電機設計講稿第二章

1、第二章 電機的主要參數(shù)之間的關系一、 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，其它各種結構部件的尺寸。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。 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、）

2、電機矢量確定 結構部件尺寸電樞直徑d：交流電機（定子內徑） 直流電機（轉子外徑）二、 本章研究內容1確定主要尺寸依據(jù)的基本關系式 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)之間的關系式一、 幾個物理量即找到主要尺寸與額定功率、轉速及電磁負荷的關系。額定轉速：同步速 電磁功率（計算功率）：電機將電能（機械能）轉換成機械能（電能），能量都是以電磁能的形式通過定轉子間的氣隙進行傳遞的，與之相對應的功率稱為電磁功率。 電磁功率在電機設計中用計算功率表示（）二、 交流電機中 的關系 計算功率：m 電樞繞組相數(shù)；e 電樞繞組相電勢；i 電樞繞組相電流。其

3、中電勢：knm氣隙磁場波形系數(shù)，當氣隙磁場正弦分布時；f 電流頻率；n 電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；kdp 電樞繞組系數(shù)； 每極磁通（韋）。每極磁通： b 氣隙磁密最大值（t）；bav 氣隙磁密平均值； 計算極弧系數(shù)；lef 電樞計算長度； 極距（米）；電負荷a： d 電樞直徑（米）； 把上面關系代入： 對一定功率和轉速范圍內的電機，b、a變動范圍不大，、knm、 kdp變化范圍更小，ca一般為常數(shù)。三、 直流電機計算功率： 其中電勢： 每極磁通： 電負荷a： 把上面關系代入： 比較： 直流電機中四、 、的物理意義1是電機常數(shù)：對一定功率范圍內電機b、a變動不大，、knm、 kdp變化范圍更小； 近

4、似地表示轉子有效部分的體積，定子有效部分的體積也和它有關。的物理意義：反映產生單位計算轉矩所耗用的有效材料（銅、鋁或電工鋼）的體積，并在一定程度上反映了結構材料的耗用量。2是電機常數(shù)的倒數(shù)，叫作利用系數(shù)。物理意義表示單位體積的有效材料所能產生的計算轉矩，它的大小反映了電機有效材料的利用程度。在設計方案比較時，往往是一項很好的比較指標，隨著電機制造水平的提高，材料質量的改進，將不斷增大。 并非是常數(shù)，轉速一定時，。隨著電機功率的增大百減小，利用系數(shù)和轉矩應力則隨電機功率的增大而增大。小結： 確定主要尺寸的基本關系式找到 確定a 、b、 根據(jù)之間的曲線 五、 計算功率與額定功率的關系在設計電機時，

5、一般都是給定額定功率，因此應找出與的關系1 異步電機：輸入功率：額定功率：計算功率：比較上兩式：滿載電勢標么值： 額定負載時感應電勢與端電壓的比值 感應電動機的相量圖 給定，與給定，與可先假設再得到計算功率。2 同步電動機： 3 同步發(fā)電機： 4 同步調相機： 5 并勵直流發(fā)電機： 6 并勵直流電動機： 六、 從確定主要尺寸關系式所得的結論 選定a 、b，=0.630.721 電機的主要尺寸決定于：計算功率p與轉速n之比或計算轉矩t；可以看出：在其它條件相同時，計算轉矩相近的電機所消耗的有效材料相近，功率大、轉速高與功率小、轉速低的電機其相近，則電機體積是接近。二者可采用相同的電樞直徑與某些其

6、它尺寸。2 a 、b不變時，相同功率的電機，n，尺寸較??； 尺寸相同的電機，n，功率較大。說明：n，可減小電機的體積v和質量m，只能在一定轉速下；當n太高的話，機械損耗，直流電機鐵耗，于是只好使a 、b。如n太高，機械應力t；3 轉速一定，若直徑不變而采用不同長度可得不同的功率的電機；4 、knm、 kdp一般變化不大電機的主要尺寸在很大程度上和選擇的a 、b有關，a 、b，電機的尺寸就愈小。結論：1 是常數(shù)，電機主要尺寸決定于（t），t相近（），電機體積上基本相同，基本相同；2 一定，一定，3 、knm、 kdp一定，給定，決定于a 、b，選a 、b，；4 一定，n一定，d一定，lef，p

7、，可得不同容量。2-2 電機中的幾何相似定律概述1 什么是幾何相似？指電機對應的尺寸具有相同的比值。如：a、b兩臺電機若是幾何相似，則它們的對應尺寸成比例，即： 2 幾何相似定律：在電流密度、磁感應強度、轉速、頻率保持不變時，對一系列功率遞增，幾何相似的電機，每單位功率所需有效材料的質量、成本及產生的損耗與功率的1/4次方成反比的定律稱幾何相似定律。3 證明：條件：保持不變 長度與功率之間的關系代入， 與的關系有效材料重量與體積成正比，也與長度的立方成正比；有效材料的成本與損耗與成正比。 單位功率所需有效材料的質量、成本及產生的損耗與功率的關系即得：幾何相似定律：在保持不變時，對一系列功率遞增

