现代电机设计及分析方法课件：电机主要尺寸之间的关系

电机主要参数之间的关系

电机主要参数之间的关系§2-1

电机的主要尺寸关系1、何为电机的主要尺寸•电机主要尺寸是指：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；

对于感应电机和同步电机，则是指定子内径。

确定主要尺寸是设计电机的第一步。

主要尺寸确定以后，电机的重量、价格、工作特性等方方面面也随之而

定。2、电机主要尺寸关系式电机的主要尺寸与电磁功率有着密切的关系，后者可以用电机的计算功率来表示。因此，可由计算功率(通过气隙的电磁能)出发得到主要尺寸关系式。交流电机的电磁计算功率：P'

=mEI(VA)交流电机电枢绕组的相电势为：KNm

—气隙磁场的波形系数E

=

4KNm

Kdp

fN

KNm

=

(正弦分布时等于1.11)Kdp

—绕组系数每极磁通：

=B6avTlef

=B6a'pTlef值值均效平有场场磁磁隙隙气气

电机主要参数之间的关系6av

p

6a

—计算极弧系数

B6

—气隙磁密的最大值B6av

—气隙磁密的平均值p'lef

—铁心等效长度T—极距

T=

pD2冗B

=a'

B将E和I的计算公式带入P'

=mEI(VA)整理后可得：B6

—磁负荷

CA

—电机常数KA

—利用系数

电机主要参数之间的关系引入线负荷概念线负荷：单位电枢圆周上的安培导体数A

=Nm

dp

Nm

dp

60

6

p

ef

Nm

dp

60

6

p

2p

ef又

E

=

4K

K

fN

=

4K

K

pn

NB

'

Tl

=

4K

K

pn

NB

'

冗D

l※

D

l

n

=

CA

=

1

22'efp

Nm

dp

6

AP

K

K

AB

K主要尺寸

关系式m2NI冗D冗DAm2N=I

电机主要参数之间的关系在一定功率和转速范围内的电机，A

和B6

的变动范围不大，而,KNm

,Kdp

的变化范围更小，所以把CA

称为电机常数。C

=

D

lef

n

=

D

lef

=

D

lef

=

60

.

D

lef

A

P'

P'

P'

2几

T'n

60 2几'

'

P'

主要尺寸计算公式中“D

lef

”

体现的是电机的体积，即所需消耗的有效材料的体积。则电机常数和利用系数的物理含义为：CA

—大体上反映了产生单位计算转矩所消耗的有效材料的体积，反映了材料的消耗量。K

—表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩。KA

的大小反应了电机材料的利用率，因此，通常称之为利用系数。利用系数的高低取决于两方面：其一是材料的质量；其二是制造工艺水平。222222222222222222222222222p'T

—计算转矩T

=A

电机主要参数之间的关系3、讨论

从主要尺寸关系式得出的结论(在一定范围内成立)重要

D

lef

n

=

6.1

=C1)若P

为常数,则n

增加>体积降低；2)若体积为常数,则n增加>P

增加---n大、P

大的电机可以同n小、P

小的电机放在同一机座号内；3)若n为常数,体积增加>P

增加,若D为常数,则长度增加>P

增加；4)若P

为常数,n为常数,A、B6

增加>体积降低，高能量密度电机。2222222AA2※

结论

P'

KNm

Kdp

AB6p'

电机主要参数之间的关系§2-2

电机中的几何相似定律和系列电机1、电机的几何相似定律及由此引出的结论电密、磁密、转速和极数相同，容量递增、相应几何尺寸成比例

。几何相似电机是指电机对应的尺寸间具有相同的比值Pp

EI

N

.BFe

SFe

J

.Scu

J

.BFe

N

.Scu

SFe

J

.

BFe

.Scu

SFe

l41即，l

Pp4而，重量、成本、损耗l3重量成本损耗1

1则，P

'

P

'

P

'

l

P

可知，随着电机容量的增大，电机有效材料的利用率和电机的效率均将提高因此，单机容量越大越好。受温升约束，单机容量不能任意大。(J、B不变时，损耗只与体积成正比)

电机主要参数之间的关系2、系列电机及其特点定义：技术要求、应用范围、结构形式、冷却方式、生产工艺基本相同，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。便于成批生产和实现生产过程的机械化、自动化，也有利于提高产品质量和产量。系列电机具有以下几方面特点：1)系列电机的额定功率具有一定的范围，按一定比例递增。2)系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中的一种或几种。3)系列电机有一定的转速范围或等级。4)系列电机规定了若干铁心冲片的外径尺寸，且每一外径对应于一个机座号。同一个机座号可有几种不同的铁心长度。每一种铁心长度对应于不同的功率数值。

电机主要参数之间的关系§2-3

电磁负荷的选择D

lef

n

=

6.

