電機(jī)設(shè)計(jì)及其CAD-第4章課件

SchoolofElectricalEngineering106六月2023等效電路由電阻和電抗組成，電阻、電抗是電機(jī)重要參數(shù)第四章

參數(shù)計(jì)算SchoolofElectricalEngineering206六月2023電阻：1）電阻大，損耗大，壓降大2）感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻對(duì)其轉(zhuǎn)矩特性影響大電抗：1）漏抗小，同步發(fā)電機(jī)短路電流大，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大2）漏抗大，同步發(fā)電機(jī)電壓變化率大；感應(yīng)電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低；直流電機(jī)換向變差

SchoolofElectricalEngineering306六月20233）同步電機(jī)中，瞬變電抗與漏抗的大小關(guān)系密切，瞬變電抗對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能有很大影響。

本章僅限于計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)。SchoolofElectricalEngineering406六月20234-1繞組電阻的計(jì)算一、直流電阻及交流電阻

交流電通過繞組時(shí)，由于集膚效應(yīng)，電流在導(dǎo)線截面上分布不均勻，導(dǎo)致導(dǎo)線有效截面積變化，有效電阻增大

Re=KFR集膚效應(yīng)電流集中于表面SchoolofElectricalEngineering506六月20231)電阻率與溫度有關(guān),在電機(jī)正常工作的溫度范圍內(nèi)對(duì)于銅電阻溫度系數(shù)2）繞組的計(jì)算溫度國(guó)標(biāo)規(guī)定：間接法測(cè)量效率時(shí)，各繞組的電損耗要換算到相應(yīng)絕緣等級(jí)的基準(zhǔn)工作溫度。二、直流電阻計(jì)算

SchoolofElectricalEngineering606六月20233）電機(jī)繞組常用材料銅：工業(yè)純銅(含銅量大于99.5，紫色)銅合金：銅加鎳為白銅，加鋅為黃銅，其他銅合金為青銅A、E、B級(jí)：75oC,F、H級(jí)：115oC

SchoolofElectricalEngineering706六月2023銅導(dǎo)線：工業(yè)純銅(含銅量大于99.5，紫色),制作電樞繞組黃銅：銅鋅合金。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、滑環(huán)紫銅：工業(yè)純銅(含銅量大于99.5)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、換向器磷青銅：含2％～8％錫、0.1％～0.4％磷。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、滑環(huán)

鋁導(dǎo)線：純鋁。電阻率大、密度小、易氧化、焊接復(fù)雜鑄鋁：加入Si元素，鋁液流動(dòng)性好。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條

SchoolofElectricalEngineering806六月2023SchoolofElectricalEngineering906六月2023三．各類電機(jī)繞組電阻的計(jì)算1、直流電機(jī)Na—總導(dǎo)體數(shù)Lc—線圈平均半匝長(zhǎng)度Ac—導(dǎo)線截面積2a—并聯(lián)支路數(shù)勵(lì)磁繞組、換向極繞組、補(bǔ)償繞組的電阻，可根據(jù)具體數(shù)據(jù)用類似方法計(jì)算。SchoolofElectricalEngineering1006六月20232、感應(yīng)電機(jī)1)定子繞組每相繞組電阻：N1—每相串聯(lián)匝數(shù)Lc—線圈平均半匝長(zhǎng)度Ac1—導(dǎo)體截面積—并聯(lián)支路數(shù)頻率50Hz，導(dǎo)線為圓導(dǎo)線，集膚效應(yīng)不明顯1。若扁銅線，則集膚效應(yīng)明顯

