現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)及分析方法 課件全套 第1-8章 電機(jī)設(shè)計(jì)概述 - 電機(jī)發(fā)熱與冷卻計(jì)算

現(xiàn)代電機(jī)設(shè)計(jì)及分析方法第一章

電機(jī)設(shè)計(jì)概述1.1

課程說明課程的目的和任務(wù)：專業(yè)方向課 研究電機(jī)設(shè)計(jì)原理和方法的一門課程通過本課程的學(xué)習(xí)，了解電機(jī)設(shè)計(jì)的基本原理通過典型機(jī)種的設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握電機(jī)設(shè)計(jì)的基本方法和過程。課程特點(diǎn)：內(nèi)容涉及面廣（電、磁、機(jī)械、力學(xué)、熱、流體、聲、計(jì)算機(jī)、數(shù)值計(jì)算、電力電子）內(nèi)在關(guān)系復(fù)雜（技術(shù)指標(biāo)與變量間的多方約束）工程觀點(diǎn)處理問題等效觀點(diǎn)處理問題博觀而約取，厚積而薄發(fā)——蘇軾第一章電機(jī)設(shè)計(jì)概述概述1.2

電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)電機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的電氣設(shè)備，是中國(guó)制造業(yè)的重要組成部分，目前我國(guó)普通電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)成熟，隨著企業(yè)技術(shù)水平的提高以及不斷吸收國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，未來電機(jī)行業(yè)也將向著高效性、高可靠性、輕量化小型化、智能化等更高目標(biāo)發(fā)展。單機(jī)容量增大特種電機(jī)更多引起設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行方式變化。博觀而約取，厚積而薄發(fā)——蘇軾第一章電機(jī)設(shè)計(jì)概述概述1.2

電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)3.

三化、四新三化：從管理的角度在宏觀降低整個(gè)行業(yè)的成本標(biāo)準(zhǔn)化；

系列化；

通用化四新：利用科技進(jìn)步提高產(chǎn)品的品質(zhì)新技術(shù)新結(jié)構(gòu)新工藝新材料多用途、多品種、高可靠性、壽命長(zhǎng)；噪聲低、重量輕、高效節(jié)能、機(jī)電一體化、智能化。4.

高效電機(jī)、超高效電機(jī)第一章電機(jī)設(shè)計(jì)概述概述1.3電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)和依據(jù)1、任務(wù)PNU

NnNmf

cos

mTTstIst5個(gè)運(yùn)行規(guī)范5個(gè)技術(shù)要求國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策、電機(jī)理論及設(shè)計(jì)方法兩個(gè)關(guān)系：

性能與成本理論與實(shí)際性能好體積小重量輕結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單運(yùn)行可靠制造、維修方便…博觀而約取，厚積而薄發(fā)——蘇軾第一章電機(jī)設(shè)計(jì)概述概述1.3

電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)和依據(jù)2、設(shè)計(jì)過程用戶要求初始設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、資料現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況任務(wù)書電磁設(shè)計(jì)電磁性能計(jì)算電磁方案總裝草圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械、冷卻加工圖性能校核（一）準(zhǔn)備階段收集資料，即相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、相近的電機(jī)技術(shù)資料，包括試驗(yàn)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(jì)根據(jù)技術(shù)任務(wù)書的規(guī)定，進(jìn)行電磁計(jì)算，確定所設(shè)計(jì)電機(jī)的沖片尺寸、鐵心長(zhǎng)度及電磁性能。（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格等。博觀而約取，厚積而薄發(fā)——蘇軾第一章電機(jī)設(shè)計(jì)概述概述1.3

電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)和依據(jù)3、對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求1）具備過硬的電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)；2）設(shè)計(jì)人員要注意貫徹國(guó)家的技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)人員應(yīng)認(rèn)真地聽取有關(guān)人員的意見和建議，注意理論與實(shí)際、設(shè)計(jì)與工藝相結(jié)合，認(rèn)真進(jìn)行調(diào)查研究、訪問用戶和查閱資料等。電機(jī)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)家有關(guān)部門對(duì)電機(jī)提出一定要求的文件，它是電機(jī)生產(chǎn)的依據(jù)，也是評(píng)定電機(jī)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的準(zhǔn)則。生產(chǎn)部門應(yīng)力求使所設(shè)計(jì)制造的電機(jī)全面滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。博觀而約取，厚積而薄發(fā)——蘇軾第一章結(jié)束！第2章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-1 電機(jī)的主要尺寸關(guān)系1、何為電機(jī)的主要尺寸電機(jī)主要尺寸是指：電樞鐵心的直徑和長(zhǎng)度對(duì)于直流電機(jī)，電樞直徑是指轉(zhuǎn)子外徑；對(duì)于感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，則是指定子內(nèi)徑。確定主要尺寸是設(shè)計(jì)電機(jī)的第一步。主要尺寸確定以后，電機(jī)的重量、價(jià)格、工作特性等方方面面也隨之而定。2、電機(jī)主要尺寸關(guān)系式電機(jī)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(jī)的計(jì)算功率來表示。因此，可由計(jì)算功率（通過氣隙的電磁能）出發(fā)得到主要尺寸關(guān)系式。E

4KNmKdpfN

Nm交流電機(jī)的電磁計(jì)算功率：P'

mE（I VA）交流電機(jī)電樞繞組的相電勢(shì)為：KNm

—?dú)庀洞艌?chǎng)的波形系數(shù)K =

氣隙磁場(chǎng)有效值

（正弦分布時(shí)等于1.11）氣隙磁場(chǎng)平均值Kdp

—繞組系數(shù)'av ef

p ef每極磁通：

B

l

B

l''av p

B

B

—計(jì)算極弧系數(shù)pB

—?dú)庀洞琶艿淖畲笾礏

av

—?dú)庀洞琶艿钠骄礶f

Dl —鐵心等效長(zhǎng)度

—極距

=2

p第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系引入線負(fù)荷概念又將E和I的計(jì)算公式帶入整理后可得：※

D線負(fù)荷：?jiǎn)挝浑姌袌A周上的安培導(dǎo)體數(shù)

A

m2NIm2NI

DA''6060Nm dpNm dpNm dpefpnpn2

p

p ef

p

D

lNB

lNB

E

4KK fN

4K

K

4K

KP'

mE（I

VA）'6.11efAp Nm dpAD2l

nP'K ABK

K

C

=B

—磁負(fù)荷CA

—電機(jī)常數(shù) KA

—利用系數(shù)主要尺寸關(guān)系式第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系主要尺寸計(jì)算公式中'pNmdp,

K ,

K

在一定功率和轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電機(jī)，A

和

B

的變動(dòng)范圍不大，而的變化范圍更小，所以把

CA

稱為電機(jī)常數(shù)。ef efefefAD2l

n

D2lD2lD2lP'P'P'T

'n602

C

60

2

P'

T

'

—計(jì)算轉(zhuǎn)矩

T

'

2ef 體現(xiàn)的是電機(jī)的體積，即所需消耗的有效材料“Dl

”的體積。則電機(jī)常數(shù)和利用系數(shù)的物理含義為：CA

—大體上反映了產(chǎn)生單位計(jì)算轉(zhuǎn)矩所消耗的有效材料的體積，反映了材料的消耗量。KA

—表示單位體積有效材料所能產(chǎn)生的計(jì)算轉(zhuǎn)矩。KA

的大小反應(yīng)了電機(jī)材料的利用率，因此，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。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系3、討論從主要尺寸關(guān)系式得出的結(jié)論（在一定范圍內(nèi)成立）

