电机设计第一讲(李发明)

1、电 机 设 计第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系第一讲 电机设计概述和电机主要参数之间的关系1-1 电机设计的任务与过程1-2 电机主要参数之间的关系式1-3 电磁负荷的选择1-4 电机主要尺寸比的选择 及确定主要尺寸的一般方法第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系1.1.电机设计的任务与对设计人员的要求电机设计的任务与对设计人员的要求电机设计任务：电机设计任务：根据用户要求、技术参数，结合国家标准和工艺条件，经过根据用户要求、技术参数，结合国家标准和工艺条件，经过理论计算、工程绘图，设计出性能好、结构简单、质量可靠理论计算、工程绘图，设计出

2、性能好、结构简单、质量可靠的产品。的产品。对设计人员的要求：对设计人员的要求：1 1）了解国家的技术经济政策了解国家的技术经济政策2 2）了解用户提出的要求了解用户提出的要求3 3）了解电机制造的生产状态和工艺条件）了解电机制造的生产状态和工艺条件4 4）掌握专业的技能及相关经验的积累掌握专业的技能及相关经验的积累1-1电机设计的任务与过程第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系2.2.电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求给定的数据给定的数据额定功率额定功率发电机为电枢线端输出的电功率发电机为电枢线端输出的电功率电动机为轴上

3、输出的机械功率电动机为轴上输出的机械功率同步调相机为线端超前电流下输出的无功功率同步调相机为线端超前电流下输出的无功功率额定电压额定电压交流电机指线电压交流电机指线电压直流电机指电枢端电压直流电机指电枢端电压相数及相间连接方式相数及相间连接方式额定频率额定频率额定转速或同步转速额定转速或同步转速额定功率因素额定功率因素第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系给定的数据给定的数据感应电机感应电机额定功率额定功率 额定电压额定电压 相数及相间连接方式相数及相间连接方式 额定频率额定频率 额定转速额定转速同步电机同步电机额定功率额定功率 额定电压额定电压 相数及相间连接方式相数

4、及相间连接方式 额定频率额定频率 同步转速同步转速 额定功率因数额定功率因数直流电机直流电机额定功率额定功率 额定电压额定电压 额定转速额定转速除上述一般额定数据外，有时还给定某些其他数据：除上述一般额定数据外，有时还给定某些其他数据： 对水轮发电机、内燃机驱动的同步发电机或负载对水轮发电机、内燃机驱动的同步发电机或负载具有脉动转矩的同步电动机，常再给定惯性矩的数值。具有脉动转矩的同步电动机，常再给定惯性矩的数值。对水轮发电机，还需给定飞逸转速倍数的数值。对水轮发电机，还需给定飞逸转速倍数的数值。国家标准国家标准： 电机的国家标准是国家有关部门对电机提出电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一

5、定要求的文件，它是电机生产的依据，也是评一定要求的文件，它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。定电机质量优劣的准则。 生产部门应力求使所设计制造的电机全面满生产部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家标准规定的要求。足国家标准规定的要求。技术要求技术要求 对电对电机的技术要求通常在有关的国家标准或机的技术要求通常在有关的国家标准或技术条件中规定。技术条件中规定。有关电机的国家标准有以下几种类型：有关电机的国家标准有以下几种类型： 1.1.国家颁发的标准，代号为国家颁发的标准，代号为GBGB，例如，例如，GB755-87GB755-87电机基本技术电机基本技术要求等；要求等；它规定了适

6、用于各类电机的技术要求、试验项目与试验它规定了适用于各类电机的技术要求、试验项目与试验方法等。方法等。 2. 2.部颁标准，代号为部颁标准，代号为JBJB，例如，例如，JB3074-82YJB3074-82Y系列（系列（IP44IP44）三相）三相异步电动机技术条件等异步电动机技术条件等；它对有关电机的额定数据、使用条件、；它对有关电机的额定数据、使用条件、性能指标、安装尺寸、试验方法、验收规则等作了明确规定。性能指标、安装尺寸、试验方法、验收规则等作了明确规定。 3. 3.各种电机的试验方法各种电机的试验方法，在这类标准中，对电动机型式试验和检，在这类标准中，对电动机型式试验和检查试验的方法

