1、电机设计电机无处不在一、发电机提供强大的电力二、工业设备需要电机三、家用电器不能没有电机四、时尚尖端数码产品离不开电机五、未来交通动力更有赖于电机 电机，它究竟是什么？电机的基本结构与原理BLIf 一、直流电机基本原理的公式体现：f磁轭（Fe)磁极（Fe)转子铁心（Fe)励磁线圈（Cu)电枢=转子铁心+导体+电刷交流电机交流异步电动机AXBYCZn0)2402cos()1202cos(2cos111tfIitfIitfIimCmBmAn定子=定子铁心（Fe）+线圈(Cu)转子=转子铁心（Fe）+线圈(Cu或Al)电机是：合二为一，各伺其职！合二为一：定子转子各伺其职：定子：产生磁场 B转子：产
2、生电流 If=BIL电机设计所要解决的主要矛盾：所用材料（铁与铜）与电机效能之间的矛盾。第一篇 旋转电机设计 第一章 电机设计概述 1-1 电机制造工业的近况与发展趋势 一、我国电机制造业的发展概况（一）品种、规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高（二）积极采用新技术、新材料、新结构与新工艺（三）标准化、系列化和通用化程度不断提高（四）积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究 二、国外电机制造工业的近况与发展趋势 1-2电机设计的任务与过程 一、电机设计的任务与对设计人员的要求1、具备过硬的电机设计技术；2、设计人员要注意贯彻国家的技术经济政策，努力使产品既满足使用要求，又
3、尽可能地降低成本；3、设计人员应认真地听取有关人员的意见和建议，注意理论与实际、设计与工艺相结合，认真进行调查研究、访问用户和查阅资料等；（二）电机设计时给定的数据和对电机的主要技术要求电机设计时通常给定下列数据：（1）额定功率；（2）额定电压；（3）相数及相间的连接方式；（4）额定频率；（5）额定转速或同步转速；（6）额定功率因数。二、电机设计过程和内容简介（一）准备阶段 收集资料，即相关的国家标准、相近的电机技术资料包括试验数据。在分析资料的基础上编制技术任务书。（二）电磁设计 根据技术任务书的规定，进行电磁计算，确定所设计的电机的冲片尺寸、铁心长度及电磁性能。（三）结构设计 确定电机的机
4、械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格等。1-3国家标准 电机的国家标准是国家有关部门对电机提出一定要求的文件，它是电机生产的依据，也是评定电机质量优劣的准则。生产部门应力求使所设计制造的电机全面满足国家标准规定的要求。有关电机的国家标准有以下几种类型：1、国家颁发的标准，代号为GB，例如，GB755-87电机基本技术要求等；2、部颁标准，代号为JB，例如，JB3074-82Y系列（IP44）三相异步电动机技术条件等；3、各种电机的试验方法。国家标准通常是根据一定时期的国民经济发展水平来制定的，因而在一定的历史条件下是先进的、合理的。它随着科学技术和生产的不断发展而逐步提高，于是国家标准也要
5、随之修定，而提出更高的标准要求。1-4国际标准交流电动机总体结构机壳底座端盖定子铁心定子绕组转子转轴f=Bi2L定子轭部磁密：1.5T定子齿部磁密：1.5T转子齿部磁密：1.5T转子轭部磁密：1.5T气隙磁密：0.60.7TUE=4.44fkwW第二章 电机主要参数之间的关系电机主要尺寸 电机主要尺寸是指电枢铁心的直径和长度。对于直流电机，电枢直径是指转子外径；对于感应电机和同步电机，则是指定子外径。确定主要尺寸是设计电机的第一步。因为主要尺寸确定以后，电机的重量、价格、工作特性等方方面面也随之而定。2-1 电机主要参数之间的关系式 电机的主要尺寸与电磁功率电磁功率有着密切的关系，后者可以用电
