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第一篇第一篇 旋转电机设计旋转电机设计 第一章第一章 电机设计概述电机设计概述 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 一、单机容量迅速增长 1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。 2国内单机容量 3国外单机容量 二、向多品种发展 我国中小型电机系列有 72 个系列，531 个品种 J、JO 第一次统一设计 基本系列：异步电机 J2、JO2 第二次统一设计 Y、YO 第三次统一设计（性能好，效率高，噪声小） JS2 笼型 JR2 绕线型 T2 同步电机 Z3 直流电机 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 三、积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺 应用电子计算机计算 新技术 异步电机单绕组多速和 Y-混合绕组 直流机的可控硅供电、无槽电枢 双水内冷却技术、直线电机 1 绝缘材料：主要采用 E、B 级，向 B、F 级过渡 玻璃粉支母 无溶剂浸漆 新材料 聚酰亚胺 DMD 复合绝缘 玻璃钢 电工材料：向冷轧方面发展 自动化：自动下线、端部开槽 半自动化：总装自动线 新工艺 静电喷漆 中型电机转子导条环氧粉末涂敷 机座射压造型 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 电机设计的任务与过程 1-2 电机设计的任务与过程 1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。 2设计的依据 给定：额定功率、额定电压、相数、相间连接法、 额定频率、额定转速、额定功率因数 3电机设计过程 2 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。 4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 1-4 国家标准 国际标准 1-3 1-4 国家标准 国际标准 国家标准（代号 GB） ：对电机的一般要求规定和技术要求； GB755-65 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。 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； JB742-66 J2、JO2 系列三相异步电动机技术条件； 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。 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，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。 3 第二章 电机的主要参数之间的关系第二章 电机的主要参数之间的关系 一、 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（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。 ef l 铁心尺寸 绕组尺寸 其它尺寸大体确定 电机的几何尺寸 外形尺寸 主要尺寸 不少电磁性能变化不大 安装尺寸 （D、 ef l） 电机矢量确定 结构部件尺寸 电枢直径 D：交流电机（定子内径） 1 i D 直流电机（转子外径） 2 D 二、 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 2-1 电机的主要参数之间的关系式 一、几个物理量 即找到主要尺寸与额定功率、转速及电磁负荷的关系。 出线端输出的电功率发电机 轴上输出的功率电动机 输出功率额定功率 : : : N P 1 额定转速：同步速 p f n 60 = = )(: )/(: 2 : TB A D mWI A 值气隙中磁通密度的最大磁负荷 米流电枢圆周单位长度上电线负荷 电磁负荷 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（ P ） 二、交流电机中 的关系 BAnPlD ef ,与 计算功率： )10()(10 33 KWIEmPKVAmEIP M = :( ). 