电机设计--电机的主要参数之间的关系

电机设计电机的主要参数之间的关系一、什么是主要尺寸电机的几何尺寸很多，有铁心尺寸、绕组尺寸、外形尺寸、安装尺寸，其它各种结构部件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸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是通过“气隙主磁通”进行的。因此主要尺寸就必定与气隙有密切关系。实践证明，靠近气隙的电枢直径（D）与铁心有效长度（）是电机的主要尺寸，而气隙可以说是EFL第三个尺寸。从几何角度看，这些尺寸一经确定了，其它尺寸就大体上确定了，而且不少电磁性能也就基本上为它们左右或稍许变动。铁心尺寸绕组尺寸其它尺寸大体确定电机的几何尺寸外形尺寸主要尺寸不少电磁性能变化不大安装尺寸（D、）电机矢量确定EFL结构部件尺寸电枢直径D交流电机（定子内径）1I直流电机（转子外径）2二、本章研究内容1确定主要尺寸依据的基本关系式选择电磁负荷确定主要尺寸；2电磁负荷的选择；3确定主要尺寸的一般方法。21电机的主要参数之间的关系式一、几个物理量即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。出线端输出的电功率发电机轴上输出的功率电动机输出功率额定功率NP额定转速同步速PFN60/2TBADMWIA值气隙中磁通密度的最大磁负荷米流电枢圆周单位长度上电线负荷电磁负荷电磁功率（计算功率）电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），能量都是以电磁能的形式通过定转子间的气隙进行传递的，与之相对应的功率称为电磁功率。电磁功率在电机设计中用计算功率表示（）P二、交流电机中的关系BANPLDEF,与计算功率101033KWIEMPKVMEIMM电枢绕组相数；E电枢绕组相电势；I电枢绕组相电流。其中电势4伏FNKDPMKNM气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；12MNMEK平均值有效值F电流频率；N电枢绕组每相串联匝数；KDP电枢绕组系数；每极磁通（韦）。每极磁通EPEFAVLBLBB气隙磁密最大值（T）；BAV气隙磁密平均值；计算极弧系数；PLEF电枢计算长度；极距（米）；272063米PDBAVP电负荷AD电枢直径（米）；MWI把上面关系代入电机常数ADPNMPEFCBKPNLD32106对一定功率和转速范围内的电机，B、A变动范围不大，、KNM、KDP变化范围更P小，CA一般为常数。三、直流电机计算功率103KWIEPA其中电势NAPN60每极磁通EFPEFAVLBLPD2电负荷AMWI把上面关系代入ABPNLPEF32106比较直流电机中ABKPNLDDPNMPEF321061DPNMK四、的物理意义AC1电机常数ADPNMPEFCBKPNLD32106是电机常数对一定功率范围内电机B、A变动不大，、KNM、KDP变化范围更小；ACPTLDNPLEFEFA260/260是计算转矩T近似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也和它有关。EFLD2的物理意义反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电工钢）的体积，AC并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。2AK是电机常数的倒数，叫作利用系数。ACNLDPLTKEFEFA22601物理意义AK表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用程度。在设计方案比较时，往往是一项很好的比较指标，随着电机制造水平的提高，材料质AK量的改进，将不断增大。A并非是常数，转速一定时，。随着电机功率的增大百减小，利用系数CPLDCEFA2A和转矩应力则随电机功率的增大而增大。AK小结ADPNMPEFCBKPNLD32106确定主要尺寸的基本关系式找到确定A、B、根据之间的曲/NPFKA线EFL2五、计算功率与额定功率的关系在设计电机时，一般都是给定额定功率，因此应找出与的关系PN1异步电机输入功率10COS311KWIMUPN额定功率3N计算功率31KVAIE比较上两式NNPUPCOS满载电势标么值EK1额定负载时感应电势与端电压的比值么值定子绕组阻抗压降的标1111111XIRIIIUIEKQPLLNQPN感应电动机的相量图给定，与给定，与可先假设再得到计算功率。NPNCOS,EKP2同步电动机NPCOS3同步发电机10COSCOS31KWIMUPKNNNE输出功率是电功率4同步调相机3VAIPKVAPKE5并励直流发电机流而引入系数考虑电枢压降和绕组电GNGKWPK6并励直流电动机组电流而引入系数考虑电枢压降和并励绕MNMKP六、从确定主要尺寸关系式所得的结论选定A、B，063072ADPNMPEFCBKPNLD32106PTLDNLCEFEFA2/21电机的主要尺寸决定于计算功率P与转速N之比或计算转矩T；可以看出在其它条件相同时，计算转矩相近的电机所消耗的有效材料相近，功率大、转速高与功率小、转速低的电机其相近，则电机体积是接近。二者可采用相同的电枢直径与某些其它尺寸。2A、B不变时，相同功率的电机，N，尺寸较小；尺寸相同的电机，N，功率较大。