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1、,4.1 小型三相同步发电机设计4.2 永磁同步发电机设计4.3 异步起动永磁同步电动机设计,第4部分 同步电机设计,4.1 小型三相同步发电机设计,4.1.1 小型三相同步发电机设计的主要问题,小型三相同步发电机电磁设计是在已确定的视在功率或有功功率、电压、相数、频率、功率因数、转速等额定值的情况下，按产品技术要求确定电磁负荷、有效部分尺寸、绕组数据及性能参数等。,1、电磁负荷的取值范围：设计时如果想要少用铜，在选择电磁负荷时，要尽可能用较高的气隙磁密和电枢电密，而线负荷A要尽可能取得低；若设计时要少用铁，则应适当提高线负荷A 。由于F级绝缘材料的发展和运用，电磁负荷的取值也相应地提高。目前
2、小型同步发电机的电磁负荷的取值范围如下表：,4.1 小型三相同步发电机设计,（同容量的电机，F级的绝缘电机的体积比B级的绝缘电机的体积小，气隙磁密一样，但体积小的定子齿等铁心的磁密要高些）,4.1 小型三相同步发电机设计,2、气隙长度 的确定,小型发电机的气隙长度可由公式确定，即：,-饱和短路比，对自励恒压发电机,-经验系数，,；,-线负荷,，,-额定工况的气隙磁密，,，,-极距。,目前小型同步发电机的气隙一般取,。,3、定转子槽数及槽形,小型三相同步发电机定子每极每相槽数一般选用整数槽，,。为了消除齿谐波电势对电压的影响，定子或转子采,用斜槽，一般是斜一个齿距。,4.1 小型三相同步发电机设
3、计,从工艺考虑，隐极式转子从过去的采用大小槽结构（便于气隙磁场正弦分布），到现在采用等槽结构，一般每极的有效槽数大都采用,槽。 小型三相同步发电机定子槽形一般采用,梨形或梯形半闭口槽形，,如图。,4、电枢绕组的设计,小型低压发电机一般采用半闭口槽和散下的双层叠绕组。在采用单相三次谐波绕组提供励磁功率的发电机，电枢,4.1 小型三相同步发电机设计,绕组常设计为单双层绕组（双层短距绕组，每槽中同相位的上、下线圈边组成一个新的单层线圈边，与同相属的另一个类似槽中的新的单层线圈边组成一个线圈，详细见西交大电机设计p233）。单相谐波绕组放在单层线圈的槽内，其节距为电枢绕组整距的,。,5、磁极结构和形状
4、的选择,小型三相同步发电机的转子磁极结构分为凸极和隐极两种结构。采用何种结构，是各个生产厂家的的工艺决定的。凸极结构，气隙不均匀，一般取气隙最大气隙长度 与最小气隙长度,（磁极轴线处的气隙,，,）,之比为：,；,极弧系数,。对于采用三次谐波励磁的发电机，,4.1 小型三相同步发电机设计,一般,；对于30kW以下的发电机，为了制造,方便，采用均匀气隙。 隐极结构，采用均匀气隙。,20世纪70年代末期发展了兼顾凸极和隐极结构优点的整体凸极叠片转子磁极结构称整体式凸极结构。这种结构的磁极和磁轭为一体，由0.5mm或0.65mm薄钢片整片冲出，冲片叠压并经氩弧焊焊成一体，叠装在轴上，在铁心上喷涂绝缘漆
5、或者包绝缘。励磁绕组由绕线机直接绕到极身上，边绕边涂线圈胶，然后整体浸漆烘干。,6、励磁绕组设计,励磁绕组设计包括确定励磁绕组匝数、导线尺寸以及励磁系统对额定励磁电压和额定励磁电流的要求。,4.1 小型三相同步发电机设计,小型凸极同步电机的励磁绕组一般采用漆包圆线或漆包扁导线。,7、阻尼绕组的设计,现代中大型发电机一般设有阻尼绕组。发电机装置阻尼绕组，不仅使发电机运行稳定，也可以减少发电机在短路或跳闸时的电枢过电压及励磁绕组的过电压。,凸极发电机的阻尼绕组是装在极靴的表面。阻尼绕组由伸出极靴铁心槽的阻尼条与两端的端环焊接组成。,小型隐极发电机由于转子磁极铁心采用整块合金钢锻成，合金钢具有阻尼效
6、果，故小型隐极发电机不再装置阻尼绕组。中大型隐极发电机装置阻尼绕组，阻尼条装置在转子铁心安置励磁绕组的开设槽的槽楔下，端环装在中心环里。,4.1 小型三相同步发电机设计,8、磁路计算,磁路计算的主要目的是计算电机的空载特性、短路比及满载励磁电流。 确定磁路各部分的磁密是否合理。凸极同步电机的磁路计算包括：气隙磁势，定子齿磁势，定子轭磁势，极身磁势，转子轭磁势及第二气隙磁势（磁极和磁轭之间的气隙）六部分。对整体凸极和隐极电机没有第二气隙磁势。,9、参数计算,计算定、转子的直流电阻和各种电抗。,10、损耗与效率,中小型同步发电机的损耗：1）铁耗 定子齿和轭的铁耗；2）定子铜耗；3)励磁损耗；4）机
