电机设计及其CAD-第2章课件.pptx
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- 电机 设计 及其 CAD 课件
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1、School of Electrical Engineering12022年6月6日星期一主要尺寸: 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。第二章第二章 电机主要尺寸的确定电机主要尺寸的确定 School of Electrical Engineering22022年6月6日星期一本章主要内容: 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第一节第一节 电机主要参数之间关系式电机主要参数之间关系式一、电机主要尺寸和电磁
2、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。School of Electrical Engineering32022年6月6日星期一1 交流电机 电磁功率可用计算功率表示。 计算功率与电磁功率的区别:mE2I2cos2 mEIcos2 计算功率: P=mEI 其中m为相数,E为相电动势,I为相电流。E=4KNmfNKdp KNm气隙磁场波形系数,Kdp为绕组因数(通常取为Kdp1) N为每相串联匝数, 为每极磁通School of Electrical Engineering42022年6月6日星期一气隙磁场波形系数KNm: 电机中,对于任意气隙磁场波形,在每对极
3、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/(22)=1.11School of Electrical Engineering52022年6月6日星期一频率:fnp/60其中, n转速,p 极对数每极磁通:其中,B为气隙磁密最大值(磁负荷) lef为电枢计算长度efpefefavlBlB2lB极距为2pD电负荷为D2mNIASchool of Electrical Engineering62022年6月6日星期一p为计算极弧系数, p = Bav/ B 当磁路不饱和时, p =0.637ABKK60nlD2mNDAlBfNK4KmmEIPpdpNm2ef2ef
4、pdpNm则计算功率为ABKK1 . 6n/ PlDdpNmpef2整理得采用国际单位制:D、lefm,BT,P VA,nr/minEaV,AA/m,WbSchool of Electrical Engineering72022年6月6日星期一2 直流电机aaemIEP电磁功率:nlB60apNEefpaa故aefpaemNDA2anlB60apNP所以D2aINAaaaaNDA2aI因得2pD又因为Na-电枢绕组总导体数efpefavlBlBnapNEaa60School of Electrical Engineering82022年6月6日星期一260TlD260260nplDn/plDe
5、f2ef2ef2AC转子有效体积ef2lDAB1 . 6AB60PnlDpp2emef2得和交流机关系相似二、电机常数二、电机常数 对一定功率和转速范围的电机,A、B变化不大, p等的变化范围更小,因此CA称为电机常数。School of Electrical Engineering92022年6月6日星期一 CA大体上反映了产生单位转矩所耗用有效材料的体积,也一定程度上反映了结构材料的用量。ef2AAl60DT2C1K 单位体积有效材料产生的转矩,称为利用系数。(1)随制造工艺、设计水平、材料性能的提高而增大 例如使用高等级的绝缘材料例如使用高等级的绝缘材料(F(F级、级、H H级级) )、
6、高品质铁心材料、高品质铁心材料(2)已制成电机的KA随电机功率的增大而增大 感应电机和直流电机,功率越大,转速越低,KA越大 同步电机,功率越大,转速不变,KA越大School of Electrical Engineering102022年6月6日星期一(3)利用系数与工作制密切相关。 短时工作制等短时工作制等三、电枢计算长度三、电枢计算长度 无径向通风道电机,与铁心实际长度很接近 有径向通风道电机,略小于铁心实际长度。直流电机和同步电机,小510%;感应电机,小1015%四、计算功率确定四、计算功率确定根据额定功率、效率、功率因数等参数近似确定School of Electrical En
7、gineering112022年6月6日星期一NNNEENNNEcosPKKcosmUIcosUImKmEIPNNEU/EK 感应电动机:NNENNNEcosPKcosIcosUmKmEIP同步发电机:NNNENNNNEcosPKcoscosUmKPNImEI同步电动机:NgNgPKIUKPNEI并励直流发电机:Kg考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数School of Electrical Engineering122022年6月6日星期一NNmmPKKpUIEI并励直流电动机:Km考虑电枢压降和并励励磁电流而引进的系数五、结论五、结论(1)主要尺寸由转矩决定,其它条件相同时,计算转矩相近
8、的电机耗用材料也相近。 (2) A、B不变时相同功率的电机,转速高的,尺寸较小;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: School of Electrical Engineering132022年6月6日星期一School of Electrical Engineering142022年6月6日星期一 转速升高,n,pmec和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
9、。如: Y100L1-4(2.2kW)、 Y100L2-4(3kW)(4) 一般变化不大,因此主要尺寸取决于A和B ,A和B越高,电机尺寸越小。dpNmpK,K,School of Electrical Engineering152022年6月6日星期一 为什么我们希望电机的单机容量大? 上节关系式可确定电机主要尺寸,但不能明晰地表述电机的经济和技术指标随功率的变化趋势。 最简单的情况:几何相似电机系列,即用途和结构型式相同、功率递增、各对应部分的几何尺寸比保持不变的一系列电机,具有相同电流密度、磁通密度、转速和极数具有相同电流密度、磁通密度、转速和极数。 研究几何相似电机的经济和技术指标与功
