第1章电机设计基础理论11电机的主要参数之间的关系111主要尺寸由

系列电机设计有如下特点。
(1) 同一系列中，功率按一定规律递增。
通常，系列中相邻两功率等级的比值，称为功率递增系数或容量递增系数K′P，其数值直接影响到整个功率等级数目的确定。功率等级的确定要根据用户的要求、选用的方便和经济性等多方面全面综合分析来确定。
(2) 安装尺寸的确定必须综合考虑其具体情况。
P′=KgPN(kW)(17)
式中，Kg——考虑发电机电枢压降和绕组电流而引入的系数。
（6） 对于并励直流电动机
P′=KmPNηN(18)
式中，Km——考虑电动机电枢压降和绕组电流而引入的系数。
电机设计时，ηN、cosφN可由设计任务书或技术条件查得，KE可先假设得到，然后可通过给定的额定功率PN得到计算功率P′。
分析式（112）可以得出以下重要结论：
① 电机的主要尺寸决定于计算功率P′与转速n之比或计算转矩T′。由式(111)可知，在其他条件相同时，计算转矩相近的电机所消耗的有效材料相近，功率大、转速高与功率小、转速低的电机相比，若其P′/n相近，则电机体积接近，二者可采用相同的电枢直径与某些其他尺寸。
(14)
（3） 对于同步发电机
P′=KEcosφNPN
(15)
输出电功率为
PN=mUNI1cosφN×10-3(kW)
（4） 对于同步调相机
P′=KEPN(kV·A)
PN=mUNI×10-3(kV·A)
(16)
（5） 对于并励直流发电机
(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Bδ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，使绕组温升增高。对直流电机，A过高，电抗电势将增加，使换向恶化。
(4) 选择较高的Bδ，电机基本铁耗增加。由于电枢铁芯中的磁密与Bδ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Bδ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。
(2) 利用系数
利用系数KA为电机常数CA的倒数，其表达式为
KA=1CA=P′/nD2lef=2πT′60D2lef(113)
利用系数KA为单位体积有效材料及单位同步速(或额定转速)所能产生的视在功率，也表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，反映了电机有效材料的利用程度。在设计方案比较时，KA往往是一项很好的比较指标，随着电机冷却技术的改善、制造工艺的提高及材料质量的改进，KA将不断增大。
证明如下。
条件： J、B、n、f保持不变。
（1） 长度l与功率P′之间的关系
由于
E∝NΦ，Φ=BSFe
式中，SFe——铁芯净截面。
则
E∝NBSFe
且I=JSC(J电流密度，SC导体截面积)，代入P′∝EI，则
P′∝NBSFeJSC(B,J保持不变,SCu=NSC)
Kdp——电枢绕组系数；
Φ——每极磁通，Wb。
每极磁通Φ为
Φ=Bδavτlef=Bδα′pτlef
式中，Bδ——气隙磁密的最大值，T；
Bδav——气隙磁密的平均值，T；
α′p——计算极弧系数，α′p=BδavBδ=0.63~0.72；
lef——铁芯有效长度，m；
τ——极距，τ=πD2p，m。
线负荷为
A=2mNIπD
式中，D——电枢直径，m。
把上面各关系代入式(19)可得
CA=
D2lefnP′=
6.1×10-3α′p
KNmKdpABδ
(110)
对直流电机，
P′=EaIa×10-3(kV·A)
其中电势为
Ea=pNa60anΦ
由此可得
P′=E1UN·1ηNcosφNPN=KEηNcosφNPN(12)
式中，ηN,cosφN——额定负载时的效率和功率因数；
KE——满载电势标么值，即额定负载时，感应电势与端电压的比值。
由图11所示的异步电机的相量图可知
KE=E1UN=1-I1PR1+I1QX1σUN=1-(i1PR1+i1QX1σ)=1-εL(13)
可得
P′∝SFeSCu
式中，SCu——绕组净截面。
已知
2. 电机常数和利用系数
（1） 电机常数
电机常数CA表示产生单位计算转矩所耗用的有效材料(铜、铝或电工钢)的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。其表达式为
CA=D2lefP′/n=60D2lef2πT′(19)
式中，T′——计算转矩，其表达式为T′=P′Ω=60P′2πn；
1.1.3系列电机及电机的几何相似定律
1. 系列电机
