kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案与控制系统的设计

1、 学 士 学 位 论 文题 目 30kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制 系统的设计 摘 要本文从同步电动机电磁设计的基本理论和特性入手，简单的介绍了同步电机的基本特点、型号、用途、工作特性，主要结构，技术指标等，这些都是为同步电机电磁设计做准备的。电机设计是个复杂的过程，在电机计算中我花去了大量的时间，在数据参数的选择上做了多次的调整，得到相对比较接近的数据。所以应该全方面的看待问题，在计算中上下连接，在一切都符合技术指标要求的前提下作。在本次设计的三个方案中，在满足效率的前提下,根据不同的设计目标分别设计出一台重量轻和最省材料的同步发电机以及一台节省能源效率最高的同步发电机。第一套

2、方案是选定各项数据按照计算程序来初步设计一台电机，使其符合同步发电机的效率、温升等要求，第二套方案是在方案1的基础上重新选择数据使同步发电机的效率和温升达到最佳，最后一套方案是在方案2的基础上再想办法使同步发电机的使用材料最节省。经过设计发现:一台最省材料的电机往往不是效率最高而效率最高的电机所用的材料却是最多的。因此，在实际的电机设计中必须全面照顾，综合考虑,最后得到一个既省材料效率又高的最优方案。同时对控制回路的设计。通过这三个方案，使我更深入了解了同步电机设计的步骤和方法，同时对CAD软件的应用，制图等的一系列的细节操作更加熟练。关键词：同步电机、设计、CAD、变频调速、控制回路30kw

3、-4 pole synchronous motor electromagnetic frequency control schemeAbstractThis design from the synchronous motor electromagnetic characteristics of the basic theory and start with a simple introduction to the basic characteristics of synchronous motors, model, use, work characteristics, primary stru

4、cture, technical indicators, which are designed for the synchronous motor electromagnetic preparation. 电机设计是个复杂的过程，在电机计算中我花去了大量的时间，在数据参数的选择上做了多次的调整，得到相对比较接近的数据。 Motor design is a complex process, the calculation in the motor I have spent a lot of time, the choice of parameters in the data to do a nu

5、mber of adjustments to be relatively close to the data. 所以应该全方面的看待问题，在计算中上下连接，在一切都符合技术指标要求的前提下作。 So the question should be to look at all aspects, in the calculation down to connect, meet the technical specifications in all things he requested. 在本次设计的三个方案中，在满足效率的前提下 , 根据不同的设计目标分别设计出一台重量轻和最省材料的同步发电机以

6、及一台节省能源效率最高的同步发电机。 In this design the three programs, in meeting the efficiency of the premise, according to different design goals were to design a light weight materials, and most provinces, and a synchronous generator to save energy efficient synchronous generator. 第一套方案是选定各项数据按照计算程序来初步设计一台电机，使其符

7、合同步发电机的效率、温升等要求，第二套方案是在方案1的基础上重新选择数据使同步发电机的效率和温升达到最佳，最后一套方案是在方案2的基础上再想办法使同步发电机的使用材料最节省。 The first set of the data the program is selected in accordance with the preliminary design of a computer program to motors, synchronous generators to meet the efficiency, temperature, etc., in the program a seco

8、nd program is based on the re-select the data to synchronize generator efficiency and optimum temperature, and finally a set of programs is based on the program two synchronous generators think of ways to make the most economical use of materials. 经过设计发现:一台最省材料的电机往往不是效率最高而效率最高的电机所用的材料却是最多的。 After th

9、e design was found: a province of the material the most efficient and the motor is often not the most efficient material used motor is the highest. 因此，在实际的电机设计中必须全面照顾，综合考虑 , 最后得到一个既省材料效率又高的最优方案。 Therefore, the actual motor design must take care of, considering, and finally get a material is both opt

10、imal and efficient program. 同时对控制回路的设计。 At the same time control loop design. 通过这三个方案，使我更深入了解了同步电机设计的步骤和方法，同时对 CAD 软件的应用，制图等的一系列的细节操作更加熟练。 Through these three programs, made me a better understanding of the synchronous motor design steps and methods, while the application of CAD software, graphics a

