電機設(shè)計.pdf

第一篇第一篇 旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計旋轉(zhuǎn)電機設(shè)計 第一章第一章 電機設(shè)計概述電機設(shè)計概述 1-1 電機制造工業(yè)的近況與發(fā)展趨勢 1-1 電機制造工業(yè)的近況與發(fā)展趨勢 一、單機容量迅速增長 1為什么單機容量要增加？ 從制造角度看，功率大，材料越省，效率高，電機材料選用率提高； 從運行角度看，功率大，機組數(shù)目少，運行人員少，維修費用減小。 2國內(nèi)單機容量 3國外單機容量 二、向多品種發(fā)展 我國中小型電機系列有 72 個系列，531 個品種 J、JO 第一次統(tǒng)一設(shè)計 基本系列：異步電機 J2、JO2 第二次統(tǒng)一設(shè)計 Y、YO 第三次統(tǒng)一設(shè)計（性能好，效率高，噪聲?。?JS2 籠型 JR2 繞線型 T2 同步電機 Z3 直流電機 派生和專用系列： 防爆、船用、潛水 單繞組多速、力矩、起重冶金等 三、積極采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝 應(yīng)用電子計算機計算 新技術(shù) 異步電機單繞組多速和 Y-混合繞組 直流機的可控硅供電、無槽電樞 雙水內(nèi)冷卻技術(shù)、直線電機 1 絕緣材料：主要采用 E、B 級，向 B、F 級過渡 玻璃粉支母 無溶劑浸漆 新材料 聚酰亞胺 DMD 復(fù)合絕緣 玻璃鋼 電工材料：向冷軋方面發(fā)展 自動化：自動下線、端部開槽 半自動化：總裝自動線 新工藝 靜電噴漆 中型電機轉(zhuǎn)子導(dǎo)條環(huán)氧粉末涂敷 機座射壓造型 四、標準化、系列化、通用化程度不斷提高 五、積極開展電機理論、測試技術(shù)和新型發(fā)電方式的研究 對電機繞組、附加損耗、附加轉(zhuǎn)矩、電機冷卻、大型電機的端部磁場的研究； 磁流體、地熱、太陽能、風力和燃氣輪機用于發(fā)電的研究。 1-2 電機設(shè)計的任務(wù)與過程 1-2 電機設(shè)計的任務(wù)與過程 1電機設(shè)計的任務(wù) 根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格（功率、電壓、轉(zhuǎn)速）和技術(shù)要求（效率、參數(shù)、溫升、機 械可靠性） ； 結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟方面國家的方針政策和生產(chǎn)實際情況； 運用有關(guān)的理論和計算方法； 正確處理設(shè)計中遇到的多種矛盾； 設(shè)計出性能好，體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、制造和使用、維修方便的先進產(chǎn)品。 2設(shè)計的依據(jù) 給定：額定功率、額定電壓、相數(shù)、相間連接法、 額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、額定功率因數(shù) 3電機設(shè)計過程 2 準備階段：熟悉國家標準； 收集相近電機樣本和技術(shù)資料； 聽取生產(chǎn)使用單位的意見要求； 編制技術(shù)任務(wù)或技術(shù)建議書。 電磁設(shè)計： 根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過計算方案比較來確定與 所設(shè)計電磁性能有關(guān)的一些尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算電磁性能。 結(jié)構(gòu)設(shè)計： 機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求、材料； 機械計算； 通風計算； 溫升計算。 4對設(shè)計人員的要求 了解國家的技術(shù)經(jīng)濟政策； 本廠的工藝要了解； 要了解用戶提出的規(guī)格要求； 要熟悉前人的經(jīng)驗知識。 1-3 1-4 國家標準 國際標準 1-3 1-4 國家標準 國際標準 國家標準（代號 GB） ：對電機的一般要求規(guī)定和技術(shù)要求； GB755-65 電機基本技術(shù)要求：各類電機技術(shù)要求、銘牌、線端標志； GB760-65 電機安裝尺寸和外形尺寸的代號、規(guī)定各類電機的安裝和外形尺寸代號。 部頒標準（代號 JB） ：對某一類電機的技術(shù)要求、額定數(shù)據(jù)、使用條件； JB742-66 J2、JO2 系列三相異步電動機技術(shù)條件； JB1104-68 Z2 系列小型直流電機技術(shù)條件。 各類電機試驗方法：GB1032-68 中小型三相異步電動機試驗。 國際標準：指國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）所制訂的有關(guān)標準。 IEC 的第二技術(shù)委員會（簡稱 TC2）是專門制訂旋轉(zhuǎn)電機標準的機構(gòu)，它目前設(shè)有 6 個 分技術(shù)委員會，分管汽輪發(fā)電機，尺寸和功率等級，電刷、刷握、換向器和集電環(huán)，試驗方 法和程序，外殼防護、冷卻方式和安裝以及電機絕緣分級等工作。 