电机设计及其CAD-第2章.ppt

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1、主要尺寸：电枢铁心直径和长度 直流电机、感应电机、同步电机主要尺寸的意义不同主要尺寸确定的重要性：主要尺寸确定后，其它尺寸大体确定电机的成本、工作特性和运行可靠性都和主要尺寸及它们的比值有密切关系，是设计第一步。第二章第二章 电机主要尺寸的确定电机主要尺寸的确定 2022/12/311School of Electrical Engineering本章主要内容：主要尺寸的确定几何相似定律电磁负荷选择原则系列电机设计特点2022/12/312School of Electrical Engineering第一节第一节 电机主要参数之间关系式电机主要参数之间关系式一、电机主要尺寸和电磁功率的关系

2、电机主要尺寸与通过定转子之间气隙传递的电磁功率与有重要关系。电磁功率可用计算功率表示。1交流电机 计算功率(与电磁功率的区别：mE1I1cos2)：P=mEI其中m为相数，E为相电势，I为相电流。E=4KNmfKdp KNm气隙磁场波形系数，Kdp为绕组因数(通常取为Kdp1)2022/12/313School of Electrical Engineering气隙磁场波形系数：电机中，对于任意气隙磁场波形，在每极范围内，其有效值与平均值的比值，就是波形系数。对于正弦波，有效值为平均值的/(22)=1.112022/12/314School of Electrical Engineering频

3、率:fnp/60其中,n转速，p 极对数每极磁通:其中 B为气隙磁密最大值（磁负荷）Lef为电枢计算长度极距为电负荷为2022/12/315School of Electrical Engineeringp为计算极弧系数，p=Bav/B，当磁路不饱和时，p=0.637则计算功率为整理得采用国际单位制：D、Lefm，BT，PVA，nr/minEaV，AA/m，Wb2022/12/316School of Electrical Engineering2 直流电机电磁功率：因 Na-电枢绕组总导体数故 因 得所以 又因为2022/12/317School of Electrical Engineer

4、ing故得直流机和交流机关系相似二、电机常数对一定功率和转速范围的电机，A、B变化不大，p变化范围更小，因此CA称为电机常数。CA大体上反映了产生单位转矩所耗用有效材料的体积。2022/12/318School of Electrical Engineering 单位体积有效材料产生的转矩，称为利用系数。利用系数与工作制、材料性能密切相关。例例如如使使用高等级的绝缘材料，短时工作制等用高等级的绝缘材料，短时工作制等三、计算功率确定根据额定功率、效率、功率因数等参数近似确定感应电动机：同步发电机:2022/12/319School of Electrical Engineering同步电动机：并

5、励直流发电机：kg考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数并励直流电动机：km考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数四、结论（1）主要尺寸由决定，其它条件相同时，计算转矩相近的电机耗用材料也相近。2022/12/3110School of Electrical Engineering（2）A，B不变时相同功率的电机，转速高的，尺寸较大；尺寸相同的电机，转速高的，功率较大。提高转速可减少电机体积和重量（如减速式电机），但是一定范围内有效。转速升高，n，Pmec,PFe,发热严重，电磁负荷只能降低。机械损耗增加，转动部件的机械应力增加。直流电机:铁耗增加，换向困难 交流电机:转速受极数和频率限制(3

6、)转速一定时，若直径不变而采用不同长度，可得不同功率电机。2022/12/3111School of Electrical Engineering(4)一般变化不大，因此主要尺寸取决于A和B，A和B越高，电机尺寸越小。(5)(5)第二节第二节 电机中几何相似定律电机中几何相似定律为进一步认识主要尺寸与功率、转速和电磁负荷之间的某些规律，分析一系列功率递增而几何形状彼此相似的电机，他们具有相同电流密度、磁通密度、转速和极数。几何形状相似：对应尺寸间具有相同比值。若电机A、B几何形状相似，则 hsA为槽深，bsA为槽宽2022/12/3112School of Electrical Enginee