11、nd other details of operation of a range of more skilled. Keywords: synchronous motor, design, CAD, frequency control, control loop目 录摘要IIAbstractI绪论1第一章 同步电机概论11.1同步电机基本特点11.2同步电机主要类型和用途21.3主要结构部件41.4同步电机型号和额定值5第二章同步电机的工作特性62.1 同步电机的工作原理62.2同步电机的基本电磁关系72.3同步电机对称负载时的电枢反应82.4同步电动机的运行特性9第三章 同步电动机电磁设计基

12、本理论113.1总体设计内容113.2电机设计中对参数影响的因素113.3 基本尺寸的确定143.4电机设计的一般过程143.5 结构设计18第四章 电磁设计方案计算194.1 计算思路194.2 计算步骤20第五章 电磁设计结果及分析405.1数据对比405.1.1 基本数据405.1.2材料用量405.1.3损耗和效率415.1.4电磁负荷415.1.5电机参数425.2结果分析42第六章 AUTO CAD 2006绘图436.1定子冲片图446.2 转子冲片图456.3 绕线图45第七章变频调速及其硬件设计47第八章控制回路设计48第九章 论文总结53参考文献54致 谢55外文资料原文及

13、译文56 30kw-4极变频调速同步电动机的电磁方案及控制系统的设计绪论能量的一种形式。与各种形式的能量相比，电能具有明显的优越性，适宜用于大量生产、集中管理、远距离传输和自动控制。人类对能量利用和控制的能力决定着社会的生产潜能，从而又影响着人类生活方式的进步。将电能从最初的能源形式转化过来的重要桥梁，又是再将大部分电能转换为机械能的装置。电机的历史可追溯到1831年迈克尔·法拉第发明的盘式电机，这事一种真正的直流电机。同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机，转子转速与定子旋转磁场的转速相同。同步电动机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流电动机。其转子转速n与磁极对数p、电源

14、频率f之间满足n=f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。 第一章 同步电机概论1.1同步电机基本特点同步电机和感应电机一样是一种常用的交流电机。其特点是：稳态运行时，转子的转速和电网频率之间又

15、不变得关系n=60f/p，成为同步转速。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。与异步电机相比,同步电动机有其独特的优点：1 稳定运行时转速恒定(同步速)，只与电源频率有关，不随负载和电压的变化而变化；2 运行稳定性好，具有较强的过载能力；3 功率因数较高，因为同步电动机可以通过调节其励磁电流提高功率因数，可在功率因数为1的状态下运行；还能改善电网的功率因数，即在领先的功率因数下运行；4 运行效率高，低速运行时尤为明显；对于大容量电动机，同步电动机体积反而比异步电动机小；5 随着电力电子技术与控制技术的进步和发展，同步电动机也能实现变频调速，在大容量电力拖动场合，同

16、步电动机的控制性能优于异步电动机。1.2同步电机主要类型和用途同步电机的分类有多种。如按用途分，有发电机、电动机和调相机。按结构形式分，有旋转电枢式和旋转磁极式两种。前者在小容量同步电机中得到某些应用，后者广泛用于高电压、中大容量的同步电机，并成为同步电机的基本结构形式。 在旋转磁极式中，按磁极形状又可分为隐极同步电机和凸极同步电机两种。隐极同步电机的气隙是均匀的，转子成圆柱形；凸极同步电机的气隙是不均匀的，极弧范围气隙较小，极间部分气隙较大。按打点机的原动机来分，有汽轮发电机、水轮发电机和内燃机拖动的发电机，拖动他们的原动机分别为汽轮机、水轮机和柴油机等。由于汽轮机是告诉的原动机，故火电站中

17、的汽轮发电机转子一般做成二级隐极式。水轮机是低速原动机，所以水轮发电机一般都做成凸极机。由内燃机拖动的同步发电机、同步电动机和同步调相机一般都做成凸极式。还可按通风方式、冷却方式及电动机带动的负载形状来进行分类。 通常,同步电机的主要类型有：汽轮发电机 定子大体上与异步电机相同，定子铁心由0.35mm,0.5mm或其它厚度的电工钢片叠成。定子外径较小时，采用圆形冲片，当定子外径大于1m 时，采用扇形冲片。定子铁心固定在机座上，机座常由钢板焊接而成，它必须有足够的强度和刚度，同时还必须满足通风和散热的需要。汽轮发电机的电压较高，要求定子绕组有足够的绝缘强度，一般采用 B 级或 F 级绝缘。 为了

