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1、密级：内部中型高压异步电动机设计及仿真Design and Simulation ofMedium-Sized High Voltage Induction Motor 学 院： 专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名： 指 导 教 师： 年月IV摘 要对中型高压异步电动机的电磁设计方法进行了研究。并且提出了应用MATLAB软件进行电机电磁计算过程仿真的优势和方法。首先说明了国内外电机制造工业的发展状况，电机的分类情况和选用方法，并对中型高压异步电动机的特点和用途进行了简单的叙述。分析了三相异步电动机的基本工作原理，讲述了电机设计的主要任务和主要过程。为电机设计做好了必要理论知识的准备。然后详
2、细介绍了中型高压异步电动机的电磁设计步骤与设计方法。电机设计中所需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾。因此设计者必须针对具体的情况采取适合的解决方法，全面地、综合的看待问题。本阶段的任务是根据设计要求，手算电机电磁计算程序。确定所设计电机有关的尺寸和参数，并核算其电磁性能。最后应用MATLAB软件进行整个计算过程的仿真。计算机技术的不断发展，为复杂的电磁计算创造了有利条件；计算机辅助工具的应用，给电机设计和优化带来了新的契机。利用计算机编写电磁计算程序进行电磁计算的求解已经成为必然的趋势。通过电磁计算所得的电机性能指标必须符合设计要求，否则应对计算过程中的某些参数
3、进行调整。改变某些参数得到不同的电机设计方案，通过比较这些方案，确定出最佳的设计方案。利用计算机软件（MATLAB）编写电机设计程序进行电机的电磁计算能够提高工作效率和设计的精确度。关键词：中型高压异步电动机；电机设计；电磁计算AbstractStudy the electromagnetic design methods of medium-sized high voltage induction motor, and propose advantages and methods of applying MATLAB software in simulation process of ele
4、ctromagnetic calculation.First, state the development of motor manufacturing industry at home and abroad, the classification of motor and way of selection. Simply narrate the feature and use of medium-sized high voltage motor. Analyze working principle of three-phase induction motor, and state the m
5、ain task and process of electrical machine design. Prepare the necessary theory to electrical machine design.Then introduce the electromagnetic design steps and methods of medium-sized high voltage induction motor in detail. There are many uncertain factors, size and data in the process of electrica
6、l machine design, which means intricacy contradictions unavoidable. Therefore, the designers are supposed to look at problems in the general and synthetically and adjust measures to local conditions. Task of this stage is to base on the rules of design, and calculate electromagnetic calculation prog
7、ram of motor.Determine size and factors related to the motor to be designed and check its electromagnetic property. Finally, use MATLAB software to simulate the whole process of calculation. The development of computer science offers advantages to electromagnetic calculation. Application of computer