※'6.1efAD2l

nP'K ABp Nm dp

K

=C重要結(jié)論1）若P

為常數(shù),

則

n

增加

體積降低；2）若體積為常數(shù),

則

n增加

P

增加

---n大、P

大的電機(jī)可以同n小、P

小的電機(jī)放在同一機(jī)座號(hào)內(nèi)；3）若n為常數(shù),

體積增加

P

增加,

若D為常數(shù),

則長(zhǎng)度增加

P

增加；4)

若P

為常數(shù),

n為常數(shù),

A、B

增加

體積降低，高能量密度電機(jī)。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-2 電機(jī)中的幾何相似定律和系列電機(jī)1、電機(jī)的幾何相似定律及由此引出的結(jié)論電密、磁密、轉(zhuǎn)速和極數(shù)相同，容量遞增、相應(yīng)幾何尺寸成比例。幾何相似電機(jī)是指電機(jī)對(duì)應(yīng)的尺寸間具有相同的比值則，因此，單機(jī)容量越大越好。受溫升約束，單機(jī)容量不能任意大。cuFecu

FeFe cu

FeP

EI

N

BFe

SFe

J

S

J

BN

S S

J

BS S

l

41即，l

P

4而，重量、成本、損耗

l31P

4

P

' P

' P

' l重量 成本損耗 1 1(J、B不變時(shí)，損耗只與體積成正比)可知，隨著電機(jī)容量的增大，電機(jī)有效材料的利用率和電機(jī)的效率均將提高第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系2、系列電機(jī)及其特點(diǎn)定義：技術(shù)要求、應(yīng)用范圍、結(jié)構(gòu)形式、冷卻方式、生產(chǎn)工藝基本相同，功率及安裝尺寸按一定規(guī)律遞增，零部件通用性很高的一系列電機(jī)。便于成批生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化，也有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。系列電機(jī)具有以下幾方面特點(diǎn)：1）系列電機(jī)的額定功率具有一定的范圍，按一定比例遞增。2）系列電機(jī)的額定電壓按規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)選用其中的一種或幾種。3）系列電機(jī)有一定的轉(zhuǎn)速范圍或等級(jí)。4）系列電機(jī)規(guī)定了若干鐵心沖片的外徑尺寸，且每一外徑對(duì)應(yīng)于一個(gè)機(jī)座號(hào)。同一個(gè)機(jī)座號(hào)可有幾種不同的鐵心長(zhǎng)度。每一種鐵心長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于不同的功率數(shù)值。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-3 電磁負(fù)荷的選擇AK AB

Cp Nm

dp

K'efP'D2l

n6.1根據(jù)主要尺寸關(guān)系式，由于αp′、KNm、Kdp變化不大，因此當(dāng)計(jì)算功率P′與轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，電機(jī)的主要尺寸取決于電磁負(fù)荷A、Bδ。顯然，A

,

B

CA

D

l

體積

重量

成本

2ef所以，人們總希望選取較高的A和Bδ，但是，過高的A和Bδ也帶來負(fù)面影響。因此，要掌握電磁負(fù)荷選擇對(duì)電機(jī)性能的影響及選擇依據(jù)。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系1、A和Bδ的選擇對(duì)電機(jī)的影響1）在n、P’=Const.

（出力一定）,

若

Bδ

=Const.（常數(shù)），而A增加，則：① 體積降低，節(jié)省硅鋼片等材料，成本減小②③④電抗↑→起動(dòng)轉(zhuǎn)矩↓，起動(dòng)電流↓，最大轉(zhuǎn)矩↓

(感應(yīng)電機(jī))鐵耗PFE ↓體積降低

Φ

↓

N↑

(匝數(shù))

R

↑

Pcu

↑N↑

銅重量↑、銅溫升↑η

？Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1與體積成正比第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系2）在n、P’=Const.

（出力一定）,

若

A

=Const.（常數(shù)），而Bδ增加，則：① 體積降低，節(jié)省硅鋼片等材料，成本減小②③ 飽和程度增大→氣隙磁位降↑→磁化電流↑→cosφ↓④ 電抗減小→最大轉(zhuǎn)矩↑，起動(dòng)過電流↑，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩↑

(感應(yīng)電機(jī))Bδ↑→PFE

↑↑體積↓→

PFE

↓PFE↑→鐵心溫升↑，

↓Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1與體積成正比第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系2、電磁負(fù)荷選擇的依據(jù)電磁負(fù)荷選擇時(shí)關(guān)聯(lián)的因素很多，很難單純地從理論上加以確定。要根據(jù)具體條件來選擇，通常有以下要求及依據(jù)。制造成本1）

A和Bδ的比例適當(dāng)運(yùn)行成本2）導(dǎo)電、導(dǎo)磁材料好→

A、Bδ可增加3）工藝好→

A、Bδ可增加4）冷卻條件好（冷卻系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)）→

A、Bδ可增加5）轉(zhuǎn)子圓周速度高→

A、Bδ可增加6）絕緣材料等級(jí)高→

A、Bδ可增加第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系3、關(guān)系曲線A和Bδ的值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線來選取線負(fù)荷與功率之間的關(guān)系曲線磁負(fù)荷選擇的經(jīng)驗(yàn)值隨著電工材料性能的不斷提升及制造工藝的不斷進(jìn)步，電機(jī)的電磁負(fù)荷一直逐步提高，從而使電機(jī)的體積、重量不斷減小。豐田Prius第三、四代電機(jī)對(duì)比第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-4 電機(jī)主要尺寸的計(jì)算按上節(jié)原則初選A、Bδ轉(zhuǎn)速n已知，則因此當(dāng)計(jì)算功率P′確定時(shí)，電機(jī)的主要尺寸部分便可確定。CA已知efAD2lCP'n

ef初步選取主要尺寸關(guān)系式中相關(guān)系數(shù)1、D2l

的確定p Nm

dpefK AB

CA

K'P'D2l

n6.1主要尺寸第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-4 電機(jī)主要尺寸的計(jì)算2、

P′

的確定對(duì)于同步機(jī)p Nm

dpefK AB

CA

K'P'D2l

n6.1主要尺寸P'

mE（I

VA）PN

mUNI

cos

（VA）'E NK Pcos

P

(感應(yīng)電機(jī))cos

P'

KEPN式中，

、cos

、U

N、PN由設(shè)計(jì)書上給定KE為電勢(shì)系數(shù)，選擇范圍為0.85~0.95，

PN大者選大值。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-4 電機(jī)主要尺寸的計(jì)算3、

主要尺寸比D2lef可求，如何拆分D和lef？通過前面的計(jì)算即可初步確定電機(jī)的D2lef

。但是對(duì)相同的D2lef

，電機(jī)可以設(shè)計(jì)得細(xì)長(zhǎng)，也可以設(shè)計(jì)得粗短。為了反映電機(jī)這種幾何形狀關(guān)系，引入一個(gè)尺寸比的系數(shù)：電機(jī)主要尺寸比討論：D2lef不變而λ較大：①

