電機相關(guān)設(shè)計之一

1、電機設(shè)計電機無處不在一、發(fā)電機提供強大的電力二、工業(yè)設(shè)備需要電機三、家用電器不能沒有電機四、時尚尖端數(shù)碼產(chǎn)品離不開電機五、未來交通動力更有賴于電機 電機，它究竟是什么？電機的基本結(jié)構(gòu)與原理一、直流電機基本原理的公式體現(xiàn)：磁軛（Fe)磁極（Fe)轉(zhuǎn)子鐵心（Fe)勵磁線圈（Cu)電樞=轉(zhuǎn)子鐵心+導(dǎo)體+電刷交流電機交流異步電動機AXBYCZn0n定子=定子鐵心（Fe）+線圈(Cu)轉(zhuǎn)子=轉(zhuǎn)子鐵心（Fe）+線圈(Cu或Al)電機是：合二為一，各伺其職！合二為一：定子轉(zhuǎn)子各伺其職：定子：產(chǎn)生磁場 B轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生電流 If=BIL電機設(shè)計所要解決的主要矛盾：所用材料（鐵與銅）與電機效能之間的矛盾。第一篇 旋

2、轉(zhuǎn)電機設(shè)計 第一章 電機設(shè)計概述1-1 電機制造工業(yè)的近況與發(fā)展趨勢一、我國電機制造業(yè)的發(fā)展概況（一）品種、規(guī)格不斷增加，單機容量迅速增大，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)逐步提高（二）積極采用新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)與新工藝（三）標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化程度不斷提高（四）積極開展電機理論、測試技術(shù)和新型發(fā)電方式的研究二、國外電機制造工業(yè)的近況與發(fā)展趨勢 1-2電機設(shè)計的任務(wù)與過程一、電機設(shè)計的任務(wù)與對設(shè)計人員的要求1、具備過硬的電機設(shè)計技術(shù)；2、設(shè)計人員要注意貫徹國家的技術(shù)經(jīng)濟政策，努力使產(chǎn)品既滿足使用要求，又盡可能地降低成本；3、設(shè)計人員應(yīng)認真地聽取有關(guān)人員的意見和建議，注意理論與實際、設(shè)計與工藝相結(jié)合，認真進行

3、調(diào)查研究、訪問用戶和查閱資料等；（二）電機設(shè)計時給定的數(shù)據(jù)和對電機的主要技術(shù)要求電機設(shè)計時通常給定下列數(shù)據(jù)：（1）額定功率；（2）額定電壓；（3）相數(shù)及相間的連接方式；（4）額定頻率；（5）額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速；（6）額定功率因數(shù)。二、電機設(shè)計過程和內(nèi)容簡介（一）準(zhǔn)備階段 收集資料，即相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、相近的電機技術(shù)資料包括試驗數(shù)據(jù)。在分析資料的基礎(chǔ)上編制技術(shù)任務(wù)書。（二）電磁設(shè)計 根據(jù)技術(shù)任務(wù)書的規(guī)定，進行電磁計算，確定所設(shè)計的電機的沖片尺寸、鐵心長度及電磁性能。（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計 確定電機的機械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格等。1-3國家標(biāo)準(zhǔn) 電機的國家標(biāo)準(zhǔn)是國家有關(guān)部門對電機提出一定要求

4、的文件，它是電機生產(chǎn)的依據(jù)，也是評定電機質(zhì)量優(yōu)劣的準(zhǔn)則。 生產(chǎn)部門應(yīng)力求使所設(shè)計制造的電機全面滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。有關(guān)電機的國家標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種類型： 1、國家頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，代號為GB，例如，GB755-87電機基本技術(shù)要求等； 2、部頒標(biāo)準(zhǔn)，代號為JB，例如，JB3074-82Y系列（IP44）三相異步電動機技術(shù)條件等； 3、各種電機的試驗方法。 國家標(biāo)準(zhǔn)通常是根據(jù)一定時期的國民經(jīng)濟發(fā)展水平來制定的，因而在一定的歷史條件下是先進的、合理的。它隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展而逐步提高，于是國家標(biāo)準(zhǔn)也要隨之修定，而提出更高的標(biāo)準(zhǔn)要求。 1-4國際標(biāo)準(zhǔn)交流電動機總體結(jié)構(gòu)機殼底座端蓋定子鐵心定子繞組轉(zhuǎn)

