电机设计 课件

电机设计电机无处不在一、发电机提供强大的电力二、工业设备需要电机三、家用电器不能没有电机四、时尚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，它究竟是什么？电机的基本结构与原理BLIf一、直流电机基本原理的公式体现：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(2cos111tfIitfIitfIimCmBmAn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=BIL电机设计所要解决的主要矛盾：所用材料（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发展趋势•一、我国电机制造业的发展概况•（一）品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高•（二）积极采用新技术、新材料、新结构与新工艺•（三）标准化、系列化和通用化程度不断提高•（四）积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究•二、国外电机制造工业的近况与发展趋势•§1-2电机设计的任务与过程•一、电机设计的任务与对设计人员的要求•1、具备过硬的电机设计技术；•2、设计人员要注意贯彻国家的技术经济政策，努力使产品既满足使用要求，又尽可能地降低成本；3、设计人员应认真地听取有关人员的意见和建议，注意理论与实际、设计与工艺相结合，认真进行调查研究、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下列数据：（1）额定功率；（2）额定电压；（3）相数及相间的连接方式；（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）准备阶段收集资料，即相关的国家标准、相近的电机技术资料包括试验数据。在分析资料的基础上编制技术任务书。（二）电磁设计根据技术任务书的规定，进行电磁计算，确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能。（三）结构设计确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格等。§1-3国家标准电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一定要求的文件，它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。生产部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家标准规定的要求。有关电机的国家标准有以下几种类型：1、国家颁发的标准，代号为GB，例如，《GB755-87电机基本技术要求》等；2、部颁标准，代号为JB，例如，《JB3074-82Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件》等；3、各种电机的试验方法。国家标准通常是根据一定时期的国民经济发展水平来制定的，因而在一定的历史条件下是先进的、合理的。它随着科学技术和生产的不断发展而逐步提高，于是国家标准也要随之修定，而提出更高的标准要求。§1-4国际标准交流电动机总体结构机壳底座端盖定子铁心定子绕组转子转轴f=Bδi2L定子轭部磁密：1.5T定子齿部磁密：1.5T转子齿部磁密：1.5T转子轭部磁密：1.5T气隙磁密：0.6~0.7TU≈E=4.44fkwWΦ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，则是指定子外径。•确定主要尺寸是设计电机的第一步。因为主要尺寸确定以后，电机的重量、价格、工作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密切的关系，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NmdpNmdpKfNKKfNKEefpefavlBlB'每极磁通气隙磁密波形示意图.,,,'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avavpBBBBDmNIAApD2:2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mEIPlpDBKmIDApnKlpDBNKpnKlBNKpnKfNKKEefpdpNmefpdpNmefpdpNmdpNmABKKPnlDdpNmpef''21.6ABPnlDpef''21.6: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：AdpNmpefCABKKPnlD''21.6.,260260:.,,,,,,'''2'2'2'2'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材料的体积。反映了材料的消耗量。nlDPlDTCKCefefAAA2'2'6021:的倒数为KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩。它的大小反应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：其一是材料的质量；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来决定：.cos:1'与端电压之比为额定负载时感应电势感应电机又称异步电机ENNNEKPKPNNEPKPcos: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′所决定。在其它条件相同时，T′相近的电机所耗用的材料也相近。2、电磁负荷A和Bδ不变时，相同功率的电机，转速较高的，尺寸较小；或尺寸相同的电机，转速较高的，则功率较大。表明提高转速可以减小电机的体积。3、转速一定时，若直径不变而采用不同的铁心长度，则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、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。§2-2电机中的几何相似定律案例讨论：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，问从经济因素考虑，应选择二台容量较小的电机还是选择总容量相同的一台电机？一般而言，对于相同转速（即极数也相同），不同容量的电机间，有相似的几何形状，对应尺寸有相同的比值，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)(00'00前式又改写为因此为导体的截面积为电流密度又因为41'4'4222pllp，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41''43''43'331ppppG，）（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表明，随着单机容量增大，其有效材料的利用率均将提高。该定律得出的结论是：对于几何形状相似的电机，单位功率所需的有效材料与功率的1/4次方正反比。即随着单机容量的增大，有效材料的利用率将提高。§2-3电磁负荷的选择AdpNmpefCABKKPnlD''21.6根据上式，由于αp′、KNm、Kdp实际上变化不大，因此当计算功率P′与转速n一定时，电机的主要尺寸取决于电磁负荷A、Bδ。显然：′成本重量体积efAlDCBA2,所以，人们总希望选取较高的A和Bδ，但是，过高的A和Bδ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Bδ不变1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；2、由于Bδ一定，以及铁心重量减轻，铁耗也随之减小；3、绕组的用铜量增加；用铜量体积因为dpNmFepFefKKENABA4:'4、增大电枢单位表面上的铜耗，使绕组温升增高；5、影响电机参数与特性。因为匝数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，则会使换向恶化。（二）气隙磁密Bδ较高，线负荷A不变1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；2、使电枢基本铁耗增大；3、气隙磁位降和磁路的饱和度增加；4、影响电气参数与电机性能。二、线负荷A和气隙磁密Bδ的选择电磁负荷选择时关联的因数很多，很难单纯地从理论上加以确定。要根据具体条件来选择。1、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A、Bδ可选高些。2、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。3、电机的通风冷却条件好，则电磁负荷可选高些。随着电工材料性能的不断提升及制造工艺的不断进步，电机的电磁负荷一直逐步提高，从而使电机的体积、重量不断减小。§2-4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比的选择在选择了A和Bδ后，由式：AdpNmpefCABKKPnlD''21.6即可初步确定电机的D2lef。但是对相同的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形状关系，引入一个尺寸比的系数：efl现分别说明不同类型电机对λ值的选择。若D2lef不变而λ较大：1、电机将较细长。好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。因此单位功率材料消耗较少，成本较低。2、电机体积未变，因而铁的重量不变，在同一磁密下的基本铁耗不变。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，则铁心冲片数目增多，冲片加工与铁心叠压工时增加；因铁心直径较小，嵌线难度增大，嵌线工时增多。6、电机细长，则转子转动惯量减小，对于要求频繁起动运行的电机是有利的。综上所述，当选择λ值时，通常要考虑的因数有：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λ值的范围。（一）感应电机即异步电机通常λ=0.4~1.5，对大型感应电机则为λ=1~3.5，（二）同步电机对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的λ=0.6~2.5，其上限为多极电机。对于高速或大型同步电机，由于转子材料机械强度的限制，λ值选得较高，达3~4。（三）直流电机通常，中小型直流电机的λ=0.6~1.2，大型直流电机的λ=1.25~2.5实际设计时，λ值的选择往往需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的判断。二、确定主要尺寸的一般方法efdpnmpefdpdpdpNlDABKKPnlDKKKBAnPP2''2',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。在实际应用中，人们根据实践经验，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具体条件（如结构、材料、技术经济指标、工艺等）参照已生产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生