400KW并励直流电动机的电磁设计毕业论文.doc

毕业设计（论文）毕业报告课题名称 400KW自通风冷却式并励直流 电动机的电磁设计 学 院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 摘 要本文是设计一台400KW，500V，1750r/min，效率为94%的自通风冷却式并励直流电动机，同时在MATLAB中建立仿真模型，优化模型，在电机的电磁设计的基础上能够提高运行的可靠性和降低成本。在直流电机的电磁计算的基础上通过MATLAB软件来设计电机程序的，首先分析电机中的一些主要参数和性能等，再对MATLAB的基本操作及程序结构作一些简明的阐述，最终完成设计MATLAB程序，并进行MATLAB的对电机的磁化曲线、转速特性、转矩特性、效率特性曲线等类型的数据处理和模拟仿真，验证了本设计方案。关键词：并励直流电动机，电磁设计，MATLAB仿真ABSTRACTThis paper is the designing of a shunting exited DC motor with the parameters of 400 KW, 500 V, 1750 r/min, the efficiency of 94%, and at the same time in MATLAB simulation ,model is established, optimizating model, on the basis of the electromagnetic design, improve the reliability of operation and reduce the cost. The relational computation procedure, based on this, the initial design of the motor. This topic is on the basis of the dc motor through MATLAB software to design motor program, this paper firstly analyzes some of the main parameters and motor again to performance, the basic operation and procedures in MATLAB do some simple structure, finally expounded to design MATLAB, and complete the MATLAB curve form, magnetization curve, the speed characteristics and other types of data processing, characteristic curve of paint，verify the design.Keywords: shunting exited DC motor, electromagnetic design, MATLAB simulation目 录1 绪论11.1国内外电机制造工业的发展与趋势31.2 电动机的分类31.3 直流电机的现状31.4 直流电机的工作原理及结构31.5 电动机的主要性能指标71.6 磁路计算及其基本原理71.7 MATLAB介绍81.8本课题的意义91.9 本章小结92 直流电动机的电磁设计方法102.1并励直流电动机的槽形选择102.2并励直流电动机的主要尺寸102.3 并励直流电动机的磁极和气隙112.4 并励直流电动机的电枢槽选定112.5 并励直流电动机的电刷与换向器122.6 并励直流电动机的磁路计算122.7 直流电机的励磁方式132.8 本章小结143 电磁计算153.1 具体电磁计算153.2 本章小结284 MATLAB仿真394.1 计算机仿真的概念294.2 MATLAB的介绍294.3 仿真流程314.4 仿真与曲线图334.5 本章小结365 总结37参考文献38附录40致谢461 绪论1.1国内外电机制造工业的发展与趋势电动机制造在我国机械行业里占据了不可忽视的地位，它既是关系到各行各业自动化的重要基础产品，又是与人类生活密切相关的面广量大、品种繁多的通用产品。