《电机设计》.ppt

电机设计 电机无处不在 一 发电机提供强大的电力 二 工业设备需要电机 三 家用电器不能没有电机 四 时尚尖端数码产品离不开电机 五 未来交通动力更有赖于电机 电机 它究竟是什么 电机的基本结构与原理 一 直流电机 基本原理的公式体现 磁轭 Fe 磁极 Fe 转子铁心 Fe 励磁线圈 Cu 电枢 转子铁心 导体 电刷 交流电机 交流异步电动机 定子 定子铁心 Fe 线圈 Cu 转子 转子铁心 Fe 线圈 Cu或Al 电机是 合二为一 各伺其职 电机设计所要解决的主要矛盾 所用材料 铁与铜 与电机效能之间的矛盾 第一篇旋转电机设计 第一章电机设计概述 1 1电机制造工业的近况与发展趋势一 我国电机制造业的发展概况 一 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 二 积极采用新技术 新材料 新结构与新工艺 三 标准化 系列化和通用化程度不断提高 四 积极开展电机理论 测试技术和新型发电方式的研究二 国外电机制造工业的近况与发展趋势 1 2电机设计的任务与过程一 电机设计的任务与对设计人员的要求1 具备过硬的电机设计技术 2 设计人员要注意贯彻国家的技术经济政策 努力使产品既满足使用要求 又尽可能地降低成本 3 设计人员应认真地听取有关人员的意见和建议 注意理论与实际 设计与工艺相结合 认真进行调查研究 访问用户和查阅资料等 二 电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求电机设计时通常给定下列数据 1 额定功率 2 额定电压 3 相数及相间的连接方式 4 额定频率 5 额定转速或同步转速 6 额定功率因数 二 电机设计过程和内容简介 一 准备阶段收集资料 即相关的国家标准 相近的电机技术资料包括试验数据 在分析资料的基础上编制技术任务书 二 电磁设计根据技术任务书的规定 进行电磁计算 确定所设计的电机的冲片尺寸 铁心长度及电磁性能 三 结构设计确定电机的机械结构 零部件尺寸 加工要求与材料的规格等 1 3国家标准 电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一定要求的文件 它是电机生产的依据 也是评定电机质量优劣的准则 生产部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家标准规定的要求 有关电机的国家标准有以下几种类型 1 国家颁发的标准 代号为GB 例如 GB755 87电机基本技术要求 等 2 部颁标准 代号为JB 例如 JB3074 82Y系列 IP44 三相异步电动机技术条件 等 3 各种电机的试验方法 国家标准通常是根据一定时期的国民经济发展水平来制定的 因而在一定的历史条件下是先进的 合理的 它随着科学技术和生产的不断发展而逐步提高 于是国家标准也要随之修定 而提出更高的标准要求 1 4国际标准 交流电动机总体结构 机壳 底座 端盖 定子铁心 定子绕组 转子 转轴 f B i2L 定子轭部磁密 1 5T 定子齿部磁密 1 5T 转子齿部磁密 1 5T 转子轭部磁密 1 5T 气隙磁密 0 6 0 7T U E 4 44fkwW 第二章电机主要参数之间的关系 电机主要尺寸电机主要尺寸是指电枢铁心的直径和长度 对于直流电机 电枢直径是指转子外径 对于感应电机和同步电机 则是指定子外径 确定主要尺寸是设计电机的第一步 因为主要尺寸确定以后 电机的重量 价格 工作特性等方方面面也随之而定 2 1电机主要参数之间的关系式电机的主要尺寸与电磁功率有着密切的关系 后者可以用电机的计算功率来表示 交流电机的计算功率为 交流电机电枢绕组的相电势为 气隙磁密波形示意图 讨论 电机常数CA大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积 