電機(jī)細(xì)而長(zhǎng)。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，成本較低。②效率提高。電機(jī)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；端部減小，銅耗也降低；機(jī)械損耗也因直徑的變小而減小。因此電機(jī)總損耗下降，效率提高。

lef第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系§2-4

電機(jī)主要尺寸的計(jì)算3、

主要尺寸比討論：D2lef不變而λ較大：③ 繞組端部較短，因此端部漏抗減小。④電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，對(duì)于軸向強(qiáng)迫通風(fēng)的電機(jī)，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；有利于徑向自然冷卻電機(jī)的散熱。⑤電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，鐵心沖片數(shù)目增多，沖片加工與鐵心疊壓工時(shí)增加；因鐵心直徑較小，嵌線難度增大，嵌線工時(shí)增多。⑥電機(jī)細(xì)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減小，適合要求頻繁起動(dòng)運(yùn)行的電機(jī)。綜上所述，當(dāng)選擇λ值時(shí)，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(jī)械強(qiáng)度；4）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系λ的取值范圍（一）感應(yīng)電機(jī)即異步電機(jī)通常λ=0.4~1.5，對(duì)大型感應(yīng)電機(jī)則為λ=1~3.5。（二）同步電機(jī)對(duì)于凸極同步電機(jī)，通常，中小型同步電機(jī)的λ=0.6~2.5，其上限為多極電機(jī)。對(duì)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，λ值選得較高，達(dá)3~4。（三）直流電機(jī)通常，中小型直流電機(jī)的λ=0.6~1.2，大型直流電機(jī)的λ=1.25~2.5實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，λ值的選擇往往需要通過若干計(jì)算方案的全面比較分析，才能作出正確的判斷。第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系4、

D和lef的確定確定λ后，便可根據(jù)D2lef分解出D和lef，則efD2n

n2

CA

P

'D

12.43P'CA,

l計(jì)算出D和lef，的值后，還需向標(biāo)準(zhǔn)直徑靠攏。為充分利用硅鋼片，減少?zèng)_模等工裝設(shè)備的規(guī)格與數(shù)量，加強(qiáng)通用性和系列電機(jī)功率等級(jí)遞增的需要，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電樞外直徑

(交流機(jī)：定子、直流機(jī)：轉(zhuǎn)子)。則求出電樞內(nèi)徑后→外徑→標(biāo)準(zhǔn)外徑→內(nèi)徑→長(zhǎng)度第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系5、

實(shí)用中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類比法確定D和lef以上所講的確定主要尺寸的方法不夠簡(jiǎn)便。在實(shí)際應(yīng)用中，人們根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(jì)的電機(jī)的具體條件（如結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工藝等）參照已生產(chǎn)過的相近規(guī)格的電機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)的感應(yīng)電機(jī)與已生產(chǎn)的同類型電機(jī)具有相同的極數(shù)

(轉(zhuǎn)速相同)，但PN不同。根據(jù)主要尺寸關(guān)系式：則可近似認(rèn)為Ap Nm

dpefK AB

C

K'P'D2l

n6.1N

2N1ef

2ef

1N

2N12

ef

21 ef

1PPllPPD2lD

2l

,如果選取D1

D2

,則有

第二章

電機(jī)主要參數(shù)之間的關(guān)系第二章結(jié)束第3章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)§3-1

感應(yīng)電機(jī)定子繞組及鐵心設(shè)計(jì)一、定子槽數(shù)選擇當(dāng)電機(jī)極數(shù)和相數(shù)一定時(shí)，槽數(shù)取決于每極每相槽數(shù)

q，當(dāng)q大時(shí)：定子諧波磁場(chǎng)、附加損耗、諧波漏抗?。唬ㄓ啥ㄗ哟艌?chǎng)波形可知—電流集中在槽中心線上）每槽導(dǎo)體數(shù)小，槽漏抗減小；槽散熱面積加大；絕緣用量和加工工時(shí)增加，槽利用率下降。結(jié)論：理論上槽多好，電流分布均勻，磁場(chǎng)波形好；但工藝上難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)感應(yīng)電機(jī)：q=2-6。二、定子繞組設(shè)計(jì)1、基本要求：⑴

對(duì)稱：①

相間對(duì)稱：三相交流繞組各相相軸在空間互差120°電角度，并有相同的有效匝數(shù)，保證各相電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)對(duì)稱（大小相等、相位相差120°）；②

支路對(duì)稱：各相并聯(lián)支路具有相同的電動(dòng)勢(shì)、電流和阻抗；⑵

繞組感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和磁動(dòng)勢(shì)的基波分量盡可能大，諧波盡可能小。2、分類：---

按繞組布置分：集中和分布繞組；---

按相帶分：120°、60°、30°相帶繞組；---

按q分：整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽繞組；---

按槽內(nèi)線圈層數(shù)分：雙層和單層---

按線圈形式和端部連接方式分：有疊繞組、波繞組（雙層），同心式、鏈?zhǔn)?、交叉式（單層）。第三?/p>

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)二、定子繞組設(shè)計(jì)3、繞組型式⑴單層繞組（用于小功率，如Y160及以下機(jī)座，

）無層間絕緣，槽利用率高；優(yōu)點(diǎn)： 導(dǎo)體同相，無相間擊穿；線圈少，嵌線方便。缺點(diǎn)：不易短距，磁場(chǎng)波形差。單層繞組通常有同心式、鏈?zhǔn)胶徒徊媸酵氖剑?/p>

通常用于2p=2且q為偶數(shù)（下線容易，端部長(zhǎng)且線圈數(shù)多）；鏈?zhǔn)剑?/p>

通常用于2p

≥4且q為偶數(shù)（線模少，下線難）交叉式：通常用于q為奇數(shù)。（端部短）理論上不論極數(shù)和槽數(shù)如何，都可以形成如上三種繞組，但有端部連線長(zhǎng)短之分。端部連線短的繞組最好，因此有如上說法。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)繞組連接圖1234567891011121314151617181920212223

24

N1

S1

N2

S2 AX1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24XA

N1

S1

N2

S2

N1

S1

N2

S2 AX1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36同心式繞組鏈?zhǔn)嚼@組交叉式繞組第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)定子繞組設(shè)計(jì)(2)雙層疊繞組可短距；端部排列方便；線圈尺寸相同；絕緣多。(3)單雙層繞組---

低諧波繞組（例如：用于q大兩極電機(jī)的同心單雙層繞組）yyy2雙層疊繞組雙層波繞組第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)節(jié)距

y=64、節(jié)距選擇對(duì)于感應(yīng)電機(jī)，正常情況下5

雙層、2p≥

4（削弱5、7次諧波）2

雙層、2p≥

2（方便下線、減小端部）3

單層2y以槽數(shù)計(jì)sin( q)2yq

sin( )

可以計(jì)算出繞組系數(shù)：

Kdp1

Kd1

K

p1

Kd1

,K

p1

sin 2 ,

mq第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)5、繞組接法Y

接，△

接正弦繞組：三相繞組磁勢(shì)中所包含的高次諧波的強(qiáng)弱直接影響著電動(dòng)機(jī)的性能，采用正弦繞組可以加強(qiáng)基波磁勢(shì)，削弱5次，7次等一系列諧波，因而電動(dòng)機(jī)出力可以提高，同時(shí)振動(dòng)和噪聲也可減小，改善電動(dòng)機(jī)性能，降低能耗。6、每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)由線負(fù)荷A及定子電流可得出每相導(dǎo)體數(shù)：1PNN

mU

cos

Di1A

mN

I1線負(fù)荷估算定子電流

I

則每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)

N

可得第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)7、每槽導(dǎo)體數(shù)，單層時(shí)為整數(shù)；雙層是為偶數(shù)。或8、導(dǎo)體的規(guī)格與并繞由估算的電流和選定的電密值，推算導(dǎo)體截面積S1