电动机是把电能转变为机械能的主要执行部件，国内有60%70%的发电量被电机所消耗。因此，对于电机产品的品种、数量和质量各种性能水平的提高和发展，都会直接影响国民经济各部门成套设备的发展水平。20世纪40年代以前，我国电机制造工业极端落后。与国外先进的电机企业相比，如ABB、GE、三菱等企业。还存在着明显的差距，主要表现在：产品水平的差距、品牌方面上的差距、生产规模上的差距。另外，随着科学技术的进步和新材料、新装备、新技术和新设计的应用以及用户对各种用途的电机不断提出新的要求，电机产业也必须与时俱进，以新的姿态满足社会的各种不同需求。像现在的微特电机，就是广泛运用在军工、航空航天、电脑、汽车等领域。中华人民共和国成立后，电机工业才获得了迅速发展，产品的品种、数量不断增加，技术水平逐步提高。20世纪50年代以仿制国外产品为主，60年代走上自行设计的道路；50年代初，只能生产一般中小型电机，不久能制造大型发电设备和特殊用途电机，与此同时新技术、新材料、新结构、新工艺的应用日益广泛。电机在国内的主要发展为：产品品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高1。我国生产的中小型电机系列，除一般电机或基本系列外，还有防爆、船用、潜水、单绕组多速、力矩、起重冶金、高起动转矩、辊道、电磁调速、热带型、屏蔽电机、磁阻式同步电机及永磁电机等派生系列和专用系列。此外还研制了中小型无槽直流电机、晶闸管供电直流电动机、潜油电机、钻探电机、谐波励磁同步发电机等多种新产品。目前，电机技术指标也逐步提高，小型同步发电机新的T2系列采用了晶闸管励磁装置，与原有的T2系列相比，效率（绝对值）平均提高1.18%，总重量降低约35%有效材料节省10%以上。积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺，利用电子计算机进行电机的电磁计算以及磁场、温度场计算和零部件机械计算。感应电机的单绕组多速绕组，同步电机的无刷励磁、静止半导体励磁、谐波励磁和整块励磁，直流电动机的晶闸管供电和无槽电枢，以及双水内冷技术、直线电机等也先后用于生产。电机生产中，电机绝缘主要采用E、B（其中E级约占2/3），F、H级仅在少数要求较高或特殊用途的电机上应用，前者正积极地分别向B、F级过渡。环氧玻璃粉云母和无溶剂浸渍漆、聚酰亚胺、DMD复合绝缘、涂敷用环氧粉末和适形材料等新兴绝缘材料在电机上大量应用。小型电机的机座与转轴加工、静电喷漆、总装实验等采用自动线；级进式冲模、大型压铸机、定子绕组自动下线机、插槽绝缘机、端部整形机、自动绕线机等设备及真空压力浸渍、中型感应电机转子导条环氧粉末涂敷、机座射压造型等新工艺的应用，提高工效，同时也提高电机的质量。标准化、系列化和通用化程度不断提高。1953年以后多次组织了电机产品的改型设计和新系列统一设计，使我国从发电设备、大型直流电机一直到种类繁多的中小型电机，都有了自己的系列，建立了产量大、使用面广的基本系列，而且还有用于特殊场合的派生系列和专用系列。在电机零部件和安装尺寸、机座号等的标准化、系列化、通用化方面做了大量工作，形成了自己的体系，制订了电机专业的许多国家标准，并且逐步接近国际电工委员会的标准。积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究。对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场、电机测试技术以及超导电技术在电机中的应用等方面展开了一系列研究，取得了不少成果。“十五”期间，我国中小型电机产业有了较快的发展。据中国电器工业协会，中小型电机分会2004年对56家主要生产企业的资料统计表明：2004年中小型电机的产量已达到8000万千瓦，销售收入156亿元，年产量在200万千瓦以上的生产企业有19家，我国已成为全球主要的电机生产国之一2。目前，我国使用的电机产品主要是Z2系列和Z4系列的直流电动机。Z2系列的直流电动机主要运用在一般正常的工作环境，传动恒速或调速范围不大于2:1、过载能力不大于1.5倍的额定转矩下。