75kw-4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计

密级NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目75KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计学院信息工程学院系电气工程及其自动化系专业班级电机电器062班学生姓名闫永佳学号6101106076指导教师黄劭刚职称教授起讫日期2010324201068本科生毕业设计任务书（工科及部分理科专业适用）题目75KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计题目来源省部级以上市厅级横向自选题目性质理论研究应用与理论研究实际应用研究学院信息工程学院系电气工程及其自动化专业班级电机电器062班学生姓名闫永佳学号6101106076起讫日期2010324201068指导教师黄劭刚职称教授指导教师所在单位学院审核（签名）审核日期二0一0年制说明1毕业设计任务书由指导教师填写，并经专业学科组审定，下达到学生。2进度表由学生填写，至少每两周交指导教师签署审查意见，并作为毕业设计工作检查的主要依据。进度表中的周次是指实际的毕业设计进程中的周次。3学生根据指导教师下达的任务书独立完成开题报告，于3周内提交给指导教师批阅。4本任务书在毕业设计完成后，与论文一起交指导教师，作为论文评阅和毕业设计答辩的主要档案资料，是学士学位论文成册的主要内容之一。一、毕业设计的主要内容和基本要求（一）主要内容1、分析同步电动机的工作特性2、阐述同步电动机的设计理论3、进行75KW4极同步电动机设计，给出三套电磁设计方案，设计与之相配的变频调速系统。4、三套电磁方案的比较分析5、设计电机的定子冲片、转子冲片、定转子绕组，并给出设计图纸（二）基本要求1、技术要求额定功率75KW额定电压400VNPNU相数三相Y接法额定功率因数095（滞后）额定转速1500R/MIN额定频率50HZNNNF效率915定子槽满率80852、原始数据定子外径DY43CM定子内径D30CM定子槽数N48气隙长度012CM3、参考数据定子绕组电密89A/MM2气隙磁密073088T（4极）4、设计要求根据原始数据和参考数据设计一台符合技术要求的同步电动机，并给出三个方案，设计与之相配的变频调速系统。分析电机的材料利用率与效率的关系，掌握设计节能电机和节约材料电机的方法。二、毕业设计图纸内容及张数1、定子冲片图1张2、转子冲片图1张3、绕组联接图1张三、毕业设计应完成的软硬件的名称、内容及主要技术指标（例如软件、电路板、机电装置、新材料、新制剂、结构模型或其他）四、毕业设计进度计划序号各阶段工作内容起讫日期实施地点1开题报告32444实验室2同步电动机电磁设计47516实验室3AUTOCAD制图及外文翻译519523实验室4撰写毕业论文52666实验室5毕业答辩69613教室五、主要参考资料1电机设计陈世坤编机械工业出版社2电机学李发海等合编科学出版社3电机学辜承林陈桥夫熊永前华中科技大学出版社4AUTOCAD2004入门与提高张跃峰等编清华大学出版社5最新国内外电机设计制造新工艺新技术与检修及质量检测技术标准应用手册上徐刚银声音像出版社6变频器方案张培星北京北洋电子技术有限公司7相变频调速同步电动机设计彭兵沈阳工业大学六、毕业设计进度表（本表至少每两周由学生填写一次，交指导教师签署审查意见）第一、二周（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日第三、四周（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日第五、六周（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日第七、八周（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日第九、十周（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日第十一周至毕业设计工作结束（月日至月日）学生主要工作指导教师审查意见签名年月日七、其他（学生提交）1开题报告1份2外文资料译文1份（2000字以上，并附资料原文）3论文1份（8000字以上）指导教师学科组负责人学生开始执行任务书日期学生姓名送交毕业设计日期本科生毕业设计（论文）开题报告题目75KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计学院信息工程学院系电气工程及其自动化系专业电机电器及其控制班级电机电器06级2班学号6101106076姓名闫永佳指导教师黄劭刚填表日期2010年3月20日一、选题的依据及意义在自然界各种能源中，电能具有大规模集中生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但成为人类生产和活动的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起到了重要的推动作用。