電機的主要參數(shù)之間的關系

電機的主要參數(shù)之間的關系第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月、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（lef）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。第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

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、lef、δ）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）第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、 本章研究內容1．確定主要尺寸依據的基本關系式→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第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§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：同步速第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁功率（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（））

第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月、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──

電樞繞組相電流第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月其中電勢：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)；Φ──

每極磁通（韋）。第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月每極磁通Φ：

Bδ──

氣隙磁密最大值（T）；

Bδav──氣隙磁密平均值；

──

計算極弧系數(shù)

Lef──電樞計算長度；

τ──極距（米）；第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電負荷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，Bδ、、A變動范圍不大，、KNm、Kdp變化范圍更小，CA一般為常數(shù)。第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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：直流電機中第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月四、、的物理意義1．①是電機常數(shù)：對一定功率范圍內電機Bδ、A變動不大，、KNm、Kdp變化范圍更??；近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第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2．①是電機常數(shù)的倒數(shù)，叫作利用系數(shù)。②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。并非總是常數(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。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月小結：確定主要尺寸的基本關系式找到→確定A

、Bδ、→根據之間的曲線→第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月五、 計算功率與額定功率的關系在設計電機時，一般都是給定額定功率，因此應找出與的關系異步電機：輸入功率：額定功率：計算功率：比較上兩式：第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月滿載電勢標么值：

額定負載時感應電勢與端電壓的比值給定，給定，可先假設再得到計算功率第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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：第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月六、從確定主要尺寸關系式所得的結論選定A

、Bδ，=0.63~0.72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它尺寸。第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.A

、Bδ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

、Bδ↓。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、Bδ有關，A、Bδ↑，電機的尺寸就愈小。第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月結論：1.是常數(shù)，電機主要尺寸決定于（T′）基本相同；2.一定，↓3.

、KNm、Kdp一定，給定，決定于A

、Bδ，選A

、Bδ↑，↓；4.一定，n一定，D一定，lef↑，P′↑，可得不同容量。T′相近（），電機體積上基本相同，第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-2電機中的幾何相似定律概述什么是幾何相似？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：第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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的1/4次方成反比的定律稱幾何相似定律。、成本及產生的損耗與功率第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月證明：條件：保持不變①長度與功率之間的關系第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月代入，第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②與的關系有效材料的成本與損耗與成正比。有效材料重量與體積成正比，也與長度的立方成正比；第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月③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、成本及產生的損耗與功率成正比。保持不變時，第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月4． 用途：① 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；② 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。第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月5． 解釋幾個問題① 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。

第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月② 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法改變冷卻系統(tǒng)或冷卻方式，放棄它們的幾何形狀相似。第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§2-3電磁負荷的選擇根據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。第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一、 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（安/米）1．優(yōu)點：①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第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②一定時，由于鐵心質量減小，鐵耗減小。Bδ（一定時）2．缺點：①繞組用銅（鋁）量將增加；第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②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：第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月電機溫升→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↑（）③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）的標么值第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）氣隙磁密Bδ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：① 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）第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月a)b)②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↑→↓第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月③改變了電機參數(shù)和電機特性。和氣隙磁密二、 電負荷AA、1.不應選擇過高2.的比值要適當A、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）。第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一般輕載電機A大點，小點，使效率較主高。（∵輕載I↓，pcu↓,可變損耗小，A↑，可變損耗↑=不變損耗）3.的選擇要考慮冷卻的條件A、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%。第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月4.A、

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、比銅要好的選擇要考慮所用材料和絕緣結構的等級5.A、的選擇要考慮（圓周速度取決于①②和n的大?。┑?0頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月總的說，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，并分析對比設計電機與已有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。，冷卻條件、電機結構不斷改進，→體積隨材料性能第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月§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。第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一、大小的影響

一定，，（極距），較大時：①大，電機較細長（較大、線圈的跨距較?。焕@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。較?。?，一定：↑→→單位功率耗材↓→成本↓第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月②一定：↑，↓，η↑∵一定：↑→→↓→η↑③一定：↑→端部較短→端部漏抗↓→總漏抗↓第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月④一定：↑→冷卻條件變差→導致軸向溫↑，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↑。度分布不均勻度增大∵第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月→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）⑤↑⑥↑→轉子轉動慣量小，va

大→轉速較高的電機或要求時間常數(shù)較小的電機是有利第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、選擇時的考慮考慮參數(shù)與溫升考慮節(jié)約用銅（鋁）考慮轉子機械強度考慮轉動慣量三、多種不同電機1．異步電機大致的范圍第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月∵極數(shù)多的電機，繞組跨距小，電機端部較短，鐵心可