=

I1/

J1（裸線-過流）用算出的S1

標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)對(duì)照標(biāo)稱截面積選則標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)。若計(jì)算得到的截面積太大，則考慮支路并聯(lián)或?qū)w并繞。1Q每槽導(dǎo)體數(shù)：Ns1

mN

1s1NQ

maN

1N

1

為每相每支路串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，1Q 為定子槽數(shù)，a為并聯(lián)支路數(shù)。查線規(guī)表第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)1并聯(lián)支路數(shù)a ≤① 相同或相鄰的導(dǎo)線在一起并繞

n1-d1,

n2-d2② 最大并繞根數(shù)≤8③ 橫縱并繞。其中①和②為散下線時(shí)，③為成型線圈。9、每槽內(nèi)導(dǎo)體所占面積由槽內(nèi)導(dǎo)體數(shù)、線規(guī)尺寸—電負(fù)荷確定導(dǎo)線（用絕緣后的方形面積）所占的面積。(1)

支路并聯(lián)2p 雙層時(shí)2p 單層，q為偶數(shù)p(2)

導(dǎo)體并繞

–

線規(guī)的確定如何考慮并繞：?jiǎn)螌?，q為奇數(shù)1aN

1

N

第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)繞組第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)三、定子槽型設(shè)計(jì)1、選槽型小型電機(jī)—梨形槽，散下線；中型低壓—半開口槽；中大型高壓—開口槽2、散下線時(shí)：槽口尺寸：由導(dǎo)線尺寸確定，利于下線；槽斜肩角：30°磁負(fù)荷確定尺寸：選定齒部磁密Bt1→確定齒寬bt1

→

bs1

、hs1選定軛部磁密Bj1→計(jì)算軛高h(yuǎn)j1

→

Rs

、hs2槽滿率大?。捍笥?8%，工藝不允許；小于70%，鐵的利用率、散熱差。3、定子硬線圈時(shí)導(dǎo)條尺寸和槽型尺寸的確定從電的角度→導(dǎo)體面積→槽尺寸→從磁的角度核算

（或相反途徑）Fet

1為槽距b

t1為齒寬K 為鐵心疊片系數(shù)。由定子一個(gè)齒距內(nèi)的氣隙磁通：B

t

l

1

ef

Bt1b

t1KFelt

由一個(gè)極下的氣隙磁通)：

p

B

lef

2Bj1hj1

KFelt

第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)§3-2 感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組及鐵心設(shè)計(jì)一、轉(zhuǎn)子槽數(shù)選擇

--

多少個(gè)？定子槽數(shù)確定后，轉(zhuǎn)子槽數(shù)不能隨便定，定、轉(zhuǎn)子間需選擇合理的槽配合，選擇槽配合的原則為：減小附加損耗

--

用少槽（轉(zhuǎn)子槽略少于定子槽）、近槽配合；降低噪聲

--遠(yuǎn)槽配合；3. 減小異步轉(zhuǎn)矩

--Z2≤1.25（

Z1+p）減小同步轉(zhuǎn)矩減小震動(dòng)噪聲使用推薦的槽配合第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)二、轉(zhuǎn)子槽形及尺寸確定

--

什么樣？多大尺寸？轉(zhuǎn)子各種槽型特點(diǎn)及選擇教材中共給出十種槽型，可分為三類：簡(jiǎn)單槽；深槽/凸/刀形槽；雙籠槽型尺寸與確定定子槽尺寸類似在一個(gè)齒距內(nèi)：氣隙磁通=一個(gè)齒內(nèi)磁通，選定齒部磁密Bt2→確定齒寬bt2在一個(gè)極距內(nèi)：氣隙磁通=2×軛部磁通，選定軛部磁密Bj2→計(jì)算軛高h(yuǎn)j2從而確定槽尺寸再?gòu)碾姷慕嵌群怂悖浪氵x擇轉(zhuǎn)子電密；估算轉(zhuǎn)子槽面積S2=

I2/

J2,校核由磁通計(jì)算所開的槽面積。1

m

N K2

2

dp2m1

N

1

Kdp1I2

K

II第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)3. 特殊槽型尺寸確定（面積等效）先按簡(jiǎn)單槽型開槽，再?gòu)拿娣e等效觀點(diǎn)確定尺寸。三、端環(huán)尺寸的確定選擇端環(huán)電密,

估算端環(huán)面積,

SR=

IR/

JR按轉(zhuǎn)子外徑和槽深確定端環(huán)厚度,

最后確定端環(huán)寬。由轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流估算端環(huán)電流:I

RQ22

p

I

2第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)§3-3

異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)繞組及鐵心設(shè)計(jì)異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)主要在要求高效節(jié)能的場(chǎng)合替代感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，因此其設(shè)計(jì)的目標(biāo)是：高功率因數(shù)、高效率、起動(dòng)性能好、經(jīng)濟(jì)性好、工作可靠。電機(jī)理論及設(shè)計(jì)方法符合要求可靠性高經(jīng)濟(jì)性好計(jì)算方法設(shè)計(jì)要求國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)實(shí)際電磁設(shè)計(jì)任務(wù)：確定轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)、定轉(zhuǎn)子沖片尺寸、定轉(zhuǎn)子繞組數(shù)據(jù)等設(shè)計(jì)參數(shù)以滿足設(shè)計(jì)要求。一、異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)額定數(shù)據(jù)：

PN

、

UN

、f、

nN主要性能指標(biāo)：ηN

、

cosφN

、Tm/TN（最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)或失步轉(zhuǎn)矩倍數(shù)或過載能力）、Tst/TN、Ist/IN、Tmin/TN（最小轉(zhuǎn)矩倍數(shù)）、Tpi/TN（牽入轉(zhuǎn)矩倍數(shù)）

。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)定子槽漏抗減小槽中線圈邊的總散熱面積增大，有利于散熱絕緣材料用量和加工工時(shí)增加，槽利用率低q1

大q1

：2~6二、定子沖片尺寸和氣隙長(zhǎng)度的確定q1→Q1定子諧波磁場(chǎng)減小，附加損耗降低綜合對(duì)于常規(guī)用途的小功率永磁同步電動(dòng)機(jī)，為提高零部件的通用性，縮短開發(fā)周期和成本，通常選用Y系列、Y2系列或Y3系列小型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子沖片。永磁同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密高、體積小，可選用比相同規(guī)格感應(yīng)電動(dòng)機(jī)小一個(gè)機(jī)座號(hào)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)定子沖片。在感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中，為提高cosφ

，通常使氣隙長(zhǎng)度盡可能小，而在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，cosφ可以通過調(diào)整繞組匝數(shù)和永磁體進(jìn)行調(diào)整，氣隙長(zhǎng)度對(duì)雜散損耗影響較大，因此通常比同容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)氣隙長(zhǎng)度大0.1～0.2mm。在永磁體尺寸一定的前提下，適當(dāng)增大氣隙，對(duì)每極基波磁通影響較小。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)三、定子繞組的設(shè)計(jì)永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)含有大量的諧波，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中諧波含量也較高，為避免三次諧波在繞組各相之間產(chǎn)生環(huán)流，三相繞組的連接通常采用Y形接法。1.