与此相呼应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变化的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重要的地位。电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各种领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。电动机的用电量一般均占到各国工业用量的70左右，为其全部用电量的50左右，因此，电动机系统能效水平的提高将可节约大量的电能。美国1994年统计，仅在工业加工过程中电动机系统就消耗了6790亿KWH的电能。据统计，如采用目前已成熟的节能技术和产品，可节约1118的电能，也即每年可节约7501220KWH，同时每年相应可节约电费3658亿美元，并且由于电能的节约可大大减缓或减少对电站或发电设备的投资与建设。另外，目前的电力生产，大多数国家仍以火力发电为主，其生产过程中排出的CO2等气体构成地球温室气体的主要部分，对气候环境带来很大影响，英国测算其1995年电动机系统总用电量为1300亿KWH，为产生这些电能排放到空中的碳为2400万T，相当于英国该年所以能源生产所排放碳总量的17。根据1997年京都协定书，各国均要需减少温室气体的排放，欧盟在20082012年要比1990年排放水平降低8，其中英国需减少125。电动机系统能效水平的提高所带来的电能节约，可大大减少温室气体的排放。由于工业部门的用电量往往占据各国总发电量的相当大部分，所以不少国家政府对电机系统在工业部门中的用电情况颇为重视。美国能源部从1993年开始在工业部门中启动了“电动机挑战计划”。预计通过该计划，可使整个工业部门电动机系统的效率提高148，每年可节约电能850亿KWH，并相应地每年可减少2000万T的碳排放到大气中，由此可见，提高电动机的功率对工业部门具有重要意义。同步电动机的研究为满足这一要求提供了一条良好的发展方向。用同步电动机来拖动某些大功率并且本身没有调节速度要求的生产机械，比如空气压缩机、大型鼓风机、电动发电机组等，更为合适。这是因为，大功率同步电动机与同容量的异步电动机相比较，同步电动机的功率因数高。在运行时，它不仅不使电网的功率因数降低，相反地，却能够改善电网的功率因数，这点是异步电动机做不到的，其次，对大功率低转速的电动机，同步电动机的体积比异步电动机要小些。随着半导体整流技术的发展，同步电动机可以不用直流励磁机励磁，而是用交流电流可控硅整流后励磁。有些同步电动机还采用旋转半导体整流励磁。这样就把转子上的集电环与电刷装置去掉了，对有些要求防爆的用户来说，是很安全的。要想让同步电动机应用更加广泛，就要利用到变频调速技术。变频调速技术是近年来电气传动方面的一个研究热点。其以优的调速和动静态性能、高效率、高功率因数、节能效果、广泛的应用普及范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途和发展最为迅速的技术之一。变频调速技术的发展与电力电子器件制造技术、变流技术、控制技术、微型计算机和大规模集成电路的高速发展是密切相关的。它将电子、自动控制、微电子、电机学等技术有机地结合在一起。现今，变频调速已广泛应用于冶金、机械、纺织、化工等工业。二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）中国于1998年颁发了“节约能源法”，并从20世纪90年代后期开始，对若干重要用能产品规定了最低能效限值，鼓励节能产品的生产和应用，实施了节能产品的认证制度。电动机作为重要的用能产品也于本世纪列入了上述的节能认证计划。2002年1月正式颁发了“中小型的三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB186132002）”标准。改标准规定了两套电动机效率指标，一者为目前所产生的电动机的平均效率水平，后者比前者提高23个百分点，为节能电动机的效率水平。该标准的目的是通过最低效率限值的实施，淘汰目前冲击市场正常秩序的劣质耗能产品，逐步实现市场从一般效率电动机向最效率电动机的过渡，由于中国目前的电动机基本技术要求符合IEC标准，因此中国的电动能效标准以欧盟EUCEMEP的EFF2指标作为最低效率限值，以欧盟EUCEMEP的EFF1指标最为节能评价值。目前中国中小型电动机约有300多个系列，近1500个品种，随着中国经济的持续发展，近年来交流电动机的产量增长较快，尤其是2003年产量达到8920万KW，比2002年增长了262。目前国内生产的主要是Y系列三相异步电动机，年产量占电动机总产量的3/4。该系列产品时20世纪80年代初期开发的国内第一个符合IEC标准的系列产品，其功率范围为055250KW，机座号范围为80315在Y系列电动机的基础上，还开发了绕线转子型电动机，变极多速电动机、电动制动电动机等18个低生系列产品。90年代，为了进一步提高中国低压三相相步电动机在国际市场上的竞争能力，更好地满足国内外用户的需要，又组织开发完成了Y2系列三相异步电动机。该系列产品功能范围为012315KW，机座号范围为63355，形成了一个完整的低压三相异步电动机系列。本世纪初，为响应国家保护环境，淘汰热轧硅钢片，推广采用冷轧硅钢片的相关政策。