电机产品通常按系列生产，以便能利用已有的工艺装备，降低成本和缩短生产周期。所谓系列电机就是在应用范围、结构形式、性能水平和生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例系数递增，并成批生产的一系列电机。我国目前生产的几个主要系列如下。
(1) 基本系列，是使用面广、生产量大、一般用途的系列。例如直流电机的Z2系列(小型直流电机)、ZF系列(中型直流发电机)和ZD(中型直流电动机)； 异步电机的J2、JO2系列(三相鼠笼式异步电动机)和Y系列(新型三相异步电机)； 同步电机的T2系列(三相同步发电机)、TD系列(同步电动机)和TT系列(同步补偿机)。
式中，I1P、I1Q——定子电流的有功分量和无功分量；
i*1P、i*1Q——定子电流有功分量标么值和无功分量标么值；
εL——定子绕组阻抗压降的标么值，εL=i1PR1+i1QX1σ。
◆
电机设计
第1章电机设计基础理论
◆
（2） 对于同步电动机
P′=KEηNcosφNPN
1. 计算功率
电机将电能(机械能)转换成机械能(电能)时，该能量均以电磁能的形式通过定、转子间的气隙进行传递，与之相对应的功率称为电磁功率。在电机设计中, 电磁功率通常用计算功率P′表示。不同类型电机的计算功率, 可由给定的额定功率PN来决定，其方法如下。
(1) 对于异步电机
P′=mE1I×10-3(kV·A)(11)
② 在一定转速范围内电磁负荷A、Bδ不变。功率一定时，转速高的电机尺寸较小； 尺寸相同时，转速高的电机功率较大。可通过提高转速来减小电机的体积和重量。
③ 转速和直径一定时，若采用不同长度可得不同功率的电机。
④ α′p、KNm和 Kdp一般变化不大，电磁负荷A、Bδ值直接影响电机的主要尺寸和有效材料用量，A、Bδ选得越高，电机的尺寸就愈小，耗用的材料越少。
(5) A与Bδ应选择恰当的比值。由于励磁电流标么值Im∝BδA，选取较高的Bδ或较低的A，励磁电流将增大，使异步电机的功率因数降低。而漏抗的标么值Xσ∝ABδ，故Bδ较高或A较低时，漏抗减小，其堵转转矩及过载能力将提高，但其堵转电流也将增大。
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之间在使用材料、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、Bδ的数值和电机利用系数正在逐步提高，从而在保证电机性能的同时，使其体和重量不断减小。
式中，Na——电枢绕组的总导体数；
a——电枢绕组的并联支路对数。
每极磁通为
Φ=
Bδavτlef=
Bδα′pτlef
线负荷为
A=IaNa2aπD
把上面各关系代入式(19)可得
CA=
D2lefnP′=
6.1×10-3α′pABδ
(111)
比较式(110)与式(111)可知，对于交流电机和直流电机，其电机常数
式中，m——电枢绕组相数；
图11异步电动机的相量图
E1——电枢绕组相电势，V；
I——电枢绕组相电流，A。
输入功率为
P1=mUNI1cosφN×10-3(kW)
式中，UN——额定相电压。
额定功率为
PN=P1ηN=mUNIcos
φNηN×10-3(kW)
第1章电机设计基础理论11电机的主要参数之间的关系111主要尺寸由.txt师太，你是我心中的魔，贫僧离你越近，就离佛越远……初中的体育老师说：谁敢再穿裙子上我的课，就罚她倒立。
第
1章
电机设计基础理论
1.1电机的主要参数之间的关系
1.1.1主要尺寸
由电机学知识可知，电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，也就是说其能量形式的转换则是通过气隙主磁通进行的。因此, 主要尺寸就必定与气隙有着密切的关系。实践证明，靠近气隙的电枢直径(D)与铁芯有效长度(lef)是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个主要尺寸。对于直流电机而言，电枢直径是指转子外径； 对于交流电机而言，电枢直径是指定子内径。从几何角度看，这些尺寸一经确定，其他尺寸就大体上确定了，而且电机的重量、价格、工作性能和运行可靠性等, 也就基本上确定了。
CA的表达式相似，均可表示为
CA=D2lefP′/n=60D2lef2πT′=6.1×10-3α′pKNmKdpABδ(112)
只不过对于直流电机，其KNmKdp=1。
由于在一定功率和转速范围内的电机，Bδ、A变动范围不大，且
α′p、KNm和 Kdp变化范围更小，故称CA为电机常数。
(2) 派生系列，是为满足不同的使用要求，将基本系列进行部分改动，而派生出来的系列，与基本系列有较多的通用性。例如，ZJD大型轧钢及卷扬机用直流电动机，由ZD系列派生而来； JZ2冶金及起重用三相感应电动机，由J2系列派生而来； JDO2三相多速异步电动机，由JO2系列派生而来。