1

=

CP

p

KNm

Kdp

AB6根据主要尺寸关系式，由于αp

′、KNm

、Kdp变化不大，因此

当计算功率P′与转速n一定时，电机的主要尺寸取决于电磁负荷A、B6

。显然，A

个,B6

个CA

D2

lef

体积重量成本

所以，人们总希望选取较高的A和B6

，但是，过高的A和B6

也带来负面影响。因此，要掌握电磁负荷选择对电机性能的影响及选择依据。22''

A

电机主要参数之间的关系1、A和Bδ

的选择对电机的影响1)在n

、P’=Const.(出力一定),若Bδ

=Const.(常数)，而A增加，则：①体积降低，节省硅钢片等材料，成本减小②铁耗PFE

↓④N↑>铜重量↑、铜温升↑电抗↑→起动转矩↓，起动电流↓，最大转矩↓(感应电机)D2lef

n

=

6.1

=

CP

p

KNm

Kdp

AB6③体积降低>Φ↓>N↑(匝数)>R

↑>↑cuP''

A与体积

成正比η？2)在n、P’=Const.(出力一定),若A=Const.(常数)，而Bδ

增加，则：①体积降低，节省硅钢片等材料，成本减小②Bδ

↑→PFE

↑↑

③饱和程度增大→气隙磁位降↑→磁化电流↑→cosφ↓④电抗减小→最大转矩↑，起动过电流↑，起动转矩↑(感应电机)D2lef

n

=

6.1

=

CP

p

KNm

Kdp

AB6

电机主要参数之间的关系''

A体积↓→PFE

↓

FEFEP

↑→铁心温升↑，n

↓与体积

成正比

电机主要参数之间的关系2、电磁负荷选择的依据电磁负荷选择时关联的因素很多，很难单纯地从理论上加以确定。要根据具体条件来选择，通常有以下要求及依据。制造成本运行成本2)导电、导磁材料好→A

、B6可增加3)工艺好→A

、B6可增加4)冷却条件好(冷却系统、结构)→A

、B6可增加5)转子圆周速度高→A

、B6可增加6)绝缘材料等级高→A

、B6可增加1)

A和B6

的比例适当

电机主要参数之间的关系3、关系曲线A和B6

的值可以根据经验曲线来选取线负荷与功率之间的关系曲线磁负荷选择的经验值随着电工材料性能的不断提升及制造工艺的不断进步，电机的电磁负荷一直逐步提高，从而使电机的体积、重量不断减小。丰田Prius第三、四代电机对比

电机主要参数之间的关系§2-4

电机主要尺寸的计算1、D2lef

的确定初步选取主要尺寸关系式中相关系数按上节原则初选A、B6转速n已知，则因此当计算功率P′确定时，电机的主要尺寸部分便可确定。D

lef

CA=P'

n22D2

lef

n

=

6.1

=

CP

p

KNm

Kdp

AB6''

A主要尺寸CA

已知对于同步机P

'

=

式中，n、cos0、UN

、PN

由设计书上给定KE为电势系数，选择范围为0.85~0.95，PN大者选大值。

电机主要参数之间的关系§2-4

电机主要尺寸的计算2、P′的确定P'

=mEI(VA)PN

=mUN

I

cosQ(VA)D2

lef

n

=

6.1

=

CP

p

KNm

Kdp

AB6P

=

(感应电机)''''

A主要尺寸

电机主要参数之间的关系§2-4

电机主要尺寸的计算3、主要尺寸比D2lef

可求，如何拆分D和lef？通过前面的计算即可初步确定电机的D2lef

。但是对相同的D2lef

，电机

可以设计得细长，也可以设计得粗短。为了反映电机这种几何形状关系，引入一个尺寸比的系数：电机主要尺寸比

入=

lefT讨论：D2lef不变而λ较大：①电机细而长。绕组的端部变得较短，端部用铜量相应减少，可提高绕组的铜的利用率，成本较低。②效率提高。电机体积未变，因而铁的重量不变，在同一磁密下的基本铁耗不变。但是附加铁耗有所下降；端部减小，铜耗也降低；机械损耗也因直径的变小而减小。因此电机总损耗下降，效率提高。

电机主要参数之间的关系§2-4

电机主要尺寸的计算3、主要尺寸比讨论：D2lef不变而λ较大：③绕组端部较短，因此端部漏抗减小。④电机细长，对于轴向强迫通风的电机，通风散热条件变差，

从而导致轴向温度分布不均匀度加大；有利于径向自然冷却电机的散热。⑤电机细长，铁心冲片数目增多，冲片加工与铁心叠压工时增加；因铁心直径较小，嵌线难度增大，嵌线工时增多。⑥电机细长，转子转动惯量减小，适合要求频繁起动运行的电机。综上所述，

当选择λ值时，

通常要考虑的因数有：

1)

参数与温升；

2)

节约用铜量；

3)

转子机械强度；

4)转动惯量等。

电机主要参数之间的关系λ的取值范围(一)感应电机即异步电机通常λ=0.4~1.5，对大型感应电机则为λ=1~3.5。(二)同步电机对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的λ=0.6~2.5，其上限为多极电机。对于高速或大型同步电机，由于转子材料机械强度的限制，λ值选得较高，达3~4。(三)直流电机通常，中小型直流电机的λ=0.6~1.2，大型直流电机的λ=1.25~2.5实际设计时，λ值的选择往往需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的判断。

电机主要参数之间的关系4、D和lef

的确定确定λ后，便可根据D2lef分解出D和lef

，则D

=12.43

,lef

=计算出D和lef

，

的值后

，

还需向标准直径靠拢。为充分利用硅钢片