电机设计及其CAD-第4章课件.pptx

1、School of Electrical Engineering12022年6月6日星期一等效电路由电阻和电抗组成，电阻、电抗是电机重要参数第四章第四章 参数计算参数计算 School of Electrical Engineering22022年6月6日星期一电阻：1）电阻大，损耗大，压降大 2）感应电动机转子电阻对其转矩特性影响大 电抗：1）漏抗小，同步发电机短路电流大，感应电动机 起动电流大 2）漏抗大，同步发电机电压变化率大；感应电动机 功率因数、最大转矩和起动转矩降低； 直流电机换向变差 School of Electrical Engineering32022年6月6日星期一 3）

2、同步电机中，瞬变电抗与漏抗的大小关系密切， 瞬变电抗对电机的动态性能有很大影响。 本章仅限于计算稳态参数。School of Electrical Engineering42022年6月6日星期一4-1 绕组电阻的计算绕组电阻的计算一、一、直流电阻直流电阻及及交流电阻交流电阻 交流电通过绕组时，由于集肤效应，电流在导线截面上分布不均匀，导致导线有效截面积变化，有效电阻增大 Re=KFR集肤效应电流集中于表面School of Electrical Engineering52022年6月6日星期一1)电阻率与温度有关 m.100175. 0615,在电机正常工作的温度范围内 )15(1 15tt

3、对于铜10.004 C电阻温度系数2）绕组的计算温度国标规定：间接法测量效率时，各绕组的电损耗要换算到相应绝缘等级的基准工作温度。cAlR二、直流电阻计算二、直流电阻计算 School of Electrical Engineering62022年6月6日星期一3）电机绕组常用材料铜：工业纯铜(含铜量大于99.5，紫色)铜合金：铜加镍为白铜，加锌为黄铜，其他铜合金为青铜A、E、B级： 75C, F、H级： 115C School of Electrical Engineering72022年6月6日星期一铜导线：工业纯铜(含铜量大于99.5，紫色), 制作电枢绕组黄铜：铜锌合金。感应电动机转子

4、导条、滑环紫铜：工业纯铜(含铜量大于99.5)。感应电动机转子导条、换向器磷青铜：含28锡、0.10.4磷。感应电机转子导条、滑环 铝导线：纯铝。电阻率大、密度小、易氧化、焊接复杂铸铝：加入Si元素，铝液流动性好。感应电动机转子导条 School of Electrical Engineering82022年6月6日星期一School of Electrical Engineering92022年6月6日星期一三各类电机绕组电阻的计算1、直流电机2)2(212/aAlNaAalNslRccawccawwaNa总导体数Lc线圈平均半匝长度Ac导线截面积2a并联支路数励磁绕组、换向极绕组、补偿绕组

5、的电阻，可根据具体数据用类似方法计算。School of Electrical Engineering102022年6月6日星期一2、感应电机1) 定子绕组每相绕组电阻： 1111111212aAlNKaAlNKslKRccwFccwFwFN1每相串联匝数Lc线圈平均半匝长度Ac1导体截面积1a 并联支路数 频率50Hz，导线为圆导线，集肤效应不明显 1。若扁铜线，则集肤效应明显 FKSchool of Electrical Engineering112022年6月6日星期一 可用定子绕组电阻计算方法计算，但正常运行时，电流频率很低，sf1， 2) 绕线转子电阻1FK需要折算到定子侧： 222

6、112122dpdpKNKNmmRR3) 笼型转子多相对称绕组。相数=槽数，每相导体数等于1。 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，再从导条侧折合到定子侧。 School of Electrical Engineering122022年6月6日星期一各导条电流大小相等IB，相位相差 22Zp，端环各段中电流有效值相等IR，相邻两段电流的相位相差2sin2BRIISchool of Electrical Engineering132022年6月6日星期一计算电阻时，用接成星形的电阻代替多边形的端环电阻。原则：铜耗不变2222

