电机设计第2部分1

第2部分电机设计基础理论2.1电机的主要参数之间的关系2.2电机中的几何相似定律概述2.3电磁负荷的选择2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定2.5系列电机及其设计特点2.6磁路计算2.7参数计算2.8损耗和效率2.9电机的冷却与发热2.1电机的主要参数之间的关系2.1.1、主要尺寸：设计一台电机时，必须确定许多尺寸，其中起主要与确定作用的是电机的主要尺寸。电机的主要尺寸是指靠近气隙的电机电枢铁心直径和长度。对于直流电机，电枢铁心直径是指转子铁心外径。交流电机：电枢铁心直径是指定子铁心内径。2.1.2、电机的主要参数之间的关系式电机工作时，能量是以电磁能的形式通过定、转子之间气隙进行传递转换的，气隙传递的功率称为电磁功率。由于电机的主要尺寸与电磁功率有关，而交流电机的电磁功率与功率因数有关。在电机设计中，功率因数是一个变量。为此，电机设计时，将电机的主要尺寸与电磁功率的关系转为与功率因数无关2.1电机的主要参数之间的关系的计算功率的关系。交流电机的计算功率(三相感应电动机)；；当气隙磁场为正弦分布时，认为'P'PmEI''2''2121222cosemRPmImEIsm相数E电枢绕组相电势I电枢绕组相电流4NmdpEKfNKNmK气隙磁场的波形系数；NmK有效值平均值21.11222NmBKBf电流频率N电枢绕组每相串联匝数dpK电枢绕组系数1(dpdpKK基波绕组系数）每极磁通'avefpefBlBl60pnf2.1电机的主要参数之间的关系--气隙磁通密度的最大值（幅值），简称气隙磁密。B--计算极弧系数，'pa'avpBaBavB--气隙平均磁密；气隙磁密正弦分布时，'220.637pBaB--电枢铁心的计算长度或有效长度；efl极距2Dp--电枢铁心直径；线负荷：电枢圆周DA单位长度上的安培导体数；aaNiAD2aNmaN总导体数2.1电机的主要参数之间的关系aIiaa并联支路数∴2aaNimNIADD将上面式子代入式整理得交流电机主要参数的关系式：'PmEI2''6.1efpNmdpDlnPaKKAB对直流电机：'emaaPPEI电枢电势60aapNEnaa并联支路对数电枢电流2aaIai2aaaaNiNIADaD功率得：2''6.1efpDlnPaAB与交流电机主要参数的关系式比较得直流电机代入直流电机计算1NmdpKK；故电机的主要参数关系式：2.1电机的主要参数之间的关系2''6.1efApNmdpDlnCPaKKAB对于一定功率和转速范围的电机，变化不大，可认为是常数，故称电机常数。'pNmdpBAaKK、、、、AC222'''602efefefADlnDlDlCPPTn'''602PPTn---计算转矩∵近似表示了转子有效部分的体积，定子有效部分的体积2efDl也与它有关。∴电机常数AC反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积，即结构材料的耗用量。令'21260AAefTKCDl---利用系数，它表示单位体积有效材料所产生的计算转矩；AK2.1电机的主要参数之间的关系随着技术水平的提高，利用系数将不断增大。'PNP计算功率和额定功率的关系：①感应电动机11coscosENNNNNNNNNEKUIPmUImK'11coscosNNNNNEEmEIPKKEEKU压降系数②同步发电机'111coscoscosNNNNNNNEEmEIPPmUIKK由22'''606.12efefApNmdpDlnDlCPaKKABT得：2.1电机的主要参数之间的关系①电机的主要尺寸由其计算功率和转速之比或计算转矩所决定；功率较大，转速较高的电机可能和功率较小，转速较低的电机的体积接近，可能一些尺寸相同，如端盖，机座可通用；'Pn'TAB②电磁负荷、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，转速较高时，则功率较大，即提高转速可减少电机的体积和重量。