電機(jī)設(shè)計的相關(guān)知識

第二章電機(jī)設(shè)計的相關(guān)知識2.1電機(jī)設(shè)計的任務(wù)與過程2.2電機(jī)的主要尺寸2.3電機(jī)中的幾何相似定律概述2.4電磁負(fù)荷的選擇2.5電機(jī)主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法2.1電機(jī)設(shè)計的任務(wù)與過程1.電機(jī)設(shè)計的任務(wù)

是根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格(如功率、電壓、轉(zhuǎn)速等)、技術(shù)要求(如效率、參數(shù)、溫升限度、機(jī)械可靠性要求等)，結(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面國家的方針政策和生產(chǎn)實際情況運用有關(guān)的理論和計算方法，正確處理設(shè)計時遇到的各種矛盾從而設(shè)計出性能好、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、制造和使用維修方便的先進(jìn)產(chǎn)品。電機(jī)設(shè)計時通常給定下列數(shù)據(jù)：(1)額定功率：發(fā)電機(jī)為電樞線端輸出的電功率(千瓦或千伏安)。電動機(jī)為軸上輸出的機(jī)械功率(千瓦)；同步調(diào)相機(jī)為線端超前電流下輸出的無功功率(千伏安)。(2)額定電壓：對交流電機(jī)均指線電壓(伏或千伏），對直流電機(jī)指電樞端電壓(伏)。(3)相數(shù)及相間連接方式(4)額定頻率(赫)。(5)額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速(r/min)。(6)額定功率因數(shù)。2.電機(jī)設(shè)計時給定的數(shù)據(jù)和對電機(jī)的主要技術(shù)要求對異步電機(jī)通常給定(1)一(5)，同步電機(jī)給定(1)一(6)，直流電機(jī)給定(1)、

(2)、(5)。3.電機(jī)設(shè)計的過程和內(nèi)容簡介(一)準(zhǔn)備階段熟悉國家標(biāo)準(zhǔn)，收集相近電機(jī)的產(chǎn)品樣本(或樣機(jī))和技術(shù)資料(包括試驗數(shù)據(jù))，并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求；然后在國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定及分析相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)建議書。(二)電磁設(shè)計本階段的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書(技術(shù)建議書)的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗通過計算和方案比較，來確定與所設(shè)計電機(jī)電磁性能有關(guān)的一些尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)尺寸并核算其電磁性能。(三)結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是確定電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料包括必要的機(jī)械計算及通風(fēng)和溫升計算。通常，首先根據(jù)技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書(技術(shù)建議書)中規(guī)定的防護(hù)型式、安裝方式與冷卻方式，再考慮電磁計算中所選負(fù)荷的高低，來選取合適的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)；然后安排產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)繪制總裝配草圖。最后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖。２．２電機(jī)的主要參數(shù)之間的關(guān)系２．２．１電機(jī)電磁設(shè)計流程確定主要尺寸磁路計算參數(shù)計算性能計算開始２.２電機(jī)的主要尺寸與參數(shù)之間的關(guān)系1、主要尺寸電樞直徑D（m）電樞的計算長度lef

（m）直流電機(jī)：轉(zhuǎn)子外徑Da交流電機(jī)：定子內(nèi)徑D12.電機(jī)主要尺寸和額定功率及轉(zhuǎn)速間的關(guān)系交流電機(jī)的計算功率為式中m——電樞繞組的相數(shù)

Ｅ——電樞繞組的相電動勢(伏)，

Ｉ——電樞繞組的相電流(安)。

1）交流電機(jī)電樞繞組的相電勢為Kwm——氣隙磁場的波形系數(shù)，當(dāng)氣隙磁場為正弦分布時等于1．11；

f——電流頻率(赫)W——電樞繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)Kdp——電樞的繞組系數(shù)由于其值與基波繞組系數(shù)Kdp1差別甚小，即以Kdp1代入；Φ——每極磁通(Wb)。電流頻率式中：p——極對數(shù)

n——轉(zhuǎn)速(r/min）

每極磁通式中Bδ——氣隙磁密的最大值(T)；Bδav——氣隙磁密的平均值(T)；lef——電樞的計算長度(m）：——極距(m)αp′——計算極弧系數(shù)，D