6、机的计算功率来表示。交流电机的计算功率为：mEIP 交流电机电枢绕组的相电势为：11.1,444.4时等于当气隙磁场为正弦分布为气隙磁场的波形系数式中NmdpNmdpKfNKKfNKEefpefavlBlB每极磁通气隙磁密波形示意图.,为气隙磁密的平均值为气隙磁密的最大值为计算极弧系数avavpBBBBDmNIAApD2:2为线负荷长度上的电流导体数称通常将沿电枢圆周单位极距:,2260426046044化简后得代入将mEIPlpDBKmIDApnKlpDBNKpnKlBNKpnKfNKKEefpdpNmefpdpNmefpdpNmdpNmABKKPnlDdpNmpef21.6ABPnlDpe
7、f21.6:对于直流电机同样有.1而得到式取流电机的主要参数关系该式可以视为相应的交dpNmKK讨论：AdpNmpefCABKKPnlD21.6.,260260:.,2222称之为计算转矩上式即可写为称为电机常数所以把的变化范围更小而的变动范围不大围内的电机由于一定功率和转速范PTTlDPlDnPlDPnlDCCKKABefefefefAAdpNmp 电机常数CA大体上反映了产生单位计算转矩所耗用的有效材料的体积。反映了材料的消耗量。nlDPlDTCKCefefAAA226021:的倒数为 KA表示单位体积有效材料所能产生的计算转矩。它的大小反应了电机材料的利用率，通常称之为利用系数。利用系数
8、的高低取决于两方面：其一是材料的质量；其二是制造工艺水平。对于不同类型的电机，其计算功率可按给定的额定功率PN来决定：.cos:1与端电压之比为额定负载时感应电势感应电机又称异步电机ENNNEKPKPNNEPKPcos:2同步发电机.,:3系数并励绕组电流而引入的为考虑电枢压降和式中并励绕组的直流电动机mNNmKPKP重要结论 1、电机的主要尺寸由其计算功率P或计算转矩T所决定。在其它条件相同时，T相近的电机所耗用的材料也相近。2、电磁负荷A和B不变时，相同功率的电机，转速较高的，尺寸较小；或尺寸相同的电机，转速较高的，则功率较大。表明提高转速可以减小电机的体积。3、转速一定时，若直径不变而采
9、用不同的铁心长度，则得到不同功率的电机。4、电机的主要尺寸在很大程度上和选用的电磁负荷A、B有关。电磁负荷选得越高，则电机在一定功率下的尺寸就越小；或电机在一定尺寸下的功率就越大。2-2电机中的几何相似定律案例讨论：有二台电机，容量均为1.1Kw，转速为1450r/min，对比另一台电机容量为2.2Kw，转速也为1450r/min，问从经济因素考虑，应选择二台容量较小的电机还是选择总容量相同的一台电机？一般而言，对于相同转速（即极数也相同），不同容量的电机间，有相似的几何形状，对应尺寸有相同的比值，即：。bhbbhhllDDsssBsAsBsABABA分别为槽高和槽宽与其中,FedpNBANE
10、，ffNKEEIpmEIp则有一定时当频率又有即有由电机的计算功率,44.4,CuFeFeFeABJANABJAJANBAEI：p，AJJAI)(0000前式又改写为因此为导体的截面积为电流密度又因为4144222pllp，JB，lllAA，lAACuFeCuFe或可得一定与于是有由于几何形状相似因此有各与面积414343331ppppG，）（plGlG则有下的电机重量功率换算到单位容量故有由于材料重量 该式表明，随着单机容量增大，其有效材料的利用率均将提高。该定律得出的结论是：对于几何形状相似的电机，单位功率所需的有效材料与功率的1/4次方正反比。即随着单机容量的增大，有效材料的利用率将提高
11、。2-3 电磁负荷的选择AdpNmpefCABKKPnlD21.6 根据上式，由于p、KNm、Kdp实际上变化不大，因此当计算功率P与转速n一定时，电机的主要尺寸取决于电磁负荷A、B。显然：成本重量体积efAlDCBA2,所以，人们总希望选取较高的A和B，但是，过高的A和B也带来负面影响。一、电磁负荷对电机性能和经济性的影响(一）线负荷A较高，气隙磁密B不变1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；2、由于B一定，以及铁心重量减轻，铁耗也随之减小；3、绕组的用铜量增加；用铜量体积因为dpNmFepFefKKENABA4:4、增大电枢单位表面上的铜耗，使绕组温升增高；5、影响电机参数与特性。因为