注意：提高转速只能在一定范围内，若转速过高时，电机机械损耗等会随之增大，从而引起其它参数变化；③转速一定时，若电枢铁心直径不变，而电枢铁心长度不同时，可得到不同功率的电机；2.1电机的主要参数之间的关系'pNmdpaKK、、ABAB④一般变化不大，因此电机主要尺寸在很大程度和选用的电磁负荷、有关，、选得越高，电机的尺寸就越小。2.2电机中的几何相似定律概述分析具有相同的电流密度、磁通密度、转速和极数的一系列功率递增而几何形状彼此相似的电机。几何形状相似是指电机对应的尺寸间具有相同的比值，如电机A，B几何形状相似，有:sAsAAABBsBsBhbDlDlhbsshb、分别为槽高及槽宽。∵'PEIFeENNBAFeBA磁路铁心中的磁密及截面积cIJAcJA导体电密，导体的截面积∴'FeCuPEIBJAACucANAN根导体的总面积,FeCuAAl而各与长度的平方成正比；'224FeCuPBJAAlll当一定时,BJ2.2电机中的几何相似定律概述1'4lP又有效材料的重量与体积成正比，即与Gl的立方成正比，而有效材料的成本、损耗均与重量成正比。efCp3'34GlP3'4efCGP3'4pGP整理得：3'41'''''41efCpGPPPPPP上式即为几何相似定律。BJ1'4P它表明，在铁心磁密及绕组导体电密保持不变时，一系列功率递增，几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料的重量、成本及产生的损耗均与功率的1/4次方（）成反比。2.2电机中的几何相似定律概述也即随着单机容量的增大，其有效材料的利用率和电机效率均将提高。从而在电气设备上，采用一台大功率的电机代替总功率相等的数台小功率电机。但要注意，电机的损耗，其冷却表面。随着电机功率增加，若不改变几何形状的相似，则损耗产生的热量大于散热的热量，从而导致电机温升超过允许值。3pl2l2.3电磁负荷的选择BB电磁负荷A、值决定了利用系数，直接影响电机的有效材料的耗用量，更为重要的是A、值与电机运行参数、性能和可靠性有密切关系。电磁负荷的选择要考虑的因素很多，应综合考虑电机技术和经济指标，其选择要点如下：(1)当输出功率一定时，提高电磁负荷A、，电机的尺寸和体积将减小，可节省有效材料，但其需要较好的冷却条件和绝缘材料。B(2)选取较高的A，绕组用铜(铝)量将增加。由于电机的尺寸减小了，若不变，每极磁通将减小，为得到一定的感应电势，绕组匝数必将增多。B2.3电磁负荷的选择(3)选择较高的A或导体电流密度J，绕组电阻将增加，使绕组温升增高。BB(4)选择较高的，电机基本铁耗增加。由于电枢铁芯中的磁密与有一定比例关系，而铁的比损耗(单位重量铁芯中的损耗)与铁磁材料内磁密的平方成正比关系，故随着的提高，比损耗的增加速度比铁芯重量减少的速度更快。因此导致电枢铁耗增加、效率降低及在冷却条件不变时温度将升高。BBmBIAB(5)A与应选择恰当的比值。由于励磁电流标么值，选取较高的或较低的A，励磁电流将增大，使异步电机的功率因数降低。2.3电磁负荷的选择总的来说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难单纯从理论上来确定。通常主要从电机制造成本低、性能良好方面选择。一般还要从包括电工材料、冷却条件及电机结构方面考虑。工厂常根据经验数据作出曲线确定电磁负荷。NABfPn、、。2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定2.4.1.电机的主要尺寸比在已知电机的计算功率和转速的情况下，若选定好电磁负荷AB、后，由电机主要参数关系式：2''6.1efApNmdpDlnCPaKKAB可初步确定电机的2efDl，2efDl但相同的电机，可以设计成细长，也可做成粗短。如何具体确定电机的电枢铁心直径及电枢铁心的有效长度Defl，引进电机的主要尺寸比efl。显然2efDl一定，取大时，则电机细长，取小时，则电机粗短。