根据冷轧硅钢片的特点，完成了采用冷轧硅钢片的Y3新系列三相相步电动机的开发，该系列产品的能效指标符合2002年1月颁发的“中小型三相异步电动机能效限定值和节能评价值（GB186132002）”标准中的能效限定值。应该指出的是，这三个系列产品均为一般效率电动机。对于高效率电动机，目前国内生产的产品主要用于出口。随着中国经济的不断发展，能源供应日趋紧张，因此目前中国正在对上述电动机能效指标进行修订，拟在若干年后将能效限定值的指标提高到高效率电机的指标，以使能较多地节约电能。目前变频调速的主要方案有交交变频调速、交直交变频调速、同步电动机自控式变频调速、正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速、矢量控制变频调速和直接转矩控制等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。控制方法、控制策略的应用由于电力电子电路良好的控制特性及现代微电子技术的不断进步，使几乎所有新的控制理论，控制方法都得以在交流调速装置上应用和尝试。从最简单的转速开环恒压频比控制发展到基于动态模型按转子磁链定向的矢量控制和基于动态模型保持定子磁链恒定的直接转矩控制。近年来电力电子装置的控制技术研究十分活跃，各种现代控制理论（如自适应控制和滑模变结构控制）、智能控制（如专家系统、模糊控制、神经网络、遗传算法等）和无速度传感的高动态性能控制都是研究的热点。三、本课题研究内容本课题主要是研究设计75KW变频调速同步电动机及其控制系统。首先是变频器的设计，包括硬件电路的设计系统硬件框图设计硬件原理图设计程序结构设计主程序设计中断服务程序设计然后根据给定的功率，功率因数，相数，频率及额定相电压确定同步电动机的主要规格，即容量，额定相电压，额定相电流，同步转速。其次，进行电枢绕组的选择1根据线负荷的范围,确定绕组的每相串联导体数,即NMIDAZ2根据公式确定每槽导体数NDS,即NAZMND3根据槽满率，确定电枢绕组的线规，即，NDA2。再次，确定电机铁心的长度。1先确定硅钢片磁密，使硅钢片充分的利用。2根据第二步确定的绕组可以确定每极磁通P。3根据每极磁通及气隙磁密,可确定铁心的长度最后,根据前两步确定的数据,进行电机参数的计算本课题的主要计算过程如下1主要规格的确定2主要尺寸的确定3电枢铁心及电枢绕组的确定5磁路计算6励磁绕组计算7温升计算最后是电动机控制系统的设计，包括1、主回路控制系统的设计2、励磁回路控制系统的设计四、本课题研究方案本课题的研究方案主要有三个，方案一，是根据计算程序，首先选择电枢绕组的规格和每槽导体数,然后算出定子铁心长度,最后计算出符合国家有关标准和技术要求的电机参数；方案二在方案一的基础上,通过减小每槽导体数,在保持磁密不变的情况下,相应的增加电机铁心的长度,从而达到减小铜耗,最终达到提高效率的目的方案三在方案一的基础上，通过增加每槽导体数，减小电机的铁心长度，从而达到在满足技术要求的基础上，节省材料，主要是节省硅钢片的用量的目的。方案二与方案一主要是通过增加材料耗用来提高效率的目的，方案三与方案一主要是通过牺牲效率来达到节省材料的目的。采用的方法主要是手算和计算机程序算相结合的方法。五、研究目标、主要特色及工作进度1研究目标根据用户提出的产品规格，技术要求，设计出满足用户要求的性能好，体积小，结构简单，运行可靠的电动机。尽量减少材料的使用，主要是铁和铜的耗用量，使之更加经济。主要研究通过增加材料的耗用来达到提高效率和以牺牲效率来达到节省材料的目的。2主要特色进行发电机的电磁设计时，既釆用手算的方法，又釆用计算机编程的方法进行计算。本课题研究了三个方案，方案一为折中方案，在满足技术要求的基础上设计的方案。方案二，为效率最高方案，在满足技术要求的基础上使电机的效率的达到最高。方案三，为材料最省方案，在满足技术要求的基础上使电机的所用材料最省。方案齐全便于用户选用，且对三个方案进行了详细的研究，并做出了分析比较。本课题的另一重要特色，是指在定子冲片和转子冲片尺寸给定的情况下，设计出用户所要求功率的电动机，这有利于产品的标准化生产。同时还可以避免由于不同功率的电机使用不同的定子冲片和转子冲片尺寸所造成重新设计模具的浪费，可以提高所生产的电机的经济性。3工作进度起讫日期工作内容备注第一周第三周论文的开题报告第四周第五周毕业实习第六周第九周复算电机的各种参数第十周第十二周上机设计三个优化方案第十二周第十三周用AUTOCAD制图第十四周第十五周写毕业论文第十五周第十六周论文答辩六、参考文献1电机设计陈世坤编机械工业出版社2电机学李发海等合编科学出版社3电机学辜承林陈桥夫熊永前华中科技大学出版社4AUTOCAD2004入门与提高张跃峰等编清华大学出版社5最新国内外电机设计制造新工艺新技术与检修及质量检测技术标准应用手册上徐刚银声音像出版社6变频器方案张培星北京北洋电子技术有限公司7相变频调速同步电动机设计彭兵沈阳工业大学南昌大学学士学位论文原创性申明本人郑重申明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。