电机设计及其CAD 第2章课件.pptx
School of Electrical Engineering,1,2023年1月16日星期一,主要尺寸：电枢铁心直径和长度 直流电机,感应电机、同步电机主要尺寸的意义不同主要尺寸确定的重要性：主要尺寸确定后，其它尺寸大体确定电机的成本、工作特性和运行可靠性都和主要尺寸及它们的比值有密切关系，是设计第一步。,第二章 电机主要尺寸的确定,School of Electrical Engineering,2,2023年1月16日星期一,本章主要内容：主要尺寸的确定几何相似定律电磁负荷选择原则系列电机设计特点,第一节 电机主要参数之间关系式一、电机主要尺寸和电磁功率的关系 电机主要尺寸与通过定转子之间气隙传递的电磁功率与有重要关系。,School of Electrical Engineering,3,2023年1月16日星期一,1 交流电机 电磁功率可用计算功率表示。计算功率与电磁功率的区别：mE2I2cos2 mEIcos2 计算功率:P=mEI 其中m为相数，E为相电动势，I为相电流。E=4KNmfNKdp KNm气隙磁场波形系数，Kdp为绕组因数(通常取为Kdp1)N为每相串联匝数，为每极磁通,School of Electrical Engineering,4,2023年1月16日星期一,气隙磁场波形系数KNm：电机中，对于任意气隙磁场波形，在每对极范围内，其有效值与平均值的比值，就是波形系数。,对于正弦波，有效值为平均值的/(22)=1.11,School of Electrical Engineering,5,2023年1月16日星期一,频率:fnp/60其中,n转速，p 极对数,每极磁通:其中，B为气隙磁密最大值（磁负荷）lef为电枢计算长度,极距为,电负荷为,School of Electrical Engineering,6,2023年1月16日星期一,p为计算极弧系数，p=Bav/B 当磁路不饱和时，p=0.637,则计算功率为,整理得,采用国际单位制：D、lefm，BT，P VA，nr/minEaV，AA/m，Wb,School of Electrical Engineering,7,2023年1月16日星期一,2 直流电机,电磁功率：,故,所以,又因为,Na-电枢绕组总导体数,School of Electrical Engineering,8,2023年1月16日星期一,得,和交流机关系相似,二、电机常数,对一定功率和转速范围的电机，A、B变化不大，p等的变化范围更小，因此CA称为电机常数。,School of Electrical Engineering,9,2023年1月16日星期一,CA大体上反映了产生单位转矩所耗用有效材料的体积，也一定程度上反映了结构材料的用量。,单位体积有效材料产生的转矩，称为利用系数。（1）随制造工艺、设计水平、材料性能的提高而增大 例如使用高等级的绝缘材料(F级、H级)、高品质铁心材料（2）已制成电机的KA随电机功率的增大而增大 感应电机和直流电机，功率越大，转速越低，KA越大 同步电机，功率越大，转速不变，KA越大,School of Electrical Engineering,10,2023年1月16日星期一,（3）利用系数与工作制密切相关。短时工作制等三、电枢计算长度 无径向通风道电机，与铁心实际长度很接近 有径向通风道电机，略小于铁心实际长度。直流电机和同步电机，小510%；感应电机，小1015%,四、计算功率确定,根据额定功率、效率、功率因数等参数近似确定,School of Electrical Engineering,11,2023年1月16日星期一,感应电动机：,同步发电机:,同步电动机：,School of Electrical Engineering,12,2023年1月16日星期一,五、结论,（1）主要尺寸由转矩决定，其它条件相同时，计算转矩相近的电机耗用材料也相近。,（2）A、B不变时相同功率的电机，转速高的，尺寸较小；尺寸相同的电机，转速高的，功率较大。,提高转速可减少电机体积和重量（如减速式电机），但是一定范围内有效：,School of Electrical Engineering,13,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,14,2023年1月16日星期一,转速升高，n，pmec和pFe,发热严重，电磁负荷只能降低。机械损耗增加，转动部件的机械应力增加。直流电机:铁耗增加，换向困难 交流电机:转速受极数和频率限制,(3)转速一定时，若直径不变而采用不同长度，可得不同功率电机。如：Y100L1-4(2.2kW)、Y100L2-4(3kW),(4)一般变化不大，因此主要尺寸取决于A和B，A和B越高，电机尺寸越小。,School of Electrical Engineering,15,2023年1月16日星期一,为什么我们希望电机的单机容量大？上节关系式可确定电机主要尺寸，但不能明晰地表述电机的经济和技术指标随功率的变化趋势。