电机设计之一ppt课件

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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、工业设备需求电机三、家用电器不能没有电机四、时髦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，它终究是什么？电机的根本构造与原理BLIf 一、直流电机根本原理的公式表达：f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AXBYCZn0)2402cos()1202cos(2cos111tfIitfIitfIimCmBmAn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！合二为一：定子转子各伺其职：定子：产生磁场 B转子：产生电流 If=B

2、IL电机设计所要处理的主要矛盾：所用资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开展趋势 一、我国电机制造业的开展概略 一种类、规格不断添加，单机容量迅速增大，技术经济目的逐渐提高 二积极采用新技术、新资料、新构造与新工艺 三规范化、系列化和通用化程度不断提高 四积极开展电机实际、测试技术和新型发电方式的研讨 二、国外电机制造工业的近况与开展趋势 1-2电机设计的义务与过程 一、电机设计的义务与对设计人员的要求 1、具备过硬的电机设计技术；2、设计人员要留意贯彻国家的技术经济政策，努力使产品既满足运用要求，又尽能够地降低本钱；3、设计

3、人员应仔细地听取有关人员的意见和建议，留意实际与实践、设计与工艺相结合，仔细进展调查研讨、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以下数据：1额定功率；2额定电压；3相数及相间的衔接方式；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预备阶段 搜集资料，即相关的国家规范、相近的电机技术资料包括实验数据。在分析资料的根底上编制技术义务书。二电磁设计 根据技术义务书的规定，进展电磁计算，确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能。三构造设计 确定电机的机械构造、零部件尺寸、加工要求与资料的规格等。1-3国家规范 电机的

4、国家规范是国家有关部门对电机提出一定要求的文件，它是电机消费的根据，也是评定电机质量优劣的准那么。消费部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家规范规定的要求。有关电机的国家规范有以下几种类型：1、国家颁发的规范，代号为GB，例如，等；2、部颁规范，代号为JB，例如，等；3、各种电机的实验方法。国家规范通常是根据一定时期的国民经济开展程度来制定的，因此在一定的历史条件下是先进的、合理的。它随着科学技术和消费的不断开展而逐渐提高，于是国家规范也要随之修定，而提出更高的规范要求。1-4国际规范交流电动机总体构造机壳底座端盖定子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：1.5

5、T转子齿部磁密：1.5T转子轭部磁密：1.5T气隙磁密：0.60.7TUE=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，那么是指定子外径。确定主要尺寸是设计电机的第一步。由于主要尺寸确定以后，电机的分量、价钱、任务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亲密的关系，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：mEIP 交流电机电枢绕组的相电势为：11.1,444.4时等于当气隙磁场为正弦分布为气隙磁场的波形系数式中NmdpN

6、mdpKfNKKfNKEefpefavlBlB每极磁通气隙磁密波形表示图.,为气隙磁密的平均值为气隙磁密的最大值为计算极弧系数avavpBBBBDmNIAApD2:2为线负荷长度上的电流导体数称通常将沿电枢圆周单位极距:,2260426046044化简后得代入将mEIPlpDBKmIDApnKlpDBNKpnKlBNKpnKfNKKEefpdpNmefpdpNmefpdpNmdpNmABKKPnlDdpNmpef21.6ABPnlDpef21.6:对于直流电机同样有.1而得到式取流电机的主要参数关系该式可以视为相应的交dpNmKK讨论：AdpNmpefCABKKPnlD21.6.,260260

7、:.,2222称之为计算转矩上式即可写为称为电机常数所以把的变化范围更小而的变动范围不大围内的电机由于一定功率和转速范PTTlDPlDnPlDPnlDCCKKABefefefefAAdpNmp 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资料的体积。反映了资料的耗费量。nlDPlDTCKCefefAAA226021:的倒数为 KA表示单位体积有效资料所能产生的计算转矩。它的大小反响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：其一是资料的质量；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来决议：.cos:1与端电压之比为额定负载时感应电

8、势感应电机又称异步电机ENNNEKPKPNNEPKPcos:2同步发电机.,:3系数并励绕组电流而引入的为考虑电枢压降和式中并励绕组的直流电动机mNNmKPKP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所决议。在其它条件一样时，T相近的电机所耗用的资料也相近。2、电磁负荷A和B不变时，一样功率的电机，转速较高的，尺寸较小；或尺寸一样的电机，转速较高的，那么功率较大。阐明提高转速可以减小电机的体积。3、转速一定时，假设直径不变而采用不同的铁心长度，那么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，那么电机在一定功率下的尺寸就越小；或电

9、机在一定尺寸下的功率就越大。2-2电机中的几何类似定律案例讨论：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，问从经济要素思索，应选择二台容量较小的电机还是选择总容量一样的一台电机？普通而言，对于一样转速即极数也一样，不同容量的电机间，有类似的几何外形，对应尺寸有一样的比值，即：。bhbbhhllDDsssBsAsBsABABA分别为槽高和槽宽与其中,FedpNBANE，ffNKEEIpmEIp则有一定时当频率又有即有由电机的计算功率,44.4,CuFeFeFeABJANABJAJANBAEI：p，AJJAI)(0000前

