1、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
2、系列，531个品种,1.1 电机制造工业的近况与发展趋势,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,1.1 电机制造工业的近况与发展趋势,1.1 电机制造工业的近况与发展趋势,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
3、设计的任务与过程,电机设计的任务, 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）； 结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况； 运用有关的理论和计算方法； 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
4、计过程, 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。, 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。 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, 了解国家的技术经济政策； 本厂的工艺要了解； 要了解用户提出的规格要求； 要熟悉前人的经验知识。,1.3 国家标准,国家标准（代号GB）：对
5、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；JB1104-68 Z2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，
6、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（
7、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,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
8、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； 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
9、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：,B 气隙磁密最大值（T）；Bav 气隙磁密平均值； 计算极弧系数； lef 电枢计算长度； 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，B、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,、
10、的物理意义,1,是电机常数：对一定功率范围内电机B、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, 是电机常数的倒数，叫作利用系数。, 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
11、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 、B、 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
12、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 、B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 、B。 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
13、变化不大 电机的主要尺寸在很大程度上和选择的A 、B有关，A 、B，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 、B，选A 、B， ； 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
14、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,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, 与 之间的关系,2.2 电机中的几何相似定律概述, 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
15、何相似定律概述,4、用途：, 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, 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
16、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
17、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：, 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）, B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：, 绕组用铜（铝）量将增加；, 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, 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
18、； 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B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B较高,缺点：, 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B较高,缺点：, 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
19、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B较高,缺点：, 改变了电机参数和电机特性。,2.3 电磁负荷的选择,1A、 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
20、，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）,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
21、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, 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。,2.4 电机主要尺寸比的选择及确定 主要尺
22、寸的一般方法,一、 大小的影响, 一定： ， ，,一定： ,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： 端部较短 端部漏抗总漏抗, 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, 线圈数目 线圈制造工时绝缘材料 但 铁心长
23、 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
24、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
25、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
26、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, 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； 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； 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, 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； 派生系列：适按使用的不同要求进行部分改动而由基本
27、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； 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, 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, 安装尺寸的确定及功率等级与安装尺寸的对
28、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, 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。,