3 第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系 一、 什么是主要尺寸？ 電機的幾何尺寸很多，有鐵心尺寸、繞組尺寸、外形尺寸、安裝尺寸，其它各種結(jié)構(gòu)部 件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸：電機的電磁過程主要是在氣隙中進行的，其能量形式 的轉(zhuǎn)換則是通過“氣隙主磁通”進行的。因此主要尺寸就必定與氣隙有密切關(guān)系。實踐證明， 靠近氣隙的電樞直徑（D）與鐵心有效長度（）是電機的主要尺寸，而氣隙可以說是第三 個尺寸。從幾何角度看，這些尺寸一經(jīng)確定了，其它尺寸就大體上確定了，而且不少電磁性 能也就基本上為它們左右或稍許變動。 ef l 鐵心尺寸 繞組尺寸 其它尺寸大體確定 電機的幾何尺寸 外形尺寸 主要尺寸 不少電磁性能變化不大 安裝尺寸 （D、 ef l） 電機矢量確定 結(jié)構(gòu)部件尺寸 電樞直徑 D：交流電機（定子內(nèi)徑） 1 i D 直流電機（轉(zhuǎn)子外徑） 2 D 二、 本章研究內(nèi)容 1確定主要尺寸依據(jù)的基本關(guān)系式 選擇電磁負荷 確定主要尺寸； 2電磁負荷的選擇； 3確定主要尺寸的一般方法。 2-1 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系式 2-1 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系式 一、幾個物理量 即找到主要尺寸與額定功率、轉(zhuǎn)速及電磁負荷的關(guān)系。 出線端輸出的電功率發(fā)電機 軸上輸出的功率電動機 輸出功率額定功率 : : : N P 1 額定轉(zhuǎn)速：同步速 p f n 60 = = )(: )/(: 2 : TB A D mWI A 值氣隙中磁通密度的最大磁負荷 米流電樞圓周單位長度上電線負荷 電磁負荷 電磁功率（計算功率） ：電機將電能（機械能）轉(zhuǎn)換成機械能（電能） ，能量都是以電磁能的 形式通過定轉(zhuǎn)子間的氣隙進行傳遞的，與之相對應(yīng)的功率稱為電磁功率。 電磁功率在電機設(shè)計中用計算功率表示（ P ） 二、交流電機中 的關(guān)系 BAnPlD ef ,與 計算功率： )10()(10 33 KWIEmPKVAmEIP M = :( ). 4( )10( 3 導(dǎo)體裁面積電流密度 CC Fe Fe dpNm SJJSI NBSE BS fNKKENE kVAmEIPEIP = = = = 代入， P ),( CcuCFe NSSJBJSNBSP=保持不變 4 1 4 2 2 PllP lS lS SSP cu Fe cuFe 與的關(guān)系 p CG ef, , P 有效材料重量與體積成正比，也與長度 的立方成正比； l 有效材料的成本與損耗與成正比。 ef C p )(GM 4/3 4/3 4/33 PpGp PCGC PGlG efef 單位功率所需有效材料的質(zhì)量、成本及產(chǎn)生的損耗與功率的關(guān)系 )(GM ef C P 4/1 4/3 1 PP P P p P C P G ef = 即得：幾何相似定律：在保持不變時，對一系列功率遞增、幾何形狀相似的電 機，每單位功率所需有效材料的、成本及產(chǎn)生的損耗 fnBJ, )(GM ef C p與功率 4 1 P成正比。 4用途： 這定律可用來大體上估計與已制成電機幾何相似，但功率不同的電機的質(zhì)量、成本或損耗 不同； 也可用來分析通常是幾何相似的系列中各規(guī)格電機之間的對應(yīng)關(guān)系。 5解釋幾個問題 8 為什么在可能的情況下盡可能采用大功率電機來代替總功率相等的數(shù)臺小功率 （為什么要 提高單機容量）？ 隨著單機容量增加，其有效材料的重量G、成本的增加相對容量的增加要慢。因此有效 材料的利用率提高了，損耗增加相對容量增加也慢，因此效率提高了。人們常說的電機怕效 率也就是這個道理。 為何冷卻問題對大功率電機比對小功率電機更顯得重要（也就是人們常說的大電機怕溫 升）？ 電機損耗與長度 的立方成正比， 而冷卻表面卻與長度成正比， 功率， 長度， 損耗 冷卻表面，故電機溫升。因此就必須設(shè)法改變冷卻系統(tǒng)或冷卻方式，放棄它們的幾何形 狀相似。 ll 2-3 電磁負荷的選擇 2-3 電磁負荷的選擇 根據(jù)確定主要尺寸的關(guān)系式來看： ABKK P nlD dpNmp ef = 3 2 101 . 6 在正常的電機中，實際上變化不大，因此在計算功率和轉(zhuǎn)速一定時，主要尺 寸就決定于電磁負荷。 dpNmp KK, ef lD2 BA, 從上式看出，越大，越小，質(zhì)量越輕，成本越低。因此希望一點好。 但是選擇與許多因素有關(guān)，它將影響電機的其它性能，它不但影響有效材料的耗用量， 對電機的參數(shù)、啟動和運行影響較大。究竟如何選擇才好？下面介紹具體選擇方法。 BA, ef lD2 BA, BA, ),( , , 1 , , 2 運行啟動參數(shù)對性能影響大 一定時 變化不大 ef ef dpNmp CM BA AB lD nP KK 9 一、電磁負荷對電機性能和經(jīng)濟性能的影響 （一） 電負荷A較高 D mNI A 2 = 沿電樞圓周單位長度上的總電流（安/米） 1優(yōu)點： 電機的尺寸和體積將減小，可節(jié)省鋼鐵材料； ),( 1 2 一定時變化不大nPKK AB lD dpNmpef ef lDA 2 , （電機有效材料近似表示轉(zhuǎn)子有效部分體積） ef lD2 B B 一定時，由于鐵心質(zhì)量減小，鐵耗減小。 （一定時） Feef plDA, 2 B 2 缺點： 繞組用銅（鋁）量將增加； = 用銅量一定時 一定時 , )4(, 2 NUE KfNKEBlDA dpNmef 增大了電樞單位表面上的銅（鋁）耗，使繞組溫升增大； 繞組有效部分（即槽內(nèi)部分）的銅耗為： 導(dǎo)體有效部分長度 導(dǎo)體材料電阻率 每根導(dǎo)體有效部分電阻 = l RJmNIlI S l NmIRNmp cef c cefcut 2)2()2( 22 電樞表面的銅（鋁）耗為： = 溫升一定時當 每相串聯(lián)匝數(shù) 導(dǎo)體電流密度 導(dǎo)體截面積米瓦 , )/( 2 2 a c cut a qAJ N J SAJ Dl JmNIl Dl p q ef lDA 2 , 電機溫升 AJ熱負荷的大小 溫升不超過一定限度 AJ不能超過一定限度 A，J 有銅量 （= c c SJ S I J,） 10 改變了電機參數(shù)和電機特性。 由后面 4-3 可知交流繞組的電抗（互感電抗或漏電抗）的標么值 ),(, 2* * NXNBAXBA K B A KX = 一定一定 比例常數(shù) 1）異步電機：啟動轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩，啟動電流； 2）同步電機：電壓變化率，短路電流，短路比，穩(wěn)定度； 3）直流電機：換向惡化，換向時電抗電勢和電樞反應(yīng)電勢影響換向電流的變化。 （二） 氣隙磁密B B 較高 1優(yōu)點：電機的尺寸和體積較小，可節(jié)省鋼鐵材料。 ),( 1 2 一定時變化不大nPKK AB lD dpNmpef 用鐵量, 2 ef lDB 2 缺點： 使電樞基本鐵耗增大； 基本鐵耗 = 鐵心質(zhì)量 比損耗 （單位質(zhì)量鐵心中損耗） a) 電樞鐵心質(zhì)量, 2 ef lDB b) 比比 pBfpBB FeFe 23 . 1 , 溫升鐵耗電樞鐵心質(zhì)量且 比 , Bp 氣隙磁位降和磁路飽和程度將增加； FHB fFe iBB勵磁電流磁路飽和程度 a) 同步機、直流機：由于上面兩原因使勵磁磁勢勵磁繞組用銅量勵磁損 耗效率、勵磁繞組溫升，使勵磁繞組排列困難或?qū)е麓艠O和電機外形 尺寸加大。 b) 異步機：勵磁電流cos 改變了電機參數(shù)和電機特性。 11 ),( , * * mmmFe XR H B BB XB B A KX = = 飽和程度 影響啟動運行特性 二、電負荷A和氣隙磁密的選擇 B 1A、不應(yīng)選擇過高 B 2A、的比值要適當 B B A KX= * 這比值影響電機的參數(shù)和特性；影響銅、鐵的分配，即影響電機效率曲 線上出現(xiàn)最高效率的位置（可變損耗=不變損耗，效率最大） 。 一般輕載電機A大點，小點，使效率較率。 B （輕載I，pcu,可變損耗小，A，可變損耗=不變損耗） 3A、的選擇要考慮冷卻的條件 B 防護式冷卻方式條件較好，A、選擇一般比同規(guī)格封閉式的高，對一般小型異步電機通 ?？筛叱?15-20%。 B 4A、的選擇要考慮所用材料和絕緣結(jié)構(gòu)的等級 B 絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級愈高，電機允許溫升愈高，A； 導(dǎo)磁材料（包括結(jié)構(gòu)部件材料）性能越好，； B 電樞繞組用鋁 RAl大 A、比銅要好 B 5A、的選擇要考慮和n的大小 B P （圓周速度取決于=vnvDP Dn vnD,;, 60 , ） 可大點冷卻條件有所改善 BAva, 小 BADP, 總的說，電磁負荷的選擇要考慮的因素很多，很難從理論上來確定。通常主要參考電 12 機工業(yè)長期積累的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并分析對比設(shè)計電機與已有電機之間在使用材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù) 條件、要求等方面的異同后進行選取。 關(guān)于A、的具體選用值可參看后序文章。 B 隨材料性能，冷卻條件、電機結(jié)構(gòu)不斷改進， 體積。 BA, 2-4 電機主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法 2-4 電機主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法 ABKK P nlD dpNmp ef = 3 2 101 . 6 在正常的電機中，實際上變化不大，因此在計算功率和轉(zhuǎn)速一定時，當電磁 負荷選定后，則可確定 dpNmp KK, BA, ef lD2 設(shè)計粗短 設(shè)計細長 ef l = （主要尺寸比） 大小影響 電機運行性能、經(jīng)濟性、工藝性。 一、大小的影響 一定， ef lD2 ef l =， p D 2 =（極距） ，較大時： 大，電機較細長（較大、D較小） ，線圈的跨距較小；繞組端部變短，端訓(xùn)用銅（鋁） 量相應(yīng)減少； ef l 在正常范圍內(nèi)可提高繞組銅的利用率。各結(jié)構(gòu)部件尺寸較小，重量輕，因此 單位功率的材料消耗較少，成本低。 