電機設(shè)計第一講(李發(fā)明)

1、電 機 設(shè) 計第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系第一講 電機設(shè)計概述和電機主要參數(shù)之間的關(guān)系1-1 電機設(shè)計的任務與過程1-2 電機主要參數(shù)之間的關(guān)系式1-3 電磁負荷的選擇1-4 電機主要尺寸比的選擇 及確定主要尺寸的一般方法第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系1.1.電機設(shè)計的任務與對設(shè)計人員的要求電機設(shè)計的任務與對設(shè)計人員的要求電機設(shè)計任務：電機設(shè)計任務：根據(jù)用戶要求、技術(shù)參數(shù)，結(jié)合國家標準和工藝條件，經(jīng)過根據(jù)用戶要求、技術(shù)參數(shù)，結(jié)合國家標準和工藝條件，經(jīng)過理論計算、工程繪圖，設(shè)計出性能好、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量可靠理論計算、工程繪圖，設(shè)計出

2、性能好、結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。的產(chǎn)品。對設(shè)計人員的要求：對設(shè)計人員的要求：1 1）了解國家的技術(shù)經(jīng)濟政策了解國家的技術(shù)經(jīng)濟政策2 2）了解用戶提出的要求了解用戶提出的要求3 3）了解電機制造的生產(chǎn)狀態(tài)和工藝條件）了解電機制造的生產(chǎn)狀態(tài)和工藝條件4 4）掌握專業(yè)的技能及相關(guān)經(jīng)驗的積累掌握專業(yè)的技能及相關(guān)經(jīng)驗的積累1-1電機設(shè)計的任務與過程第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系2.2.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)計時給定的數(shù)據(jù)和對電機的主要技術(shù)要求給定的數(shù)據(jù)給定的數(shù)據(jù)額定功率額定功率發(fā)電機為電樞線端輸出的電功率發(fā)電機為電樞線端輸出的電功率電動機為軸上

3、輸出的機械功率電動機為軸上輸出的機械功率同步調(diào)相機為線端超前電流下輸出的無功功率同步調(diào)相機為線端超前電流下輸出的無功功率額定電壓額定電壓交流電機指線電壓交流電機指線電壓直流電機指電樞端電壓直流電機指電樞端電壓相數(shù)及相間連接方式相數(shù)及相間連接方式額定頻率額定頻率額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速或同步轉(zhuǎn)速額定功率因素額定功率因素第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系給定的數(shù)據(jù)給定的數(shù)據(jù)感應電機感應電機額定功率額定功率 額定電壓額定電壓 相數(shù)及相間連接方式相數(shù)及相間連接方式 額定頻率額定頻率 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速同步電機同步電機額定功率額定功率 額定電壓額定電壓 相數(shù)及相間連接方式相數(shù)

4、及相間連接方式 額定頻率額定頻率 同步轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速 額定功率因數(shù)額定功率因數(shù)直流電機直流電機額定功率額定功率 額定電壓額定電壓 額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速除上述一般額定數(shù)據(jù)外，有時還給定某些其他數(shù)據(jù)：除上述一般額定數(shù)據(jù)外，有時還給定某些其他數(shù)據(jù)： 對水輪發(fā)電機、內(nèi)燃機驅(qū)動的同步發(fā)電機或負載對水輪發(fā)電機、內(nèi)燃機驅(qū)動的同步發(fā)電機或負載具有脈動轉(zhuǎn)矩的同步電動機，常再給定慣性矩的數(shù)值。具有脈動轉(zhuǎn)矩的同步電動機，常再給定慣性矩的數(shù)值。對水輪發(fā)電機，還需給定飛逸轉(zhuǎn)速倍數(shù)的數(shù)值。對水輪發(fā)電機，還需給定飛逸轉(zhuǎn)速倍數(shù)的數(shù)值。國家標準國家標準： 電機的國家標準是國家有關(guān)部門對電機提出電機的國家標準是國家有關(guān)部門對電機提出一

