电机设计

电机设计基础主讲：陈颖湖南工业大学电气与信息工程学院第一篇旋转电机设计电机设计概述电机的主要参数之间的关系磁路计算参数计算损耗与效率电机的冷却发热计算结构设计与机械设计噪声与振动感应电机的电磁设计电子计算机在电机设计计算中的应用第1章电机设计概述电机制造工业的近况与发展趋势电机设计的任务与过程国家标准国际标准1.1电机制造工业的近况与发展趋势一、单机容量迅速增长为什么单机容量要增加？从制造角度看，功率大，材料越省，效率高，电机材料选用率提高；从运行角度看，功率大，机组数目少，运行人员少，维修费用减小。二、向多品种发展我国中小型电机系列有72个系列，531个品种1.1电机制造工业的近况与发展趋势J2、JO2第二次统一设计J、JO第一次统一设计基本系列：异步电机Y、YO第三次统一设计（性能好，效率高，噪声小）1.1电机制造工业的近况与发展趋势二、向多品种发展派生和专用系列防爆、船用、潜水单绕组多速、力矩、起重冶金等1.1电机制造工业的近况与发展趋势三、积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺新技术应用电子计算机计算异步电机单绕组多速和Y-△混合绕组直流机的可控硅供电、无槽电枢双水内冷却技术、直线电机1.1电机制造工业的近况与发展趋势新材料绝缘材料：主要采用E、B级，向B、F级过渡环氧玻璃粉云母带无溶剂浸渍漆聚酰亚胺DMD复合绝缘玻璃钢导磁材料：向冷轧方面发展1.1电机制造工业的近况与发展趋势新工艺小型电机的基座与转轴加工自动线总装试验自动线静电喷漆自动线中型电机转子导条环氧粉末涂敷新工艺机座射压造型新工艺1.1电机制造工业的近况与发展趋势四、标准化、系列化、通用化程度不断提高五、积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场的研究；磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电的研究。1.2电机设计的任务与过程电机设计的任务①根据用户提出的产品规格（功率、电压、转速）和技术要求（效率、参数、温升、机械可靠性）；②结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况；③运用有关的理论和计算方法；④正确处理设计中遇到的多种矛盾；设计出性能好，体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用、维修方便的先进产品。1.2电机设计的任务与过程设计的依据给定：（1）额定功率（2）额定电压（3）相数及相间连接法（4）额定频率（5）额定转速（6）额定功率因数对于感应电机通常给定（1）-（5），同步电机给定（1）-（6），直流电机给定（1）、（2）、（5）1.2电机设计的任务与过程电机设计过程①准备阶段：熟悉国家标准；收集相近电机样本和技术资料；听取生产使用单位的意见要求；编制技术任务或技术建议书。②电磁设计：根据技术条件或技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算方案比较来确定与所设计电磁性能有关的一些尺寸和数据，选定有关材料，并核算电磁性能。③结构设计：机械结构、零部件尺寸、加工要求、材料；机械计算；通风计算；温升计算。1.2电机设计的任务与过程电机设计过程1.2电机设计的任务与过程对设计人员的要求①了解国家的技术经济政策；②本厂的工艺要了解；③要了解用户提出的规格要求；④要熟悉前人的经验知识。1.3国家标准国家标准（代号GB）：对电机的一般要求规定和技术要求；GB755-87电机基本技术要求：各类电机技术要求、铭牌、线端标志；GB760-65电机安装尺寸和外形尺寸的代号、规定各类电机的安装和外形尺寸代号。1.3国家标准部颁标准（代号JB）：对某一类电机的技术要求、额定数据、使用条件；JB1104-68Z2系列小型直流电机技术条件。各类电机试验方法：GB1032-68中小型三相异步电动机试验。1.4国际标准国际标准：指国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）所制订的有关标准。IEC的第二技术委员会（简称TC2）是专门制订旋转电机标准的机构，它目前设有6个分技术委员会，分管汽轮发电机，尺寸和功率等级，电刷、刷握、换向器和集电环，试验方法和程序，外壳防护、冷却方式和安装以及电机绝缘分级等工作。第2章电机的主要参数之间的关系电机的主要参数之间的关系式电机中的几何相似定律概述电磁负荷的选择电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法系列电机及其设计特点第2章电机的主要参数之间的关系什么是主要尺寸？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。第2章电机的主要参数之间的关系电机的几何尺寸铁心尺寸绕组尺寸外形尺寸安装尺寸结构部件尺寸主要尺寸eflD其它尺寸大体确定不少电磁性能变化不大1iD2D电枢直径D：交流电机（定子内径）直流电机（转子外径）1、主要尺寸第2章电机的主要参数之间的关系本章研究内容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2、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。