——電樞直徑（m）通常將沿電樞圓周單位長度上的總電流稱為電負(fù)荷A，即考慮上述各關(guān)系式后可得交流電機(jī)主要尺寸關(guān)系式為式中Ea——電樞繞組的電勢(V)；

Ia——電樞繞組的電流(A)。2）直流電機(jī)直流電機(jī)計算功率為式中Na——電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)；

a——電樞繞組的并聯(lián)支路對數(shù)

因電負(fù)荷可得直流電機(jī)主要尺寸關(guān)系式為：交流電機(jī)主要尺寸關(guān)系式直流電機(jī)主要尺寸關(guān)系式為：直流電機(jī)令：由于對一定功率和轉(zhuǎn)速范圍的電機(jī)，A、Bδ的變動范圍不大，而αp′

、Kwm、。Kdp的變化范圍更小，所以把CA稱為電機(jī)常數(shù)。電機(jī)常數(shù)上式即可寫成計算轉(zhuǎn)矩近似地表示轉(zhuǎn)子有效部分的體積，定于有效部分的體積也和它有關(guān)。電機(jī)常數(shù)大體上反映了產(chǎn)生單位計算轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料[銅(鋁)和電工鋼]的體積，并在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)材料的耗用量。

電機(jī)常數(shù)CA的倒數(shù)為利用系數(shù)KA表示單位體積有效材料所能產(chǎn)生的計算轉(zhuǎn)矩，它的大小反映了電機(jī)有效材料的利用程度，通常稱為利用系數(shù)。在進(jìn)行設(shè)計方案比較時，KA往往也是一重要的比較指標(biāo)。隨著電機(jī)制造水平的提高，材料質(zhì)量的改進(jìn)，利用系數(shù)將不斷增大。材料的利用還可按照作用于電樞圓周單位表面上的平均切向力（轉(zhuǎn)切應(yīng)力）來判斷：因為已制成的電機(jī)表明，CA實際上并非總是常數(shù)，在轉(zhuǎn)速一定時，它常隨電機(jī)功率的增大而減小，利用系數(shù)KA和轉(zhuǎn)切應(yīng)力則隨電機(jī)功率的增加而增大。通常作出CA或KA與P’或P′／n之間的經(jīng)驗曲線，通過這些經(jīng)驗曲線可初步確定電機(jī)的主要尺寸D、lef。在無徑向通風(fēng)道的電機(jī)中，電樞的計算長度lef