反映了材料的消耗量 KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩 它的大小反应了电机材料的利用率 通常称之为利用系数 利用系数的高低取决于两方面 其一是材料的质量 其二是制造工艺水平 对于不同类型的电机 其计算功率可按给定的额定功率PN来决定 重要结论 1 电机的主要尺寸由其计算功率P 或计算转矩T 所决定 在其它条件相同时 T 相近的电机所耗用的材料也相近 2 电磁负荷A和B 不变时 相同功率的电机 转速较高的 尺寸较小 或尺寸相同的电机 转速较高的 则功率较大 表明提高转速可以减小电机的体积 3 转速一定时 若直径不变而采用不同的铁心长度 则得到不同功率的电机 4 电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A B 有关 电磁负荷选得越高 则电机在一定功率下的尺寸就越小 或电机在一定尺寸下的功率就越大 2 2电机中的几何相似定律 案例讨论 有二台电机 容量均为1 1Kw 转速为1450r min 对比另一台电机容量为2 2Kw 转速也为1450r min 问从经济因素考虑 应选择二台容量较小的电机还是选择总容量相同的一台电机 一般而言 对于相同转速 即极数也相同 不同容量的电机间 有相似的几何形状 对应尺寸有相同的比值 即 该式表明 随着单机容量增大 其有效材料的利用率均将提高 该定律得出的结论是 对于几何形状相似的电机 单位功率所需的有效材料与功率的1 4次方正反比 即随着单机容量的增大 有效材料的利用率将提高 2 3电磁负荷的选择 根据上式 由于 p KNm Kdp实际上变化不大 因此当计算功率P 与转速n一定时 电机的主要尺寸取决于电磁负荷A B 显然 所以 人们总希望选取较高的A和B 但是 过高的A和B 也带来负面影响 一 电磁负荷对电机性能和经济性的影响 一 线负荷A较高 气隙磁密B 不变 1 电机尺寸和体积减小 可节省硅钢片材料 2 由于B 一定 以及铁心重量减轻 铁耗也随之减小 3 绕组的用铜量增加 4 增大电枢单位表面上的铜耗 使绕组温升增高 5 影响电机参数与特性 因为匝数N增多 导致电机绕组的电抗变大 感应电机的最大转矩 起动转矩 起动电流均降低 对同步电机 电压变化率增大等 对直流电机 则会使换向恶化 二 气隙磁密B 较高 线负荷A不变 1 电机尺寸和体积减小 可节省硅钢片材料 2 使电枢基本铁耗增大 3 气隙磁位降和磁路的饱和度增加 4 影响电气参数与电机性能 二 线负荷A和气隙磁密B 的选择 电磁负荷选择时关联的因数很多 很难单纯地从理论上加以确定 要根据具体条件来选择 1 电机所选用的绝缘材料的等级越高 电机允许的温升也就越高 电磁负荷A B 可选高些 2 电机所选用的导磁材料 硅钢片 及导电材料性能好 则电磁负荷可选高些 3 电机的通风冷却条件好 则电磁负荷可选高些 随着电工材料性能的不断提升及制造工艺的不断进步 电机的电磁负荷一直逐步提高 从而使电机的体积 重量不断减小 2 4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法 一 主要尺寸比的选择 在选择了A和B 后 由式 即可初步确定电机的D2lef 但是对相同的D2lef 可以设计得细长 也可以设计得粗短 为了反映电机这种几何形状关系 引入一个尺寸比的系数 现分别说明不同类型电机对 值的选择 若D2lef不变而 较大 1 电机将较细长 好处是绕组的端部变得较短 端部用铜量相应减少 可提高绕组的铜的利用率 因此单位功率材料消耗较少 成本较低 2 电机体积未变 因而铁的重量不变 在同一磁密下的基本铁耗不变 但是附加铁耗有所下降 机械损耗也因直径的变小而减小 因此电机总损耗下降 效率提高 3 绕组端部较短 因此端部漏抗减小 4 由于电机细长 通风散热条件变差 