电机优化设计_第二讲_电机主要结构尺寸的确定

电机优化设计第二讲电机主要结构尺寸的确定讲课人：封海潮2015年3月提要电机的设计任务书电机的主要尺寸参数（长、径、气隙）；电磁负荷的选择与主要尺寸的确定；电机的几何相似定律；系列化电机的设计。1电机的设计任务书产品规格额定功率相数及连接方式额定电压额定转速（频率、极数）技术要求效率、功率因数可靠性温升稳定性运行条件工作制使用环境2电机的主要尺寸参数电机的“身材”2电机的主要尺寸参数电机尺寸三要素电枢直径D铁芯长度L气隙δ让姚明去举重？让王国政来打篮球？直流电机D—转子外径交流电机D—定子内径长径比转矩电机的“身材”人身高三围力量速度肌肉电机轴向长度L电枢直径D功率P速度n电磁负荷A、B短粗的电机——低速力矩电机长细的电机——高速伺服电机王国政——举重姚明——打篮球主要尺寸公式mEIP'dpNmdpfNKKfNKE444.4efpefavlBlB'计算功率P`——电磁功率以交流电机为例：电枢绕组相电势：KNm气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时为1.11；Kdp绕组系数，单层绕组—0.96，双层绕组—0.92；N每相串联导体数；f频率Φ每极磁通α`p计算极弧系数τ极距60pnf72.0~63.0'BBavppD2主要尺寸公式线负荷A：电枢圆周单位长度上的电流导体数（安匝数）则：efpdpNmefpdpNmefpdpNmdpNmlpDBKmIDApnKlpDBNKpnKlBNKpnKfNKKE2260426046044'''DmNIA2mEIP'代入并化简：ABKKTlDnPlDdpNmpefef'2'21.6260电机常数CA单位计算转矩所耗用有效材料的体积，反映材料的消耗量！一定功率和速度范围的电机，Bδ、A变化不大，且α`p、KNm、Kdp变化范围也不大，故CA近似为常数。主要尺寸公式对于直流电机：则：DaNIAaa2IEPa'ABTlDnPlDCpefefA'2'21.6260napNnCEaEa60Na气电枢绕组总导体数；a电枢绕组的并联支路对数。1dpNmKK其：利用系数KAefefAAlDnPlDTCK2'2'6021单位体积有效材料及单位额定速度所能产生的计算功率（视在功率），反映材料的利用率，与材料性质和工艺水平有关。计算功率P`的选取NNNNImUPcos计算功率为电机的电磁功率（视在内功率），可由给定的额定功率PN来决定。NNNENNNNPKPUEmEIPcoscos1'对于异步电动机：NNNNImUPcosNNNEPKPcos'对于同步电动机：NNNImUPcosNNEPKPcos'对于同步发动机：KE满载电势标幺值。电机的主要尺寸由其计算功率P`或计算转矩T`决定。在其它条件相同时，T`相近的电机耗用的材料相近。电磁负荷A和Bδ不变时，相同功率，转速高尺寸小；或尺寸相同电机，转速高功率大；通过提高转速可减小电机的体积（Y160L-6-11kW与Y160M-4-11kW）。转速和直径一定，不同铁心长得到不同功率的电机。S短基座号、M中基座号、L长基座号。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。重要结论ABKKTlDnPlDCdpNmpefefA'2'21.6260Y系列三相异步电动机技术数据3.1电磁负荷的选择1.660212'2'ABKKlDnPlDTCKdpNmpefefAA利用系数KA成本重量体积efAAlDCKBA2,人们总希望选取较高的A和Bδ，可以提高有效材料的利用率，但过高的A和Bδ也带来负面影响，对电机的参数、起动和运行性能、可靠性等都有影响。电磁负荷对电机性能和经济性的影响线负荷A较高，气隙磁密Bδ不变电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；由于Bδ一定，以及铁心重量减轻，铁耗也随之减小；绕组的用铜量增加；用铜量体积dpNmFepFefKKENSBS4增大电枢单位表面上的铜耗，使绕组温升增高；影响电机参数与特性：匝数增多，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；同步电机，电压变化率增大等；对直流电机，电势增加，使换向恶化。2112'211112122[()]mmpTUfrrxx'22'2112()mrsrxx'2211'2'2211122()()rmpsTUrfrxxs异步电动机转矩特性方程电磁负荷对电机性能和经济性的影响气隙磁密Bδ较高，线负荷A不变电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；铁耗与磁密Bδ的平方成正比，铁耗增加速度比铁芯减少的速度快，效率降低，可能导致温升提高；气隙磁压降和磁路的饱和程度增加：ABIm*BAX*励磁电流标幺值：漏抗标幺值：对直流电机：需要增加励磁，励磁损耗增加，效率下降；对异步电机：激磁电流分量增加，功率因数下降；同时，漏抗的减少，电机的堵转转矩及过载能力将提高，但堵转电流增加。线负荷A和气隙磁密Bδ的选择A与Bδ值不易过高，而且比值要适当：其除了影响电机的参数和特性，还与电机铜耗、铁耗的分配相关，也即会影响电机效率曲线上出现最高效率的位置；应综合考虑电机的冷却条件、材料、绝缘等级、功率、转速、电机的结构形式等。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，电磁负荷可选高些；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；电机的通风冷却条件好，则电磁负荷可选高些。