7、2222221222RBBRRBRRBBBRRIIRRRRIZRIZRIZ222sin22sin2ZpZpIIRB222222pRZRRRBSchool of Electrical Engineering142022年6月6日星期一若导条端环材料相同 )2()21(22222222RRBBwRRBBwApDZAlpZAZDAlR其中 BBAl ,导条长度，截面积RRAD ,端环平均直径，截面积 折算到定子侧221112221112122221121224ZKNmRKNZmRKNKNmmRRdpdpdpdp正常运行时， 1FK，起动时， FK显著增大，详见4-6School of Electri

8、cal Engineering152022年6月6日星期一3、同步电机电枢绕组：电阻计算与感应电机定子绕组的一样励磁绕组：用直流电机的方法计算励磁绕组电阻4-2 绕组电抗的一般计算方法绕组电抗的一般计算方法等效电路中除电阻外，还有电抗。标么值：清晰、方便表达出电机的某些性能，对额定值不同的电机进行参数和性能的比较。电抗与磁场的对应关系。交流电机计算中，电抗通常采用标么值School of Electrical Engineering162022年6月6日星期一一、电抗分类 1）主电抗：基波主磁通所经过磁路对应的绕组电抗NmNmUXIX*2）漏电抗：基波主磁通以外的磁通皆归为漏磁通，与漏磁通对应

9、的电抗 NNUXIX*NNKWUmPI1感应电机以功电流为基值School of Electrical Engineering172022年6月6日星期一二、电抗计算方法：1) 分类磁链法：应用较多 能量法：VdVBiLW222122) 磁链法iL电路的电感等于交链该电路的磁链增量与电流相应增量之比 fLLX2School of Electrical Engineering182022年6月6日星期一不饱和时iL/饱和时，不与i成正比，电感随电流变化一个周期内，取平均值。 电机设计中，通常忽略磁路的饱和，电感的计算归结为磁链的计算4-3 主电抗计算主电抗计算主电抗：多相绕组产生的磁场中，包括基

10、波磁场和谐波磁场， 与基波磁场对应的电抗称为主电抗与谐波磁场对应的磁场称为谐波漏抗（差别漏抗）。 感应电机：习惯称主电抗为励磁电抗 mXSchool of Electrical Engineering192022年6月6日星期一同步电机：电枢反应电抗凸极 aqadXX,隐极 aX一一、感应电机、感应电机假设 1） Fe2）槽开口的影响以气隙系数来计及 3）电枢槽内导体中电流集中在槽中心线上School of Electrical Engineering202022年6月6日星期一School of Electrical Engineering212022年6月6日星期一School of El

11、ectrical Engineering222022年6月6日星期一School of Electrical Engineering232022年6月6日星期一二、凸二、凸极同步电机极同步电机凸极同步电机：气隙沿电枢圆周是不均匀的定量分析电枢反应的作用时，需要应用双反应理论。1 双反应理论凸极同步电机在极弧下气隙小，极间部分气隙大，同一电枢磁动势作用在不同位置时所产生的电枢反应不同 两典型位置的电枢反应：School of Electrical Engineering242022年6月6日星期一电枢磁动势作用在直轴位置，在直轴处电枢磁场最强，向两边逐渐减弱，而在极间区域由于电枢磁动势较小，气隙

12、又较大，所以磁场就很弱。电枢磁动势作用在交轴位置，由于极间区域气隙较大，故交轴电枢磁场较弱，整个磁场呈马鞍形分布。 School of Electrical Engineering252022年6月6日星期一在直轴上施加直轴电枢反应基波磁动势Fad，产生的气隙磁密最大值为Bad ，磁密基波幅值为Bad1 ，则直轴电枢反应磁密波形系数定义为二者的比值，即 在交轴上施加交轴电枢反应基波磁动势Faq，产生的气隙磁密基波幅值为Baq1。假设交轴位置与直轴位置的磁阻情况相同，则产生一假想的气隙磁密正弦波，其幅值为Baq，交轴电枢反应磁密波形系数定义为二者的比值 adaddBBk1aqaqqBBk1Sch