作者签名日期学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名日期导师签名日期NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（20062010年）题目75KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计学院信息工程学院系电气工程及其自动化系专业电气工程及其自动化（电机电器方向）班级电机电器062班学号6101106076学生姓名闫永佳指导教师黄劭刚起讫日期200831320086875KW4极变频调速同步电动机电磁方案及控制系统的设计专业电气工程及其自动化学号6101106076学生姓名闫永佳指导教师黄劭刚摘要同步电机用作电动机具有很多优点，只要电源频率保持恒定，同步电动机的转速就绝对不变。除此以外，同步电动机还有一个突出的优点，就是可以控制励磁来调节它的功率因数，可使功率因数提高到10，甚至超前。但是，由于同步电动机启动费事、重载时有振荡乃至失步的危险，一般工业设备很少采用同步电动机拖动。自从电力电子变压变频技术开发出来并获得广泛应用以后，情况就大不相同了，采用电压频率协调控制，同步电动机便和异步电动机一样成为调速电机家族的一员，原来由于供电电源频率固定不变而阻碍同步电动机广泛应用的问题都已迎刃而解。本文在前人的研究基础上，介绍了三相同步电动机机的设计要点，并对变频调速系统的设计做了尝试。关键词同步电动机；电机设计；变频调速系统75KW4POLESYNCHRONOUSMOTORELECTROMAGNETICFREQUENCYCONTROLSCHEMEANDCONTROLSYSTEMABSTRACTSYNCHRONOUSMOTORUSEDASAMOTORHASMANYADVANTAGES,ASLONGASTHEPOWERSUPPLYTOMAINTAINCONSTANTFREQUENCY,SYNCHRONOUSMOTORSPEEDISABSOLUTELYUNCHANGEDINADDITION,THESYNCHRONOUSMOTORANDAPROMINENTADVANTAGEISTHATWECANCONTROLTHEEXCITATIONTOADJUSTITSPOWERFACTOR,POWERFACTORCANINCREASETO10,OREVENAHEADHOWEVER,BECAUSESYNCHRONOUSMOTORSTARTINGTROUBLE,HEAVYSTEPANDEVENWHENTHERISKOFOSCILLATION,GENERALINDUSTRIALEQUIPMENTRARELYUSEDINSYNCHRONOUSMOTORDRAGSINCETHEFREQUENCYOFPOWERELECTRONICTRANSFORMERTECHNOLOGYDEVELOPEDANDWIDELYAPPLIEDLATER,THESITUATIONISQUITEDIFFERENT,WITHVOLTAGEFREQUENCYCOORDINATIONCONTROL,SYNCHRONOUSMOTORSANDINDUCTIONMOTORSWILLBEVARIABLESPEEDMOTORSASAMEMBEROFTHEFAMILY,THEORIGINALPOWERSUPPLYBECAUSEFIXEDFREQUENCYSYNCHRONOUSMOTORHINDEREDWIDERAPPLICATIONOFTHEPROBLEMSHAVEBEENSOLVEDINTHISPAPER,BASEDONPREVIOUSSTUDIES,INTRODUCEDTHETHREEPHASESYNCHRONOUSMOTORMACHINEDESIGNFEATURES,ANDFREQUENCYCONTROLSYSTEMDESIGNWERETRIEDKEYWORDSYNCHRONOUSMOTOR,MOTORDESIGN,VARIABLESPEEDSYSTEM目录摘要IABSTRACTII第一章同步电机概论111同步电机的基本特点112同步电机的基本类型113同步电机的基本结构214同步电机主要用途415基本技术要求4第二章同步电动机的工作特性721同步电动机的工作原理722凸极同步电动机工作特性及分析823同步电动机的功率平衡关系10第三章电机设计基本方法1131总体设计过程1132电磁设计11第四章电磁设计方案计算1441设计要求1442方案计算14第五章电磁设计结果分析4051复算程序4052方案结果比较与分析4053心得与总结42第六章同步电动机变频调速系统设计4361同步调速系统类型4362变频调速系统的基本控制类型4363同步电动机矢量控制系统44第七章AUTOCAD2004绘图4971AUTOCAD简介4972画定子冲片图4973画转子冲片图5074画绕组图51参考文献54总结55致谢56第一章同步电机概论同步电机和异步电机一样是一种常用的交流电机。同步电机的特点是稳态运行时，转子的转速和电网频率之间有不变的关系NNS60F/P，NS称为同步转速。若电网的频率不变，则稳态时同步电机的转速恒为常数而与负载的大小无关。同步电机分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机。现代发电厂中的交流机以同步发电机为主，而随着变频调速技术的成熟运用，同步电动机也越来越广泛的应用于各种电力拖动领域。11同步电机的基本特点同步电机最突出的特点就是如果电网的频率不变，稳态时的转速恒为常数且与负载的大小无关。