ef lD2一定： 單位功率耗材 成本 結(jié)構(gòu)尺寸小重量輕 繞組銅的利用率 一定： ef lD2， p 13 一定： ef lD2 端部銅耗一定 機械損耗 附加鐵耗 ,J p 一定： ef lD2 端部較短 端部漏抗總漏抗 一定： ef lD2 冷卻條件變差 導(dǎo)致軸向溫度分布不均勻度增大 ，在采用氣體作為冷卻介質(zhì)時，風路加長，冷卻條件變差，導(dǎo)致軸向溫度分布不均 勻度增大，必須加強冷卻措施。如主要依靠機座表面散熱的封閉式電機，熱量主要通過定子 機座向外散熱，對散熱有利。 對無徑向通風道開啟式或防護式電機，為了充分利用端部散熱效果，端部。 線圈數(shù)目 線圈制造工時絕緣材料 但 鐵心長 沖片數(shù)目沖剪疊壓工時，沖模易損壞 D 機座加工工時下線難度大（跨距?。┕r D 轉(zhuǎn)軸加粗（為了保證足夠的轉(zhuǎn)子剛度） 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，va 大 轉(zhuǎn)速較高的電機或要求時間常數(shù)較小的電機是有利 二、選擇時的考慮 考慮參數(shù)與溫升 考慮節(jié)約用銅（鋁） 考慮轉(zhuǎn)子機械強度 考慮轉(zhuǎn)動慣量 三、多種不同電機大致的范圍 1異步電機 = = 極數(shù)多時取較大值異步電機大型 少數(shù)異步電機中小型 異步電機 5 . 31 5 . 45 . 15 . 14 . 0 （一般=1-1.3 為好） 14 極數(shù)多的電機，繞組跨距小，電機端部較短，鐵心可以長，大些；極數(shù)少的電機，為了 保證軛磁密不過高，軛厚，D大，小。 2同步電機 一般隨極數(shù)增加而。 = = = = )2(91. 1, 2 . 18 . 0 43 5 . 26 . 0 極從用銅觀點一般隨功率汽輪發(fā)電機 取小一點額定轉(zhuǎn)速較低的水輪機 選較大的大的水輪機額定轉(zhuǎn)速較高及容量特 水輪發(fā)電機 宜大點一般同步電動機 有脈動的同步電動機內(nèi)燃驅(qū)動的同發(fā)及負載 高速大型同步電機 中小型同步電機 同步電機 3直流電機 = = 5 . 225. 1 )5 . 1 (2 . 16 . 0 大型 中小型 直流電機 四、確定主要尺寸的一般方法 這里只介紹電機主要尺寸確定的一般方法。某些電機可根據(jù)其本身特點而采用不同的步 驟，甚至將主要尺寸的關(guān)系式寫成其它的形式。 1確定主要尺寸的步驟 由電機額定功率計算功率 N P P ； 利用推薦的數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負荷； BA, 由，n（交流機n=n P 0，直流機n=nN） 、 BA, ef lD2 一般可近似認為： = = = 92. 0 96. 0 7 . 011. 1 雙層短距 單層整距 dppNm KK 參考推薦的數(shù)據(jù)選用適當?shù)模?及 ef lD2 ef l =，分別求得與和； ef lD 確定交流電機定子外徑、直流電機電樞外徑。 從表 2-1、2-2 按標準選取，對定子內(nèi)徑、進行必要調(diào)整。 1 i D ef l 15 2用“類比法”來確定主要尺寸 類比法：根據(jù)所設(shè)計電機的具體條件（結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)經(jīng)濟指標、工藝等） ，參照 已生產(chǎn)過的同類型相似規(guī)格電機的設(shè)計和試驗數(shù)據(jù)，直接初選主要尺寸及某些其它數(shù) 據(jù)。 如異步電機 2 1 2 2 2 1 1 2 N N ef i ef i P P lD lD = 一般： 21ii DD = 11 2 21 2 1 21 2 1 2 1 N N N N N N ef ef P P NN P P SS P P l l = = = 2-5 系列電機及其設(shè)計特點 2-5 系列電機及其設(shè)計特點 1系列電機就是指技術(shù)要求、應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)型式、冷卻方式、生產(chǎn)工藝基本上相同， 功率及安裝尺寸按一定規(guī)律遞增，零部件通用性很高的一系列電機。 2系列電機的優(yōu)點 由此減少材料與工設(shè)計時，消耗、降低成本：由于它們的生產(chǎn)工藝過程與另部件型式相 同，可以充分利用沖模、模具、量具、卡具等工藝裝配； 縮短生產(chǎn)周期：由于充分利用了原有的工模具等工藝裝配圖紙等條件； 可以減少設(shè)計、制造、使用、維修方面的許多工作； 可以騰出手來提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 3系列電機的分類 16 基本系列：使用面廣，生產(chǎn)量大的一般用途的系列 如 JO2、T2、Z2 系列； 派生系列：適按使用的不同要求進行部分改動而由基本系列派生出來的系列，它與基本 系列有較多的通用性 如 JDO2 三相多速異步電動機，JHO2 一相高轉(zhuǎn)差率異步電動機； 專用系列：適用某種特殊條件但使用面很窄的系列 如 JG2 輥道電動機。 4系列電機設(shè)計的特點 功率等級的確定要根據(jù)用戶的要求、 選用的方便、 經(jīng)濟性等多方面全面綜合分析來確定。 （功率按一定規(guī)律遞增） 同一系列中相鄰兩功率等級之比（大功率比小功率） ，稱功率遞增系數(shù)或容量遞增系數(shù) ，其數(shù)值直接影響到整個功率等級數(shù)目的確定，而且對系列電機的經(jīng)濟性有很重要的影 響。 P K 安裝尺寸的確定及功率等級與安裝尺寸的對應(yīng)關(guān)系。 電機的安裝尺寸是指電機與配套機械進行安裝時的有關(guān)尺寸，系列電機的安裝尺寸一般 按軸中心高分級，它的確定必須綜合考慮配套機械和電機本身的具體情況，原則上是按優(yōu) 先數(shù)系遞增。 安裝尺寸是軸中心高，對端蓋式軸承的電機，確定功率等級與安裝尺寸的對應(yīng)關(guān)系時， 主要是確定功率等級與軸中心高的對應(yīng)關(guān)系。功率等級確定后，選取軸中心高等級，必須 全面考慮（工藝裝備、用戶要求、電磁設(shè)計、材料利用） 。 交流電機系列定子沖片外徑的確定 1） 與規(guī)定的軸中心高數(shù)值的一致性； 2） 硅鋼片利用的經(jīng)濟合理性； 3） 整個系列外形的均稱性，并在條件允許的情況下，能充分利用已有的工藝裝備。 零部件的標準化、系列化和通用化； 派生的可能性。 17 第三章 第三章 磁路計算磁路計算 3-1 概述 3-1 概述 1 磁路計算的目的 在于確定電機中感應(yīng)一定電勢所對應(yīng)的主磁場所必需的磁化力或勵磁磁動勢， 進而計 算勵磁電流及電機的空載特性，校核電機各部分磁密選擇得是否合適，確定一部分有關(guān)尺寸。 )()()4( 00 0 00fffdpNm ifEif N F iFfNKKEE=或， 校核電機各部分磁密選擇得是否合適； 確定一部分有關(guān)尺寸。 2 磁路計算所依據(jù)的基本原理 （安培環(huán)路定律）全電流定律 =il dH vv 積分路徑：積分路徑是沿著磁場強度矢量取向（即沿磁力線）選擇通過一對極的中心線 構(gòu)成閉合回路； =dlHl dH vv 包圍的電流：是回路所包圍的全電流，即每對極的勵磁磁勢。 i 3 電機設(shè)計中磁路計算的一般步驟 為簡化計算，通常把電機各部分磁場分成等值的各段磁路。所謂等值的磁路是指各段磁 路上的磁位降等于磁場內(nèi)對應(yīng)點之間的磁位降，并認為各段中磁通沿截面均勻分布，各該段 的磁場強度保持為恒值。 2211jjmmjjtt LHLHLHLHLHdlHl dH+= vv 由于電機中一對極磁路中兩個極的磁路情況相似，所以只需計算半條回路上的各段磁位 降，它們的總和就等于每個評級的勵磁磁勢。以下敘述磁位降或磁勢均為每極的。 步驟： 0 FHLH S BEu = 4 電機中常用的磁性材料 鑄鋼直流機極軛 鍛鋼凸極同步機整塊磁極 低合金鋼結(jié)構(gòu)鋼低碳鋼板極軛磁極 涂漆的硅鋼片電樞鐵心 焊接性能好導(dǎo)磁導(dǎo)熱價格低以下含硅量無硅鋼片 平整度高導(dǎo)磁性好比損耗小含硅量 冷軋 熱軋 硅鋼片 , ,)% 5 . ( ,%)31 ( 3-2 空氣隙磁壓降的計算 3-2 空氣隙磁壓降的計算 計算方法是： LHFH S BEu= = 1每極磁通的確定 直流電機中： a Npn E n a pN E a aa a 60 60 =韋 交流電機中： fNKK E fNKKE dpNm dpNm 4 4=韋 2確定氣隙最大的磁密 B efp efp l B lBSB = = 3確定氣隙磁場強度（極中心線處的氣隙磁場強度） H 6 0 0 108 . 0= = B B H HB 4確定氣隙磁位降 F =HkkHLHF 是單邊氣隙徑向長度（m） 是氣隙系數(shù)，因槽口影響使氣隙磁阻增加而引入的系數(shù)。 k 下面要解決、如何確定： p ef l k 一、 計算極弧系數(shù)的確定 p 1的物理意義 p ( ) efpef lBdxxBl = 2 2 ( ) B B B dxxB av p = 2 2 1 波幅系數(shù) av p s B B F = = 1 = p p b 距之比表示極弧計算長度與極 直流電機沿電樞圓周方向的氣隙磁密分布 B(x) 2大小的決定 p 計算極弧系數(shù)的大小決定氣隙磁密形狀，因而它決定于勵磁磁勢分布曲線的形 狀、氣隙的均勻程度及磁路飽和程度。 p )(xB 如：是正弦分布， F均勻，磁路不飽和 則是正弦，)(xB637. 0 2 = p 磁路越飽和，越平，越大，)(xB av B p 越大 （一）直流電機的確定 p 1均勻氣隙： = p p b 而 極弧實際長度+= ppp bbb ) 2 應(yīng)計及極靴尖處的邊緣效2 2+ = p p b ) 2不均勻氣隙 削角極弧 )(兩側(cè)邊緣效應(yīng)削弱 pp bb ) = = = pp p bb ) 偏心氣隙極弧 pp bb ) = p 。 p 決定定子齒及轉(zhuǎn)子齒的飽和程度。齒部越 飽和，氣隙磁場波形愈平，愈大，因異步機由下面決定。 p 1確定飽和系數(shù) F FFF K tt s 21+ + = %1)(,45. 115. 1 21 = FF k B B kBBB t ef t mmt 開槽后 開槽后 無槽有槽開槽后 等效磁勢 max max 從等效磁勢觀點出發(fā)： = = = = k B B k kBkHHF BHF ef ef ef max 6 6 maxmax 108 . 0 108 . 