5、子轉(zhuǎn)軸f=Bi2L定子軛部磁密：定子齒部磁密：轉(zhuǎn)子齒部磁密：轉(zhuǎn)子軛部磁密：氣隙磁密：第二章 電機主要參數(shù)之間的關(guān)系電機主要尺寸 電機主要尺寸是指電樞鐵心的直徑和長度。對于直流電機，電樞直徑是指轉(zhuǎn)子外徑；對于感應(yīng)電機和同步電機，則是指定子外徑。 確定主要尺寸是設(shè)計電機的第一步。因為主要尺寸確定以后，電機的重量、價格、工作特性等方方面面也隨之而定。2-1 電機主要參數(shù)之間的關(guān)系式 電機的主要尺寸與電磁功率有著密切的關(guān)系，后者可以用電機的計算功率來表示。交流電機的計算功率為：交流電機電樞繞組的相電勢為：氣隙磁密波形示意圖討論： 電機常數(shù)CA大體上反映了產(chǎn)生單位計算轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料的體積。反映了材

6、料的消耗量。 KA表示單位體積有效材料所能產(chǎn)生的計算轉(zhuǎn)矩。它的大小反應(yīng)了電機材料的利用率，通常稱之為利用系數(shù)。 利用系數(shù)的高低取決于兩方面：其一是材料的質(zhì)量；其二是制造工藝水平。對于不同類型的電機，其計算功率可按給定的額定功率PN來決定：重要結(jié)論1、電機的主要尺寸由其計算功率P或計算轉(zhuǎn)矩T所決定。在其它條件相同時，T相近的電機所耗用的材料也相近。2、電磁負荷A和B不變時，相同功率的電機，轉(zhuǎn)速較高的，尺寸較??；或尺寸相同的電機，轉(zhuǎn)速較高的，則功率較大。表明提高轉(zhuǎn)速可以減小電機的體積。3、轉(zhuǎn)速一定時，若直徑不變而采用不同的鐵心長度，則得到不同功率的電機。4、電機的主要尺寸在很大程度上和選用的電磁負

7、荷A、B有關(guān)。電磁負荷選得越高，則電機在一定功率下的尺寸就越??；或電機在一定尺寸下的功率就越大。2-2電機中的幾何相似定律案例討論： 有二臺電機，容量均為，轉(zhuǎn)速為1450r/min，對比另一臺電機容量為，轉(zhuǎn)速也為1450r/min，問從經(jīng)濟因素考慮，應(yīng)選擇二臺容量較小的電機還是選擇總?cè)萘肯嗤囊慌_電機？ 一般而言，對于相同轉(zhuǎn)速（即極數(shù)也相同），不同容量的電機間，有相似的幾何形狀，對應(yīng)尺寸有相同的比值，即： 該式表明，隨著單機容量增大，其有效材料的利用率均將提高。 該定律得出的結(jié)論是：對于幾何形狀相似的電機，單位功率所需的有效材料與功率的1/4次方正反比。即隨著單機容量的增大，有效材料的利用率將

8、提高。2-3 電磁負荷的選擇 根據(jù)上式，由于p、KNm、Kdp實際上變化不大，因此當(dāng)計算功率P與轉(zhuǎn)速n一定時，電機的主要尺寸取決于電磁負荷A、B。顯然： 所以，人們總希望選取較高的A和B，但是，過高的A和B也帶來負面影響。一、電磁負荷對電機性能和經(jīng)濟性的影響(一）線負荷A較高，氣隙磁密B不變1、電機尺寸和體積減小，可節(jié)省硅鋼片材料；2、由于B一定，以及鐵心重量減輕，鐵耗也隨之減??；3、繞組的用銅量增加；4、增大電樞單位表面上的銅耗，使繞組溫升增高；5、影響電機參數(shù)與特性。因為匝數(shù)N增多，導(dǎo)致電機繞組的電抗變大，感應(yīng)電機的最大轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)矩、起動電流均降低。對同步電機，電壓變化率增大等；對直流電

9、機，則會使換向惡化。（二）氣隙磁密B較高，線負荷A不變1、電機尺寸和體積減小，可節(jié)省硅鋼片材料；2、使電樞基本鐵耗增大；3、氣隙磁位降和磁路的飽和度增加；4、影響電氣參數(shù)與電機性能。二、線負荷A和氣隙磁密B的選擇 電磁負荷選擇時關(guān)聯(lián)的因數(shù)很多，很難單純地從理論上加以確定。要根據(jù)具體條件來選擇。1、電機所選用的絕緣材料的等級越高，電機允許的溫升也就越高。電磁負荷A、B可選高些。2、電機所選用的導(dǎo)磁材料（硅鋼片）及導(dǎo)電材料性能好，則電磁負荷可選高些。3、電機的通風(fēng)冷卻條件好，則電磁負荷可選高些。 隨著電工材料性能的不斷提升及制造工藝的不斷進步，電機的電磁負荷一直逐步提高，從而使電機的體積、重量不斷