10、式又改写为因此为导体的截面积为电流密度又因为4144222pllp，JB，lllAA，lAACuFeCuFe或可得一定与于是有由于几何形状相似因此有各与面积414343331ppppG，）（plGlG则有下的电机重量功率换算到单位容量故有由于材料重量 该式阐明，随着单机容量增大，其有效资料的利用率均将提高。该定律得出的结论是：对于几何外形类似的电机，单位功率所需的有效资料与功率的1/4次方正反比。即随着单机容量的增大，有效资料的利用率将提高。2-3 电磁负荷的选择AdpNmpefCABKKPnlD21.6 根据上式，由于p、KNm、Kdp实践上变化不大，因此当计算功率P与转速n一定时，电机的主

11、要尺寸取决于电磁负荷A、B。显然：成本重量体积efAlDCBA2,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，可节省硅钢片资料；2、由于B一定，以及铁心分量减轻，铁耗也随之减小；3、绕组的用铜量添加；用铜量体积因为dpNmFepFefKKENABA4:4、增大电枢单位外表上的铜耗，使绕组温升增高；5、影响电机参数与特性。由于匝数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，那么会使换向恶化。二气隙磁密B较高

12、，线负荷A不变1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片资料；2、使电枢根本铁耗增大；3、气隙磁位降和磁路的饱和度添加；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，很难单纯地从实际上加以确定。要根据详细条件来选择。1、电机所选用的绝缘资料的等级越高，电机允许的温升也就越高。电磁负荷A、B可选高些。2、电机所选用的导磁资料硅钢片及导电资料性能好，那么电磁负荷可选高些。3、电机的通风冷却条件好，那么电磁负荷可选高些。随着电工资料性能的不断提升及制造工艺的不断提高，电机的电磁负荷不断逐渐提高，从而使电机的体积、分量不断减小。2-4电机主要尺寸比的选择及确定主要

13、尺寸的普通方法一、主要尺寸比的选择在选择了A和B后，由式：AdpNmpefCABKKPnlD21.6 即可初步确定电机的D2lef。但是对一样的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外形关系，引入一个尺寸比的系数：efl现分别阐明不同类型电机对值的选择。假设D2lef不变而较大：1、电机将较细长。益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。因此单位功率资料耗费较少，本钱较低。2、电机体积未变，因此铁的分量不变，在同一磁密下的根本铁耗不变。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

14、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，那么铁心冲片数目增多，冲片加工与铁心叠压工时添加；因铁心直径较小，嵌线难度增大，嵌线工时增多。6、电机细长，那么转子转动惯量减小，对于要求频繁起动运转的电机是有利的。综上所述，中选择值时，通常要思索的因数有：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。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，对大型感应电机那么为=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，由于转子资料机械强度

15、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实践设计时，值的选择往往需求经过假设干计算方案的全面比较分析，才干作出正确的判别。二、确定主要尺寸的普通方法efdpnmpefdpdpdpNlDABKKPnlDKKKBAnPP22,1.6)4(92.0,96.0,:)3(,)2(.,)1(得出以上数据代入双层绕组时当采用单层绕组时对于交流电机计算由经验选取电磁负荷确定电机转速利用公式得出计算功率先根据电机的额定功率.)7()22,12(,)6(,)5(1进行必要调整与铁心长度再对定子内径表表标准值将计算值调整至确定定子外径比值根据定子内外

16、径的经验与分别求得值根据所选的efeflDDlD 但以上确定主要尺寸的方法不够简便。在实践运用中，人们根据实际阅历，通常采用“类比法来确定主要尺寸。所谓“类比法，即是将所要设计的电机的详细条件如构造、资料、技术经济目的、工艺等参照已消费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消费的同类型电机具有一样的极数，但额定功率不同，那么根据主要尺寸关系式：21212121222121,NNefefNNefefPPllDDPPlDlD则有如果选取可近似以为：AdpNmpefCABKKPnlD21.6 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

17、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规范电压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、系列电机规定了假设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

18、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确实定，而且对系列的经济性有重要影响。假设Kp取小，功率等级多，提供应用户的选择就多，并可减少过安装容量、过安装费用与运转费用。但是，功率等级增多，使系列中的规格较多，制造所需工艺配备添加，消费管理复杂，制造本钱添加，电机的价钱提高。因此，选择Kp应进展细致地分析与综合，兼顾用户选用与消费两方面的方便。我国Y系列电机的功率等级根据国家规范加以确定，如书20页表2-3所示。2、安装尺寸与功率等级相顺应安装尺寸是指电机与配套机械进展安装时的有关尺寸。系列电机的安装尺寸普通按轴中心高来分

19、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、电枢冲片外径确实定 我国中小型感应电机根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、零部件的规范化、系列化和通用化 即系列电机的零部件应尽量采用规范件与规范尺寸、规范构造。以提高通用性和互换性，降低消费本钱，方便运用维修。5、思索派生的能够性 思索有能够仅作少量改动即派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊运用环境与特殊运用条件的要求。第三章磁路计算 3-1概述)()(只与各自绕组相交链漏磁场绕组相交链既与定子绕组也与转子主磁场磁场绕组通过电流