10、率之间的规律。 sBsAsBsABABAbbhhllDD 若电机A、B几何形状相似,则 hsA为槽深,bsA为槽宽第二节第二节 电机中几何相似定律电机中几何相似定律School of Electrical Engineering162022年6月6日星期一FeBANEEIP导体总截面积导体截面积cCuFeCucFeccFeNAAJBAAJANBAPAJAIINBA P414JB4CuFe22Cu22Fe PLL PLAAlDAlDA一定、次关系是与变压器铁心直径水发极距41 P4333 PLL重量损耗有效成本体积有效材料重量一、几何相似定律一、几何相似定律School of Electrica
11、l Engineering172022年6月6日星期一单位功率下电机重量G、成本Cef、损耗p 几何相似定律4143efP1PPPpPCPG 实际的系列电机:电流密度和磁密不是不变的,几何尺寸也不是严格按比例变化。但几何相似定律的变化趋势仍然存在School of Electrical Engineering182022年6月6日星期一二、几何相似定律的意义二、几何相似定律的意义41p(1)B、J数值保持不变时,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重量、成本及产生的损耗均与 成反比,即随单机容量的增大,其有效材料利用率和电机效率均提高。 采用大功率电机代替总功率与其相等
12、的几台小电机。(2)可用来大体上估计与已制成几何形状相似、功率不同的电机的重量、成本和损耗。(3)上述规律是近似的。 School of Electrical Engineering192022年6月6日星期一实际情况下,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。 矛盾:矛盾:主要尺寸关系式:功率正比于几何尺寸的立方 几何相似定律:功率正比于几何尺寸的四次方原因原因:在几何相似定律中,若几何尺寸增大为2倍,电流增大为4倍,匝数不变,A增大为2倍,即A正比于几何尺寸。二者不
13、矛盾二者不矛盾ABKK1 . 6n/ PlDdpNmpef2School of Electrical Engineering202022年6月6日星期一例题: 一台1kW的电机定子铁心长10cm、电机质量为15kg、成本100元,电机效率83.3%。今欲按几何相似定律设计一台16kW电机,问电机定子铁心长、质量、成本、效率是多少?解:功率增为16倍,则铁心长度为2倍,20cm 41 PL833. 0/1122pppPPp=0.2kW 4333 PLL重量损耗有效成本体积有效材料重量 电机质量和成本为8倍,分别为120kg和800元, 损耗为8倍损耗增加为 0.28=1.6kW%9 .906 .
14、 1161622pPPSchool of Electrical Engineering212022年6月6日星期一第三节第三节 电磁负荷的选择电磁负荷的选择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、可靠性都有重要影响。讨论电磁负荷对电机性能和经济性的影响,介绍选择方法。ABKK1 . 6n/ PlDdpNmpef2School of Electrical Engineering222022年6月6日星期一一、 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
15、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,要保证绕组的电压平衡,必须增多匝数。(匝数、导体数关系?)J2mNILIAL2NmImNR2p2c2cefCu(4)增大了电枢单位表面上的铜耗,绕组温升提高. 绕组有效部分的铜耗:School of Electrical Engineering232022年6月6日星期一其中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。JADLJ2mNILDLPqCua单位表面上铜耗 、J一定时,qa随A的增大而增大 一定时, qaAJ(热负荷),为避免
16、温升过高,AJ乘积不超过一定限度,A选择大,J就相应小些,会使用铜量增加。A、J一定时, qa随的增大而增大BAkX*(5) 影响电机性能 , A ,电抗D2mNIASchool of Electrical Engineering242022年6月6日星期一211112max4mpUTxxrf感应电动机22112211222mpUTxxrrfrstststmaxI ,T,T*1*11addcxxxk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,静态和动态稳定性降低School of Electrical Engineering252022年6月6日星期一直流电机 换向恶化 直流电机
17、的线圈匝数限制efacrAlvNe2reA2.电负荷A不变,磁负荷较高 (1) 电机尺寸、体积减小,节约钢铁材料 BGpPB1GBBpFeFeFeFe22Fe(2) 铁耗增加,损耗增加,效率降低,温升提高 School of Electrical Engineering262022年6月6日星期一(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。 感应电动机功率因数降低。BAkX*ststmaxI ,T,T(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
18、密B的选择不应选择过高的A,B,它们的比值也要适当School of Electrical Engineering272022年6月6日星期一比值影响到铜、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);导磁材料铁耗低,B可高些;铝线电机(电阻率大),A、B低。School of Electrical Engineering282022年6月6日星期一A、B与转子圆
19、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。与电枢直径有关,直径越小,所选的A、B应越小。 绕组安放空间的限制。内电枢电机(直流电机): 平行槽,受齿根磁密限制,D小,不能太宽、太深, 限制了A的取值。 平行齿,槽空间比直径大的电机小,限制A的取值 内极式电机(凸极同步电机): 直径小,励磁绕组安放空间小,限制了励磁磁动势的 大小,使电枢磁动势和与之有关的A、B不能取高School of Electrical Engineering292022年6月6日星期一 D小,通常导线较细,绝缘所占比重较大,槽空间利用 率低,为增大槽空间,齿变窄,B不能取高(6)与工
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