数一定时，槽数取决于每极每相槽数

q，当q大时：定子谐波磁场、附加损耗、谐波漏抗小；（由定子磁场波形可知—电流集中在槽中心线上）每槽导体数小，槽漏抗减小；槽散热面积加大；绝缘用量和加工工时增加，槽利用率下降。结论：理论上槽多好，电流分布均匀，磁场波形好；但工艺上难以实现。对感应电机：q=2-6。二、定子绕组设计1、基本要求：⑴

对称：①

相间对称：三相交流绕组各相相轴在空间互差120°电角度，并有相同的有效匝数，保证各相电动势和磁动势对称（大小相等、相位相差120°）；②

支路对称：各相并联支路具有相同的电动势、电流和阻抗；⑵

绕组感应的电动势和磁动势的基波分量尽可能大，谐波尽可能小。2、分类：---

按绕组布置分：集中和分布绕组；---

按相带分：120°、60°、30°相带绕组；---

按q分：整数槽和分数槽绕组；---

按槽内线圈层数分：双层和单层---

按线圈形式和端部连接方式分：有叠绕组、波绕组（双层），同心式、链式、交叉式（单层）。第三章

电机绕组与铁心设计二、定子绕组设计3、绕组型式⑴单层绕组（用于小功率，如Y160及以下机座，

）无层间绝缘，槽利用率高；优点： 导体同相，无相间击穿；线圈少，嵌线方便。缺点：不易短距，磁场波形差。单层绕组通常有同心式、链式和交叉式同心式：

通常用于2p=2且q为偶数（下线容易，端部长且线圈数多）；链式：

通常用于2p

≥4且q为偶数（线模少，下线难）交叉式：通常用于q为奇数。（端部短）理论上不论极数和槽数如何，都可以形成如上三种绕组，但有端部连线长短之分。端部连线短的绕组最好，因此有如上说法。第三章

电机绕组与铁心设计绕组连接图1234567891011121314151617181920212223

24

N1

S1

N2

S2 AX1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24XA

N1

S1

N2

S2

N1

S1

N2

S2 AX1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36同心式绕组链式绕组交叉式绕组第三章

电机绕组与铁心设计定子绕组设计(2)双层叠绕组可短距；端部排列方便；线圈尺寸相同；绝缘多。(3)单双层绕组---

低谐波绕组（例如：用于q大两极电机的同心单双层绕组）yyy2双层叠绕组双层波绕组第三章

电机绕组与铁心设计节距

y=64、节距选择对于感应电机，正常情况下5

双层、2p≥

4（削弱5、7次谐波）2

双层、2p≥

2（方便下线、减小端部）3

单层2y以槽数计sin( q)2yq

sin( )

可以计算出绕组系数：

Kdp1

Kd1

K

p1

Kd1

,K

p1

sin 2 ,

mq第三章

电机绕组与铁心设计5、绕组接法Y

接，△

接正弦绕组：三相绕组磁势中所包含的高次谐波的强弱直接影响着电动机的性能，采用正弦绕组可以加强基波磁势，削弱5次，7次等一系列谐波，因而电动机出力可以提高，同时振动和噪声也可减小，改善电动机性能，降低能耗。6、每相串联导体数由线负荷A及定子电流可得出每相导体数：1PNN

mU

cos

Di1A

mN

I1线负荷估算定子电流

I

则每相串联导体数

N

可得第三章

电机绕组与铁心设计7、每槽导体数，单层时为整数；双层是为偶数。或8、导体的规格与并绕由估算的电流和选定的电密值，推算导体截面积S1

=

I1/

J1（裸线-过流）用算出的S1

标准线规对照标称截面积选则标准线规。若计算得到的截面积太大，则考虑支路并联或导体并绕。1Q每槽导体数：Ns1

mN

1s1NQ

maN

1N

1

为每相每支路串联导体数，1Q 为定子槽数，a为并联支路数。查线规表第三章

电机绕组与铁心设计1并联支路数a ≤① 相同或相邻的导线在一起并绕

n1-d1,

n2-d2② 最大并绕根数≤8③ 横纵并绕。其中①和②为散下线时，③为成型线圈。9、每槽内导体所占面积由槽内导体数、线规尺寸—电负荷确定导线（用绝缘后的方形面积）所占的面积。(1)