:::NP电动机轴上输出的功率额定功率输出功率发电机出线端输出的电功率额定转速：同步速pfn602.1电机的主要参数之间的关系式2、几个物理量)(:)/(: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2.1电机的主要参数之间的关系式计算功率：310()PmEIKVAm──电枢绕组相数；E──电枢绕组相电势I──电枢绕组相电流2、几个物理量)(4伏fNKKEdpNmKNm──气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；11.1221mmNmEEEEK平均值有效值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）。2.1电机的主要参数之间的关系式电枢绕组相电势：3、交流电机中的关系,,,,efDlPnAB与2.1电机的主要参数之间的关系式每极磁通：avefpefBlBl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；τ──极距（米）；p)(2)72.0~63.0(米pDBBavp3、交流电机中的关系,,,,efDlPnAB与2.1电机的主要参数之间的关系式DmWIA2电负荷A：3、交流电机中的关系,,,,efDlPnAB与2.1电机的主要参数之间的关系式把上面关系代入：电机常数AdpNmpefCABKKPnlD32101.6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。p3、交流电机中的关系,,,,efDlPnAB与2.1电机的主要参数之间的关系式直流电机计算功率：)(103KWIEPaa其中电势：napNEaa60每极磁通：efpefavlBlBpD2电负荷A：2aaINAaD把上面关系代入：ABPnlDpef32101.61dpNmKK2.1电机的主要参数之间的关系式、的物理意义ACAK1．AC电机常数AdpNmpefCABKKPnlD32101.6①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；pTlDnPlDCefefA260/22)(260是计算转矩TnPPT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。AC2efDl2.1电机的主要参数之间的关系式AK2．nlDPlDTCKefefAA226021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。、的物理意义ACAK在设计方案比较时，利用系数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，利用系数将不断增大。2.1电机的主要参数之间的关系式并非总是常数，转速一定时，随着电机功率的增大而减小，利用系数和转矩应力则随电机功率的增大而增大。AC2efAnDlCP小结：AdpNmpefCABKKPnlD32101.6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→)/()(nPfKCAAeflD22.1电机的主要参数之间的关系式5、计算功率与额定功率的关系在设计电机时，一般都是给定额定功率，因此应找出与的关系PNPNP异步电机：输入功率：)(10cos311kWImUPNN额定功率：)(10cos31kWImUPPNNNNN计算功率：)(10311kVAImEP比较上两式：111coscosNENNNNNNEPPKPU给定，与给定，与可先假设再得到计算功率。NPNNcos,EK2.1电机的主要参数之间的关系式6、从确定主要尺寸关系式所得的结论AdpNmpefCABKKPnlD32101.6TlDnPlDCefefA260/221、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。nP6、从确定主要尺寸关系式所得的结论AdpNmpefCABKKPnlD32101.6TlDnPlDCefefA260/222.1电机的主要参数之间的关系式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，(在一定转速下适用）；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↑；6、从确定主要尺寸关系式所得的结论AdpNmpefCABKKPnlD32101.6TlDnPlDCefefA260/222.1电机的主要参数之间的关系式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2.1电机的主要参数之间的关系式236.110efApNmdpDlnCPKKAB2260/2efefADlDlCPnTACAC结论：1、是常数，电机主要尺寸决定于（T‘），T‘相近（），电机体积上基本相同，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。nPnP,,和nP,一定2efDlpnP,eflD2eflD2AC2.2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，),(分别指槽高和槽宽SSSBSASBSABABAbhbbhhllDD2.2电机中的几何相似定律概述2、几何相似定律：4/14/31PPPPpPCPGe