从而导致轴向温度分布不均匀度加大 5 电机细长 则铁心冲片数目增多 冲片加工与铁心叠压工时增加 因铁心直径较小 嵌线难度增大 嵌线工时增多 6 电机细长 则转子转动惯量减小 对于要求频繁起动运行的电机是有利的 综上所述 当选择 值时 通常要考虑的因数有 1 参数与温升 2 节约用铜量 3 转子机械强度 4 转动惯量等 以下对不同种类的电机给出 值的范围 一 感应电机即异步电机通常 0 4 1 5 对大型感应电机则为 1 3 5 二 同步电机对于凸极同步电机 通常 中小型同步电机的 0 6 2 5 其上限为多极电机 对于高速或大型同步电机 由于转子材料机械强度的限制 值选得较高 达3 4 三 直流电机通常 中小型直流电机的 0 6 1 2 大型直流电机的 1 25 2 5 实际设计时 值的选择往往需要通过若干计算方案的全面比较分析 才能作出正确的判断 二 确定主要尺寸的一般方法 但以上确定主要尺寸的方法不够简便 在实际应用中 人们根据实践经验 通常采用 类比法 来确定主要尺寸 所谓 类比法 即是将所要设计的电机的具体条件 如结构 材料 技术经济指标 工艺等 参照已生产过的相近规格的电机的设计数据 直接初选主要尺寸及某些其它数据 例如 所设计的感应电机与已生产的同类型电机具有相同的极数 但额定功率不同 则根据主要尺寸关系式 可近似认为 2 5系列电机及其设计特点 所谓系列电机是指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 系列电机具有以下几方面特点 1 系列电机的额定功率具有一定的范围 按一定比例递增 例如Y系列的三相异步电动机的额定功率从0 55kW 250kW共分26个等级 2 系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中的一种或几种 例如Y系列电机的额定电压均为380V 3 系列电机有一定的转速范围或等级 例如Y系列的同步转速有 3000 1500 1000 750r min等四种 4 系列电机规定了若干铁心冲片的外径尺寸 且每一外径对应于一个机座号 同一个机座号可有几种不同的铁心长度 每一种铁心长度对应于不同的功率数值 系列电机的设计特点 1 功率按一定规律递增同一系列中相邻两功率等级之比 大功率 小功率 称为功率的递增系数Kp Kp 的取值直接影响到整个系列功率等级数目的确定 而且对系列的经济性有重要影响 如果Kp 取小 功率等级多 提供给用户的选择就多 并可减少过安装容量 过安装费用与运行费用 但是 功率等级增多 使系列中的规格较多 制造所需工艺装备增加 生产管理复杂 制造成本增加 电机的价格提高 因此 选择Kp 应进行细致地分析与综合 兼顾用户选用与生产两方面的方便 我国Y系列电机的功率等级根据国家标准 GB321 64优先数和优先系数 加以确定 如书20页表2 3所示 2 安装尺寸与功率等级相适应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来分级 功率等级确定后 通常一个轴中心高对应两个功率等级 我国的中小型电机采用的轴中心高尺寸如书21页表2 4 表2 5所示 3 电枢冲片外径的确定我国中小型感应电机基本系列的定子冲片外径系见表2 4 表2 5 它是和轴中心高相对应的 4 零部件的标准化 系列化和通用化即系列电机的零部件应尽量采用标准件与标准尺寸 标准结构 以提高通用性和互换性 降低生产成本 方便使用维修 5 考虑派生的可能性考虑有可能仅作少量改动即派生出某些产品 以满足特殊性能 特殊使用环境与特殊使用条件的要求 第三章磁路计算 3 1概述 磁路计算的目的在于确定励磁电流及电机的空载特性 大体步骤 磁场 B 磁势 F 励磁电流 I 一 磁路计算所依据的基本原理 基本原理是全电流定律或称安培环路定律 如果积分路径沿着磁场强度的矢量取向 即沿着磁力线 