支路并联2p 双层时2p 单层，q为偶数p(2)

导体并绕

–

线规的确定如何考虑并绕：单层，q为奇数1aN

1

N

第三章

电机绕组与铁心设计绕组第三章

电机绕组与铁心设计三、定子槽型设计1、选槽型小型电机—梨形槽，散下线；中型低压—半开口槽；中大型高压—开口槽2、散下线时：槽口尺寸：由导线尺寸确定，利于下线；槽斜肩角：30°磁负荷确定尺寸：选定齿部磁密Bt1→确定齿宽bt1

→

bs1

、hs1选定轭部磁密Bj1→计算轭高hj1

→

Rs

、hs2槽满率大小：大于78%，工艺不允许；小于70%，铁的利用率、散热差。3、定子硬线圈时导条尺寸和槽型尺寸的确定从电的角度→导体面积→槽尺寸→从磁的角度核算

（或相反途径）Fet

1为槽距b

t1为齿宽K 为铁心叠片系数。由定子一个齿距内的气隙磁通：B

t

l

1

ef

Bt1b

t1KFelt

由一个极下的气隙磁通)：

p

B

lef

2Bj1hj1

KFelt

第三章

电机绕组与铁心设计§3-2 感应电机转子绕组及铁心设计一、转子槽数选择

--

多少个？定子槽数确定后，转子槽数不能随便定，定、转子间需选择合理的槽配合，选择槽配合的原则为：减小附加损耗

--

用少槽（转子槽略少于定子槽）、近槽配合；降低噪声

--远槽配合；3. 减小异步转矩

--Z2≤1.25（

Z1+p）减小同步转矩减小震动噪声使用推荐的槽配合第三章

电机绕组与铁心设计二、转子槽形及尺寸确定

--

什么样？多大尺寸？转子各种槽型特点及选择教材中共给出十种槽型，可分为三类：简单槽；深槽/凸/刀形槽；双笼槽型尺寸与确定定子槽尺寸类似在一个齿距内：气隙磁通=一个齿内磁通，选定齿部磁密Bt2→确定齿宽bt2在一个极距内：气隙磁通=2×轭部磁通，选定轭部磁密Bj2→计算轭高hj2从而确定槽尺寸再从电的角度核算，估算选择转子电密；估算转子槽面积S2=

I2/

J2,校核由磁通计算所开的槽面积。1

m

N K2

2

dp2m1

N

1

Kdp1I2

K

II第三章

电机绕组与铁心设计3. 特殊槽型尺寸确定（面积等效）先按简单槽型开槽，再从面积等效观点确定尺寸。三、端环尺寸的确定选择端环电密,

估算端环面积,

SR=

IR/

JR按转子外径和槽深确定端环厚度,

最后确定端环宽。由转子导条电流估算端环电流:I

RQ22

p

I

2第三章

电机绕组与铁心设计§3-3

异步起动永磁同步电动机绕组及铁心设计异步起动永磁同步电动机主要在要求高效节能的场合替代感应电动机，因此其设计的目标是：高功率因数、高效率、起动性能好、经济性好、工作可靠。电机理论及设计方法符合要求可靠性高经济性好计算方法设计要求国家标准生产实际电磁设计任务：确定转子磁极结构、定转子冲片尺寸、定转子绕组数据等设计参数以满足设计要求。一、异步起动永磁同步电动机的额定数据和主要性能指标额定数据：

PN

、

UN

、f、

nN主要性能指标：ηN

、

cosφN

、Tm/TN（最大转矩倍数或失步转矩倍数或过载能力）、Tst/TN、Ist/IN、Tmin/TN（最小转矩倍数）、Tpi/TN（牵入转矩倍数）

。第三章

电机绕组与铁心设计定子槽漏抗减小槽中线圈边的总散热面积增大，有利于散热绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率低q1