Z4系列的直流电动机是在Z2系列后推出的，过载能力不大于1.6倍的电力拖动，调速范围宽，广泛运用于冶金、机床、造纸、染织等3。与国内相比，国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，通用化程度高，寿命长，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且也考虑电机制造成本的降低等。国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，工艺是生产产品的基础，是提高劳动生产率、节约能源与新材料、确定安全生产、提高经济效益的重要手段4。关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业技术创新能力较弱5。随着国家宏观经济的调整以及市场需求的推动，二十世纪中小型电机的品种将得到更大的发展，尤其是对于发展高效率电机、高品位的出口电机和机电一体化的交流变频电机将会给予特别的重视，而一些新颖的电机，如永磁电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等，将进一步完善。同时，随着CAD技术、数控机床、专用加工设备、冷轧矽钢片、F级、H级绝缘材料等新技术、新材料的推广，电机行业的生产方式也将出现新的重大的变化。电机的技术发展动向是向小型化、薄型化、轻量化、无刷化、智能化、静音化、高效化、节能化、环保化、可靠化、精密化、组合化，电机采用新型磁性、导电、绝缘材料6。随着电机理论的不断完善，高新技术的快速发展，未来的电机产品将朝着高性能化、智能化、微型化和网络化的方向发展。1.2 电动机的分类电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。电机在国民经济各个领域得到广泛应用。需要的电机的种类各不相同，性能各异。电机的分类方法也有很多，故电机的种类也有很多7。（1） 按工作电源分类：可分为直流电动机和交流电动机。（2） 按结构及工作原理分类：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机和微特电机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。（3） 按转子的结构分类：可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。（4） 按用途分类：可分为驱动用电动机和控制用电动机。1.3 直流电机的现状直流电机是电机的主要类型之一，直流电动机以其良好的启动性能和调速性能著称；直流发电机供电质量较好，常作为励磁电源和某些工业中的直流电源。由于直流电动机有良好的起动特性、能在宽广的范围内平滑、经济地调速，所以它被广泛地用于电力机车、无轨电车、轧钢机、城市轨道交通车辆、机床和起重设备等机械设备中。直流电机的主要缺点是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，又增加了维护的工作量。为了克服这点，许多人在研究交流电动机的调速，也取得了一定的效果，在某些调速场合可以代替直流电动机。这是发展的方向。但是，反过来由于利用了可控硅流电整源，给直流电动机的应用增加了一个有利因素，一个发挥作用的台阶。目前使用直流电动机的场合也很多。随着电力电子技术的发展特别是在大功率电力电子器件问世以后，有逐步被整流电源所取代的趋势。不过，目前有些直流电源，如大型同步发电机的励磁电源以及化学工业中的电镀电解等设备的电源还是采用直流发电机的供电方式8。1.4 直流电机的工作原理及结构直流电机的基本特征示意图如图1-1所示，磁极上有一个或多个励磁线圈，励磁绕组中通过励磁电流时产生的磁通，旋转的电枢绕组与旋转的换向器与静止的电刷相连接。 图1-1 直流电机的原理示意图直流电机定子由机座、主磁极、换向极及相应的绕组构成，为电机的静止部件。转子为电枢，由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等零部件构成，是实现能量转换的旋转部件。