4( )10( 3 导体裁面积电流密度 CC Fe Fe dpNm SJJSI NBSE BS fNKKENE kVAmEIPEIP = = = = 代入， P ),( CcuCFe NSSJBJSNBSP=保持不变 4 1 4 2 2 PllP lS lS SSP cu Fe cuFe 与的关系 p CG ef, , P 有效材料重量与体积成正比，也与长度 的立方成正比； l 有效材料的成本与损耗与成正比。 ef C p )(GM 4/3 4/3 4/33 PpGp PCGC PGlG efef 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 )(GM ef C P 4/1 4/3 1 PP P P p P C P G ef = 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 fnBJ, )(GM ef C p与功率 4 1 P成正比。 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 不同； 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。 5解释几个问题 8 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G、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。 为何冷却问题对大功率电机比对小功率电机更显得重要（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。 ll 2-3 电磁负荷的选择 2-3 电磁负荷的选择 根据确定主要尺寸的关系式来看： ABKK P nlD dpNmp ef = 3 2 101 . 6 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。 dpNmp KK, ef lD2 BA, 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？下面介绍具体选择方法。 BA, ef lD2 BA, BA, ),( , , 1 , , 2 运行启动参数对性能影响大 一定时 变化不大 ef ef dpNmp CM BA AB lD nP KK 9 一、电磁负荷对电机性能和经济性能的影响 （一） 电负荷A较高 D mNI A 2 = 沿电枢圆周单位长度上的总电流（安/米） 1优点： 电机的尺寸和体积将减小，可节省钢铁材料； ),( 1 2 一定时变化不大nPKK AB lD dpNmpef ef lDA 2 , （电机有效材料近似表示转子有效部分体积） ef lD2 B B 一定时，由于铁心质量减小，铁耗减小。 （一定时） Feef plDA, 2 B 2 缺点： 绕组用铜（铝）量将增加； = 用铜量一定时 一定时 , )4(, 2 NUE KfNKEBlDA dpNmef 增大了电枢单位表面上的铜（铝）耗，使绕组温升增大； 绕组有效部分（即槽内部分）的铜耗为： 导体有效部分长度 导体材料电阻率 每根导体有效部分电阻 = l RJmNIlI S l NmIRNmp cef c cefcut 2)2()2( 22 电枢表面的铜（铝）耗为： = 温升一定时当 每相串联匝数 导体电流密度 导体截面积米瓦 , )/( 2 2 a c cut a qAJ N J SAJ Dl JmNIl Dl p q ef lDA 2 , 电机温升 AJ热负荷的大小 温升不超过一定限度 AJ不能超过一定限度 A，J 有铜量 （= c c SJ S I J,） 10 改变了电机参数和电机特性。 由后面 4-3 可知交流绕组的电抗（互感电抗或漏电抗）的标么值 ),(, 2* * NXNBAXBA K B A KX = 一定一定 比例常数 1）异步电机：启动转矩，最大转矩，启动电流； 2）同步电机：电压变化率，短路电流，短路比，稳定度； 3）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。 （二） 气隙磁密B B 较高 1优点：电机的尺寸和体积较小，可节省钢铁材料。 ),( 1 2 一定时变化不大nPKK AB lD dpNmpef 用铁量, 2 ef lDB 2 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） a) 电枢铁心质量, 2 ef lDB b) 比比 pBfpBB FeFe 23 . 1 , 温升铁耗电枢铁心质量且 比 , Bp 气隙磁位降和磁路饱和程度将增加； FHB fFe iBB励磁电流磁路饱和程度 a) 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或导致磁极和电机外形 尺寸加大。 b) 异步机：励磁电流cos 改变了电机参数和电机特性。 