大q1

：2~6二、定子冲片尺寸和气隙长度的确定q1→Q1定子谐波磁场减小，附加损耗降低综合对于常规用途的小功率永磁同步电动机，为提高零部件的通用性，缩短开发周期和成本，通常选用Y系列、Y2系列或Y3系列小型三相感应电动机的定子冲片。永磁同步电动机的气隙磁密高、体积小，可选用比相同规格感应电动机小一个机座号的感应电动机定子冲片。在感应电动机中，为提高cosφ

，通常使气隙长度尽可能小，而在永磁同步电动机中，cosφ可以通过调整绕组匝数和永磁体进行调整，气隙长度对杂散损耗影响较大，因此通常比同容量的感应电动机气隙长度大0.1～0.2mm。在永磁体尺寸一定的前提下，适当增大气隙，对每极基波磁通影响较小。第三章

电机绕组与铁心设计三、定子绕组的设计永磁同步电动机转子永磁体产生的磁场含有大量的谐波，感应电动势中谐波含量也较高，为避免三次谐波在绕组各相之间产生环流，三相绕组的连接通常采用Y形接法。1.

定子绕组型式和节距选择单层绕组双层绕组正弦绕组同心式： q1

=4、6、8，

两极电机；链式： q1

=2

的4、6、8极电机；交叉式： q1

为奇数的电机。优缺点主要用于180及以上机座号的电机；

同感应为削弱磁势及5次、7次谐波，通常选择节距y=5τ/6；

电动机对于两极电机，为便于嵌线和缩短端部长度，除铁心很长的以外，

取y=

2τ/3。第三章

电机绕组与铁心设计每相串联匝数的确定永磁同步电动机的起动性能和功率因数都与每相串联匝数直接相关。在确定每相串联匝数时，通常先满足起动要求，再通过调整永磁体来满足功率因数的要求。永磁同步电动机的起动能力比感应电动机差，故每相串联匝数少，起动电流倍数高。电流密度选择、线规、并绕根数和并联支路数的确定在永磁同步电动机中，为达到高效节能的目的，电流密度通常比同容量的感应电动机低，同时每相串联匝数较小也为低电流密度的采用提供了保证。C1t11 t1

1I1导线截面积为：

Aa

N

J

N

为并绕根数。第三章

电机绕组与铁心设计四、转子铁心的设计1.

定转子槽配合同感应电动机类似，当永磁同步电动机定转子槽配合不当时，会出现附加转矩，产生振动和噪声增加，效率下降。在选择槽配合时，通常遵循以下原则：（1）Q2为极数的整数倍，采用多槽远槽配合。（2）降低异步附加转矩，Q2

≤1.25（

Q1+p）。（3）避免同步附加转矩，

Q2

≠Q1、

Q2

≠Q1±p、

Q2

≠Q1±2p。（4）避免单向振动力，

Q2

≠

Q1

±1、

Q2

≠

Q1

±p±1。2.

转子槽形及尺寸为了有效隔磁，通常采用平底槽。在小型内置式永磁同步电动机中，为提供足够空间放置，槽高度较小，集肤效应远不如感应电动机明显，且凸形槽和刀形槽形状复杂、冲模制造困难，故通常采用梯形槽。转子导条的主要作用是用于起动，同步运行时，气隙基波磁场不在转子导条中感应电流，因此在设计转子槽和导条时，主要考虑起动性能、牵入同步性能和转子齿、轭部磁密，由于槽通常窄且浅，转子齿、轭部磁密裕度较大。第三章

电机绕组与铁心设计通常情况下，增大转子电阻，可以提高起动转矩，但牵入同步能力下降，因此在设计转子槽和端环时，要兼顾起动转矩和牵入转矩的需要。由于永磁体是从转子端部放入转子铁心的，从工艺方面考虑，通常永磁体槽和永磁体之间有一定的间隙，其大小取决于冲片的加工和叠压工艺水平，通常为0.1～0.2mm。转子磁极结构的选择无论何种磁极结构，都需要能放置足够的永磁体。在保证永磁体放置空间的前提下，尽量选用结构简单、机械性能好、隔磁效果好的磁极结构。永磁体设计在异步起动永磁同步电动机设计中，永磁体形状通常为矩形，主要尺寸为：每极永磁体的总宽度、永磁体充磁方向长度和永磁体轴向长度，其中永磁体轴向长度跟电机转子铁心长度相同，因此只需确定每极永磁体的总宽度和永磁体充磁方向长度。第三章