18、减少高速旋转引起的离心力，一般采用隐极式转子，其外形常做成一个细长的圆柱体。转子铁心表面圆周上铣有许多槽，励磁绕组嵌放在这些槽内。 励磁绕组为同心式绕组，以铜线绕制，并用不导磁的槽楔将绕组紧固在槽内水轮发电机 水轮发电机的特点是：极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。大多数水轮发电机为立式。水轮发电机的直径很大，定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成。为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。转子磁极由厚度为12mm的钢片叠成；磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组。有些发电机磁极的极靴上开有一些槽，槽内放上铜条，并用端环将所有铜条连在一起构成阻尼绕组，其作用是

19、用来拟制短路电流和减弱电机振荡，在电动机中作为起动绕组用。磁极与磁极轭部采用 T 形或鸽尾形连接。中小型同步电机中小型同步电机，是指容量在几十、几百到几千kw的同步电机，它们可以作为发电机、电动机或补偿机运行，从结构上来看，它们之间的差别不大。中小型同步电机多做成卧式的。定子铁心也是由硅钢片叠装成的。当铁心外径小于m时骼整圆冲片，大于1m时，用扇形片。定子槽形根据容量和电压大小的不同而不一样。大容量高电压多用开口槽；小容量低电压多用半闭口槽。中小型电机的转子多做成凸极式的，励磁饶组除了几十k以下的，都采用扁铜线边绕而成。在容量较大的电机里，磁轭仍用钢板冲成的扇形片叠成；在小容量或高速电机里多用

20、铸钢铸成。只有几kw的同步电机，有时把磁极放在定子上，电枢绕组放在转子上，用三个集电环把三相交流电从转子引出来。它的优点是可以提高硅钢片的有效利用率，并把定子磁轭和机座合二为一，以节省钢材。中小型同步电机的转子有两种支承方法：一种是座式轴承；一种是端盖轴承。轴承也有两种：滑动轴承与滚动轴承。同步电机的主要用途有:同步电机主要用来作为发电机运行，现代社会中使用的交流电能，几乎全由同步发电机产生。同步电机还可以作为电动机使用，对不要求调速的大功率生产机械，常用同步电动机来驱动。同步电动机可以通过调节砺磁来改善电网的功率因数。此外，同步电机还可以人微言轻同步补偿机使用，它实际上是一台按在交流电网上空

21、转的同步电动机，专门向电网发出戌感性或容性的无功功率，满足电网对无功功率的要求。近十多年来，由于电力电子技术的发展，将变频器和同步电动机联合起来，组成了无换向器的电动机，它没有直流电机的机械换向器，用电子换向来代替，可以得到与直流电机同样的性能，而且可以做到比直流电机容量更大，电压和转速更记，在工业上开辟了新的用途。1.3主要结构部件同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本相同，由机座、定子铁芯、电枢绕组等组成。      于大型同步电动机，由于尺寸太大，硅钢片常制成扇形，然后对成圆形。同步电动机的转子  

22、60;   由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成，在电刷和滑环通入直流电励磁，产固定磁极。      根据容量大小和转速高低转子结构分凸极和隐极两种。凸极特点：      气隙不均匀，有明显的磁极，转子铁芯短粗，适用于转速低于1000r/min，极对数p3的电动机。隐极特点：      气隙均匀，无明显的磁极，转子铁芯长细，适用于转速高于1500r/min，极对数p2的电动机。图1直

23、线同步电动机的结构示意图图1同步电动机的定子由机座、定子铁心和电枢绕组等组成。机座是支承部件，其作用是固定定子铁心和电枢绕组，大型同步电动机的机座都采用钢板焊接结构；定子铁心是构成磁路的部件，由刷漆的硅钢片叠装而成，目的是减少磁滞和涡流损耗；定子冲片分段叠装，每段之间有通风槽片，以形成径向通风；大型同步电动机的定子冲片为扇形冲片，扇形冲片外圆上的鸽尾槽嵌装在机座的定位筋上，铁心两端用压板把铁心压紧；电枢绕组为三相对称交流绕组，多为双层叠绕组，嵌装在定子槽内，其端部用绑扎绳和绝缘垫块将线圈伸出铁心的部分绑扎成喇叭形整体，并用端箍固定在机座上，其目的是防止电机起动和冲击大电流产生的巨大的电动力造成