其结构示意图如图1-2所示。直流电机的机座是固定主极、换向极和端盖等零部件的支撑体，也是电机内磁路的组成部分，一般用铸钢或厚钢板焊接而成，以保证良好的导磁性能和机械性能。图1-2 直流电机结构示意图直流电机主要由定子和转子两大部分组成。定子用来安置磁极和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承等，静止的电刷装置也固定在定子上。转子上用来感应电动势而实现能量转换的部分称为电枢，它包括电枢铁心和电枢绕组，还有换向器、轴、通风冷却用的风扇等9。主磁场的作用是产生主磁场，主要包括主极铁心和励磁绕组两部分。主极铁心一般用11.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，也可用永磁铁做成。前者用于一般的直流电机，后者常用于控制用直流电机或特种直流电机。励磁绕组用导线制成集中绕组，有并励和串励绕组两类，根据它们的不同连接情况，可以分为他励、并励、串励和复励四种不同的励磁方式。不同的励磁方式的直流电机具有不同的特性10,不同的用途。换向极又称为附加极，用来改善直流电机的换向。换向极也用铁心和套在上面的绕组构成。其铁心一般是采用整块钢制成，或用1.01.5mm厚的钢板叠压而成。换向极装置在相邻主磁极之间，用螺杆固定于机座上。换向极的数量一般与主磁极的极数相等，换向极绕组与电枢绕组串联。直流电机的电枢铁心为主磁路的主要部分，也用来嵌放电枢绕组，一般用0.05mm或0.35mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。此外，其表面有许多均匀分布的槽，用以嵌放绕组。为利于电机的冷却，电枢铁心上开有轴向通风孔，较大容量的电机有径向通风道。这时电枢铁心沿轴向分数段，每段长约410cm，段间空出10mm作为通风道。电枢铁心冲片结构如图1-3所示。 图1-3 电枢铁心冲片直流电机的电枢绕组的作用是通过电流和感应电动势，并产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换。小型电机的电枢绕组用圆截面导线绕制，并嵌放在梨形槽中。较大容量的电机则采用矩形截面导线绕制成型，嵌放在开口槽中。在线圈与铁心之间以及上、下层线圈之间都必须妥善绝缘。为了防止电机转动时线圈受离心力作用而甩出，在槽口有槽锲来固定。线圈伸出槽外的端接部分，通常用热固性无纬玻璃丝带来绑扎，如图1-4所示。各个线圈的端头与换向片之间以及各个绕组元件之间按一定规律联接，组成电枢绕组。图1-4 电枢绕组在槽中的绝缘情况换向器是直流电机的重要部件，它和电枢绕组相联接。转动的换向器与静止的电刷通过滑动接触，将旋转的电枢电路和静止的外电路相联接。直流电机通过其换向装置，可以实现电枢绕组内部的交流电与电刷端的直流电之间的转换。换向器由许多互相绝缘的换向片组成，如图1-5所示。图1-5 换向器电刷装置是直流电机的主要导电部分，它和旋转的换向器之间保持滑动接触，使电枢绕组与外电路相连。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座组成，如图1-6所示。电刷放在刷握的刷盒内，用弹簧将它压紧在换向器上。刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，刷杆与刷杆座间要加以绝缘。直流电机的端盖一般采用铸铁制成，刷架与轴承则全装置在端盖上。图1-6 电刷装置直流电动机的工作原理如图1-7所示。如果在电刷,两端加上直流电压，电刷为“”,为“”，则电流的方向为从电刷流进电枢，从电刷流出。根据“毕萨电磁力定律”载流导体，受电磁力为 (1-1)式中，为作用于载流导体上力的大小，方向用左手定则来确定；为导体内流过的直流电流；为导体的有效长度，即每根导体切割磁力线部分的长度。图1-7 直流电动机工作原理图从图1-7可见，两个载流导体，所受到的力均为，与电枢半径的乘积就是转矩，称为电磁转矩。这里电磁转矩的方向是顺时针的，电磁转矩就是直流电动机的驱动转矩。