电机绕组与铁心设计第3章

结束！第4章

磁路设计第四章

磁路设计§4-1 概述1、磁路计算的目的为得到所需要的磁通，确定励磁电流（感应电机）和空载特性（直流和同步机）。2、磁路计算过程忽略电机端部影响，可将电机内3D电磁场的计算简化为2D电磁场的计算。根据结构对称，可以只考虑一对极下的磁通情况。基本原理：基于安培全电流定律

H

dl

i将积分路线选为一条磁力线：

H

dl

i选一条特定的磁力线,

认为在每一段上磁场强度近似不变：

H

j

l

j

i

jNS磁路计算步骤：1、选择积分闭合回路。一般所选择的闭合回路通过磁极的中心线。2、分段：即沿着闭合回路，分为若干段，认为各段的磁通沿着截面均匀分布，各段中的磁砀强度为恒值。3、如果积分路径沿着磁场强度的矢量取向（即沿着磁力线），则：

H

j

l

j

i

j大体步骤：磁场→磁势→励磁电流第四章

磁路设计于是每对极回路的励磁磁势：n

l

Hdl

H1L1

H

2

L2

Hn

Ln

H

x

Lx

F01由于一对极中的两个极的磁路情况是相同的，所以也可以只计算半条回路上各段的磁压降，其总和即为每极的励磁磁势。励磁磁势的计算可归结为计算每极磁路上各段磁压降。电机磁路通常可分如下5段（每段上H近似相等）：其中空气隙的磁压降通常占较大的比例（约60~85%）。电机中的铁心一般多采用表面涂漆的硅钢片叠压而成。感应电机气隙定子齿(定子齿连)

轭转子齿(转子齿连)

轭同步电机气隙定子齿(定子齿连)

轭转子磁极(转子极连)

轭直流电机气隙(定子)

磁极(定子极连)

轭转子齿(转子齿连)

轭第四章

磁路设计气隙

δ↓气隙长度的确定气隙长度(单边长度)对电机的影响：cos

←Im

←

F↓

(

F主要为气隙磁压降)x

,TM

,Tst

谐波磁场增大→谐波转矩、附加损耗、温声、噪音增大机械可靠性降低经验公式：i1

t

0.3(0.4

7 D

l

)

10

3

(小型感应机)9i12

p

D

(1

)

10

3

(大型感应机)第四章

磁路设计§4-2 空气隙磁压降的计算一、理想状态（磁场和气隙均匀时）通常计算是最大气隙磁通密度所在的磁极中心线处的气隙磁压降。即二、实际状态（磁场和气隙不均匀时）轴向：端部周向：一个极距内磁场分布不均径向：有齿槽影响使得磁场波形有很大的毛刺气隙内磁场分布不均时,

可分别沿

周/径/轴

向对其进行修正0B

F

=H

=

0 0

7

10

H/m

气隙的径向长度

H

极中心线处的气隙磁场强度B

气隙最大磁密

,

4空隙磁导率第四章

磁路设计1.

计算极弧系数

αp′的确定考虑周向：引入计算极弧系数

αp′

p efef

22B(x)dx

B

'

l

l

如图中实线所示,

每极磁通为:

B(x)ds

BB B

2

2

av'pB(x)dx1所以:

第四章

磁路设计计算极弧系数αp′表示在一个极距下的平均磁密与最大磁密之比。计算极弧系数αp′的大小取决于气隙磁密分布曲线B（x）的形状。当B（x）为正弦分布时，

αp′=2/π=0.637。p'pb'Bav ef

p

ef

若

B

l

Bb'

l则

av

B

可以将问题转化为：求bp′bp′为计算极弧长度第四章

磁路设计（1）直流电机的αp′转化为求计算弧长

bp′

（分同心圆、削角、不同心圆三种不同情况）① 均匀气隙（同心圆）bp

' 'p ppp,pb'

b

2

bp为极弧长度2

是计及了极尖处的边缘效应.将上式b

代入

式即可确定计算极弧系数

p'pb'