20、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、磁路计算所根据的根本原理根本原理是全电流定律或称安培环路定律：lil dH假设积分途径沿着磁场强度的矢量取向即沿着磁力线，那么：liHdl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经过磁极的中心线。2、分段：即沿着闭合回路，分为假设干段，以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。SN于是每对极回路的励磁磁势：012211FLHLHLHLHHdlnxxnnl 由于一对极中的两个极的磁路情况是一样的，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

21、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、电机中常用的磁性资料电机中的铁心普通多采用外表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：.,;数隙磁阻增加而引入的系考虑到因槽口影响使气气隙系数强度过极中心线处的气隙磁场气隙的径向长度式中KHHKF气隙磁场：mHBH/104,7000空隙磁导率00:efpefplKBKFlB于是气隙最大磁密对于每极磁通可根据给

22、定的绕组感应电势来确定。naPNEnCEaaea60,对于直流电机fNKKEdpNm4,对于交流电机Klefp及气隙系数电枢的计算长度算极弧系数接下来就应该确定出计以后根据上式算出了,一、计算极弧系数p确实定efpeflBdxxBldsxB22)()(:,磁通为每极如图中实线所示BBBdxxBavp22)(1:所以 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Bx的外形。当Bx为正弦分布时，p=2/=0.637。一直流电机的p1、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：:,:ppavefpefpefavbBBlbBlBlB所

23、以又由于,.2;,2ppppppbbbb数式即可确定计算极弧系代入上式将效应是计及了极尖处的边缘为极弧长度式中2、不均匀气隙 为了消弱电枢反响，磁极常做成削角的外形，如下图。其中间部分的约2/3外表下的气隙仍是均匀的，两侧逐渐增大到2，对于这种极靴，由于边缘效应被减弱，因此可取：ppbb2ppbbpb边缘效应同理，对于偏心的圆弧形极靴，即空气隙由延续地增大到max，当max/3时，可取：ppbb.,25.075.0:,max作为等效气隙长度即的长度要加长但是eq二感应电机的p 普通情况下，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外形。因此Bav/B=p 0.6

24、37。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，那么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：FFFFKtts21求出了Ks以后，根据p与Ks的关系曲线，确定出p.%1,)45.115.1(21并进行计算重新假定若计算出得出根据公式查出一个先假定一个sssssttefppsKKKKKFFFBlBK 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，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，那么气隙的大小，在极弧下

25、不是均匀的。的变化应满足如下关系：xxFBBxFxHxBxBcos)(:)()(cos)(01001代入上式得而 假设按上式规律变化在工艺上实现非常困难，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：)75.055.0(,5.1,2cosmaxmax一般选取极弧的长度左右一般控制在ppbb.)(,.)(曲线而得则查另一条步电机对于均匀气隙的凸极同查出的数值可根据曲线pppppbfbf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，如下图。因此，轴向长度上要多算一些。经推导可得两端

26、面处磁场分布的等效长近似为2。即：lef=lt+2 假设转子铁心中有径向通风道，如下图。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。.;:的长度一个径向通风道所损失为沿着铁心轴向长度因数为铁心中的径向通风道式中为于是电枢计算铁心长度vvvvtefbNbNll25:,5:,22vvvvvvbbbbbb则径向通风道且相互对齐对于定转子两方面都有则定子无通风道的情况风道对于仅转子上有径向通三、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 先假定转子铁心外表有齿、槽，而定子外表光滑，那么槽口处磁阻大，磁通量少，因此使总的气隙磁通量减少。但是为了维持不变由

27、于外部电压不变，那么齿顶处的最大气隙磁密由无槽时的B添加到Bmax。以直流电机为列，实践的磁密分布曲线如下图。.1:,max00maxmax气隙磁密增大的倍数表示因齿槽的存在而使式中降为最大磁密处的气隙磁压开槽后BBKKBBHFBKKKef最大值仍为而气隙磁密的的无槽电机来等效有槽电机可以用气隙为为从物理意义上讲对气隙即称作有效气隙长度把.,10max:sBtBt位轴向长度的磁通为内的单如图一个齿距 它应等于未开槽时一个齿距t内的磁通Bt以坚持主磁通值不变。即：tBsBtB10max解该方程，从而得到：101max0maxsttsBBttBBK)2(1ln)2(tan)2(4:,:,20010010bbbttKKbs得克利斯多菲尔变换根据许瓦兹如果槽为无限深也可表示为所以有关及槽口宽度均与气隙长度和由于200020000)5()5(:)75.04.4()75.04.4(:.,1,bbtbtKbbtbtKb对于开口槽对于半闭口或半开口槽公式可以达到精度要求工程上采用下列近似只要满足限深但实际情况槽不可能无 当定、转子两边都开槽时，例如感应电机，那么：KK1K2 其中K1为定子有槽，转子无槽的气隙系数；K2那么为转子有槽，定子无槽的气隙系数。