电机设计期末复习总结.docx
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电机设计期末复习总结
电机设计期末复习总结
第二章电机的主要参数之间的关系
电机的主要尺寸是指电枢铁心的直径和长度,直流电机中,电枢直径指的是转子外径,对于一般结构的同步电机和感应电机,则是指定子内径。
2-1电机的主要参数之间的关系式
1、电机进行能量转换时,能量都是以电磁能的形式通过定、转子之间的气隙进行传递的,与之对应的功率称之为电磁功率。
P’=mEI
2、1）直流电机：
P’=EαIα
2）电机常数CA的表达式：
电机常数大致反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积,并在一定程度上反映结构材料的耗用量。
3、根据以上两个式子得出的重要结论：
（1）电机的主要尺寸由其计算功率P’和转速之比P’/n或计算转矩T’所决定。
功率较大、转速较高的电机有可能和功率较小、转速较低的电机体积接近。
（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；尺寸相同的电机,转速较高的,则功率较大。
这表明提高转速可减小电机的体积和重量。
（3）转速一定时,若直径不变而采用不同的长度,则可得到不同的功率的电机。
（4）系数的数值一般变化不大,因此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。
电磁负荷越高,电机的尺寸就越小。
2-2电机中的几何相似定律
1、几何相似定律：
表明：
在B和J的数值保持不变时,对一系列功率递增、几何形状相似的电机,每单位功率所需要有效材料的重量、成本及产生的损耗,均与功率的1/4次方成反比,即随着电机容量的增大,其有效材料的利用率和电机的效率均将提高。
2-3电机负荷的选择
由于正常电机系数实际变化不大,因此在计算功率P’与转速n一定时,电机的主要尺寸决定于电磁负荷和A、Bδ电磁负荷越高,电机的尺寸将越小,重量就越轻,成本越低。
从而,一般选取较高的A和Bδ值。
1、电磁负荷对电机性能和经济性的影响
1）线负荷A较高,气隙磁密Bδ不变。
（1）电机的尺寸和体积将较小,可节省钢铁材料。
（2）Bδ一定时,由于铁心重量减小,铁耗随之减少。
（3）绕组用铜量将增加,这是由于电机的尺寸小了,在Bδ不变的情况下,每极磁通将变小,为了生产一定的感应电势,绕组匝数必须增多。
（4）增大了电枢单位表面的铜（铝）耗,使绕组温升增高。
（5）影响电机参数与电机特性。
随着A增大,绕组电抗将增大,这会引起电机工作特性的改变。
2）气隙密度Bδ较高,线负荷A不变。
（1）电机的尺寸和体积将较小,可节省钢铁材料。
（2）使电枢基本铁耗增大。
Bδ提高后,将导致电枢铁耗增加,效率降低,在冷却条件不变时,温升也将升高。
（3）气隙的磁位降和磁路的饱和程度将增加。
（4）影响电气参数与电机特性。
随着Bδ的增大,绕组电抗将减小,从而影响电机的起动特性和运行特性。
2、线负荷A和气隙磁密Bδ的选择
应从电机综合技术经济指标出发来选取最适合的A和Bδ值,以便使制造和运行的总费用最小,而且性能良好。
（1）除了不应选择过高的A、Bδ数值外,还应考虑他们的比值要适当。
这一比值不但影响电机参数和特性,而且与铜耗和铁耗的分布密切相关。
（2）电机的冷却条件对电磁负荷的选择也有重要的影响。
（3）电机所用的材料与绝缘结构的等级也直接影响电磁负荷的选择。
绝缘结构的耐热等级越高,电机允许的温升高=也就越高,电磁负荷可选高些；
（4）A、Bδ的选择还和电机的功率及转速有关。
2-4电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法
1、主要尺寸比的选择
在选定A和Bδ后,即可初步确定电机的D2lef.但D2lef相同的电机,可以设计得细长,也可以设计得短粗。
为了反映电机这种集合形状的关系,通常采用主要尺寸比：
λ=lef/τ.