最简单的情况：几何相似电机系列，即用途和结构型式相同、功率递增、各对应部分的几何尺寸比保持不变的一系列电机，具有相同电流密度、磁通密度、转速和极数。研究几何相似电机的经济和技术指标与功率之间的规律。,若电机A、B几何形状相似，则 hsA为槽深，bsA为槽宽,第二节 电机中几何相似定律,School of Electrical Engineering,16,2023年1月16日星期一,一、几何相似定律,School of Electrical Engineering,17,2023年1月16日星期一,单位功率下电机重量G、成本Cef、损耗p 几何相似定律,实际的系列电机：电流密度和磁密不是不变的，几何尺寸也不是严格按比例变化。但几何相似定律的变化趋势仍然存在,School of Electrical Engineering,18,2023年1月16日星期一,二、几何相似定律的意义,B、J数值保持不变时，对一系列功率递增、几何形状相似的电机，每单位功率所需有效材料重量、成本及产生的损耗均与 成反比，即随单机容量的增大，其有效材料利用率和电机效率均提高。采用大功率电机代替总功率与其相等的几台小电机。,（2）可用来大体上估计与已制成几何形状相似、功率不同的电机的重量、成本和损耗。,（3）上述规律是近似的。,School of Electrical Engineering,19,2023年1月16日星期一,实际情况下，它们反映出来的关系因其他条件限制而不得不放弃。如电机损耗正比于L3，冷却表面正比于L2，为了保证温升不超限，随功率增加，必须设法改变冷却系统，从而放弃几何形状的相似。,矛盾：主要尺寸关系式：功率正比于几何尺寸的立方 几何相似定律：功率正比于几何尺寸的四次方原因：在几何相似定律中，若几何尺寸增大为2倍，电流增大为4倍，匝数不变，A增大为2倍，即A正比于几何尺寸。二者不矛盾,School of Electrical Engineering,20,2023年1月16日星期一,例题：一台1kW的电机定子铁心长10cm、电机质量为15kg、成本100元，电机效率83.3%。今欲按几何相似定律设计一台16kW电机，问电机定子铁心长、质量、成本、效率是多少?,解：功率增为16倍，则铁心长度为2倍，20cm,损耗增加为 0.28=1.6kW,School of Electrical Engineering,21,2023年1月16日星期一,第三节 电磁负荷的选择,P、n一定时，主要尺寸取决于 A、B,一般希望取A、B较高：尺寸小、重量轻、成本低。,A、B的选择与许多因素有关，不但影响有效材料用量，且对电机参数、性能、可靠性都有重要影响。,讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影响，介绍选择方法。,School of Electrical Engineering,22,2023年1月16日星期一,一、电磁负荷对性能和经济性影响,1.A较大，B不变,(1）尺寸、体积减小，节约钢铁材料,（2）B一定时，铁耗减小（因重量减小）,（3）绕组用铜增加。因电机体积小，B不变，每极磁通减小，要保证绕组的电压平衡，必须增多匝数。(匝数、导体数关系？),（4）增大了电枢单位表面上的铜耗，绕组温升提高.绕组有效部分的铜耗：,School of Electrical Engineering,23,2023年1月16日星期一,其中Rcef为每根导体有效部分电阻，为电阻率，L为导体有效长度，Ac为导体截面积，J导体电流密度。,单位表面上铜耗,、J一定时，qa随A的增大而增大 一定时，qaAJ(热负荷)，为避免温升过高，AJ乘积不超过一定限度，A选择大，J就相应小些，会使用铜量增加。A、J一定时，qa随 的增大而增大,（5）影响电机性能,A，电抗,School of Electrical Engineering,24,2023年1月16日星期一,感应电动机,同步电机,同步电机电压变化率增大，短路电流和短路比都减小，静态和动态稳定性降低,School of Electrical Engineering,25,2023年1月16日星期一,直流电机 换向恶化 直流电机的线圈匝数限制,2.电负荷A不变，磁负荷较高,（1）电机尺寸、体积减小，节约钢铁材料,（2）铁耗增加，损耗增加，效率降低，温升提高,School of Electrical Engineering,26,2023年1月16日星期一,（3）气隙磁位降和磁路饱和程度增加 B B饱和度增加励磁磁势增大用铜量与励磁损耗增加，效率降低，励磁绕组温升提高。感应电动机功率因数降低。,（4）影响电气参数和电机特性,B，漏抗 感应电动机：同步电机电压变化率减小，短路电流和短路比都增大。,二、线负荷A和气隙磁密B的选择不应选择过高的A，B，它们的比值也要适当,School of Electrical Engineering,27,2023年1月16日星期一,比值影响到铜、铁耗分配，影响效率曲线出现最高的位置，因此经常处于轻载的电机，选较大A，较小B。