说明N，可减小电机的体积V和质量M，只能在一定转速下；当N太高的话，机械损耗，直流电机铁耗，于是只好使A、B。如N太高，机械应力T；3转速一定，若直径不变而采用不同长度可得不同的功率的电机；4、KNM、KDP一般变化不大P电机的主要尺寸在很大程度上和选择的A、B有关，A、B，电机的尺寸就愈小。结论1是常数，电机主要尺寸决定于（T），T相近（），电机体积上ACNPNP,和基本相同，基本相同；EFLD,2一定，一定，ANP一定EFL23、KNM、KDP一定，给定，决定于A、B，选A、B，；PNP,EFDEFLD24一定，N一定，D一定，LEF，P，可得不同容量。AC22电机中的几何相似定律概述1什么是几何相似指电机对应的尺寸具有相同的比值。如A、B两台电机若是几何相似，则它们的对应尺寸成比例，即,分别指槽高和槽宽SSBABABHHLD2几何相似定律在电流密度、磁感应强度、转速、频率保持不变时，对一系列功率递增，几何相似的电机，每单位功率所需有效材料的质量、成本及产生的损耗与功率的1/4次方成GMEFCP反比的定律称几何相似定律。4/14/3PPPEF3证明条件保持不变FNBJ,长度与功率之间的关系LP4103导体裁面积电流密度CCFEFEDPNMSJJSINBEFKEKVAIPI代入，P,CUFEN保持不变4142PLLPSLCUFECU与的关系PCGEF,有效材料重量与体积成正比，也与长度的立方成正比；L有效材料的成本与损耗与成正比。EFPGM4/3/433PPPCCLEFEF单位功率所需有效材料的质量、成本及产生的损耗与功率的关系GEFP4/14/3PGEF即得几何相似定律在保持不变时，对一系列功率递增、几何形状相似的电FNBJ,机，每单位功率所需有效材料的、成本及产生的损耗与功率成反比。GMEFCP41P4用途这定律可用来大体上估计与已制成电机几何相似，但功率不同的电机的质量、成本或损耗不同；也可用来分析通常是几何相似的系列中各规格电机之间的对应关系。5解释几个问题为什么在可能的情况下尽可能采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率（为什么要提高单机容量）随着单机容量增加，其有效材料的重量、成本的增加相对容量的增加要慢。因此有效G材料的利用率提高了，损耗增加相对容量增加也慢，因此效率提高了。人们常说的电机怕效率也就是这个道理。为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要（也就是人们常说的大电机怕温升）电机损耗与长度的立方成正比，而冷却表面却与长度成正比，功率，长度，损耗LL冷却表面，故电机温升。因此就必须设法改变冷却系统或冷却方式，放弃它们的几何形状相似。23电磁负荷的选择根据确定主要尺寸的关系式来看ABKPNLDDPNMPEF32106在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，主要DPNMPK,尺寸就决定于电磁负荷。EFLD2BA从上式看出，越大，越小，质量越轻，成本越低。因此希望一点好。,EFLD2BA,但是选择与许多因素有关，它将影响电机的其它性能，它不但影响有效材料的耗用量，BA,对电机的参数、启动和运行影响较大。究竟如何选择才好下面介绍具体选择方法。,1,2运行启动参数对性能影响大一定时变化不大EFEFDPNMPCMBALDNPK一、电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（一）电负荷A较高沿电枢圆周单位长度上的总电流（安/米）DMNI21优点电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料；,12一定时变化不大NPKABLDPNMPEF（电机有效材料近似表示转子有效部分体积）EFLD2,EFL2B一定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。（一定时）FEEFPLA,2B2缺点绕组用铜（铝）量将增加；用铜量一定时一定时,4,2NUEKFNELDDPMEF增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增大；绕组有效部分（即槽内部分）的铜耗为导体有效部分长度导体材料电阻率每根导体有效部分电阻LRJMILISLIRNMPCEFCCEFCUT222电枢表面的铜（铝）耗为温升一定时当每相串联匝数导体电流密度导体截面积米瓦,/22ACCUTAQAJNJSJDLMNILPQEFLDA2,电机温升AJ热负荷的大小温升不超过一定限度AJ不能超过一定限度A，J有铜量（）CCSJI,改变了电机参数和电机特性。由后面43可知交流绕组的电抗（互感电抗或漏电抗）的标么值,2NXBAXBAKK一定一定比例常数1）异步电机启动转矩，最大转矩，启动电流；2）同步电机电压变化率，短路电流，短路比，稳定度；3）直流电机换向恶化，换向时电抗电势和电枢反应电势影响换向电流的变化。（二）气隙磁密B较高1优点电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。