和鐵心實際總長度lte相差很??；在有徑向通風(fēng)道的電機(jī)中，lef略小于lte。異步電機(jī)約小l0—15％；直流電機(jī)和同步電機(jī)約小5—10％。計算極弧系數(shù)一般在0.63一0.72之間。重要結(jié)論：（1）電機(jī)的主要尺寸由其計算功率P，和轉(zhuǎn)速n之比P′／n或計算轉(zhuǎn)矩T‘所決定。因此在其他條件相同時計算轉(zhuǎn)矩相近的電機(jī)所耗用的有效材料也相近，功率較大、轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)可能和功率較小、轉(zhuǎn)速較低的電機(jī)體積接近，從而二者可能采用相同的電樞直徑及某些其他尺寸，并通用機(jī)座、端蓋等零部件。重要結(jié)論：(2)電磁負(fù)荷A和Bδ不變時，相同功率的電機(jī)，轉(zhuǎn)速較高的，尺寸較??；尺寸相同的電機(jī)，轉(zhuǎn)速較高的，則功率較大。這表明提高轉(zhuǎn)速可減小電機(jī)的體積和質(zhì)量。但這種關(guān)系只在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)才正確。因轉(zhuǎn)速增高時，機(jī)械損耗增加。直流電機(jī)中，鐵耗也將增加，于是電磁負(fù)荷只好降低。轉(zhuǎn)速增高還會引起轉(zhuǎn)動零部件所受的機(jī)械應(yīng)力增加，達(dá)也會導(dǎo)致這種反比關(guān)系的破壞。重要結(jié)論：(3)轉(zhuǎn)速一定時，若直徑不變而采用不同長度，則可得到不同功率的電機(jī)。(4)上式中，由于αp′、Kwm、。Kdp的變化范圍小，因此電機(jī)的主要尺寸在很大程度上和選用的電磁負(fù)荷A、Bδ有關(guān)。電磁負(fù)荷選得愈高，電機(jī)的尺寸就愈小。不同型式電機(jī)的計算功率的計算對于異步電機(jī)式中KE——額定負(fù)載時感應(yīng)電勢與端電壓的比值，ηN及cosφN——額定負(fù)載時的效率與功率因數(shù)，可由技術(shù)條件或技術(shù)任務(wù)書(技術(shù)建議書)查，也可參考已生產(chǎn)的相近規(guī)格電機(jī)作初步估計．不同型式電機(jī)的計算功率的計算對于同步發(fā)電機(jī)對于同步電動機(jī)對于同步調(diào)相機(jī)直流電機(jī)對于具有并勵繞組的直流發(fā)電機(jī)式中Kg——考慮發(fā)電機(jī)的電樞壓降和并勵繞組電流而引入的系數(shù)對具有并勵繞組的直流電動機(jī)式中Km——考慮發(fā)電機(jī)的電樞壓降和并勵繞組電流而引入的系數(shù)計算長度lef和實際鐵芯長lta之前的關(guān)系無徑向通風(fēng)道：lef≈lta有徑向通風(fēng)道lef＜

lta異步機(jī)小10%--15%直流、同步機(jī)小5%--10%計算極弧系數(shù)αp′=0.63—0.722.２電機(jī)中的幾何相似定律為了進(jìn)一步認(rèn)識電機(jī)的主要尺寸和功率、轉(zhuǎn)速、電磁負(fù)荷間的某些規(guī)律性，現(xiàn)在來分析一系列功率遞增而幾何形狀彼此相似的電機(jī)，它們具有相同的電流密度、磁通密度、轉(zhuǎn)速和極數(shù)。所謂幾何形狀相似是指電機(jī)對應(yīng)的尺寸間具有相同的比值。例如：若電機(jī)A和B幾何相似其中hs、bS分別為槽高和槽寬。電機(jī)的計算功率與電樞電勢E和電流I的乘積成正比，即在頻率或轉(zhuǎn)速一定時，E和電樞繞組的串聯(lián)匝數(shù)W及磁通Φ成正比，即式中B——磁路中鐵內(nèi)的磁密SFe——磁路中鐵的截面積式中I——電流密度

Sc——導(dǎo)體的截面積。是所有線匝的總截面

面積SFe與ScW各與長度因次l的平方成正比，因此按條件B和J一定，于是可得又因有效材料的質(zhì)量M與它們的體積成正比，也即和長度因次l的立方成正比，而有效材料的成本Cef和損耗ΣP也與質(zhì)量成正比，故有若將電機(jī)的質(zhì)量、成本和損耗換算到單位功率，則得幾何相似定律它表明，在B和J的數(shù)值保持不變時，對一系列功率遞增、幾何形狀相似的電機(jī)，每單位功率(千瓦或千伏安)所需有效材料的質(zhì)量、成本及產(chǎn)生的損耗均與功率的1／4次方成反比，單機(jī)容量的↑→有效材料的利用率和電機(jī)的效率↑采用大功率電機(jī)來代替總功率相等的數(shù)臺小功率電機(jī)這一定律可用來大體上估計與已制成電機(jī)幾何形狀相似，但功率不同的電機(jī)的質(zhì)量、成本或損耗；也可用來分析通常是幾何形狀相似的系列中各規(guī)格電機(jī)之間的相應(yīng)關(guān)系。

