电机设计及其CAD-第3章

SchoolofElectricalEngineering,1,2020年6月13日星期六,第一节概述励磁绕组通电在电机有效部分、端部、结构件建立磁场简化为磁路磁路计算目的：（1）确定产生主磁场所必须的励磁磁势，进而计算励磁电流和电机空载特性。（2）校核电机各部分磁密是否合理。为简化电磁计算，分为：主磁路、漏磁路,第三章磁路计算,SchoolofElectricalEngineering,2,2020年6月13日星期六,主磁路:磁路计算漏磁路：漏磁系数一、磁路计算的基本原理电机分成若干扇形，每扇形一对磁极，即一对极的范围。只计算一个扇形范围内磁路即可确定建立磁场所需要的磁动势。,SchoolofElectricalEngineering,3,2020年6月13日星期六,取一条通过磁极中心线的闭合回路，根据全电流定律：闭合回路磁位降回路包围的电流即每对极励磁磁势实际分布复杂，为简化计算，各部分复杂磁场简化为等效磁路等效磁路：各段磁路上磁压降应等于磁场内对应点之间的磁压降，并认为在各段中磁通沿截面均匀分布，各该段中磁场强度为恒值。其中Hi为第i段磁路的磁场强度，Li为第i段磁路的长度。,SchoolofElectricalEngineering,4,2020年6月13日星期六,只计算半条磁路：一对极磁路中两个极的磁路情况相似，半条回路磁压降等于每极励磁磁势。磁路划分原则：（1）每个磁路为同一材料（2）磁路的截面积大体相同（3）流过该磁路中各截面的磁通相同各类电机的磁路划分：（1）空气隙（2）定子轭（3）定子齿（或磁极）（4）转子齿（或磁极）（5）转子轭,SchoolofElectricalEngineering,5,2020年6月13日星期六,空气隙磁位降占较大比例（6085以上）二电机中常用磁性材料铁心：涂漆硅钢片，叠片减少铁耗，电阻大，在弱磁场或中等磁场下，导磁性提高，强磁场下导磁性弱磁极与磁极相连的磁轭：低碳钢板，结构钢或低合金钢凸极同步电机磁极用整块锻钢直流电机磁轭可用铸钢汽轮发电机转子采用高导磁、高机械性能的低碳合金锻件。,SchoolofElectricalEngineering,6,2020年6月13日星期六,永磁磁极：永磁体硅钢片分热轧和冷轧热轧：锻件热轧成薄板几层薄板一起热轧多次，直至达到要求的厚度酸洗，去掉氧化层轻度冷轧提高平整度高温退火（815875度），提高磁性能。缺点：表面粗糙、占空系数低、厚度精度差冷轧：冷轧成形，表面涂绝缘层，保证片间绝缘，且其热膨胀系数比硅钢低，室温下对硅钢施加应力，有利于降低铁心损耗。冷轧钢分为：1、含硅量13，损耗低、导磁性能好2、无硅钢片（含硅0.5以下）价格低、导磁、,SchoolofElectricalEngineering,7,2020年6月13日星期六,导热性能及焊接性能好，国外在中小型电机中应用广泛，但铁耗高。国外已停止生产热轧钢片:节约能源，改善电机性能第二节空气隙磁压降的计算气隙磁场沿圆周方向分布不均匀。,一个极距内气隙磁密径向分量的分布,SchoolofElectricalEngineering,8,2020年6月13日星期六,通常取最大气隙磁密所在磁极中心线的气隙磁压降。k、H、分别为气隙系数（考虑因槽口影响使气隙磁阻增加而引入的系数）。气隙磁压降根据绕组感应电势确定：直流电机,SchoolofElectricalEngineering,9,2020年6月13日星期六,交流电机关键：当、已知时，确定p、lef、k。一、计算极弧系数p的确定每极磁通假如每极磁通集中分布在极弧计算长度p内，且均匀分布，磁密为最大值，且p=bp/。,SchoolofElectricalEngineering,10,2020年6月13日星期六,p取决于B(x)的形状，而B(x)形状取决于磁势分布情况，空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。B(x)为正弦时，1直流电机(1)有补偿绕组的大中型直流电机和某些小型直流电机：均匀气隙，(2)不均匀气隙（无补偿绕组，削弱电枢反应）a.极靴中部2/3部分极弧表面气隙均匀（为），两侧线性增加到2。,SchoolofElectricalEngineering,11,2020年6月13日星期六,b偏心圆形极靴气隙由连续增加到max，转子表面的圆弧的圆心与极弧表面的圆心不同心。