7、ring2022/12/3113School of Electrical Engineering单位功率下电机重量G、成本Cef、损耗 几何相似定律二、几何相似定律的意义（1）B、J数值保持不变时，对一系列功率递增，几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料重量、成本及产生的损耗均与 成反比，即随单机容量的增大，其有效材料利用率和电机效率均提高。（2）可用来大体上估计与已制成几何形状相似，功率不同的电机的重量、成本和损耗。采用大功率电机代替总功率与其相等的几台小电机。2022/12/3114School of Electrical Engineering（3）上述规律是近似的。实际情况下，它们

8、反映出来的关系因其他条件限制而不得不放弃。如电机损耗正比于L3，冷却表面正比于L2，为了保证温升不超限，随功率增加，必须设法改变冷却系统，从而放弃几何形状的相似。再如：长期工作制 异步机J=3-8A/mm2，短时工作制起动机J=60A/mm2,无法采用几何相似定理。第三节第三节 电磁负荷的选择电磁负荷的选择P、n一定时，主要尺寸取决于 A、B,一般希望取A、B较高，尺寸小、重量轻、成本低。A、B的选择与许多因素有关，不但影响有效材料用量，且对电机参数、性能都有重要影响。2022/12/3115School of Electrical Engineering讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影响，

9、介绍选择方法。一、电磁负荷对性能和经济性影响1.A较大，B不变 （1）尺寸、体积减小，节约钢铁材料 （2）B一定时，铁耗减小（因重量减小）（3）绕组用铜增加，因电机体积小，B不变，每极磁通减小，要保证感应电动势，必须增多匝数 （4）增大了电枢单位表面上的铜耗，绕组温升提高2022/12/3116School of Electrical Engineering其中Rcef为每根导体有效部分电阻，为电阻率，L为导体有效长度，Ac为导体截面积，J导体电流密度。单位表面上铜耗、J一定时，qa随A的增大而增大 一定时，qaAJ(热负荷)，为避免温升过高，AJ乘积不超过一定限度，A选择大，J就相应小些（5

10、）影响电机性能 ,A，漏抗2022/12/3117School of Electrical Engineering感应电动机同步电机同步电机电压变化率增大，短路电流和短路比都减小2022/12/3118School of Electrical Engineering直流电机 换向恶化2.线负荷不变，B较高（1）电机尺寸、体积减小，节约钢铁材料（2）铁耗增加 ，铁耗增加，效率降低，温升提高 2022/12/3119School of Electrical Engineering（3）气隙磁位降和磁路饱和程度增加B B饱和度增加励磁磁势增大用铜量与励磁损耗增加，效率降低，励磁绕组温升提高，永磁体用

11、量增加。（4）影响电气参数和电机特性 ,B，漏抗感应电动机：同步电机电压变化率减小，短路电流和短路比都增大。二、线负荷A和气隙磁密B的选择不应选择过高的A，B，它们的比值也要适当 2022/12/3120School of Electrical Engineering比值影响到铜、铁耗分配，影响效率曲线出现最高的位置。因此经常处于轻载的电机，选较大A，较小B。解释冷却条件好，选A、B高防护式电机的A、B比相同的规格封闭式电机高15%-20%左右。材料绝缘等级绝缘等级高，允许温升高，A、B可选高些（A-105，E-120，B-130，F-155，H-180）；导磁材料好，B可高些；绕组用铝线(电

12、阻率大)，A、B低。2022/12/3121School of Electrical EngineeringA、B与转子圆周速度有关。圆周速度较高的电机，转子和冷却介质相对速度较大，A、B可选得大些。与工作制有关，短时工作制，A、B可选较高。A、B选择考虑因素很多，很难从理论上确定。一般考虑电机工业积累的经验数据，并对比所设计电机与已有电机之间在材料结构，技术要求等方面的异同后选取。随材料、结构、冷却条件改进，A、B一直逐渐提高，使重量、体积减小。Y2系列与Y系列对比：体积小、节约材料、热负荷高2022/12/3122School of Electrical Engineering4 主要尺寸