同步电机一般把电枢绕组放置在定子上，把磁极放置在转子上，励磁绕组套在磁极上。它的主要运行方式有三种，即同步发电机、同步电动机及同步补偿机。以同步发电机方式运行时，励磁绕组中通入直流电流，电机内产生磁场，由原动机拖动电机的转子旋转，磁场与定子导体之间有了相对运动，在定子绕组中就会感应交流电动势。当同步发电机的转速一定时，它发出的交流电动势也是是固定的，这是因为，交流电动势的频率F决定于极数P和转子的转速N，即FPN/60。以同步电动机方式运行时，在电机的电子绕组上加三相交流电，电机里将产生旋转磁场。转子的励磁绕组通入直流电后，转子相当于磁铁。于是旋转磁场带动磁铁转动，速度为N60F/P。由此可见，当极数一定时，同步电机的频率与转速有严格的关系。变频调速技术的运用使得同步电动机的速度可调，再加上同步电动机的功率因数可调，使得同步电动机成为同步电机的一种重要的运行方式。以同步补偿机方式运行时，实际上是一台接在交流电网上空载运行的同步电动机。这时电机不带任何机械负载，依靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，可以改善电网功率因数或者调节电网电压，满足电网对无功功率的要求。12同步电机的基本类型同步电机的系列、品种、规格很多，可以按用途、结构特点、通风方式、冷却方式、发电机的原动机、电动机的负载等分类。按用途来分，有发电机、电动机、补偿机。按结构特点分，有旋转电枢式和旋转磁极式；在旋转磁极式中，有凸极式的和隐极式的；有立式的和卧式。按通风方式分，有开启式、防护式、封闭式。按发电机的原动机来分，有汽轮发电机、水轮发电机和其他原动机带动的发电机（如柴油机等）。图11汽轮发电机图12水轮发电机按电动机带动的负载分，有均匀负载、交变负载和冲击负载的电动机。同步电机用作发电机时，是应用最广泛的。据统计，现代社会使用的交流电能99由同步发电机产生。同步电机用作电动机时，效率高且功率因数可调；而异步电机运行时必须从电网吸收无功励磁功率，使电网功率因数变坏。因此，驱动球磨机、压缩机等大功率、低转速的机械设备，常采用同步电机。同步电机用作补偿机时，能向电网发出感性无功功率，满足电网对无功功率的要求。13同步电机的基本结构按照结构形式分类，同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。图13旋转电枢式同步电机图14旋转磁极式同步电机实际应用中，需通过滑环将电功率自转子导入或导出。由于同步电机的电枢功率很大，电压很高，所以不容易通过滑环导入或导出。由于励磁绕组的功率与电枢的功率相比，所占比例较小，励磁电压又较低，因此使磁极旋转，通过滑环为励磁绕组供电较容易实现。因此旋转电枢式电机只适用于小容量的同步电机，同步电机的基本结构形式是旋转磁极式。同步电机的基本结构和直流电机以及异步电机相同，都是由定子和转子两部分组成。定子部分由铁心、电枢绕组、机座及端盖等结构部件组成。定子铁心是构成磁路的部件，通常采用硅钢片叠装而成，可减少磁滞和涡流损耗。定子冲片一般分段叠装，每段之间有通风槽片，构成径向通风。大型同步电机因为尺寸太大，硅钢片常做成扇形冲片，然后组装成圆形。电枢绕组为三相对称交流绕组，一般多为双层绕组，嵌装在定子槽内。定子机座是支承部件，作用为安放定子铁心和电枢绕组，并且构成所需的通风路径，因此它要有足够的刚度和强度。大型同步电机的机座大都采用钢板焊接结构。端盖的作用与异步电机基本相同，用于将电机本体的两端封盖起来，且与机座、定子铁心和转子一起构成电机内部完整的通风系统。转子部分由转子铁心、转轴、阻尼绕组、励磁绕组和滑环等组成。分为两种类型，隐极式和凸极式。隐极式转子呈圆柱形，一般无明显磁极。隐极式转子的圆周上开有槽，槽中嵌放有分布式直流励磁绕组。隐极式转子的机械强度很高，所以多用于高速同步电机。在同步电机的运行过程中，转子因为高速旋转而需要承受很大的机械应力，所以隐极式转子大多采用整块强度高和良好导磁性能的铸钢或锻钢加工而成。隐极电机的气隙是均匀的，圆周上各处的磁阻相同。凸极式转子结构简单，磁极形状与直流机较相似，磁极上装有集中式直流励磁绕阻。凸极式转子制造很方便，且容易制成多极，但是机械强度低，大多用于中速或低速的场合，例如水轮发电机。凸极电机的气隙是不均匀的，圆周各处的磁阻各不相同，在转子磁极的几何中线处气隙最大，磁阻也很大。此外，磁极的极靴上装有阻尼绕组。阻尼绕组是由一根根的裸通条，放在极靴的阻尼槽中，然后再两端面用铜环焊接在一起，形成端接回路。阻尼绕组在同步发电机中起到机制转子机械震荡的作用；在同步电动机中起到启动绕组的作用。滑环装在转子轴上，由引线连接到励磁绕组，并且由电刷接到励磁装置。14同步电机主要用途同步电机主要用作同步发电机、同步电动机、同步调相机。在发电机方面，同步电机拥有最广泛的应用，在现代电力系统中，几乎所有的交流电都是由同步电机产生的。在电动机方面，传统的同步电机最大的缺点就是频率一定时转速也固定，这限制了同步电动机在很多场合的应用。现代变频调速技术的迅猛发展使同步电动机迎来了“春天”，速度再也不是同步电动机的瓶颈，并且还可以发挥它的巨大优势。在调相机方面，它可以向电网发出感性无功功率，满足电网对无功功率的要求。15基本技术要求1）工作制、防护型式、安装型式、冷却方式工作制同步电机常用的工作制为连续工作制、短时工作制和短续周期工作制。