1）若D2lef不变而λ较大：
（1）电机将较细长,即lef较大而D较小。
绕组端部变得较短,端部的用铜量相应减少,当λ在正常范围内时,可提高绕组的利用率。
单位功率的材料损耗少、成本较低。
（2）电机体积不变,则铁耗也不变,电流密度一定时,端部铜耗将减小,总损耗降低,效率提高。
（3）由于端部较短,则端部漏抗减小,这将使总漏抗减小。
（4）由于电机细长,在采用气体作为冷却介质时,风路加长,冷却条件变差,从而导致轴向温度分布不均匀度增大;
（5）由于电机细长,线圈数目常较粗短的电机为少,因而使线圈制造工时和绝缘材料的消耗减少;
（6）由于电机细长,转子的转动惯量与圆周速度较小,这对于转速较高或要求机电时间常数较小的电机是有利的;
2、确定主要尺寸的一般方法
1）根据电机的额定功率,计算功率P’,然后根据P’与n选取电磁负荷A、Bδ计算得D2lef；参考推荐的数据选用适当的λ,即可由已算得的D2lef分别求得主要尺寸D与lef,同时还要确定定子外径D1,接着对定子内径Di1与铁心计算长度lef进行必要调整。
复习思考题
1、什么是主要尺寸关系式？
根据它可得出哪些重要结论？
2、电机常数CA和利用系数KA的物理意义是什么？
3、什么是电机的几何相似定律？
大功率代替总功率相等的数台小功率电机的原因？
为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机显得更重要？
4、电磁负荷对电机性能和经济性有何影响？
电磁负荷选用时要考虑哪些因素？
5、
6、什么是电机的主要尺寸比？
它对电机的性能和经济性有何影响？
7、电机的主要尺寸是怎样确定的？
第三章磁路计算
磁路计算的目的在于确定产生主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势,并进而计算励磁电流以及电机的空载特性。
通过磁路计算还可以校核电机各部分磁通密度选择得是否合适。
3-1概述
1、各类电机的磁路可分为如下各段：
空气隙、定子齿（或磁极）、转子齿、定子轭、转子轭,每极磁路中,空气隙的磁压降通常占较大的比例。
3-2空气隙磁压降的计算
1、通常计算是最大气隙磁通密度Bδ所在的磁极中心线处的气隙磁压降：
2、计算极弧系数αp’的确定：
极弧系数的大小决定于气隙磁密分布曲线的形状,因而它决定于励磁磁势分布曲线的形状、空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。
3、感应电机的αp’
αp’的数值主要与定子齿及转子齿的饱和程度有关,齿部越饱和,气隙磁场波形越平,αp’越大。
计算时,饱和程度用饱和系数来标识：
4、电枢或气隙的轴向计算长度lef
计算空气隙磁密最大值Bδ时,用的是电枢或气隙轴向计算长度,而不是铁心总长度li,因为主磁通Φ不仅在铁心总长li的范围内穿过空气隙,而且有一小部分从定子面越过,这种现象称为边缘效应。
两端面处磁场分布的等效长近似为2δ。
5、气隙系数Kδ
1）引入原因：
因槽开口影响而映入了气隙系数Kδ
分析：
若先假定转子铁心表面有齿、槽,而定子内圆表面光滑,则槽口的存在将使空气隙磁阻增加和槽口处的磁通量减少,因而气息磁通减少。
为维持主磁通Φ为既定值,则齿顶处气隙最大磁密必须由无槽时的Bδ增加到Bδmax,定义气隙系数Kδ为
表示由于槽口存在而使气隙磁密增大的倍数。
3-3齿部磁压降的计算
1）每极齿部磁压降计算公式：