24、线圈的振动和变形。同步电动机的转子结构根据转速高低和容量大小分为凸极式和隐极式两种。一般同步电动机多采用凸极式转子，而高速运行的同步电动机则采用隐极式。 凸极同步电动机转子通常由转轴、磁极、磁轭、阻尼绕组和滑环等组成。转轴是支承转子和输出转矩的部件，一般由锻造的优质结构钢加工而成；磁极是建立转子磁场的部件，它由磁极铁心、励磁绕组和极身绝缘组成，磁极铁心通常由磁极冲片叠成，冲片材质为1、15mm低碳钢板，除叠片磁极外，还可采用实心磁极，其极身和极靴巾锻钢或铸钢制成，实心磁极具有良好的机械强度和起动性能，可省去阻尼绕组；磁极卜套有励磁线圈，各磁极上线圈按一定方式连接起来构成励磁绕组，在励磁绕组中通

25、人直流电流，使磁极依次产生N、S极；磁轭足转子磁路的一部分，它用4-8mm钢板冲片叠成，也有用整体锻钢加上而成，磁轭的另一个作用是固定磁极，其外表面有鸽尾槽，用于固定磁极并使磁极准确定位；阻尼绕组的作用一是对磁链变化起阻尼作用，二是同步电动机以异步方式起动时作起动绕组(鼠笼绕组)用，阻尼绕组安放在极靴表面圆形半开口槽内，阻尼条多为黄铜圆形导条，在槽内与磁极不绝缘，阻尼端环将阻尼条连接在一起，通常采用钎焊方式。隐极同步电动机转子为圆柱体，励磁绕组安装在转子槽内，隐极式同步电动机的空气隙是均匀的。同步电动机滑环的作用是给转子励磁绕组通人直流励磁电流，有一个滑环为正极，另一个为负极，滑环的材质多为锻

26、钢。1.4同步电机型号和额定值1.型号 例如： W6-30KW-4 极数 额定容量30KW2.额定值同步电动机的主要额定数据为：额定容量：指电动机轴上输出的有功功率，单位：kw额定电压：指定子三相绕组上的线电压，单位：V；额定电流：指电动机额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位：A；额定转速： 指电动机额定运行时的同步转速，单位：r/min；额定功率因数：指电动机额定运行时的功率因数；额定频率：指电动机额定运行规定的频率，单位：Hz额定效率：指电动机额定运行时的效率；额定励磁电压：指电动机额定运行时的励磁电压，单位：V额定励磁电流：指电动机额定运行时的励磁电流，单位：A3.额定值之间的关系：第

27、二章 同步电机的工作特性长期以来，人们认为通过调节功率因数，可以改善电机的运行特性。本章在叙述了电机原理、继承了前人成果的基础上，建立了数学模型并作了相应推导。 2.1 同步电机的工作原理磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。 载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。 切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电

28、势。通过引出线，即可提供交流电源。 交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。2.2同步电机的基本电磁关系1同步发电机的空载运行发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行空载运行是同步发电机最简单的运行方式,其气隙磁场由转子磁势 (励磁磁势)单独建立,称励磁磁场. 此时电机定子的三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势 (三相对称)，其大小随的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机的空载特性。一,空载气隙磁场 1主磁通：既与转子交链,又经气隙与定子交链

29、的磁通，为一以同步转速旋转的旋转磁场，磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布，其基波分量的每极磁通用表示，参与电机的机电能量转换。 2漏磁通：除外的所有谐波成分，及励磁磁场中仅与转子励磁绕组交链而不与定子交链的磁通，漏磁通不参与电机的机电能量转换二,空载特性 = f()或 = f() 1空载运行时， 励磁电势随励磁电流变化的关系，称为同步发电机的空载特性。转子同步速为n1。三相基波电势有效值为=4.44fNkN1 0 。 2= f()：改变If，可改变 0及，由此得空载特性曲线。空载特性与电机磁路的磁化曲线具有类似的变化规律：励磁电流较小时，由于磁通较小，电机磁路没有饱和，空载特性呈直线(将其延长后

30、的射线称气隙线)，E0 随着励磁电流的增大，磁路逐渐饱和，磁化曲线开始进入饱和段。为合理利用材料，空载额定电压一般设计在空载特性的弯曲处。 3空载特性可以通过计算或试验得到.试验测定的方法与直流发电机类似，同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，此时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小，电压的高低，其空载特性彼此非常接近。 4空载特性在同步发电机理论中有着重要作用: 空载特性结合短路特性(在后面介绍 )可以求取同步电机的参数； 根据设计好的电机的空载特性,可判断该电机的磁路是否过于饱和或者材料是否充分利用；