防护型式同步电机常用的防护型式有封闭式，防护式，气候防护式以及开启式。安装型式同步电动机常用的安装型式有底角安装、用底角附带凸缘安装和用凸缘安装等三种。根据这三种基本安装结构，电动机安装型式有卧式安装，立式安装轴伸向下，立式安装轴伸向上。冷却方式同步电动机常用冷却方式有自冷式、自扇冷式、他扇冷式、管道通风式和外装冷却器等。2）同步电动机铭牌额定数据1额定容量或额定功率同步电机的额定容量是指出线端的额定视NSNP在功率，单位为或者；额定功率是指发电机输出的额定有功功率，或KVAM指电动机轴上输出的额定机械功率，单位为或者；对于补偿机则使用KWM额定视在功率或者无功功率来表示。2额定电压指正常运行时定子三相绕组的线电压，单位为或者NUV。KV3额定电流是指额定运行时，流过同步电机定子绕组的线电流，单NI位为。A4额定功率因数指额定运行时电机的功率因数。COSN5额定频率指额定运行时的频率，我国标准工频规定为。F50HZ6额定转速指同步电机的同步转速。NN7额定效率指额定运行时的电机效率。此外，电机铭牌还常列出额定励磁电压，额定励磁电流,额定温升FNUFNI等参数。3）同步电动机主要技术指标效率电机输出机械功率与输入电功率之比,通常用百分数表示功率因数COS电机输入有效功率与视在功率之比定子槽满率绕组截面积和定子槽截面积比定子绕组电密I定子绕组电流密度气隙磁密B气隙磁通密度，与气隙磁动势成正比噪声发电机在空载稳态运行时A计权声功率DBA振动发电机在空载稳态运行时振动速度有效值第二章同步电动机的工作特性21同步电动机的工作原理（1）磁场定义三相同步电动机运行时有两个旋转磁场定子旋转磁场以及转子旋转磁场。定子旋转磁场又称为电枢磁势，相应的磁场称电枢磁场速度同步速度，60FNP方向从有超前电流的相转向有滞后电流的相。形成原因电气方式形成。对称三相电流流过定子对称三相绕组,将在气隙中产生旋转磁通势。它的旋转速度即为同步速度，为60FNP；旋转方向为从超前电流的相转向滞后电流的相；当某相电流达到最大值瞬间，旋转磁势振幅恰好转到该相绕组轴线处。这旋转磁通势是以电气方式形成的。同步电机作为电动机运行，只要其定子三相绕组流通对称三相电流，就将在气隙中产生旋转磁通势，建立旋转磁场。同步电动机的定子绕组称为电枢绕组，因此，上述磁势又称电枢磁势，相应的磁场称电枢磁场。转子旋转磁场直流励磁的旋转磁场。速度同步速度，160FNP方向与定子相同。形成原因以机械方式形成。同步电动机转子上装有直流励磁产生的磁极，磁极与转子无相对运动。当转子旋转时,以机械方式形成旋转磁通势，在气隙中形成另一种旋转磁场。因为磁场随转子一同旋转，称为直流励磁的旋转磁场。（2）电动势定义两个旋转磁场切割绕组而产生。原因旋转磁场切割绕组。电动势定子绕组感应频率与同步转速相同地电动势。定子旋转磁场与转子旋转磁场共同作用，两者有相角差。转子绕组一般情况下转子和磁场同速，无感应电动势。同步电动机定子磁场与转子磁场均以同步转速旋转，只是空间相位不同。切割静止的定子绕组时，旋转磁场在定子三相绕组中感应出的频率相同、时间相位却不同的感应电动势。绕组的感应电动势时间相位差和旋转磁场间的空间相位差相等。稳态对称运行时，无论定子磁场或转子磁场均以同步转速旋转，同转子绕组没有相对运动，也不会在转子绕组中产生感应电动势。（3）相互作用定义磁极间同性相斥、异性相吸的电磁力。同步电动机的空气隙间存在两种不同方式产生的旋转磁场，所以，当两个磁场的空间位置不同时，根据磁极间同性相斥、异性相吸原理，它们之间会产生相互作用的电磁力。同步电动机定子磁场与转子磁场间没有相对运动。但由于负载的影响，两个磁场间的相对位置却不同。这个相对位置决定了同步电动机的运行方式。转矩性质和运行方式转子磁场顺着旋转方向滞后定子磁场运行拖动转矩电动机运行方式转子磁场顺着旋转方向滞后定子磁场运行时，转子受到与其转向相同的电磁转矩作用。此时，电枢磁场作用在转子上的转矩为拖动转矩，转子拖动外部机械负载旋转，此为电动机运行方式。22凸极同步电动机工作特性及分析（1）凸极同步电动机双反应原理凸极同步电动机的气隙延电枢圆周是不均匀的，直轴上气隙比较小，交轴上气隙比较大。因此直轴磁阻比交轴磁阻小。同样大小的电枢磁动势作用直轴磁路上和作用交轴磁路产生的磁通因此存在很大差别。随着负载电流性质的不同，电枢磁动势作用在不同地空间位置。因而在不计磁饱和时，可以根据双反应理论（一般情况下，如果电枢磁动势既不作用于直轴、也不在交轴而在空间任意位置处，可以把电枢磁动势AF分解成直轴与交轴两个分量ADF、Q，再用对应的直轴磁导与交轴磁导分别计算出直轴与交轴电枢磁通B、，然后把它们的效果叠加起来。这种考虑凸极电机气隙的不均匀性，把电枢反应分成直轴电枢反应与交轴电枢反应分别处理的方法，就称双反应理论。实践证明，在不计磁饱和时，这种方法的效果满足要求。），把电枢磁动势AF分解成直轴与交轴磁动势ADF、Q两个分量，然后根据对应磁导分别计算出其所产生的直轴、交轴电枢磁通,A。B）A）电枢磁动势分解成直轴和交轴磁动势B）直轴和交轴电枢反应图21凸极同步电机的双反应理论（2）电动势以及电压平衡方程电动势主磁通与电枢磁通，也即直轴、交轴电枢磁通切割定子绕组且0在定子绕组内感应处相应地励磁电动势以及电枢反应电动势。得一相0E,ADQE绕组地合成电动势，或称气隙电动势。