电机设计课件之一ppt课件.ppt

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1、电机设计,电机无处不在,一、发电机提供强大的电力,二、工业设备需要电机,三、家用电器不能没有电机,四、时尚尖端数码产品离不开电机,五、未来交通动力更有赖于电机,电机，它究竟是什么？,电机的基本结构与原理,一、直流电机,基本原理的公式体现：,磁轭（Fe),磁极（Fe),转子铁心（Fe),励磁线圈（Cu),电枢=转子铁心+导体+电刷,交流电机,交流异步电动机,定子=定子铁心（Fe）+线圈(Cu),转子=转子铁心（Fe）+线圈(Cu或Al),电机是：,合二为一，各伺其职！,电机设计所要解决的主要矛盾：,所用材料（铁与铜）与电机效能之间的矛盾。,第一篇 旋转电机设计,第一章 电机设计概述 1-1 电机

2、制造工业的近况与发展趋势 一、我国电机制造业的发展概况 （一）品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高 （二）积极采用新技术、新材料、新结构与新工艺 （三）标准化、系列化和通用化程度不断提高 （四）积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究 二、国外电机制造工业的近况与发展趋势 1-2电机设计的任务与过程 一、电机设计的任务与对设计人员的要求 1、具备过硬的电机设计技术； 2、设计人员要注意贯彻国家的技术经济政策，努力使产品既满足使用要求，又尽可能地降低成本；,3、设计人员应认真地听取有关人员的意见和建议，注意理论与实际、设计与工艺相结合，认真进行调查研究、访问用户和查阅

3、资料等； （二）电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求 电机设计时通常给定下列数据： （1）额定功率； （2）额定电压； （3）相数及相间的连接方式； （4）额定频率； （5）额定转速或同步转速； （6）额定功率因数。 二、电机设计过程和内容简介 （一）准备阶段 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。在分析资料的基础上编制技术任务书。 （二）电磁设计 根据技术任务书的规定，进行电磁计算，确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能。 （三）结构设计 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。,1-3国家标准,电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一定要

4、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。 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。 有关电机的国家标准有以下几种类型： 1、国家颁发的标准，代号为GB，例如，GB755-87电机基本技术要求等； 2、部颁标准，代号为JB，例如，JB3074-82Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件等； 3、各种电机的试验方法。 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修定，而提出更高的标准要求。 1-4国际标准,交流电动机总体结构,机壳,底座,端盖,定子

5、铁心,定子绕组,转子,转轴,f=Bi2L,定子轭部磁密：1.5T,定子齿部磁密：1.5T,转子齿部磁密：1.5T,转子轭部磁密：1.5T,气隙磁密：0.60.7T,UE=4.44fkwW,第二章 电机主要参数之间的关系,电机主要尺寸 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，则是指定子外径。 确定主要尺寸是设计电机的第一步。因为主要尺寸确定以后，电机的重量、价格、工作特性等方方面面也随之而定。 2-1 电机主要参数之间的关系式 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。交流电机的计算功率为：,交流电机电枢绕组

6、的相电势为：,气隙磁密波形示意图,讨论：,电机常数CA大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积。 反映了材料的消耗量。,KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩。它的大小反应了电机材 料的利用率，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。,对于不同类型的电机，其计算功率可按给定的额定功率PN来决定：,重要结论,1、电机的主要尺寸由其计算功率P或计算转矩T所决定。在其它条件相同时，T相近的电机所耗用的材料也相近。,2、电磁负荷A和B不变时，相同功率的电机，转速较高的， 尺寸较小；或尺寸相同的电机，转速较高的，则功率较大。 表明提高转速可

7、以减小电机的体积。,3、转速一定时，若直径不变而采用不同的铁心长度，则得 到不同功率的电机。,4、电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A、B 有关。电磁负荷选得越高，则电机在一定功率下的尺寸就越小；或电机在一定尺寸下的功率就越大。,2-2电机中的几何相似定律,案例讨论：,有二台电机，容量均为1.1Kw，转速为1450r/min，对比另 一台电机容量为2.2Kw，转速也为1450r/min，问从经济因素考虑， 应选择二台容量较小的电机还是选择总容量相同的一台电机？,一般而言，对于相同转速（即极数也相同），不同容量 的电机间，有相似的几何形状，对应尺寸有相同的比值，即：,该式表明，随着单机容

8、量增大，其有效材料的利用率均将 提高。,该定律得出的结论是：对于几何形状相似的电机，单位功率 所需的有效材料与功率的1/4次方正反比。即随着单机容量的增 大，有效材料的利用率将提高。,2-3 电磁负荷的选择,根据上式，由于p、KNm、Kdp实际上变化不大，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、B。显然：,所以，人们总希望选取较高的A和B，但是，过高的A和B也带来负 面影响。,一、电磁负荷对电机性能和经济性的影响,(一）线负荷A较高，气隙磁密B不变,1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料； 2、由于B一定，以及铁心重量减轻，铁耗也随之减小； 3、绕组的用铜量增加；,