5、定要求的文件，它是電機生產(chǎn)的依據(jù)，也是評一定要求的文件，它是電機生產(chǎn)的依據(jù)，也是評定電機質(zhì)量優(yōu)劣的準則。定電機質(zhì)量優(yōu)劣的準則。 生產(chǎn)部門應力求使所設(shè)計制造的電機全面滿生產(chǎn)部門應力求使所設(shè)計制造的電機全面滿足國家標準規(guī)定的要求。足國家標準規(guī)定的要求。技術(shù)要求技術(shù)要求 對電對電機的技術(shù)要求通常在有關(guān)的國家標準或機的技術(shù)要求通常在有關(guān)的國家標準或技術(shù)條件中規(guī)定。技術(shù)條件中規(guī)定。有關(guān)電機的國家標準有以下幾種類型：有關(guān)電機的國家標準有以下幾種類型： 1.1.國家頒發(fā)的標準，代號為國家頒發(fā)的標準，代號為GBGB，例如，例如，GB755-87GB755-87電機基本技術(shù)電機基本技術(shù)要求等；要求等；它規(guī)定了適

6、用于各類電機的技術(shù)要求、試驗項目與試驗它規(guī)定了適用于各類電機的技術(shù)要求、試驗項目與試驗方法等。方法等。 2. 2.部頒標準，代號為部頒標準，代號為JBJB，例如，例如，JB3074-82YJB3074-82Y系列（系列（IP44IP44）三相）三相異步電動機技術(shù)條件等異步電動機技術(shù)條件等；它對有關(guān)電機的額定數(shù)據(jù)、使用條件、；它對有關(guān)電機的額定數(shù)據(jù)、使用條件、性能指標、安裝尺寸、試驗方法、驗收規(guī)則等作了明確規(guī)定。性能指標、安裝尺寸、試驗方法、驗收規(guī)則等作了明確規(guī)定。 3. 3.各種電機的試驗方法各種電機的試驗方法，在這類標準中，對電動機型式試驗和檢，在這類標準中，對電動機型式試驗和檢查試驗的方法

7、、測量儀器選擇等，在國家標準的基礎(chǔ)上進一步作了查試驗的方法、測量儀器選擇等，在國家標準的基礎(chǔ)上進一步作了具體規(guī)定與說明。具體規(guī)定與說明。 國家標準通常是根據(jù)一定時期的國民經(jīng)濟國家標準通常是根據(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。它隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的是先進的、合理的。它隨著科學技術(shù)和生產(chǎn)的不斷發(fā)展而逐步提高，于是國家標準也要隨之不斷發(fā)展而逐步提高，于是國家標準也要隨之修定，而提出更高的標準要求。修定，而提出更高的標準要求。電機行業(yè)的國際標準通常是指：電機行業(yè)的國際標準通常是指：標準標準 標準標準我國采用國際標準和國

8、外先進標準的方針：我國采用國際標準和國外先進標準的方針：認真研究、積極采用、區(qū)別對待認真研究、積極采用、區(qū)別對待 等效采用等效采用：1）對國際標準不作編輯性修改）對國際標準不作編輯性修改 2）對國際標準在技術(shù)上只作很少修改）對國際標準在技術(shù)上只作很少修改 參照采用參照采用：根據(jù)我國自然資源和經(jīng)濟條件，必須作某：根據(jù)我國自然資源和經(jīng)濟條件，必須作某些些 -變動，但產(chǎn)品性能和質(zhì)量指標要與國際標準變動，但產(chǎn)品性能和質(zhì)量指標要與國際標準-相當，并在通用互換、安全等方面與國際標相當，并在通用互換、安全等方面與國際標-準協(xié)調(diào)一致。準協(xié)調(diào)一致。國際標準國際標準第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要

9、參數(shù)之間的關(guān)系二、電機設(shè)計的過程和內(nèi)容二、電機設(shè)計的過程和內(nèi)容1.1.準備階段準備階段2.2.電磁設(shè)計電磁設(shè)計3.3.結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1.準備階段準備階段1 1）收集資料，即相關(guān)的國家標準、相近的電）收集資料，即相關(guān)的國家標準、相近的電機技術(shù)資料包括試驗數(shù)據(jù)，并聽取生產(chǎn)和使用機技術(shù)資料包括試驗數(shù)據(jù)，并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求。單位的意見與要求。2 2）編制技術(shù)任務書或技術(shù)建議書。）編制技術(shù)任務書或技術(shù)建議書。2.2.電磁設(shè)計電磁設(shè)計1 1）電磁計算、方案比較）電磁計算、方案比較2 2）確定所設(shè)計的電機的沖片尺寸、鐵心長度）確定所設(shè)計的電機的沖片尺寸、鐵心長度及電磁性能及電磁性能3.3

