电机设计讲稿第二章.doc

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1、第二章 电机的主要参数之间的关系一、 什么是主要尺寸？电机的几何尺寸很多，有铁心尺寸、绕组尺寸、外形尺寸、安装尺寸，其它各种结构部件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸：电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，其能量形式的转换则是通过“气隙主磁通”进行的。因此主要尺寸就必定与气隙有密切关系。实践证明，靠近气隙的电枢直径（D）与铁心有效长度（）是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个尺寸。从几何角度看，这些尺寸一经确定了，其它尺寸就大体上确定了，而且不少电磁性能也就基本上为它们左右或稍许变动。 铁心尺寸 绕组尺寸 其它尺寸大体确定电机的几何尺寸 外形尺寸 主要尺寸 不少电磁性能变化不大 安装尺寸 （D、）

2、电机矢量确定 结构部件尺寸电枢直径D：交流电机（定子内径） 直流电机（转子外径）二、 本章研究内容1确定主要尺寸依据的基本关系式 选择电磁负荷 确定主要尺寸；2电磁负荷的选择；3确定主要尺寸的一般方法。2-1 电机的主要参数之间的关系式一、 几个物理量即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。额定转速：同步速 电磁功率（计算功率）：电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），能量都是以电磁能的形式通过定转子间的气隙进行传递的，与之相对应的功率称为电磁功率。 电磁功率在电机设计中用计算功率表示（）二、 交流电机中 的关系 计算功率：m 电枢绕组相数；E 电枢绕组相电势；I 电枢绕组相电流。其

3、中电势：KNm气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；f 电流频率；N 电枢绕组每相串联匝数；Kdp 电枢绕组系数； 每极磁通（韦）。每极磁通： B 气隙磁密最大值（T）；Bav 气隙磁密平均值； 计算极弧系数；lef 电枢计算长度； 极距（米）；电负荷A： D 电枢直径（米）； 把上面关系代入： 对一定功率和转速范围内的电机，B、A变动范围不大，、KNm、 Kdp变化范围更小，CA一般为常数。三、 直流电机计算功率： 其中电势： 每极磁通： 电负荷A： 把上面关系代入： 比较： 直流电机中四、 、的物理意义1是电机常数：对一定功率范围内电机B、A变动不大，、KNm、 Kdp变化范围更小； 近

4、似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也和它有关。的物理意义：反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电工钢）的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。2是电机常数的倒数，叫作利用系数。物理意义表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用程度。在设计方案比较时，往往是一项很好的比较指标，随着电机制造水平的提高，材料质量的改进，将不断增大。 并非是常数，转速一定时，。随着电机功率的增大百减小，利用系数和转矩应力则随电机功率的增大而增大。小结： 确定主要尺寸的基本关系式找到 确定A 、B、 根据之间的曲线 五、 计算功率与额定功率的关系在设计电机时，

5、一般都是给定额定功率，因此应找出与的关系1 异步电机：输入功率：额定功率：计算功率：比较上两式：满载电势标么值： 额定负载时感应电势与端电压的比值 感应电动机的相量图 给定，与给定，与可先假设再得到计算功率。2 同步电动机： 3 同步发电机： 4 同步调相机： 5 并励直流发电机： 6 并励直流电动机： 六、 从确定主要尺寸关系式所得的结论 选定A 、B，=0.630.721 电机的主要尺寸决定于：计算功率P与转速n之比或计算转矩T；可以看出：在其它条件相同时，计算转矩相近的电机所消耗的有效材料相近，功率大、转速高与功率小、转速低的电机其相近，则电机体积是接近。二者可采用相同的电枢直径与某些其

6、它尺寸。2 A 、B不变时，相同功率的电机，n，尺寸较小； 尺寸相同的电机，n，功率较大。说明：n，可减小电机的体积V和质量M，只能在一定转速下；当n太高的话，机械损耗，直流电机铁耗，于是只好使A 、B。如n太高，机械应力T；3 转速一定，若直径不变而采用不同长度可得不同的功率的电机；4 、KNm、 Kdp一般变化不大电机的主要尺寸在很大程度上和选择的A 、B有关，A 、B，电机的尺寸就愈小。结论：1 是常数，电机主要尺寸决定于（T），T相近（），电机体积上基本相同，基本相同；2 一定，一定，3 、KNm、 Kdp一定，给定，决定于A 、B，选A 、B，；4 一定，n一定，D一定，lef，P

