电机设计及其CAD-第2章.ppt

SchoolofElectricalEngineering 1 2020年1月21日星期二 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 SchoolofElectricalEngineering 2 2020年1月21日星期二 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 SchoolofElectricalEngineering 3 2020年1月21日星期二 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 电磁功率可用计算功率表示 1交流电机计算功率 与电磁功率的区别 mE1I1cos 2 P mEI其中m为相数 E为相电势 I为相电流 E 4KNmfKdp KNm气隙磁场波形系数 Kdp为绕组因数 通常取为Kdp1 SchoolofElectricalEngineering 4 2020年1月21日星期二 气隙磁场波形系数 电机中 对于任意气隙磁场波形 在每极范围内 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 2 2 1 11 SchoolofElectricalEngineering 5 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 6 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 7 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 8 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 9 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 10 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 11 2020年1月21日星期二 2 A B 不变时相同功率的电机 转速高的 尺寸较大 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 转速升高 n Pmec 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 SchoolofElectricalEngineering 12 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 13 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 14 2020年1月21日星期二 SchoolofElectricalEngineering 15 2020年1月21日星期二 3 上述规律是近似的 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 再如 长期工作制异步机J 3 8A mm2 短时工作制起动机J 60A mm2 无法采用几何相似定理 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 性能都有重要影响 SchoolofElectricalEngineering 16 2020年1月21日星期二 讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影响 介绍选择方法 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 要保证感应电动势 必须增多匝数 4 增大了电枢单位表面上的铜耗 绕组温升提高 SchoolofElectricalEngineering 17 2020年1月21日星期二 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 qa AJ 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 5 影响电机性能 A 漏抗 SchoolofElectricalEngineering 18 2020年1月21日星期二 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 SchoolofElectricalEngineering 19 2020年1月21日星期二 直流电机换向恶化2 线负荷不变 B 较高 1 电机尺寸 体积减小 节约钢铁材料 2 铁耗增加 铁耗增加 效率降低 温升提高 SchoolofElectricalEngineering 20 2020年1月21日星期二 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 永磁体用量增加 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 SchoolofElectricalEngineering 21 2020年1月21日星期二 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 导磁材料好 B 可高些 绕组用铝线 电阻率大 A B 低 SchoolofElectricalEngineering 22 2020年1月21日星期二 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 SchoolofElectricalEngineering 23 2020年1月21日星期二 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 B D2lef可以细长 粗短引进主要尺寸比 lef 其中 D 2p主要尺寸比对电机性能 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 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 SchoolofElectricalEngineering 24 2020年1月21日星期二 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 风路长 冷却条件差气体冷却 风路长 冷却条件差 轴向温度分布不均匀封闭式 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 SchoolofElectricalEngineering 25 2020年1月21日星期二 转动惯量 圆周速度小 对转速高电机有利 如汽轮发电机 细长的线圈数比粗短的少小 线圈制造工时和绝缘材料消耗少 但是冲片数目多 冲剪和叠压工时增加 冲模磨损加剧 下线难度大 轴应较粗 保证足够刚度 2 选择主要考虑 参数和温升 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 有一定关系中小型 0 4 1 5 大型 1 3 5 SchoolofElectricalEngineering 26 2020年1月21日星期二 极数多的取较大值 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 同步电动机 异步起动 牵入同步 惯量不宜太大 C 内燃机驱动同步发电机或负载脉动的同步电动机 为了防止电机的电磁固有振荡频率与负载 或内燃机 的强迫振荡频率相近而引起的共振 以及为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 SchoolofElectricalEngineering 27 2020年1月21日星期二 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 这就产生了矛盾 原则 转速高或容量特大 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 因此 机械应力突出 在保证机械强度的前提下 通过加强冷却 通过增大电枢长度 使功率增大 一般随功率增大而增大 SchoolofElectricalEngineering 28 2020年1月21日星期二 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 惯量小 取大 值大型 高速电机 换向困难 机械应力差 应取大些 通常 中小型 0 6 1 2大型 1 25 2 5 SchoolofElectricalEngineering 29 2020年1月21日星期二 二 确定主要尺寸的方法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 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 SchoolofElectricalEngineering 30 2020年1月21日星期二 若所设计的电机 与已生产过的同类型电机 极数相同而功率相近 则取则 SchoolofElectricalEngineering 31 2020年1月21日星期二 2 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企业产品设计 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 SchoolofElectricalEngineering 32 2020年1月21日星期二 2特点 额定功率按一定比例递增 Y系列0 55kW 250kW23个等级 额定电压按规定的电压等级选一种或几种Y系列380V Z2系列 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 规定了系列电机铁心的若干外径尺寸或轴中心高 SchoolofElectricalEngineering 33 2020年1月21日星期二 每一中心高对应1个机座号 同一机座号可以有不同铁心长度 机座号 型号Y100L1 4 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2 5个不同极数 每一机座号有1 3种不同长度 315机座有2极 110 130 160kW 4极 110 312 160kW 6极 75 90 110 132kW 8极 55 75 90 110kW 10极 45 55 75kW 一共有14个规格Y系列小型三相感应电动机有IP23与IP44两种外壳防护结构型式 对应防护式和封闭式 SchoolofElectricalEngineering 34 2020年1月21日星期二 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 不包括由外风扇送风 吸风的通风孔或封闭式电机的泄水孔 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 SchoolofElectricalEngineering 35 2020年1月21日星期二 3系列电机分类 基本系列 使用面广 生产量大的一般用途系列Y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JDO2系列多速感应电动机采用多速绕组 JH