12、匝数N增多，导致电机绕组的电抗变大，感应电机的最大转矩、起动转矩、起动电流均降低。对同步电机，电压变化率增大等；对直流电机，则会使换向恶化。（二）气隙磁密B较高，线负荷A不变1、电机尺寸和体积减小，可节省硅钢片材料；2、使电枢基本铁耗增大；3、气隙磁位降和磁路的饱和度增加；4、影响电气参数与电机性能。二、线负荷A和气隙磁密B的选择 电磁负荷选择时关联的因数很多，很难单纯地从理论上加以确定。要根据具体条件来选择。1、电机所选用的绝缘材料的等级越高，电机允许的温升也就越高。电磁负荷A、B可选高些。2、电机所选用的导磁材料（硅钢片）及导电材料性能好，则电磁负荷可选高些。3、电机的通风冷却条件好，则电
13、磁负荷可选高些。随着电工材料性能的不断提升及制造工艺的不断进步，电机的电磁负荷一直逐步提高，从而使电机的体积、重量不断减小。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、主要尺寸比的选择在选择了A和B后，由式：AdpNmpefCABKKPnlD21.6 即可初步确定电机的D2lef。但是对相同的D2lef，可以设计得细长，也可以设计得粗短。为了反映电机这种几何形状关系，引入一个尺寸比的系数：efl现分别说明不同类型电机对值的选择。若D2lef不变而较大：1、电机将较细长。好处是绕组的端部变得较短，端部用铜量相应减少，可提高绕组的铜的利用率。因此单位功率材料消耗较少，成本较低。2、电机体
14、积未变，因而铁的重量不变，在同一磁密下的基本铁耗不变。但是附加铁耗有所下降，机械损耗也因直径的变小而减小。因此电机总损耗下降，效率提高。3、绕组端部较短，因此端部漏抗减小。4、由于电机细长，通风散热条件变差，从而导致轴向温度分布不均匀度加大。5、电机细长，则铁心冲片数目增多，冲片加工与铁心叠压工时增加；因铁心直径较小，嵌线难度增大，嵌线工时增多。6、电机细长，则转子转动惯量减小，对于要求频繁起动运行的电机是有利的。综上所述，当选择值时，通常要考虑的因数有：1）参数与温升；2）节约用铜量；3）转子机械强度；4）转动惯量等。以下对不同种类的电机给出值的范围。（一）感应电机即异步电机通常=0.41.
15、5，对大型感应电机则为=13.5，（二）同步电机 对于凸极同步电机，通常，中小型同步电机的=0.62.5，其上限为多极电机。对于高速或大型同步电机，由于转子材料机械强度的限制，值选得较高，达34。（三）直流电机通常，中小型直流电机的=0.61.2，大型直流电机的=1.252.5实际设计时，值的选择往往需要通过若干计算方案的全面比较分析，才能作出正确的判断。二、确定主要尺寸的一般方法efdpnmpefdpdpdpNlDABKKPnlDKKKBAnPP22,1.6)4(92.0,96.0,:)3(,)2(.,)1(得出以上数据代入双层绕组时当采用单层绕组时对于交流电机计算由经验选取电磁负荷确定电机
16、转速利用公式得出计算功率先根据电机的额定功率.)7()22,12(,)6(,)5(1进行必要调整与铁心长度再对定子内径表表标准值将计算值调整至确定定子外径比值根据定子内外径的经验与分别求得值根据所选的efeflDDlD 但以上确定主要尺寸的方法不够简便。在实际应用中，人们根据实践经验，通常采用“类比法”来确定主要尺寸。所谓“类比法”，即是将所要设计的电机的具体条件（如结构、材料、技术经济指标、工艺等）参照已生产过的相近规格的电机的设计数据，直接初选主要尺寸及某些其它数据。例如：所设计的感应电机与已生产的同类型电机具有相同的极数，但额定功率不同，则根据主要尺寸关系式：21212121222121
17、,NNefefNNefefPPllDDPPlDlD则有如果选取可近似认为：AdpNmpefCABKKPnlD21.6 2-5系列电机及其设计特点 所谓系列电机是指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。系列电机具有以下几方面特点：1、系列电机的额定功率具有一定的范围，按一定比例递增。例如Y系列的三相异步电动机的额定功率从0.55kW250kW共分26个等级。2、系列电机的额定电压按规定的标准电压等级选用其中的一种或几种。例如Y系列电机的额定电压均为380V。3、系列电机有一定的转速范围或等级。例如Y系列的同步转速有：3000、1500、1000、750r/min等四种。4、