必須指出，上述幾何相似定律和其他一些關(guān)系式都是十分近似的。在實際情形下，它們所反映出來的關(guān)系常會因其它條件限制而不得不放棄或被破壞。例如，電機(jī)的損耗是與長度因次的立方成正比，但冷卻表面卻正比于長度因次的平方。為了保證電機(jī)溫升不超過允許值，隨著電機(jī)功率的增加，就必須設(shè)法改變冷卻系統(tǒng)或冷卻方式等，從而放棄它們幾何形狀的相似。2.4電磁負(fù)荷的選擇正常電機(jī)中系數(shù)αp′、Kwm、Kdp實際上變化不大，因此在計算功率P’與轉(zhuǎn)速n一定時電機(jī)的主要尺寸決定于電磁負(fù)荷A、Bδ。電磁負(fù)荷愈高，電機(jī)的尺寸將愈小，質(zhì)量就越輕，成本也越低。這就是在可能情況下，一般總希望選取較高的J和Bδ值的原因。但電磁負(fù)荷值的選取與許多因素有關(guān)，不但影響電機(jī)有效材料的耗用量，而且對電機(jī)的參數(shù)、起動和運行性能、可靠性等都有重要影響。一、電磁負(fù)荷對電機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性的影響（一）線負(fù)荷A高，磁負(fù)荷B

不變（1）電機(jī)體積減小，節(jié)約材料（2）B

一定時，由于鐵心重量減小，鐵耗減?。?）繞組用銅量增加（4）增大電樞單位表面上銅耗，繞組溫升增高電樞單位表面的銅(鋁）耗為：繞組有效部分(即槽內(nèi)部分)的銅(鋁）耗為：Rcef——每根導(dǎo)體有效部分的電阻(歐）

ρ——導(dǎo)體材料的電阻率(歐·米)，l——導(dǎo)體有效部分的長度(m)：Sc——導(dǎo)體截面積(m2)；

J——導(dǎo)體電流密度(A／m)。

電樞單位表面的銅(鋁）耗為：在ρ與J一定時，電負(fù)荷A↑→qa↑當(dāng)繞組選用的材料一定(即ρ一定)時，qa與AJ成正比。由于qa直接影響到電機(jī)的發(fā)熱和溫升，因此，電機(jī)的溫升也與AJ的大小密切有關(guān)。在其他條件不變時，為了避免電機(jī)溫升過高，A與J的乘積就不能超過—一定限度。J若選擇得較大，A就相應(yīng)要選小些，但這會使繞組用料增加。（5）影響電機(jī)參數(shù)和電機(jī)特性交流繞組電抗(互感電抗或漏電抗)標(biāo)么值可表示為式中K——比例系數(shù)，近似為一常數(shù)。例如：異步電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩和起動電流降低同步電機(jī)的電壓變化率增大、短路電流、短路比、靜態(tài)和動態(tài)穩(wěn)定度下降。在直流電機(jī)中，則會使換向惡化。A↑→x*↑→這會引起電機(jī)工作特性的改變（二）磁負(fù)荷B

高，線負(fù)荷A不變（1）電機(jī)體積減小，節(jié)約材料（2）基本鐵耗增大（3）磁路飽和程度增大（4）影響電機(jī)參數(shù)和電機(jī)特性隨著Bδ的增大，繞組電抗的標(biāo)么值將減小，從而影響電機(jī)的起動特性和運行特性。這是因為Bδ提高后，在其他條件不變下雖會使D2lef與電樞鐵心質(zhì)量減小，但因電樞鐵心中的磁密與Bδ間有一定的比例關(guān)系，鐵內(nèi)磁密將相應(yīng)增加。鐵的比損耗(即單位質(zhì)量鐵心中的損耗)是與鐵內(nèi)磁密的平方成正比的。因此隨著D2lef的提高，比損耗增加的速度比電樞鐵心質(zhì)量減小的速度為快。而電樞的基本損耗系等于其鐵心質(zhì)量和比損耗的乘積，因此Bδ提高后，將導(dǎo)致電樞鐵耗增加，效率降低在冷卻條件不變時，溫升也將升高。磁負(fù)荷B