31、 发电厂通过测取空载特性来判断三相绕组的对称性以及励磁系统的故障。5饱和系数； 饱和电机中一定时，气隙线上的横坐标为气隙磁动势空载特性上的横坐标为为励磁磁动势。饱和系数k =励磁磁动势/气隙磁动势=ac/ab= /。2.3同步电机对称负载时的电枢反应同步电机带上负载后，定子三相对称绕组中流过三相对称电流，定子绕组会产生一个磁动势，简称电枢磁动势，它改变了电机空载运行时单独由励磁磁动势产生气隙磁通的情况，这时将由励磁磁动势和电枢磁动势合成一个总磁动势来产生气隙磁通，在定子绕组中感应电动势。电枢磁动势对励磁磁动势的影响就叫做电枢反应。 1.空载: 负载：-对的影响，成为电枢反应。2.和性质比较：均

32、是幅值不变的旋转磁动势； 均是阶梯波，基波为正弦波； 转速为n1。结论：和在空间相对静止。3.几个概念内功率因数角：空载电动势E0和电枢电流Ia之间的夹角，与电机本身参数和负载性质有关；外功率因数角：与负载性质有关；功率角（功角）：E0和U之间的夹角；且有=+（电感性负载）直轴（d轴）：主磁极轴线（纵轴）；交轴（q轴）：转子相临磁极轴线间的中心线为交轴（横轴）当为不同值的电枢反应性质：位置夹角记作电枢反应性质影响=0，负载性质电压U=00q轴+900交轴波形畸变不变R负载=900d轴+900直轴去磁削弱下降L负载=-900d轴+900直轴助磁增强增大C负载0<<900d、q轴+90

33、0+交、直去削弱下降RL性负载-900<<00d、q轴+900+交、直助增强增大RC性负载 2.4同步电动机的运行特性表征同步电动机性能的主要是空载特性和负载运行特性。这些特性是用户选用发电机的重要依据。空载特性 发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。此时电机定子的三相绕组只有励磁电流If感生出的空载电动势E0(三相对称)，其大小随If的增大而增加。但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比(图1)。反映空载电动势E0与励磁电流If关系的曲线称为同步发电机的空载特性。电枢反应 当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。其转速正

34、好与转子的转速相等，两者同步旋转。同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。电枢反应磁场还与负载情况有关。当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低;当负载呈电容性时,电枢反应磁场起助磁作用,会使发电机的输出电压升高。负载运行特性 主要指外特性和调整特性。外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系,如图2所示。调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时,励磁电流If与负载电流I之间的关系，如图3所示。图2中还

35、显示出电阻性、电容性和电感性3种负载的情况。由于电枢反应磁场影响的不同，三者的曲线也不一样。在外特性中，从空载到额定负载时电压的变化程度称为电压变化率U，常用百分数表示为同步发电机的电压变化率约为2040%。一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。为此，随着负载电流的增大,必须相应地调整励磁电流。图3所示为 3种不同性质负载下的调整特性。虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。2.6 同步电动机运行特性1.电动机的基本方程式和相量图 方程式：发电机惯例：隐极机： 电动机惯例：隐极机： 凸极机：2.功角特性：凸极机： 隐极机：3

36、.功率平衡：4.三种激磁状态：正常激磁状态：与同相，吸有功P，Q=0；过激运行状态：超前，吸有功P，吸容性Q（发感性Q）； 欠激运行状态：滞后，吸有功P，吸感性Q（发容性Q）；结论：同步电动机最可贵的优点：调If可改变它的无功输出。第三章 同步电动机电磁设计基本理论3.1总体设计内容（1）准备阶段首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本（或样机）和技术资料（包括试验数据），并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或技术建议书。（2）电磁设计 本阶段的任务是根据技术条件或技术任务书（技术建议书）的规定，参照生产实践经验，通过计算和方案比较，

37、来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算其电磁性能。（3）结构设计 结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。通常，首先根据技术条件或技术任务书（技术建议书）中规定的防护型式、安装方式与冷却方式，再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。3.2电机设计中对参数影响的因素 1、 性能指标 效率，功率因数，最大转矩倍数，起动转矩倍数，起动电流倍数，绕组和铁心的温升，起动过程中的最小