SchoolofElectricalEngineering1106六月2023可用定子繞組電阻計(jì)算方法計(jì)算，但正常運(yùn)行時(shí)，電流頻率很低，sf1，2)繞線轉(zhuǎn)子電阻需要折算到定子側(cè)：3)籠型轉(zhuǎn)子多相對(duì)稱繞組。相數(shù)=槽數(shù)，每相導(dǎo)體數(shù)等于1。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(jiǎn)單相加，而須將端環(huán)電阻折合到導(dǎo)條，再?gòu)膶?dǎo)條側(cè)折合到定子側(cè)。SchoolofElectricalEngineering1206六月2023各導(dǎo)條電流大小相等IB，相位相差，端環(huán)各段中電流有效值相等IR，相鄰兩段電流的相位相差SchoolofElectricalEngineering1306六月2023計(jì)算電阻時(shí)，用接成星形的電阻代替多邊形的端環(huán)電阻。原則：銅耗不變SchoolofElectricalEngineering1406六月2023若導(dǎo)條端環(huán)材料相同其中導(dǎo)條長(zhǎng)度，截面積端環(huán)平均直徑，截面積折算到定子側(cè)正常運(yùn)行時(shí)，，起動(dòng)時(shí)，顯著增大，詳見§4-6SchoolofElectricalEngineering1506六月20233、同步電機(jī)電樞繞組：電阻計(jì)算與感應(yīng)電機(jī)定子繞組的一樣勵(lì)磁繞組：用直流電機(jī)的方法計(jì)算勵(lì)磁繞組電阻§4-2繞組電抗的一般計(jì)算方法等效電路中除電阻外，還有電抗。標(biāo)么值：清晰、方便表達(dá)出電機(jī)的某些性能，對(duì)額定值不同的電機(jī)進(jìn)行參數(shù)和性能的比較。電抗與磁場(chǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。交流電機(jī)計(jì)算中，電抗通常采用標(biāo)么值SchoolofElectricalEngineering1606六月2023一、電抗分類1）主電抗：基波主磁通所經(jīng)過磁路對(duì)應(yīng)的繞組電抗2）漏電抗：基波主磁通以外的磁通皆歸為漏磁通，與漏磁通對(duì)應(yīng)的電抗感應(yīng)電機(jī)以功電流為基值SchoolofElectricalEngineering1706六月2023二、電抗計(jì)算方法：分類磁鏈法：應(yīng)用較多能量法：2)磁鏈法電路的電感等于交鏈該電路的磁鏈增量與電流相應(yīng)增量之比SchoolofElectricalEngineering1806六月2023不飽和時(shí)飽和時(shí)，不與i成正比，電感隨電流變化一個(gè)周期內(nèi)，取平均值。電機(jī)設(shè)計(jì)中，通常忽略磁路的飽和，電感的計(jì)算歸結(jié)為磁鏈的計(jì)算§4-3主電抗計(jì)算主電抗：多相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，包括基波磁場(chǎng)和諧波磁場(chǎng)，與基波磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的電抗稱為主電抗與諧波磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)稱為諧波漏抗（差別漏抗）。感應(yīng)電機(jī)：習(xí)慣稱主電抗為勵(lì)磁電抗SchoolofElectricalEngineering1906六月2023同步電機(jī)：電樞反應(yīng)電抗凸極隱極、感應(yīng)電機(jī)假設(shè)1）2）槽開口的影響以氣隙系數(shù)來(lái)計(jì)及3）電樞槽內(nèi)導(dǎo)體中電流集中在槽中心線上SchoolofElectricalEngineering2006六月2023SchoolofElectricalEngineering2106六月2023SchoolofElectricalEngineering2206六月2023SchoolofElectricalEngineering2306六月2023二、凸極同步電機(jī)凸極同步電機(jī)：氣隙沿電樞圓周是不均勻的定量分析電樞反應(yīng)的作用時(shí)，需要應(yīng)用雙反應(yīng)理論。1雙反應(yīng)理論凸極同步電機(jī)在極弧下氣隙小，極間部分氣隙大，同一電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在不同位置時(shí)所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)不同兩典型位置的電樞反應(yīng)：SchoolofElectricalEngineering2406六月2023電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸位置，在直軸處電樞磁場(chǎng)最強(qiáng)，向兩邊逐漸減弱，而在極間區(qū)域由于電樞磁動(dòng)勢(shì)較小，氣隙又較大，所以磁場(chǎng)就很弱。