3-4轭部磁压降的计算
按所衔接的是齿或是磁极可把轭分为极联轭和齿联轭。
在极少数电机中,由于轭的磁路长度较长,轭磁压降可能超过齿磁压降；在多极电机中,轭磁压降通常只占磁路总磁压降的很小一部分。
1）极联轭磁压降的计算
通过磁极中的磁通Φm按磁通连续性定理应是气隙主磁通Φ和相邻极间的漏磁通Φσ之和；Φm经过磁极之后,分成两路,分别进入左右两边的轭,经过极联轭每个截面中磁通通常认为都是Φm/2；
2）齿联轭的磁压降计
（1）交流电机的齿联轭磁压降
由于齿联轭中磁密分布不均匀,齿联轭磁路全长上的磁压降：
3-5磁极漏磁系数与磁极磁压降的计算
1）磁极漏磁系数：
电机主极极身的磁通Φm包括穿过空气隙的主磁通Φ和不穿过空气隙而在极间空间闭合的漏磁通Φσ两部分,则有：
2）磁极磁压降的计算：
先算出极身中的磁密Bm,并认为沿极身高度的不同截面磁密都是Bm：
每极的磁压降为：
3-6励磁电流和空载特性计算
1、各类电机励磁电流或空载特性的计算步骤：
（1）根据感应电势E确定每极气隙磁通Φ；
（2）计算磁路各部分的磁压降,各部分磁压降的总和便是每极所需磁势；
（3）计算磁化电流或空载特性。
2、每极励磁磁势
各类电机的每极磁势为：
直流电机：
感应电机：
凸极同步电机：
3、励磁电流和空载特性：
对于直流电机和凸极同步电机的集中励磁绕组,空载励磁电流为：
对于多相交流分布绕组,交流磁化电流：
取不同的电势值,并分别求出相应的励磁电流,就可以得出一条完整的空载特性曲线：
复习思考题
1、气隙系数Kδ的引入是考虑什么问题？
假定其他条件相同,而把电枢槽由半闭口槽改为开口槽,则Kδ将增大还是减小？
2、当齿磁通密度超过1.8T时,对计算齿磁位降的方法为什么要作矫正？
3、在不均匀磁场的计算中,为什么常把磁场看做是均匀的？
而将磁路长度加以较正？
校正系数有的大于1,有的小于1,试说明其物理意义？
4、感应电机满载时及空载时的磁化曲线是怎样计算的？
他们与哪些因素有关？
若其数值过大,从哪些方面去调整效果显著？
5、若将一台感应电动机的额定频率由50HZ改为60HZ,并要求维持原设计的冲片及励磁磁势不变,有关数据应如何变化才好？
不考虑饱和影响时,该数值变化值为多大？
第四章参数计算
4-1绕组电阻的计算
一般说来,绕组中通以直流或交流时,其电阻是不同的。
1、绕组中通以交流时,由于集肤效应,使得其电阻值较通直流时大,用KF’表示电阻增加系数,则有：
4-2绕组电抗的一般计算方法
绕组电抗分为：
主电抗和漏电抗（漏抗）;
主电抗的标幺值表示为：
绕组漏抗的标幺值表示为：
1、电抗的计算方法有：
（1）磁链法、
（2）能量法
4-3主电抗计算
多相交流电机电枢电流产生的气息磁场中,有基波磁场,也有谐波磁场；相应于基波磁场的电抗,属于主电抗,谐波磁场的电抗则是整个漏抗的一部分,称为谐波漏抗或差别漏抗。
在感应电机中,习惯上称主电抗为励磁电抗,在同步电机里,则称为电枢反应电抗。
1、感应电机主电抗的计算方法：
预先假设：
电枢槽部导体中电流集中在槽中心线上；铁磁物质磁导率趋向于无穷大；槽开口的影响以气隙系数来计算。
多相电枢绕组中,通以多相对称电流后,由电枢电流建立的气隙基波径向磁密的幅值为：
结论：
在频率f、相数m、极数2p一定下,感应电机的主电抗主要与绕组每相匝数N,基波绕组系数Kdp1、电枢的轴向计算长度Lef及极距与气隙之比τ/δ有关。
隐极同步电机：
主电抗标幺值表示为：
结论：