显然当电刷,两端加上直流电压不变时，旋转的载流导体和中的电流方向是交变的，即极下电流方向始终从里到外，而极下的电流方向始终从外到里。1.5 电动机的主要性能指标每一台直流电机上都有一个铭牌，上面标明电机的额定数据，它是用户使用电机的依据。这些数据是:（1）额定功率：额定功率是在铭牌规定的额定运行条件下的输出功率。对电动机，指转轴上输出的机械功率。（2）额定电压：指在额定工作情况下的，电机出线端的电压值。直流电机的额定电压一般不高。（3）额定频率：电动机在额定运行时的电源频率。（4）额定转速：额定转速是在额定电压下运行，输出功率为额定功率时转子的转速。对无调速要求的电机，一般不允许电机运行时的最大转速超过。（5）效率：直流电动机额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比。本课题的任务是对400KW自通风冷却式并励直流电动机进行电磁设计。要求：设计一台400KW ,500V,1750r/min的自通风冷却式并励直流电动机，效率为94%。1.6 磁路计算及其基本原理磁场是传递能量的媒介。电机空载时，气隙磁场是由主磁极的励磁绕组通以直流电流建立的。主极磁场除产生主磁通外，还产生漏磁通。电机负载后，电枢绕组中有电枢电流通过，电枢电流建立的磁场称为电枢磁场。电机负载后的气隙磁场是电枢磁场和主磁场的合成磁场。电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。电枢反应使主磁场的分布发生畸变。磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势(简势磁势)，进而计算励磁电流以及电机的空载特性，校核电机各部分磁密选择得是否合适。电机的磁路可分为：1)气隙；2)定子齿(或磁极)；3)转子齿(或磁极)；4)定子轭；5)转子轭。每极磁路中，气隙的磁压降通常占较大的比例(约6085%或以上)。磁路计算所依据的基本原理：全电流定律 （1-2）积分路径：积分路径是沿着磁场强度矢量取向（即沿磁力线）选择通过一对极的中心线 构成闭合回路； （1-3）包围的电流：是回路所包围的全电流，即每对极的励磁磁势。1.7 MATLAB介绍运用MATLAB不仅具有的传统交互编程功能，而且能利用其丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、信号与图象处理等工具，编制计算程序，据此进行电机的电磁初始设计。MATLAB是新一代的科学与工程计算软件，已经成为全球应用最广泛最流行的软件之一。现在的MATLAB已经不仅仅是一个矩阵实验室，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言。MATLAB不仅具有传统的交互编程功能，而且提供了丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、信号与图象处理等工具，其功能也越来越强大11。该软件12具有友好的工作平台和编程环境、简单易用的程序语言、强大的科学计算机数据处理能力、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱、实用的程序接口和发布平台、友好的人机界面等优点，简单易用，功能强大，方便运算和程序操作，设计出的操作界面清晰明了，便于人机交流，并且使用了数据的存储管理上较为先进的数据库技术，可以方便存储和读取数据，加强了数据管理的结构化和安全性，也可以实现数据查询的功能，极大地方便了用户，提高了工作效率和设计的精确度，从而为保证产品质量提供了有利条件13。1.8本课题的意义1.通过对并励直流电动机的电磁设计，对比计算和方案，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能，初步学会如何设计电机14。2.一台电机的电磁设计涉及主要尺寸与气隙的确定、定子绕组与铁心的设计15，转子绕组与铁心的设计、工作性能的计算、起动性能的计算等等。这将对于以后进入实习单位，研究电机磁路以及电机性能有切实的意义。3.通过设计电机的电磁分析并运用计算机技术（MATLAB）16，实现高效率计算以及绘制轮廓图或选取标准图样并给出尺寸表等绘图工作，实现自动化的设计过程。