《电机设计》课件之一

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Bδ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、Bδ可选高些。 2、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。
• 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
以下对不同种类的电机给出λ值的范围。
（一）感应电机即异步电机 通常λ=0.4~1.5，对大型感应电机则为λ=1~3.5，
（二）同步电机 对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的λ=0.6~2.5，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，λ值选 得较高，达3~4。
（三）直流电机 通常，中小型直流电机的λ=0.6~1.2，大型直流电机的λ=1.25~2.5 实际设计时，λ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。
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：
案例讨论： §2-2电机中的几何相似定律
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，有相同的电流密度J、磁通密度B，还有相似的几何 形状，对应尺寸有相同的比值，即：
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。
而
' p
, K Nm
, Kdp的变化范围更小,所以把CA称为电机常数.上式即可写为:
CA
D2lef n P'
D 2le f P'
n
D 2le f P'
60D2lef
2T '
60
T ' P' , 称之为计算转矩.
2
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。
因为 : 体积
AFe
' p
B
AFe
N
E 4K Nm fK dp
用铜量
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Bδ较高，线负荷A不变
DA DB
lA lB
hsA hsB
bsA bsB
,
其中
hs与bs分别为槽高和槽宽
。
由电机的计算功率p' mEI ,即有p' EI
又有E 4.44 fNKdp ,当频率f一定时， 则有E N NBAFe
又因为I JA0
J为电流密度，A
为导体的截面积
0
因此， 前式又改写为：p ' EI NBAFeJA0 BJAFe ( A0 N ) BJAFe ACu
CA的倒数为:
KA
1 CA
2T '
60D2lef
P' D2lef n
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： 1 感应电机又称异步电机: P' KE PN
电机设计
电机应用无处不在
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
基本原理的公式体现：f BLI
一、直流电机
磁极（Fe)
转子铁心（Fe)
f
电枢=转子铁心+导体+电刷
A , B CA D2lef 体积 重量 成本
所以，人们总希望选取较高的A和Bδ，但是，过高的A和 Bδ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Bδ不变
1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料； 2、由于Bδ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；
励磁线圈（Cu) 磁轭（Fe)
交流异步电动机
交流电机
定子=定子铁心（Fe）+ 线圈(Cu)
Y
n0
A
n
iA Im cos2f1
C
iB Im cos(2f1 120 )
iC Im cos(2f1 240 )
X
转子=转子铁心（Fe）+
线圈(Cu或Al)
Z
B
电机是：
合二为一，各伺其职！
定子
定子：产生磁场 B
K
dp
AB
, 得出D2lef
(5)根据所选的值, 分别求得D与lef
P' mEI
交流电机电枢绕组的相电势为：
E 4.44 fNKdp 4KNm fNKdp 式中 KNm为气隙磁场的波形系数,当气隙磁场为正弦分布时等于1.11
每极磁通 Bavlef B'plef
气隙磁密波形示意图
' p
Bav B
,为计算极弧系数
, B为气隙磁密的最大值
, Bav为气隙磁密的平均值
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Bδ后，由式：
D2lef n
6.1
P'
' p
K
Nm
K
Hale Waihona Puke Baidudp
AB
CA
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
§1-4国际标准
定子铁心 定子绕组
交流电动机总体结构
机壳 端盖
转轴 转子
底座
f=Bδi2L
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
U≈E=4.44fkwWΦ
气隙磁密：0.6~0.7T
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，
合二为一：
各伺其职：
转子
转子：产生电流 I
f=BIL
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
N cosN
KE为额定负载时感应电势与端电压之比.
2 同步发电机 : P' KE PN
cos N
3 并励绕组的直流电动机: P'
Km PN
N
,
式中K
为考虑电枢压降和
m
并励绕组电流而引入的系数.
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。
二、确定主要尺寸的一般方法
(1)先根据电机的额定功率PN ,利用公式得出计算功率P' ,确定电机转速n. (2)由经验选取电磁负荷A, B (3)计算Kdp : 对于交流电机,当采用单层绕组时, Kdp 0.96,双层绕组时, Kdp 0.92
(4)以上数据代入
D
2lef P'
n
6.1
' p
K
nm
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λ值时，通常要考虑的因数有：1）参数与温升；2） 节约用铜量；3）转子机械强度；4）转动惯量等。
2、电磁负荷A和Bδ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、Bδ 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。
.
极距 D
2p
通常将沿电枢圆周单位长度上的电流导体数称为线负荷A :
A 2mNI
D
将E
4K Nm
f NKdp
4K Nm
pn 60
NK dp
B
'plef
4K Nm
pn 60
NKdp B
' p
D
2p
lef
4K Nm
pn 60
AD
2mI
Kdp B
' p
D
2p
lef
代入P' mEI ,化简后得:
该式表明，随着单机容量增大，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
D2lef P'
n
6.1
' p
K
Nm
K
dp
AB
CA
计算根功据率上P式′与，转由速于n一αp定′、时KN，m、电′K机d的p实主际要上尺变寸化取不决大于，电因磁此负当 荷A、Bδ。显然：
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。
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；
面积AFe与ACu各 l 2， 因此有 AFe ACu l 2l 2 l 4， 由于几何形状相似， 于是有B与J不变， 可得
p' l4
或
l p'1 4
由于材料重量G l3 故有G l3 p'3 4
换算到单位容量（ 功率） 下的电机重量， 则有
G p'3 4
1
p' p' p'1 4
D 2le f P'
n
6.1
' p
K
Nm
K
dp
AB
对于直流电机同样有:
D 2le f P'
n
6.1
' p
AB
该式可以视为相应的交 流电机的主要参数关系 式取KNm Kdp 1而得到.
讨论：
D2lef P'
n
6.1
' p
K
Nm
K dp
AB
CA
由于一定功率和转速范围内的电机, B , A的变动范围不大,
数：
lef
现分别说明不同类型电机对λ值的选择。 若D2lef不变而λ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。