11 ),( , * * mmmFe XR H B BB XB B A KX = = 饱和程度 影响启动运行特性 二、电负荷A和气隙磁密的选择 B 1A、不应选择过高 B 2A、的比值要适当 B B A KX= * 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，使效率较率。 B （轻载I，pcu,可变损耗小，A，可变损耗=不变损耗） 3A、的选择要考虑冷却的条件 B 防护式冷却方式条件较好，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%。 B 4A、的选择要考虑所用材料和绝缘结构的等级 B 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，； B 电枢绕组用铝 RAl大 A、比铜要好 B 5A、的选择要考虑和n的大小 B P （圆周速度取决于=vnvDP Dn vnD,;, 60 , ） 可大点冷却条件有所改善 BAva, 小 BADP, 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 12 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、的具体选用值可参看后序文章。 B 随材料性能，冷却条件、电机结构不断改进， 体积。 BA, 2-4 电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法 2-4 电机主要尺寸比的选择及确定主要尺寸的一般方法 ABKK P nlD dpNmp ef = 3 2 101 . 6 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 dpNmp KK, BA, ef lD2 设计粗短 设计细长 ef l = （主要尺寸比） 大小影响 电机运行性能、经济性、工艺性。 一、大小的影响 一定， ef lD2 ef l =， p D 2 =（极距） ，较大时： 大，电机较细长（较大、D较小） ，线圈的跨距较小；绕组端部变短，端训用铜（铝） 量相应减少； ef l 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。 ef lD2一定： 单位功率耗材 成本 结构尺寸小重量轻 绕组铜的利用率 一定： ef lD2， p 13 一定： ef lD2 端部铜耗一定 机械损耗 附加铁耗 ,J p 一定： ef lD2 端部较短 端部漏抗总漏抗 一定： ef lD2 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。 线圈数目 线圈制造工时绝缘材料 但 铁心长 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 二、选择时的考虑 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 三、多种不同电机大致的范围 1异步电机 = = 极数多时取较大值异步电机大型 少数异步电机中小型 异步电机 5 . 31 5 . 45 . 15 . 14 . 0 （一般=1-1.3 为好） 14 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同步电机 一般随极数增加而。 = = = = )2(91. 1, 2 . 18 . 0 43 5 . 26 . 0 极从用铜观点一般随功率汽轮发电机 取小一点额定转速较低的水轮机 选较大的大的水轮机额定转速较高及容量特 水轮发电机 宜大点一般同步电动机 有脉动的同步电动机内燃驱动的同发及负载 高速大型同步电机 中小型同步电机 同步电机 3直流电机 = = 5 . 225. 1 )5 . 1 (2 . 16 . 0 大型 中小型 直流电机 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 由电机额定功率计算功率 N P P ； 利用推荐的数据或曲线选取电磁负荷； BA, 由，n（交流机n=n P 0，直流机n=nN） 、 BA, ef lD2 一般可近似认为： = = = 92. 0 96. 0 7 . 011. 1 双层短距 单层整距 dppNm KK 参考推荐的数据选用适当的； 及 ef lD2 ef l =，分别求得与和； ef lD 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。 1 i D ef l 15 2用“类比法”来确定主要尺寸 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。 