则 磁路计算步骤 1 选择积分闭合回路 一般所选择的闭合回路通过磁极的中心线 2 分段 即沿着闭合回路 分为若干段 认为各段的磁通沿着截面均匀分布 各段中的磁砀强度为恒值 S N 于是每对极回路的励磁磁势 由于一对极中的两个极的磁路情况是相同的 所以也可以只计算半条回路上各段的磁压降 其总和即为每极的励磁磁势 励磁磁势的计算可归结为计算磁路上各段磁压降 各类电机的磁路可分为如下各段 1 空气隙 2 定子齿 或磁极 3 转子齿 或磁极 4 定子轭 5 转子轭 其中空气隙的磁压降通常占较大的比例 约60 85 二 电机中常用的磁性材料电机中的铁心一般多采用表面涂漆的硅钢片叠压而成 硅钢片根据制造工艺的不同又分为热轧片与冷轧片 3 2空气隙磁压降的计算 通常计算是最大气隙磁通密度所在的磁极中心线处的气隙磁压降 即 气隙磁场 对于每极磁通 可根据给定的绕组感应电势来确定 一 计算极弧系数 p 的确定 计算极弧系数 p 表示在一个极距下的平均磁密与最大磁密之比 计算极弧系数 p 的大小取决于气隙磁密分布曲线B x 的形状 当B x 为正弦分布时 p 2 0 637 一 直流电机的 p 1 均匀气隙即极弧下的气隙为均匀的 对于这类型直流电机 有 2 不均匀气隙为了消弱电枢反应 磁极常做成削角的形状 如图所示 其中间部分的约2 3表面下的气隙仍是均匀的 两侧逐渐增大到2 对于这种极靴 由于边缘效应被削弱 因此可取 边缘效应 同理 对于偏心的圆弧形极靴 即空气隙由 连续地增大到 max 当 max 3时 可取 二 感应电机的 p 一般情况下 感应电机由于磁路的饱和气隙磁场已不是正弦分布 而是与直流机类似的比较扁平的形状 因此B av B p 0 637 p 的数值主要与定子齿与转子齿的饱和程度有关 齿部越饱和 则气隙磁场波形越扁来 p 也越大 齿部的饱和程度以饱和系数来标志 它等于 求出了Ks以后 根据 p 与Ks的关系曲线 确定出 p 图中还提出供了KNm f Ks 的关系曲线 当磁路不饱和 磁场分布为正弦波时 KNm 1 11 随着Ks的增大 KNm逐渐下降 三 凸极同步电机的 p 凸极电机的励磁磁势空间波形呈方波 其F 的波形也是方波 为了使气隙磁密的分布为正弦分布 则气隙 的大小 在极弧下不是均匀的 的变化应满足如下关系 若按上式规律变化在工艺上实现十分困难 通常做法是把极靴的外表做成圆弧形 和定子铁心内圆不同心 最大空气隙 max按下式计算 二 电枢或气隙的轴向计算长度lef 由于边缘效应 即磁通不是完全在铁心长度的范围内穿过气隙 有一小部分磁通从定转子的端面越过 如图所示 因此 轴向长度上要多算一些 经推导可得两端面处磁场分布的等效长近似为2 即 lef lt 2 如果转子铁心中有径向通风道 如图所示 由于径向通风道处没有硅钢片 因此电枢计算长度比铁心总长要短些 三 气隙系数K 在气隙磁压降的计算公式中 为了计及槽开口的影响引入了一个系数K 先假定转子铁心表面有齿 槽 而定子表面光滑 则槽口处磁阻大 磁通量少 因而使总的气隙磁通量 减少 但是为了维持 不变 因为外部电压不变 则齿顶处的最大气隙磁密由无槽时的B 增加到B max 以直流电机为列 实际的磁密分布曲线如图所示 它应等于未开槽时一个齿距t内的磁通B t以保持主磁通值不变 即 解该方程 从而得到 当定 转子两边都开槽时 例如感应电机 则 K K 1K 2其中K 1为定子有槽 转子无槽的气隙系数 K 2则为转子有槽 定子无槽的气隙系数 3 3齿部磁压降的计算 每极齿部磁压降可用下式计算 Ft HtLt式中Ht 齿的磁场强度 对应于Bt 可由所用硅钢片的磁化曲线查得 Lt 齿的磁路计算长度 一 齿磁密Bt的计算 一 齿磁密Bt 1 8T的场合硅钢片的饱和度不高 齿部的磁阻比槽部的磁阻要小得多 因此在一个齿距的范围内的主磁通经过气隙进入铁心后 几乎全部从齿内通过 如图所示 1 