同时可以依靠计算机技术，进行调试，减少误差。4.计算机程序17，可以实现计算机计算，控制，节约人力资源以及减少人们的计算强度，从而可以节约设计时间，进行多次计算，进行优化。1.9 本章小结本章主要介绍了现代电机的发展现状和趋势，随着电机原理的不断完善，高新技术的不断进步与快速发展，可以预言：未来的产品将朝着高性能化、智能化、微型化和网络化的方向发展。在本章主要对直流电机设计做了简单的基础介绍，能对直流电机有个感性意识，对于下一步具体电机设计打下个好的基础。2 直流电动机的电磁设计方法2.1并励直流电动机的槽型选择并励直流电动机的槽型一般选用梨形槽或矩形槽，梨形槽一般用在电枢直径Da20cm的功率较大的并励直流电机中。此次设计采用的是全开口矩形槽，同时选用了扁导线。2.2并励直流电动机的主要尺寸电机的主要尺寸取决于电枢直径D和长度lef。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的通过气隙主磁通进行的。因此，主要尺寸也与气隙有着密切的关系。靠近气隙的电枢直径（D）与电机铁芯的有效长度（lef）是电机的主要尺寸，而气隙则是电机的第三个主要尺寸。（对于直流电机来说，电枢的直径是指转子外径）从几何角度看，这些主要尺寸得到确定后，其他尺寸也基本确定下来了，而且电机的重量、价格、工作性能和运行性能和运行可靠性等，也就基本上确定了。这里可以根据的比值，根据图2-1选取：图2-1 与的关系曲线考虑机械强度的问题，电枢的圆周速度通常不宜超过3555m/s，电枢圆周速度公式： （2-1）选定电枢直径后，参照经验选取铁芯长。中小型自通风直流电机的比值一般在0.41.2之间。2.3 并励直流电动机的磁极和气隙对于选择直流电机磁极数的选择，应综合考虑电机的运行性能和经济指标。磁极极数增加，每极磁通减少，则磁轭用铁量减少，并缩短换向器和电枢端部长度，减轻铜重，使电机外形尺寸缩小。级数增加时，电枢中交变磁通频率增加，会使铁心损耗及温升增加。一般小型的直流电机的极数为2或4极，电枢直径时，用2极；时，则用4极。直流电机的气隙为主磁极极靴的弧形面与电枢外圆面之间的间隙，其大小对电机的性能有很大的影响。一般取。图2-2 （a）削角极弧； （b）偏心气隙极弧； （c）均匀气隙气隙是定子主极和电枢之间的间隙，是主磁路的重要组成部分，气隙磁场是电机进行能量转换的媒介，气隙的大小和气隙磁场的分布及其变化对电机运行影响很大。气隙的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。它的取值范围很宽，选得小，以降低空载电流。但是由于轴承的磨损，转子铁心与定子铁心产生摩擦，会破坏铁心绝缘，产生涡流，电机发热，使电机寿命下降。但若选得大，将带来漏磁加大，旋转磁场对转子的作用力减小，导致输出扭矩减小。2.4 并励直流电动机的电枢槽选定直流电机的电枢槽数Z的多少对电机性能和经济性也有很大影响。选择电枢槽数Z时，要考虑：（1）每极槽数增加每极下的电枢槽数，可以改善电机的换向性能，减少由磁通脉振引起的损耗和噪声。但过大，会使槽满率下降，增加制造工时。一般小型直流电机常用的每极槽数可参考表2-1所示：表2-1 中小型直流电机常用的每极槽数电枢直径612714（2）电枢齿矩ta电枢槽对齿距有影响，槽数越多，齿距越短，齿根很容易损坏。所以ta有常用的限值：当时，当时，（3）槽电流Iz中小型直流电机，一般满足即可（4）槽型及尺寸的确定对于槽的具体尺寸有槽口宽、槽口高、槽高、槽宽度、齿宽、等等。2.5 并励直流电动机的电刷与换向器电刷和换向器为并励直流电动机的换向装置，是其关键部件，直接影响电机运行的可靠性。设计中，按电机的功率、电压、负载特性、运行方式、换向极圆周速度以及运行环境等条件选用合适的电刷。电刷一般采用电化石墨材料制成，按原材料配比的不同，又分为石墨基、炭黑基和焦炭基。此次设计，选用了电化石墨碳刷。电刷的宽度和长度尺寸见表2-2所示。表2-2 常用电刷尺寸电刷宽度bb（mm）456.581012.516202532电刷长度lb（mm）5106.581012.581012.516201012.51620253212.516202532401620253240502025324050253240503240504050换向器的直径按JB2568电机换向器直径系列选用。