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1、School of Electrical Engineering,1,2023年8月5日星期六,1 课程内容 电机设计及其CAD是一门专业课，是电机学的后续课程。介绍电机设计理论、参数计算方法、性能计算方法、电磁设计方法、结构型式的选择、计算机辅助设计方法等。重点：参数计算方法、性能计算方法 电磁设计方法,电机设计及其CAD 课程简介,School of Electrical Engineering,2,2023年8月5日星期六,2 课程特点 理论联系实际，根据生产需要和生产实际进行电机设计。设计时考虑生产工艺条件，有些参数的确定不能按照理论推导的最佳计算结果进行，如：感应电动机气隙长度确定机
2、壳厚度极限（小电动机的机壳可以很薄、但很薄时，铁水在砂型中迅速降温、流动性差，容易出现气孔、砂眼等缺陷。）3 课程目的掌握电机设计的实施过程掌握电机性能分析的基本方法,School of Electrical Engineering,3,2023年8月5日星期六,掌握三相感应电动机设计计算方法 初步掌握电机CAD软件编制4 课程安排 授课32 上机12（安排三相感应电动机设计大作业）,School of Electrical Engineering,4,2023年8月5日星期六,第一节 电机制造工业近况与发展趋势 一世界发电设备发展趋势1、火电设备：火电厂建厂快、投资少。大多数国家以火电为主。
3、50年代：100200MW，60年代：300600MW，七十年代后期：8001300MW主要发展趋势为普遍采用单机容量为600800兆瓦容量火电机组；,第一章 电机设计概述,School of Electrical Engineering,5,2023年8月5日星期六,空冷技术2、水电设备60年代以前：最大200MW，60年代：200500MW，70年代：600MW定子绕组：大多采用水内冷转子绕组：部分国家采用水内冷，大多数采用空气冷却双水内冷：我国的自主创新成果。郑光华教授和上海电机厂于1958年制造的12000千瓦双水内冷汽轮发电机，是世界上第一台定子、转子双水内冷汽轮发电机。1964年，
4、郑光华教授获国家发明一等奖，1985年获国家科技进步一等奖。,School of Electrical Engineering,6,2023年8月5日星期六,“内冷”是冷却的方法之一，即把线圈导线做成凹凸形或空心的让风直接吹到铜线上，对线圈进行直接冷却。冷却介质：空气 氢气 液体内冷（上世纪50年代）水的冷却能力为最高。国际上第一次出现水内冷（1956年，定子）对于转子水内冷，在文献上虽然有过讨论，但由于某些重大技术问题难以解决 1958年以前，中国的双水内冷。步进电机：华中科技大学,School of Electrical Engineering,7,2023年8月5日星期六,3、中小型电机
5、中小型电机是量大面广的机电产品，它广泛应用于工业、农业、国防、公共设施和家用电器等各个领域，如风机、泵、压缩机、纺织机、轧钢机、机床、空调机、电动车辆的动力源等。其耗电量占全国总发电量的60%以上，中小型电机的发展对国民经济建设、能源利用、环境保护和人民生活的提高都起着重要作用，因此各国政府对其发展均相当重视，并制定了相应的法规，标准和优惠政策加以制约、规范和扶持。,School of Electrical Engineering,8,2023年8月5日星期六,国外的发展趋势：在材料、工艺、设计等方面不断进行改进，电机更新换代速度快、开发周期短。国外电机的先进水平主要体现在：可靠性高、寿命长、
6、专业化程度高、电机效率高、噪声低、重量轻、外形美观、绝缘等级高（采用F级或H级）等方面。以美国为代表的工业发达国家又在高效电机、变频电机和特种电机等方面作了大量细致和深入的研究工作，推出了新的产品系列，制定了相应的产品标准，极大地丰富了电机各类和电机理论，拓展了电机市场。,School of Electrical Engineering,9,2023年8月5日星期六,国内：材料工艺落后外形不美观主要生产量大面广的产品（档次的、利润小、市场竞争激烈）、高附加值产品少、高效电机少、精密电机少。产品竞争力强（价格）节约材料和提高性能使得生产厂家进退两难。（1）高效节能电机的背景与发展 70年代的两次