10、.結(jié)構(gòu)設(shè)計結(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，包括必要的機械計算及通風和溫升計料的規(guī)格等，包括必要的機械計算及通風和溫升計算。算。繪圖過程繪圖過程總體結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu) 總裝配圖總裝配圖 部套裝配圖部套裝配圖 零件圖零件圖1.準備階段準備階段2.電磁設(shè)計電磁設(shè)計3.結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計說明：說明：上述過程不是孤立的，而是相互滲透的。上述過程不是孤立的，而是相互滲透的。第二章第二章 電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系電機的主要參數(shù)之間的關(guān)系1-2電機主要參數(shù)之間的關(guān)系式 設(shè)計一臺電機時，必須確定許多幾何設(shè)計一臺電機時，必須確定許多幾何尺寸，關(guān)鍵

11、是尺寸，關(guān)鍵是主要尺寸主要尺寸的確定。的確定。主要尺寸主要尺寸：電樞鐵心的直徑和長度。：電樞鐵心的直徑和長度。交流電機交流電機：指定子內(nèi)徑和長度。：指定子內(nèi)徑和長度。直流電機直流電機：指轉(zhuǎn)子外徑和長度。：指轉(zhuǎn)子外徑和長度。目的目的：它決定了電機的外形輪廓重量及材料費用，它決定了電機的外形輪廓重量及材料費用，并與電機的并與電機的技術(shù)性能技術(shù)性能有非常密切的關(guān)系，是電機設(shè)有非常密切的關(guān)系，是電機設(shè)計的第一步。計的第一步。出線端輸出的電功率發(fā)電機軸上輸出的功率電動機輸出功率額定功率:NP 幾個物理量：幾個物理量：目的：找到主要尺寸與額定功率、轉(zhuǎn)速及電磁負荷的關(guān)系。目的：找到主要尺寸與額定功率、轉(zhuǎn)速及

12、電磁負荷的關(guān)系。pfn60 同步轉(zhuǎn)速:額定轉(zhuǎn)速)(:)m/(:N2:TBADImA值氣隙中磁通密度的最大磁負荷流電樞圓周單位長度上電線負荷電磁負荷 電機將電能（機械能）轉(zhuǎn)換成機械能（電能），都電機將電能（機械能）轉(zhuǎn)換成機械能（電能），都是以是以電磁能電磁能的形式通過定轉(zhuǎn)子間的氣隙進行傳遞的，與的形式通過定轉(zhuǎn)子間的氣隙進行傳遞的，與之相對應的功率稱為電磁功率。之相對應的功率稱為電磁功率。電機的主要尺寸與電磁電機的主要尺寸與電磁功率有密切關(guān)系，功率有密切關(guān)系，電磁功率在電機設(shè)計中用計算功率表電磁功率在電機設(shè)計中用計算功率表示（示（PP）。電磁功率（計算功率）電磁功率（計算功率）一、交流電機中一、交

13、流電機中 的關(guān)系的關(guān)系計算功率： P= mEI式中：相電勢E = 4KNMfNKdpKNM氣隙磁場的波形系數(shù)，正弦波時KNM1.11f電流頻率f=pn/60N 繞組匝數(shù)（每相）Kdp 繞組系數(shù)，通常用Kdp1代替（Kdp1Kd1Kp1） 每極磁通。BdS=Bavlef= Bplef 其中 pBav/B -計算極弧系數(shù)。正弦時，p2/ D/2p-極距 lef 電樞計算長度（或稱有效長度） BAnPlDef,與代入相電勢得得又又線負荷（單位長度上安培導體數(shù)） 所以所以或或 DmNIA2mNDAI2efpdpNMlpDBKNpnKE260 41efpdpNMlBKADnKmEIP12260ABKKP

