电机设计第2部分

第2部分电机设计基础理论,2.1电机的主要参数之间的关系2.2电机中的几何相似定律概述2.3电磁负荷的选择2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定2.5系列电机及其设计特点2.6磁路计算2.7参数计算2.8损耗和效率2.9电机的冷却与发热,2.1电机的主要参数之间的关系,2.1.1、主要尺寸：设计一台电机时，必须确定许多尺寸，其中起主要与确定作用的是电机的主要尺寸。电机的主要尺寸是指靠近气隙的电机电枢铁心直径和长度。对于直流电机，电枢铁心直径是指转子铁心外径。交流电机：电枢铁心直径是指定子铁心内径。2.1.2、电机的主要参数之间的关系式电机工作时，能量是以电磁能的形式通过定、转子之间气隙进行传递转换的，气隙传递的功率称为电磁功率。由于电机的主要尺寸与电磁功率有关，而交流电机的电磁功率与功率因数有关。在电机设计中，功率因数是一个变量。为此，电机设计时，将电机的主要尺寸与电磁功率的关系转为与功率因数无关,2.1电机的主要参数之间的关系,的计算功率的关系。交流电机的计算功率(三相感应电动机)；当气隙磁场为正弦分布时，认为,2.1电机的主要参数之间的关系,-气隙磁通密度的最大值（幅值），简称气隙磁密。,-计算极弧系数，,-气隙平均磁密；气隙磁密正弦,分布时，,-电枢铁心的计算长度或有效长度；,极距,-电枢铁心直径；线负荷：电枢圆周,单位长度上的安培导体数；,2.1电机的主要参数之间的关系,将上面式子代入式整理得交流电机主要参数的关系式：,对直流电机：,电枢电势,电枢电流,功率得：,与交流电机主要参数的关系式比较,得直流电机,代入直流电机计算,；故电机的主要参数关系式：,2.1电机的主要参数之间的关系,对于一定功率和转速范围的电机，变化不大，可认为是常数，故称电机常数。,-计算转矩,近似表示了转子有效部分的体积，定子有效部分的体积,也与它有关。电机常数,反映了产生单位计算转矩所耗用,的有效材料的体积，即结构材料的耗用量。令,-利用系数，它表示单位体积有效材料所产生的计算转矩；,2.1电机的主要参数之间的关系,随着技术水平的提高，利用系数将不断增大。,计算功率和额定功率的关系：,感应电动机,同步发电机,由,得：,2.1电机的主要参数之间的关系,电机的主要尺寸由其计算功率和转速之比或计算转矩所决定；功率较大，转速较高的电机可能和功率较小，转速较低的电机的体积接近，可能一些尺寸相同，如端盖，机座可通用；,电磁负荷、不变时，相同功率的电机，转速较高的，尺寸较小；尺寸相同的电机，转速较高时，则功率较大，即提高转速可减少电机的体积和重量。注意：提高转速只能在一定范围内，若转速过高时，电机机械损耗等会随之增大，从而引起其它参数变化；,转速一定时，若电枢铁心直径不变，而电枢铁心长度不同时，可得到不同功率的电机；,2.1电机的主要参数之间的关系,一般变化不大，因此电机主要尺寸在很大程度和选用的电磁负荷、有关，、选得越高，电机的尺寸就越小。,2.2电机中的几何相似定律概述,分析具有相同的电流密度、磁通密度、转速和极数的一系列功率递增而几何形状彼此相似的电机。几何形状相似是指电机对应的尺寸间具有相同的比值，如电机A，B几何形状相似，有:,分别为槽高及槽宽。,而各与长度的,平方成正比；,当一定时,2.2电机中的几何相似定律概述,又有效材料的重量与体积成正比，即与,的立方成正比，而有效材料的成本、损耗均与重量成正比。,整理得：,上式即为几何相似定律。,它表明，在铁心磁密及绕组导体电密保持不变时，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（）成反比。,2.2电机中的几何相似定律概述,也即随着单机容量的增大，其有效材料的利用率和电机效率均将提高。从而在电气设备上，采用一台大功率的电机代替总功率相等的数台小功率电机。