38、转矩。 2、额定数据 : 额定电压: UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定功率:  PN(kW),额定运行时，电动机的输出功率；额定转速: nN(r/min),额定运行时，电动机的转子转速； 额定频率: fN(Hz)，规定的电源频率(50Hz)；额定效率，额定功率因数cos等。 3、槽满率对电机设计的影响：定子槽必须有足够大的截面积，使每槽所有导体能不太困难地嵌进去。在采用圆线的半闭口槽中，用槽满率来表示槽内导线的填充程度。槽满率是导线有规则排列所占的面积与槽的有效面积之比，即 较高的St值不仅可以缩小

39、槽面积（铁心尺寸也可相应缩小），而且有利于内导线的散热；但是却给嵌线带来困难并增加嵌线工时。St太高了在嵌线时极易引起绝缘损伤。所以槽满率不能太高，一般，控制在75-80%左右，机械化嵌线时St控制在75%以下。4、电机气隙对电机设计的影响通常气隙选取得尽可能小，以降低空载电流，因为感应电动机的功率因数主要决定于空载电流。但是气隙不能过小，否则除影响机器可靠性外，还会使谐波磁场及谐波电抗增大，导致启动转矩和最大转矩减小，谐波转矩和附加损耗增加，进而造成较高温升和较大噪声。 气隙的数值基本上决定于定子内经、轴的直径和轴承间的转子长度。因为机座、端盖、铁心等在加工和装配时都有一定偏差；而轴直径和轴

40、承间距离决定了轴的高度；定转子装配在一起后，定子铁心内圆和转子外圆的不同心度决定了气隙的不均匀度，其值对电机运行性能有很大影响。气隙大小要综合上述两个方面，并根据生产经验和所设计电机的特点加以确定。对功率较小的电机，可用这个公式为定子内径，单位m; 铁心长度，单位m。对于大、中型电机，2P=216，可用下列经验公式求式中单位m5、集肤效应对电机参数的影响 集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,这种现象叫集肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时,会聚集于总导体表层,而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效用越显著。在电机槽中如放置由整块导体组

41、成的线棒，当导体中通以交流时，由于导体沿槽高上截面各部分的漏磁通匝链数不相同，因此感应电势也不一样。因此在导体内部形成涡流，使得电流在导体截面上的分布不均匀，导体中的电流密度由槽底向槽口逐渐增加，如下图（a）所示，使导体中的电流趋向表面，这种现象称之为集肤效应。这种效应相当于导体的有效截面减小了，如下图图（c）所示。因之线棒的交流电阻要比直流电阻大。此外，由于这种集肤效应作用，导体的槽漏抗变小。实际计算中，我们以系数(称为费立德系数或电阻增加系数)来计及电阻的增加，以系数来计及电抗的减小。 图（a）槽内导体 图（b）电流密度分布 图（c）计算导体的等效导体导体中形成的涡流将产生附加涡流损耗，导

42、致效率降低、温升升高。因此在大型交流电机定子绕组，通常不用尺寸（特别是沿槽高方向的尺寸）较大的单根导体做成的线棒，而用由很多股细导线组成线棒，使集肤作用只产生在高度比较小的细导线截面范围内，以降低涡流损耗。6、饱和对电机参数的影响我们在电机设计中均假定铁心磁导率等于无穷打，即忽略铁心的磁阻不计。实际上，铁心部分一般总有磁阻，而在正常运行或起动时，如果电机的主磁路漏磁路的某些部分处于某种程度的饱和状态，铁心磁阻更是不可忽略的。如欲精确地计算电机的相应运行性能，则须考虑磁路铁心部分饱和对参数的影响。一般说，饱和程度不同，相应参数值也会有所不同。 如果记及实际上主磁路中铁心部分（如轭部、齿部及磁极等

43、）的饱和情况，则磁阻相对增加，因此运行时感应电机的励磁电抗、同步电机的电枢反应电抗将比我们电机设计的计算值减小。考虑铁心饱和影响后的感应电动机励磁电抗可以下面的公式计算：在感应电机里，为了消弱由齿谐波磁场引起的附加损耗及噪声，一般龙型转子（国外曾在定子方面）常采用斜槽，即把转子槽相对定子槽沿扭斜一个角度。这样，定、转子绕组自建的电磁耦合系数减少了，即是说，由定子电流产生的基波磁场有一部分不与转子导条起耦合作用，反之也是。这相当于减少了定、转子间的互感电抗，而增加了定、转子的漏抗。这种使得定、转子间的互感电抗减小的因数，我们称之为斜槽系数，而由斜槽引起的附加漏抗称为斜槽漏抗。3.3 基本尺寸的确