，但e=0.75+0.25max,SchoolofElectricalEngineering,12,2020年6月13日星期六,2感应电机不饱和时，p0.637磁路饱和气隙磁场不正弦，扁平，p0.637，p与定子齿、转子齿的饱和程度有关。饱和系数图3-5给出了p、KNM与ks的关系曲线。可由ksp，计算时，先假定ks磁路计算计算ks，若误差大（超过1），重新计算。KNM在计算每极磁通时用。,SchoolofElectricalEngineering,13,2020年6月13日星期六,3凸极同步电机励磁绕组为集中绕组，磁动势空间分布矩形。忽略饱和，F也为矩形。一般尽量使气隙正弦分布，即,SchoolofElectricalEngineering,14,2020年6月13日星期六,很难实现，一般做成偏心气隙弧长，一般为(0.550.75)。利用气隙磁场3次谐波励磁的同步发电机，可采用均匀气隙，增大3次谐波,SchoolofElectricalEngineering,15,2020年6月13日星期六,凸极同步电机一般较大，气隙磁密波形与钢的饱和程度关系不大，极弧近似按max设计的电机，其曲线见图3-7、3-8。,SchoolofElectricalEngineering,16,2020年6月13日星期六,二、电枢或气隙的轴向计算长度计算气隙磁密最大值，用电枢或气隙轴向计算长度lef，不是铁心总长度lt，lef比lt大，取lef=lt+2若忽略边缘效应，则lef=lt（直流电机计算常用）。,SchoolofElectricalEngineering,17,2020年6月13日星期六,利用k来求因存在通风道而损失的电枢轴向计算长度若定转子都有，且相互对齐，磁场分布可以等同于气隙为/2时上述情况,SchoolofElectricalEngineering,18,2020年6月13日星期六,三、气隙系数1转子铁心表面有齿槽，定子内圆光滑。槽口存在磁阻增加，槽口处磁通减少气隙磁通减少为维持磁通恒定，齿顶处最大磁密由无槽时B增大到Bmax定义k=Bmax/B等效认为有槽电机用一无槽电机代替，但k，气隙磁密最大值仍为B。t为齿距,b0为槽口宽,SchoolofElectricalEngineering,19,2020年6月13日星期六,2定转子双边开槽（如感应电机）定子光滑，转子开槽k1定子开槽，转子光滑k2k=k1k2或k=k1k213极轭间残隙磁压降的计算残隙j，工艺原因和离心力使磁极和磁轭之间存在气隙，工厂经验(小型电机),SchoolofElectricalEngineering,20,2020年6月13日星期六,第三节齿部磁压降的计算齿部磁压降：Ft=HtLt其中：Lt齿磁路计算长度，Ht对应于齿磁密Bt关键在于计算Lt和Bt一齿磁密Bt的计算1Bt1.8T（对于热轧硅钢片）齿部饱和，磁通大部分从齿中流过，小部分经槽部进入轭部，实际磁密比计算出的小。在Dx圆截面处，有Asx是该处槽的截面积，Atx是该处齿的截面积Ks：梨形槽，矩形槽，,SchoolofElectricalEngineering,25,2020年6月13日星期六,有,SchoolofElectricalEngineering,26,2020年6月13日星期六,二齿的磁路计算长度直流电机梨形槽：感应电机定子梨形槽：半开口槽：开口槽：,SchoolofElectricalEngineering,27,2020年6月13日星期六,第四节轭部磁压降计算轭（齿联轭，极连轭）计算方法不同。两极电机：轭部磁路长，磁压降大；多极电机：轭部磁路短，磁压降小一极联轭：直流电机定子轭，凸极同步电机转子轭。,SchoolofElectricalEngineering,28,2020年6月13日星期六,二齿联轭：感应电机定、转子轭，同步电机和直流电机的电枢轭1交流电机的齿联轭磁压降,SchoolofElectricalEngineering,29,2020年6月13日星期六,在一个极轭范围内分散进入齿部轭部，流经轭部各截面的磁通不同，简化，理想路径l的积分不计，假设各截面上均布。