7、、测量仪器选择等，在国家标准的基础上进一步作了查试验的方法、测量仪器选择等，在国家标准的基础上进一步作了具体规定与说明。具体规定与说明。 国家标准通常是根据一定时期的国民经济国家标准通常是根据一定时期的国民经济发展水平来制定的，因而在一定的历史条件下发展水平来制定的，因而在一定的历史条件下是先进的、合理的。它随着科学技术和生产的是先进的、合理的。它随着科学技术和生产的不断发展而逐步提高，于是国家标准也要随之不断发展而逐步提高，于是国家标准也要随之修定，而提出更高的标准要求。修定，而提出更高的标准要求。电机行业的国际标准通常是指：电机行业的国际标准通常是指：标准标准 标准标准我国采用国际标准和国

8、外先进标准的方针：我国采用国际标准和国外先进标准的方针：认真研究、积极采用、区别对待认真研究、积极采用、区别对待 等效采用等效采用：1）对国际标准不作编辑性修改）对国际标准不作编辑性修改 2）对国际标准在技术上只作很少修改）对国际标准在技术上只作很少修改 参照采用参照采用：根据我国自然资源和经济条件，必须作某：根据我国自然资源和经济条件，必须作某些些 -变动，但产品性能和质量指标要与国际标准变动，但产品性能和质量指标要与国际标准-相当，并在通用互换、安全等方面与国际标相当，并在通用互换、安全等方面与国际标-准协调一致。准协调一致。国际标准国际标准第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要

9、参数之间的关系二、电机设计的过程和内容二、电机设计的过程和内容1.1.准备阶段准备阶段2.2.电磁设计电磁设计3.3.结构设计结构设计1.1.准备阶段准备阶段1 1）收集资料，即相关的国家标准、相近的电）收集资料，即相关的国家标准、相近的电机技术资料包括试验数据，并听取生产和使用机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。单位的意见与要求。2 2）编制技术任务书或技术建议书。）编制技术任务书或技术建议书。2.2.电磁设计电磁设计1 1）电磁计算、方案比较）电磁计算、方案比较2 2）确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度）确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能及电磁性能3.3

10、.结构设计结构设计确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格等，包括必要的机械计算及通风和温升计料的规格等，包括必要的机械计算及通风和温升计算。算。绘图过程绘图过程总体结构总体结构 总装配图总装配图 部套装配图部套装配图 零件图零件图1.准备阶段准备阶段2.电磁设计电磁设计3.结构设计结构设计说明：说明：上述过程不是孤立的，而是相互渗透的。上述过程不是孤立的，而是相互渗透的。第二章第二章 电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系1-2电机主要参数之间的关系式 设计一台电机时，必须确定许多几何设计一台电机时，必须确定许多几何尺寸，关键

11、是尺寸，关键是主要尺寸主要尺寸的确定。的确定。主要尺寸主要尺寸：电枢铁心的直径和长度。：电枢铁心的直径和长度。交流电机交流电机：指定子内径和长度。：指定子内径和长度。直流电机直流电机：指转子外径和长度。：指转子外径和长度。目的目的：它决定了电机的外形轮廓重量及材料费用，它决定了电机的外形轮廓重量及材料费用，并与电机的并与电机的技术性能技术性能有非常密切的关系，是电机设有非常密切的关系，是电机设计的第一步。计的第一步。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 几个物理量：几个物理量：目的：找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。目的：找到主要尺寸与额定功率、转速及

12、电磁负荷的关系。pfn60 同步转速:额定转速)(:)m/(:N2:TBADImA值气隙中磁通密度的最大磁负荷流电枢圆周单位长度上电线负荷电磁负荷 电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），都电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），都是以是以电磁能电磁能的形式通过定转子间的气隙进行传递的，与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。之相对应的功率称为电磁功率。电机的主要尺寸与电磁电机的主要尺寸与电磁功率有密切关系，功率有密切关系，电磁功率在电机设计中用计算功率表电磁功率在电机设计中用计算功率表示（示（PP）。电磁功率（计算功率）电磁功率（计算功率）一、交流电机中一、交

