电机设计第2部分1

'3
整理得：
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 p l 3 ， 其冷却表面 l 2 。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。
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
2.4 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 0.5 1.5 ；
大型感应电机， 1 3.5 ，极数较多时取较大值。 2）同步电机：中小型同步电机 0.6 2.5 ；对高速或大 型同步电机 3 4 ；对低速水轮发电机， 宜取小些。 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 0.6 1.2；大 些直流电机 1.25 2.5。
4
ef
lP
'1

G Cef pP 4 1 ' ' ' '1 P P P P' P 4 上式即为几何相似定律。 它表明，在铁心磁密 B 及绕组导体电密 J 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（ P ' 14 ）成反比。
2.3 电磁负荷的选择
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 B 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 B 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 B 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。
' p
每极磁通
pn f 60
2.1 电机的主要参数之间的关系
B --气隙磁通密度的最大值（幅值），简称气隙磁密。
a 'p --计算极弧系数，a 'p B av
B
B av --气隙平均磁密；气隙磁密正弦 2 分布时， B 2 a 'p 0.637 B
lef
D 2lef n P'
6.1 ' a p K Nm K dp AB
P' 对直流电机： Pem Ea I a
a 并联支路对数
N aia Na I a A D 2a D
pN a 电枢电势 Ea n 60a
电枢电流 I a 2aia 功率得：
代入直流电机计算
D 2lef n P
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
A、B 后，由电机主要参数关系式：
D 2lef n P'
6.1 ' CA a p K Nm K dp AB
2 可初步确定电机的 D lef ， D 2lef 相同的电机，可以设计成细长， 但 也可做成粗短。如何具体确定电机的电枢铁心直径 D 及电枢铁 心的有效长度 lef ，引进电机的主要尺寸比 lef 。显然 D 2lef 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；
CA
D 2lef n P
'
2

D 2lef P
'

60D 2lef 2 T '
n ∵ D lef 近似表示了转子有效部分的体积，定子有效部分的体积
也与它有关。∴电机常数 C A 反映了产生单位计算转矩所耗用 1 2 T ' 的有效材料的体积，即结构材料的耗用量。令 K A C A 60 D 2lef
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 A、B f PN、n 确定电磁负荷。
2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定
平方成正比； P ' BJAFe ACu l 2l 2 l 4
2.2 电机中的几何相似定律概述
又有效材料的重量 G 与体积成正比，即与 l 的立方成正比，而有效材料的成本 Cef 、损耗 p 均与重量成 '3 '3 正比。 G l 3 P ' 3 4 4 C G P pG P 4
DB lB hsB bsB
∵ P' EI
E N NBAFe
B AFe 磁路铁心中的磁密及截面积
J 导体电密，Ac 导体的截面积
I JAc
∴ P ' EI BJAFe ACu 而 AFe , ACu 各与长度 l 的 当 B, J 一定时
ACu NAc N 根导体的总面积
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

m1 E 1 I N N cos N KE
P ' N cos N KE
KE
E 压降系数 U
②同步发电机
PN m1U N I N cos N
由 CA
D 2lef n P'
m1 E1 I N cos N KE
60 D 2lef
P ' cos N KE
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。 (4)选择较高的 B ，电机基本铁耗增加。由于电枢铁芯中的磁密 与 B 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 B 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 应选择恰当的比值。由于励磁电流标么值 I m B ， (5)A与 A 选取较高 B 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。
2.1 电机的主要参数之间的关系
K K ④一般 a 、 Nm、 dp 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 A 、B 有关，A 、B 选得越高，电机的尺 寸就越小。
' p
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: DA l A hsA bsA hs 、bs 分别为槽高及槽宽。
2.1 电机的主要参数之间的关系
的计算功率 P ' 的关系。交流电机的计算功率 P' mEI
E 电枢绕组相电势； I 电枢绕组相电流
平均值
' R2 (三相感应电动机 Pem m1I 2'2 m1E2' I 2' cos 2 ) m 相数 ； s
E 4 K Nm fNK dp
--电枢铁心的计算长度或有效长度；
D
2p
极距
D --电枢铁心直径；线负荷 A：电枢圆周
D
N a ma 2 N 总导体数
单位长度上的安培导体数； A N a ia
2.1 电机的主要参数之间的关系
N a ia 2mNI I ia a 并联支路数 ∴ A D D a 将上面式子代入式 P' mEI 整理得交流电机主要参数的关系式：
PNⅠ lefⅠ lefⅡ ； PNⅡ
2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定
PN I AC J ， 取 JⅠ JⅡ
ACⅠ PNⅠ ； ACⅡ PNⅡ
NⅠ Ⅱ NⅡ Ⅰ
且 B Βιβλιοθήκη 不变 ， lef电势 E 4.44 fNkw1不变
NⅠ Ⅱ lefⅡ 因为 D DⅡ 则有极距不变，所以 Ⅰ NⅡ Ⅰ lefⅠ
NⅠ 。
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