0 直流電機轉(zhuǎn)子有槽而定子 一個齒距內(nèi)的氣隙磁通密度分布 表面光滑時氣隙磁密的分布 2計算方法 分析法 1）開槽后一個齒距 t 內(nèi)的磁通： 10max SBtB 一個齒距的最大磁通： tB max 由于開槽后減少的磁通： 10S B 2）未開槽時一個齒距 t 內(nèi)的磁通： tB 3）保持同一個主磁通不變：tBSBtB = 10max t S BBB 1 0max = 卡氏系數(shù)： 10 1 max 0 1 max 0 max maxmax 1 St t S B B t t t S B B t B B B B k = = = max 0 0 B B = 0 和均與 1 S、槽口寬有關(guān) 0 b 又可表示成： + = = 2 00 1 0 2 1ln 22 4 bb tg b t t k 近似公式 18000GS：齒部磁路比較飽和，磁導(dǎo)小，主磁通大部分由齒通過，但有小部 分則經(jīng)過槽進入軛部。 t B 因此分析時必須分兩種情況來討論。 （一）齒磁密小于1.8T的場合 1通過齒部的磁通 因為齒磁密小于1.8T，齒磁路飽和程度不高，齒部導(dǎo)磁率槽部導(dǎo)磁率，齒部槽 部。 因此可認為在一個齒距范圍內(nèi)的主磁通從空氣隙進入鐵心表面后， 幾乎全部從齒通過。 又因為選擇的積分路徑是通過磁極的中心線，因此要計算處于主極中心線上的那個齒內(nèi)磁密 。顯然這個齒所在地區(qū)的空氣隙剛好是最大值，該處一個齒距的范圍內(nèi)的空氣隙磁通為 。 t B m R m R t B B tlB ef s l R s l RTB mmt 0 8 . 1 = = R KKRKR FFFc ) 1( 一、直流電機 并聯(lián)支路數(shù) 導(dǎo)體截面積 線圈或元件平均半匝長 導(dǎo)體總數(shù) = a A l N aA lN R c c a c ca wa 2 )2( 2 適用于：電樞電阻、勵磁繞組、換向極繞組、補償繞組 二、感應(yīng)電機 1、感應(yīng)電機定子繞組每相電阻 相繞組并聯(lián)支路數(shù) 雙 單 定子每相串聯(lián)匝數(shù) = = = 1 1 1 1 11 1 1 2 : : 2 a a pqS N a pqS N N aA lN KR K K c c wF 2、感應(yīng)電機轉(zhuǎn)子繞組每相電阻 繞線式轉(zhuǎn)子：1, 2 12 22 22 2 = = F c c wF Ksff aA lN KR很低Q 22 22 2 2 aA lN R c c w = 基波繞組系數(shù) 每相串聯(lián)匝數(shù) 定轉(zhuǎn)子相數(shù)折合到定子邊 = 21 21 212 2 22 11 2 1 22 , , ,)(: dpdp dp dp KK NN mmR KN KN m m kRR 鼠籠繞組 特點：） 22 Zm =是多相繞組，相數(shù)等于轉(zhuǎn)子槽數(shù)； 2 2 111 22 )(4 11 Z KNm K ZK dp dp = = ）鼠籠轉(zhuǎn)子的電阻包括兩部分：導(dǎo)條電阻和端環(huán)電阻。由于導(dǎo)條中電流與 端環(huán)電流是不一樣的，因此這兩部分不能簡單相加，而須將端環(huán)電阻折 合到導(dǎo)條邊，再由導(dǎo)條邊折合到定子邊。 折合 折合 端環(huán)電阻 導(dǎo)條 定子 ）端環(huán)電阻 導(dǎo)條 端環(huán)電阻： 端環(huán)平均直徑= R R wR R D AZ D R 2 端環(huán)面積 每槽距周長 = R R R R wR A Z D AZ D R 22 導(dǎo)條電阻： B B wB A l R= 端環(huán)折合到導(dǎo)條中的折合原則：折合前后電損耗不變。 R B R R RRRB R I I R RIRI 2 22 )(= = 如何求 B R I I 的關(guān)系： 每相鄰導(dǎo)條電流之間相位差等于槽距電角 2 2 Z p = 相鄰兩段端環(huán)的電流相位差也等于 導(dǎo)條電流等于相鄰兩端環(huán)電流之差（ 很?。?RR B R R B R BBB R R p Z R I I R p Z I I Z p I Z p II I 222 2 22 ) 2 ()( 2 2sin2 2 sin2 = = = ）鼠籠式轉(zhuǎn)子電阻 R R wR R R B B w B B wB R BRB AZ D R Ap DZ A l R A l R p RZ RRRR 2 2 2 2 22 2 2 2 ) 2 ( 2 =+= =+= += ）轉(zhuǎn)子電阻折合到定子邊 R R B B w dpdp Ap DZ A l Z KNm R Z KNm KRR 2 2 2 111 2 2 111 22 2 ( )(4)(4 22 += 三、同步電機 與異步機定子繞組計算方法一樣。 4-2 繞組電抗的一般計算方法 4-2 繞組電抗的一般計算方法 在分析交流電機的運行原理時，大多數(shù)可把它們看作為等效的雙繞組變壓器，這樣可以利 用與雙繞組變壓器類似的等效電路來計算交流電機的運行性能。 1、 2222 11 10 222 111 1111 )( )( LXE XE XE NI NII NII LXE m = = 差漏抗諧波 主電抗基波 , 1 1 1 q B A q B A B A q X 和相差太小采用調(diào)采用調(diào)較大如設(shè)計值與預(yù)設(shè)值相差 有關(guān)與 成正比與 抗的調(diào)整： 槽漏抗：，在總導(dǎo)體數(shù)一定時，每槽，Z s N s X b h 比值，實質(zhì)上改變漏磁路的 磁導(dǎo)； 諧波漏抗：； , 8 . 0,XXsq ； XXNA, 。 