电机设计第部分精选PPT.ppt
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1、电机设计第部分第1页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系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
2、率因数无关 第2页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系的计算功率 的关系。交流电机的计算功率 (三相感应电动机 );当气隙磁场为正弦分布时,认为第3页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系 -气隙磁通密度的最大值(幅值),简称气隙磁密。-计算极弧系数,-气隙平均磁密;气隙磁密正弦分布时,-电枢铁心的计算长度或有效长度;极距-电枢铁心直径;线负荷 :电枢圆周 单位长度上的安培导体数;第4页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系 将上面式子代入式 整理得交流电机主要参数的关系式:对直流电机:电枢电势 电枢电流 功率得:与交流电机主要参数的关系式比较得直流电机
3、代入直流电机计算;故电机的主要参数关系式:第5页,此课件共58页哦 2.1 电机的主要参数之间的关系对于一定功率和转速范围的电机,变化不大,可认为是常数,故 称电机常数。-计算转矩 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 反映了产生单位计算转矩所耗用 的有效材料的体积,即结构材料的耗用量。令 -利用系数,它表示单位体积有效材料所产生的计算转矩;第6页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系随着技术水平的提高,利用系数将不断增大。计算功率 和额定功率 的关系:感应电动机 同步发电机 由 得:第7页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系电机的主
4、要尺寸由其计算功率和转速之比 或计算转矩 所决定;功率较大,转速较高的电机可能和功率较小,转速较低的电机的体积接近,可能一些尺寸相同,如端盖,机座可通用;电磁负荷 、不变时,相同功率的电机,转速较高的,尺寸较小;尺寸相同的电机,转速较高时,则功率较大,即提高转速可减少电机的体积和重量。注意:提高转速只能在一定范围内,若转速过高时,电机机械损耗等会随之增大,从而引起其它参数变化;转速一定时,若电枢铁心直径不变,而电枢铁心长度不同时,可得到不同功率的电机;第8页,此课件共58页哦2.1 电机的主要参数之间的关系一般 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 、有关,、选得越高,电机的尺
5、寸就越小。第9页,此课件共58页哦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:分别为槽高及槽宽。而 各与长度 的平方成正比;当 一定时 第10页,此课件共58页哦2.2 电机中的几何相似定律概述又有效材料的重量 与体积成正比,即与的立方成正比,而有效材料的成本 、损耗 均与重量成正比。整理得:上式即为几何相似定律。它表明,在铁心磁密 及绕组导体电密 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
6、均与功率的1/4次方()成反比。第11页,此课件共58页哦 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 ,其冷却表面 。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。第12页,此课件共58页哦2.3 电磁负荷的选择电磁负荷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
7、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 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。第13页,此课件共58页哦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 ,电机基本铁耗增加。由于电枢铁芯中的磁密与 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 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
8、、效率降低及在冷却条件不变时温度将升高。(5)A与 应选择恰当的比值。由于励磁电流标么值,选取较高 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。第14页,此课件共58页哦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 确定电磁负荷。第15页,此课件共58页哦2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定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,若选定好电磁负荷后,由电机主要参数关系式:可初步确定电机的,但
9、 相同的电机,可以设计成细长,也可做成粗短。如何具体确定电机的电枢铁心直径 及电枢铁心的有效长度 ,引进电机的主要尺寸比。显然 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:电机的参数与温升;节约同铜;第16页,此课件共58页哦2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定转子的机械强度;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;大型感应电机,极数较多时取较大值。2)同步电机:中小型同步电机 ;对高速或大型同步电机 ;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 ;大些直流电机 。
10、第17页,此课件共58页哦2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定2.4.2 确定主要尺寸的一般方法首先由电机的额定功率求出计算功率;由计算功率和转速,根据有关曲线或经验求出电磁负荷;从而由主要参数关系式求出 ;根据推荐的数据选用适当的主要尺寸比 ,再确定出电机的主要尺寸 ;对交流电机,再参照定子铁心内外径比的经验值,确定定子铁心外径值 ,参考标准外径值,转为取标准外径值,再对定子铁心内径及铁心长度进行调整。表1为交流电机定子铁心的标准外径。第18页,此课件共58页哦2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定 工厂里常采用“类比法”来确定主要尺寸。“类比法”就是根据已生产过的同类型相近规格所设计电机
11、的具体数据,直接初选主要尺寸和一些数据。若现要设计电机,已生产过同类型电机,极数相同而额定功率不同。则有:,选取;第19页,此课件共58页哦2.4 电机主要尺寸比及主要尺寸的确定,取;电势且 因为,则有极距不变,所以。第20页,此课件共58页哦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 0.55kW250kW 从分23个等级;系列电机的额定电压
12、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 第21页,此课件共58页哦2.5 系列电机及其设计特点机铁心的若干外径尺寸或轴中心高数值,每一外径或轴中心高对应一个机座号。每个中心高有几种铁心长度,对应不同的功率等级。Y132M1-6 Y132M2-6 Y132S-6。系列电机分类:基本系列:使用面广,生产量大的一般用途电机;派生系列:进行部分改动而有基本系列派
13、生出来的系列;专用系列:适用于某种特殊条件使用面很窄的系列。如轧钢用系列电动机。第22页,此课件共58页哦2.5 系列电机及其设计特点2.5.2 系列电机的设计特点功率按一定规律递增;安装尺寸和功率等级相适应;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;交流电机系列定子冲片外径的确定应与轴中心高一致;重视零部件的标准化、系列化和通用化。系列电机量大,零部件尽量采用“三化”-标准化、系列化和通用化,可提高通用性及互换性,降低生产成本,维护方便;考虑派生的可能性。第23页,此课件共58页哦2.6 磁路计算2.6.1 概述 电机绕组通过电流产生磁场。电
14、机磁通构成的闭合路径-磁路。磁路计算的目的就是确定产生主磁场所需要的励磁磁势、励磁电流,从而进一步计算电机的空载特性,以及校核电机各部分磁密选择得是否合适。1、磁路计算所依据的基本原理-全电流定律 由于电机磁场的对称性,分析磁场时只要分析相邻两极磁场的分布情况就行了。右图为电机一对极的磁路。第24页,此课件共58页哦2.6 磁路计算虚线为磁力线或磁通,磁力线具有不相交特性及在电机内是闭合的特性。由全电流定律知,磁场强度沿任一磁力线所构成闭合回路的线积分即磁势等于闭合回路所包围的全电流。数学表达式为 ;对电机磁路 正好为包围相邻两磁极N、S的磁势,即每对极励磁磁势。为便于分析,取磁力线的闭合回路
15、路径即磁路为通过磁极中心线的路径。电机每对极磁路的磁势消耗在磁路上,该磁路分为五段空气隙;定子齿(或磁极-直流电机);转子齿(或磁极-同步电机);定子轭;转子轭。即这五段磁路上的磁势之和就是每对极的励磁磁势 ,。每极的磁势为。第25页,此课件共58页哦2.6 磁路计算以后计算的磁势是指每极的,磁路长度 取一半长。这五段磁路中,气隙的磁势最大,约占整个磁势的 。2、电机中常用的磁性材料 电机电枢铁心一般采用涂漆的硅钢片叠压而成,磁极采用低碳钢板等。硅钢片按工艺分为热轧和冷轧两种,其中冷轧的性能比热轧的好,目前大型电机采用冷轧硅钢片。由于我国制造工艺等原因中小型电机大多采用热轧硅钢片。第26页,此
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