解释冷却条件好，选A、B高 防护式电机的A、B比相同的规格封闭式电机高15%-20%左右 材料绝缘等级绝缘等级高，允许温升高，A、B可选高些（A-105，E-120，B-130，F-155，H-180）；导磁材料铁耗低，B可高些；铝线电机(电阻率大)，A、B低。,School of Electrical Engineering,28,2023年1月16日星期一,A、B与转子圆周速度有关 圆周速度较高的电机，转子和冷却介质相对速度较大，A、B可选得大些。与电枢直径有关，直径越小，所选的A、B应越小。绕组安放空间的限制。内电枢电机（直流电机）：平行槽，受齿根磁密限制，D小，不能太宽、太深，限制了A的取值。平行齿，槽空间比直径大的电机小，限制A的取值 内极式电机（凸极同步电机）：直径小，励磁绕组安放空间小，限制了励磁磁动势的 大小，使电枢磁动势和与之有关的A、B不能取高,School of Electrical Engineering,29,2023年1月16日星期一,D小，通常导线较细，绝缘所占比重较大，槽空间利用 率低，为增大槽空间，齿变窄，B不能取高(6)与工作制有关。短时工作制，A、B可选较高。A、B选择考虑因素很多，很难从理论上确定。一般考虑电机工业积累的经验数据，并对比所设计电机与已有电机之间在材料结构，技术要求等方面的异同后选取。随材料、结构、冷却条件改进，A、B一直逐渐提高，使重量、体积减小。Y2系列与Y系列对比：体积小、节约材料、热负荷高,School of Electrical Engineering,30,2023年1月16日星期一,单位：A2/(mm2.cm)小电机的热负荷为什么高？,School of Electrical Engineering,31,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,32,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,33,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,34,2023年1月16日星期一,School of Electrical Engineering,35,2023年1月16日星期一,4 主要尺寸比选择及确定主要尺寸的一般方法一、主要尺寸比选择A、BD2lef 可以细长、粗短引进主要尺寸比=lef/其中=D/2p 长径比lef/D 对电机性能、经济性、工艺性有较大的影响。1.影响 D2lef不变，较大时，电机细长,School of Electrical Engineering,36,2023年1月16日星期一,电机细长，绕组端部短:端部用铜减少，在正常范围内时，可提高绕组铜利用率。端盖、轴承、刷架、换向器等结构部件尺寸小，重量轻，成本降低,损耗下降，效率提高铁重不变，铁耗不变；直径变小，机械损耗减小，绕组端部铜耗减小，所以损耗下降。端部较短，端部漏抗小，总漏抗减小,School of Electrical Engineering,37,2023年1月16日星期一,对冷却的影响 气体冷却：风路长，冷却条件差 封闭式：靠表面散热，细长对散热有利 开启式、防护式：为充分发挥端部散热，取小些 转子易弯曲，应保证有足够的刚度 转动惯量小、圆周速度小，对高速电机有利，如汽发 线圈数少线圈制造工时和绝缘材料消耗少，但冲片数目多，冲剪和,School of Electrical Engineering,38,2023年1月16日星期一,叠压工时增加，冲模磨损加剧，下线难度大机座加工工时多轴应较粗，保证足够刚度。2.选择 主要考虑：参数、性能和温升;用铜量;转子机械强度;转动惯量要求。感应电机 感应电机性能（起动、过载、功率因数）与漏抗大小有关，因而与有一定关系。,School of Electrical Engineering,39,2023年1月16日星期一,中小型：=0.4-1.5；大型：=1-3.5 极数多取较大值同步电机a.凸极同步发电机：随极数的增加而增大中小型同步电机，=0.6-2.5；高速或大型，机械强度限制，转子直径不能太大，值较大3-4。b.内燃机驱动同步发电机或负载脉动的同步电动机：防止共振、限制负载时的功率振荡幅值，要求电机有较大的转动惯量，一般小些,School of Electrical Engineering,40,2023年1月16日星期一,C.同步电动机：异步起动同步电机，牵入同步困难，惯量不宜太大。,d.水轮发电机：飞逸转速高，为保证机械强度，取大值。突然卸全载时，为控制机组转速在一定范围内，保证转速变化不大，需要有一定惯量，取小值，矛盾。原则：转速高或容量特大的水轮发电机，机械强度问题突出，取大些；转速低，转子机械应力一般不大，惯量重要，取小,School of Electrical Engineering,41,2023年1月16日星期一,e.