8、 aided software brings new chances to electrical machine design and optimization. It is inevitable to use computer to write electromagnetic calculation program when making electromagnetic calculation. The performance index of motor obtained by electromagnetic calculation is obliged to fit in nationa
9、l standard or request in Assignment of Technical Design, otherwise some factors needs adjustment in the process of calculation. Change important parameters to get different design schemes and compare each scheme with others to elect optimal design scheme. Using MATLAB software to write program of el
10、ectrical machine design when making electromagnetic calculation improves work efficiency and accuracy of design.Keywords: medium-sized high voltage induction motor; electrical machine design; electromagnetic calculationIII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 国内外电机制造工业的差距11.2 电机的分类11.3 中型高压异步电动机的介绍11.4 电机的电磁设
11、计任务与过程21.5课题研究的过程及目的2第2章 基本工作原理4第3章 中型高压异步电动机的电磁设计63.1 电机设计要求63.2 主要尺寸与气隙的确定63.2.1 主要尺寸和计算功率63.2.2 电磁负荷的选择73.2.3 主要尺寸比的选择83.2.4 主要尺寸的确定93.2.5 空气隙的确定103.3 定子绕组与铁心的设计113.3.1 定子槽数的选择113.3.2 定子绕组型式和节距的选择113.3.3 每相串联导体数，每槽导体数的计算123.3.4 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定143.3.5 定子冲片的设计153.4 转子绕组与铁心的设计153.4.1 转子槽数的选
12、择153.4.2 转子绕组的特点及设计方法163.5 磁路计算173.5.1 概述173.5.2 空气隙磁压降的计算183.5.3 齿部磁压降的计算213.5.4 轭部磁压降的计算223.5.5 励磁电流和空载特性计算233.6 参数计算243.6.1 绕组电阻的计算243.6.2 主电抗计算253.6.3 漏电抗计算253.7 工作性能的计算273.8 起动性能的计算31第4章 用MATLAB进行电机设计仿真334.1 计算机技术在电机设计中的应用与发展334.2 应用MATLAB在电机设计中的优势344.3应用MATLAB软件进行编程的流程图354.4 用CAD软件绘制电机的定、转子冲片图
13、364.5 MATLAB程序中的查表程序示例364.6计算结果和分析37第5章 总结39参考文献40致 谢42附 录43沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论1.1 国内外电机制造工业的差距国外注重新产品的开发，并且对电机的安全、噪声、电磁兼容等方面要求比较高。国外的先进水平主要体现在：电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，而且也考虑了电机制造成本的降低等要求。国内部分产品已达国际水平，但相当部分的产品可靠性差，效率低，重量重，体积大和噪声大，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满足要求，科研和设计工作没有跟上1。国外电机设
14、计理念先进，对于电机采用计算机分析技术，运用多功能分析软件，如电磁计算分析软件、结构仿真分析软件等，产品综合设计水平高。而国内电机企业设计手段传统、缺乏先进的设计理念和手段，对于基本系列电机研发与衍生电机开发的分工比较模糊，产品设计周期长2。1.2 电机的分类我国目前生产的三相异步电动机按电机尺寸分成大、中、小型。大型：中心高H 630mm，定子铁心外径 1000mm；功率范围在400kW以上，电压为3000V和6000V。中型：中心高H =（355630）mm，定子铁心外径=（5001000）mm；功率范围在（451250）kW以上，电压为380 V和3000V和6000V。小型：中心高H