7、，可得不同容量。2-2 电机中的几何相似定律概述1 什么是几何相似？指电机对应的尺寸具有相同的比值。如：A、B两台电机若是几何相似，则它们的对应尺寸成比例，即： 2 几何相似定律：在电流密度、磁感应强度、转速、频率保持不变时，对一系列功率递增，几何相似的电机，每单位功率所需有效材料的质量、成本及产生的损耗与功率的1/4次方成反比的定律称几何相似定律。3 证明：条件：保持不变 长度与功率之间的关系代入， 与的关系有效材料重量与体积成正比，也与长度的立方成正比；有效材料的成本与损耗与成正比。 单位功率所需有效材料的质量、成本及产生的损耗与功率的关系即得：几何相似定律：在保持不变时，对一系列功率递增

8、、几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料的、成本及产生的损耗与功率成反比。4 用途： 这定律可用来大体上估计与已制成电机几何相似，但功率不同的电机的质量、成本或损耗不同； 也可用来分析通常是几何相似的系列中各规格电机之间的对应关系。5 解释几个问题 为什么在可能的情况下尽可能采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率（为什么要提高单机容量）？随着单机容量增加，其有效材料的重量、成本的增加相对容量的增加要慢。因此有效材料的利用率提高了，损耗增加相对容量增加也慢，因此效率提高了。人们常说的电机怕效率也就是这个道理。 为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要（也就是人们常说的大电机怕温升

9、）？ 电机损耗与长度的立方成正比，而冷却表面却与长度成正比，功率，长度，损耗冷却表面，故电机温升。因此就必须设法改变冷却系统或冷却方式，放弃它们的几何形状相似。2-3 电磁负荷的选择根据确定主要尺寸的关系式来看：在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，主要尺寸就决定于电磁负荷。从上式看出，越大，越小，质量越轻，成本越低。因此希望一点好。但是选择与许多因素有关，它将影响电机的其它性能，它不但影响有效材料的耗用量，对电机的参数、启动和运行影响较大。究竟如何选择才好？下面介绍具体选择方法。一、 电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（一） 电负荷A较高 沿电枢圆周单位长度上的总电流（

10、安/米）1优点： 电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料； （电机有效材料近似表示转子有效部分体积） B一定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。 （一定时）2 缺点： 绕组用铜（铝）量将增加； 增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增大； 绕组有效部分（即槽内部分）的铜耗为：电枢表面的铜（铝）耗为：电机温升 AJ热负荷的大小 温升不超过一定限度 AJ不能超过一定限度 A，J 有铜量 （） 改变了电机参数和电机特性。由后面4-3可知交流绕组的电抗（互感电抗或漏电抗）的标么值 1） 异步电机：启动转矩，最大转矩，启动电流；2） 同步电机：电压变化率，短路电流，短路比，稳定度；3） 直流电机：换向

11、恶化，换向时电抗电势和电枢反应电势影响换向电流的变化。（二） 气隙磁密B较高1优点：电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。 2缺点： 使电枢基本铁耗增大；基本铁耗 = 铁心质量 比损耗 （单位质量铁心中损耗）a) b) 气隙磁位降和磁路饱和程度将增加；a) 同步机、直流机：由于上面两原因使励磁磁势励磁绕组用铜量励磁损耗效率、励磁绕组温升，使励磁绕组排列困难或导致磁极和电机外形尺寸加大。b) 异步机：励磁电流 改变了电机参数和电机特性。 二、 电负荷A和气隙磁密的选择1 A、不应选择过高2 A、的比值要适当 这比值影响电机的参数和特性；影响铜、铁的分配，即影响电机效率曲线上出现最高效率的位置（可

12、变损耗=不变损耗，效率最大）。一般轻载电机A大点，小点，使效率较率。（轻载I，pcu,可变损耗小，A，可变损耗=不变损耗）3 A、的选择要考虑冷却的条件 防护式冷却方式条件较好，A、选择一般比同规格封闭式的高，对一般小型异步电机通常可高出15-20%。4 A、的选择要考虑所用材料和绝缘结构的等级 绝缘结构的耐热等级愈高，电机允许温升愈高，A； 导磁材料（包括结构部件材料）性能越好，； 电枢绕组用铝 RAl大 A、比铜要好5 A、的选择要考虑和n的大小 （圆周速度取决于） 总的说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难从理论上来确定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有