在τ/δef一定下,主电抗标幺值与A/Bδ1成正比；
线负荷A=Bδ1=
可知：
A选用的较大,说明绕组匝数较多；Bδ1选用的较小,感生一定电动势所需的匝数也较多或电机尺寸较大。
因而,选取较大的A及较小的Bδ1或A/Bδ1越大将使电机的主电抗变大。
4-4漏电抗计算
由于绕组电流在电机中的不同位置所建立的漏磁场情况不同,绕组的漏抗通常分为：
1）槽漏抗、2）谐波漏抗、3）齿顶漏抗和4）端部漏抗,然后相加得到总漏抗值；
1、槽漏抗计算
1）单层整距绕组的槽漏抗
槽漏磁通分为两部分计算：
（1）通过h0高度上的漏磁通:
（2）通过h1高度上的漏磁通:
4-5漏抗标幺值
漏抗标幺值表达式：
结论：
在q和一定的情况下,它也和主电抗一样,与A/Bδ1成正比关系。
4-7饱和对电机参数的影响
电机的主磁路或漏磁路的某些部分处于某种程度的饱和状态,铁心的磁阻不可忽略。
复习思考题
1、漏抗大小对于交流电机性能有何影响？
2、槽漏抗与谐波漏抗的大小主要与哪些因素有关？
3、感应电机励磁电抗的大小主要与哪些因素有关？
它对电机性能有何影响？
4、设计电机时漏抗太大,欲使之下降,应改变哪些数据最有效？
5、齿顶漏抗与谐波漏抗有何区别？
在哪种电机里需要计算齿顶漏抗？
为什么？
第五章损耗与效率
损耗的大小与选择的电磁负荷有很大关系,为了降低损耗,就得选取较低的电磁负荷以及电流密度等；损耗大小还与材料性能、绕组型式、电机结构等密切有关。
5-1概述
1、电机损耗分为：
（1）定子和转子铁心中的基本铁耗,它主要是主磁场在铁心中发生变化时产生的；
（2）空载时铁心的附加损耗,主要指的是由定子和转子开槽而引起的；
（3）电气损耗,指工作电流在绕组铜中产生的损耗,也包括电刷在换向器或集电环上的接触损耗；
（4）负载时的附加损耗,是由于定子或转子的工作电流所产生的漏磁场在定、转子绕组里和铁心及结构件里引起的各种损耗；
（5）机械损耗,包括通风损耗、轴承摩擦损耗和电刷与换向器或集电环间的摩擦损耗；
5-2基本损耗
不论是交变磁化还是旋转磁化,他们均会在铁心中引起磁滞和涡流损耗；
1、磁滞损耗
单位重量铁磁物质内由交变磁化引起的磁滞损耗Ph,即磁滞损耗系数,与交变磁化的频率f和磁通密度振幅B有关：
2、涡流损耗
铁心中的磁场发生变化时,在其中会感生电流,称为涡流,它引起的损耗叫做涡流损耗。
为了减小涡流损耗,电机铁心通常不能做成整块的,而彼此绝缘的钢片沿轴向叠加起来,以阻碍涡流流通。
5-3空载时铁心中的附加损耗
空载时铁心中的负载损耗主要是指铁心表面损耗和齿中脉振损耗,它是由气隙中的谐波磁场引起的。
造成这些谐波磁场的原因有：
1）电机铁心开槽导致气隙磁导不均匀；2）空载励磁磁势空间分布曲线中有谐波存在。
5-5负载时的附加损耗
负载时产生的附加损耗产生的主要原因是由于环绕着绕组存在有漏磁场。
这些漏磁场在绕组中以及在所有附近的金属结构件中感生涡流损耗。
定子和转子组在气隙中建立的谐波磁势所产生的谐波磁场以不同的速度相对转子和定子在运动,在铁心中在鼠笼中也会感生涡流,产生附加损耗。
1、凸极同步电机负载时的附加损耗：
（1）短路时由于漏磁场在定子绕组中引起的附加损耗；
（2）短路时漏磁场在定子绕组端部附近的金属部件中产生的附加损耗；
（3）定子绕组磁势谐波在转子磁极表面引起的表面损耗；
（4）短路电流为额定值时磁场的3次谐波在定子齿中产生的附加损耗；
2、笼型转子感应电机负载时的附加损耗：
（1）定子绕组的漏磁场在绕组里及绕组端部附近的金属部件中产生的附加损耗；