電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在交軸位置，由于極間區(qū)域氣隙較大，故交軸電樞磁場(chǎng)較弱，整個(gè)磁場(chǎng)呈馬鞍形分布。SchoolofElectricalEngineering2506六月2023在直軸上施加直軸電樞反應(yīng)基波磁動(dòng)勢(shì)Fad，產(chǎn)生的氣隙磁密最大值為Bad，磁密基波幅值為Bad1，則直軸電樞反應(yīng)磁密波形系數(shù)定義為二者的比值，即在交軸上施加交軸電樞反應(yīng)基波磁動(dòng)勢(shì)Faq，產(chǎn)生的氣隙磁密基波幅值為Baq1。假設(shè)交軸位置與直軸位置的磁阻情況相同，則產(chǎn)生一假想的氣隙磁密正弦波，其幅值為Baq，交軸電樞反應(yīng)磁密波形系數(shù)定義為二者的比值SchoolofElectricalEngineering2606六月2023SchoolofElectricalEngineering2706六月2023同一電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在直軸或交軸位置時(shí)，產(chǎn)生的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)幅值不等，但磁場(chǎng)分布對(duì)稱，進(jìn)行分析和計(jì)算還不是太困難。然而一般情況下，電樞磁動(dòng)勢(shì)作用在一個(gè)任意位置上時(shí)，幅值和波形不確定，分布不對(duì)稱，不可能解析求解雙反應(yīng)理論：當(dāng)電樞磁動(dòng)勢(shì)作用于交、直軸間的任意位置時(shí)，可將之分解成直軸分量和交軸分量，先分別求出直、交軸電樞反應(yīng)，最后再把它們的效果疊加起來(lái)。2電樞反應(yīng)電抗將主電抗分為直軸電樞反應(yīng)電抗Xad和交軸電樞反應(yīng)電抗Xaq。將電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)分解為作用在直軸上的直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)和作用在交軸上的交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)SchoolofElectricalEngineering2806六月2023產(chǎn)生的氣隙磁密最大值為SchoolofElectricalEngineering2906六月2023基波磁密最大值為每極基波磁通為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為SchoolofElectricalEngineering3006六月2023電樞反應(yīng)電抗為SchoolofElectricalEngineering3106六月20233電樞反應(yīng)電抗的標(biāo)么值將空載氣隙磁動(dòng)勢(shì)基波幅值與氣隙磁動(dòng)勢(shì)最大值的比值定義為氣隙磁動(dòng)勢(shì)波形系數(shù)kf，即SchoolofElectricalEngineering3206六月2023SchoolofElectricalEngineering3306六月2023§4-4漏電抗計(jì)算繞組通電主磁通：基波產(chǎn)生的主磁通漏磁通：諧波對(duì)應(yīng)的磁通、槽漏磁通齒頂磁通、端部磁通三、隱極同步電機(jī)，其中其中包括槽比漏磁導(dǎo)，諧波比漏磁導(dǎo)，齒頂比漏磁導(dǎo)，端部比漏磁導(dǎo)SchoolofElectricalEngineering3406六月2023一、槽漏抗計(jì)算1、單層整距繞組的槽漏抗槽內(nèi)導(dǎo)體通電產(chǎn)生漏磁通，漏磁通匝鏈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，認(rèn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)感抗壓降，對(duì)應(yīng)的電抗為槽漏電抗漏抗的計(jì)算歸結(jié)為漏磁路計(jì)算SchoolofElectricalEngineering3506六月2023單層繞組及其槽形尺寸SchoolofElectricalEngineering3606六月2023假設(shè)：①電流在導(dǎo)體截面均勻分布②鐵磁物質(zhì)磁導(dǎo)率無(wú)窮大③槽內(nèi)磁力線與槽底平行。矩形槽：SchoolofElectricalEngineering3706六月2023槽口部分：槽高部分：SchoolofElectricalEngineering3806六月2023一個(gè)槽總的磁鏈：一個(gè)槽漏電感系數(shù)：一個(gè)槽的槽漏抗：SchoolofElectricalEngineering3906六月2023對(duì)其他槽型，只是計(jì)算方式不同，采用公式4-45～47每相串聯(lián)匝數(shù)SchoolofElectricalEngineering4006六月20232、雙層整距繞組的槽漏抗上下兩層，每層串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)Ns/2，屬于同一相，電流相同上層自感下層自感上下層互感每相槽漏抗：