,SchoolofElectricalEngineering,30,2020年6月13日星期六,若转子梨形转子铁心直接套轴的两极感应电机，电流频率低，部分磁通进入转轴，（3）Cj与极数、Bj和轭尺寸有关,SchoolofElectricalEngineering,31,2020年6月13日星期六,SchoolofElectricalEngineering,32,2020年6月13日星期六,2直流电机不是每处轭截面中穿过的磁通都是/2，相邻两主极之间：/2，极弧下/2，（1）二极小型直流电机为使轭高不致过大，取较高磁密，分两段计算,SchoolofElectricalEngineering,33,2020年6月13日星期六,极间范围极弧范围,SchoolofElectricalEngineering,34,2020年6月13日星期六,(2)4极及4极电机以上轭磁压降所占比例不大，可粗略计算,SchoolofElectricalEngineering,35,2020年6月13日星期六,第五节磁极漏磁系数与磁极磁压降的计算一磁极漏磁系数1漏磁系数极身磁通m=空气隙的主磁通+不穿过空气隙的在极间空间闭合的漏磁通忽略磁极不同截面通过的漏磁通的差别，有称为磁极漏磁系数2对电机性能的影响,SchoolofElectricalEngineering,36,2020年6月13日星期六,3选取直流机：1.21.25凸极同步电机：1.35二凸极同步电机磁极漏磁系数计算先算出极身漏磁导,为产生漏磁通的每极磁势,SchoolofElectricalEngineering,37,2020年6月13日星期六,三直流电机的漏磁系数也可采用凸极同步电机的方法计算，但极数少，有四磁极磁压降计算小型凸极同步电机直流电机，不用压板Kfem磁极钢板叠压系数，对11.5毫米厚钢板，为0.950.96,或：1.11.15(2极)1.151.1(4极)1.151.25(4极以上),SchoolofElectricalEngineering,38,2020年6月13日星期六,极靴无槽时，磁压降很小，不计，则第六节励磁电流和空载特性计算各类电机励磁电流或空载特性计算步骤都为：（1）根据感应电动势确定每极磁通（2）计算磁路各部分磁压降（3）各部分磁路磁压降相加便是每极所需磁势,SchoolofElectricalEngineering,39,2020年6月13日星期六,（4）计算所需励磁电流或空载特性一感应电势和气隙磁通（1）直流电机和同步电机运行过程中励磁电流需调节，感应电势变化大，取一系列感应电势值E0=0.31.3UN(0.3、0.6、0.8、0.9、1.05、1.1、1.15、1.3)的磁路总磁位降和励磁电流（2）感应电机空载到负载，感应电势变化不大，不必求出整条工作特性曲线，只需求出额定负载和空载状态时的励,SchoolofElectricalEngineering,40,2020年6月13日星期六,磁电流。额定负载：磁路计算时，额定电流和电机参数未知，根据经验估计：E1KEUN=(0.850.95)UN中小型感应电动机KE=0.850.95,功率大极数少去较大值。进行电机性能分析时，初步估算一KE得到E1，然后进行磁路计算、参数计算，进而求出KE，若与初步估算值相差较大（一般为0.5%），则重新假设计算。空载：计算E10时，可忽略I0R1,SchoolofElectricalEngineering,41,2020年6月13日星期六,E10UN-I0X1UN-Im0X1UN-ImX1XI0空载电流，Im0空载电流中的磁化电流分量Im额定电流中的磁化电流分量根据E=4KNmfNKdp，确定磁通二每极励磁磁势直流电机：感应电机：凸极同步电机：,SchoolofElectricalEngineering,42,2020年6月13日星期六,三励磁电流直流电机和凸极同步电机为集中绕组，空载励磁电流为：多相交流分布绕组四空载特性取不同E0磁路计算总磁压降励磁电流If，则得到空载特性E0=f(If),SchoolofElectricalEngineering,43,2020年6月13日星期六,磁路计算实例,已知：p=2，31槽，电枢外径：Da=24.5cm，内径：Di=7cm，铁心轴向长度：La=12.5cm，极弧系数0.64，漏磁系数：1.15，矩形槽，槽宽0.94cm，齿高ht=2.6cm，极高：hm=9.8cm，极身宽度8.2cm，极身长度12.5cm，机壳厚度hy=2.55cm，机壳长度Ly=29cm，气隙长度0.2cm，叠压系数kFe=0.