上述关系可表示如下E电压平衡方程凸极同步电动机定子电枢任一相的电势方程0ADQAUEIRJXFFIF0ADADQQJIE23同步电动机的功率平衡关系功率传递过程电网输入电功率很小部分消耗于定子铜耗1PCUP大部分通过定、转子磁场相互作用，电功率转换成机械功率转子获得的总电磁功率扣除定子铁耗，机械损耗，附加损耗轴上输出EMPFEMAD机械功率2图22同步电动机功率流程图第三章电机设计基本方法31总体设计过程（1）准备阶段准备阶段需要我们准备以下方面首先熟悉国家标准，收集相近电机产品样本和技术资料，并听取生产以及使用单位地意见和要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或者技术建议书。（2）电磁设计电磁设计阶段的任务是根据技术条件或者技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算以及方案比较，确定与设计电机电磁性能有关尺寸和数据，选定有关材料，并核算出其电磁性能。通过反复运算来求得最精确结果。这个阶段要求设计3个方案最省材料方案，最有效率方案以及一般方案（3）结构设计电磁设计结束以后，根据计算结果确定电机机械结构、零部件尺寸、加工要求和材料的规格及及性能要求。通常，首先根据技术条件书或技术任务书或技术建议书中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，然后考虑电磁计算中所选负荷的高低，来选取合适的通风冷却系统；然后安排产品的总体结构，绘制总装配草图。然后分别绘制部件的分装配图和零件图，并对总装配草图进行必要的修改。（4）变频调速系统设计由于同步电动机的转速完全取决于控制电源的频率，与供电电源的频率具有严格的关系，因此通过变频调速系统的设计可以使同步电动机速度可调，应用范围更广泛。32电磁设计（1）同步电动机主要尺寸确定在同步电动机设计之初，首先要进行主要尺寸的选择，这影响到同步电动机很多重要的性能。主要尺寸是指电枢铁心直径D和长度。对于直流电机，EFL电枢直径是指转子外径；对于一般结构的感应电机与同步电机，则指定子内径。电机基本尺寸D和有如下两种方式确定EFL1计算法根据电机的额定功率NP,计算出计算功率P；根据P,N选择合适的电磁负荷A和B,由公式216PNLDKCEFNMP得到EFLD2；其中MNK111，70P，DP取单096；双092根据P,N查表（由系列，极数）得EFL/,P2D；由以上中方程组可解得D，F查表的规定的D，EFL2类比法（几何相似定律）2121NPEF取D1D2得21NLEF（导线截面积S,绕线匝数分别成比例）（2）气隙对电机性能的影响气隙是指定子与转子之间的空隙，在凸极同步电动机中，延电枢圆周方向气隙磁场是不均匀分布的。气隙选取一般尽可能的小，如果气隙过大，则会使气隙处磁压降增大，这会使得励磁磁势增大以及励磁绕组地铜耗量增大。气隙偏大则会导致空载电流增大、功率因数降低。但是气隙不能过小，否则除了影响机械可靠性以外，还会使谐波磁场以及谐波漏抗增大，这会造成谐波转矩以及附加损耗的增加，进而造成较高温升与较大噪声。气隙的大小需要综合考虑才可以，对于功率较小的电机一般气隙要选得较小。（3）槽满率对电机性能的影响槽满率指的是导线有规则的排列所占的面积与槽的有效面积之比，即WSDFAS。在采用圆导线的半闭口槽中，一般用槽满率来表示槽内导线的填充程度。槽满率通常不能取得太高，如果槽满率设计得太高的话，会使嵌线造成困难，容易引起绝缘损伤。槽满率也不能过低，过低的话，会造成槽的浪费，而且不利于槽内导线的散热，所以一般槽满率控制在08085左右。较高的槽满率可以减小槽的面积，从而减小铁心尺寸，有利于节省硅钢片的耗量，也可以节省材料。第四章电磁设计方案计算41设计要求电磁设计方案的计算是根据设计要求，即提供的数据以及技术要求来进行同步电动机的电磁方案的计算。提供的额定数据1额定功率75KW2相数33额定相电压400V4额定频率50HZ5极数46额定功率因数0957机座中心高25CM8定子外径43CM9定子内径30CM10定子槽数48技术要求1额定效率9152槽满率080853电枢绕组电密8009004气隙磁密7500880042方案计算如下表表41凸极式三相同步电动机电磁计算方案一方案二方案三一、额定数据和技术要求1额定功率NP7575752相数M3333额定线电压N1U4004004004额定相电压N13U2309423094230945额定频率F5050506极数P4447额定效率N0915091509158额定功率因数COS0950950095009509额定相电流3N1COSNIMUP12522125221252210额定转速60/2FNP15001500150011额定转矩3NN95410PTN47745477454774512机座中心高（CM）25252513定子槽满率808580114定子绕组电密795A/MM282115气隙073088T085磁密二、定子冲片设计16定子外径1D43434317定子内径I130303018定子槽数N48484819电枢拼片条件（1）每圈扇形片数T666（2）重叠数N1222（3）每片槽数/TN888（4）扇形片高011/2/COSCIHD（8/T）851851851（5）扇形片宽01SINCB（/T）215215215（6）无轴流拼片条件2TP偶数或者带有偶数分