如异步电机 2 1 2 2 2 1 1 2 N N ef i ef i P P lD lD = 一般： 21ii DD = 11 2 21 2 1 21 2 1 2 1 N N N N N N ef ef P P NN P P SS P P l l = = = 2-5 系列电机及其设计特点 2-5 系列电机及其设计特点 1系列电机就是指技术要求、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。 3系列电机的分类 16 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 一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。 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。 P K 安装尺寸的确定及功率等级与安装尺寸的对应关系。 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） 。 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。 零部件的标准化、系列化和通用化； 派生的可能性。 17 第三章 第三章 磁路计算磁路计算 3-1 概述 3-1 概述 1 磁路计算的目的 在于确定电机中感应一定电势所对应的主磁场所必需的磁化力或励磁磁动势， 进而计 算励磁电流及电机的空载特性，校核电机各部分磁密选择得是否合适，确定一部分有关尺寸。 )()()4( 00 0 00fffdpNm ifEif N F iFfNKKEE=或， 校核电机各部分磁密选择得是否合适； 确定一部分有关尺寸。 2 磁路计算所依据的基本原理 （安培环路定律）全电流定律 =il dH vv 积分路径：积分路径是沿着磁场强度矢量取向（即沿磁力线）选择通过一对极的中心线 构成闭合回路； =dlHl dH vv 包围的电流：是回路所包围的全电流，即每对极的励磁磁势。 i 3 电机设计中磁路计算的一般步骤 为简化计算，通常把电机各部分磁场分成等值的各段磁路。所谓等值的磁路是指各段磁 路上的磁位降等于磁场内对应点之间的磁位降，并认为各段中磁通沿截面均匀分布，各该段 的磁场强度保持为恒值。 2211jjmmjjtt LHLHLHLHLHdlHl dH+= vv 由于电机中一对极磁路中两个极的磁路情况相似，所以只需计算半条回路上的各段磁位 降，它们的总和就等于每个评级的励磁磁势。以下叙述磁位降或磁势均为每极的。 步骤： 0 FHLH S BEu = 4 电机中常用的磁性材料 铸钢直流机极轭 锻钢凸极同步机整块磁极 低合金钢结构钢低碳钢板极轭磁极 涂漆的硅钢片电枢铁心 焊接性能好导磁导热价格低以下含硅量无硅钢片 平整度高导磁性好比损耗小含硅量 冷轧 热轧 硅钢片 , ,)% 5 . ( ,%)31 ( 3-2 空气隙磁压降的计算 3-2 空气隙磁压降的计算 计算方法是： LHFH S BEu= = 1每极磁通的确定 直流电机中： a Npn E n a pN E a aa a 60 60 =韦 交流电机中： fNKK E fNKKE dpNm dpNm 4 4=韦 2确定气隙最大的磁密 B efp efp l B lBSB = = 3确定气隙磁场强度（极中心线处的气隙磁场强度） H 6 0 0 108 . 0= = B B H HB 4确定气隙磁位降 F =HkkHLHF 是单边气隙径向长度（m） 是气隙系数，因槽口影响使气隙磁阻增加而引入的系数。 k 下面要解决、如何确定： p ef l k 一、 计算极弧系数的确定 p 1的物理意义 p ( ) efpef lBdxxBl = 2 2 ( ) B B B dxxB av p = 2 2 1 波幅系数 av p s B B F = = 1 = p p b 距之比表示极弧计算长度与极 直流电机沿电枢圆周方向的气隙磁密分布 B(x) 2大小的决定 p 计算极弧系数的大小决定气隙磁密形状，因而它决定于励磁磁势分布曲线的形 状、气隙的均匀程度及磁路饱和程度。 p )(xB 如：是正弦分布， F均匀，磁路不饱和 则是正弦，)(xB637. 0 2 = p 磁路越饱和，越平，越大，)(xB av B p 越大 （一）直流电机的确定 p 1均匀气隙： = p p b 而 极弧实际长度+= ppp bbb ) 2 应计及极靴尖处的边缘效2 2+ = p p b ) 2不均匀气隙 削角极弧 )(两侧边缘效应削弱 pp bb ) = = = pp p bb ) 偏心气隙极弧 pp bb ) = p 。 p 决定定子齿及转子齿的饱和程度。齿部越 饱和，气隙磁场波形愈平，愈大，因异步机由下面决定。 p 1确定饱和系数 F FFF K tt s 21+ + = %1)(,45. 115. 