定子繞組型式和節(jié)距選擇單層繞組雙層繞組正弦繞組同心式： q1

=4、6、8，

兩極電機(jī)；鏈?zhǔn)剑? q1

=2

的4、6、8極電機(jī)；交叉式： q1

為奇數(shù)的電機(jī)。優(yōu)缺點(diǎn)主要用于180及以上機(jī)座號(hào)的電機(jī)；

同感應(yīng)為削弱磁勢(shì)及5次、7次諧波，通常選擇節(jié)距y=5τ/6；

電動(dòng)機(jī)對(duì)于兩極電機(jī)，為便于嵌線和縮短端部長(zhǎng)度，除鐵心很長(zhǎng)的以外，

取y=

2τ/3。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)每相串聯(lián)匝數(shù)的確定永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和功率因數(shù)都與每相串聯(lián)匝數(shù)直接相關(guān)。在確定每相串聯(lián)匝數(shù)時(shí)，通常先滿足起動(dòng)要求，再通過調(diào)整永磁體來滿足功率因數(shù)的要求。永磁同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)能力比感應(yīng)電動(dòng)機(jī)差，故每相串聯(lián)匝數(shù)少，起動(dòng)電流倍數(shù)高。電流密度選擇、線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定在永磁同步電動(dòng)機(jī)中，為達(dá)到高效節(jié)能的目的，電流密度通常比同容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)低，同時(shí)每相串聯(lián)匝數(shù)較小也為低電流密度的采用提供了保證。C1t11 t1

1I1導(dǎo)線截面積為：

Aa

N

J

N

為并繞根數(shù)。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)四、轉(zhuǎn)子鐵心的設(shè)計(jì)1.

定轉(zhuǎn)子槽配合同感應(yīng)電動(dòng)機(jī)類似，當(dāng)永磁同步電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子槽配合不當(dāng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)附加轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲增加，效率下降。在選擇槽配合時(shí)，通常遵循以下原則：（1）Q2為極數(shù)的整數(shù)倍，采用多槽遠(yuǎn)槽配合。（2）降低異步附加轉(zhuǎn)矩，Q2

≤1.25（

Q1+p）。（3）避免同步附加轉(zhuǎn)矩，

Q2

≠Q(mào)1、

Q2

≠Q(mào)1±p、

Q2

≠Q(mào)1±2p。（4）避免單向振動(dòng)力，

Q2

≠

Q1

±1、

Q2

≠

Q1

±p±1。2.

轉(zhuǎn)子槽形及尺寸為了有效隔磁，通常采用平底槽。在小型內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)中，為提供足夠空間放置，槽高度較小，集膚效應(yīng)遠(yuǎn)不如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)明顯，且凸形槽和刀形槽形狀復(fù)雜、沖模制造困難，故通常采用梯形槽。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的主要作用是用于起動(dòng)，同步運(yùn)行時(shí)，氣隙基波磁場(chǎng)不在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)電流，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽和導(dǎo)條時(shí)，主要考慮起動(dòng)性能、牽入同步性能和轉(zhuǎn)子齒、軛部磁密，由于槽通常窄且淺，轉(zhuǎn)子齒、軛部磁密裕度較大。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)通常情況下，增大轉(zhuǎn)子電阻，可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但牽入同步能力下降，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子槽和端環(huán)時(shí)，要兼顧起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和牽入轉(zhuǎn)矩的需要。由于永磁體是從轉(zhuǎn)子端部放入轉(zhuǎn)子鐵心的，從工藝方面考慮，通常永磁體槽和永磁體之間有一定的間隙，其大小取決于沖片的加工和疊壓工藝水平，通常為0.1～0.2mm。轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)的選擇無論何種磁極結(jié)構(gòu)，都需要能放置足夠的永磁體。在保證永磁體放置空間的前提下，盡量選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)械性能好、隔磁效果好的磁極結(jié)構(gòu)。永磁體設(shè)計(jì)在異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，永磁體形狀通常為矩形，主要尺寸為：每極永磁體的總寬度、永磁體充磁方向長(zhǎng)度和永磁體軸向長(zhǎng)度，其中永磁體軸向長(zhǎng)度跟電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心長(zhǎng)度相同，因此只需確定每極永磁體的總寬度和永磁體充磁方向長(zhǎng)度。第三章

電機(jī)繞組與鐵心設(shè)計(jì)第3章

結(jié)束！第4章

磁路設(shè)計(jì)第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-1 概述1、磁路計(jì)算的目的為得到所需要的磁通，確定勵(lì)磁電流（感應(yīng)電機(jī)）和空載特性（直流和同步機(jī)）。2、磁路計(jì)算過程忽略電機(jī)端部影響，可將電機(jī)內(nèi)3D電磁場(chǎng)的計(jì)算簡(jiǎn)化為2D電磁場(chǎng)的計(jì)算。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可以只考慮一對(duì)極下的磁通情況?；驹恚夯诎才嗳娏鞫?/p>

H

dl

i將積分路線選為一條磁力線：

H

dl

i選一條特定的磁力線,

認(rèn)為在每一段上磁場(chǎng)強(qiáng)度近似不變：

H

j

l

j

i

jNS磁路計(jì)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(rèn)為各段的磁通沿著截面均勻分布，各段中的磁碭強(qiáng)度為恒值。3、如果積分路徑沿著磁場(chǎng)強(qiáng)度的矢量取向（即沿著磁力線），則：

H

j

l

j

i

j大體步驟：磁場(chǎng)→磁勢(shì)→勵(lì)磁電流第四章

磁路設(shè)計(jì)于是每對(duì)極回路的勵(lì)磁磁勢(shì)：n

l

Hdl

H1L1

H

2

L2

Hn

Ln

H

x

Lx

F01由于一對(duì)極中的兩個(gè)極的磁路情況是相同的，所以也可以只計(jì)算半條回路上各段的磁壓降，其總和即為每極的勵(lì)磁磁勢(shì)。勵(lì)磁磁勢(shì)的計(jì)算可歸結(jié)為計(jì)算每極磁路上各段磁壓降。電機(jī)磁路通?？煞秩缦?段（每段上H近似相等）：其中空氣隙的磁壓降通常占較大的比例（約60~85%）。電機(jī)中的鐵心一般多采用表面涂漆的硅鋼片疊壓而成。感應(yīng)電機(jī)氣隙定子齒(定子齒連)

軛轉(zhuǎn)子齒(轉(zhuǎn)子齒連)

軛同步電機(jī)氣隙定子齒(定子齒連)

軛轉(zhuǎn)子磁極(轉(zhuǎn)子極連)

軛直流電機(jī)氣隙(定子)

磁極(定子極連)

軛轉(zhuǎn)子齒(轉(zhuǎn)子齒連)

軛第四章

磁路設(shè)計(jì)氣隙

δ↓氣隙長(zhǎng)度的確定氣隙長(zhǎng)度(單邊長(zhǎng)度)對(duì)電機(jī)的影響：cos

←Im

←

F↓

(

F主要為氣隙磁壓降)x

,TM

,Tst

諧波磁場(chǎng)增大→諧波轉(zhuǎn)矩、附加損耗、溫聲、噪音增大機(jī)械可靠性降低經(jīng)驗(yàn)公式：i1

t

0.3(0.4

7 D

l

)

10

3

(小型感應(yīng)機(jī))9i12

p

D

(1

)

10

3

(大型感應(yīng)機(jī))第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-2 空氣隙磁壓降的計(jì)算一、理想狀態(tài)（磁場(chǎng)和氣隙均勻時(shí)）通常計(jì)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。即二、實(shí)際狀態(tài)（磁場(chǎng)和氣隙不均勻時(shí)）軸向：端部周向：一個(gè)極距內(nèi)磁場(chǎng)分布不均徑向：有齒槽影響使得磁場(chǎng)波形有很大的毛刺氣隙內(nèi)磁場(chǎng)分布不均時(shí),

可分別沿

周/徑/軸

向?qū)ζ溥M(jìn)行修正0B

F

=H

=

0 0

7

10

H/m

氣隙的徑向長(zhǎng)度

H

極中心線處的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度B

氣隙最大磁密

,

4空隙磁導(dǎo)率第四章

磁路設(shè)計(jì)1.