3.2主要尺寸的确定ABKKTlDnPlDCdpNmpefefA'2'21.6260主要尺寸比efl主要尺寸比：电磁负荷A和Bδ选定后，即可求解得到D2lef；引入尺寸比系数λ：λ大电机细长，λ小电机粗短。D2lef不变，λ较大时电机较细长：绕组端部变短，端部用铜量减少，绕组的铜的利用率提高；端盖、轴承等结构部件尺寸变小，重量减轻；单位功率材料消耗较少，成本较低。总损耗下降，效率提高：体积未变，基本铁耗不变；铜耗下降；机械损耗因直径的变小而减小。绕组端部较短，因此端部漏抗减小。对散热的影响：加长了轴向风路和风阻，散热条件变差。对加工和工艺的影响：冲片数目增多，冲片加工与叠压工时增加；结构细长嵌线难度增大，嵌线工时增多。转动惯量小：对于要求频繁起动运行的电机是有利的。主要尺寸比异步电机中小型电机，λ=0.4~1.5，对大型感应电机则为λ=1~3.5主要尺寸比的选择范围同步电机凸极同步电机：中小型λ=0.6~2.5，其上限为多极电机。高速或大型同步电机：转子材料机械强度限制，λ=3~4。直流电机中小型λ=0.6~1.2，大型λ=1.25~2.5。λ大，电枢细长，不利于换向，直流电机一般λ值较小。Y系列三相异步电动机技术数据计算法主要尺寸的确定方法根据额定功率PN等，计算计算功率P`；由P`、n、A、Bδ等，计算D2lef；选取合适的主要尺寸比λ，计算得到lef和D；根据内外径比经验值，估算电机外径D1，并调整D和lef。NNNEPKPcos'ABKKTlDnPlDCdpNmpefefA'2'21.6260对于交流电动机：efl类比法主要尺寸的确定方法根据所设计电机的具体条件，结合已有同类型相似电机的设计和试验数据，初步选择主要尺寸及其他数据。ABKKTlDnPlDCdpNmpefefA'2'21.626021212121222121,,NNefefNNefefPPllDDPPlDlD则有如果选取例如：要设计的电机与同类型电机具备相同的极对数，而功率不相同，则由可近似认为：4电机的几何相似定律。bhbbhhllDDsssBsAsBsABABA分别为槽高和槽宽与其中,所谓几何相似，是指电机对应的尺寸具有相同的比值。一般而言，相同转速不同容量电机间，有相似的几何形状，对应尺寸有近似相同的比值。几何相似定律Y系列三相异步电动机技术数据3/41/41efCGpPPPPPP电流密度、磁感应强度、转速和频率保持不变时，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G、成本Cef及损耗∑p与功率P`的1/4成反比。几何相似定律计算功率：FeNBSNEEIPmEIP'',即有dpfNKE44.4f不变时：又因：I=JS0，J为电流密度，S0为导体截面积2lDlSFecuFeFeSSJSNBSP0'B、J不变：20lbhNSSsscu因此41'4'PllP或重量G、成本Cef、损耗∑p：43434332PGpPGCPlDlGef证明过程几何相似定律重要结论3/41/41efCGpPPPPPP有效材料的重量、成本、损耗的增加要比容量增加的慢；随着功率增大，电机的有效材料利用率提高，成本降低；随着功率增大，电机的损耗相对减小，效率提高；随着功率增大，电机的功率密度提高。带来的温升问题：lSlGp冷却表面,3随着功率的增加，温升问题凸显，有时需要放弃几何相似。问题：为什么要尽可能用大功率电机来代替总功率相等的多台小功率电机？5系列化电机的设计系列电机电机产品通常按系列生产，以便利用已有的工艺装备，降低成本和缩短研发生产周期。系列电机就是在应用范围、结构型式、性能水平，以及生产工艺等方面有共同性，功率按一定比例系数递增，并成批生产的一系列电机。基本系列：Y系列三相异步电动机；Z2、ZF、ZD系列直流电机；T2、TD系列同步电机等。派生系列：ZJD系列大型轧钢及卷扬用直流电动机、Y2系列三相异步电动机等。专用系列：特殊应用，如FXD系列纺织系列电动机等。系列电机的设计特点功率按一定规律递增：相邻两功率等级之比或称为功率（容量）递增系数，按照“GB321-64优先数和优先数系”选取；可在小功率范围内采用小的递增系数，在大功率范围内采用大的递增系数，所谓复合优先数系。安装尺寸和功率等级相适应：系列化电机的安装尺寸一般按轴中心高分级，原则上也应按优先数系递增；系列化设计时，需要确定功率等级与轴中心高的对应关系；轴中心高等级太少，则可减少电机制造时的工艺设备，方便用户安装，但电磁设计将不够合理，材料得不到充分利用。通常一个轴中心高对应2~3个功率等级。系列电机的设计特点电枢冲片外径的确定要综合考虑三个因素：与轴中心高一致；硅钢片利用的经济性；整个系列外形的匀称性。重视零部件的标准化、系列化和通用化，降低生产成本和方便使用维修：有时为了提高冲模、铸造模、夹具、量具等的通用性，宁愿适当降低电机的性能。考虑派生的可能性：作少量改动即派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊环境与特殊使用条件方面的要求系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中一种或几种：如Y系列为380V系列电机有一定的转速范围或等级：Y系列、Y2系列小结电机的设计任务书的主要内容电机的主要结构尺寸及其计算公式主要结构尺寸对电机的影响及其选择方法电机的几何相似原理及其应用：电机的系列化设计课后作业及下节课内容查看Y系列、Y2系列等常用系列化电机的技术参数，深刻理解电机的几何相似原理。温习磁路计算的相关定理。下节课要点：电机的所用材料及其特性；电机内的磁场初步；电机的磁路计算。谢谢大家！手机号码：[phone]QQ号码：109899352