電機設計及其CAD-第4章課件

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

參數(shù)計算SchoolofElectricalEngineering206六月2023電阻：1）電阻大，損耗大，壓降大2）感應電動機轉(zhuǎn)子電阻對其轉(zhuǎn)矩特性影響大電抗：1）漏抗小，同步發(fā)電機短路電流大，感應電動機起動電流大2）漏抗大，同步發(fā)電機電壓變化率大；感應電動機功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)矩降低；直流電機換向變差

SchoolofElectricalEngineering306六月20233）同步電機中，瞬變電抗與漏抗的大小關(guān)系密切，瞬變電抗對電機的動態(tài)性能有很大影響。

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

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

Re=KFR集膚效應電流集中于表面SchoolofElectricalEngineering506六月20231)電阻率與溫度有關(guān),在電機正常工作的溫度范圍內(nèi)對于銅電阻溫度系數(shù)2）繞組的計算溫度國標規(guī)定：間接法測量效率時，各繞組的電損耗要換算到相應絕緣等級的基準工作溫度。二、直流電阻計算

SchoolofElectricalEngineering606六月20233）電機繞組常用材料銅：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：75oC,F、H級：115oC

SchoolofElectricalEngineering706六月2023銅導線：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。感應電動機轉(zhuǎn)子導條、滑環(huán)紫銅：工業(yè)純銅(含銅量大于99.5)。感應電動機轉(zhuǎn)子導條、換向器磷青銅：含2％～8％錫、0.1％～0.4％磷。感應電機轉(zhuǎn)子導條、滑環(huán)

鋁導線：純鋁。電阻率大、密度小、易氧化、焊接復雜鑄鋁：加入Si元素，鋁液流動性好。感應電動機轉(zhuǎn)子導條

SchoolofElectricalEngineering806六月2023SchoolofElectricalEngineering906六月2023三．各類電機繞組電阻的計算1、直流電機Na—總導體數(shù)Lc—線圈平均半匝長度Ac—導線截面積2a—并聯(lián)支路數(shù)勵磁繞組、換向極繞組、補償繞組的電阻，可根據(jù)具體數(shù)據(jù)用類似方法計算。SchoolofElectricalEngineering1006六月20232、感應電機1)定子繞組每相繞組電阻：N1—每相串聯(lián)匝數(shù)Lc—線圈平均半匝長度Ac1—導體截面積—并聯(lián)支路數(shù)頻率50Hz，導線為圓導線，集膚效應不明顯1。若扁銅線，則集膚效應明顯