15、=(80315)mm，定子铁心外径=（120500）mm,功率范围在（0.55132）kW，电压为380 V。Y（IP44）系列的中心高H =（80280）mm，定子铁心外径=（120445）mm，共11个机座，功率范围为（0.5590）kW，电压380V3。1.3 中型高压异步电动机的介绍本文中讲述的是中型高压异步电动机的电磁设计方法。中型高压电动机是指额定电压在1000V以上，中心高在（355630）mm，定子铁心外径在（5001000）mm的电动机。常使用的有6000V和10000V两种电压等级4。本文中所研究电机的额定电压为6000V。由于电机功率与电压和电流的乘积成正比，因此当电机功
16、率增大时，如果电机电压不产生变化，那么导线中的电流必然增大。导线中通过电流后会受到电磁力的作用。当电流增加到一定程度，电磁力的大小会超过导线的允许承受能力的限制5，所以需要通过提高电压实现大功率输出6。本文中设计的电机是YR系列绕线式电机。YR系列电动机系是Y基本系列上派生出来的7。YR系列电动机采用双层短矩波绕组绕线转子，接法均为Y联结。电机转子通过滑环及电刷装置与外加的启动（调速）电阻相连接，通过调节外加电阻的数值，可获得大的启动转矩，较小的启动电流，并能在一定范围内调节电动机的转速8。 对于大中型电动机带重载启动的工况，可采用绕线式异步电动机9。对于大中型电动机容量大，起动电流对电网的冲
17、击较大10；又因带重载，负载要求电动机提供较大的起动转矩。这种情况下绕线式异步电动机就显出明显的优势。只要转子回路串的电阻合适，就既可减少起动电流又可增加起动转矩，因而电动机容量大、重载这两个要求可同时满足11。1.4 电机的电磁设计任务与过程电机电磁设计是根据用户提出的产品规格（如功率、电压、转速等）、技术要求（如效率、参数、温升限度、机械可靠性要求等），运用有关的电磁计算方法进行电机的电磁计算。通过正确处理设计时遇到的各种矛盾，确定出所设计电机合适的主要尺寸和电机性能12。电机电磁设计中需要考虑的因素和确定的尺寸、数据很多，这就难免会遇到错综复杂的矛盾所以设计过程比较复杂。因此设计人员必须
18、全面地、综合的看待和分析问题。感应电机设计时通常给定下列数据：额定功率、额定电压（线电压）、功率因数、额定频率、额定转速。1.5课题研究的过程及目的本课题是对中型高压异步电动机进行电磁设计和仿真。首先应学习电机电磁设计的基础知识和设计方法。然后根据设计要求手算电机电磁设计程序。计算的主要参数有：定（转）子铁心尺寸；定（转）子绕组结构；电机的磁路、运行性能和起动性能等。最后应用MATLAB软件进行整个计算过程的仿真。电磁计算相当于求解一项比较复杂的数学计算题13，计算机技术的发展为电磁计算创造了有利条件，利用计算机编写程序进行求解是解决这类问题的有效途径。通过电磁计算所得的电机性能指标必须符合设
19、计要求，否则应进行调整。改变重要的参数得到不同的方案，比较这些方案并进行分析，从它们中选出最优的设计方案。52第2章 基本工作原理 本文中所介绍的中型高压异步电动机所用的为绕线式转子。绕线式绕组是与定子绕组相似的对称三相绕组。一般接成星形。将三个出线端分别接到转轴的三个滑环上，在通过电刷引出电流。绕线式转子的特点是可以通过滑环电刷在转子回路中接入附加电阻，以改善电动机的起动性能、调节其转速，其接线如图2-1所示。图2-1 绕线式转子电机接线图当异步电机定子绕组接到三相电源上时，定子绕组中将流过三相对称电流，气隙中将建立基波旋转磁动势，从而产生基波旋转磁场，其同步转速取决于电网频率和绕组的极对数
20、，即 (2-1)这个基波旋转磁场在短路的转子绕组（若是笼型绕组则其本身就是短路的，若是绕线式转子则通过电刷短路）中感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流，该电流与气隙中的旋转磁场相互作用而产生电磁转矩。为了描述转速，引入参数转差率。转差率为同步转速与转子转速之差对同步转速之比值，以表示，即 (2-2)当异步电机的负载发生变化时，转子的转差率随之变化，使得转子导体的电势、电流和电磁转矩发生相应的变化，因此异步电机转速随负载的变化而变动。转子旋转时，转子绕组的电动势、电流的频率取决于气隙中的旋转磁场和转子的相对转速。转子绕组中电动势和电流的频率为 (2-3)异步电机在作电动机额定运行时，值很小，一
21、般在0.010.04范围内变化。当时，可见此时转子铁心中主磁通交变的频率很低，转子铁耗很小，可以忽略不计14。第3章 中型高压异步电动机的电磁设计3.1 电机设计要求这一章主要讨论中型三相绕线转子异步电动机电磁计算中的几个主要部分，包括：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组的设计；工作性能的计算15。绕线转子感应电动机适用于要求起动转矩高而起动电流低、起动频繁或在窄范围内调速的场合。本文中电机设计的要求如表3-1中所示：表3-1 电机设计要求PN/kWUN/Vf /HzN/%cosN nTmax*Tst*Tst*500kW6000V50Hz95.3%0.86 1480 r/min2.00.86.5
22、3.2 主要尺寸与气隙的确定3.2.1 主要尺寸和计算功率定子铁心内经Di1及有效长度是感应电动机的主要尺寸，主要尺寸确定后，其他尺寸就可以大体确定。电机的重量、价格、工作特性和运行可靠性等也都和主要尺寸以及它们的比值有密切关系。所以确定主要尺寸是电机的第一步。决定电机主要尺寸的基本关系式： (3-1)由上式可得出下列重要结论：1、电机的主要尺寸由其计算功率和转速n之比或计算转矩所决定。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，转速高的，则功率较大。3、转速一定时，若直径不变而采用不同长度，则可得到不同功率的电机。4、系数、与的数值一般变化不大，因此电机的主