9、4、增大电枢单位表面上的铜耗，使绕组温升增高； 5、影响电机参数与特性。因为匝数N增多，导致电机绕组的电抗变大， 感应电机的最大转矩、起动转矩、起动电流均降低。对同步电机，电压 变化率增大等；对直流电机，则会使换向恶化。,（二）气隙磁密B较高，线负荷A不变,1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料； 2、使电枢基本铁耗增大； 3、气隙磁位降和磁路的饱和度增加； 4、影响电气参数与电机性能。,二、线负荷A和气隙磁密B的选择,电磁负荷选择时关联的因数很多，很难单纯地从理论上加以确定。 要根据具体条件来选择。,1、电机所选用的绝缘材料的等级越高，电机允许的温升也就越高。 电磁负荷A、B可选高些。,2

10、、电机所选用的导磁材料（硅钢片）及导电材料性能好，则电磁负荷 可选高些。,3、电机的通风冷却条件好，则电磁负荷可选高些。,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。,2-4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法,一、主要尺寸比的选择,在选择了A和B后，由式：,即可初步确定电机的D2lef。但是对相同的D2lef，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：,现分别说明不同类型电机对值的选择。,若D2lef不变而较大：,1、电机将较细长。好处是绕组的端部变得较短，端部用铜量相应

11、减少， 可提高绕组的铜的利用率。因此单位功率材料消耗较少，成本较低。,2、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，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。,3、绕组端部较短，因此端部漏抗减小。,4、由于电机细长，通风散热条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀 度加大。,5、电机细长，则铁心冲片数目增多，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，则转子转动惯量减小，对于要求频繁起动运行的电机是 有利的。,综上所述，当选择值时，通常要考虑的因数有：1）参数与温升；2） 节约用铜量；3）转

12、子机械强度；4）转动惯量等。,以下对不同种类的电机给出值的范围。,（一）感应电机即异步电机 通常=0.41.5，对大型感应电机则为=13.5，,（二）同步电机 对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的=0.62.5，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，值选 得较高，达34。,（三）直流电机 通常，中小型直流电机的=0.61.2，大型直流电机的=1.252.5,实际设计时，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。,二、确定主要尺寸的一般方法,但以上确定主要尺寸的方法不够简便。在实际应用中，人们根据实践 经验，通常采用“类比法”来确

13、定主要尺寸。 所谓“类比法”，即是将所要设计的电机的具体条件（如结构、材料、 技术经济指标、工艺等）参照已生产过的相近规格的电机的设计数据，直接 初选主要尺寸及某些其它数据。,例如：所设计的感应电机与已生产的同类型电机具有相同的极数，但 额定功率不同，则根据主要尺寸关系式：,可近似认为：,2-5系列电机及其设计特点,所谓系列电机是指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。,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。例如Y系列 的三相异步电动机的额定功率从0.55kW250kW共分26个等级。 2、系列电机的额定电压按规定的标准电压

14、等级选用其中的一种或几种。 例如Y系列电机的额定电压均为380V。 3、系列电机有一定的转速范围或等级。例如Y系列的同步转速有：3000、 1500、1000、750r/min等四种。 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。,系列电机的设计特点： 1、功率按一定规律递增 同一系列中相邻两功率等级之比（大功率/小功率），称为功率的递增系 数Kp。,Kp的取值直接影响到整个系列功率等级数目的确定，而且对系列 的经济性有重要影响。 如果Kp取小，功率等级多，提供给用户的选择就多，并可减少过 安

15、装容量、过安装费用与运行费用。 但是，功率等级增多，使系列中的规格较多，制造所需工艺装备增加， 生产管理复杂，制造成本增加，电机的价格提高。 因此，选择Kp应进行细致地分析与综合，兼顾用户选用与生产两方 面的方便。 我国Y系列电机的功率等级根据国家标准GB321-64优先数和优先系 数加以确定，如书20页表2-3所示。,2、安装尺寸与功率等级相适应 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来分级。功率等级确定后，通常 一个轴中心高对应两个功率等级。我国的中小型电机采用的轴中心高 尺寸如书21页表2-4，表2-5所示。,3、电枢冲片外径的确定 我国中小型