换向器工作表面的长度lk，决定于电刷的数目、电刷尺寸、刷握结构、电枢错位距离、升高片宽度,以及电机在运转时电枢轴向串动量等因素。对于小型电机，换向器长度lk一般可按下式计算： （2-2）式中，bke升高片的宽度。2.6 并励直流电动机的磁路计算直流电机每极气隙磁通（即主磁通）的计算公式： （2-3）式中，是额定负载时的电枢电动势 （2-4）其中Ra、Rk、Rc、Rs分别是电枢绕组、换向极绕组、补偿绕组和串励绕组的电阻。直流电机的磁路计算主要包括了气隙磁动势的计算、齿部磁动势的计算、电枢轭部磁动势和主极磁动势的计算。图2-3 直流电机的磁路2.7 直流电机的励磁方式直流电机因为励磁方式不同，它的基本特性就不同，所以是按励磁方式最常用的分类法可分为：他励、并励、串励及复励18。 (a)(b) (c) (d)图2-4 直流电机的励磁方式对于并励绕组的设计，包括：并励绕组预计平均匝长、导线预计截面积、励磁电流、每极励磁匝数、励磁绕组实际平均匝长、绕组电阻、绕组净重、最大励磁电流、额定励磁电流、绕组电流密度等等的计算。2.8 本章小结本章对主要涉及电机19的内容做了简单的分析和整理。对于数据的选取也是给出了相应的公式的计算，但是并不全面，尤其是对于个别需要经验上选取和复杂的推导的数据。3 电磁计算设计一台400KW ,500V,1750min并励直流电动机，冷却形式为自通风冷却式，效率为94%。计算过程如下：3.1 具体电磁计算1、额定数据和主要尺寸每一台直流电机上都有一个铭牌，上面标明电机的额定数据，它是用户使用电机的依据。（1） 额定功率：PN=400KW（2） 额定电压：UN=500V（3） 额定效率：N=94%（4） 额定电流：IN=851(A) （3-1）（5） 额定转速：nN=1750r/min（6） 选择电枢外径Da根据：。从图3-2中查出：Da=42.3cm。对于Da=42.3cm来计算：极弧系数aP=0.70，Pem=PN （3-2）查图3-3得：电负荷A=400A和磁负荷B=9400高斯（7） 电枢计算长度lala= （3-3）（8） 主极极数：2P=4（9） 电枢圆周速度：Va= （3-4）式中，Da是电枢外径，也是定子外径。nN是额定转速。（10） 主极气隙： （3-5）（11） 主极极距长度：= （3-6）式中，P是极对数。（12） 主极极弧长：bP=33.22 （3-7）式中，是电机的极弧系数，是电机的主极极距。（13） 磁极铁芯长度：lm=la=30.57cm式中，是电机的铁心长度。（14）电枢槽数： 取46槽. （3-8）式中，是电枢槽口的宽度。2、电枢绕组设计直流电机20的电枢包括电枢绕组、电枢冲片和换向器，它们的设计计算包括电枢绕组各种数据的确定，电枢绕组绝缘材料的选用以及电枢冲片、换向器的各种尺寸计算等。（1）绕组类型：选用单叠绕组。（2）并联支路数：2a=4式中，a是电机绕组的支路对数。（3）电枢电流：450700A（所以选择单叠绕组）（4）预设导体数： （3-9）式中，A是电机的线负荷。（5）每槽元件数：u=3（一般u=15）（6）每元件匝数： （3-10）式中，Z是电机的槽数，u是电机的每槽元件数。（7）电枢导体数：N= （3-11）式中，是电机的每元件匝数。(8)线负荷： （3-12）（9）电枢绕组线规：Wc=0.261cm（即扁铜线宽度）。若带上绝缘薄膜后，Wc=0.274cm.由于转子电流密度的范围是500800A/cm2，所以取=650A/cm2.则有Acu=Sa=，导体的长度：dc=（10）槽宽：bs=1.01cm，考虑到材料的尺寸会有一定的公差，因此要略留有余量，即bs=1.07cm。（11）槽高：ds=3.175cm。所以，满足条件。如图3-1,3-2所示。（12）预计满载感应电动势：EN= （3-13）式中，是电枢电路压降系数。（13）预计满载磁通：N= （3-14）式中，是预计满载感应电动势。