电机设计简析课件

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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其它尺寸大体确定不少电磁性能变化不大电枢直径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。额定转速：同步速 2.1电机的主要参数之间的关系式2、几个物理量电磁功率（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（） 2.1电机的主要参数之间的关系式计算功率：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 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）。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 2.1电机的主要参数之间的关系式每极磁通：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）；3、交流电机中的关系 2.1电机的主要参数之间的关系式电负荷A：3、交流电机中的关系 2.1电机的主要参数之间的关系式把上面关系代入：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。3、交流电机中的关系 2.1电机的主要参数之间的关系式直流电机计算功率：其中电势：每极磁通：电负荷A：把上面关系代入： 2.1电机的主要参数之间的关系式、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。 2.1电机的主要参数之间的关系式2．①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。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→ 2.1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异步电机：输入功率：额定功率：计算功率：比较上两式：给定，与给定，与可先假设再得到计算功率。 2.1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1、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。 6、从确定主要尺寸关系式所得的结论2.1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2.1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。 2.1电机的主要参数之间的关系式结论：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。 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， 2.2电机中的几何相似定律概述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、成本及产生的损耗与功率的1/4次方成反比的定律称几何相似定律。 2.2电机中的几何相似定律概述3、证明：条件：保持不变①长度与功率之间的关系 2.2电机中的几何相似定律概述代入， 2.2电机中的几何相似定律概述②与之间的关系有效材料重量与体积成正比，也与长度因次的立方成正比；有效材料的成本与损耗与成正比。 2.2电机中的几何相似定律概述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：在保持不变时，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反比。 2.2电机中的几何相似定律概述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；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。 2.2电机中的几何相似定律概述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。 2.2电机中的几何相似定律概述5、解释几个问题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）？电机损耗与长度的立方成正比，而冷却表面却与长度的平方成正比，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：在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，主要尺寸就决定于电磁负荷。 2.3电磁负荷的选择从上式看出，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。 2.3电磁负荷的选择 2.3电磁负荷的选择电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（一）电负荷A较高沿电枢圆周单位长度上的总电流（安/米）优点：①电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料；（电机有效材料近似表示转子有效部分体积）②Bδ一定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。（一定时） 2.3电磁负荷的选择缺点：①绕组用铜（铝）量将增加；②增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增大；（一）电负荷A较高电磁负荷对电机性能和经济性能的影响③改变了电机参数和电机特性。异步电机：启动转矩↓，最大转矩↓，启动电流↓；同步电机：电压变化率↑，短路电流↓，短路比↓，稳定度↓；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。 2.3电磁负荷的选择电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（二）气隙磁密Bδ较高优点：电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。 2.3电磁负荷的选择电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（二）气隙磁密Bδ较高缺点：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） 2.3电磁负荷的选择电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（二）气隙磁密Bδ较高缺点：②气隙磁位降和磁路饱和程度将增加；同步机、直流机：由于上面两原因使励磁磁势↑→励磁绕组用铜量↑→励磁损耗↑→效率↓、励磁绕组温升↑，使励磁绕组排列困难或导致磁极和电机外形尺寸加大。异步机：励磁电流↑→↓ 2.3电磁负荷的选择电磁负荷对电机性能和经济性能的影响（二）气隙磁密Bδ较高缺点：③改变了电机参数和电机特性。 2.3电磁负荷的选择1．