13、比选择及确定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比选择A、BD2lef 可以细长、粗短引进主要尺寸比=lef/其中=D/2p主要尺寸比对电机性能、经济性、工艺性有较大的影响。1.影响 D2lef不变，较大时，电机细长 电机细长，绕组端部短，端部用铜减少，在正常范围内时，可提高绕组铜利用率。端盖、轴承、刷架、换向器等结构部件尺寸小，重量轻2022/12/3123School of Electrical Engineering 损耗下降，效率提高。铁重不变，铁耗不变，直径变小，机械损耗减小，绕组端部铜耗减小，所以损耗下降。端部较短，端部漏抗小，总漏抗减小 风路长，冷却条件差气体冷却：风路长，冷却条件差，

14、轴向温度分布不均匀封闭式：靠表面散热，细长对散热有利开启式、防护式：为充分发挥端部散热，取小些 转子易弯曲，应保证有足够的刚度2022/12/3124School of Electrical Engineering 转动惯量、圆周速度小，对转速高电机有利，如汽轮发电机 细长的线圈数比粗短的少小，线圈制造工时和绝缘材料消耗少，但是冲片数目多，冲剪和叠压工时增加，冲模磨损加剧，下线难度大，轴应较粗，保证足够刚度。2.选择主要考虑：参数和温升用铜量转子机械强度转动惯量要求感应电机 感应电机性能（起动、过载、功率因数）与漏抗大小有关，因而与有一定关系中小型：=0.4-1.5；大型：=1-3.5 202

15、2/12/3125School of Electrical Engineering极数多的取较大值同步电机a.凸极同步发电机：随极数的增加而增大，中小型同步电机，=0.6-2.5；高速或大型，机械强度限制，转子直径不能太大，值较大3-4。b.同步电动机：异步起动，牵入同步，惯量不宜太大。C.内燃机驱动同步发电机或负载脉动的同步电动机：为了防止电机的电磁固有振荡频率与负载（或内燃机）的强迫振荡频率相近而引起的共振，以及为限制负载时的功率振荡幅值，要求电机有较大的转动惯量，一般小些。2022/12/3126School of Electrical Engineeringd.水轮发电机：飞逸转速高，

16、为保证机械强度，取大值；突然卸全载时，为控制机组转速在一定范围内，保证转速变化不大，需要有一定惯量，取小值，这就产生了矛盾。原则：转速高或容量特大，机械强度问题突出，取大些；转速低，转子机械应力一般不大，惯量重要，取小e.汽轮发电机：2极或4极，转速较高，直径小些，大些；而冷却又希望小些，因此，机械应力突出，在保证机械强度的前提下，通过加强冷却，通过增大电枢长度，使功率增大，一般随功率增大而增大。2022/12/3127School of Electrical Engineering 直流电机大lef，D槽数少每线圈匝数多，从而导致片间电压和er大，换向差 小型电机：换向问题不大，可取大，但为

17、获得足够的槽数，常取低频繁起动：惯量小，取大值大型、高速电机：换向困难，机械应力差，应取大些。通常，中小型：0.6-1.2大型：1.25-2.52022/12/3128School of Electrical Engineering二、确定主要尺寸的方法主要尺寸关系式是确定主要尺寸的理论基础，用其确定主要尺寸时，不够简便。实际中，根据试验经验，采用类比法。根据具体条件，（结构、材料、技术、经济指标、工艺等）参照已生产过的同类型相近规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其他数据。2022/12/3129School of Electrical Engineering若所设计的电机与已生