,12一定时变化不大NPKALDDPNMPEF用铁量,2EFLB2缺点使电枢基本铁耗增大；基本铁耗铁心质量比损耗（单位质量铁心中损耗）A电枢铁心质量,2EFLDBB比比PBFPFEFE231,温升铁耗电枢铁心质量且比,P气隙磁位降和磁路饱和程度将增加；FHBFEI励磁电流磁路饱和程度A同步机、直流机由于上面两原因使励磁磁势励磁绕组用铜量励磁损耗效率、励磁绕组温升，使励磁绕组排列困难或导致磁极和电机外形尺寸加大。B异步机励磁电流COS改变了电机参数和电机特性。,MMFEXRHBBXAKX饱和程度影响启动运行特性二、电负荷A和气隙磁密的选择1A、不应选择过高B2A、的比值要适当这比值影响电机的参数和特性；影响铜、铁的分配，即影响电机效率AKX曲线上出现最高效率的位置（可变损耗不变损耗，效率最大）。一般轻载电机A大点，小点，使效率较率。B（轻载I，PCU,可变损耗小，A，可变损耗不变损耗）3A、的选择要考虑冷却的条件B防护式冷却方式条件较好，A、选择一般比同规格封闭式的高，对一般小型异步电机通B常可高出1520。4A、的选择要考虑所用材料和绝缘结构的等级B绝缘结构的耐热等级愈高，电机允许温升愈高，A；导磁材料（包括结构部件材料）性能越好，；B电枢绕组用铝RAL大A、比铜要好5A、的选择要考虑和N的大小BP（圆周速度取决于）VDVND,60,可大点冷却条件有所改善BAVA,小BADP,总的说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难从理论上来确定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机之间在使用材料、结构、技术条件、要求等方面的异同后进行选取。关于A、的具体选用值可参看后序文章。B随材料性能，冷却条件、电机结构不断改进，体积。BA,24电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法ABKPNLDDPNMPEF32106在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，当电DPNMPK,磁负荷选定后，则可确定（主要尺寸比）大小影BA,EFLD2设计粗短设计细长EFL响电机运行性能、经济性、工艺性。一、大小的影响一定，（极距），较大时EFLD2EFLPD2大，电机较细长（较大、较小），线圈的跨距较小；绕组端部变短，端部用铜EFL（铝）量相应减少；在正常范围内可提高绕组铜的利用率。各结构部件尺寸较小，重量轻，因此单位功率的材料消耗较少，成本低。一定单位功率耗材成本EFLD2结构尺寸小重量轻绕组铜的利用率一定，EFL2P一定EFLD2端部铜耗一定机械损耗附加铁耗,JP一定端部较短端部漏抗总漏抗EFL2一定冷却条件变差导致轴向温度分布不均匀度增大FD，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致轴向温度分布不均匀度增大，必须加强冷却措施。如主要依靠机座表面散热的封闭式电机，热量主要通过定子机座向外散热，对散热有利。对无径向通风道开启式或防护式电机，为了充分利用端部散热效果，端部。线圈数目线圈制造工时绝缘材料但铁心长冲片数目冲剪叠压工时，冲模易损坏D机座加工工时下线难度大（跨距小）工时D转轴加粗（为了保证足够的转子刚度）转子转动惯量小，VA大转速较高的电机或要求时间常数较小的电机是有利二、选择时的考虑考虑参数与温升考虑节约用铜（铝）考虑转子机械强度考虑转动惯量三、多种不同电机大致的范围1异步电机极数多时取较大值异步电机大型少数异步电机中小型异步电机53154140（一般113为好）极数多的电机，绕组跨距小，电机端部较短，铁心可以长，大些；极数少的电机，为了保证轭磁密不过高，轭厚，D大，小。2同步电机一般随极数增加而。291,21804356极从用铜观点一般随功率汽轮发电机取小一点额定转速较低的水轮机选较大的大的水轮机额定转速较高及容量特水轮发电机宜大点一般同步电动机有脉动的同步电动机内燃驱动的同发及负载高速大型同步电机中小型同步电机同步电机3直流电机52160大型中小型直流电机四、确定主要尺寸的一般方法这里只介绍电机主要尺寸确定的一般方法。某些电机可根据其本身特点而采用不同的步骤，甚至将主要尺寸的关系式写成其它的形式。1确定主要尺寸的步骤由电机额定功率计算功率；NP利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷；BA,由，N（交流机NN0，直流机NNN）、EFLD2一般可近似认为9206701双层短距单层整距DPPNMKK参考推荐的数据选用适当的；及，分别求得与和；EFLD2EFLEFLD确定交流电机定子外径、直流电机电枢外径。从表21、22按标准选取，对定子内径、进行必要调整。1IEFL2用“类比法”来确定主要尺寸类比法根据所设计电机的具体条件（结构、材料、技术经济指标、工艺等），参照已生产过的同类型相似规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。如异步电机2121NEFIPLD一般1II12112NNEFPSL25系列电机及其设计特点1系列电机就是指技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本上相同，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。2系列电机的优点由此减少材料与工设计时，消耗、降低成本由于它们的生产工艺过程与另部件型式相同，可以充分利用冲模、模具、量具、卡