13、电机之间在使用材料、结构、技术条件、要求等方面的异同后进行选取。关于A、的具体选用值可参看后序文章。随材料性能，冷却条件、电机结构不断改进， 体积。2-4 电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，当电磁负荷选定后，则可确定 （主要尺寸比） 大小影响电机运行性能、经济性、工艺性。一、大小的影响 一定，（极距），较大时： 大，电机较细长（较大、较小），线圈的跨距较小；绕组端部变短，端部用铜（铝）量相应减少；在正常范围内可提高绕组铜的利用率。各结构部件尺寸较小，重量轻，因此单位功率的材料消耗较少，成本低。一定： 单位功率耗材 成本一定：

14、， 一定： 一定： 端部较短 端部漏抗总漏抗一定： 冷却条件变差 导致轴向温度分布不均匀度增大 ，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致轴向温度分布不均匀度增大，必须加强冷却措施。如主要依靠机座表面散热的封闭式电机，热量主要通过定子机座向外散热，对散热有利。对无径向通风道开启式或防护式电机，为了充分利用端部散热效果，端部。 线圈数目 线圈制造工时绝缘材料但 铁心长 冲片数目冲剪叠压工时，冲模易损坏 D 机座加工工时下线难度大（跨距小）工时 D 转轴加粗（为了保证足够的转子刚度） 转子转动惯量小，va 大 转速较高的电机或要求时间常数较小的电机是有利二、选择时的考虑 考虑参数与温

15、升 考虑节约用铜（铝） 考虑转子机械强度 考虑转动惯量三、多种不同电机大致的范围1异步电机（一般=1-1.3为好）极数多的电机，绕组跨距小，电机端部较短，铁心可以长，大些；极数少的电机，为了保证轭磁密不过高，轭厚，D大，小。2同步电机 一般随极数增加而。3直流电机四、确定主要尺寸的一般方法 这里只介绍电机主要尺寸确定的一般方法。某些电机可根据其本身特点而采用不同的步骤，甚至将主要尺寸的关系式写成其它的形式。1 确定主要尺寸的步骤 由电机额定功率计算功率； 利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷； 由，n（交流机n=n0，直流机n=nN）、一般可近似认为： 参考推荐的数据选用适当的； 及，分别求得与和

16、； 确定交流电机定子外径、直流电机电枢外径。从表2-1、2-2按标准选取，对定子内径、进行必要调整。2 用“类比法”来确定主要尺寸 类比法：根据所设计电机的具体条件（结构、材料、技术经济指标、工艺等），参照已生产过的同类型相似规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。 如异步电机一般： 2-5 系列电机及其设计特点1 系列电机就是指技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本上相同，功率及安装尺寸按一定规律递增，零部件通用性很高的一系列电机。2 系列电机的优点 由此减少材料与工设计时，消耗、降低成本：由于它们的生产工艺过程与另部件型式相同，可以充分利用冲模、模具、量具、

17、卡具等工艺装配； 缩短生产周期：由于充分利用了原有的工模具等工艺装配图纸等条件； 可以减少设计、制造、使用、维修方面的许多工作； 可以腾出手来提高产品的质量。3 系列电机的分类 基本系列：使用面广，生产量大的一般用途的系列如JO2、T2、Z2系列； 派生系列：适按使用的不同要求进行部分改动而由基本系列派生出来的系列，它与基本 系列有较多的通用性如JDO2 三相多速异步电动机，JHO2 一相高转差率异步电动机； 专用系列：适用某种特殊条件但使用面很窄的系列如JG2 辊道电动机。4 系列电机设计的特点 功率等级的确定要根据用户的要求、选用的方便、经济性等多方面全面综合分析来确定。（功率按一定规律递

18、增）同一系列中相邻两功率等级之比（大功率比小功率），称功率递增系数或容量递增系数，其数值直接影响到整个功率等级数目的确定，而且对系列电机的经济性有很重要的影响。 安装尺寸的确定及功率等级与安装尺寸的对应关系。电机的安装尺寸是指电机与配套机械进行安装时的有关尺寸，系列电机的安装尺寸一般按轴中心高分级，它的确定必须综合考虑配套机械和电机本身的具体情况，原则上是按优先数系递增。安装尺寸是轴中心高，对端盖式轴承的电机，确定功率等级与安装尺寸的对应关系时，主要是确定功率等级与轴中心高的对应关系。功率等级确定后，选取轴中心高等级，必须全面考虑（工艺装备、用户要求、电磁设计、材料利用）。 交流电机系列定子冲片外径的确定1） 与规定的轴中心高数值的一致性；2） 硅钢片利用的经济合理性；3） 整个系列外形的均称性，并在条件允许的情况下，能充分利用已有的工艺装备。 零部件的标准化、系列化和通用化； 派生的可能性。