SchoolofElectricalEngineering4106六月2023關(guān)鍵就是求a,b,abSchoolofElectricalEngineering4206六月2023一般：由此可知：對(duì)于雙層整距繞組，由于其各槽上、下線圈邊中的電流屬于同一相，槽比漏磁導(dǎo)仍可用單層繞組的計(jì)算公式，只要將式4-44中的h1用上下層線圈邊（包括層間絕緣）在槽中總高度h代替即可SchoolofElectricalEngineering4306六月2023整距短距3、雙層短距由于雙層短距繞組在有些槽中上、下層線圈邊電流不同相，使產(chǎn)生漏磁的磁動(dòng)勢(shì)減小，引起槽漏抗減小。SchoolofElectricalEngineering4406六月2023①每極每相槽數(shù)：q繞組節(jié)距比：②在每極下總槽數(shù)：3q

③線圈短距后節(jié)距：④上下層線圈電流不屬于同一相的槽數(shù)：上下層線圈電流屬于同一相的槽數(shù)：圖4-7：，不屬于同一相=2，屬于同一相=1。SchoolofElectricalEngineering4506六月2023槽口比漏磁導(dǎo)，為槽下部比漏磁導(dǎo)：由于短距對(duì)槽口比漏磁導(dǎo)引入的節(jié)距漏抗系數(shù)：由于短距對(duì)槽下部比漏磁導(dǎo)引入的節(jié)距漏抗系數(shù)為繞組節(jié)距比時(shí)：每相：SchoolofElectricalEngineering4606六月2023時(shí)：時(shí)：二、諧波漏抗計(jì)算多相對(duì)稱繞組中通以多相對(duì)稱電流，諧波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)電勢(shì)頻率或查圖4-9應(yīng)反映在定子回路的電勢(shì)平衡方程中。在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電勢(shì)頻率：SchoolofElectricalEngineering4706六月2023這些定子諧波磁場(chǎng)，雖然大部分也與轉(zhuǎn)子繞組匝鏈，但產(chǎn)生的不是有用轉(zhuǎn)矩。一般把有各次諧波磁場(chǎng)在自身繞組中所感應(yīng)的基頻電勢(shì)看作為漏抗壓降，相應(yīng)電抗成為諧波漏抗。定子諧波磁場(chǎng)的影響用定子諧波漏抗表征。不考慮其對(duì)轉(zhuǎn)子的影響。SchoolofElectricalEngineering4806六月2023同理，轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組感應(yīng)的電流頻率為同理，轉(zhuǎn)子諧波磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的電流的影響用轉(zhuǎn)子諧波漏抗表征。對(duì)定子的影響不予考慮。SchoolofElectricalEngineering4906六月2023這些諧波磁場(chǎng)等于電樞電流產(chǎn)生的氣隙總磁場(chǎng)與基波磁場(chǎng)之差，有時(shí)稱為差別漏抗假設(shè)：多槽線圈邊中的電流集中在槽中心線上；鐵心磁導(dǎo)率無(wú)窮大；氣隙均勻且較?。缓雎愿鞔沃C波磁場(chǎng)在對(duì)方繞組中所感應(yīng)電流對(duì)本身的削弱作用SchoolofElectricalEngineering5006六月2023SchoolofElectricalEngineering5106六月2023諧波比漏磁導(dǎo)：諧波電抗：如考慮飽和影響：SchoolofElectricalEngineering5206六月20231、感應(yīng)電機(jī)，隱極同步電機(jī)的定子繞組，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組諧波比漏磁導(dǎo)圖4-10諧波比漏磁導(dǎo)系數(shù)：SchoolofElectricalEngineering5306六月2023SchoolofElectricalEngineering5406六月20232、凸極同步電機(jī)定子繞組對(duì)凸極同步電機(jī)，氣隙不均勻，引進(jìn)修正系數(shù)kdkd見圖4-23、籠型繞組其中三、齒頂漏抗1、齒頂漏抗SchoolofElectricalEngineering5506六月2023同步電機(jī)氣隙較大，氣隙磁場(chǎng)不是完全按徑向穿越氣隙，其中一部分經(jīng)一個(gè)齒頂進(jìn)入另一個(gè)齒頂形成閉合回路，成為齒頂漏磁通，與之對(duì)應(yīng)的漏抗即齒頂漏抗。所包括的其它因素:(1)有一部分諧波磁場(chǎng)也不是沿徑向穿過氣隙，而由齒頂之間閉合，也應(yīng)考慮在內(nèi)；(2)前面推導(dǎo)槽漏抗，假設(shè)磁力線與槽底平行(實(shí)際上不平行),磁路比實(shí)際短了，電抗計(jì)算值偏大，也考慮在齒頂漏抗中加以修正。b0δSchoolofElectricalEngineering5606六月2023當(dāng)槽口面對(duì)極靴時(shí)，齒頂比漏磁導(dǎo)當(dāng)槽口面對(duì)極間區(qū)域時(shí)，齒頂比漏磁導(dǎo)