16、感应电机基本系列的定子冲片外径系见表2-4，表2-5， 它是和轴中心高相对应的。,4、零部件的标准化、系列化和通用化 即系列电机的零部件应尽量采用标准件与标准尺寸、标准结构。以 提高通用性和互换性，降低生产成本，方便使用维修。,5、考虑派生的可能性 考虑有可能仅作少量改动即派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊 使用环境与特殊使用条件的要求。,第三章磁路计算,3-1概述,磁路计算的目的在 于确定励磁电流及电 机的空载特性。,大体步骤： 磁场（B） 磁势（F） 励磁电流（I）,一、磁路计算所依据的基本原理,基本原理是全电流定律或称安培环路定律：,如果积分路径沿着磁场强度的矢量取向（即沿着磁力线），

17、则：,磁路计算步骤： 1、选择积分闭合回路。一 般所选择的闭合回路通过磁 极的中心线。 2、分段：即沿着闭合回路， 分为若干段，认为各段的磁 通沿着截面均匀分布，各段 中的磁砀强度为恒值。,S,N,于是每对极回路的励磁磁势：,由于一对极中的两个极的磁路情况是相同的，所以也可以只计 算半条回路上各段的磁压降，其总和即为每极的励磁磁势。 励磁磁势的计算可归结为计算磁路上各段磁压降。,各类电机的磁路可分为如下各段： 1、空气隙；2、定子齿（或磁极）；3、转子齿（或磁极）； 4、定子轭；5、转子轭,其中空气隙的磁压降通常占较大的比例（约6085%）。,二、电机中常用的磁性材料 电机中的铁心一般多采用表

18、面涂漆的硅钢片叠压而成。硅钢片 根据制造工艺的不同又分为热轧片与冷轧片。,3-2空气隙磁压降的计算,通常计算是最大气隙磁通密度所在的磁极中心线处的气隙磁 压降。即：,气隙磁场：,对于每极磁通可根据给定的绕组感应电势来确定。,一、计算极弧系数p的确定,计算极弧系数p表示在一个极距下的平均磁密与最大磁密之比。计算极弧系数p的大小取决于气隙磁密分布曲线B（x）的形状。当B（x）为正弦分布时， p=2/=0.637。,（一）直流电机的p 1、均匀气隙 即极弧下的气隙为均匀的，对于这类型直流电机，有：,2、不均匀气隙 为了消弱电枢反应，磁极常做成削角的形状，如图所示。其中 间部分的约2/3表面下的气隙仍

19、是均匀的，两侧逐渐增大到2， 对于这种极靴，由于边缘效应被削弱，因此可取：,边缘效应,同理，对于偏心的圆弧形极靴，即空气隙由连续地增大到max， 当max /3时，可取：,（二）感应电机的p 一般情况下，感应电机由于磁路的饱和气隙磁场已不是正弦分 布，而是与直流机类似的比较扁平的形状。因此Bav/B=p 0.637。p的数值主要与定子齿与转子齿的饱和程度有关。齿部越 饱和，则气隙磁场波形越扁来， p也越大。齿部的饱和程度以饱 和系数来标志，它等于：,求出了Ks以后，根据p与Ks的关系曲线，确定出p,图中还提出供了KNm=f(Ks)的关系曲线。当磁路不饱和，磁场分 布为正弦波时，KNm=1.11

20、，随着Ks的增大，KNm逐渐下降。,（三）凸极同步电机的p,凸极电机的励磁磁势空间波形呈方波，其F的波形也是方波。 为了使气隙磁密的分布为正弦分布，则气隙的大小，在极弧下不 是均匀的。的变化应满足如下关系：,若按上式规律变化在工艺上实现 十分困难，通常做法是把极靴的外表 做成圆弧形，和定子铁心内圆不同 心。最大空气隙max按下式计算：,二、电枢或气隙的轴向计算长度lef,由于边缘效应，即磁通不是完全在铁心长度的范围内穿过气隙， 有一小部分磁通从定转子的端面越过，如图所示。因此，轴向长度 上要多算一些。经推导可得两端面处磁场分布的等效长近似为2。 即：lef=lt+2,如果转子铁心中有径向通风道

21、，如图所示。由于径向通风道处 没有硅钢片，因此电枢计算长度比铁心总长要短些。,三、气隙系数K 在气隙磁压降的计算公式中，为了计及槽开口的影响引入了一个系数K 先假定转子铁心表面有齿、槽，而定子表面光滑，则槽口处磁阻大，磁通量少，因而使总的气隙磁通量减少。但是为了维持不变（因为外部电压不变），则齿顶处的最大气隙磁密由无槽时的B增加到Bmax。 以直流电机为列，实际的磁密分布曲线如图所示。,它应等于未开槽时 一个齿距t内的磁通Bt 以保持主磁通值不变。 即：,解该方程，从而得到：,当定、转子两边都开槽时，例如感应电机，则： KK1K2 其中K1为定子有槽，转子无槽的气隙系数； K2则为转子 有槽，定子无槽的气隙系数。,