1 21 = FF k B B kBBB t ef t mmt 开槽后 开槽后 无槽有槽开槽后 等效磁势 max max 从等效磁势观点出发： = = = = k B B k kBkHHF BHF ef ef ef max 6 6 maxmax 108 . 0 108 . 0 直流电机转子有槽而定子 一个齿距内的气隙磁通密度分布 表面光滑时气隙磁密的分布 2计算方法 分析法 1）开槽后一个齿距 t 内的磁通： 10max SBtB 一个齿距的最大磁通： tB max 由于开槽后减少的磁通： 10S B 2）未开槽时一个齿距 t 内的磁通： tB 3）保持同一个主磁通不变：tBSBtB = 10max t S BBB 1 0max = 卡氏系数： 10 1 max 0 1 max 0 max maxmax 1 St t S B B t t t S B B t B B B B k = = = max 0 0 B B = 0 和均与 1 S、槽口宽有关 0 b 又可表示成： + = = 2 00 1 0 2 1ln 22 4 bb tg b t t k 近似公式 18000GS：齿部磁路比较饱和，磁导小，主磁通大部分由齿通过，但有小部 分则经过槽进入轭部。 t B 因此分析时必须分两种情况来讨论。 （一）齿磁密小于1.8T的场合 1通过齿部的磁通 因为齿磁密小于1.8T，齿磁路饱和程度不高，齿部导磁率槽部导磁率，齿部槽 部。 因此可认为在一个齿距范围内的主磁通从空气隙进入铁心表面后， 几乎全部从齿通过。 又因为选择的积分路径是通过磁极的中心线，因此要计算处于主极中心线上的那个齿内磁密 。显然这个齿所在地区的空气隙刚好是最大值，该处一个齿距的范围内的空气隙磁通为 。 t B m R m R t B B tlB ef s l R s l RTB mmt 0 8 . 1 = = R KKRKR FFFc ) 1( 一、直流电机 并联支路数 导体截面积 线圈或元件平均半匝长 导体总数 = a A l N aA lN R c c a c ca wa 2 )2( 2 适用于：电枢电阻、励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组 二、感应电机 1、感应电机定子绕组每相电阻 相绕组并联支路数 双 单 定子每相串联匝数 = = = 1 1 1 1 11 1 1 2 : : 2 a a pqS N a pqS N N aA lN KR K K c c wF 2、感应电机转子绕组每相电阻 绕线式转子：1, 2 12 22 22 2 = = F c c wF Ksff aA lN KR很低Q 22 22 2 2 aA lN R c c w = 基波绕组系数 每相串联匝数 定转子相数折合到定子边 = 21 21 212 2 22 11 2 1 22 , , ,)(: dpdp dp dp KK NN mmR KN KN m m kRR 鼠笼绕组 特点：） 22 Zm =是多相绕组，相数等于转子槽数； 2 2 111 22 )(4 11 Z KNm K ZK dp dp = = ）鼠笼转子的电阻包括两部分：导条电阻和端环电阻。由于导条中电流与 端环电流是不一样的，因此这两部分不能简单相加，而须将端环电阻折 合到导条边，再由导条边折合到定子边。 折合 折合 端环电阻 导条 定子 ）端环电阻 导条 端环电阻： 端环平均直径= R R wR R D AZ D R 2 端环面积 每槽距周长 = R R R R wR A Z D AZ D R 22 导条电阻： B B wB A l R= 端环折合到导条中的折合原则：折合前后电损耗不变。 R B R R RRRB R I I R RIRI 2 22 )(= = 如何求 B R I I 的关系： 每相邻导条电流之间相位差等于槽距电角 2 2 Z p = 相邻两段端环的电流相位差也等于 导条电流等于相邻两端环电流之差（ 很小） RR B R R B R BBB R R p Z R I I R p Z I I Z p I Z p II I 222 2 22 ) 2 ()( 2 2sin2 2 sin2 = = = ）鼠笼式转子电阻 R R wR R R B B w B B wB R BRB AZ D R Ap DZ A l R A l R p RZ RRRR 2 2 2 2 22 2 2 2 ) 2 ( 2 =+= =+= += ）转子电阻折合到定子边 R R B B w dpdp Ap DZ A l Z KNm R Z KNm KRR 2 2 2 111 2 2 111 22 2 ( )(4)(4 22 += 三、同步电机 与异步机定子绕组计算方法一样。 4-2 绕组电抗的一般计算方法 4-2 绕组电抗的一般计算方法 在分析交流电机的运行原理时，大多数可把它们看作为等效的双绕组变压器，这样可以利 用与双绕组变压器类似的等效电路来计算交流电机的运行性能。 