7、械损耗；5）附加损耗。,效率计算和感应电机的一样。,4.2 永磁同步发电机设计,永磁同步发电机设计的主要问题:永磁材料的选择、永磁体尺寸、转子结构尺寸、定子绕组和定子冲片的确定、磁路计算、电压调整率和短路计算。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,4.3.1异步起动永磁同步电动机设计的主要问题,永磁同步电动机由永磁（体）提供磁场，没有了电励磁同步电动机中的电刷及励磁电源。,1、异步起动永磁同步电动机的结构,异步起动永磁同步电动机由定子和转子组成。,1）定子结构 永磁同步电动机的定子结构和感应电机的相同。,2）转子结构 转子分为实心永磁转子和笼型永磁转子两种。 实心永磁转子结构铁心由整块钢加工而
8、成，上面铣出槽以放置永磁体。起动时，旋转磁场在转子铁心中感应涡流产生起动转矩。笼型永磁转子是最常见的结构，转子铁心由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，上面冲有均匀的槽，通常是半闭口槽。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,永磁同步电动机由于永磁体的放置原因，转子很难斜槽，通常采用定子斜槽。转子笼型绕组有铜条焊接式和铸铝式两种，和感应电机的笼型转子绕组一样。,永磁体的固定方式有两种：采用在永磁体上涂树脂，再将永磁体插入转子铁心，树脂凝固后将永磁体和转子固定在一起；将永磁体插入转子铁心，然后在铁心两端加非磁性端环固定在转子铁心上。,2.异步起动永磁同步电动机的转子磁极结构,根据永磁体放置在铁心的位置，
9、将转子磁极分为表面式和内置式两种转子磁极结构。,1）表面式转子磁极结构,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,结构如图，图a，永磁体用高强度非导磁圈固定在笼型转子的外部。磁极（永磁体）之间如采用树脂、铝等非导磁材料填充，属于隐极电机；磁极（永磁体）之间如采用导磁材料,这种结构的电机笼型绕组导体在转子内部，产生的起动转矩（异步转矩）较小。,填充，,属于凸极电机，交轴磁阻小于直轴磁阻。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,2）内置式转子磁极结构 在内置式转子磁极结构中，永磁体位于笼型绕组导体和铁心轴孔之间的铁心中。内置式转子结构按一对极下永磁体的磁路关系，可以分为并联式、串联式和混合式三种。,并联式
10、磁路结构,并联式磁路结构又称切向式磁路结构，在该结构中，相邻两磁极的永磁体并联提供每极磁通，如图。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,串联式磁路结构 串联式磁路结构又称径向式磁路结构，该结构由两个磁极的永磁体串联，如图。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计, 混合式磁路结构 该结构集合了并联式磁路结构和串联式磁路结构，如图。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,3.异步起动永磁同步电动机的电磁设计,1）定子冲片尺寸和气隙长度的确定,定子冲片尺寸和感应电机的相同。定子每极每相槽数一般取整数， 。气隙长度比同容量的感应电机的气隙长度大,。,2）定子绕组的设计,定子三相绕组常采用Y形联接。定子绕组的类型和感应电机的一样，有单层绕组和双层绕组。为了提高起动转矩，定子每相匝数比感应电机的要少些，起动电流当然也大些。电流密度比同容量感应电机的要小些。,4.3 异步起动永磁同步电动机设计,3）转子铁心的设计,转子槽数为极数的整数倍，且采用多槽远槽配合。转子槽形和感应电机的转子槽形相似。,4.永磁体设计,在异步起动永磁同步电动机设计中，永磁体通常为长方体，主要尺寸为每极永磁体的总宽度 ，永磁体充磁方向长度 和永磁体轴向长度 。,一般内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸：,；,。,切向式永磁体尺寸：,；,。,