14、nlDdpNMpef121 . 6計算功率：計算功率：P= EaIa 式中：電動勢式中：電動勢E Ea a = C= Ce enn C Ce e - - 電動勢常數(shù)，電動勢常數(shù)，C Ce epNpNa a/60a/60a N Na a -總導體數(shù)總導體數(shù) a - a -并聯(lián)支路對數(shù)并聯(lián)支路對數(shù) n - n - 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 - - 每極磁通。每極磁通。B Bp pllefef二、直流電機中二、直流電機中 的關(guān)系的關(guān)系BAnPlDef,與ABPnlDpef21 . 6線負荷：線負荷： DaINAaa2aaNDAaI2代入代入P= EaIa得得電機常數(shù)AefCPnlD2電機常數(shù)與利用系數(shù)電機常數(shù)與利用

15、系數(shù)交流電機交流電機ABKKPnlDdpNMpef121 . 6直流電機直流電機ABPnlDpef21 . 6TlDnPlDCefefA260/22又又nPPT260 eflD2近似地表示轉(zhuǎn)子有效部分的體積，近似地表示轉(zhuǎn)子有效部分的體積，定子有效部分的體積也和它有關(guān)定子有效部分的體積也和它有關(guān)AC反映了產(chǎn)生單位計算轉(zhuǎn)矩所耗用的有反映了產(chǎn)生單位計算轉(zhuǎn)矩所耗用的有效材料的體積，并在一定程度上反映效材料的體積，并在一定程度上反映了結(jié)構(gòu)材料耗用量了結(jié)構(gòu)材料耗用量nlDPlDTCKefefAA226021KA是電機常數(shù)的倒數(shù)，叫利用系數(shù)是電機常數(shù)的倒數(shù)，叫利用系數(shù)KA表示單位體積的有效材料所能產(chǎn)生的計算

16、表示單位體積的有效材料所能產(chǎn)生的計算轉(zhuǎn)矩，它的大小反映了電機有效材料的利用轉(zhuǎn)矩，它的大小反映了電機有效材料的利用程度。程度。四、計算功率與額定功率四、計算功率與額定功率1.1.感應電機感應電機計算功率計算功率 2.2.同步電機同步電機發(fā)電機： 電動機： 調(diào)相機： P= = KEPN3.3.直流電機直流電機發(fā)電機： P= =KgPN 電動機： (KVA)cosNNNEPKNNEPKPcosNNNEPKPcosNNmPKP輸入功率：輸入功率：)(10cos311kWImUPNN額定功率：額定功率：)(10cos31kWImUPPNNNNN31110ImEP三、結(jié)論三、結(jié)論1. 1. 電機主要尺寸由

17、電機主要尺寸由P/nP/n或或TT決定。決定。 當同步轉(zhuǎn)速當同步轉(zhuǎn)速n n一定時，功率越大，體積越大。一定時，功率越大，體積越大。 P P大、大、n n大同大同PP小、小、n n小的電機小的電機體積體積相近。相近。2 . 2 . 在在 A A 、 B B不 變 時 ，不 變 時 ， P P 相 同 則 轉(zhuǎn) 速 高 、 尺 寸 小 ；相 同 則 轉(zhuǎn) 速 高 、 尺 寸 小 ； 尺寸相同時，轉(zhuǎn)速高則功率大。尺寸相同時，轉(zhuǎn)速高則功率大。3 . 3 . 轉(zhuǎn) 速 一 定 時 ， 采 用 直 徑 不 變 、 長 度 不 同 的 方 法轉(zhuǎn) 速 一 定 時 ， 采 用 直 徑 不 變 、 長 度 不 同 的

18、方 法 可得到不同功率可得到不同功率的電機的電機。4. A4. A、B B越大尺寸越小。越大尺寸越小。ABKKPnlDdpNMpef121 . 6 電磁負荷電磁負荷的大小決定了電機常數(shù)的值，從而決定了電的大小決定了電機常數(shù)的值，從而決定了電機的尺寸、重量、成本，并對電機的參數(shù)、性能、可靠性機的尺寸、重量、成本，并對電機的參數(shù)、性能、可靠性產(chǎn)生一定的影響。產(chǎn)生一定的影響。一、電磁負荷對電機性能和經(jīng)濟性的影響一、電磁負荷對電機性能和經(jīng)濟性的影響 1.1.線負荷線負荷A A較大，氣隙磁密較大，氣隙磁密B B不變不變 電機的尺寸和體積較小，節(jié)省鋼材。電機的尺寸和體積較小，節(jié)省鋼材。 由于電機尺寸減小，