但要注意，电机的损耗，其冷却表面。随着电机功率增加，若不改变几何形状的相似，则损耗产生的热量大于散热的热量，从而导致电机温升超过允许值。,2.3电磁负荷的选择,电磁负荷A、值决定了利用系数，直接影响电机的有效材料的,耗用量，更为重要的是A、值与电机运行参数、性能和可靠性有密切关系。,电磁负荷的选择要考虑的因素很多，应综合考虑电机技术和经济指标，其选择要点如下：,(1)当输出功率一定时，提高电磁负荷A、，电机的尺寸和体积将减小，可节省有效材料，但其需要较好的冷却条件和绝缘材料。,(2)选取较高的A，绕组用铜(铝)量将增加。由于电机的尺寸减小了，若不变，每极磁通将减小，为得到一定的感应电势，绕组匝数必将增多。,2.3电磁负荷的选择,(3)选择较高的A或导体电流密度J，绕组电阻将增加，使绕组温升增高。,(4)选择较高的，电机基本铁耗增加。由于电枢铁芯中的磁密与有一定比例关系，而铁的比损耗(单位重量铁芯中的损耗)与铁磁材料内磁密的平方成正比关系，故随着的提高，比损耗的增加速度比铁芯重量减少的速度更快。因此导致电枢铁耗增加、效率降低及在冷却条件不变时温度将升高。,(5)A与应选择恰当的比值。由于励磁电流标么值,，,选取较高的或较低的A，励磁电流将增大，使异步电机的功率因数降低。,2.3电磁负荷的选择,总的来说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难单纯从理论上来确定。通常主要从电机制造成本低、性能良好方面选择。一般还要从包括电工材料、冷却条件及电机结构方面考虑。工厂常根据经验数据作出曲线确定电磁负荷。,。,2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,2.4.1.电机的主要尺寸比,在已知电机的计算功率和转速的情况下，若选定好电磁负荷,后，由电机主要参数关系式：,可初步确定电机的,，,但相同的电机，可以设计成细长，,也可做成粗短。如何具体确定电机的电枢铁心直径及电枢铁心的有效长度,，引进电机的主要尺寸比,。显然,一定，取大时，则电机细长，取小时，则电机粗短。,选择值时，通常考虑：电机的参数与温升；节约同铜；,2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,转子的机械强度；转动惯性等方面的限制及要求。,对1）感应电机：中小型感应电机，通常,；,大型感应电机，极数较多时取较大值。,2）同步电机：中小型同步电机；对高速或大型同步电机；对低速水轮发电机，宜取小些。,3）直流电机：对频繁起动和可逆转的轧钢电动机，要求转动惯量较小，应取大些。通常中小型直流电机；大些直流电机。,2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,2.4.2确定主要尺寸的一般方法,首先由电机的额定功率求出计算功率；由计算功率和转速，根据有关曲线或经验求出电磁负荷；从而由主要参数关系式求出；根据推荐的数据选用适当的主要尺寸比，再确定出电机的主要尺寸；对交流电机，再参照定子铁心内外径比的经验值，确定定子铁心外径值，参考标准外径值，转为取标准外径值，再对定子铁心内径及铁心长度进行调整。表1为交流电机定子铁心的标准外径。,2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,工厂里常采用“类比法”来确定主要尺寸。“类比法”就是根据已生产过的同类型相近规格所设计电机的具体数据，直接初选主要尺寸和一些数据。若现要设计电机，已生产过同类型电机，极数相同而额定功率不同。则有：,，选取,；,2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,，取,；,电势,且,因为,，,则有极距不变，所以,。