第四章

磁路设计② 不均匀气隙（削角、不同心圆）为了消弱电枢反应，磁极常做成削角的形状，如图所示。其中间部分的约2/3表面下的气隙仍是均匀的，两侧逐渐增大到2δ，对于这种极靴，由于边缘效应被削弱，因此可取：pp

bb'第四章

磁路设计② 不均匀气隙（削角、不同心圆）对于偏心的圆弧形极靴，即空气隙由δ连续地增大δmax，

当δmax

/δ＜3时，同样可取：p p

bb'但是δ的长度要加长，即：δeq

=0.75δ+0.25δmax第四章

磁路设计求出Ks以后，根据αp’与Ks的关系曲线，确定出αp’。sF

（2）感应(异步)电机的αp′一般情况下，感应电机由于磁路的饱和气隙磁场已不是正弦分布，而是与直流机类似的比较扁来的形状。因此Bδav/Bδ=

αp′

＞0.637。αp′和bp′都无法直接计算，

αp′的数值主要与定子齿与转子齿的饱和程度有关。齿部越饱和，则气隙磁场波形越扁来，

αp’也越大。齿部的饱和程度以饱和系数来标志，它等于：K

F

Ft1

Ft2第四章

磁路设计计算得到αp′时，涉及到电机设计中的第一个循环。图中还提出供了KNm=f(Ks)的关系曲线。当磁路不饱和，磁场分布为正弦波时，KNm=1.11，随着Ks的增大，KNm逐渐下降，但下降量很小。''s'pp efssK

l

K

K

's s先假定一个K

(1.15

~

1.45)

查出一个

根据公式B

得出B

计算出F

,

Ft1

,

Ft

2

Ks

若

1%

重新假定K

'，并进行计算.第四章

磁路设计（3）凸极同步电机的αp′凸极电机的励磁磁势空间波形呈方波，其Fδ的波形也是方波。希望使气隙磁密B(x)

的分布为正弦分布，推算出δ(x)，则气隙δ的大小在极弧下不是均匀的。δ的变化应满足如下关系：F

1 0

0

(x)

cos

x

B(x)

B cos

x

H(x)

0

F

(x)

而 B

1

B

代入上式得:第四章

磁路设计（3）凸极同步电机的αp′心。最大空气隙δmax按下式计算，得出两侧值及中间点的δ值，过三点定弧形：cos

x

的外表做成圆弧形，和定子铁心内圆不同若气隙按

(x)

规律变化在工艺上实现十分困难，通常做法是把极靴maxcosp

b

2

,

max

一般控制在1.5左右极弧的长度bp一般选取(0.55

~

0.75)

'p'pbp

的数值可根据曲线

f(

)查出.第四章

磁路设计2.电枢或气隙的轴向计算长度lef的确定考虑轴向：引入轴向计算长度lef由于边缘效应，即磁通不是完全在铁心长度的范围内穿过气隙，有一小部分磁通从定转子的端面越过，如图所示。因此，轴向长度上要多算一些。经推导可得两端面处磁场分布的等效长近似为2δ。即：lef=lt+2δ第四章

磁路设计如果转子铁心中有径向通风道，如图所示。由于径向通风道处没有硅钢片，因此电枢计算长度比铁心总长要短些。于是电枢计算铁心长度为:l

l

N

b'ef t v

vNv为铁心中的径向通风道数;b'

为沿着铁心轴向长度因一个v径向通风道所损失的长度.对于仅转子上有径向通风道，定子无通风道的情况：对于定转子两方面都有径向通风道且相互对齐：vvb2b'

v b

5

2vvb2b'

v b

5

第四章

磁路设计3.气隙系数Kδ的确定定、转子表面开槽后视为气隙加长：引入Kδ，也称为卡氏系数把Kδδ称为有效气隙长度即：δef=

Kδδ从物理意义上讲，对气隙为δ的有槽电机，可以用气隙为Kδδ的无槽电机来等效，而气隙磁密的最大值仍为Bδ。Kδ≥1，闭口槽时Kδ=1第四章

磁路设计§4-3 齿部磁压降的计算Ft=HtLt式中：Ht----齿的磁场强度，对应于Bt，可由所用硅钢片的磁化曲线查得。Lt----齿的磁路计算长度。一、不饱和时齿磁密Bt计算1.