子的最简分数66620每极每/QNM444相槽数21极距PI1D23552355235522定子槽形1SOB03203203221S0909093S0H0101014S10150150155S21251251256R05105105123每槽有效面积S12WS12BACH3C57R（）为绝缘层厚度,E级取0027CM,C为槽楔厚,取为02CM,2RHS2B138138138直径位置1ID303030槽节距NZ/I196319631963槽宽SOB032032032（1）齿宽SOZ1164316431643直径位置1S01I2HD305305305槽节距/ZN199519951995槽宽1SB090909（2）齿宽21ZS109510951095直径位置2S0SI3HD333333槽节距3/ZN215921592159槽宽2SB102102102（3）齿宽32ZS11391139113925定子齿距1ZT19631963196325平均齿宽1/3BZ2,BZ3中之大者2（BZ2,BZ3之最ZB小者）11101110111027电枢卡氏系数1S02475ZCBK其中槽节距1I/ZDN107310731073三、转子冲片设计28气隙长度12MI01201201229最M014501450145大气隙30转子外径2I1D29762976297631磁轭外径YMO17171732转子磁轭内径I2D88833磁极宽度MB999磁极尺寸计算（1）B025CM020202（2）IIA11DOSB256925692569（3）0IMHA2YM381138113811（4）P1/3B（）177917791779（5）IBSINMD（）160181601816018（6）Y0SIN1319733197331973（7）MHCOS2M515151（8）102PYMBTGDH330623306233062（9）2P0180ASINOYMP608460846084（10）10YMBTGDH233782337823378（11）22K0180ASINOYP83518351835135磁极压板厚1D04040436磁极压板宽112MB82828237气隙极距比值/00050005000538气隙比值/M12081208120839极抱百分值07250725072540磁极抱角180/OP32625326253262541等（查曲线1及2）用公式计算见附录一064406440644效极弧系数42波形系数（查曲线1及2）或用基波幅值系数BK，用公式计算见附录一D1F11281128112843磁极偏心距MI1I1M2COSDH偏心半径14634I1/2RH024602460246四、电枢绕组和铁心长度计算44绕组并联支路数1A22245估算每槽导体所占面积DKWS085AF11041104110446选择每槽导体数ND1DSA/4809NAJIJ2安厘米注意选偶数ND10111047电枢绕单层匝数NDS101110组节距D12S1S2YYQ4/09/7/MN单单双双匝数双层匝数NDS55548每相串联导体数Q2,3,4或51212PZA80848049线负荷1/NIAMIZD安匝厘米31903233498331903250估算每根导体的截面积D4NS00870079008751每根导线并绕根数N333裸径/绝缘径/D09380952093852电枢线规截面积S00254002540025453电枢绕组电密N1JI/NAJ2/安厘米82165482165482165454每槽导线2NDSAD110611791106所占面积55槽满率SDKAF/0801085080156绕组系数KDPSIN90SISIN90I1212MYYSP092509280925（一般，可不计算）SIN/2180CKOK1CK11157定子斜槽因数OPN（斜槽85008500880058每极磁通881161002243NDPCKDDPCKBDCKUAUFZFFWKAF27666612625935276666159电机铁芯长度LBP2468730750214622037207360电枢铁心长L214622037207361磁极铁心长M051224622137217362磁极铁心MNSLTKS095TM213382030120643净长63铁心有效长L2ML214622037207364铁心纯长095NSK20388193511969365电枢绕组尺寸2284722847228471869318693186931Y以槽I1S01S22YDHN数计1453914539145391445114451144511182311823118232/158R9196919691965579557955794565456545653/259F3551355135512622826228262282145921459214594185CLR1669116691166915BC取15CM2CBLB244622337237366每相电枢绕组长121324ACCCCPMLBLNLN3769055388011737105241在75时欧61752/0OAACRLNS00540055005367电枢绕组每相电阻（欧）2在20时欧207584OOCARR00440046004468电枢绕组铜重千克319CUAGMLNS15337157891509869