对于平行齿壁的梨形槽沿着齿高度上的齿截面中的各处磁密相等或基本相等 即齿磁密为 2 对于齿部不平行槽 由于沿着齿高各点的宽度是变化的 因此齿部磁密和相应的磁场强度也是变化的 所以齿部的磁压降严格来讲应该采用积分法来求 工程中采用近似的方法 基本思想是用一个均匀的磁场来替代实际上沿齿高不均匀的磁场来进行计算 如果齿不饱和 可以采用更为简单的公式来计算 即采用 离齿最狭部分1 3齿高处 的截面中的磁场强度作为计算用的磁场强度 磁化曲线 P403 B25 1 54T D23 DR530 磁化曲线 H单位 A cm B25 1 57T D24 DR510 磁化曲线 H单位 A cm 二 齿磁密Bt 1 8T的场合由于齿部磁密超过1 8T 齿部磁路比较饱和 使齿部磁阻增大 与槽的磁阻相比差别不是很大 因此从槽部进入轭部的磁通增多 即实际的齿部磁场强度及磁压降要小一些 当齿很饱和时 可以假定进入槽部分的磁通不再进入齿中 取一圆柱面为等磁位面 该面垂直于磁力线 在此表面处 一个齿距范围内的磁通分为两部分 tx经过齿 sx经过槽 即 由于所取的圆柱表面为等磁位面故槽部的磁场强度Hsx即等于同一磁位面上的齿部的磁场强度Htx 该直线与磁化曲线的交点P的横座标即为实际的磁部的磁场强度Ht 用它来计算Ft 二 齿的磁路计算长度Lt 综上所述 对于Bt 1 8T的情况 求解Ht的步骤如下 极联轭 直流机或凸极同步机 j m 2 m hj 3 4轭部磁压降的计算 轭部分两种结构 其一是与极身相连的轭 称为极联轭 例如直流电机的定子轭 其二是与齿相连的轭 称为齿连轭 例如感应电机的定子轭 一 极连轭磁压降的计算通过磁极的磁通 m经过磁极后分成两路 分别进入左右两边的轭 所以轭部磁通的数值是 m 2 齿联轭 感应电机 二 齿联轭的磁压降计算气隙磁通分散地进入齿部及轭部 因此各个截面所穿过的磁通是不一样的 且在每一截面处沿着径向方向的磁密也不是均匀分布的 如图所示 计算轭部磁压降时 作简化处理 1 把轭部的平均匀弧长作为理想的积分路径 对 L线段上的磁压降忽略不计 只计算轭部平均弧长上的磁压降 如图中的虚线弧长 2 轭部截面上各点磁密沿径向方向上的分布是均匀的 由Bj 最大轭部磁密 查磁化曲线得 Hj 相应于最大磁密的磁场强度 对Hj打折得到平均磁场强度Hjav CjHj 直流电机电枢齿联轭示意图 二 直流电机齿联轭磁压降计算在相邻两主极极尖之间的电枢轭中通过了 2的磁通 而在极弧下的电枢轭中穿过每个截面的磁通均小于 2 见书p38 因此对轭部常分二段来计算磁压降 1 极间范围内 2 极弧范围内 根据上式求出的Bj1 Bj2查磁化曲线得相应的Hj1 Hj2 于是有 3 6励磁电流和空载特性计算 各类电机励磁电流或空载特性的计算步骤为 1 根据感应电势E确定每极的气隙磁通 2 计算磁路各部分的磁压降 将各部分磁压降相加便得到每极磁势 3 计算磁化电流或空载特性 一 感应电势和气隙磁通 一 对于励磁电流必须作调节的直流电机和同步电机由于运行时励磁电流的调节而使感应电势有相当大的变动 需要计算空载特性曲线 即计算对应于一系列的感应电势值 0 3UN 0 6UN 0 8UN 1 3UN的磁路总磁压降F0及相应的励磁电流 注 空载时U E 二 对于感应电机由于该电机从空载到额定负载 感应电势变动不大 运行时电压不变 只须求出额定负载和空载状态时的励磁电流 先计算感应电势 磁通 的确定 直流电机 同步电机 异步 感应 电机 额定负载时 空载时 1 额定负载时定子相绕组感应电势E1 2 空载电势E10 计算E10时可忽略I0R1 3 气隙磁通 二 每极励磁磁势 1 对直流电机 2 对感应电机 3 对于凸极同步电机 三 励磁电流和空载特性对于直流电机和凸极同步电机 由于励磁绕组是集中式绕组 则空载励磁电流为 对于多相交流分布绕组 例如感就电机 其交流磁化电流或励磁电流 有效值 电机的电气参数 一 直流电机电气参数 