,2.5系列电机及其设计特点,2.5.1、系列电机：是指技术要求、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。电机制造厂的产品大多是系列电机。系列电机的额定功率具有一定范围，按一定比例递增。例Y系列（IP44）三相感应电动机的额定功率0.55kW250kW从分23个等级；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。例Y系列（IP44）三相感应电动机的额定电压为380V；系列电机有一定的转速范围或等级。例Y系列（IP44）三相感应电动机的同步转速有3000、1500、1000、750r/min四种；按功率递增情况和标准尺寸硅钢片的合理剪裁，规定了系列电,2.5系列电机及其设计特点,机铁心的若干外径尺寸或轴中心高数值，每一外径或轴中心高对应一个机座号。每个中心高有几种铁心长度，对应不同的功率等级。Y132M1-6Y132M2-6Y132S-6。,系列电机分类：基本系列：使用面广，生产量大的一般用途电机；派生系列：进行部分改动而有基本系列派生出来的系列；专用系列：适用于某种特殊条件使用面很窄的系列。如轧钢用系列电动机。,2.5系列电机及其设计特点,2.5.2系列电机的设计特点,功率按一定规律递增；安装尺寸和功率等级相适应；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；交流电机系列定子冲片外径的确定应与轴中心高一致；重视零部件的标准化、系列化和通用化。系列电机量大，零部件尽量采用“三化”-标准化、系列化和通用化，可提高通用性及互换性，降低生产成本，维护方便；考虑派生的可能性。,2.6磁路计算,2.6.1概述,电机绕组通过电流产生磁场。电机磁通构成的闭合路径-磁路。磁路计算的目的就是确定产生主磁场所需要的励磁磁势、励磁电流，从而进一步计算电机的空载特性，以及校核电机各部分磁密选择得是否合适。,1、磁路计算所依据的基本原理-全电流定律,由于电机磁场的对称性，分析磁场时只要分析相邻两极磁场的分布情况就行了。右图为电机一对极的磁路。,2.6磁路计算,虚线为磁力线或磁通，磁力线具有不相交特性及在电机内是闭合的特性。由全电流定律知,磁场强度沿任一磁力线所构成闭合回路的线积分即磁势等于闭合回路所包围的全电流。数学表达式为；对电机磁路正好为包围相邻两磁极N、S的磁势，即每对极励磁磁势。为便于分析，取磁力线的闭合回路路径即磁路为通过磁极中心线的路径。电机每对极磁路的磁势消耗在磁路上，该磁路分为五段空气隙；定子齿（或磁极-直流电机）；转子齿（或磁极-同步电机）；定子轭；转子轭。即这五段磁路上的磁势之和就是每对极的励磁磁势，,。每极的磁势为,。,2.6磁路计算,以后计算的磁势是指每极的，磁路长度取一半长。这五段磁路中，气隙的磁势最大，约占整个磁势的。,2、电机中常用的磁性材料,电机电枢铁心一般采用涂漆的硅钢片叠压而成，磁极采用低碳钢板等。硅钢片按工艺分为热轧和冷轧两种，其中冷轧的性能比热轧的好，目前大型电机采用冷轧硅钢片。由于我国制造工艺等原因中小型电机大多采用热轧硅钢片。,.,2.6.2空气隙（气隙）磁势的计算,2.6磁路计算,电机中，沿电枢圆周方向气隙磁场不是匀称分布的，在磁极中心线处，气隙磁密最大。磁路计算时，气隙磁势-单边气隙的径向长度。-磁极中心线处的气隙磁场强度。-气隙系数，考虑到因槽口影响使气隙磁阻增加而引进的系数，。磁场强度，空气磁导率；气隙磁密最大值：,对于直流电机：每极（气隙）磁通,交流电机,。,2.6磁路计算,计算极弧系数的确定,如图气隙磁密的分布,情况。,每极气隙磁通：,气隙磁密的平均值：,显然当气隙磁密为正弦时，,2.6磁路计算,故计算极弧系数的大小取决于气隙磁密的分布情况。令,-波幅系数。,从上图可知：在极弧计算长度范围内，每极磁通均匀分布在这个范围内，其磁密等于最大值。