23、要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A、有关。电磁负荷选的越高，电机的尺寸就越小。计算功率： (3-2)对于中型异步电机满载电势标幺值 (3-3)利用上述公式并假设表3-2中的参数，初步估算电机的体积：表3-2假设的各个参数Kdp1KEpKNMBA0.920.950.681.100.75T46000A/m3.2.2 电磁负荷的选择本次电机设计中取=0.75T，A=46000A/m。我们可以对它们进行调整来改变电机的性能。 在电机中、与等各量一般只在较小的范围内变化，因此对功率和转速一定的电机，其主要尺寸和基本上将由电磁负荷A和值的大小来确定。电磁负荷A和的值决定了利用系数，直接影响电机的有效材料
24、的耗用量，更为重要的是A和的值与电机运行参数、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和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。（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。（3）选择较高的A或导体电流密度J，绕组电阻将增加，使绕组温升升高。（4）选择较高的，电机基本铁耗增加。由于电枢铁心中的磁密与有一定比例关系，而铁的比损耗（单位重量铁心中的损耗）与铁磁材料内磁密的平方成正比关系
25、，故随着的提高，比损耗的增加速度比铁心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。（5）A和应选择恰当的比值。由于励磁电流标幺值正比于/A，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。而漏抗的标幺值正比A/，故较高或A较低时，漏抗减小，电机的起动转矩、最大转矩和起动电流将增加。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。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机在使用材料、结构、技术条件和要求等方面的异同后进行选取。随着材料性能提高、冷却条件改善、电机结构不断改进，A、的数值和电机利用系数正
26、在逐步提高，从而在保证电机性能的同时，使其体积和重量不断减小。3.2.3 主要尺寸比的选择在选定A和后，即可初步确定电机的体积。但体积相同的电机，长度可以设计的不同。为了反映电机这种几何形状关系，通常采用主要尺寸比这一概念。的大小会对电机运行性能产生影响选择值时，通常主要考虑：（1）参数与温升；（2）节约用铜（铝）；（3）转子的机械强度；（4）转动惯量等方面的限制和要求。中型电机的一般取0.82.1，本次电机设计中取=2。3.2.4 主要尺寸的确定根据电机的计算功率和转速n，在充分考虑采用的材料、结构、工艺等因素后，选择合适的电磁负荷A和值，算出并令它等于V(单位为)。然后选择适当的值，便可求
27、出 (3-4)最后，根据调整的求出 (3-5)根据计算结果按照定子内外径比求出定子外径的初算值，从表中查出与其接近的标准直径，从表3-3中查得，再根据计算。表3-4中记录了上述计算结果。表3-3 定子外径标准值老系列新系列机座号NO中心高mm定子铁心外径mm 中心高mm 定子铁心外径mm1901208012021001459013031121671001554132210112175 大直径方案51602451322106180280160260290722532718029032782503682003273689280423225368400 续表3-3103154932504004451
28、1375560280445493124506503155205201350074035556059014560850400630670156309904507107401663011805008008501763014305609009501863017306309901060196302150710112011802063026008001250216303250900140022630425010001600表3-4电机尺寸计算结果2pD1Di1lef24630mm403mm317mm606mm3.2.5 空气隙的确定通常气隙选取得尽可能的小，以降低空载电流，因为感应电动机的功率因数主要决
29、定于空载电流。但是气隙不能过小，否则除影响机械可靠性外，还会使谐波磁场及谐波漏抗增大，导致起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径、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；而轴的直径和轴承间的距离决定了轴的挠度；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。气隙的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。对于大、中型电机，2p=216，可用下列经验公式求出（单位为m）： (3-6)其中，单位为米。本次电机设计中