18、系列电机规定了若干铁心冲片的外径尺寸，且每一外径对应于一个机座号。同一个机座号可有几种不同的铁心长度。每一种铁心长度对应于不同的功率数值。系列电机的设计特点：1、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/小功率），称为功率的递增系数Kp。Kp的取值直接影响到整个系列功率等级数目的确定，而且对系列的经济性有重要影响。如果Kp取小，功率等级多，提供给用户的选择就多，并可减少过安装容量、过安装费用与运行费用。但是，功率等级增多，使系列中的规格较多，制造所需工艺装备增加，生产管理复杂，制造成本增加，电机的价格提高。因此，选择Kp应进行细致地分析与综合，兼顾用户选用与生产两方面的方便。我国
19、Y系列电机的功率等级根据国家标准GB321-64优先数和优先系数加以确定，如书20页表2-3所示。2、安装尺寸与功率等级相适应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来分级。功率等级确定后，通常一个轴中心高对应两个功率等级。我国的中小型电机采用的轴中心高尺寸如书21页表2-4，表2-5所示。3、电枢冲片外径的确定 我国中小型感应电机基本系列的定子冲片外径系见表2-4，表2-5，它是和轴中心高相对应的。4、零部件的标准化、系列化和通用化 即系列电机的零部件应尽量采用标准件与标准尺寸、标准结构。以提高通用性和互换性，降低生产成本，方便使用维修。5、考虑派生的
20、可能性 考虑有可能仅作少量改动即派生出某些产品，以满足特殊性能、特殊使用环境与特殊使用条件的要求。第三章磁路计算 3-1概述)()(只与各自绕组相交链漏磁场绕组相交链既与定子绕组也与转子主磁场磁场绕组通过电流 磁路计算的目的在于确定励磁电流及电机的空载特性。大体步骤：磁场（B）磁势（F）励磁电流（I）一、磁路计算所依据的基本原理基本原理是全电流定律或称安培环路定律：lil dH如果积分路径沿着磁场强度的矢量取向（即沿着磁力线），则：liHdl磁路计算步骤：1、选择积分闭合回路。一般所选择的闭合回路通过磁极的中心线。2、分段：即沿着闭合回路，分为若干段，认为各段的磁通沿着截面均匀分布，各段中的磁
21、砀强度为恒值。SN于是每对极回路的励磁磁势：012211FLHLHLHLHHdlnxxnnl 由于一对极中的两个极的磁路情况是相同的，所以也可以只计算半条回路上各段的磁压降，其总和即为每极的励磁磁势。励磁磁势的计算可归结为计算磁路上各段磁压降。各类电机的磁路可分为如下各段：1、空气隙；2、定子齿（或磁极）；3、转子齿（或磁极）；4、定子轭；5、转子轭其中空气隙的磁压降通常占较大的比例（约6085%）。二、电机中常用的磁性材料电机中的铁心一般多采用表面涂漆的硅钢片叠压而成。硅钢片根据制造工艺的不同又分为热轧片与冷轧片。3-2空气隙磁压降的计算 通常计算是最大气隙磁通密度所在的磁极中心线处的气隙磁
22、压降。即：.,;数隙磁阻增加而引入的系考虑到因槽口影响使气气隙系数强度过极中心线处的气隙磁场气隙的径向长度式中KHHKF气隙磁场：mHBH/104,7000空隙磁导率00:efpefplKBKFlB于是气隙最大磁密对于每极磁通可根据给定的绕组感应电势来确定。naPNEnCEaaea60,对于直流电机fNKKEdpNm4,对于交流电机Klefp及气隙系数电枢的计算长度算极弧系数接下来就应该确定出计以后根据上式算出了,一、计算极弧系数p的确定efpeflBdxxBldsxB22)()(:,磁通为每极如图中实线所示BBBdxxBavp22)(1:所以 计算极弧系数p表示在一个极距下的平均磁密与最大磁