18、产过的同类型电机极数相同而功率相近，则取则2022/12/3130School of Electrical Engineering2-52-5系列电机及其设计特点系列电机及其设计特点一、系列电机 1系列电机：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。如Y、Y2、Z2、T2企业产品设计：工厂生产的一般为系列电机只有用户要求与系列产品在功率、技术要求和结构等方面差别较大时，才进行专门设计，但仍尽可能利用已有的工艺装备或零部件，降低成本，缩短开发制造周期2022/12/3131School of Electrical Eng

19、ineering 2特点：额定功率按一定比例递增，Y系列0.55kW-250kW 23个等级额定电压按规定的电压等级选一种或几种Y系列380V，Z2系列（电动机110或220V，发电机115V或230V）有一定转速范围或等级Y系列 同步速：3000、1500、1000、750r/min同步发电机：3000（2极）、1500（4极）、1000（6极）、750（8极）规定了系列电机铁心的若干外径尺寸或轴中心高2022/12/3132School of Electrical Engineering 每一中心高对应1个机座号，同一机座号可以有不同铁心长度。机座号：型号 Y100L14。Y系列12个机座

20、号：80、90、100、112、132、160、180、200、225、250、280、315，每机座号有25个不同极数，每一机座号有13种不同长度。315机座有2极（110，130，160kW）、4极（110、312、160 kW）、6极（75、90、110、132 kW）、8极（55、75、90、110 kW）、10极（45、55、75 kW），一共有14个规格Y系列小型三相感应电动机有IP23与IP44两种外壳防护结构型式，对应防护式和封闭式。2022/12/3133School of Electrical EngineeringIP23：能防止手指触及机壳内带电或转动部分，能防止直径大

21、于12毫米的固体进入 与垂直线成60度或小于60度的淋水无有害影响IP44：能防止厚度大于1毫米的工具、金属线或类似的物体触及机壳内带电或转动部分能防止直径大于1毫米的小固体进入（不包括由外风扇送风、吸风的通风孔或封闭式电机的泄水孔）。任何方向溅水于电机，应无有害影响。这些特点为设计、制造、使用和维护带来了方便，如：零部件通用性高，便于成批生产和实现生产过程的机械化、自动化，有利于提高产品质量和产量，降低成本。2022/12/3134School of Electrical Engineering3系列电机分类 基本系列：使用面广、生产量大的一般用途系列 Y系列、派生系列：按不同使用要求，进行

22、部分改动而由基本系列派生出的系列，与基本系列有很多通用性。如JDO2系列多速感应电动机采用多速绕组，JH02系列高转差率感应电动机的转子笼为铝合金，都是从JO2系列派生的，其结构和主要零部件与JO2系列完全相同。专用系列：适用于某种特殊条件但使用面很窄的系列。2022/12/3135School of Electrical Engineering二 系列电机设计特点1.功率按一定规律递增 功率递增系数kp：同一系列中相邻两功率等级之间（P大/P小）kp影响：kp小，功率等级多，易于满足不同用户要求，选用方便，减小过安装容量，使用经济性好，但制造工艺装备增加，管理复杂，制造成本高。kp 选取国家

23、规定 1.6，1.25，1.12，1.06允许不同功率范围采用不同的kp：小功率间稀疏，大功率间密些。2022/12/3136School of Electrical Engineering2、安装尺寸与功率等级相适应。电机的安装尺寸是指电机与配套机械进行安装时的有关尺寸系列电机的安装尺寸一般按轴中心高分级，必须综合考虑机械和电机本身的情况，原则上按优先数系数递增。通常一个轴中心高对应两个功率等级。3、电枢冲片外径的确定。（1）与规定的中心高一致轴中心高一定时，如可能，宜适当放大感应电动机定子冲片外径，对电机性能和工艺有利（1）冲片利用的合理性（2）整个系列外形的匀称性2022/12/3137School of Electrical Engineering4、重视零部件的标准化、系列化和运用化。5、考虑派生的可能性。2022/12/3138School of Electrical Engineering