13、ool of Electrical Engineering262022年6月6日星期一School of Electrical Engineering272022年6月6日星期一 同一电枢磁动势作用在直轴或交轴位置时，产生的电枢反应磁场幅值不等，但磁场分布对称，进行分析和计算还不是太困难。 然而一般情况下，电枢磁动势作用在一个任意位置上时，幅值和波形不确定，分布不对称，不可能解析求解双反应理论：当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，最后再把它们

14、的效果叠加起来。交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。2 电枢反应电抗将主电抗分为直轴电枢反应电抗Xad和交轴电枢反应电抗Xaq。将电枢反应磁动势分解为作用在直轴上的直轴电枢反应磁动势和作用在交轴上的交轴电枢反应磁动势School of Electrical Engineering282022年6月6日星期一qdpaqddpadIpNKmFIpNKmF1122cossin11IIIIqd产生的气隙磁密最大值为aqaqadadFKBFKB00School of Electrical Engineering292022年6月6日星期一qaqaqdadadkBBkBB11基波磁密最大值为efaq

15、aqefadadlBlB111122每极基波磁通为感应电动势为qqefdpaqdpaqddefdpaddpadIpKklNKmffNKEIpKklNKmffNKE2101121011)(42)(42School of Electrical Engineering302022年6月6日星期一qmqmefqefdpqaqaqdmdmefdefdpdadadkXklpqNfpKklNKmfIEXkXklpqNfpKklNKmfIEX20210202104)(44)(4电枢反应电抗为School of Electrical Engineering312022年6月6日星期一)(sinsinsinsin

16、110011*方波NffNaddaddaddadadadNaadNfadNfaddNadNaddNaddNadNNNadadFkFBEUFkFKkBkBBEFFkFkFkFkFkUEUXIUXIUXIIUXX3 电枢反应电抗 的标么值将空载气隙磁动势基波幅值与气隙磁动势最大值的比值定义为气隙磁动势波形系数kf，即fffFFk1School of Electrical Engineering322022年6月6日星期一*1*1*maqmaqaqmadmadadXkBAkkXXkBAkkX直轴电枢反应系数fdadkkk交轴电枢反应系数fqaqkkkSchool of Electrical Engi

17、neering332022年6月6日星期一4-4 漏电抗计算漏电抗计算绕组通电 主磁通：基波产生的主磁通漏磁通：谐波对应的磁通、槽漏磁通齿顶磁通、端部磁通三、隐极同步电机maXXeflpqNfX204，其中 Ets其中 包括槽比漏磁导，谐波比漏磁导，齿顶比漏磁导，端部比漏磁导 School of Electrical Engineering342022年6月6日星期一XLi一、槽漏抗计算1、单层整距绕组的槽漏抗槽内导体通电产生漏磁通，漏磁通匝链自身产生感应电动势，认为感应电动势是一个感抗压降，对应的电抗为槽漏电抗漏抗的计算归结为漏磁路计算School of Electrical Enginee

18、ring352022年6月6日星期一 单层绕组及其槽形尺寸School of Electrical Engineering362022年6月6日星期一假设： 电流在导体截面均匀分布 铁磁物质磁导率无穷大 槽内磁力线与槽底平行。 矩形槽：School of Electrical Engineering372022年6月6日星期一IbhNlNlhbFFINIssefsssefsssss2220201100111槽口部分：IbhNldNhxdddxlbFdFNhxIIssefhxssxxefssxss232212002102211槽高部分：School of Electrical Engineeri

19、ng382022年6月6日星期一一个槽总的磁链： IbhbhNlsssefsss2)3(102021一个槽漏电感系数：22010001()323ssefsefssssssshhLl Nl NbbIhhbb一个槽的槽漏抗： ssefssNlffLX2022School of Electrical Engineering392022年6月6日星期一对其他槽型，只是 s计算方式不同，采用公式4-4547sefslpqNfX204每相漏抗2s2X2ssXapqXapq每相槽漏抗为每支路槽漏抗为22sNapqN 每相串联匝数School of Electrical Engineering402022年6