30、所选用的气隙大小为=1.66mm。3.3 定子绕组与铁心的设计3.3.1 定子槽数的选择在极数、相数既定的情况下，定子的槽数决定于每极每相槽数。值得大小对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。当采用较大的值时：1、由于定子谐波磁场减小，使附加损耗降低，谐波漏抗减小。2、一方面每槽导体数减少，使槽漏抗减小；另一方面槽数多了，槽高和槽宽的比值相应增大，使槽漏抗增大，但这方面影响较小。3、槽中线圈边的总散热面积增加，有利于散热。4、绝缘材料用量和加工工时增加，槽利用率降低。因此选择槽数时应对各方面的因素综合考虑。对于一般感应电机，每极每相槽数可在26间选取，而且尽量选取整数，因分数槽
31、容易引起振动和噪声。对极数少、功率大的电机，可取的较大一些；对于极数多的电机，则取的小些。本次电机设计中根据上述选取条件取=5求出=60。3.3.2 定子绕组型式和节距的选择三相感应电动机定子绕组的型式很多，常用的有单层同心式、单层链式、单层交叉式、双层叠绕组等。本次电机设计中采用的是双层叠绕组。双层叠绕组通常用于功率较大的感应电动机。其主要优点是：（1）可以选择有利的节距以改善磁势与电势波形，使电机的电气性能较好；（2）端部排列方便；（3）线圈尺寸相同，便于制造。缺点是多用了绝缘材料，嵌线也较为麻烦。对双层绕组应从电机具有良好的电气性能和节约导线材料两方面来考虑节距的选择。在正常三相感应电机
32、中，通常选以便削弱磁势的5次和7次谐波分量。本次电机设计也是选用的来进行计算的。选定每极每相槽数和节距后，可按下列公式求出基波绕组系数。分布系数 (3-7)其中， (3-8)为用电角度表示的槽距角； 短距系数 (3-9) 其中， (3-10)y为以槽数表示的绕组节距；基波绕组系数 (3-11)3.3.3 每相串联导体数，每槽导体数的计算每相串联导体数： (3-12)在确定电机的定子内径后，从上式可以求出定子绕组的每相串联导体数。从式（3-3）可以看出，的大小必然影响电机电磁负荷A和的数值。当电机的主要尺寸确定后，A的乘积就确定了，因此如果减小，A值就降低而值就增大，这一般地使功率因数降低，最大
33、转矩、起动转矩和起动电流倍数都有所增加。因此设计时常常通过改动来取得若干不同设计方案进行选优。如果定子绕组采用的并联支路数为，则每槽导体数为 (3-13)对双层绕组，应取偶数，此时每个线圈匝数：最后可算出定子绕组每相串联匝数： (3-14)上面计算出的是初步数据，待磁路、参数、性能计算后，如必要还须进一步调整。表3-5记录了上述计算结果。表3-5定子绕组参数计算结果Kdp1N1N1a1Ns1Nc10.93632016011683.3.4 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定电流密度的选择对电机的性能及成本影响很大，所以必须全面考虑电机的具体情况：效率、制造成本、使用寿命、散热条件、
34、绝缘等级、导线材料等。选用较大的值，导体截面减小，可节省材料、降低成本，但同时却导致了损耗增大、效率降低，同时电机的温升增高，寿命和可靠性都降低16。对于中型电机，可以在范围内选用。工厂中常用控制A和的乘积（称为热负荷）来控制电机的温升，所以在选择时要注意到前面所选用的A值。选定后，便可按下式估算导线截面积 (3-15)其中，为定子绕组额定相电流，为导线并绕根数，为定子绕组并联支路数。当较大时，为了避免采用截面太大的导线，一般常把定子每相绕组接成路并联，以使每支路的电流减为，或者采用根截面相同的导线并绕(也可以采用几根截面差别不大的导线并绕），使每根导线所通过的电流减为，或者既采用路并联，又采
35、用根并绕。选择时主要根据工艺条件考虑。一般来说，小型电机的支路数应少些，以免极间连线太多，而大、中型电机（特别是低压的）有时为了得到合适的每槽导体数，常采用较多的支路数。双层整数槽绕组所能使用的并联支路数的条件为等于整数，因此最多为；单层绕组当为偶数时，并联支路数最多为，当为奇数时，并联支路数最多为。对于功率较大的电机，选用扁导线。这时应注意：（1）导线的宽厚比在1.54.0范围内，并要与电机的槽口、槽宽和槽高尺寸相适应；（2）每根导线的截面最好小于15，导线截面太大会引起较大的涡流损耗，并在制造线圈时，较难于胀形及整形。表3-6记录了上述计算结果。表3-6 定子绕线线规数据计算结果Nt1J1
36、Ac1b1a13 5A/mm2 4.223mm2 3.55mm 1.25mm3.3.5 定子冲片的设计中型高压（3000V及以上）电机则采用开口槽，这是因为线圈的主绝缘需要在下线以前包扎好并进行浸烘处理。这种槽型的槽壁都是平行的，因此称平行槽。开口槽增大了气隙磁场中的磁导齿谐波分量，为了避免因此引起较大的空载附加损耗，可采用磁性槽楔，但此时槽漏抗将增大。平行槽的槽型尺寸要和扁导线的尺寸及绝缘结构尺寸等结合起来考虑，不须核算槽满率。为使齿部磁密在正常的范围内，定子槽宽和齿距有下列关系 (3-16)槽高和槽宽的比例也要适当，以保证合理的槽漏抗，通常 (3-17)最后要校验齿部最小截面处的磁密，其值