（2）定子磁势谐波产生的磁场在笼型转子绕组中感生电流引起的附加损耗；
（3）定子磁势谐波产生的磁场在转子铁心表面引起的表面损耗；
（4）没有槽绝缘的铸铝转子中,由泄漏电流产生的损耗；
3、降低感应电动机负载时附加损耗的措施
（1）采用谐波含量较少的各种定子绕组型式,一般采用双层短距分布绕组；
（2）采用近槽配合；
（3）采用斜槽,同时注意改进转子铸铝工艺或其他工艺,以增大导条和铁心间的接触电阻；
5-6机械损耗
机械损耗包括：
轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和通风损耗。
复习思考题
1、空载铁心损耗的大小主要与哪些因素有关？
2、要减小负载时绕组铜中的附加损耗,一般采取哪些措施？
3、在凸极同步机中,空载表面损耗与负载时由绕组磁势齿谐波引起的磁极表面损耗有何区别？
产生的原因及与哪些因素有关？
4、隐极汽轮发电机负载时的附加损耗与凸极机的有何区别？
（指附加损耗的种类及产生原因）
5、大容量直流电机绕组导体中负载时会不会产生涡流损耗？
为什么？
齿饱和度较高的直流电机,绕组导体中还会产生沿槽宽方向的涡流损耗,为什么？
6、若将一台感应电机的额定功率由50HZ改为60HZ,要求保持励磁磁势基本不变,应改变什么数据为佳？
采取该措施后,基本铁耗在不计饱和影响时会不会发生变化？
第十章感应电机的电磁设计
讨论小型三相感应电动机电磁设计计算：
主要尺寸与气隙的确定、定转子绕组与冲片的设计、工作性能计算、起动性能的计算；
10-1概述
1、感应电动机的主要性能指标
（1）效率η；
（2）功率因素cosψ；
（3）最大转矩倍数Tm/TN;
（4）起动转矩倍数Tδt/TN;
（5）起动电流倍数Iδt/IN;
（6）绕组和铁心温升ΔτCU和ΔτFe;
（7）起动过程中的最小转矩Tmin;
10-2主要尺寸与气隙的确定
1、主要尺寸和计算功率
定子铁心内径Dδ1及有效长度Lef是感应电机的主要尺寸
2、电磁负荷的选择
具体选取时,与所用电工材料的性能、绝缘等级以及极对数、功率、冷却条件、性能要求和运转情况等多种因素有关。
3、主要尺寸比λ的选择
当D1大于0.99m时,必须采用扇形冲片；
4、根据电机的计算功率P’和转速n,在充分考虑采用的材料、结构、工艺等因素后,选取电磁负荷A和Bδ：
5、空气隙的确定
通常空气隙δ选得尽可能的小,以降低空载电流,因为感应电动机的功率因素cosψ主要决定于空载电流。
但由于气隙不能过小,否则会影响机械可靠性外,还会使谐波磁场及谐波漏抗增大,导致起动转矩和最大转矩减小,谐波转矩和附加损耗增加,进而造成较高的温升和较大的噪声。
气隙δ的数值基本上决定于定子内径、轴的直径和轴承间的转子长度。
10-3定子绕组与铁心的设计
1、定子槽数的选择
在极数、相数既定的情况下,定子的槽数决定于每极每相槽数q1.q1值的大小对电机的参数、附加损耗、温升及绝缘材料消耗量等都有影响。
当采用较大的q1时：
（1）由于定子谐波磁场减小,使附加损耗降低,谐波漏抗减小；
（2）一方面每槽导体数减少,使槽漏抗减小；另一方面槽数多了,槽高与槽宽的比值相应增大,使槽漏抗增大；
（3）槽中线圈边的总散热面积增加,有利于散热；
（4）绝缘材料用量和加工工时增加,槽利用率降低。
Nφ1的大小必然影响电机电磁负荷A和Bδ的数值。