高，線負(fù)荷A不變使電樞基本鐵耗增大B

↑→氣隙磁位降的數(shù)值↑B

↑→鐵內(nèi)磁密↑→磁路飽和程度↑對于直流電機(jī)和同步電機(jī)，會因勵磁磁勢增大而引起勵磁繞組用鋼量與勵磁損耗增加，效率降低在冷卻條件不變時，使勵磁繞組溫升增高。有時還會因勵磁繞組體積過大而使布置發(fā)生困難(內(nèi)極式電機(jī))，或?qū)е麓艠O與電機(jī)外形尺寸加大(外極式電機(jī))。對于異步電機(jī)會因勵磁電流增加而使功率因數(shù)變壞。磁負(fù)荷B

高，線負(fù)荷A不變時，氣隙磁位降和磁路的飽和程度將增加二、線負(fù)荷A和磁負(fù)荷B

的選擇

從電機(jī)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā)來選取最合適的A和Bδ值，以便使制造和運行的總費用最小而且性能良好。除了不應(yīng)選擇過高的A和Bδ數(shù)值外，還應(yīng)考慮它們的比值要適當(dāng)。因為這一比值不僅影響電機(jī)的參數(shù)和特性，而且同銅（鋁）耗與鐵耗的分配密切有關(guān)，也即會影響電機(jī)效率曲線上出現(xiàn)最高效率的位置。正因為這樣，對經(jīng)常處于輕載運行的電機(jī)，通常宜選用較大的A值和較低的Bδ值，以便在輕載時能得到較高的效率。電機(jī)的冷卻條件對電磁負(fù)荷的選用也有重要影響。例如防護(hù)式電機(jī)，由于冷卻條件較好，選用的A和Bδ

可比相同規(guī)格封閉式電機(jī)的高，對小型異步電機(jī)，通?？筛叱?5—20%左右。線負(fù)荷A和磁負(fù)荷B

的選擇電機(jī)所用的材料與絕緣結(jié)構(gòu)的等級也直接影電磁負(fù)荷的選擇。所用絕緣結(jié)構(gòu)的耐熱等級愈高，電機(jī)允許的溫升也就愈高，導(dǎo)磁材料(包括兼起磁路作用的某些結(jié)構(gòu)部件的材料)性能越好，允許選用的磁密就可越高。電樞繞組采用鋁線時，由于其電阻率較大，為保證足夠的安放空間以免電損耗過大，往往采用比銅線時較低的電磁負(fù)荷。

A和Bδ的選擇還和電機(jī)的功率及轉(zhuǎn)速有關(guān)，確切地說是與電樞直徑(或極距)及轉(zhuǎn)子的圓周速度有關(guān)。圓周速度較高的電機(jī)，其轉(zhuǎn)子與氣隙中冷卻介質(zhì)的相對速度較大，因而冷卻條件有所改善，A和Bδ可選得大些。電樞直徑(或極距)愈小，所選取的A和Bδ也應(yīng)愈小，這主要是空間是否充裕的問題。2.5電機(jī)主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比的選擇λ的大小與電機(jī)運行性能、經(jīng)濟(jì)性、工藝性等均有密切關(guān)系，或?qū)λ鼈儺a(chǎn)生一定影響。主要尺寸比