8、、幾何形狀相似的電機，每單位功率所需有效材料的、成本及產生的損耗與功率成反比。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)格電機之間的對應關系。5 解釋幾個問題 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、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

9、）？ 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。因此就必須設法改變冷卻系統(tǒng)或冷卻方式，放棄它們的幾何形狀相似。2-3 電磁負荷的選擇根據(jù)確定主要尺寸的關系式來看：在正常的電機中，實際上變化不大，因此在計算功率和轉速一定時，主要尺寸就決定于電磁負荷。從上式看出，越大，越小，質量越輕，成本越低。因此希望一點好。但是選擇與許多因素有關，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。一、 電磁負荷對電機性能和經濟性能的影響（一） 電負荷a較高 沿電樞圓周單位長度上的總電流（

10、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； （電機有效材料近似表示轉子有效部分體積） b一定時，由于鐵心質量減小，鐵耗減小。 （一定時）2 缺點： 繞組用銅（鋁）量將增加； 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（即槽內部分）的銅耗為：電樞表面的銅（鋁）耗為：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 （） 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 1） 異步電機：啟動轉矩，最大轉矩，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

11、惡化，換向時電抗電勢和電樞反應電勢影響換向電流的變化。（二） 氣隙磁密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。 2缺點： 使電樞基本鐵耗增大；基本鐵耗 = 鐵心質量 比損耗 （單位質量鐵心中損耗）a) b) 氣隙磁位降和磁路飽和程度將增加；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導致磁極和電機外形尺寸加大。b) 異步機：勵磁電流 改變了電機參數(shù)和電機特性。 二、 電負荷a和氣隙磁密的選擇1 a、不應選擇過高2 a、的比值要適當 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

12、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。（輕載i，pcu,可變損耗小，a，可變損耗=不變損耗）3 a、的選擇要考慮冷卻的條件 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?5-20%。4 a、的選擇要考慮所用材料和絕緣結構的等級 絕緣結構的耐熱等級愈高，電機允許溫升愈高，a； 導磁材料（包括結構部件材料）性能越好，； 電樞繞組用鋁 ral大 a、比銅要好5 a、的選擇要考慮和n的大小 （圓周速度取決于） 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。通常主要參考電機工業(yè)長期積累的經驗數(shù)據(jù)，并分析對比設計電機與已有

13、電機之間在使用材料、結構、技術條件、要求等方面的異同后進行選取。關于a、的具體選用值可參看后序文章。隨材料性能，冷卻條件、電機結構不斷改進， 體積。2-4 電機主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法在正常的電機中，實際上變化不大，因此在計算功率和轉速一定時，當電磁負荷選定后，則可確定 （主要尺寸比） 大小影響電機運行性能、經濟性、工藝性。一、大小的影響 一定，（極距），較大時： 大，電機較細長（較大、較?。€圈的跨距較??；繞組端部變短，端部用銅（鋁）量相應減少；在正常范圍內可提高繞組銅的利用率。各結構部件尺寸較小，重量輕，因此單位功率的材料消耗較少，成本低。一定： 單位功率耗材 成本一定：

14、， 一定： 一定： 端部較短 端部漏抗總漏抗一定： 冷卻條件變差 導致軸向溫度分布不均勻度增大 ，在采用氣體作為冷卻介質時，風路加長，冷卻條件變差，導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 轉軸加粗（為了保證足夠的轉子剛度） 轉子轉動慣量小，va 大 轉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

15、升 考慮節(jié)約用銅（鋁） 考慮轉子機械強度 考慮轉動慣量三、多種不同電機大致的范圍1異步電機（一般=1-1.3為好）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。3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； 利用推薦的數(shù)據(jù)或曲線選取電磁負荷； 由，n（交流機n=n0，直流機n=nn）、一般可近似認為： 參考推薦的數(shù)據(jù)選用適當?shù)模?及，分別求得與和

16、； 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，對定子內徑、進行必要調整。2 用“類比法”來確定主要尺寸 類比法：根據(jù)所設計電機的具體條件（結構、材料、技術經濟指標、工藝等），參照已生產過的同類型相似規(guī)格電機的設計和試驗數(shù)據(jù)，直接初選主要尺寸及某些其它數(shù)據(jù)。 如異步電機一般： 2-5 系列電機及其設計特點1 系列電機就是指技術要求、應用范圍、結構型式、冷卻方式、生產工藝基本上相同，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計時，消耗、降低成本：由于它們的生產工藝過程與另部件型式相同，可以充分利用沖模、模具、量具、

17、卡具等工藝裝配； 縮短生產周期：由于充分利用了原有的工模具等工藝裝配圖紙等條件； 可以減少設計、制造、使用、維修方面的許多工作； 可以騰出手來提高產品的質量。3 系列電機的分類 基本系列：使用面廣，生產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濟性有很重要的影響。 安裝尺寸的確定及功率等級與安裝尺寸的對應關系。電機的安裝尺寸是指電機與配套機械進行安裝時的有