7、世界性的能源危机。美国体会到能源对国民经济和社会的稳定的重要作用。,School of Electrical Engineering,10,2023年8月5日星期六,美国于80年代制定了电机能效标准。当时能够达到电机能效标准的电机被视为高效电机。对购买高效电机的用户进行补贴（每马力1020美元正好是低效电机与高效电机的差价）。1990年，在美国所有销售的中小型电机中，已有20%30%的电机达到了能效标准的要求。进入90年代，全球环境问题又成为困扰世界经济持续发展的大问题。美国各阶层的人们都认识到，现代经济的发展必须依赖于大量能源的消耗，而消耗能源所带来的污染降低了人们的生活品质。继续以加大能源
8、的消耗来发展经济是行不通的，而简单地限制能源使用量也不可取。,School of Electrical Engineering,11,2023年8月5日星期六,解决这一问题最可行的方法是提高能源利用的技术水平。美国国会于1992年10月24日通过了能源政策法案，规定：97.10.24后只允许生产高效电动机2002.10.10后 生产更高效的电动机2007.10后生产技术上达到极限，经济上可行的最高效电动机 高效电机会制造成本增加，价格有所提高。对于一些长时间运行的场合，高效电机能为用户节约更多的电费，且电机寿命长。美国的各大电机厂家纷纷推出自己的高效电机。,School of Electric
9、al Engineering,12,2023年8月5日星期六,为进一步节能，美国国家电气生产商协会（NEMA）又制定了更高效率水平的电机标准，即所谓的NEMA能效标准。发达国家的普通用途电机主要依赖进口，而向不发达国家出口高附加值产品。（2）永磁电机 用永磁体产生磁场永磁体种类永磁电机种类：无刷直流电机、自起动永磁同步电动机、调速永磁同步电机、永磁直流电机永磁电机特点：结构多样、结构简单、体积小、效率高,School of Electrical Engineering,13,2023年8月5日星期六,（3）特种电机不断出现 4 微特电机传统微特电机1、小功率感应电机2、永磁电机3、低速电机机电
10、一体化微特电机1、变频感应电机2、无刷直流电机3、步进电机4、开关磁阻电机5、低速大转矩调速电机,School of Electrical Engineering,14,2023年8月5日星期六,School of Electrical Engineering,15,2023年8月5日星期六,School of Electrical Engineering,16,2023年8月5日星期六,新原理微特电机1、超声波电机2、超微静电电机3、鞭毛电机,School of Electrical Engineering,17,2023年8月5日星期六,第二节 电机设计的任务与过程一 电机设计的任务及设计
11、时给定的数据1.何为电机设计根据用户提出的产品规格（来自国家、使用单位和个人）技术要求（包括功率、电压、和转速等）和技术指标（效率、温升等），结合国家标准和生产实际，运用有关设计理论与计算方法，设计出性符合要求、可靠性高、经济性好的合格产品。不同种类电机有不同的性能要求，同一类电机在不同应用场合冶有不同的性能要求。普通感应电动机指标：功率、功率因数、起动转矩倍数、起动电流倍数、最大转矩倍数、效率、温升等。,School of Electrical Engineering,18,2023年8月5日星期六,2.对电机设计的要求设计准确：避免大马拉小车、小马拉打车性能满足要求可靠性高经济性好符合国家
12、有关标准和法规电机设计是一个复杂过程，对各项性能指标要统筹兼顾。3.对设计人员的要求掌握相应的知识和方法了解设计要求,School of Electrical Engineering,19,2023年8月5日星期六,理论联系实际，设计与工艺相结合4.电机设计时给定的数据和技术要求额定功率：输出功率 电动机输出机械功率，发电机输出电功率。额定电压（供电方式：频率）极数与连接方式额定频率额定转速额定功率因数其它要求：起动转矩、起动电流、牵入转矩、牵出转矩、过载能力等。,School of Electrical Engineering,20,2023年8月5日星期六,二 电机设计的过程和内容简介1
13、准备阶段听取生产和使用单位的意见和要求;收集电机产品的技术资料；了解国家标准的有关规定（国、军标）然后编制技术任务书，形成技术条件。使用环境：如高温、水下、高海拔等；性能要求：性能指标、外形尺寸、安装尺寸技术条件：制造厂与用户间或设计者与制造厂之间的一种协议，相当于技术合同，是设计、生产和验收的依据。2 2 电磁设计根据技术条件的规定，参照生产实践经验，通过电。,School of Electrical Engineering,21,2023年8月5日星期六,磁计算和方案比较，确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，确定相关材料，核算其电磁性能，得到一个合格的电磁方案。包括：定转子铁心材料及