20、月6日星期一2、双层整距绕组的槽漏抗、双层整距绕组的槽漏抗上下两层，每层串联导体数Ns/2，属于同一相，电流相同上层自感 aefsalNL02)2(下层自感 befsblNL02)2(上下层互感 abefsablNM02)2(abbasMLLL2)()2(02abbaefslN 每相槽漏抗： sefssslpqNffLapqfLX2024222School of Electrical Engineering412022年6月6日星期一)2(41abbas关键就是求a, b, abssabhbh013ssbbhhhbh21033ssabbhbh012)2(2)3()3()2(4101210301

21、ssssssabbasbhbhbhhhbhbhbhSchool of Electrical Engineering422022年6月6日星期一)(3323210021hhhhbhbhbhbhbhsssssssefspqNlfX20431hh 一般：由此可知：对于双层整距绕组，由于其各槽上、下线圈边中的电流属于同一相，槽比漏磁导仍可用单层绕组的计算公式，只要将式4-44中的h1用上下层线圈边（包括层间绝缘）在槽中总高度h代替即可School of Electrical Engineering432022年6月6日星期一整距短距3、双层短距由于双层短距绕组在有些槽中上、下层线圈边电流不同相，使产生

22、漏磁的磁动势减小，引起槽漏抗减小。School of Electrical Engineering442022年6月6日星期一),32() 132(则所有槽中电流不同相或 每极每相槽数：q 绕组节距比： 在每极下总槽数：3q qy3 线圈短距后节距： qqq3)1 (33)23(3)1 (qqq上下层线圈电流不属于同一相的槽数： 上下层线圈电流属于同一相的槽数： 图4-7： 97, 3q ，不属于同一相=2，属于同一相=1。School of Electrical Engineering452022年6月6日星期一u槽口比漏磁导， L为槽下部比漏磁导 uK：由于短距对槽口比漏磁导引入的节距漏抗

23、系数 LK：由于短距对槽下部比漏磁导引入的节距漏抗系数 为绕组节距比 132时： 413uK1679LK每相：sefabbaefslpqNlpqNL20202) 13(412sefsslpqNffLX2042LLuusLsusKKbhKbhK30School of Electrical Engineering462022年6月6日星期一时： 3231) 16(41uK) 118(161LK310时： 3/ 4uK16/ )49(LK二、谐波漏抗计算二、谐波漏抗计算多相对称绕组中通以多相对称电流，谐波旋转磁场 1,np，基波旋转磁场 pn ,1在定子绕组中感应电势频率 111606060fpnp

24、npnf或查图4-9应反映在定子回路的电势平衡方程中。在转子绕组中感应电势频率： School of Electrical Engineering472022年6月6日星期一 这些定子谐波磁场，虽然大部分也与转子绕组匝链，但产生的不是有用转矩。 一般把有各次谐波磁场在自身绕组中所感应的基频电势看作为漏抗压降，相应电抗成为谐波漏抗。 定子谐波磁场的影响用定子谐波漏抗表征。不考虑其对转子的影响。111121)1 (601)1 (60)1 (60fspnspnnspnfSchool of Electrical Engineering482022年6月6日星期一 同理，转子谐波磁场在转子绕组和定子绕组

25、感应的电流频率为 同理，转子谐波磁场在转子绕组感应的电流的影响用转子谐波漏抗表征。对定子的影响不予考虑。1112606060sfpsnpsnpnf11111)1 (60)1 (60sfvfspsnnspnfSchool of Electrical Engineering492022年6月6日星期一 这些谐波磁场等于电枢电流产生的气隙总磁场与基波磁场之差，有时称为差别漏抗假设： 多槽线圈边中的电流集中在槽中心线上； 铁心磁导率无穷大； 气隙均匀且较小； 忽略各次谐波磁场在对方绕组中所感应电流对本身的削弱作用School of Electrical Engineering502022年6月6日星期