何为不饱和？（一般认为Bt＜1.8T

）硅钢片的饱和度不高，齿部的磁阻比槽部的磁阻要小得多。例如，Bt=1.5T时，μFe=882×10-6H/m，而μ0=1.257×10-6H/m，

μFe≈702μ0，因此认为在一个齿距范围内的主磁通经过气隙进入铁心后，几乎全部从齿内通过。如下图所示。第四章

磁路设计转子δt定子B

tl

'bt如果处于主极中心线上的一个齿距范围内的气隙平均磁密值是B

,则气隙磁通为:

t

B

lef

tttA若该磁通全部进入齿中,则齿中的磁密为:

B

ttK

Fe

铁心叠压系数,约为0.92

~

0.95bt

计算齿宽.l

'

铁心长度(不包括通风道)A

为齿的计算截面积,

A

K l

'bt t Fe

t

t第四章

磁路设计2.

平行齿时（梨形槽）沿着齿高度上的齿截面中的各处磁密相等或基本相等。即齿磁密为：t Fe

t

ttB

l

tA K l

'b

ef

B

t

3.

不平行齿时由于沿着齿高各点的宽度是变化的，因此齿部磁密和相应的磁场强度也是变化的。所以齿部的磁压降严格来讲应该采用积分法来求。工程中采用近似的方法：齿宽bt以距齿最窄处1/3高处的齿宽代入，或用辛卜生公式。第四章

磁路设计第三章

磁路计算二、饱和时齿磁密Bt计算（一般认为Bt＞1.8T

）由于齿部磁密超过1.8T，齿部磁路比较饱和，使齿部磁阻增大，与槽的磁阻相比差别不是很大。例如，

Bt=2T时的μFe为Bt=1.5T时μFe

的1/10，因此从槽部进入轭部的磁通增多。即实际的齿部磁场强度及磁压降要小一些。当齿很饱和时，可以假定在齿中走的磁通始终从齿中走,在槽中走的磁通始终从槽中走。取一圆柱面为等磁位面，该面垂直于磁力线。第三章

磁路计算二、饱和时齿磁密Bt计算（一般认为Bt＞1.8T

）在等磁位面处，一个齿距范围内的磁通分为两部分，Φtx经过齿，Φsx经过槽，即：

Φt′=

Φtx+

Φsx，两边同除以齿截面积St有（

Ss为槽部截面积）：则：联立方程①和②，以绘图法进行求解，则Bt和Ht过可求。t t s st t s tS S S S

t

tx

sx

Ss

即B'

B

K

B0ts

由于磁力线垂直于所取截面，所以在同一截面上(等磁位面)上：H

H

Bs'tt 0 t s

BtB

B

HK

①

(Ht)

②B'

齿的视在磁密t即假想磁通

t

全部进入齿时的齿磁密第三章

磁路计算Ft=HtLt式中：Ht----齿的磁场强度，对应于Bt，可由所用硅钢片的磁化曲线查得。Lt----齿的磁路计算长度。三、齿部计算长度Lt计算22 121121 2133t 22th

1

r对于直流电机电枢梨形槽:

L

h

2

(r

r

)对于感应电机定子梨形槽: L

h对于半开口槽: Lt

h1

h2对于开口槽: Lt

hsjjav2 2

pL

1

DjavK

j

为叠片系数,

hj为轭的高度, l

j

为轭的轴向长度.每极的磁轭路径计算长度为D 为轭的平均直径jjj j

jS 2Kh

l§4-4 轭部磁压降的计算

Fj=HjLj轭部分两种结构：其一是与极身相连的轭，称为极联轭，例如直流电机的定子轭；其二是与齿相连的轭，称为齿连轭，例如感应电机的定子轭。一、极联轭磁压降的计算通过磁极的磁通Φm经过磁极后分成两路，分别进入左右两边的轭，所以轭部磁通的数值是Φm/2。则极联轭轭部的磁密为：B

0.5

m=

B

j

(查磁化曲线)

H

j第四章

磁路设计轭部磁压降的计算

Fj=HjLj二、齿联轭磁压降的计算气隙磁通分散地进入齿部及轭部，因此各个截面所穿过的磁通是不一样的。且在每一截面处沿着径向方向的磁密也不是均匀分布的。在一个极面下,

Φ分散地通过齿而进入轭,

轭中磁场不均匀,

故需要积分进行计算。第四章

磁路设计二、齿联轭磁压降的计算Fj

L

j0H

j

(x)dl

H

jav

L

j

C

j

H

j

L

jH

j

相应于最大切向磁密处的磁场强度C

j

轭部磁压降的校正系数即，由Bj(最大轭部磁密)→查磁化曲线得Hj（最大磁密的磁场强度）→对Hj打折得到平均磁场强度Hjav=CjHj，所以Cj＜1。jFe j

j2K h'

l

B

过磁面积计算所需的计算轭高：22 3 3js1j s

2v

2d

r213r 2D

Dh

2 i2

h

22

对于定子圆底槽: h

D1

Di1

h对于转子圆底槽:dv

2

转子轴向通风道直径,

若无通风道则dv

2

0第四章

磁路设计§4-5 磁极磁压降的计算Fm=HmLm→求漏磁导和漏磁势漏磁计算分为极靴处漏磁计算和极身处漏磁计算。Bm

(查磁化曲线)

Hm其中

Lm (极身高和极靴高)

hm

hpm m m

mmS K b l

2d

'b'而，B

m

，只有

未知。

F

第四章

磁路设计§4-6 磁化电流及空载特性计算各类电机励磁电流或空载特性的计算步骤为：1、根据感应电势E确定每极的气隙磁通Φ；2、计算磁路各部分的磁压降，将各部分磁压降相加便得到每极磁势；3、计算磁化电流或空载特性。一、同步电机及直流机的空载特性曲线计算由于运行时励磁电流的调节而使感应电势E有相当大的变动，需要计算空载特性曲线。需调节励磁电流，给定不同的E计算即计算对应于一系列的感应电势值：0.3UN，0.6UN，0.8UN,---------1.3UN的磁路总磁压降F0及相应的励磁电流。（注：空载时U=E）E

f(I0)

。0m1j1j1m

2j

2fECe

n4KNM

fNKdpN

E

E (D.C)

/(Syn.)

B

H

F

F

Ft2

Fj2(D.C.)/F

Ft1

FF

F (Syn.)

I

F

F

F

F第四章

磁路设计二、感应电机的磁化电流计算E变化不大，且工频电源供电时，励磁不可调，所以只考虑负载点和空载点。2.

空载时此时参数已求出，故E01

可求，则1.

负载时

E1

K

EU

n

，先假设一个电势系数K

E

0.85

0.95U→E→Φ→B→H→ΣF

F

F

Ft1

Fj1

Ft2

Fj

2dpm0.9mK

W2

p

FI

可求出Im，而后对KE进行叠代校核。0

1m

1N

m0

1N

I xx

UII x

UE01

UN

I r

x

U2 20 1

1

N

I

m0

F01E01

01第四章

磁路设计§4-7 永磁电机的磁路设计与计算一、永磁电机的磁路结构永磁电机与电励磁电机的电枢结构相同，主要区别在于前者的磁极为永磁体。永磁电机磁路的形式多种多样，有许多不同的分类方法。1. 按永磁体所在的位置分：旋转磁极式和旋转电枢式旋转磁极式：永磁体在转子上，电枢是静止的，永磁同步电动机、无刷直流电动机都采用该种结构；旋转电枢式：永磁体在定子上，电枢旋转，永磁直流电机采用该种结构。第四章

磁路设计旋转磁极式结构旋转电枢式结构第四章

磁路设计2.