汽轮发电机：2极或4极，转速较高，直径小些，大些；而冷却又希望小些。机械应力突出。在保证机械强度前提下，通过加强冷却，增大电枢长度，使功率增大，一般随功率增大而增大。,直流电机大lef，D槽数少每线圈匝数多，从而导致片间电压和er大，换向差过大磁极截面狭长，励磁绕组金属利用率低,School of Electrical Engineering,42,2023年1月16日星期一,小型电机：换向问题不大，可取大；但为获得足够的槽数，常取低频繁起动：要求惯量小，取大值大型、高速电机：机械应力差，应取大些。通常，中小型：0.6-1.2 大型：1.25-2.5,School of Electrical Engineering,43,2023年1月16日星期一,二、确定主要尺寸的方法1 一般方法,标准直径：充分利用硅钢片、减少冲模等工艺装备，加强通用性和考虑系列电机功率等级的递增需要，规定了交流电机的标准定子外径，和直流电机的标准电枢外径。,School of Electrical Engineering,44,2023年1月16日星期一,主要尺寸关系式是确定主要尺寸的理论基础，用其确定主要尺寸时，不够简便。,外径大于990mm时，用扇形片,交流电机标准定子外径,直流电机的标准转子外径见表2-2,School of Electrical Engineering,45,2023年1月16日星期一,（1）设计极数相同而功率相近的电机,取,则,2 类比法 实际中，根据试验经验，采用类比法。根据具体条件，（结构、材料、技术、经济指标、工艺等）参照已生产过的同类型相近规格电机的设计和试验数据，直接初选主要尺寸及某些其他数据。,School of Electrical Engineering,46,2023年1月16日星期一,线圈匝数之比,导线截面积之比,（2）用已有冲片设计新电机（感应电机），电压等级变化，极数、功率、频率相同,School of Electrical Engineering,47,2023年1月16日星期一,前提：气隙磁密不变,一台三相异步电动机，额定电压为1140V，用已有同功率、同极数的380V电机的冲片进行设计。,为保持电压平衡，N应为原来的3倍。输出功率不变，则电流应与电压成反比，为原来的1/3。保持电流密度不变，导体的截面积应为原来的1/3,输出转矩不变，则铁心长度不变。保持磁负荷不变，则磁通不变。,School of Electrical Engineering,48,2023年1月16日星期一,（3）用已有冲片设计新电机（感应电机），电压不变，极数相同，功率相同，频率不同（如：50Hz60Hz）前提：气隙磁密不变，电枢长度与转矩成正比,极数不变，频率由50Hz升高到60Hz，则转速为原来的6/5倍功率不变，则转矩为原来的5/6倍，铁心长度为原来的5/6倍保持磁负荷不变，则磁通为原来的5/6倍,为保持电压平衡关系，N应不变电压不变，功率不变，则电流不变，导线直径不变,School of Electrical Engineering,49,2023年1月16日星期一,5系列电机及其设计特点,一、系列电机 1 系列电机,技术要求、应用范围、结构型式、冷却方式、生产工艺基本相同，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。如Y、Y2、Z2、T2,企业产品：工厂生产的一般为系列电机只有用户要求与系列产品在功率、技术要求和结构等方面差别较大时，才进行专门设计，但仍尽可能利用已有的工艺装备或零部件，降低成本，缩短开发制造周期,School of Electrical Engineering,50,2023年1月16日星期一,2 系列电机的特点：额定功率有一定范围，按一定比例递增，为“硬性”等级 Y系列0.55kW-250kW 26个等级:0.55,0.75,1.1,1.5,2.2,3,4,5.5,7.5,11,15,18.5,22,30,37,45,55,75,90,110,132,160,185,200,220,250,额定电压按规定的电压等级选一种或几种 Y系列异步电动机：380V Z2系列直流电机：电动机110或220V，发电机115V或230V,有一定转速范围或等级 Y系列的同步速：3000、1500、1000、750r/min 同步发电机：3000（2极）、1500（4极）、1000（6极）750（8极）,School of Electrical Engineering,51,2023年1月16日星期一,规定了系列电机铁心的若干外径尺寸或轴中心高 考虑功率递增情况和标准尺寸硅钢片的合理剪裁。,感应电动机：中心高（用毫米表示）机座号型号 Y100L14的意义,每个系列有多个机座号，同一机座号几种极数，同一机座号中每种极数有多种铁心长度，对应不同功率等级。,Y系列12个机座号：80、90、100、112、132、160、180、200、225、250、280、315；每机座号有25个不同极数，每一机座号有13种不同长度。