13、流电机中 的关系的关系计算功率： P= mEI式中：相电势E = 4KNMfNKdpKNM气隙磁场的波形系数，正弦波时KNM1.11f电流频率f=pn/60N 绕组匝数（每相）Kdp 绕组系数，通常用Kdp1代替（Kdp1Kd1Kp1） 每极磁通。BdS=Bavlef= Bplef 其中 pBav/B -计算极弧系数。正弦时，p2/ D/2p-极距 lef 电枢计算长度（或称有效长度） BAnPlDef,与代入相电势得得又又线负荷（单位长度上安培导体数） 所以所以或或 DmNIA2mNDAI2efpdpNMlpDBKNpnKE260 41efpdpNMlBKADnKmEIP12260ABKKP

14、nlDdpNMpef121 . 6计算功率：计算功率：P= EaIa 式中：电动势式中：电动势E Ea a = C= Ce enn C Ce e - - 电动势常数，电动势常数，C Ce epNpNa a/60a/60a N Na a -总导体数总导体数 a - a -并联支路对数并联支路对数 n - n - 转速转速 - - 每极磁通。每极磁通。B Bp pllefef二、直流电机中二、直流电机中 的关系的关系BAnPlDef,与ABPnlDpef21 . 6线负荷：线负荷： DaINAaa2aaNDAaI2代入代入P= EaIa得得电机常数AefCPnlD2电机常数与利用系数电机常数与利用

15、系数交流电机交流电机ABKKPnlDdpNMpef121 . 6直流电机直流电机ABPnlDpef21 . 6TlDnPlDCefefA260/22又又nPPT260 eflD2近似地表示转子有效部分的体积，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定子有效部分的体积也和它有关AC反映了产生单位计算转矩所耗用的有反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积，并在一定程度上反映效材料的体积，并在一定程度上反映了结构材料耗用量了结构材料耗用量nlDPlDTCKefefAA226021KA是电机常数的倒数，叫利用系数是电机常数的倒数，叫利用系数KA表示单位体积的有效材料所能产生的计算

16、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转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用程度。程度。四、计算功率与额定功率四、计算功率与额定功率1.1.感应电机感应电机计算功率计算功率 2.2.同步电机同步电机发电机： 电动机： 调相机： P= = KEPN3.3.直流电机直流电机发电机： P= =KgPN 电动机： (KVA)cosNNNEPKNNEPKPcosNNNEPKPcosNNmPKP输入功率：输入功率：)(10cos311kWImUPNN额定功率：额定功率：)(10cos31kWImUPPNNNNN31110ImEP三、结论三、结论1. 1. 电机主要尺寸由

17、电机主要尺寸由P/nP/n或或TT决定。决定。 当同步转速当同步转速n n一定时，功率越大，体积越大。一定时，功率越大，体积越大。 P P大、大、n n大同大同PP小、小、n n小的电机小的电机体积体积相近。相近。2 . 2 . 在在 A A 、 B B不 变 时 ，不 变 时 ， P P 相 同 则 转 速 高 、 尺 寸 小 ；相 同 则 转 速 高 、 尺 寸 小 ； 尺寸相同时，转速高则功率大。尺寸相同时，转速高则功率大。3 . 3 . 转 速 一 定 时 ， 采 用 直 径 不 变 、 长 度 不 同 的 方 法转 速 一 定 时 ， 采 用 直 径 不 变 、 长 度 不 同 的