計(jì)算極弧系數(shù)

αp′的確定考慮周向：引入計(jì)算極弧系數(shù)

αp′

p efef

22B(x)dx

B

'

l

l

如圖中實(shí)線所示,

每極磁通為:

B(x)ds

BB B

2

2

av'pB(x)dx1所以:

第四章

磁路設(shè)計(jì)計(jì)算極弧系數(shù)αp′表示在一個(gè)極距下的平均磁密與最大磁密之比。計(jì)算極弧系數(shù)αp′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(shí)，

αp′=2/π=0.637。p'pb'Bav ef

p

ef

若

B

l

Bb'

l則

av

B

可以將問題轉(zhuǎn)化為：求bp′bp′為計(jì)算極弧長(zhǎng)度第四章

磁路設(shè)計(jì)（1）直流電機(jī)的αp′轉(zhuǎn)化為求計(jì)算弧長(zhǎng)

bp′

（分同心圓、削角、不同心圓三種不同情況）① 均勻氣隙（同心圓）bp

' 'p ppp,pb'

b

2

bp為極弧長(zhǎng)度2

是計(jì)及了極尖處的邊緣效應(yīng).將上式b

代入

式即可確定計(jì)算極弧系數(shù)

p'pb'

第四章

磁路設(shè)計(jì)② 不均勻氣隙（削角、不同心圓）為了消弱電樞反應(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2δ，對(duì)于這種極靴，由于邊緣效應(yīng)被削弱，因此可?。簆p

bb'第四章

磁路設(shè)計(jì)② 不均勻氣隙（削角、不同心圓）對(duì)于偏心的圓弧形極靴，即空氣隙由δ連續(xù)地增大δmax，

當(dāng)δmax

/δ＜3時(shí)，同樣可?。簆 p

bb'但是δ的長(zhǎng)度要加長(zhǎng)，即：δeq

=0.75δ+0.25δmax第四章

磁路設(shè)計(jì)求出Ks以后，根據(jù)αp’與Ks的關(guān)系曲線，確定出αp’。sF

（2）感應(yīng)(異步)電機(jī)的αp′一般情況下，感應(yīng)電機(jī)由于磁路的飽和氣隙磁場(chǎng)已不是正弦分布，而是與直流機(jī)類似的比較扁來的形狀。因此Bδav/Bδ=

αp′

＞0.637。αp′和bp′都無法直接計(jì)算，

αp′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(chǎng)波形越扁來，

αp’也越大。齒部的飽和程度以飽和系數(shù)來標(biāo)志，它等于：K

F

Ft1

Ft2第四章

磁路設(shè)計(jì)計(jì)算得到αp′時(shí)，涉及到電機(jī)設(shè)計(jì)中的第一個(gè)循環(huán)。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(chǎng)分布為正弦波時(shí)，KNm=1.11，隨著Ks的增大，KNm逐漸下降，但下降量很小。''s'pp efssK

l

K

K

's s先假定一個(gè)K

(1.15

~

1.45)

查出一個(gè)

根據(jù)公式B

得出B

計(jì)算出F

,

Ft1

,

Ft

2

Ks

若

1%

重新假定K

'，并進(jìn)行計(jì)算.第四章

磁路設(shè)計(jì)（3）凸極同步電機(jī)的αp′凸極電機(jī)的勵(lì)磁磁勢(shì)空間波形呈方波，其Fδ的波形也是方波。希望使氣隙磁密B(x)

的分布為正弦分布，推算出δ(x)，則氣隙δ的大小在極弧下不是均勻的。δ的變化應(yīng)滿足如下關(guān)系：F

1 0

0

(x)

cos

x

B(x)

B cos

x

H(x)

0

F

(x)

而 B

1

B

代入上式得:第四章

磁路設(shè)計(jì)（3）凸極同步電機(jī)的αp′心。最大空氣隙δmax按下式計(jì)算，得出兩側(cè)值及中間點(diǎn)的δ值，過三點(diǎn)定弧形：cos

x

的外表做成圓弧形，和定子鐵心內(nèi)圓不同若氣隙按

(x)

規(guī)律變化在工藝上實(shí)現(xiàn)十分困難，通常做法是把極靴maxcosp

b

2

,

max

一般控制在1.5左右極弧的長(zhǎng)度bp一般選取(0.55

~

0.75)

'p'pbp

的數(shù)值可根據(jù)曲線

f(

)查出.第四章

磁路設(shè)計(jì)2.電樞或氣隙的軸向計(jì)算長(zhǎng)度lef的確定考慮軸向：引入軸向計(jì)算長(zhǎng)度lef由于邊緣效應(yīng)，即磁通不是完全在鐵心長(zhǎng)度的范圍內(nèi)穿過氣隙，有一小部分磁通從定轉(zhuǎn)子的端面越過，如圖所示。因此，軸向長(zhǎng)度上要多算一些。經(jīng)推導(dǎo)可得兩端面處磁場(chǎng)分布的等效長(zhǎng)近似為2δ。即：lef=lt+2δ第四章

磁路設(shè)計(jì)如果轉(zhuǎn)子鐵心中有徑向通風(fēng)道，如圖所示。由于徑向通風(fēng)道處沒有硅鋼片，因此電樞計(jì)算長(zhǎng)度比鐵心總長(zhǎng)要短些。于是電樞計(jì)算鐵心長(zhǎng)度為:l

l

N

b'ef t v

vNv為鐵心中的徑向通風(fēng)道數(shù);b'

為沿著鐵心軸向長(zhǎng)度因一個(gè)v徑向通風(fēng)道所損失的長(zhǎng)度.對(duì)于僅轉(zhuǎn)子上有徑向通風(fēng)道，定子無通風(fēng)道的情況：對(duì)于定轉(zhuǎn)子兩方面都有徑向通風(fēng)道且相互對(duì)齊：vvb2b'

v b

5

2vvb2b'

v b

5

第四章

磁路設(shè)計(jì)3.氣隙系數(shù)Kδ的確定定、轉(zhuǎn)子表面開槽后視為氣隙加長(zhǎng)：引入Kδ，也稱為卡氏系數(shù)把Kδδ稱為有效氣隙長(zhǎng)度即：δef=

Kδδ從物理意義上講，對(duì)氣隙為δ的有槽電機(jī)，可以用氣隙為Kδδ的無槽電機(jī)來等效，而氣隙磁密的最大值仍為Bδ。Kδ≥1，閉口槽時(shí)Kδ=1第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-3 齒部磁壓降的計(jì)算Ft=HtLt式中：Ht----齒的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于Bt，可由所用硅鋼片的磁化曲線查得。Lt----齒的磁路計(jì)算長(zhǎng)度。一、不飽和時(shí)齒磁密Bt計(jì)算1.