在選定電磁負(fù)荷A和Bδ后，可初步確定電機(jī)的D2lef．但D2lef相同的電機(jī)，可以設(shè)計得細(xì)長也可以設(shè)計得粗短。(1)電機(jī)將較細(xì)長，即lef較大、D較小。這樣，繞組端部變得較短，端部的用銅(鋁）量相應(yīng)減少，當(dāng)λ仍在正常范圍內(nèi)時，可提高繞組銅(鋁)的利用率。端蓋、軸承、刷架、換向器和繞組支架等結(jié)構(gòu)部件的尺寸較小，重量較輕。因此，單位功率的材料消耗較少、成本較低。(2)令電機(jī)的體積末變，因而鐵的質(zhì)量M不變，在同一磁密下基本鐵耗也不變，但附加鐵耗有所降低，機(jī)械損耗則因直徑變小而減小。再考慮到電流密度一定時，端部銅（鋁)耗將減小，因此電機(jī)中總損耗下降，效率提高。D2lef不變而λ較大(3)由于繞組端部較短，因此，端部漏抗減小，將使總漏抗減小。（4）由于電機(jī)細(xì)長在采用氣體作為冷卻介質(zhì)時，風(fēng)路加長冷卻條件變差，從而導(dǎo)致軸向溫度分布不均勻度增加，為此必須采取措施來加強(qiáng)冷卻，例如采用較復(fù)雜的通風(fēng)系統(tǒng)。但在主要依靠機(jī)座表面散熱的封閉式電機(jī)中，熱量主要通過定子鐵心與機(jī)座向外發(fā)散，這時電機(jī)適當(dāng)做得細(xì)長些可使鐵心與機(jī)座的接觸面積增大，對散熱有利(對于無徑向通風(fēng)道的開啟式或防護(hù)式電機(jī)，為了充分發(fā)揮繞組端部的散熱效果，往往將λ取得較小)。(5)由于電機(jī)長，線圈數(shù)目常較粗短的電機(jī)為少，因而使線圈制造工時和絕緣材料的消耗減少。但電機(jī)沖片數(shù)目增多，沖片沖剪和鐵心疊壓的工時增加，沖模磨損加劇；同時機(jī)座加工工時增加，并因鐵心直徑較小下線難度稍大而可能使下線工時增多。此外，為了保證轉(zhuǎn)子有足夠的剛度，必須采用較租的轉(zhuǎn)軸。(6)由于電機(jī)細(xì)長，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量與圓周速度較小，這對于轉(zhuǎn)速較高或要求機(jī)電時間常數(shù)較小的電機(jī)是有利的。選擇λ值時，通常主要考慮(1)參數(shù)與溫升，(2)節(jié)約用銅(鋁)，(3)轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，(4)轉(zhuǎn)動慣量等方面的限制或要求。(一)異步電機(jī)λ選擇在中小型異步電機(jī)中，通常λ＝0.4～1.5，少數(shù)為λ＝1.5～4.5大型異步電機(jī)則為λ＝1～3.5，極數(shù)多時取較大值。異步電機(jī)的過載能力與功率因數(shù)等性能都和漏抗有關(guān)，也就與λ

有一定關(guān)系，計算經(jīng)驗表明，這方面較合適的λ=1～1.3左右。當(dāng)λ＝1.5～3時，可得到用銅(鋁)量和銅(鋁)耗方面較適宜的電機(jī)。(二)同步電機(jī)λ選擇對于凸極同步電機(jī)，λ一般隨極數(shù)的增加而增大。中小型同步電機(jī)的λ=0.6～2．5，其上限屬于多極電機(jī)。對于高速或大型同步電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子材料機(jī)械強(qiáng)度的限制，極距不能太大，因而λ較大，可達(dá)3～4。(三)直流電機(jī)λ選擇通常中小型直流電機(jī)的λ＝0.6～1.2(1．5)，大型直流電機(jī)的λ＝1．25～2．5。λ越大，則電樞越長，換向器片間電壓和換向元件的電抗電勢均將增大，使換向條件變差。過大的λ還導(dǎo)致磁極鐵心的截面形狀變得狹長，使勵磁繞組金屬的利用率下降。一般說，小型直流電機(jī)的換向問題不大，本來λ可以取大些，但為了在電樞上獲得足夠的極數(shù)，仍常采用較低的λ