第二章-电机的主要参数之间的关系

第二章电机的主要参数之间的关系一、什么是主要尺寸？电机的几何尺寸很多，有铁心尺寸、绕组尺寸、外形尺寸、安装尺寸，其它各种结构部件的尺寸。但是究竟哪些是主要尺寸：电机的电磁过程主要是在气隙中进行的，其能量形式的转换则是通过“气隙主磁通”进行的。因此主要尺寸就必定与气隙有密切关系。实践证明，靠近气隙的电枢直径（D）与铁心有效长度（lef）是电机的主要尺寸，而气隙可以说是第三个尺寸。从几何角度看，这些尺寸一经确定了，其它尺寸就大体上确定了，而且不少电磁性能也就基本上为它们左右或稍许变动。efl1iD2D铁心尺寸绕组尺寸其它尺寸大体确定电机的几何尺寸外形尺寸主要尺寸不少电磁性能变化不大安装尺寸（D、lef、δ）电机矢量确定结构部件尺寸电枢直径D：交流电机（定子内径）直流电机（转子外径）二、本章研究内容1．确定主要尺寸依据的基本关系式→选择电磁负荷→确定主要尺寸；2．电磁负荷的选择；3．确定主要尺寸的一般方法§2-1电机的主要参数之间的关系式一、几个物理量即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。出线端输出的电功率发电机轴上输出的功率电动机输出功率额定功率:::NP额定转速：同步速pfn60)(:)/(:2:TBADmWIA值气隙中磁通密度的最大磁负荷米流电枢圆周单位长度上电线负荷电磁负荷电磁功率（计算功率）：电机将电能（机械能）转换成机械能（电能），能量都是以电磁能的形式通过定转子间的气隙进行传递的，与之相对应的功率称为电磁功率。电磁功率在电机设计中用计算功率表示（）P）P一、交流电机中BAnPlDef,,,,与的关系计算功率：)10()(1033KWIEmPKVAmEIPMm──电枢绕组相数；E──电枢绕组相电势；I──电枢绕组相电流)(4伏fNKKEdpNm11.1221mmNmEEEEK平均值有效值其中电势：KNm──气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；f──电流频率；N──电枢绕组每相串联匝数；Kdp──电枢绕组系数；Φ──每极磁通（韦）。efpefavlBlBp每极磁通Φ：Bδ──气隙磁密最大值（T）；Bδav──气隙磁密平均值；──计算极弧系数Lef──电枢计算长度；)(2)72.0~63.0(米pDBBavpτ──极距（米）；DmWIA2电机常数AdpNmpefCABKKPnlD32101.6p电负荷A：D──电枢直径（米）；把上面关系代入：对一定功率和转速范围内的电机，Bδ、、A变动范围不大，、KNm、Kdp变化范围更小，CA一般为常数。)(103KWIEPaanapNEaa60efpefavlBlBpD2DmWIA2ABPnlDpef32101.6ABKKPnlDdpNmpef32101.61dpNmKK三、直流电机计算功率：其中电势：每极磁通：电负荷A：把上面关系代入：比较：直流电机中ACAKAC电机常数AdpNmpefCABKKPnlD32101.6ACpTlDnPlDCefefA260/22)(260是计算转矩TnPPTeflD2AC四、、的物理意义1．①是电机常数：对一定功率范围内电机Bδ、A变动不大，、KNm、Kdp变化范围更小；近似地表示转子有效部分的体积，定子有效部分的体积也和它有关。的物理意义：反映产生单位计算转矩所耗用的有效材料（铜、铝或电工钢）的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。②AKAKACnlDPlDTCKefefAA226021AKAKAKAKACPlDCefA2ACAK2．①是电机常数的倒数，叫作利用系数。②物理意义：表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用程度。在设计方案比较时，往往是一项很好的比较指标，随着电机制造水平的提高，材料质量的改进，将不断增大。并非总是常数，转速一定时，随着电机功率的增大百减小，利用系数和转矩应力则随电机功率的增大而增大。AdpNmpefCABKKPnlD32101.6)/()(nPfKCAAeflD2小结：确定主要尺寸的基本关系式找到→确定A、Bδ、→根据之间的曲线→五、计算功率与额定功率的关系PNP在设计电机时，一般都是给定额定功率，因此应找出与的关系)(10cos311kWImUPNN)(10cos31kWImUPPNNNNN)(10311kVAImEP1.异步电机：输入功率：额定功率：计算功率：比较上两式：NNNNPUEPcos11满载电势标么值：NEUEK1额定负载时感应电势与端电压的比值NPNNcos,EKP给定，给定，可先假设再得到计算功率NNNEPKPcos)10cos(cos31kWImUPPKPNNNNNE输出功率是电功率)10()(3kVAImUPkVAPKPNNNE)()(流而引入系数考虑电枢压降和绕组电gNgKkWPKP)(组电流而引入系数考虑电枢压降和并励绕mNNmKPKP2.同步电动机：3.同步发电机：4.同步调相机：5.并励直流发电机：6.并励直流电动机：AdpNmpefCABKKPnlD32101.6pTlDnPlDCefefA260/22nP六、从确定主要尺寸关系式所得的结论选定A、Bδ，=0.63~0.721.电机的主要尺寸决定于：计算功率P′与转速n之比或计算转矩Ｔ′；可以看出：在其它条件相同时，计算转矩相近的电机所消耗的有效材料相近，功率大、转速高与功率小、转速低的电机其相近，则电机体积是接近。二者可采用相同的电枢直径与某些其它尺寸。2.A、Bδ不变时，相同功率的电机，n↑，尺寸较小；尺寸相同的电机，n↑，功率较大。说明：n↑，可减小电机的体积V和质量M，只能在一定转速下；当n太高的话，机械损耗↑，直流电机铁耗↑，于是只好使A、Bδ↓。如n太高，机械应力T↑；3.