1、 2222 11 10 222 111 1111 )( )( LXE XE XE NI NII NII LXE m = = 差漏抗谐波 主电抗基波 , 1 1 1 q B A q B A B A q X 和相差太小采用调采用调较大如设计值与预设值相差 有关与 成正比与 抗的调整： 槽漏抗：，在总导体数一定时，每槽，Z s N s X b h 比值，实质上改变漏磁路的 磁导； 谐波漏抗：； , 8 . 0,XXsq ； XXNA, 。 XNB, 4-6 集肤效应对电机参数的影响 4-6 集肤效应对电机参数的影响 一、挤流效应 槽口部分磁通少漏抗小 槽中整块导体 通以交流电 槽漏磁通 槽底部分磁通多漏抗大 槽口部分导体中电密大 主磁通在导体中感应相同电势下 导体中电流 槽底部分导体中电密小 挤向表面 这种现象称挤流效应（集肤效应） 。 a) 槽内导体 b) 电流密度的分布 c) 计算交流电阻的等效导体 二、挤流效应的主要影响 1、使导体中交流电阻增大倍。 F K S l RRKR F = 直直交 2、使导体的槽漏抗变小倍。 X K sXsX LKLXKX= 挤流作用使下部几乎没有电流，槽下部漏磁通少，使槽中 导体的等效高度减小。 += s ss s h b h b h 1 10 3 三、交流电机定子绕组考虑挤流效应后的参数修正系数 四、异步电动机鼠笼绕组的挤流效应 4-7 饱和对电机参数的影响 4-7 饱和对电机参数的影响 一、为什么要考虑饱和的影响： 前面推导公式电抗计算公式中，假设0, 0,= FemFe F A l R ，实际上，电机的主 磁路或漏磁路某些部分处于饱和状态。饱和导致0,= m R H B 。为了精确计算电机相应的 运行性能，则必须考虑磁路铁心饱和对参数的影响。 二、饱和对参数的影响 由于饱和，= m m mmm X R XR H B , 1 , 在运行时，异步电机的励磁电抗、同步电机电枢反应电抗将会减少。 1、对异步电机励磁电抗的影响 不考虑饱和时： ef dpmmefm q K m l pq N fX 1 2 2 0 4= 考虑饱和时： 饱和系数1 210 + = F FFF F F k k X X tt s s m ms 电流是额定运行时定子磁化 中相电势是额定运行时定子绕组 或 m msm mmmmm m ms I EXIE rXZIIZIE I E X 11 001 1 : = 2、对凸极同步电机的影响 交轴电枢反应电抗： q 轴磁路：齿轭气隙 只需考虑轭和齿的饱和影响。 不同的磁路计算 tj FFF, 1 )( 1tj FFFf+= 由 aqss aq aqstj sNN Xk X X F FFF kE= + = 1 a) ：由矢量图可知，忽略 N E N E 22 )sin()cos( NNNN UXIUE+= q轴电枢反应小，引起转子磁势增加小，仍用 X b) 1 4 dpNm N N fNKK E = c) 由磁化曲线 )( 1tj FFFf+= tj FFFF+ 1 , F FFF k tj s + = 1 交轴电枢反应磁路经过气隙、齿、轭 d) 查曲线求出， s k s aq aqs k X X =（图4-28） aqs X 直轴电枢反应电抗 d 轴磁路：气隙齿轭极身 只需考虑齿、轭和极身的饱和影响。 s ad ads k X X F FFFF k tmj s + = 1 )( 1mtj FFFFf+= mtj FFFFF+ 1 , N E a) ：由矢量图可知 N E 在磁势-电势图中，凸极同步电机中常用代替 p X X 在凸极机中简单磁势电势图本身就是近似的， 通过采用 反而使结果准确些。，对计算需要精确 些。用代替。 p X aqad XX ad X p X X 22 )sin()cos( NNNN UXIUE+= b) 1 4 dpNm N N fNKK E = c) mtj FFFFF+ 1 , F FFFF k mtj s + = 1 d) s ad ads k X X 注：d轴负载时，电枢反应去磁，转子励磁绕组为了维持气隙磁通，必须克服（比较 ad F 大） 。转子磁势，转子漏磁比空载时大， XX p 4-8 斜槽漏抗计算 4-8 斜槽漏抗计算 一、斜槽漏抗 在异步电机中，为了削弱由齿谐波磁场引起的附加转矩及噪声，一般笼型转子常采 用斜槽，即把转子槽相对定子槽沿轴向扭斜一个角度。这样，定、转子绕组间耦合系 数减小了，即定子电流产生的基波磁场有一部分不与转子导条耦合（反之也时） 。 相当于定、转子间互感电抗减小，定转子漏抗增加。 这种由斜槽引起的附加漏抗称斜槽漏抗。 1 )sin( 22 22 = = 中型： VUkWPmDmmH6000.3000,380)125045()0 . 15 . 0()630355( 1 = 小型： VUkWPmDmmH380)13255. 0()5 . 012. 