,School of Electrical Engineering,52,2023年1月16日星期一,315机座，共有14个规格：2极(110、132、160kW)4极（110、132、160 kW）6极(75、90、110、132kW)8极(55、75、90、110 kW)10极(45、55、75 kW）,(5)规定了一定的防护型式Y系列小型三相感应电动机:IP23与IP44,IP23：能防止手指触及机壳内带电或转动部分，能防止直径 大于12毫米的固体进入 与垂直线成60度或小于60度的淋水无有害影响,School of Electrical Engineering,53,2023年1月16日星期一,IP44：能防止厚度大于1毫米的工具、金属线或类似的物体触 及机壳内带电或转动部分 能防止直径大于1毫米的小固体进入（不包括由外风扇 送、吸风的通风孔）。任何方向溅水于电机，应无有害影响。这些特点为设计、制造、使用和维护带来了方便，如：零部件通用性高，便于成批生产和实现生产过程的机械化、自动化，有利于提高产品质量和产量，降低成本。,School of Electrical Engineering,54,2023年1月16日星期一,3 系列电机的分类 基本系列：使用面广、生产量大的一般用途系列 Y Y2 T2 Z2系列 派生系列：按不同使用要求，进行部分改动而由基本系列派生出的系列，与基本系列有很多通用性。如YD系列多速感应电动机采用多速绕组，YH系列高转差率感应电动机的转子笼为铝合金，都是从Y系列派生的，其结构和主要零部件与Y系列相同。,School of Electrical Engineering,55,2023年1月16日星期一,专用系列：适用于某种特殊条件但使用面很窄的系列。YB系列隔爆型三相异步电动机，适用于煤矿井下的固定设备及工厂可燃性气体或空气形成的爆炸性混合物的场所。,二、系列电机设计特点1.功率递增的规律,功率递增系数kp：同一系列中相邻两功率等级之间的比值（P大/P小）,School of Electrical Engineering,56,2023年1月16日星期一,kp影响：kp小，功率等级多，易于满足不同用户要求，选用方便，减小过安装容量，使用经济性好；但制造工艺装备增加，生产管理复杂，制造成本高。,kp选取 我国电机的功率等级：GBT321-2005优先数和优先数系,根号内数字表示功率比，根号外的数字表示功率分段的数目。,公比：,若将110kW分成5、10、20和40个功率段时，分别如上所示,School of Electrical Engineering,57,2023年1月16日星期一,2、安装尺寸与功率等级相适应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。,优点：采用优先数系可以做到合理分段，以最少的规格满足各部门的需求选取：同一系列中不同规格电机的需求量不同，功率小的电机多，功率大的电机少，整个系列采用同一功率递增系数不一定合理。标准规定：必要时可在不同功率范围内采用不同的功率递增系数，小功率间kp大，大功率间kp小。表23：IEC和Y系列的功率等级,School of Electrical Engineering,58,2023年1月16日星期一,包括：中心高，地角螺栓的纵横向间距，轴伸直径，轴伸长度，键槽尺寸 系列电机的安装尺寸必须综合考虑机械和电机本身的情况,一般按轴中心高分级，中心高原则上按优先数系数递增。端盖式轴承电机，安装尺寸主要是中心高。确定功率等级与安装尺寸的对应关系就是确定功率等级与中心高的对应关系。,功率等级确定后，中心高等级越少，工艺装备越少，安装越方便，但电磁设计不合理，材料得不到充分利用。,School of Electrical Engineering,59,2023年1月16日星期一,3、电枢冲片外径的确定（1）与规定的中心高一致。轴中心高一定时，如可能，宜适当放大感应电动机定子冲片外径，对电机性能和工艺有利。（2）冲片利用的合理性（3）整个系列外形的匀称性,4、重视零部件的标准化、系列化和通用化 目的：提高生产率、降低制造成本。在性能上适当牺牲（1）标准化 零部件标准化：采用标准件，如螺钉、螺母、轴承，便于生产,School of Electrical Engineering,60,2023年1月16日星期一,（2）通用化 冲片的通用：铁心冲模价格高：单槽冲模：几百-几千元 复式冲槽：几千-几万尽量用一套冲模生产尽可能多的规格的冲片,冲片如何通用：同一极数的不同功率电机（相近）可选用同一冲片，调整长度可提高冲模通用性。材料利用不尽合理，但总体上是经济的。,School of Electrical Engineering,61,2023年1月16日星期一,其它部件的通用：尽量使用已有产品的零部件,5、考虑派生的可能性:少量改动就可派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊环境和特殊使用条件的要求。,