44、定 首先根据电机的额定功率，利用=和=得出计算功率，然后根据与n(同步转速)，结合所设计电机的特点，利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷A、代入即可由算得，计算时，交流电枢若采用单层整距绕组，可预取=0.90；若为双层短距绕组，刚可预取=0.92。，然后参考推荐的数据选用适当的，即可由已算得的分别算出主要尺寸D和。对于感应动机和同步电机，同时还要确定它们的定子外径。为了充分利用硅钢片，减少冲模等工艺装备的规格与数量，加强通用性和考虑系列电机功率等级递增的需要，我国目前规定了交流电机定子铁心的标准外径，当>99cm时,应采用扇形片，算得后，需要将其调整到标准直径，然后对定子内径和铁心计算长度进

45、行必要的调整。3.4电机设计的一般过程1、熟悉电机的主要参数设计一台电机时，必须确定许多尺寸，但其中起主要与决定作用的是电机的主要尺寸。电机的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；对一般结构的感应电机和同步电机，则是定子外径。电机在进行能量转换时，无论是从机械能变成电能，或是从电能变成机械能，能量都是以电磁能的形式通过定、转子之间的气隙进行传递的，与之对应的功率称为电磁功率。因此电机的主要尺寸应与电磁功率有密切关系，后者可用电机的计算功率表示。我们可以从电机的参数之间的关系可以得到下列重要的结论：（1）电机的主要尺寸由计算功率和转速n之比或计算转矩 所决定。因此

46、在其他条件相同时，计算转矩相近的电机所耗用的有效材料也相近；功率较大、转速较高的电机有可能和功率较小、转速较低的电机体积接近，从而二者可能采用相同的电枢直径及某些其他尺寸，并通用机座、端盖等零部件。（2）电磁负荷A和，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，转速较高的，则功率较大。这表明提高电机的转速可以减小电机的体积和重量。但需指出，这种关系仅在一定的范围内才正确。因转速增高时，机械损耗随之增加，直流电机中，铁耗也将增加，于是电磁负荷只好降低。转速增高还会引起转动零部件所受的机械应力增加，这也会导致这种反比关系的破坏。（3）转速一定时若直径不变而采用不同长度，则可得到不

47、同功率的电机。电机负荷的选择：由于正常电机中系数 、与实际上变化不大，因此在计算功率与转速n一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷A、 。电磁负荷越高，电机的尺寸将越小，重量就越轻，成本就越低。这就是在可能情况下，一般总希望选取较高的A和值的原因。但电磁负荷值的选取与许多因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量，而且对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有重要的影响。2、电机设计的磁路计算当绕组中通过电流，在电机的有效部分、端部及部分结构零件中就激发了磁场。为了简化物理图像及电磁计算，把电机中的磁场分为主磁场及漏磁场。磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化能力或励磁磁动势,并进而计算励磁电

48、流以及电机的空载特性。通过磁路计算还可以校核电机各部分磁通密度选择是否合适。磁路计算所依据的基本原理是全电流定律，磁场强度沿闭合回路的线积分等于该回路所包围的全电流，即。如果积分路径沿着磁场强度矢量方向（即沿着磁力线），则。3、电机参数的计算电阻、电抗是电机的重要参数。电阻的大小不仅影响电机的经济性，并且与电机的运行性能亦有及密切的关系。例如在设计绕组时，如果选取较高的电流密度，则所用的导体截面就较小，用铜量就较少而电阻就较大。电阻越大，电机运行时绕组中的电损耗就较大，绕组中的瞬变电流增长或衰减速度则较快。感应电机转子电阻的大小对其转矩特性性能影响特别突出。绕组电抗的大小亦对所设计的电机的经济

49、性及运行性能有很大的影响。一方面漏抗不能过小，否则同步发电机短路时或感应电动机起动时将产生不能允许的电流，另一方面漏抗又不能过大，否则会引起同步发电机的电压变化率增大，感应电动机的功率因数、最大和起动转矩降低，直流电机的换向条件恶化等。此外，在同步电机里，瞬间电抗也与漏抗的大小密切相关，而瞬变电抗对电机的动态特性有很大的影响。因此正确选定及计算这些参数是极重要的。关于电机参数的计算有：（1）绕组电阻的计算（2）绕组电抗的计算（3）主电抗的计算（4）漏电抗的计算等等4、电机的损耗与效率的计算效率时电机的一个重要性能指标，它的高低取决于运行时电机中所产生的损耗，损耗越大，效率越低。损耗的大小与所选