,1）直流电机的计算极弧系数,均匀气隙：直流电机极弧部分气隙为均匀的，如图,-极弧长度,不均匀气隙：,2.6磁路计算,2）感应电机的计算极弧系数,感应电机磁路越饱和，气隙磁密分布越扁平，气隙磁密的平均值越接近最大值，计算极弧系数越大，大于0.637。,为此感应电机计算时，引入饱和系数,-分别为定、转子齿部磁势。,而和饱和系数的关系曲线已绘制成曲线，查,找。书P150图2B-3（曲线的饱和系数）见下页。,2.6磁路计算,饱和系数的确定：磁路计算时，先假定一个饱和系数的初设值，从图2B-3查出，再求出磁密的最大值及气隙磁势、定转子齿部磁势，最后计算出饱和系数。最后计算出饱和系数。若饱和系数的计算值和初设值的误差大于1%(手算)或0.5%（计算机算），需重新假设饱和系数，至到饱和系数的计算值和初设值的误差小于1%(手算)或0.5%（计算机算）才合格。,3）凸极同步电机的计算极弧系数,凸极同步电机采用集中励磁绕组，气隙磁势在空间分布为矩形。为使气隙磁密按正弦分布有：,，,2.6磁路计算,而最大磁密即主极中心线处的磁密,；,即气隙按这样规律变化，这在工艺上很难做到。,为此通常把主极极靴外表面做成圆弧型，它和定子铁心内圆不同心，最大气隙,如图。,一般,2.6磁路计算,凸极同步电机，气隙比较大，气隙磁场波形主要与极靴外形、极弧长度有关。凸极同步电机的计算极弧系数与极弧长度已绘制曲线，查找即可。书p12图1-5。,电枢铁心或气隙的轴向计算长度,式中用的是电枢铁心或气隙的轴向计算长度，而,不是铁心总长度，这是因为主磁通除在铁心总长范围内,穿过气隙外，还有一小部分在定、转子端面越过，该现象称,边缘效应，使得沿轴向方向的气隙磁场分布，如图。,2.6磁路计算,在计算磁通穿越气隙的截面积时，轴向的计算或有效长度,2.6磁路计算,比铁心总长度长一些，；若转子铁心有径向道，则气隙磁场分布为图b,通风道处磁通减少。因此轴向的计算或有效长度比铁心总长度短一些。,；-铁心中的径向通风道数（图b,=3）；,-沿铁心轴向长度因一个径向通风道所损失的长度；,若定、转子都有径向通风道，且相互对齐，,，,。注意图a或b，矩形面积,等于气隙磁密,实线所包围的面积。工厂在对同步发电机计算时，,2.6磁路计算,有时会把通风道对气隙磁势的影响用气隙系数来考虑，而不用在轴向计算长度中考虑。,气隙系数,是由于定、转子开槽而引进的一个大于1的系数，其原因是定、转子开槽将使气隙磁阻比无槽时的大，从而导致气隙磁通减少。为保持主磁通不变，必须增大磁势，用有效气隙长,度,增大来反映。,槽口宽,电枢开槽，,，齿距,，如图。,对半闭口槽和半开口槽,2.6磁路计算,对开口槽：,感应电机定子常用半闭口槽、半开口槽及开口槽，如图。,感应电机定、转子都开槽，则,-分别,是定、转子开槽的气隙系数。,2.6磁路计算,2.6.3齿部磁势（磁压降）的计算,每极齿部磁势；-齿部的磁场强度，由查对应,硅钢片的磁化曲线查得。如采用D23热轧硅钢片，磁化曲线见p474表F-10；-齿部的磁路计算长度。,1.齿磁密的计算,齿磁密的场合：当齿磁密时，钢片的磁路饱和程度不高，齿部磁阻比槽部磁阻小得多。在一个齿距t范围内的主磁通几乎全部从齿内流过，一个齿距t范围内的气隙磁通；由于齿部磁路是从主极中心线处经过的磁路，,故该处一个齿距t范围内的气隙磁密平均值就是磁密最大值,2.6磁路计算,即。齿中磁密,；,-齿,的计算截面积。-铁心长度。-铁心叠压系数,对涂漆硅钢片,，,；,-计算齿宽。如图对于平行,齿壁的梨形槽,取齿一半高度,处的宽度,（图,）；,2.6磁路计算,对于非平行齿壁的矩形槽，如图。,沿槽高方向各点齿的宽度是变化的，齿磁密和对应的磁场强度也是变化的。齿磁势：,-齿根处磁场强度，,由该处齿磁密查出；,-齿中部处磁场强度，,由该处齿磁密查出；,-齿顶处磁场强度，由该处齿磁密,查出。