37、必须不超过2.0T。表3-7记录了本次电机设计所选用的开口槽的尺寸。表3-7 定子开口槽尺寸bsb01hs0hs1hs211.25cm1.25cm0.08cm0.3cm5.42cm303.4 转子绕组与铁心的设计3.4.1 转子槽数的选择绕线转子感应电动机的转子绕组通常是对称的三相绕组，线圈的节距接近或等于基波的极距，因此定子谐波磁场一般不会引起较大的附加转矩，并且转子回路中可以串接外加电阻以增加起动转矩，因而它与笼型转子不同，无需把附加转矩对起动的影响作为首先和必须考虑的因素。为了减少噪声和振动，一般应采用整数槽绕组。为了减少附加损耗，和不宜相差太多，一般建议选。本次电机设计中根选取=4求出
38、=48。3.4.2 转子绕组的特点及设计方法中型电机的转子绕组采用半闭口槽，双层整距波绕组，以省去线圈极间连线，并使转子容易达到机械平衡。转子槽型则用半闭口槽。因为希望转子绕组电压不要太高，每个线圈一般做成一匝。这种绕组系由半绕组元件组成，元件采用扁导线弯制，仅一端预先成型；除末端外，导线全长都预先绝缘好，嵌线时由槽的一端穿入，再把这端的端接部分弯成适当的形状，最后用并头套将半绕组元件的“末端”部分联接，再经焊接便成。转子三相绕组可接成或。在合理的开路电压范围内一般都接成星型。当转子槽数和支路数选定后，可以由下式获得转子绕组每相串联导体数： (3-18) 其中，为转子每槽导体数，为转子绕组相数
39、。有了后，可按 (3-19)核算空载转子相电势，看是否超过常用的电压范围。三相转子绕组的相电流可按式 (3-20)在表3-8中选择适合的后进行计算。表3-8 与的关系0.650.700.750.800.850.900.950.740.770.820.860.900.950.985 于是导体截面积 (3-21)其中，为转子绕组的电流密度。表3-9中记录了转子绕组的有关计算结果。表3-9 转子绕组的有关计算结果Kdp2N2N2a2Ns2Nc2Nt2J2Ac2E20I20.9581681216 7A/mm214.04mm2171.46V1032.5A3.5 磁路计算3.5.1 概述当绕组中通过电流，
40、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须的磁化力或磁势，并进而计算励磁电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得是否合适。为了简化计算，通常把电机各部分的磁场化成等效的各段磁路。所谓等效的磁路是指各段磁路上的磁压降应等于磁场内对应点之间的磁压降，并认为在各段中磁通沿截面均匀分布，各段中磁场强度保持为恒值。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17。每极磁通中，空气隙的磁压降通常
41、占较大比例（约6085%或以上）。3.5.2 空气隙磁压降的计算在电机中，沿电枢圆周方向气隙磁场不是均匀分布的。为了计算方便，通常是计算最大气隙磁通密度所在的磁极中心线处的气隙磁压降。 (3-22)其中，为单边气隙的径向长度，为极中心线处的气隙场强，为气隙系数，考虑到因槽口影响使气隙磁阻增加而引入的系数。气隙磁密的最大值:： (3-23)每极磁通可根据给定的绕组感应电动势确定，对于交流电机： (3-24)在已知每极磁通及几何尺寸、的情况下，气隙磁压降的计算就在于如何确定计算极弧系数、电枢的计算长度及气隙系数。一、计算极弧系数的确定计算极弧系数表示气隙磁密表示气隙磁密平均值与最大之之比。当为正弦
42、分布时，。对于一般感应电机，由于磁路钢部分的饱和，气隙磁场已经不是正弦分布，此时比正弦分布时要大，因此大于0.637。的数值主要与定子齿及转子齿的饱和程度有关。齿部越饱和，气隙磁场波形越平，越大。计算时，齿的饱和程度以饱和系数来标志，它等于 (3-25)其中，为气隙磁压降，为定子齿部磁压降，为转子齿部磁压降。图3-1给出了感应电机的与的关系曲线，它是根据许多电机的磁场曲线(用作图法求得）确定的。图3-1 感应电机的与的关系曲线在磁路计算开始时，、以及均为未知数。这时可参考类似电机的数据，先假定一个饱和系数的预计值（对一般感应电机）。据此从图3-1中查出的预计值。然后用式(3-23)算出值，并算
43、出、及相应的值。若与原来预计的相差较大，则须重新假定并进行计算，直至与接近到相差不超过为止。在图3-1中还画出了的关系曲线，以便在按式(3-24)确定每极时查取；当磁路不饱和时，气隙磁场分布为正弦型，因此；随着的增大，增大，因此逐渐减小。二、电枢或气隙的轴向计算长度在用式(3-7)计算空气气隙磁密最大值时，用的是电枢或气隙轴向计算长度，而不是用铁心总长度，因为主磁通不仅在铁心总长的范围内穿过空气隙，而且有一小部分从定转子端面越过（这种现象称为边缘效应）。本文中所设计的电机定、转子都具有径向通风道，且相互对齐，则通风道处的磁场分布可以认为等同于气隙为时的上述情况，此时： (3-26)于是电枢计算长度可用下式算出： (3-27)其中，为铁心中的径向通风道数，为沿铁心轴向长度因一个径向通风道所损失的长度。三、气隙系数气隙系数是略大于1的系数，通常把称为有效气隙长。 但在的大多数实际情况中，工程上采用下列近似公式，已足够准确。对半闭口槽和半开口槽