励磁绕组电阻Rf 励磁绕组电感Lf 电枢绕组电阻Ra 电枢绕组电感La 二 交流同步电机电气参数 励磁绕组电阻Rf 励磁绕组电感Lf 电枢绕组电阻Ra 直轴电枢反应电抗xd交轴电枢反应电抗xq 电枢漏抗x1 三 交流异步 感应 电机电气参数 定子绕组电阻R1 定子励磁电抗xm定子漏抗x1 转子绕组电阻R2 转子漏抗x2 第四章参数计算 4 1绕组电阻的计算直流电阻可按下式计算 按国家标准GB755 81的规定 各绝缘等级的基准工作温度为 对于A级 E级 B级绝缘的基准工作温度为75 对于F级 H级绝缘的基准工作温度为 115 由于集肤效应 使交流电阻较直流电阻值大 交流电阻值按下式计算 一 直流电机直流电机电枢绕组的电阻可按下式计算 二 感应电机1 定子绕组每相电阻可按下式计算 2 绕线式转子电阻计算计算公式同上 但系数KF 取1 因为在正常运行时 转子电流的频率很低集肤效应忽略不计 3 笼型转子电阻的计算指折算到定子方面的转子每相电阻 折算系数如下 把笼型转子绕组当作一个对称多相绕组 其相数等于槽数即导条数 每相的导条数为1 于是 各导条电流的有效值是相等的 相邻导条之间的相位差为相邻两槽间的电角度 同理 转子端环各段中的电流有效值也相等 相邻两段中的电流相位差也等于 导条电流与端环电流之间的关系 如图所示 导条电流IB等于相邻两端电流IR之差 由相量图可得 计算每相电阻时 可用接成星形的电阻来替代接成多边形的端环电阻 如图所示 等效的相电阻R2的电损耗应等于原来笼型转子绕组的电损耗即 折算到定子方面的每相转子电阻为 三 同步电机同步电机电枢绕组的每相电阻的计算和感应电机的算式一样 4 2绕组电抗的一般计算方法 绕组电抗分为两类 1 主电抗 2 漏电抗 通常把它们表示成标么值的形式 例如 标么值表示的绕组漏抗等于 电抗的计算方法有两种 1 磁链法对任何一个电路的电抗可以写成 因此 在一定频率之下 电抗的计算归结为对电路的电感L的计算 则电感的计算又可归结为对磁链的计算 2 能量法 4 3主电抗的计算 主电抗即为相应于基波磁场或相应于同时交链定 转子绕组的主磁场的电抗 属于主电抗 在感应电机中 又将主电抗称为励磁电抗 在同步电机中 则称为电枢反应电抗 计算主电抗时假定 1 电枢槽部导体中的电流集中在槽中心线上 2 3 槽开口的影响用气隙系数来计及 上式也可写成如下形式 从公式可以看出 感应电机的主电抗或励磁电抗Xm 主要与绕组的每相匝数N 电枢的轴向长度lef及极距与气隙之比 有关 因此 选用较大的A和较小的B 将使电机的主电抗变大 对于凸极式同步电机 显然 由于气隙不均匀 则对应于不同气隙尺寸下的主电抗值是不同的 根据双反应理论 把主电抗分为直轴的电枢反应电抗和交轴的电枢反应电抗 式中 系数Kd与Kq由曲线图查得 对于隐极式同步电机 由于电机气隙基本上均匀 因此电枢反应电抗不分成直轴与交轴 即 4 4漏电抗的计算 漏电抗即为漏磁场对应的电抗 绕组的漏电抗分为 1 槽漏抗 2 谐波漏抗 3 齿顶漏抗 4 端部漏抗等四个部分 上述四个部分的漏抗全部相加即得总的漏抗值 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 p 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 kd kq 0 05 0 03 1 0 1 5 2 0 kd kq 图4 2系数kd及kq 因此 漏抗的计算归结为相应的比漏磁导 的计算 一 槽漏抗的计算 一 单层整距绕组的槽漏抗计算时假定 1 电流在导体截面上均匀分布 2 不计铁心磁阻 3 槽内漏磁力线与槽底平行 槽漏磁分为两部分计算 1 通过h0高度上的漏磁通和槽内全部导体匝链 2 通过h1高度上的漏磁通和部分导体匝链 对于h1高度上的磁通则有 每相槽漏抗 每相绕组共有2pq个槽 如果并联支路数为a 