為齒頂寬SchoolofElectricalEngineering5706六月2023齒頂總比漏磁導(dǎo)為凸極同步電機(jī)：上述方法隱極同步電機(jī)，均勻，t=td感應(yīng)電機(jī)氣隙小，不計(jì)齒頂漏抗SchoolofElectricalEngineering5806六月2023四、端部漏抗計(jì)算繞組端部漏抗相應(yīng)于繞組端部匝鏈的漏磁場(chǎng)的電抗，難以準(zhǔn)確計(jì)算1）端部形狀復(fù)雜2）繞組型式有較大差異3）鄰近的金屬件對(duì)漏磁場(chǎng)影響很大不分組單層同心式：分組單層同心式（交叉式）：SchoolofElectricalEngineering5906六月2023單層鏈?zhǔn)剑弘p層疊繞組：雙層波繞組：鼠籠式：Z2p為轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)L為導(dǎo)條伸出鐵心的長(zhǎng)度（兩端）SchoolofElectricalEngineering6006六月2023§4-5漏抗標(biāo)幺值SchoolofElectricalEngineering6106六月2023SchoolofElectricalEngineering6206六月2023§4-6集膚效應(yīng)對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響一、集膚效應(yīng)SchoolofElectricalEngineering6306六月2023SchoolofElectricalEngineering6406六月2023二、集膚效應(yīng)的影響電阻增大槽漏抗減小。三、交流電機(jī)定子繞組導(dǎo)體中渦流產(chǎn)生附加渦流損耗。小型交流電機(jī)，定子繞組匝數(shù)多；采用散嵌繞組，多根導(dǎo)線并繞，線徑不超過1.68mm。不考慮集膚效應(yīng)大型交流電機(jī)，定子繞組通常不用尺寸較大的單根扁導(dǎo)線，而由很多細(xì)導(dǎo)線組成。細(xì)導(dǎo)線厚度（沿槽高上放置）小于3-5mm。但不同高度處導(dǎo)線仍有不同感應(yīng)電勢(shì)，有環(huán)流，產(chǎn)生環(huán)流損耗。通常并聯(lián)導(dǎo)線分成兩排編織換位（條式繞組）SchoolofElectricalEngineering6506六月2023圖4-17編制換位的繞組線棒SchoolofElectricalEngineering6606六月2023中型交流電機(jī)：圈式繞組，每線圈由多匝導(dǎo)體串聯(lián)組成，每根導(dǎo)體通常也由數(shù)根并聯(lián)導(dǎo)體組成。在端部進(jìn)行扭轉(zhuǎn)換位圖4-18SchoolofElectricalEngineering6706六月20234-7飽和對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響、飽和影響前面電抗計(jì)算中，假設(shè)鐵心磁導(dǎo)率等于無(wú)窮大，忽略鐵心磁阻；鐵心有磁阻，電機(jī)磁路某些部分處于飽和狀態(tài)，鐵心磁阻不可忽略，要準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)性能，必須計(jì)及飽和影響磁阻增加。計(jì)及主磁路飽和時(shí)，感應(yīng)電機(jī)勵(lì)磁電抗，同步電機(jī)電樞反應(yīng)電抗比不考慮飽和小。SchoolofElectricalEngineering6806六月2023二、計(jì)及飽和的電抗計(jì)算1、感應(yīng)電機(jī)１），其中Ks=F0/F２）也可E1為額定運(yùn)行時(shí)的相電勢(shì)Im為額定運(yùn)行時(shí)定子磁化電流感應(yīng)電