XNB, 4-6 集膚效應(yīng)對電機參數(shù)的影響 4-6 集膚效應(yīng)對電機參數(shù)的影響 一、擠流效應(yīng) 槽口部分磁通少漏抗小 槽中整塊導(dǎo)體 通以交流電 槽漏磁通 槽底部分磁通多漏抗大 槽口部分導(dǎo)體中電密大 主磁通在導(dǎo)體中感應(yīng)相同電勢下 導(dǎo)體中電流 槽底部分導(dǎo)體中電密小 擠向表面 這種現(xiàn)象稱擠流效應(yīng)（集膚效應(yīng)） 。 a) 槽內(nèi)導(dǎo)體 b) 電流密度的分布 c) 計算交流電阻的等效導(dǎo)體 二、擠流效應(yīng)的主要影響 1、使導(dǎo)體中交流電阻增大倍。 F K S l RRKR F = 直直交 2、使導(dǎo)體的槽漏抗變小倍。 X K sXsX LKLXKX= 擠流作用使下部幾乎沒有電流，槽下部漏磁通少，使槽中 導(dǎo)體的等效高度減小。 += s ss s h b h b h 1 10 3 三、交流電機定子繞組考慮擠流效應(yīng)后的參數(shù)修正系數(shù) 四、異步電動機鼠籠繞組的擠流效應(yīng) 4-7 飽和對電機參數(shù)的影響 4-7 飽和對電機參數(shù)的影響 一、為什么要考慮飽和的影響： 前面推導(dǎo)公式電抗計算公式中，假設(shè)0, 0,= FemFe F A l R ，實際上，電機的主 磁路或漏磁路某些部分處于飽和狀態(tài)。飽和導(dǎo)致0,= m R H B 。為了精確計算電機相應(yīng)的 運行性能，則必須考慮磁路鐵心飽和對參數(shù)的影響。 二、飽和對參數(shù)的影響 由于飽和，= m m mmm X R XR H B , 1 , 在運行時，異步電機的勵磁電抗、同步電機電樞反應(yīng)電抗將會減少。 1、對異步電機勵磁電抗的影響 不考慮飽和時： ef dpmmefm q K m l pq N fX 1 2 2 0 4= 考慮飽和時： 飽和系數(shù)1 210 + = F FFF F F k k X X tt s s m ms 電流是額定運行時定子磁化 中相電勢是額定運行時定子繞組 或 m msm mmmmm m ms I EXIE rXZIIZIE I E X 11 001 1 : = 2、對凸極同步電機的影響 交軸電樞反應(yīng)電抗： q 軸磁路：齒軛氣隙 只需考慮軛和齒的飽和影響。 不同的磁路計算 tj FFF, 1 )( 1tj FFFf+= 由 aqss aq aqstj sNN Xk X X F FFF kE= + = 1 a) ：由矢量圖可知，忽略 N E N E 22 )sin()cos( NNNN UXIUE+= q軸電樞反應(yīng)小，引起轉(zhuǎn)子磁勢增加小，仍用 X b) 1 4 dpNm N N fNKK E = c) 由磁化曲線 )( 1tj FFFf+= tj FFFF+ 1 , F FFF k tj s + = 1 交軸電樞反應(yīng)磁路經(jīng)過氣隙、齒、軛 d) 查曲線求出， s k s aq aqs k X X =（圖4-28） aqs X 直軸電樞反應(yīng)電抗 d 軸磁路：氣隙齒軛極身 只需考慮齒、軛和極身的飽和影響。 s ad ads k X X F FFFF k tmj s + = 1 )( 1mtj FFFFf+= mtj FFFFF+ 1 , N E a) ：由矢量圖可知 N E 在磁勢-電勢圖中，凸極同步電機中常用代替 p X X 在凸極機中簡單磁勢電勢圖本身就是近似的， 通過采用 反而使結(jié)果準確些。，對計算需要精確 些。用代替。 p X aqad XX ad X p X X 22 )sin()cos( NNNN UXIUE+= b) 1 4 dpNm N N fNKK E = c) mtj FFFFF+ 1 , F FFFF k mtj s + = 1 d) s ad ads k X X 注：d軸負載時，電樞反應(yīng)去磁，轉(zhuǎn)子勵磁繞組為了維持氣隙磁通，必須克服（比較 ad F 大） 。轉(zhuǎn)子磁勢，轉(zhuǎn)子漏磁比空載時大， XX p 4-8 斜槽漏抗計算 4-8 斜槽漏抗計算 一、斜槽漏抗 在異步電機中，為了削弱由齒諧波磁場引起的附加轉(zhuǎn)矩及噪聲，一般籠型轉(zhuǎn)子常采 用斜槽，即把轉(zhuǎn)子槽相對定子槽沿軸向扭斜一個角度。這樣，定、轉(zhuǎn)子繞組間耦合系 數(shù)減小了，即定子電流產(chǎn)生的基波磁場有一部分不與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條耦合（反之也時） 。 相當于定、轉(zhuǎn)子間互感電抗減小，定轉(zhuǎn)子漏抗增加。 這種由斜槽引起的附加漏抗稱斜槽漏抗。 1 )sin( 22 22 = = 中型： VUkWPmDmmH6000.3000,380)125045()0 . 15 . 0()630355( 1 = 小型： VUkWPmDmmH380)13255. 0()5 . 012. 