何為不飽和？（一般認(rèn)為Bt＜1.8T

）硅鋼片的飽和度不高，齒部的磁阻比槽部的磁阻要小得多。例如，Bt=1.5T時(shí)，μFe=882×10-6H/m，而μ0=1.257×10-6H/m，

μFe≈702μ0，因此認(rèn)為在一個(gè)齒距范圍內(nèi)的主磁通經(jīng)過氣隙進(jìn)入鐵心后，幾乎全部從齒內(nèi)通過。如下圖所示。第四章

磁路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子δt定子B

tl

'bt如果處于主極中心線上的一個(gè)齒距范圍內(nèi)的氣隙平均磁密值是B

,則氣隙磁通為:

t

B

lef

tttA若該磁通全部進(jìn)入齒中,則齒中的磁密為:

B

ttK

Fe

鐵心疊壓系數(shù),約為0.92

~

0.95bt

計(jì)算齒寬.l

'

鐵心長(zhǎng)度(不包括通風(fēng)道)A

為齒的計(jì)算截面積,

A

K l

'bt t Fe

t

t第四章

磁路設(shè)計(jì)2.

平行齒時(shí)（梨形槽）沿著齒高度上的齒截面中的各處磁密相等或基本相等。即齒磁密為：t Fe

t

ttB

l

tA K l

'b

ef

B

t

3.

不平行齒時(shí)由于沿著齒高各點(diǎn)的寬度是變化的，因此齒部磁密和相應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度也是變化的。所以齒部的磁壓降嚴(yán)格來講應(yīng)該采用積分法來求。工程中采用近似的方法：齒寬bt以距齒最窄處1/3高處的齒寬代入，或用辛卜生公式。第四章

磁路設(shè)計(jì)第三章

磁路計(jì)算二、飽和時(shí)齒磁密Bt計(jì)算（一般認(rèn)為Bt＞1.8T

）由于齒部磁密超過1.8T，齒部磁路比較飽和，使齒部磁阻增大，與槽的磁阻相比差別不是很大。例如，

Bt=2T時(shí)的μFe為Bt=1.5T時(shí)μFe

的1/10，因此從槽部進(jìn)入軛部的磁通增多。即實(shí)際的齒部磁場(chǎng)強(qiáng)度及磁壓降要小一些。當(dāng)齒很飽和時(shí)，可以假定在齒中走的磁通始終從齒中走,在槽中走的磁通始終從槽中走。取一圓柱面為等磁位面，該面垂直于磁力線。第三章

磁路計(jì)算二、飽和時(shí)齒磁密Bt計(jì)算（一般認(rèn)為Bt＞1.8T

）在等磁位面處，一個(gè)齒距范圍內(nèi)的磁通分為兩部分，Φtx經(jīng)過齒，Φsx經(jīng)過槽，即：

Φt′=

Φtx+

Φsx，兩邊同除以齒截面積St有（

Ss為槽部截面積）：則：聯(lián)立方程①和②，以繪圖法進(jìn)行求解，則Bt和Ht過可求。t t s st t s tS S S S

t

tx

sx

Ss

即B'

B

K

B0ts

由于磁力線垂直于所取截面，所以在同一截面上(等磁位面)上：H

H

Bs'tt 0 t s

BtB

B

HK

①

(Ht)

②B'

齒的視在磁密t即假想磁通

t

全部進(jìn)入齒時(shí)的齒磁密第三章

磁路計(jì)算Ft=HtLt式中：Ht----齒的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于Bt，可由所用硅鋼片的磁化曲線查得。Lt----齒的磁路計(jì)算長(zhǎng)度。三、齒部計(jì)算長(zhǎng)度Lt計(jì)算22 121121 2133t 22th

1

r對(duì)于直流電機(jī)電樞梨形槽:

L

h

2

(r

r

)對(duì)于感應(yīng)電機(jī)定子梨形槽: L

h對(duì)于半開口槽: Lt

h1

h2對(duì)于開口槽: Lt

hsjjav2 2

pL

1

DjavK

j

為疊片系數(shù),

hj為軛的高度, l

j

為軛的軸向長(zhǎng)度.每極的磁軛路徑計(jì)算長(zhǎng)度為D 為軛的平均直徑j(luò)jj j

jS 2Kh

l§4-4 軛部磁壓降的計(jì)算

Fj=HjLj軛部分兩種結(jié)構(gòu)：其一是與極身相連的軛，稱為極聯(lián)軛，例如直流電機(jī)的定子軛；其二是與齒相連的軛，稱為齒連軛，例如感應(yīng)電機(jī)的定子軛。一、極聯(lián)軛磁壓降的計(jì)算通過磁極的磁通Φm經(jīng)過磁極后分成兩路，分別進(jìn)入左右兩邊的軛，所以軛部磁通的數(shù)值是Φm/2。則極聯(lián)軛軛部的磁密為：B

0.5

m=

B

j

(查磁化曲線)

H

j第四章

磁路設(shè)計(jì)軛部磁壓降的計(jì)算

Fj=HjLj二、齒聯(lián)軛磁壓降的計(jì)算氣隙磁通分散地進(jìn)入齒部及軛部，因此各個(gè)截面所穿過的磁通是不一樣的。且在每一截面處沿著徑向方向的磁密也不是均勻分布的。在一個(gè)極面下,

Φ分散地通過齒而進(jìn)入軛,

軛中磁場(chǎng)不均勻,

故需要積分進(jìn)行計(jì)算。第四章

磁路設(shè)計(jì)二、齒聯(lián)軛磁壓降的計(jì)算Fj

L

j0H

j

(x)dl

H

jav

L

j

C

j

H

j

L

jH

j

相應(yīng)于最大切向磁密處的磁場(chǎng)強(qiáng)度C

j

軛部磁壓降的校正系數(shù)即，由Bj(最大軛部磁密)→查磁化曲線得Hj（最大磁密的磁場(chǎng)強(qiáng)度）→對(duì)Hj打折得到平均磁場(chǎng)強(qiáng)度Hjav=CjHj，所以Cj＜1。jFe j

j2K h'

l

B

過磁面積計(jì)算所需的計(jì)算軛高：22 3 3js1j s

2v

2d

r213r 2D

Dh

2 i2

h

22

對(duì)于定子圓底槽: h

D1

Di1

h對(duì)于轉(zhuǎn)子圓底槽:dv

2

轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)道直徑,

若無通風(fēng)道則dv

2

0第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-5 磁極磁壓降的計(jì)算Fm=HmLm→求漏磁導(dǎo)和漏磁勢(shì)漏磁計(jì)算分為極靴處漏磁計(jì)算和極身處漏磁計(jì)算。Bm

(查磁化曲線)

Hm其中

Lm (極身高和極靴高)

hm

hpm m m

mmS K b l

2d

'b'而，B

m

，只有

未知。

F

第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-6 磁化電流及空載特性計(jì)算各類電機(jī)勵(lì)磁電流或空載特性的計(jì)算步驟為：1、根據(jù)感應(yīng)電勢(shì)E確定每極的氣隙磁通Φ；2、計(jì)算磁路各部分的磁壓降，將各部分磁壓降相加便得到每極磁勢(shì)；3、計(jì)算磁化電流或空載特性。一、同步電機(jī)及直流機(jī)的空載特性曲線計(jì)算由于運(yùn)行時(shí)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)而使感應(yīng)電勢(shì)E有相當(dāng)大的變動(dòng)，需要計(jì)算空載特性曲線。需調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，給定不同的E計(jì)算即計(jì)算對(duì)應(yīng)于一系列的感應(yīng)電勢(shì)值：0.3UN，0.6UN，0.8UN,---------1.3UN的磁路總磁壓降F0及相應(yīng)的勵(lì)磁電流。（注：空載時(shí)U=E）E

f(I0)

。0m1j1j1m

2j

2fECe

n4KNM

fNKdpN

E

E (D.C)

/(Syn.)