14、尺寸 绕组材料及尺寸 3 结构设计 确定电机机械结构、部件尺寸、加工要求与材料规格要求、机械强度计算和温升计算。确定防护型式、安装方式、冷却方式防护：对带电部分和转动部分有机械保护。开启、封闭，防爆、潜油、潜水,School of Electrical Engineering,22,2023年8月5日星期六,安装方式：底角安装、凸缘安装冷却方式：自冷、自扇冷、他扇冷 根据所选负荷高低，选取适当的通风冷却系统 安排总体结构，绘制总装图 零件的分装配图和零件图 4 工艺设计（1）工艺流程的确定每一工件的加工，往往要经过多道工序，这些工序的顺序、加工方法、两道工序之间的加工裕度、尺寸的检验等，都要有
15、合理安排，也就是工艺流程。如转子轴：下料、打顶尖孔、粗车、精车、铣键槽、磨轴颈（与轴承配合的地方）。,School of Electrical Engineering,23,2023年8月5日星期六,工艺流程要合理可行。如轴的加工，先铣键槽再精车，刀具和工件之间是断续切削，工件表面光洁度无法保证，容易打刀。再如自起动永磁同步电动机转子加工：铁心冲剪铁心叠压套假轴转子铸铝套轴转子加工将永磁体从铁心端部放入（2）工具、夹具、模具、量具的设计 在电机制造过程中，为保证质量、提高生产效率所必须的工具、夹具、模具、量具的设计。模具：冲模、铸铝模、绕线模等 夹具：如保证定子机座两端止口同心度的夹具 量具：
16、关键尺寸的检验工具,School of Electrical Engineering,24,2023年8月5日星期六,1定子铁心 2定子槽 3转子槽 4转子铁心 5永磁体 6轴自起动永磁同步电动机结构,School of Electrical Engineering,25,2023年8月5日星期六,第三节 国家标准一 国家标准 国家有关部门在总结以往电机设计、制造和使用经验的基础上，从当前实际出发，并考虑今后的发展学要，而对电机提出的一定要求的文件。特点：结合考虑产品实用性、技术先进性、经济合理性、使用可靠性和生产上的可能性 作用：电机质量评定标准，电机生产依据。二 国标分类 国家颁布（GB）
17、和部颁布（例如JB）电机的一般规定和技术要求,School of Electrical Engineering,26,2023年8月5日星期六,GB755-87电机基本技术要求：规定各类电机的技术要求，试验项目、试验方法、铭牌和线端标志。（2）一种或几种具体类型电机的技术条件JB3074-82Y列(IP44)三相异步电机技术条件（1980-2807）：对额定数据、使用条件、性能指标及允许偏差、安装尺寸、试验方法、验收规则以及标准、包装、保管等有详细而明确的规定。容差：大批量生产时，材料和工艺参数的允许波动、各种测量方法和仪表的允许误差、各厂具体生产条件的不同，使产品性能指标不可能绝对达到技术要
18、求规定的数值。,School of Electrical Engineering,27,2023年8月5日星期六,各种电机的试验方法 型式试验与检查试验方法，测量仪器选择 国标要修订：发电机波形瞬变率5%企标第四节 标准化和通用化 目的：提高生产率、降低制造成本一 标准化1（1）零部件标准化采用标准件：螺钉、螺母、轴承、铜线，便于生产2（2）安装尺寸标准化,School of Electrical Engineering,28,2023年8月5日星期六,中心高，地角螺钉的纵横向间距，轴伸直径，键槽规格，轴身长度的标准化。便于用户使用。二 通用化 铁心冲模价格高：单槽冲模：几百-几千元 复式冲槽：几千-几万 高速冲模：几十万尽量用一套冲模生产尽可能多的规格的冲片（1）电机外径不能随意选择 铝钢片宽度1m，选择外径要考虑材料的利用率 直径为245mm时，可冲四个冲件 若为230mm，则浪费较大,School of Electrical Engineering,29,2023年8月5日星期六,同一外径可对应不同的极数的电机：内径可不同，长度也可不同。（2）冲片尽量通用同一极数的不同功率电机（相近）可选用同一冲片，调整长度可提高冲模通用性。材料利用不尽合理，但总体上是经济的（3）其它部件的通用性 尽量使用已有产品的零部件,