18、方 法 可得到不同功率可得到不同功率的电机的电机。4. A4. A、B B越大尺寸越小。越大尺寸越小。ABKKPnlDdpNMpef121 . 6 电磁负荷电磁负荷的大小决定了电机常数的值，从而决定了电的大小决定了电机常数的值，从而决定了电机的尺寸、重量、成本，并对电机的参数、性能、可靠性机的尺寸、重量、成本，并对电机的参数、性能、可靠性产生一定的影响。产生一定的影响。一、电磁负荷对电机性能和经济性的影响一、电磁负荷对电机性能和经济性的影响 1.1.线负荷线负荷A A较大，气隙磁密较大，气隙磁密B B不变不变 电机的尺寸和体积较小，节省钢材。电机的尺寸和体积较小，节省钢材。 由于电机尺寸减小，

19、所以铁心重量减小，铁耗降低。由于电机尺寸减小，所以铁心重量减小，铁耗降低。 绕组用铜（铝）量增加。绕组用铜（铝）量增加。 电枢单位表面的铜耗增加，其温升增高。电枢单位表面的铜耗增加，其温升增高。 影响电机参数与特性。影响电机参数与特性。 1-3电磁负荷的选择2.2.气隙磁密气隙磁密B B较大，线负荷较大，线负荷A A不变不变 电机的尺寸和体积较小，节省钢材。电机的尺寸和体积较小，节省钢材。 基本铁耗增加。基本铁耗增加。 气隙磁动势增加，磁路的饱和程度增加。气隙磁动势增加，磁路的饱和程度增加。 影响电机参数与特性。影响电机参数与特性。二、电磁负荷选择要点二、电磁负荷选择要点 （1 1）输出功率一

20、定时，提高电磁负荷的值，电机尺寸和体积减小，）输出功率一定时，提高电磁负荷的值，电机尺寸和体积减小，节省有效材料，但需要较好的冷却材料和绝缘材料。节省有效材料，但需要较好的冷却材料和绝缘材料。 （2 2）选取较高的）选取较高的A A，绕组用铜（铝）量将增加，成本增加（铜线是，绕组用铜（铝）量将增加，成本增加（铜线是电机内最贵的材料）；同时绕组电阻将增加，使绕组温升提高。电机内最贵的材料）；同时绕组电阻将增加，使绕组温升提高。 （3 3）选择较高的）选择较高的B B，电机基本铁耗增加。，电机基本铁耗增加。 （4 4）A A与与B B应选择适当的比值。应选择适当的比值。 由于励磁电流标幺值由于励磁

21、电流标幺值 如以异步电机为例，若选取较高的如以异步电机为例，若选取较高的B B或较低的或较低的A A，励磁电流将增大，励磁电流将增大，使电机的功率因素降低。使电机的功率因素降低。ABI*m主要尺寸比主要尺寸比是指电枢有效长度与极距之间的比值。是指电枢有效长度与极距之间的比值。主要尺寸比主要尺寸比l lefef/因为仅靠主要尺寸关系式无法确定因为仅靠主要尺寸关系式无法确定D D、l lefef。值大，电机细长；值大，电机细长；值小，电机短粗。值小，电机短粗。的选择对电机性能、成本、工艺有很大影响。的选择对电机性能、成本、工艺有很大影响。1-4 电机主要尺寸比的选择及确定主 -要尺寸的一般方法一、

22、主要尺寸比的选择一、主要尺寸比的选择假定假定D D2 2l lefef不变，不变，值较大值较大1.1.电机细长，而端部尺寸较小，则端部用铜（铝）少，电机细长，而端部尺寸较小，则端部用铜（铝）少，同时结构部件（端盖、轴承、换向器等）尺寸减小。同时结构部件（端盖、轴承、换向器等）尺寸减小。总之，可节约单位功率的材料用量，成本较低。总之，可节约单位功率的材料用量，成本较低。2.2.电机的总损耗下降，效率提高。电机的总损耗下降，效率提高。3.3.总漏抗减小。总漏抗减小。4.4.冷却条件差，通风系统复杂（风冷）。冷却条件差，通风系统复杂（风冷）。5.5.加工困难。加工困难。6.6.转动惯量、圆周速度小，对高速电机有利。转动惯量、圆周速度小，对高速电机有利。二、选择二、选择值的具体要