0()31580( 1 = 基本系列： Y（IP44） 小型三相感应电动机 J2，JO2 小型三相感应感应电动机 JS 三相笼型转子感应电动机（中型） JR 三相绕线转子感应电动机（中型） JS2，JSL2 三相感应电动机（中型、低压） JR2，JRL2 三相感应电动机（中型、低压） Y 三相笼型转子感应电动机（大型） YR 三相绕线转子感应电动机（大型） YK 大型高速感应电动机 派生、专用系列： YQ 高起动转矩感应电动机（小型） YH 高转差率感应电动机（小型） YD 变极多速感应电动机 YZ 起重及冶金用感应电动机 YQS 潜水感应电机 YLB 立式深井泵用感应电动机 二、感应电动机的主要性能指标和额定数据 （一）主要性能指标 效率 N st I I 起动电流倍数 cos 功率因数 Fecu , 绕组、铁心温升 N M T T 最大转矩倍数 起动过程中最小转矩 min T N st T T 起动转矩倍数 （二）额定数据 额定功率 N P 额定电压 N U 额定频率 N f 额定转速 N n 基值： 电压： N U 功率： N P 电流： N N KW Um P I 1 = 阻抗： N N KW N KW P Um I U Z 2 1 = 转矩： N N N n P T9550= 10-2 主要尺寸与气隙的确定 10-2 主要尺寸与气隙的确定 一、主要尺寸和计算功率 n P C n P AB KK lD A dpNmp ef = = 11 . 6 2 计算功率： 111 IEmP = 额定功率： cos 11 IUmP NN = N N P U E P cos 1 1 = 由前推导（相量图） ： 引入电势系数0),( 1 = N UE & L LQP N E XIRI U E K =+=1)(1 * 1 * 1 * 1 * 1 1 NL PP cos 1 )1 (= 设计方法：cos,已知，未知，需先假定一个 * 1 * 1, XR)1 ( L 值。 预估，完成磁路参数计算后，偏差95. 085. 0)1 (= L %5 . 0)1 ()1 ( LL )1 ( L 经验公式估算： 2极小型： NL Pln0866. 092. 01+= 非2极小型： pPN L 013. 0ln0108. 0931. 01+= 中型： pPN L 01. 0ln0109. 0892. 01+= 二、电磁负荷的选择 磁化电流： 111 0 9 . 0 2 dp m KNm pF I= 每极磁势主要用来克服，决定于， 0 F F m I B A B I I KW m cos, * m IAB B A U XI X N KW = * stst ITTXAB, max * 选取方法： 中小型： TBmAA)8 . 05 . 0(/)10501015( 33 = 大 型： 可略高 BA, 三、主要尺寸比的选择 对于一定的极数，定子铁心外径与内径存在一定比例（表10-3） 1 D 1 i D 1 1 i D D = 变动范围在5%左右。 四、主要尺寸的确定 efi NL lD BA n PP 2 1 , 110, 210 cos 1 )1 ( = 选择 表参考图 1、 V n P AB KK lD dpNmp efi = = 11 . 6 2 1 KNm 气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布 时；11. 1= Nm K； ； 双层 单层 定子基波绕组系数 92 . 0 96 . 0 1dp K p 计算极弧系数； = = 饱和 正弦不饱和 )71. 066. 0( 637. 0 2 B B av p 2、参考表10-2选择值， p D l i ef 2 1 = VD p DlD iiefi = 3 1 3 1 2 1 2 3 1 2 pV Di= 初步计算 2 1 11 1 1 3 1 310 2 i efi i i D V lDD D DpV D=按标准外径调整达式参考表 五、空气隙的确定 1、影响：； cos m I 。 温升损耗影响机械可靠性过小, max TTX st 2、气隙基本上决定于定子内径、轴直径、轴承间的转子长度。 3、经验公式： 小功率电机： 铁心长度:10)74 . 0(30 3 1tti lmlD += 大、中型电机： m p Di 3 1 10) 2 9 1 ( + 10-3 定子绕组与铁心的设计 10-3 定子绕组与铁心的设计 一、定子槽数的选择 pm Z q 2 1 1 = 1、 值大小对电机的参数、附加损耗、温升、绝缘材料耗量等有影响 1 q 定子谐波磁场减小， ad p X 每槽导体数减少， s s s s X b h ZX, 1 1 槽中线圈边总散热面积，利于散热 绝缘材料用量、工时，槽利用率 大 q 2、 一般感应电动机： =（26） 取整数 1 q 极数少，功率大电机：取大些 （2极取=