选择值时，通常考虑：①电机的参数与温升；②节约同铜；2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定③转子的机械强度；④转动惯性等方面的限制及要求。对1）感应电机：中小型感应电机，通常0.51.5；大型感应电机，，极数较多时取较大值。13.52）同步电机：中小型同步电机；对高速或大型同步电机；对低速水轮发电机，宜取小些。0.62.5343）直流电机：对频繁起动和可逆转的轧钢电动机，要求转动惯量较小，应取大些。通常中小型直流电机；大些直流电机。0.61.21.252.52.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定2.4.2确定主要尺寸的一般方法①首先由电机的额定功率求出计算功率；②由计算功率和转速，根据有关曲线或经验求出电磁负荷；从而由主要参数关系式求出；③根据推荐的数据选用适当的主要尺寸比，再确定出电机的主要尺寸；④对交流电机，再参照定子铁心内外径比的经验值，确定定子铁心外径值，参考标准外径值，转为取标准外径值，再对定子铁心内径及铁心长度进行调整。表1为交流电机定子铁心的标准外径。2efDlefDl、1D2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定工厂里常采用“类比法”来确定主要尺寸。“类比法”就是根据已生产过的同类型相近规格所设计电机的具体数据，直接初选主要尺寸和一些数据。若现要设计电机Ⅰ，已生产过同类型电机Ⅱ，极数相同而额定功率不同。则有：22efNefNDlPDlPⅠⅠⅠⅡⅡⅡ，选取DDⅠⅡNefefNPllPⅠⅠⅡⅡ；2.4电机主要尺寸比及主要尺寸的确定NCPIAJ，取JJⅠⅡCNCNAPAPⅠⅠⅡⅡ；电势14.44wEfNk不变NNⅠⅡⅡⅠ且efBl不变因为，DDⅠⅡ则有极距不变，所以efeflNNlⅡⅠⅡⅡⅠⅠNⅠ。2.5系列电机及其设计特点2.5.1、系列电机：是指技术要求、应用范围、结构型式、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。电机制造厂的产品大多是系列电机。系列电机的额定功率具有一定范围，按一定比例递增。例Y系列（IP44）三相感应电动机的额定功率0.55kW∽250kW从分23个等级；系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中一种或几种。例Y系列（IP44）三相感应电动机的额定电压为380V；系列电机有一定的转速范围或等级。例Y系列（IP44）三相感应电动机的同步转速有3000、1500、1000、750r/min四种；按功率递增情况和标准尺寸硅钢片的合理剪裁，规定了系列电2.5系列电机及其设计特点机铁心的若干外径尺寸或轴中心高数值，每一外径或轴中心高对应一个机座号。每个中心高有几种铁心长度，对应不同的功率等级。Y132M1-6Y132M2-6Y132S-6。系列电机分类：①基本系列：使用面广，生产量大的一般用途电机；②派生系列：进行部分改动而有基本系列派生出来的系列；③专用系列：适用于某种特殊条件使用面很窄的系列。如轧钢用系列电动机。2.5系列电机及其设计特点2.5.2系列电机的设计特点①功率按一定规律递增；②安装尺寸和功率等级相适应；电机的安装尺寸是指电机与配套机械进行安装时的有关尺寸。系列电机的安装尺寸一般按轴中心高分级；③交流电机系列定子冲片外径的确定应与轴中心高一致；④重视零部件的标准化、系列化和通用化。系列电机量大，零部件尽量采用“三化”-标准化、系列化和通用化，可提高通用性及互换性，降低生产成本，维护方便；⑤考虑派生的可能性。2.6磁路计算2.6.1概述电机绕组通过电流产生磁场。电机磁通构成的闭合路径---磁路。磁路计算的目的就是确定产生主磁场所需要的励磁磁势、励磁电流，从而进一步计算电机的空载特性，以及校核电机各部分磁密选择得是否合适。1、磁路计算所依据的基本原理---全电流定律由于电机磁场的对称性，分析磁场时只要分析相邻两极