0()31580( 1 = 基本系列： Y（IP44） 小型三相感應(yīng)電動機 J2，JO2 小型三相感應(yīng)感應(yīng)電動機 JS 三相籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（中型） JR 三相繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（中型） JS2，JSL2 三相感應(yīng)電動機（中型、低壓） JR2，JRL2 三相感應(yīng)電動機（中型、低壓） Y 三相籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（大型） YR 三相繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機（大型） YK 大型高速感應(yīng)電動機 派生、專用系列： YQ 高起動轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動機（小型） YH 高轉(zhuǎn)差率感應(yīng)電動機（小型） YD 變極多速感應(yīng)電動機 YZ 起重及冶金用感應(yīng)電動機 YQS 潛水感應(yīng)電機 YLB 立式深井泵用感應(yīng)電動機 二、感應(yīng)電動機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù) （一）主要性能指標 效率 N st I I 起動電流倍數(shù) cos 功率因數(shù) Fecu , 繞組、鐵心溫升 N M T T 最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 起動過程中最小轉(zhuǎn)矩 min T N st T T 起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) （二）額定數(shù)據(jù) 額定功率 N P 額定電壓 N U 額定頻率 N f 額定轉(zhuǎn)速 N n 基值： 電壓： N U 功率： N P 電流： N N KW Um P I 1 = 阻抗： N N KW N KW P Um I U Z 2 1 = 轉(zhuǎn)矩： N N N n P T9550= 10-2 主要尺寸與氣隙的確定 10-2 主要尺寸與氣隙的確定 一、主要尺寸和計算功率 n P C n P AB KK lD A dpNmp ef = = 11 . 6 2 計算功率： 111 IEmP = 額定功率： cos 11 IUmP NN = N N P U E P cos 1 1 = 由前推導(dǎo)（相量圖） ： 引入電勢系數(shù)0),( 1 = N UE & L LQP N E XIRI U E K =+=1)(1 * 1 * 1 * 1 * 1 1 NL PP cos 1 )1 (= 設(shè)計方法：cos,已知，未知，需先假定一個 * 1 * 1, XR)1 ( L 值。 預(yù)估，完成磁路參數(shù)計算后，偏差95. 085. 0)1 (= L %5 . 0)1 ()1 ( LL )1 ( L 經(jīng)驗公式估算： 2極小型： NL Pln0866. 092. 01+= 非2極小型： pPN L 013. 0ln0108. 0931. 01+= 中型： pPN L 01. 0ln0109. 0892. 01+= 二、電磁負荷的選擇 磁化電流： 111 0 9 . 0 2 dp m KNm pF I= 每極磁勢主要用來克服，決定于， 0 F F m I B A B I I KW m cos, * m IAB B A U XI X N KW = * stst ITTXAB, max * 選取方法： 中小型： TBmAA)8 . 05 . 0(/)10501015( 33 = 大 型： 可略高 BA, 三、主要尺寸比的選擇 對于一定的極數(shù)，定子鐵心外徑與內(nèi)徑存在一定比例（表10-3） 1 D 1 i D 1 1 i D D = 變動范圍在5%左右。 四、主要尺寸的確定 efi NL lD BA n PP 2 1 , 110, 210 cos 1 )1 ( = 選擇 表參考圖 1、 V n P AB KK lD dpNmp efi = = 11 . 6 2 1 KNm 氣隙磁場波形系數(shù)，當氣隙磁場正弦分布 時；11. 1= Nm K； ； 雙層 單層 定子基波繞組系數(shù) 92 . 0 96 . 0 1dp K p 計算極弧系數(shù)； = = 飽和 正弦不飽和 )71. 066. 0( 637. 0 2 B B av p 2、參考表10-2選擇值， p D l i ef 2 1 = VD p DlD iiefi = 3 1 3 1 2 1 2 3 1 2 pV Di= 初步計算 2 1 11 1 1 3 1 310 2 i efi i i D V lDD D DpV D=按標準外徑調(diào)整達式參考表 五、空氣隙的確定 1、影響：； cos m I 。 溫升損耗影響機械可靠性過小, max TTX st 2、氣隙基本上決定于定子內(nèi)徑、軸直徑、軸承間的轉(zhuǎn)子長度。 3、經(jīng)驗公式： 小功率電機： 鐵心長度:10)74 . 0(30 3 1tti lmlD += 大、中型電機： m p Di 3 1 10) 2 9 1 ( + 10-3 定子繞組與鐵心的設(shè)計 10-3 定子繞組與鐵心的設(shè)計 一、定子槽數(shù)的選擇 pm Z q 2 1 1 = 1、 值大小對電機的參數(shù)、附加損耗、溫升、絕緣材料耗量等有影響 1 q 定子諧波磁場減小， ad p X 每槽導(dǎo)體數(shù)減少， s s s s X b h ZX, 1 1 槽中線圈邊總散熱面積，利于散熱 絕緣材料用量、工時，槽利用率 大 q 2、 一般感應(yīng)電動機： =（26） 取整數(shù) 1 q 極數(shù)少，功率大電機：取大些 （2極取=