（14）气隙磁通密度：B= （3-15）式中，是预计满载磁通，计算极弧系数bp=bp=23.25cm（15）齿顶齿距：t1= （3-16）齿宽预计值：bt1/3= （3-17）(16)槽满率：Sf= （3-18）（17）电枢绕组槽节距：ys= （3-19）式中，S表示的是短距系数。(18)电枢绕组换向器节距：yk=1（单叠绕组）（19）电枢绕组平均半匝长：Laav=（矩形槽） （3-20）（20）电枢绕组电阻： （3-21）式中，是电枢绕组的平均半匝长，是铜的电导率。（21）电枢绕组铜重：Gacu= （3-22）图3-1 电枢槽形尺寸图图3-2 电枢槽形横截面图3、电刷与换向器设计容量大于1KW的直流电机，在相邻两主磁极之间装设换向极，也称附加极。它的作用是帮助换向。换向极形状比较简单，因此常用厚钢板制成。有些电机的换向极也要求用钢片绝缘后叠装而成。换向极上装有换向极绕组，一般由粗的扁铜线绕成，只有几匝。直流电机的换向21是指：电枢绕组通过电刷时，绕组元件从一个支路进入另一个支路时，元件电流方向改变的过程。良好的换向是直流电机获得满意运行的最主要因素之一。直流电机换向良好时，换向器和电刷间没有或只有少许火花。过大的火花会引起换向器和电刷出现严重的烧焦、凹坑和损坏。产生火花的原因比较复杂，有机械原因引起的：如电刷的振动、换向器椭圆、凸片等引起的振动，有电磁原因引起的：如电枢磁势的影响等。（1）换向器片数：K= （3-23）式中，u是每槽元件数。（2）换向器直径：Dk= （3-24）（3）换向器片距： （3-25）（4）换向器片间平均电压： （3-26）4、换向极设计（1）电枢绕组节距缩短系数： （3-27）式中，是电枢绕组槽节距。（2）中性区宽度： （3-28）（3）电刷覆盖换向器片数：= 选用DS-72电化石墨电刷 （3-29）电刷长度为lb=2.5cm（4）换向区域宽度： （3-30）（5）换向区占中性区宽： （3-31）（6）换向极极靴长：lpk=la=30.57cm （3-32）（7）换向极极靴宽度：bpk= （3-33）（8）换向极极身长：lmk=30.57-2.0=28.57cm （3-34）（9）换向极极身宽度：bmk=3.78cm （3-35）（10）换向极气隙：k=。取k= （3-36）（11）换向极气隙系数： （3-37）（12）槽漏磁导系数： （3-38）（13）齿端漏磁导系数：中小型电机有换向极时： （3-39）（14）绕组端部漏磁导系数： （3-40）为绕组端部长度，这里取36.54cm，与端部绑扎材料有关，可参考表3-1表3-1 绑扎材料的值绕组类型叠绕组、波绕组蛙绕组磁性绑扎材料时的值0.750.5非磁性绑扎材料时的值0.50.375（15）电感系数：K=6.8；（16）平均比磁导： （3-41）（17）换向电动势： （3-42）（18）换向极气隙磁通密度： （3-43）（19）额定负载时换向极磁通： （3-44）（20）换向极极身磁通： （3-45）（21）换向极极身磁通密度： （3-46）（22）过载时换向极极身磁通密度： （3-47）（23）换向极气隙BK所需匝数： （3-48）（24）抵消电枢反应所需匝数： （3-49）(25)换向极每极匝数： 取10. （3-50）（26）换向极安匝比： （3-51）（27）估算换向极绕组导线截面: （3-52）所以选用裸铝： 得实际的 =264(mm2)5、换向极绕组尺寸在换相极绕组通入电枢电流时，所产生的换向极磁动势除了克服交轴电枢反应磁动势以外，还要产生平均气隙磁通密度的换向极磁场。换向极绕组采用多层扁线排列：分为2层，每层5匝。（1）绕组尺寸：1）内框尺寸b,a （3-53） （3-54）（2)外框尺寸B,A: （3-55） （3-56）(3)换向极绕组宽度： 取() （3-57）(4)换向极绕组高度： （3-58）(5)换向极绕组平均匝长: （3-59）(6)换向极绕组电阻： （3-60）(7)换向极绕组铝重： （3-61）6、磁路计算直流电机的磁路是指主磁通从一个主磁极经气隙进入电枢齿，通过电枢轭到邻近极下的电枢齿，再经过气隙到邻近不同极性的主磁极，然后通过机座轭所组成的磁通闭合路径。电机磁路计算的目的是确定磁路各部分的尺寸，计算额定电压下空载和额定负载时所需的励磁磁动势，并计算主磁极的励磁绕组。(1)每极气隙磁通： （3-62）其中：，