转速一定，若直径不变而采用不同长度可得不同的功率的电机；4.、KNm、Kdp一般变化不大，电机的主要尺寸在很大程度上和选择的A、Bδ有关，A、Bδ↑，电机的尺寸就愈小。pACnPnPnP,,和eflD,ACnP,一定eflD2pnP,eflD2eflD2AC结论：1.是常数，电机主要尺寸决定于（T′）基本相同；2.一定，↓3.、KNm、Kdp一定，给定，决定于A、Bδ，选A、Bδ↑，↓；4.一定，n一定，D一定，lef↑，P′↑，可得不同容量。T′相近（），电机体积上基本相同，§2-2电机中的几何相似定律概述1.什么是几何相似？指电机对应的尺寸具有相同的比值。如：A、B两台电机若是几何相似，则它们的对应尺寸成比例，即：),(分别指槽高和槽宽SSSBSASBSABABAbhbbhhllDD)(GMefCP4/14/31PPPPpPCPGef2.几何相似定律：在电流密度、磁感应强度、转速、频率保持不变时，对一系列功率递增，几何相似的电机，每单位功率所需有效材料的质量的1/4次方成反比的定律称几何相似定律。、成本及产生的损耗与功率fnBJ,,,lP1.证明：条件：保持不变①长度与功率之间的关系):;:()44.4()10(3导体裁面积电流密度CCFeFedpNmSJJSINBSEBSfNKKENEkVAmEIPEIPP),,(CcuCFeNSSJBJSNBSP保持不变41422PllPlSlSSSPcuFecuFe代入，pCGef,,PlefCp)(GM4/34/34/33PpGpPCGCPGlGefef②与的关系有效材料的成本与损耗与成正比。有效材料重量与体积成正比，也与长度的立方成正比；)(GMefCP4/14/31PPPPpPCPGeffnBJ,,,)(GMefCp41P③单位功率所需有效材料的质量、成本及产生的损耗与功率的关系即得：几何相似定律：在对一系列功率递增、几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料的、成本及产生的损耗与功率成正比。保持不变时，4．用途：①这定律可用来大体上估计与已制成电机几何相似，但功率不同的电机的质量、成本或损耗不同；②也可用来分析通常是几何相似的系列中各规格电机之间的对应关系。5．解释几个问题①为什么在可能的情况下尽可能采用大功率电机来代替总功率相等的数台小功率（为什么要提高单机容量）？随着单机容量增加，其有效材料的重量、成本的增加相对容量的增加要慢。因此有效材料的利用率提高了，损耗增加相对容量增加也慢，因此效率提高了。人们常说的电机怕效率也就是这个道理。G②为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要（也就是人们常说的大电机怕温升）？ll电机损耗与长度的立方成正比，而冷却表面却与长度成正比，功率，长度，损耗冷却表面，故电机温升因此就必须设法改变冷却系统或冷却方式，放弃它们的几何形状相似。§2-3电磁负荷的选择根据确定主要尺寸的关系式来看：ABKKPnlDdpNmpef32101.6在正常的电机中，dpNmpKK,,实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，主要尺寸eflD2就决定于电磁负荷BA,从上式看出，越大越小，质量越轻，成本越低。因此希望一点好。但是选择与许多因素有关，它将影响电机的其它性能，它不但影响有效材料的耗用量，对电机的参数、启动和运行影响较大。究竟如何选择才好？下面介绍具体选择方法。BA,eflD2BA,BA,),,(,,1,,,2运行启动参数对性能影响大一定时变化不大efefdpNmpCMBAABlDnPKK一、电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（一）电负荷A较高DmNIA2沿电枢圆周单位长度上的总电流（安/米）1．优点：①电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料；),,,,(12一定时变化不大nPKKABlDdpNmpefeflDA2,—电机有效材料近似表示转子有效部分体积eflD2②一定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。BδFeefplDA,,2（B一定时）2．缺点：①绕组用铜（铝）量将增加；用铜量一定时一定时,,,)4(,,,2NUEKfNKEBlDAdpNmef②增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增大；∵绕组有效部分（即槽内部分）的铜耗为：导体有效部分长度导体材料电阻率每根导体有效部分电阻lRJmNIlISlNmIRNmpcefccefcut2)2()2(22电枢表面的铜（铝）耗为：温升一定时当每相串联匝数导体电流密度导体截面积米瓦,,,,)/(22accutaqAJNJSAJDlJmNIlDlpqeflDA2,电机温升→AJ热负荷的大小→温升不超过一定限度→AJ不能超过一定限度→A↑，J↓→有铜量↑（ccSJSIJ,,）③改变了电机参数和电机特性。由后面4-3可知交流绕组的电抗（互感电抗或漏电抗）的标么值),,,(,,2**NXNBAXBAKBAKX一定一定比例常数1）异步电机：启动转矩↓，最大转矩↓，启动电流↓；2）同步电机：电压变化率↑，短路电流↓，短路比↓，稳定度↓；3）直流电机：换向恶化，换向时电抗电势和电枢反应电势影响换向电流的变化。（二）气隙磁密Bδ较高1．优点：电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。),,,,(12一定时变化不大nPKKABlDdpNmpef用铁量,,2eflDB2．缺点：①使电枢基本铁耗增大；基本铁耗=铁心质量×比损耗（单位质量铁心中损耗）a)电枢铁心质量,,2