50、择的电磁负荷有很大的关系。为了降低损耗，就得选取较低的电磁负荷以及电流密度等，但这样会增加电机的尺寸及材料的耗用量。此外，损耗的大小与材料的性能、绕组型式、电机的结构等等有密切的关系。可以指出，进来国外为了节约能源，设计时有降低损耗而多用材料的趋势。电机的损耗一般可分为下列各类：（1）定子和转子铁心的基本铁耗，它主要是主磁场在铁心中发生变化时产生的;（2）空载时铁心的附加损耗，它主要指定子和转子开槽而引起的气隙磁导谐波磁场在对方铁心表面产生的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的脉振损耗。（3）电气损耗，它指工作电流在绕组铜中产生的损耗，也包括电刷在换向器或集电环上的接触损耗

51、。（4）负载的附加损耗，这是由于定子和转子的工作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）机械损耗，它包括通风损耗、轴承摩擦损耗和电刷与换向器或集电环的摩擦损耗。以上（1）（2）（5）项称为空载损耗，因为它们可在空载试验中测得。对于大多数运行时电枢端电压固定或转速变化率不大的电机，这些损耗从空载到额定负载变动很小。其余两项是在负载情况下产生的，所以称为负载损耗。在同步电机里，这些损耗可由短路试验测得，故又称短路损耗。5、电机的温升计算电机运行时要产生损耗，这些损耗都转变成热能，使得电机的各部分温度升高。电机某部件的温度与周围介质温度之差，就叫做该部件的温升。电机不

52、是一个均质物体，其中的发热与散热过程比较复杂，但在研究电机这些过程时，我们往往假定它是一个均质物体，从这里得出一些主要的概念和规律。根据对均质物体发热过程的分析，得知其温升随时间的变化是指数曲线关系如下图所示，起始是物体的温度与周围的温度相同，这是物体产生的损耗全部用来提高物体的温度，因此起始物体的温度升高很快。随着物体温度的增加，它与周围介质的温差增大，散发到周围介质中去的热量也逐渐增加。理论上当时间t=时，物体才达到最终稳定温升，这时物体所产生的全部热量都散发到周围介质中去，物体本身的温度不再增加了。当电机在一定的容量下正常运行时，它的温升也是一定。因此只有规定了电机的温升。才使电机的容量

53、具有确切的意义。温升计算的目的一般是核算电机中几个发热部件在额定运行时温升是否超过允许的极限值。6、电机的结构设计和机械计算结构设计和机械计算是电机设计的一个组成部分，它主要是电磁设计完成后进行的。其目的是解决机械部分的设计问题对它的要求是从结构上来保证电机性能、制造时的经济合理和运行可靠等。此次设计没有进行结构设计，所以在此对它只作简单的介绍。影响电机总体结构的因素很多，例如电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护型式、轴承型式和数目、安装方式等等。 结构设计的基本内容和原则大致内容：（1）确定电机的总体结构型式，包括防护型式、轴承型式和数目

54、、轴伸型式、 安装方式、通风系统等。（2）确定零部件的结构型式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位误差、表面 粗糙度和技术要求等。（3）确定某些零部件（例如转子铁心与轴，机座与端盖）之间的机械连接方法、 配合种类等等。（4）核算零部件的机械性能。 考虑下列原则：（1）应保证电机在规定期限内能安全可靠的运行。（2）所用的结构型式一般应符合有关国家标准的规定，并满足使用部门及环境保护方面所提出的要求。（3）要尽量使零部件符合“标准化、系列化、通用化”的要求，尽可能采用标准件和标准规格的材料，注意零部件的通用。（4）应具有良好的结构工艺性。（5）应考虑电机的装拆和维修方便，并注意运输条件与使用单位的技术条件。（6）应适当注意电机的外形美观。3.5 结构设计结构设计和机械计算是电机设计的一个组成部分，它主要是电磁设计完成后进行的。其目的是解决机械部分的设计问题对它的要求是从结构上来保证电机性能、制造时的经济合理和运行可靠等。此次设计没有进行结构设计，所以在此对它只作简单的介绍。影响电机总体结构的因素很多，例如电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护型式、轴承型式和数目、安装方式等等。结构设计的基本内容和