23、密之比。计算极弧系数p的大小取决于气隙磁密分布曲线B（x）的形状。当B（x）为正弦分布时，p=2/=0.637。（一）直流电机的p1、均匀气隙即极弧下的气隙为均匀的，对于这类型直流电机，有：:,:ppavefpefpefavbBBlbBlBlB所以又由于,.2;,2ppppppbbbb数式即可确定计算极弧系代入上式将效应是计及了极尖处的边缘为极弧长度式中2、不均匀气隙 为了消弱电枢反应，磁极常做成削角的形状，如图所示。其中间部分的约2/3表面下的气隙仍是均匀的，两侧逐渐增大到2，对于这种极靴，由于边缘效应被削弱，因此可取：ppbb2ppbbpb边缘效应同理，对于偏心的圆弧形极靴，即空气隙由连续
24、地增大到max，当max/3时，可取：ppbb.,25.075.0:,max作为等效气隙长度即的长度要加长但是eq（二）感应电机的p 一般情况下，感应电机由于磁路的饱和气隙磁场已不是正弦分布，而是与直流机类似的比较扁平的形状。因此Bav/B=p 0.637。p的数值主要与定子齿与转子齿的饱和程度有关。齿部越饱和，则气隙磁场波形越扁来，p也越大。齿部的饱和程度以饱和系数来标志，它等于：FFFFKtts21求出了Ks以后，根据p与Ks的关系曲线，确定出p.%1,)45.115.1(21并进行计算重新假定若计算出得出根据公式查出一个先假定一个sssssttefppsKKKKKFFFBlBK 图中还提
25、出供了KNm=f(Ks)的关系曲线。当磁路不饱和，磁场分布为正弦波时，KNm=1.11，随着Ks的增大，KNm逐渐下降。（三）凸极同步电机的p 凸极电机的励磁磁势空间波形呈方波，其F的波形也是方波。为了使气隙磁密的分布为正弦分布，则气隙的大小，在极弧下不是均匀的。的变化应满足如下关系：xxFBBxFxHxBxBcos)(:)()(cos)(01001代入上式得而 若按上式规律变化在工艺上实现十分困难，通常做法是把极靴的外表做成圆弧形，和定子铁心内圆不同心。最大空气隙max按下式计算：)75.055.0(,5.1,2cosmaxmax一般选取极弧的长度左右一般控制在ppbb.)(,.)(曲线而得
26、则查另一条步电机对于均匀气隙的凸极同查出的数值可根据曲线pppppbfbf二、电枢或气隙的轴向计算长度lef 由于边缘效应，即磁通不是完全在铁心长度的范围内穿过气隙，有一小部分磁通从定转子的端面越过，如图所示。因此，轴向长度上要多算一些。经推导可得两端面处磁场分布的等效长近似为2。即：lef=lt+2 如果转子铁心中有径向通风道，如图所示。由于径向通风道处没有硅钢片，因此电枢计算长度比铁心总长要短些。.;:的长度一个径向通风道所损失为沿着铁心轴向长度因数为铁心中的径向通风道式中为于是电枢计算铁心长度vvvvtefbNbNll25:,5:,22vvvvvvbbbbbb则径向通风道且相互对齐对于定
27、转子两方面都有则定子无通风道的情况风道对于仅转子上有径向通三、气隙系数K 在气隙磁压降的计算公式中，为了计及槽开口的影响引入了一个系数K 先假定转子铁心表面有齿、槽，而定子表面光滑，则槽口处磁阻大，磁通量少，因而使总的气隙磁通量减少。但是为了维持不变（因为外部电压不变），则齿顶处的最大气隙磁密由无槽时的B增加到Bmax。以直流电机为列，实际的磁密分布曲线如图所示。.1:,max00maxmax气隙磁密增大的倍数表示因齿槽的存在而使式中降为最大磁密处的气隙磁压开槽后BBKKBBHFBKKKef最大值仍为而气隙磁密的的无槽电机来等效有槽电机可以用气隙为为从物理意义上讲对气隙即称作有效气隙长度把.,
28、10max:sBtBt位轴向长度的磁通为内的单如图一个齿距 它应等于未开槽时一个齿距t内的磁通Bt以保持主磁通值不变。即：tBsBtB10max解该方程，从而得到：101max0maxsttsBBttBBK)2(1ln)2(tan)2(4:,:,20010010bbbttKKbs得克利斯多菲尔变换根据许瓦兹如果槽为无限深也可表示为所以有关及槽口宽度均与气隙长度和由于200020000)5()5(:)75.04.4()75.04.4(:.,1,bbtbtKbbtbtKb对于开口槽对于半闭口或半开口槽公式可以达到精度要求工程上采用下列近似只要满足限深但实际情况槽不可能无 当定、转子两边都开槽时，例如感应电机，则：KK1K2 其中K1为定子有槽，转子无槽的气隙系数；K2则为转子有槽，定子无槽的气隙系数。