A、不应选择过高2、A、的比值要适当电负荷A和气隙磁密的选择这比值影响电机的参数和特性；影响铜、铁的分配，即影响电机效率曲线上出现最高效率的位置（可变损耗=不变损耗，效率最大）。一般轻载电机A大点，小点，使效率较高。（∵轻载I↓，pcu↓,可变损耗小，A↑，可变损耗↑=不变损耗） 2.3电磁负荷的选择电负荷A和气隙磁密的选择3、A、的选择要考虑冷却的条件防护式冷却方式条件较好，A、选择一般比同规格封闭式的高，对一般小型异步电机通常可高出15-20%。4、A、的选择要考虑所用材料和绝缘结构的等级绝缘结构的耐热等级愈高，电机允许温升愈高，A↑；导磁材料（包括结构部件材料）性能越好，↑；电枢绕组用铝→RAl大→A、比铜要小。 2.3电磁负荷的选择电负荷A和气隙磁密的选择5、A、的选择要考虑和n的大小（圆周速度取决于）①② 2.3电磁负荷的选择总的说，电磁负荷的选择要考虑的因素很多，很难从理论上来确定。通常主要参考电机工业长期积累的经验数据，并分析对比设计电机与已有电机之间在使用材料、结构、技术条件、要求等方面的异同后进行选取。关于A、的具体选用值可参看后序文章。随材料性能，冷却条件、电机结构不断改进，→体积。 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法在正常的电机中，实际上变化不大，因此在计算功率和转速一定时，当电磁负荷选定后，则可确定→→（主要尺寸比）→大小影响电机运行性能、经济性、工艺性。 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、大小的影响一定（极距）较大时①大，电机较细长（较大、较小），线圈的跨距较小；绕组端部变短，端部用铜（铝）量相应减少；在正常范围内可提高绕组铜的利用率。各结构部件尺寸较小，重量轻，因此单位功率的材料消耗较少，成本低。一定，↑→→单位功率耗材↓→成本↓ 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、大小的影响②一定：↑，↓，η↑一定：↑→→↓→η↑ 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、大小的影响③一定：↑→端部较短→端部漏抗↓→总漏抗↓④一定：↑→冷却条件变差→导致轴向温度分布不均匀度增大∵↑，在采用气体作为冷却介质时，风路加长，冷却条件变差，导致轴向温度分布不均匀度增大，必须加强冷却措施。如主要依靠机座表面散热的封闭式电机，热量主要通过定子机座向外散热，对散热有利。对无径向通风道开启式或防护式电机，为了充分利用端部散热效果，↓，端部↑。 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、大小的影响⑤↑→线圈数目↓→线圈制造工时↓→绝缘材料↓但↑→铁心长→冲片数目↑→冲剪叠压工时↑，冲模易损坏↑→D↓→机座加工工时↑→下线难度大（跨距小）→工时↑↑→D↓→转轴加粗（为了保证足够的转子刚度）↑→转子转动惯量小，va大→转速较高的电机或要求时间常数较小的电机是有利 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法二、选择时的主要考虑考虑参数与温升考虑节约用铜（铝）考虑转子机械强度考虑转动惯量 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法三、多种不同电机大致的范围1．异步电机（一般=1-1.3为好）∵极数多的电机，绕组跨距小，电机端部较短，铁心可以长，大些；极数少的电机，为了保证轭磁密不过高，轭厚，D大，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三、多种不同电机大致的范围2．同步电机 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法三、多种不同电机大致的范围3．直流电机 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法四、确定主要尺寸的一般方法这里只介绍电机主要尺寸确定的一般方法。某些电机可根据其本身特点而采用不同的步骤，甚至将主要尺寸的关系式写成其它的形式。1、确定主要尺寸的步骤（1）由电机额定功率→计算功率；（2）利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷；（3）由，n（交流机n=n0，直流机n=nN）、→一般可近似认为： 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法四、确定主要尺寸的一般方法1、确定主要尺寸的步骤（4）参考推荐的数据选用适当的；（5）及，分别求得和；（6）确定交流电机定子外径、直流电机电枢外径。从表2-1、2-2按标准选取，对定子内径、进行必要调整。 2.4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法四、确定主要尺寸的一般方法2、用“类比法”来确定主要尺寸（1）类比法：根据所设计电机的具体条件（结构、材料、技术经济指标、工艺等），参照已生产过的同类型相似规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。（2）如异步电机一般：所以： 2.5系列电机及其设计特点1、系列电机——就是指技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本上相同，功率及安装尺寸按一定规律递增，零部件通用性很高的一系列电机。2、系列电机的优点①由此减少材料与工设计时，消耗、降低成本：由于它们的生产工艺过程与另部件型式相同，可以充分利用冲模、模具、量具、卡具等工艺装配；②缩短生产周期：由于充分利用了原有的工模具等工艺装配图纸等条件；③可以减少设计、制造、使用、维修方面的许多工作；可以腾出手来提高产品的质量。 2.5系列电机及其设计特点3、系列电机的分类①基本系列：使用面广，生产量大的一般用途的系列如JO2、T2、Z2系列；②派生系列：适按使用的不同要求进行部分改动而由基本系列派生出来的系列，它与基本系列有较多的通用性如JDO2三相多速异步电动机，JHO2三相高转差率异步电动机；③专用系列：适用某种特殊条件但使用面很窄的系列如JG2辊道电动机。 2.5系列电机及其设计特点4、系列电机设计的特点①功率等级的确定要根据用户的要求、选用的方便、经济性等多方面全面综合分析来确定。（功率按一定规律递增）同一系列中相邻两功率等级之比（大功率比小功率），称功率递增系数或容量递增系数，其数值直接影响到整个功率等级数目的确定，而且对系列电机的经济性有很重要的影响。 2.5系列电机及其设计特点4、系列电机设计的特点②安装尺寸的确定及功率等级与安装尺寸的对应关系。电机的安装尺寸是指电机与配套机械进行安装时的有关尺寸，系列电机的安装尺寸一般按轴中心高分级，它的确定必须综合考虑配套机械和电机本身的具体情况，原则上是按优先数系递增。安装尺寸是轴中心高，对端盖式轴承的电机，确定功率等级与安装尺寸的对应关系时，主要是确定功率等级与轴中心高的对应关系。功率等级确定后，选取轴中心高等级，必须全面考虑（工艺装备、用户要求、电磁设计、材料利用）。 2.5系列电机及其设计特点4、系列电机设计的特点③交流电机系列定子冲片外径的确定1）与规定的轴中心高数值的一致性；2）硅钢片利用的经济合理性；3）整个系列外形的均称性，并在条件允许的情况下，能充分利用已有的工艺装备。4零部件的标准化、系列化和通用化；5、派生的可能性。