当电机的主要尺寸确定后,ABδ的乘积就确定了,因此如果Nφ1减小,A值就降低而Bδ值就增大,一般地使功率因数降低,最大转矩、起动转矩和起动电流倍数都有所增大。
2、每相串联导体数、每槽导体数的计算
感应电动机的线负荷A及定子电流I1的表达式分别为：
10-4转子绕组与铁心设计
1、笼型转子的设计计算
1）转子槽数的选择及定转子槽配合问题
笼型转子感应电机在选取转子槽数时,必须与定子槽数有恰当的配合,即槽配合；
（1）槽配合对附加损耗的影响
结论：
当定子为开口槽或半开口槽、转子为直槽铸铝转子时,若转子槽数多于定子槽数,会使空载附加损耗增加,因此最好采用少槽——近槽配合；
（2）槽配合对异步附加转矩的影响
定子谐波磁场也能在转子笼中感生电流,产生一个与其次数相同、转速和转向相同的谐波磁场,这两个磁场相互作用所产生的转矩称为异步附加转矩；
结论：
当定、转子槽数较接近时,定子齿谐波磁通在转子导条中感生的电流较小,因而产生的异步附加损耗转矩也就较小,这一点和槽配合对附加损耗的影响是类似的。
因此为了减小齿谐波磁通产生的异步附加转矩,定转子槽数也应尽量接近。
（3）感应电机定、转子槽配合的选择.
为了减小附加损耗,应采用少槽近槽配合；
为了避免在起动过程中产生较强的异步附加转矩,应使Z2<=1.25（Z1+P）
为了避免在起动过程中产生较强的同步附加转矩、振动和噪声、应避免采用:
10-5工作性能的计算
1）功率因素cosψ的计算
结论：
功率因素的高低与定子电流无功分量的大小直接有关。
若功率因素太低,不能满足技术条件中规定的指标,应设法降低Im（缩小定转子槽面积,降低各部分磁密；减小气隙；增加每槽导体数Nδ1,增大Dδ1,放长Li或IX（增大定转子槽宽、减小槽高以降低Xσ）,使他们的和I1Q降低。
2）效率η的计算
提高效率的措施：
（1）制造高性能电动机方面：
增加有效材料用量和选用优质材料以降低铜（铝）损耗和铁损耗；
（2）降低附加损耗和机械损耗方面：
选用合适的槽配合,设计新型绕组以降低谐波引起的附加损耗,改进加工工艺,设计高效风扇。
3）最大转矩倍数
一般小型感应电机中,影响转矩倍数最大的主要因素是漏抗Xσ,设计中常对电磁负荷A与Bδ以及槽型作适当调整。
10-6起动性能计算
1、感应电动机起动时有两个显著特点：
一是起动电流很大,这使定转子的漏磁路高度饱和；
二是转子电流频率等于电源频率,比正常运行时高出很多,使转子导条中的电流产生集肤现象。
2、起动转矩Tδt等于标准值,调整办法：
（1）减少每槽导体数,使漏抗减少,起动总阻抗减小（会导致起动电流增大,功率因数略有降低）;
（2）缩小转子槽面积,使转子电阻增加；（效率将降低）；
（3）采用较深的槽形或凸形槽；
复习思考题
1、三相感应电机中,选择电磁负荷时应考虑哪些因素？
又A与Bδ之间的比例关系对哪些量有影响？
2、三相感应电机中,气隙σ的大小对电机性能有哪些影响？
3、三相感应电动机采用Y-Δ混合连接绕组有哪些优点？
试详细解释这种绕组能改善气隙磁场波形的原因。
4、为什么计算三相感应电动机的起动性能时必须考虑集肤和饱和效应？
他们分别对哪些参数的哪个部分有影响？
5、三相感应电动机的电磁计算中考核哪些性能指标？
若发现效率不合要求,应从哪些方面调整？
6、三相感应电机中影响最大转矩、起动转矩和起动电流的是哪些参数？
他们之间关系如何？
如果这三项指标有一项或更多不合标准,该如何调整？
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