B

H

F

F

Ft2

Fj2(D.C.)/F

Ft1

FF

F (Syn.)

I

F

F

F

F第四章

磁路設(shè)計(jì)二、感應(yīng)電機(jī)的磁化電流計(jì)算E變化不大，且工頻電源供電時(shí)，勵(lì)磁不可調(diào)，所以只考慮負(fù)載點(diǎn)和空載點(diǎn)。2.

空載時(shí)此時(shí)參數(shù)已求出，故E01

可求，則1.

負(fù)載時(shí)

E1

K

EU

n

，先假設(shè)一個(gè)電勢(shì)系數(shù)K

E

0.85

0.95U→E→Φ→B→H→ΣF

F

F

Ft1

Fj1

Ft2

Fj

2dpm0.9mK

W2

p

FI

可求出Im，而后對(duì)KE進(jìn)行疊代校核。0

1m

1N

m0

1N

I xx

UII x

UE01

UN

I r

x

U2 20 1

1

N

I

m0

F01E01

01第四章

磁路設(shè)計(jì)§4-7 永磁電機(jī)的磁路設(shè)計(jì)與計(jì)算一、永磁電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)永磁電機(jī)與電勵(lì)磁電機(jī)的電樞結(jié)構(gòu)相同，主要區(qū)別在于前者的磁極為永磁體。永磁電機(jī)磁路的形式多種多樣，有許多不同的分類方法。1. 按永磁體所在的位置分：旋轉(zhuǎn)磁極式和旋轉(zhuǎn)電樞式旋轉(zhuǎn)磁極式：永磁體在轉(zhuǎn)子上，電樞是靜止的，永磁同步電動(dòng)機(jī)、無刷直流電動(dòng)機(jī)都采用該種結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)電樞式：永磁體在定子上，電樞旋轉(zhuǎn)，永磁直流電機(jī)采用該種結(jié)構(gòu)。第四章

磁路設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)磁極式結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)電樞式結(jié)構(gòu)第四章

磁路設(shè)計(jì)2.

按所使用的永磁材料種類分：?jiǎn)我皇浇Y(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)單一式結(jié)構(gòu)：在一臺(tái)電機(jī)中，只采用一種永磁材料。絕大多數(shù)電機(jī)都采用該種結(jié)構(gòu)；混合式結(jié)構(gòu)：同一臺(tái)電機(jī)中采用兩種或兩種以上永磁材料?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)通常采用兩種性能特點(diǎn)不同的永磁體，揚(yáng)長(zhǎng)避短，充分發(fā)揮永磁材料的優(yōu)勢(shì)，提高電機(jī)的性能，降低制造成本?；旌鲜酱艠O式結(jié)構(gòu)第四章

磁路設(shè)計(jì)3.

按永磁體安置方式分：表面式和內(nèi)置式表面式：永磁體直接面對(duì)空氣隙，具有加工和安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，但永磁體直接承受電樞反應(yīng)的去磁作用；內(nèi)置式：磁極的永磁體置于鐵心內(nèi)部，加工和安裝工藝復(fù)雜，漏磁大，但可以放置較多的永磁體以提高氣隙磁密、減小電機(jī)的重量和體積。表面式結(jié)構(gòu)內(nèi)置式結(jié)構(gòu)第四章

磁路設(shè)計(jì)4.

按永磁體形狀分：瓦片形磁極、弧形磁極、環(huán)形磁極、爪極式磁極、星形磁極和矩形磁極進(jìn)行永磁體設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證永磁體在磁路中產(chǎn)生足夠的磁通和磁動(dòng)勢(shì)，若所采用的永磁材料不同，則永磁體的形狀也不同。鋁鎳鈷剩磁密度高、矯頑力小，通常做成細(xì)長(zhǎng)的形狀；鐵氧體和稀土永磁材料矯頑力大，由于其相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，磁阻大，當(dāng)充磁方向長(zhǎng)度增加到一定程度后，繼續(xù)增大充磁方向長(zhǎng)度，永磁體對(duì)外提供的磁通增加很少，因此通常采用扁平結(jié)構(gòu)。第四章

磁路設(shè)計(jì)二、永磁體的等效磁路永磁電機(jī)的磁路由永磁體、空氣隙和導(dǎo)磁材料組成，其等效磁路分為永磁體和外磁路兩部分。永磁體工作點(diǎn)在回復(fù)線上，對(duì)于稀土鈷永磁材料和常溫下的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線基本為直線，因此回復(fù)線與退磁曲線基本重合，為連接（0，Br）和

（Hc，0）兩點(diǎn)的直線，可表示為：cr r0 rHB

B

BrH

B

H對(duì)于鐵氧體和高溫下的釹鐵硼永磁材料，其退磁曲線的拐點(diǎn)以上為直線，拐點(diǎn)以下為曲線，只要永磁體工作在拐點(diǎn)以上，回復(fù)線就與退磁曲線重合。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常采取措施保證永磁體的工作點(diǎn)不低于拐點(diǎn)，因此其工作曲線為直線部分的延長(zhǎng)線，可表示為cr r0 rHB

B

BrH

B

H第四章

磁路設(shè)計(jì)對(duì)于鋁鎳鈷永磁材料，其退磁曲線是彎曲的，回復(fù)線與退磁曲線不重合。在設(shè)計(jì)和使用時(shí)，要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)磁處理，預(yù)加可能的最大去磁磁動(dòng)勢(shì)，然后永磁體工作在以該工作點(diǎn)為起點(diǎn)的回復(fù)線上，可表示為crrr 0 rBH

B

B

H

B

Hm

m

BAm

F

Hh

m在永磁電機(jī)中，永磁體是以一定尺寸出現(xiàn)的，其對(duì)外表現(xiàn)是磁動(dòng)勢(shì)Fm和磁通Φm。假設(shè)永磁體在垂直于充磁方向上的截面積都相同

（為Am），充磁方向長(zhǎng)度均勻

（為hm），磁化均勻，則以上三種情況可以統(tǒng)一表示為：B

Br

0

r

H

(a)對(duì)于前兩種情況有：

Br

Br第四章

磁路設(shè)計(jì)將兩端同乘以Am得：rm r m 0 r m rmmmhR

B

A

HA

0

rAm

Hh

FmB

Br

0

rH可以看出，永磁體可等效為一個(gè)恒定磁通源和一個(gè)磁阻的并聯(lián)如圖所示。為永磁體的內(nèi)磁阻。rr m式中，

B

A0 r mhm稱為虛擬內(nèi)稟磁通；Rm

A

第四章

磁路設(shè)計(jì)第七章

永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)式還可以表示為m兩端同乘以h 得：cm m cm m0 r m

AF

h

H

Bhm

Am

F

RB

Br

0

rH可以看出，永磁體也可等效為一個(gè)恒定磁動(dòng)勢(shì)和一個(gè)磁阻的串聯(lián)。稱為虛擬內(nèi)稟磁動(dòng)勢(shì)

。式中，F(xiàn)c

Hc

hm0 rB

H

Hc

第七章

永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)三、永磁電機(jī)外磁路