10、減小。2-4電機主要尺寸比的選擇及確定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比的選擇在選擇了A和B后，由式： 即可初步確定電機的D2lef。但是對相同的D2lef，可以設(shè)計得細長，也可以設(shè)計得粗短。為了反映電機這種幾何形狀關(guān)系，引入一個尺寸比的系數(shù)：現(xiàn)分別說明不同類型電機對值的選擇。若D2lef不變而較大：1、電機將較細長。好處是繞組的端部變得較短，端部用銅量相應(yīng)減少，可提高繞組的銅的利用率。因此單位功率材料消耗較少，成本較低。2、電機體積未變，因而鐵的重量不變，在同一磁密下的基本鐵耗不變。但是附加鐵耗有所下降，機械損耗也因直徑的變小而減小。因此電機總損耗下降，效率提高。3、繞組端部較短，因此端部漏抗

11、減小。4、由于電機細長，通風(fēng)散熱條件變差，從而導(dǎo)致軸向溫度分布不均勻度加大。5、電機細長，則鐵心沖片數(shù)目增多，沖片加工與鐵心疊壓工時增加；因鐵心直徑較小，嵌線難度增大，嵌線工時增多。6、電機細長，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量減小，對于要求頻繁起動運行的電機是有利的。綜上所述，當(dāng)選擇值時，通常要考慮的因數(shù)有：1）參數(shù)與溫升；2）節(jié)約用銅量；3）轉(zhuǎn)子機械強度；4）轉(zhuǎn)動慣量等。以下對不同種類的電機給出值的范圍。（一）感應(yīng)電機即異步電機通常，對大型感應(yīng)電機則為，（二）同步電機 對于凸極同步電機，通常，中小型同步電機的，其上限為多極電機。對于高速或大型同步電機，由于轉(zhuǎn)子材料機械強度的限制，值選得較高，達34。（三）直

12、流電機通常，中小型直流電機的，大型直流電機的實際設(shè)計時，值的選擇往往需要通過若干計算方案的全面比較分析，才能作出正確的判斷。二、確定主要尺寸的一般方法 但以上確定主要尺寸的方法不夠簡便。在實際應(yīng)用中，人們根據(jù)實踐經(jīng)驗，通常采用“類比法”來確定主要尺寸。 所謂“類比法”，即是將所要設(shè)計的電機的具體條件（如結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)、工藝等）參照已生產(chǎn)過的相近規(guī)格的電機的設(shè)計數(shù)據(jù)，直接初選主要尺寸及某些其它數(shù)據(jù)。例如：所設(shè)計的感應(yīng)電機與已生產(chǎn)的同類型電機具有相同的極數(shù)，但額定功率不同，則根據(jù)主要尺寸關(guān)系式：可近似認為： 2-5系列電機及其設(shè)計特點 所謂系列電機是指功率及安裝尺寸按一定規(guī)律遞增，零部件

13、通用性很高的一系列電機。系列電機具有以下幾方面特點：1、系列電機的額定功率具有一定的范圍，按一定比例遞增。例如Y系列的三相異步電動機的額定功率從0.55kW250kW共分26個等級。2、系列電機的額定電壓按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級選用其中的一種或幾種。例如Y系列電機的額定電壓均為380V。3、系列電機有一定的轉(zhuǎn)速范圍或等級。例如Y系列的同步轉(zhuǎn)速有：3000、1500、1000、750r/min等四種。4、系列電機規(guī)定了若干鐵心沖片的外徑尺寸，且每一外徑對應(yīng)于一個機座號。同一個機座號可有幾種不同的鐵心長度。每一種鐵心長度對應(yīng)于不同的功率數(shù)值。系列電機的設(shè)計特點：1、功率按一定規(guī)律遞增同一系列中相鄰兩功

14、率等級之比（大功率/小功率），稱為功率的遞增系數(shù)Kp。 Kp的取值直接影響到整個系列功率等級數(shù)目的確定，而且對系列的經(jīng)濟性有重要影響。 如果Kp取小，功率等級多，提供給用戶的選擇就多，并可減少過安裝容量、過安裝費用與運行費用。 但是，功率等級增多，使系列中的規(guī)格較多，制造所需工藝裝備增加，生產(chǎn)管理復(fù)雜，制造成本增加，電機的價格提高。 因此，選擇Kp應(yīng)進行細致地分析與綜合，兼顧用戶選用與生產(chǎn)兩方面的方便。 我國Y系列電機的功率等級根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB321-64優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先系數(shù)加以確定，如書20頁表2-3所示。2、安裝尺寸與功率等級相適應(yīng)安裝尺寸是指電機與配套機械進行安裝時的有關(guān)尺寸。系列電機的安裝