每一支路中有2pq a个槽中的导体相串联 故每一支路的槽漏抗为 由式可见 每相槽漏抗与每相串联匝数N成平方关系 因此每相串联匝数N的多少对于每相的槽漏抗数值影响最大 对于其它槽形 亦可采用类似方法来获得有关槽比漏磁导的计算公式 二 双层整距绕组的槽漏抗仍以矩形开口槽为例 槽中有两层线圈边 如图所示 求槽漏抗的基本思想是分别求出上层 下层线圈边的自感及互感 然后相加得出总自感 假设上 下层串联导线数为Ns 2 则 由于是整距绕组 所以上下层线圈边属于同一相 其电流也属同一相 不存在时间上的相位差 故每槽漏感 每相槽漏抗 对比单层整距绕组的槽比漏磁导的计算化式 不难看出 三 双层短矩绕组的槽漏抗由于采用短矩绕组 因此在有些槽中的上下层线圈边中的电流不属于同一相 如图所示 具体有多少个槽的上下层线圈电流不属于同一相 则要看线圈的节距比 y 的值 于是在一个极距范围内 一相绕组 例如A相 的总磁链 用符号法表示的复振幅 为 二 谐波漏抗计算 电机定子 电枢 多相绕组通多相电流 在气隙中产生旋转磁场 除了基波磁场外 还有一系列的旋转谐波磁场 虽然转速与转向不同 但是它们切割电枢绕组感应电势频率均为基率电势频率f1 因此 谐波电势应反映在定子回路的电势平衡方程中 但是由于它们不产生有用的转矩 所以一般把谐波磁场所感应的基频电势看作漏抗压降 相应的电抗称之为谐波漏抗 计算谐波漏抗时假定 1 各槽线圈边中的电流集中在槽中心线上 2 铁心磁导率 无穷大 3 气隙是均匀的 开口槽对各次谐波的影响以气隙系数来计及 4 忽略各次谐波磁场在对方绕组中所感应的电流对本身的削弱作用 谐波磁场对绕组的磁链 相对于 次谐波的谐波漏抗 总的谐波漏抗 所有各次谐波漏抗之和 对谐波比漏磁导 的计算也可以采用查曲线的方法 1 定子绕组谐波漏抗的计算 以上谐波漏抗的计算式子适用于气隙均匀的电机如感应电机 隐极式同步电机等 对于凸极式同步电机的谐波漏抗可以近似地应用上式 但要乘以一个系数Kd 即 2 感应电机笼型转子绕组的谐波漏抗计算 三 齿顶漏抗计算 在同步电机里 气隙比较大 于是磁场不是完全沿着径向穿越气隙 其部分磁力线经由一个齿顶进入另一个齿顶形成闭合回路 如图所示 这些漏磁称之为齿顶漏磁 与之相应的漏抗为齿顶漏抗 如下图所示 当槽口面对极间区域时 齿顶比漏磁导的计算式为 齿顶总的比漏磁导为 齿顶漏抗为 对于隐极式同步电机 由于气隙是均匀的 则有 四 端部漏抗计算 绕组端部漏抗是相应于绕组端部匝链的漏磁场的电抗 对于不分组的单层同心式绕组则有 为了便于计算 将上式化为与槽漏抗公式相同的形式 对于分组的单层同心式绕组 其端部比漏磁导为 对于单层链式绕组 其端部比漏磁导为 对于双层叠绕组 其端部比漏磁导为 对于笼型转子绕组 其端环比漏磁导为 4 5漏抗标么值 漏抗标么值的计算式可表示如下 4 8斜槽漏抗计算 专指笼型异步电机 直槽转子 斜槽转子 扭斜度 在感应电机里 为了消弱由齿谐波磁场引起的附加转矩及噪声 一般在笼型转子常采用斜槽 即把转子槽相对定子槽沿着轴向扭斜一个角度 由此而减小了定 转子间的互感电抗 增加了定 转子的漏抗 即 第五章损耗与效率 5 1概述 电机损耗可分为下列5类 1 定 转子铁心中的基本铁耗 它是由主磁场在铁心中发生变化时产生的 2 空载时铁心中的附加 或杂散 损耗 它是由定转子开槽引起的气隙磁导变化而产生的谐波磁场在对方表面产生的表面损耗及脉振损耗 3 电气损耗 是由工作电流在绕组中产生的损耗 对直流电机或同步电机而言 也包括电刷在换向器或集电环上的接触电阻损耗 铁心局部截面示意图 1 2 5 项损耗称为空载损耗或不变损耗 3 4 项又称为负载损耗或可变损耗 5 机械损耗 它包括通风损耗 轴承摩擦损耗和电刷与集电环或换向器间的摩擦损耗 4 负载时的附加 或杂散 损耗 是由定子或转子电流所产生的漏磁场在定 转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗 5 2基本铁耗 交变的主磁场在铁心中所产生的损耗 它分为磁滞损耗与涡流损耗两部分 一 磁滞损耗 单位重量的铁磁物质由交变磁场引起的磁滞损耗ph 即称为磁滞损耗系数 即 如果铁心内的磁通密度B 1 6T 则系数a 0 可略去上式中的第一项得 二 涡流损耗 经推导可得单位重量的钢片的涡流损耗为 铁心中的磁场发生变化时 在其中会感应电流 称之为涡流 由该电流引起的损耗称为涡流损耗 三 轭部 齿连轭 及齿部的基本铁耗 将磁滞与涡流损耗系数合在一起 得到钢的总损耗系数 即单位重量的损耗 的计算式 对于不同的含硅量的硅钢片 可以通过查表5 1 得到 h e数值 如果在一般情况下 指不同的f 对不同的B值 或者不同的f 则损耗系数为 因此 钢中的基本铁耗应为 利用上式可以求出电机轭中及齿中的基本铁耗 其中的p10 50表示当B 1T f 50Hz时的钢单位损耗系数 查表5 1得 1 定子 转子轭的基本铁耗 2 齿中的基本铁耗 可仿轭部的计算式 得 5 3空载时铁心中的附加损耗 空载时的铁心附加损耗是指铁心表面损耗和齿中的脉振损耗 它是由气隙中谐波磁场引起的 而谐波磁场又由两种原因造成 1 电机开槽引起气隙磁导不均匀 如图所示 产生出磁场的高次谐波 2 空载励磁磁势空间分布曲线中存在着谐波 由谐波产生的表面损耗 根据谐波的波长与凸面的间距的相对大小有不同的情况 1 凸面的间距 如凸极同步电机 远大于谐波的波长 则谐波磁通集中于极弧表面一薄层内 在极面感应涡流 产生涡流损耗 也会在其中产生磁滞损耗 又称表面损耗 2 凸面间距要比谐波波长要小得多 如齿距t小于谐波波长 则谐波将深入到齿部并经由轭部形成闭合回路 则在齿中产生涡流及磁滞损耗 称为脉振损耗 3 介于上述两种情况之间 既有表面损耗又有脉振损耗 本节只讨论由铁心开槽引起的空载表面损耗及脉振损耗的计算方法 一 直流电机及同步电机实心磁极的表面损耗 二 叠片式磁极及感应电机中的表面损耗 为了减少磁极表面损耗及工艺上的方便 直流机或同步机的磁极常做成叠片式 以利用片间绝缘层来增加涡流回路电阻 减小涡流损耗 叠片式磁极表面损耗的计算仍可按式 来计算 但其中的k0应按表5 2加以确定 对于感应电机 其定子 转子均由硅钢片叠压而成 双边都有开槽 因此由定子开槽引起的气隙磁导变化所产生的谐波磁场在转子表面产生的表面损耗为 上式中的pA2的数值计算公式为 01由图5 5查取 K0为经验系数 主要与硅钢片的规格 性能以及加工质量有关 对于含硅量较低的硅钢片 它等于1 5 加工后可达3 5 对于含硅量较高的硅钢片 它等于0 7 加工后可达1 5 3 三 感应电机齿中的脉振损耗 在所示图中的两个不同的定转子齿的相对位置 进入定子齿中的磁通量不同 其差额为阴影所示的面积 困此 随着电机的旋转 定子齿中的磁通将发生变化 导致附加铁损耗 由此引起定子齿里的磁通密度脉振振幅为 将上式代入下式就得到定子齿中脉振损耗的数值计算公式 同理可得转子齿中脉振损为 5 4电气损耗 一 绕组中的电气损耗 对于多相绕组 则总的电气损耗应为各相绕组的电气损耗的总和 即 如果电机为m相对称的多相绕组 则各相电流数值相等 电阻也相同 则电气损耗为 二 电刷接触损耗 电刷与集电环或换向器间的接触压降与电刷种类有关 与电流大小无关 因此一个极性下的电刷接触损耗为 5 5负载时的附加损耗 一 凸极同步电机负载时的附加损耗 负载时产生的附加损耗的主要原因是由于环绕着绕组存在有漏磁场 这些漏磁场在绕组中以及在所有邻近的金属结构件中感应涡流损耗 另外 气隙中的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度相对转子和定子在运动 在铁心中和在笼型绕组中也会感应涡流 产生附加损耗 由额定负载电流引起的同步电机的附加损耗 约等于短路试验时的附加损耗 因此又称之为短路附加