SchoolofElectricalEngineering1106六月2023可用定子繞組電阻計算方法計算，但正常運行時，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)子多相對稱繞組。相數(shù)=槽數(shù)，每相導體數(shù)等于1。導條電阻和端環(huán)電阻。由于導條中電流與端環(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)電阻折合到導條，再從導條側(cè)折合到定子側(cè)。SchoolofElectricalEngineering1206六月2023各導條電流大小相等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計算電阻時，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若導條端環(huán)材料相同其中導條長度，截面積端環(huán)平均直徑，截面積折算到定子側(cè)正常運行時，，起動時，顯著增大，詳見§4-6SchoolofElectricalEngineering1506六月20233、同步電機電樞繞組：電阻計算與感應電機定子繞組的一樣勵磁繞組：用直流電機的方法計算勵磁繞組電阻§4-2繞組電抗的一般計算方法等效電路中除電阻外，還有電抗。標么值：清晰、方便表達出電機的某些性能，對額定值不同的電機進行參數(shù)和性能的比較。電抗與磁場的對應關(guān)系。交流電機計算中，電抗通常采用標么值SchoolofElectricalEngineering1606六月2023一、電抗分類1）主電抗：基波主磁通所經(jīng)過磁路對應的繞組電抗2）漏電抗：基波主磁通以外的磁通皆歸為漏磁通，與漏磁通對應的電抗感應電機以功電流為基值SchoolofElectricalEngineering1706六月2023二、電抗計算方法：分類磁鏈法：應用較多能量法：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增量之比SchoolofElectricalEngineering1806六月2023不飽和時飽和時，不與i成正比，電感隨電流變化一個周期內(nèi)，取平均值。電機設計中，通常忽略磁路的飽和，電感的計算歸結(jié)為磁鏈的計算§4-3主電抗計算主電抗：多相繞組產(chǎn)生的磁場中，包括基波磁場和諧波磁場，與基波磁場對應的電抗稱為主電抗與諧波磁場對應的磁場稱為諧波漏抗（差別漏抗）。感應電機：習慣稱主電抗為勵磁電抗SchoolofElectricalEngineering1906六月2023同步電機：電樞反應電抗凸極隱極、感應電機假設1）2）槽開口的影響以氣隙系數(shù)來計及3）電樞槽內(nèi)導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、凸極同步電機凸極同步電機：氣隙沿電樞圓周是不均勻的定量分析電樞反應的作用時，需要應用雙反應理論。1雙反應理論凸極同步電機在極弧下氣隙小，極間部分氣隙大，同一電樞磁動勢作用在不同位置時所產(chǎn)生的電樞反應不同兩典型位置的電樞反應：SchoolofElectricalEngineering2406六月2023電樞磁動勢作用在直軸位置，在直軸處電樞磁場最強，向兩邊逐漸減弱，而在極間區(qū)域由于電樞磁動勢較小，氣隙又較大，所以磁場就很弱。電樞磁動勢作用在交軸位置，由于極間區(qū)域氣隙較大，故交軸電樞磁場較弱，整個磁場呈馬鞍形分布。SchoolofElectricalEngineering2506六月2023在直軸上施加直軸電樞反應基波磁動勢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基波磁動勢Faq，產(chǎn)生的氣隙磁密基波幅值為Baq1。假設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同一電樞磁動勢作用在直軸或交軸位置時，產(chǎn)生的電樞反應磁場幅值不等，但磁場分布對稱，進行分析和計算還不是太困難。然而一般情況下，電樞磁動勢作用在一個任意位置上時，幅值和波形不確定，分布不對稱，不可能解析求解雙反應理論：當電樞磁動勢作用于交、直軸間的任意位置時，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，最后再把它們的效果疊加起來。2電樞反應電抗將主電抗分為直軸電樞反應電抗Xad和交軸電樞反應電抗Xaq。將電樞反應磁動勢分解為作用在直軸上的直軸電樞反應磁動勢和作用在交軸上的交軸電樞反應磁動勢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電動勢為SchoolofElectricalEngineering3006六月2023電樞反應電抗為SchoolofElectricalEngineering3106六月20233電樞反應電抗的標么值將空載氣隙磁動勢基波幅值與氣隙磁動勢最大值的比值定義為氣隙磁動勢波形系數(shù)kf，即SchoolofElectricalEngineering3206六月2023SchoolofElectricalEngineering3306六月2023§4-4漏電抗計算繞組通電主磁通：基波產(chǎn)生的主磁通漏磁通：諧波對應的磁通、槽漏磁通齒頂磁通、端部磁通三、隱極同步電機，其中其中包括槽比漏磁導，諧波比漏磁導，齒頂比漏磁導，端部比漏磁導SchoolofElectricalEngineering3406六月2023一、槽漏抗計算1、單層整距繞組的槽漏抗槽內(nèi)導體通電產(chǎn)生漏磁通，漏磁通匝鏈自身產(chǎn)生感應電動勢，認為感應電動勢是一個感抗壓降，對應的電抗為槽漏電抗漏抗的計算歸結(jié)為漏磁路計算SchoolofElectricalEngineering3506六月2023單層繞組及其槽形尺寸SchoolofElectricalEngineering3606六月2023假設：①電流在導體截面均勻分布②鐵磁物質(zhì)磁導率無窮大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2023一個槽總的磁鏈：一個槽漏電感系數(shù)：一個槽的槽漏抗：SchoolofElectricalEngineering3906六月2023對其他槽型，只是計算方式不同，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，槽比漏磁導仍可用單層繞組的計算公式，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)生漏磁的磁動勢減小，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，為槽下部比漏磁導：由于短距對槽口比漏磁導引入的節(jié)距漏抗系數(shù)：由于短距對槽下部比漏磁導引入的節(jié)距漏抗系數(shù)為繞組節(jié)距比時：每相：SchoolofElectricalEngineering4606六月2023時：時：二、諧波漏抗計算多相對稱繞組中通以多相對稱電流，諧波旋轉(zhuǎn)磁場，基波旋轉(zhuǎn)磁場在定子繞組中感應電勢頻率或查圖4-9應反映在定子回路的電勢平衡方程中。在轉(zhuǎn)子繞組中感應電勢頻率：SchoolofElectricalEngineering4706六月2023這些定子諧波磁場，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在自身繞組中所感應的基頻電勢看作為漏抗壓降，相應電抗成為諧波漏抗。定子諧波磁場的影響用定子諧波漏抗表征。不考慮其對轉(zhuǎn)子的影響。SchoolofElectricalEngineering4806六月2023同理，轉(zhuǎn)子諧波磁場在轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組感應的電流頻率為同理，轉(zhuǎn)子諧波磁場在轉(zhuǎn)子繞組感應的電流的影響用轉(zhuǎn)子諧波漏抗表征。對定子的影響不予考慮。SchoolofElectricalEngineering4906六月2023這些諧波磁場等于電樞電流產(chǎn)生的氣隙總磁場與基波磁場之差，有時稱為差別漏抗假設：多槽線圈邊中的電流集中在槽中心線上；鐵心磁導率無窮大；氣隙均勻且較?。缓雎愿鞔沃C波磁場在對方繞組中所感應電流對本身的削弱作用SchoolofElectricalEngineering5006六月2023SchoolofElectricalEngineering5106六月2023諧波比漏磁導：諧波電抗：如考慮飽和影響：SchoolofElectricalEngineering5206六月20231、感應電機，隱極同步電機的定子繞組，繞線電機轉(zhuǎn)子繞組諧波比漏磁導圖4-10諧波比漏磁導系數(shù)：SchoolofElectricalEngineering5306六月2023SchoolofElectricalEngineering5406六月20232、凸極同步電機定子繞組對凸極同步電機，氣隙不均勻，引進修正系數(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同步電機氣隙較大，氣隙磁場不是完全按徑向穿越氣隙，其中一部分經(jīng)一個齒頂進入另一個齒頂形成閉合回路，成為齒頂漏磁通，與之對應的漏抗即齒頂漏抗。所包括的其它因素:(1)有一部分諧波磁場也不是沿徑向穿過氣隙，而由齒頂之間閉合，也應考慮在內(nèi)；(2)前面推導槽漏抗，假設磁力線與槽底平行(實際上不平行),磁路比實際短了，電抗計算值偏大，也考慮在齒頂漏抗中加以修正。b0δSchoolofElectricalEngineering5606六月2023當槽口面對極靴時，齒頂比漏磁導當槽口面對極間區(qū)域時，齒頂比漏磁導