-离齿最窄部齿高处的磁场强度，由该处齿磁密,2.6磁路计算,查出。,，,，-离齿,最窄部齿高处的齿宽。,齿磁密的场合：当齿磁密时（直流电机和同步电机中），齿部磁路比较饱和，齿部的磁阻不会比槽的磁阻小很多。此时磁通大部分从齿部通过，小部分从槽部通过，因而齿的实际磁密小于视在磁密。,齿的视在磁密：磁通全部进入齿中时的齿磁密。,时，认为,。,齿的实际磁密的确定：如上图，取直径为的圆柱形表面,为等磁位面（垂直于磁力线），即，在圆柱形表面处，,2.6磁路计算,一个齿距范围内的磁通分为通过齿部的磁通和通过槽部的磁通两部分。,；,，得,，-圆柱形表面齿的,截面积；-该处齿的视在磁密。,又,。,；,称槽系数或槽分路系数。,-圆柱形表面槽的截面积。,对梨形槽（上上图a）圆柱形表面,2.6磁路计算,取在平行齿壁部分的中间截面，,对矩形槽,；,。,简化为：,是一条直线，,和磁化曲线,点就是所求的齿部的实际磁密,的交,及磁场强度,，如图。,2.6磁路计算,1、齿的磁路计算长度,对于直流电机电枢梨形槽或类似的槽：,；,对于感应电机定子梨形槽或类似的槽：,；,对于半开口槽：,对于开口槽：,；,。,2.6.4轭部磁势的计算,2.6磁路计算,按所衔接的是磁极还是齿，可将轭分为极联轭和齿联轭两种。,1、极联轭磁势的计算：直流电机的定子轭及凸极同步电机转子轭都是极联轭，也称磁轭。,如图，直流电机磁极的磁通,分两路分别进入左右（一,边没画）两边的轭。磁轭截,面的磁通，而磁极,的磁通是气隙（主）磁通,和极间漏磁通之和。,2.6磁路计算,若磁轭其截面由铸钢或钢板冲叠而成，其轭部磁密,，,-分别为轭的高度及轭的轴向长度。,若磁轭由薄钢板冲叠而成，则,，对于不涂漆的,钢板，叠压系数。由及轭钢材料的磁化,曲线查出对应的磁场强度,。,每极的轭部磁路计算长度,是每对极轭部磁路计算长度的一半，,。,-轭的平均直径（轭最大直径与最小直径的平均值）。,极联轭的磁势,。,2.6磁路计算,2、齿联轭磁势的计算,感应电机定、转子轭，直流电机的电枢轭及同步电机的电枢轭都是齿联轭，也称心轭。,交流电机的齿联轭磁势,感应电机的磁通如图，处,2.6磁路计算,是磁极中心线处。由于一个极距内的气隙磁通是“分散”地进入齿部和轭部（右图，只画了范围半个极距的磁通），,使得在轭部各截面的穿过的磁通是不同的，处的轭部截面穿过的磁通，处的轭部截面穿过的磁通最大为,，-一个极距下的气隙磁通。在处轭部截面,穿过的磁通就是在范围的气隙磁通,-气隙磁密。由于沿轭部磁路上轭部截面穿过的磁通大小不同，磁密也不同。为便于计算，轭部磁势计算采用一个等效的均匀磁场代替实际的不均匀磁场。在处的轭部,截面穿过的磁通最大为，轭部磁密,2.6磁路计算,最大，查对应的磁化曲线查出对应的磁场强度,；,-轭部计算高度，,-轭部的轴向长度。,图a,转子轭部计算,高度,图b，,-转子轴向通风道直径。,2.6磁路计算,对于矩形槽电机,轭部磁势。-轭部磁势的校正系数，,。,与轭尺寸、极对数及有关（见书p150151图2B-46）。,较低时，取最大值0.7。,-对应轭部计算高度,中心的直径，见图b或a。,直流电机的齿联轭磁势,直流电机进入轭部的磁通与交流电机相同，在主极中心线处即,处的轭部截面穿过的磁通，在处的轭部截,面穿过的磁通最大为，磁密最大。为计算方便，对于,2.6磁路计算,两极小型电机，轭部磁势分为两段计算：一段是在极弧范围内（主极极靴下），-在,轭部截面的磁密。由查磁化曲线查出对应的。,处的,另一段在极间范围内，从磁化曲线查出,。,轭部磁势：,对于四极或四极以上的直流电机,，,-对应轭部最大磁密的磁场强度。,2.6磁路计算,2.6.5磁极漏磁系数与磁极磁势的计算,1、磁极漏磁系数：通过电机主极极身的磁通包括气隙（主）磁通和极间漏磁通两部分。,，,-磁极漏磁系数，设计时不能过大；对直流电机：,，,；,，,；,，,。,对于凸极同步电机：,。,