19、所以鐵心重量減小，鐵耗降低。由于電機尺寸減小，所以鐵心重量減小，鐵耗降低。 繞組用銅（鋁）量增加。繞組用銅（鋁）量增加。 電樞單位表面的銅耗增加，其溫升增高。電樞單位表面的銅耗增加，其溫升增高。 影響電機參數(shù)與特性。影響電機參數(shù)與特性。 1-3電磁負荷的選擇2.2.氣隙磁密氣隙磁密B B較大，線負荷較大，線負荷A A不變不變 電機的尺寸和體積較小，節(jié)省鋼材。電機的尺寸和體積較小，節(jié)省鋼材。 基本鐵耗增加?；捐F耗增加。 氣隙磁動勢增加，磁路的飽和程度增加。氣隙磁動勢增加，磁路的飽和程度增加。 影響電機參數(shù)與特性。影響電機參數(shù)與特性。二、電磁負荷選擇要點二、電磁負荷選擇要點 （1 1）輸出功率一

20、定時，提高電磁負荷的值，電機尺寸和體積減小，）輸出功率一定時，提高電磁負荷的值，電機尺寸和體積減小，節(jié)省有效材料，但需要較好的冷卻材料和絕緣材料。節(jié)省有效材料，但需要較好的冷卻材料和絕緣材料。 （2 2）選取較高的）選取較高的A A，繞組用銅（鋁）量將增加，成本增加（銅線是，繞組用銅（鋁）量將增加，成本增加（銅線是電機內(nèi)最貴的材料）；同時繞組電阻將增加，使繞組溫升提高。電機內(nèi)最貴的材料）；同時繞組電阻將增加，使繞組溫升提高。 （3 3）選擇較高的）選擇較高的B B，電機基本鐵耗增加。，電機基本鐵耗增加。 （4 4）A A與與B B應選擇適當?shù)谋戎?。應選擇適當?shù)谋戎怠?由于勵磁電流標幺值由于勵磁

21、電流標幺值 如以異步電機為例，若選取較高的如以異步電機為例，若選取較高的B B或較低的或較低的A A，勵磁電流將增大，勵磁電流將增大，使電機的功率因素降低。使電機的功率因素降低。ABI*m主要尺寸比主要尺寸比是指電樞有效長度與極距之間的比值。是指電樞有效長度與極距之間的比值。主要尺寸比主要尺寸比l lefef/因為僅靠主要尺寸關(guān)系式無法確定因為僅靠主要尺寸關(guān)系式無法確定D D、l lefef。值大，電機細長；值大，電機細長；值小，電機短粗。值小，電機短粗。的選擇對電機性能、成本、工藝有很大影響。的選擇對電機性能、成本、工藝有很大影響。1-4 電機主要尺寸比的選擇及確定主 -要尺寸的一般方法一、

22、主要尺寸比的選擇一、主要尺寸比的選擇假定假定D D2 2l lefef不變，不變，值較大值較大1.1.電機細長，而端部尺寸較小，則端部用銅（鋁）少，電機細長，而端部尺寸較小，則端部用銅（鋁）少，同時結(jié)構(gòu)部件（端蓋、軸承、換向器等）尺寸減小。同時結(jié)構(gòu)部件（端蓋、軸承、換向器等）尺寸減小?？傊?，可節(jié)約單位功率的材料用量，成本較低?？傊?，可節(jié)約單位功率的材料用量，成本較低。2.2.電機的總損耗下降，效率提高。電機的總損耗下降，效率提高。3.3.總漏抗減小。總漏抗減小。4.4.冷卻條件差，通風系統(tǒng)復雜（風冷）。冷卻條件差，通風系統(tǒng)復雜（風冷）。5.5.加工困難。加工困難。6.6.轉(zhuǎn)動慣量、圓周速度小，對高速電機有利。轉(zhuǎn)動慣量、圓周速度小，對高速電機有利。二、選擇二、選擇值的具體要