15、尺寸一般按軸中心高來分級。功率等級確定后，通常一個軸中心高對應(yīng)兩個功率等級。我國的中小型電機采用的軸中心高尺寸如書21頁表2-4，表2-5所示。3、電樞沖片外徑的確定 我國中小型感應(yīng)電機基本系列的定子沖片外徑系見表2-4，表2-5，它是和軸中心高相對應(yīng)的。4、零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化 即系列電機的零部件應(yīng)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件與標(biāo)準(zhǔn)尺寸、標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。以提高通用性和互換性，降低生產(chǎn)成本，方便使用維修。5、考慮派生的可能性 考慮有可能僅作少量改動即派生出某些產(chǎn)品，以滿足特殊性能、特殊使用環(huán)境與特殊使用條件的要求。第三章磁路計算 3-1概述 磁路計算的目的在于確定勵磁電流及電機的空載特性。大體步驟：磁場

16、（B）磁勢（F）勵磁電流（I）一、磁路計算所依據(jù)的基本原理基本原理是全電流定律或稱安培環(huán)路定律：如果積分路徑沿著磁場強度的矢量取向（即沿著磁力線），則：磁路計算步驟：1、選擇積分閉合回路。一般所選擇的閉合回路通過磁極的中心線。2、分段：即沿著閉合回路，分為若干段，認為各段的磁通沿著截面均勻分布，各段中的磁碭強度為恒值。SN于是每對極回路的勵磁磁勢： 由于一對極中的兩個極的磁路情況是相同的，所以也可以只計算半條回路上各段的磁壓降，其總和即為每極的勵磁磁勢。 勵磁磁勢的計算可歸結(jié)為計算磁路上各段磁壓降。各類電機的磁路可分為如下各段：1、空氣隙；2、定子齒（或磁極）；3、轉(zhuǎn)子齒（或磁極）；4、定子軛

17、；5、轉(zhuǎn)子軛其中空氣隙的磁壓降通常占較大的比例（約6085%）。二、電機中常用的磁性材料電機中的鐵心一般多采用表面涂漆的硅鋼片疊壓而成。硅鋼片根據(jù)制造工藝的不同又分為熱軋片與冷軋片。3-2空氣隙磁壓降的計算 通常計算是最大氣隙磁通密度所在的磁極中心線處的氣隙磁壓降。即：氣隙磁場：對于每極磁通可根據(jù)給定的繞組感應(yīng)電勢來確定。一、計算極弧系數(shù)p的確定 計算極弧系數(shù)p表示在一個極距下的平均磁密與最大磁密之比。計算極弧系數(shù)p的大小取決于氣隙磁密分布曲線B（x）的形狀。當(dāng)B（x）為正弦分布時， p。（一）直流電機的p1、均勻氣隙即極弧下的氣隙為均勻的，對于這類型直流電機，有：2、不均勻氣隙 為了消弱電樞

18、反應(yīng)，磁極常做成削角的形狀，如圖所示。其中間部分的約2/3表面下的氣隙仍是均勻的，兩側(cè)逐漸增大到2，對于這種極靴，由于邊緣效應(yīng)被削弱，因此可?。哼吘壭?yīng)同理，對于偏心的圓弧形極靴，即空氣隙由連續(xù)地增大到max， 當(dāng)max /3時，可?。海ǘ└袘?yīng)電機的p 一般情況下，感應(yīng)電機由于磁路的飽和氣隙磁場已不是正弦分布，而是與直流機類似的比較扁平的形狀。因此Bav/B=p 。p的數(shù)值主要與定子齒與轉(zhuǎn)子齒的飽和程度有關(guān)。齒部越飽和，則氣隙磁場波形越扁來， p也越大。齒部的飽和程度以飽和系數(shù)來標(biāo)志，它等于：求出了Ks以后，根據(jù)p與Ks的關(guān)系曲線，確定出p 圖中還提出供了KNm=f(Ks)的關(guān)系曲線。當(dāng)磁路不飽和，磁場分布為正弦波時，KNm，隨著Ks的增大，KNm逐漸下降。（三）凸極同步電機的p 凸極電機的勵磁磁勢空間波