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1、电机设计 第二讲电机主要结构尺寸的确定,讲课人：邢伟,2023年9月18日星期一,提 要,1、电机的设计任务书,2、电机的主要尺寸公式电机的身材主要参数与长径比电机的主要尺寸公式几个主要概念,4、电机的几何相似定律和系列化电机设计,3、电磁负荷与主要尺寸比的选择,1、电机的设计任务书电机设计的起点和依据,产品规格：额定功率、额定转速（频率、极数）、额定电压技术要求 效率、可靠性、温升、转矩平稳性运行条件：工作制、使用环境,2.1 电机的身材,2.1 电机的身材,2023年9月18日星期一,2.1 电机的身材,2.1 电机的身材,人：身高三围力量速度肌肉的发达程度,2.1 电机的身材,短粗的电机
2、低速力矩电机长瘦的电机高速伺服电机,2.2 电机的主要尺寸公式,电机的主要尺寸公式（电机设计基本公式）：,直流电机：,2.2 电机的主要尺寸公式,2.3 几个主要概念,电机的计算功率（视在内功率）电机的利用系数电机常数电机的电磁负荷电机的热负荷,2.3 几个主要概念,3.1电磁负荷的选择,高的电磁负荷可以提高有效材料的利用率，但对电机的参数、起动和运行性能、可靠性都有影响,3.1电磁负荷的选择,线负荷A提高，气隙磁密不变电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁材料铁耗减小为保持感应电势不变，绕组匝数增加，铜（铝）材料将增加电枢单位表面上的铜耗增加，绕组温升增高，电机参数和电机特性的改变，在后续章节中
3、逐渐展开,气隙磁密提高，线负荷A不变电机的尺寸和体积将较小，可节省钢铁材料电枢基本铁耗增大，效率降低，冷却条件不变的话可导致温升提高气隙磁压降和磁路的饱和程度增加。直流电机的励磁绕组用铜量和励磁损耗增加，效率下降；感应电机的励磁电流上升，功率因数变坏。电机参数和电机特性的改变，在后续章节中逐渐展开,3.1电磁负荷的选择,3.1电磁负荷的选择,A与 值不易过高，而且比值要适当，应为这一比值除了影响电机的参数和特性，还与电机铜耗、铁耗的分配相关，也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置。A与 值的选择与电机的冷却条件、材料、绝缘等级、功率、转速、电机的结构形式（内转子、外转子）,3.2主要尺寸比
4、的选择,主要尺寸比的大小与电机运行性能、经济性、工艺性等密切相关 A与 值不变，电机的 不变，增大将导致：电机将变为细长，端部用铜量相应减小，铜耗下降，铜的利用率提高。同时，端盖、轴承等结构部件的尺寸变小，重量降低，电机单位功率的材料消耗降低、成本下降。总损耗下降，效率提高。基本铁耗不变，附加铁耗降低，机械损耗、铜耗降低。端部漏抗下降。,3.2主要尺寸比的选择,对散热的影响：加长了轴向风路和风阻，增大了定子铁心和机座的接触面积。因此，对于开放式和封闭式电机，长径比的选择不同。对加工和工艺的影响：线圈数目下降，制造工时下降、绝缘材料消耗下降；冲片数目增多，工时增加；下线工时增多，难度加大；轴承支
5、撑点间间距增大，轴需要加粗。有利于降低电机的转动惯量和机械时间常数，提高电机的频响。感应电机、同步电机、直流电机的长径比选择范围见课本p17,专著推荐,【美】E.列维，多相电动机直接设计法 陈明震，童本正，胡崇岳，魏美琪译.机械工业出版社，1989年出版,4.1电机的几何相似定律,概念：几何形状相似、长度因次l、有效材料,有效材料的成本,总损耗,4.1电机的几何相似定律,单位功率下的电机的重量、成本和损耗：上式表明，在B和J保持不变时，对一系列功率递增、几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料的重量、成本及产生的损耗均与功率的1/4次方呈反比。,4.1电机的几何相似定律,几何相似定律表明：随
6、着功率增大，电机的损耗相对减小，效率提高随着功率增大，电机的有效材料利用率提高，成本降低随着功率增大，电机的功率密度提高,4.2 系列化电机设计,概念：系列化电机技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本相同，功率及尺寸按一定规律递增，零部件通用性很高的一系列电机。可分为基本系列、派生系列和专用系列。,4.3 系列化电机设计的特点,（1）功率按一定规律递增 相邻两功率等级之比或称为功率（容量）递增系数，按照“GB321-64优先数和优先数系”选取。可在小功率范围内采用小的递增系数，在大功率范围内采用大的递增系数，所谓复合优先数系。（2）安装尺寸和功率等级相适应 系列化电机的安装尺寸一
7、般按轴中心高分级，原则上也应按优先数系递增。系列化设计时，需要确定功率等级与轴中心高的对应关系。轴中心高等级太少，则可减少电机制造时的工艺设备，方便用户安装，但电磁设计将不够合理，材料得不到充分利用。通常一个轴中心高对应23个功率等级。,4.3 系列化电机设计的特点,（3）电枢冲片外径的确定要综合考虑三个因素：与规定的轴中心高一致；硅钢片利用的经济合理性；整个系列外形的匀称性（4）重视零部件的标准化、系列化和通用化，降低生产成本和方便使用维修 有时为了提高冲模、铸造模、夹具、量具等的通用性，宁愿适当降低电机的性能。,4.3 系列化电机设计的特点,（5）考虑派生的可能性 作少量改动即派生出某些产
8、品，以满足特殊性能、特殊环境与特殊使用条件方面的要求（6）系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中一种或几种（7）系列电机有一定的转速范围或等级,4.3 系列化电机设计的过程,设计每个功率等级的轴向长度,确定功率等级,确定机座号（轴中心高或定子外径）,课后习题（4选2）,直线电机主要尺寸是如何确定的？可参考叶云岳直线电机原理与应用，机械工业出版社，2000。可写成小论文的形式电机的主要尺寸公式和电机的几何相似定律对于电机设计有什么意义（或起什么作用）？为什么一般电机厂生产的大多是系列电机？为什么尽可能采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率电机？,总结,2023年9月18日星期一,电机的设计任务书的主要内容电机的主要结构尺寸公式分析了电机主要尺寸公式中参量对电机的影响主要尺寸公式的应用：电机的系列化设计,下节课预告,电机内的磁场与磁路计算:电机内的磁场初步电机的磁路计算方法,谢谢!,