為齒頂寬SchoolofElectricalEngineering5706六月2023齒頂總比漏磁導為凸極同步電機：上述方法隱極同步電機，均勻，t=td感應電機氣隙小，不計齒頂漏抗SchoolofElectricalEngineering5806六月2023四、端部漏抗計算繞組端部漏抗相應于繞組端部匝鏈的漏磁場的電抗，難以準確計算1）端部形狀復雜2）繞組型式有較大差異3）鄰近的金屬件對漏磁場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單層鏈式：雙層疊繞組：雙層波繞組：鼠籠式：Z2p為轉(zhuǎn)子每極槽數(shù)L為導條伸出鐵心的長度（兩端）SchoolofElectricalEngineering6006六月2023§4-5漏抗標幺值SchoolofElectricalEngineering6106六月2023SchoolofElectricalEngineering6206六月2023§4-6集膚效應對電機參數(shù)的影響一、集膚效應SchoolofElectricalEngineering6306六月2023SchoolofElectricalEngineering6406六月2023二、集膚效應的影響電阻增大槽漏抗減小。三、交流電機定子繞組導體中渦流產(chǎn)生附加渦流損耗。小型交流電機，定子繞組匝數(shù)多；采用散嵌繞組，多根導線并繞，線徑不超過1.68mm。不考慮集膚效應大型交流電機，定子繞組通常不用尺寸較大的單根扁導線，而由很多細導線組成。細導線厚度（沿槽高上放置）小于3-5mm。但不同高度處導線仍有不同感應電勢，有環(huán)流，產(chǎn)生環(huán)流損耗。通常并聯(lián)導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：圈式繞組，每線圈由多匝導體串聯(lián)組成，每根導體通常也由數(shù)根并聯(lián)導體組成。在端部進行扭轉(zhuǎn)換位圖4-18SchoolofElectricalEngineering6706六月20234-7飽和對電機參數(shù)的影響、飽和影響前面電抗計算中，假設鐵心磁導率等于無窮大，忽略鐵心磁阻；鐵心有磁阻，電機磁路某些部分處于飽和狀態(tài)，鐵心磁阻不可忽略，要準確計算電機性能，必須計及飽和影響磁阻增加。計及主磁路飽和時，感應電機勵磁電抗，同步電機電樞反應電抗比不考慮飽和小。SchoolofElectricalEngineering6806六月2023二、計及飽和的電抗計算1、感應電機１），其中Ks=F0/F２）也可E1為額定運行時的相電勢Im為額定運行時定子磁化電流感應電