按所使用的永磁材料种类分：单一式结构和混合式结构单一式结构：在一台电机中，只采用一种永磁材料。绝大多数电机都采用该种结构；混合式结构：同一台电机中采用两种或两种以上永磁材料。混合式结构通常采用两种性能特点不同的永磁体，扬长避短，充分发挥永磁材料的优势，提高电机的性能，降低制造成本。混合式磁极式结构第四章

磁路设计3.

按永磁体安置方式分：表面式和内置式表面式：永磁体直接面对空气隙，具有加工和安装方便的优点，但永磁体直接承受电枢反应的去磁作用；内置式：磁极的永磁体置于铁心内部，加工和安装工艺复杂，漏磁大，但可以放置较多的永磁体以提高气隙磁密、减小电机的重量和体积。表面式结构内置式结构第四章

磁路设计4.

按永磁体形状分：瓦片形磁极、弧形磁极、环形磁极、爪极式磁极、星形磁极和矩形磁极进行永磁体设计时，必须保证永磁体在磁路中产生足够的磁通和磁动势，若所采用的永磁材料不同，则永磁体的形状也不同。铝镍钴剩磁密度高、矫顽力小，通常做成细长的形状；铁氧体和稀土永磁材料矫顽力大，由于其相对回复磁导率接近1，磁阻大，当充磁方向长度增加到一定程度后，继续增大充磁方向长度，永磁体对外提供的磁通增加很少，因此通常采用扁平结构。第四章

磁路设计二、永磁体的等效磁路永磁电机的磁路由永磁体、空气隙和导磁材料组成，其等效磁路分为永磁体和外磁路两部分。永磁体工作点在回复线上，对于稀土钴永磁材料和常温下的钕铁硼永磁材料，其退磁曲线基本为直线，因此回复线与退磁曲线基本重合，为连接（0，Br）和

（Hc，0）两点的直线，可表示为：cr r0 rHB

B

BrH

B

H对于铁氧体和高温下的钕铁硼永磁材料，其退磁曲线的拐点以上为直线，拐点以下为曲线，只要永磁体工作在拐点以上，回复线就与退磁曲线重合。在设计时，通常采取措施保证永磁体的工作点不低于拐点，因此其工作曲线为直线部分的延长线，可表示为cr r0 rHB

B

BrH

B

H第四章

磁路设计对于铝镍钴永磁材料，其退磁曲线是弯曲的，回复线与退磁曲线不重合。在设计和使用时，要对其进行稳磁处理，预加可能的最大去磁磁动势，然后永磁体工作在以该工作点为起点的回复线上，可表示为crrr 0 rBH

B

B

H

B

Hm

m

BAm

F

Hh

m在永磁电机中，永磁体是以一定尺寸出现的，其对外表现是磁动势Fm和磁通Φm。假设永磁体在垂直于充磁方向上的截面积都相同

（为Am），充磁方向长度均匀

（为hm），磁化均匀，则以上三种情况可以统一表示为：B

Br

0

r

H

(a)对于前两种情况有：

Br

Br第四章

磁路设计将两端同乘以Am得：rm r m 0 r m rmmmhR

B

A

HA

0

rAm

Hh

FmB

Br

0

rH可以看出，永磁体可等效为一个恒定磁通源和一个磁阻的并联如图所示。为永磁体的内磁阻。rr m式中，

B

A0 r mhm称为虚拟内禀磁通；Rm

A

第四章

磁路设计第七章

永磁同步电动机设计式还可以表示为m两端同乘以h 得：cm m cm m0 r m

AF

h

H

Bhm

Am

F

RB

Br

0

rH可以看出，永磁体也可等效为一个恒定磁动势和一个磁阻的串联。称为虚拟内禀磁动势

。式中，Fc

Hc

hm0 rB

H

Hc

第七章

永磁同步电动机设计三、永磁电机外磁路