26、一INKpmINKpmFdpdp221422kFH kFHB100Blef2dpdpefdpNKkINKpmlNK)122(0efefdplINKpm2)(220School of Electrical Engineering512022年6月6日星期一efefdplNKpmffIfLX2)(22220pqNfKqmpqNfNKlpmfXXdpefdpefef202220204)(4)(4 谐波比漏磁导： sqmKqmefdpef222)(谐波电抗：FFFFkskqmttssef2121 如考虑饱和影响： School of Electrical Engineering522022年6月6日星

27、期一1、感应电机，隐极同步电机的定子绕组，绕线电机转子绕组、感应电机，隐极同步电机的定子绕组，绕线电机转子绕组eflpqNfX204谐波比漏磁导 sqmef22)(pdKs图4-10 2)(dpKs 谐波比漏磁导系数： School of Electrical Engineering532022年6月6日星期一School of Electrical Engineering542022年6月6日星期一2、凸极同步电机定子绕组、凸极同步电机定子绕组对凸极同步电机，气隙不均匀，引进修正系数kd2204efdlpqNfkX kd见图4-2 3、笼型绕组、笼型绕组 2022eflfX其中 eft122

28、2三、齿顶漏抗三、齿顶漏抗1、齿顶漏抗、齿顶漏抗2122112222pZZppqNKdpSchool of Electrical Engineering552022年6月6日星期一同步电机气隙较大，气隙磁场不是完全按径向穿越气隙，其中一部分经一个齿顶进入另一个齿顶形成闭合回路，成为齿顶漏磁通，与之对应的漏抗即齿顶漏抗。所包括的其它因素:(1)有一部分谐波磁场也不是沿径向穿过气隙，而由齿顶之间闭合，也应考虑在内；(2)前面推导槽漏抗，假设磁力线与槽底平行(实际上不平行), 磁路比实际短了，电抗计算值偏大，也考虑在齿顶漏抗中加以修正。b0School of Electrical Engineeri

29、ng562022年6月6日星期一当槽口面对极靴时，齿顶比漏磁导)41ln(22)1 (25. 00796. 02284. 02000100bbbtgbbtd 当槽口面对极间区域时，齿顶比漏磁导5 . 00)(3184. 02164. 0bbttq tb为齿顶宽 School of Electrical Engineering572022年6月6日星期一齿顶总比漏磁导为 tqptdpt)1 ( 凸极同步电机：上述方法隐极同步电机，均匀，t=td感应电机气隙小，不计齿顶漏抗School of Electrical Engineering582022年6月6日星期一四、端部漏抗计算 绕组端部漏抗相应

30、于绕组端部匝链的漏磁场的电抗，难以准确计算 1）端部形状复杂 2）绕组型式有较大差异 3）邻近的金属件对漏磁场影响很大不分组单层同心式：)64. 0(67. 0EefEllq分组单层同心式（交叉式）： )64. 0(47. 0EefEllqSchool of Electrical Engineering592022年6月6日星期一EefEllq2 . 0单层链式： )213(57. 0efEl 双层叠绕组： EefEllq57. 0 双层波绕组： )13. 12(2523. 02lpDlZRefpE鼠笼式： Z2p为转子每极槽数L为导条伸出铁心的长度（两端）School of Electric

31、al Engineering602022年6月6日星期一4-5 4-5 漏抗标幺值漏抗标幺值NNNZXUXIX1*1112NdpNNNNINKfIUZ1211pdNNmNKpFI12)(21NNpdNpFfNKmZmqKlFXpdNefN1210*2AKpDDmNIKpmNKIFdpaaNdppdNN11111222221School of Electrical Engineering612022年6月6日星期一efNlB121110*2BAKBAmqKXdpSchool of Electrical Engineering622022年6月6日星期一4-6 集肤效应对电机参数的影响集肤效应对电

32、机参数的影响一、集肤效应一、集肤效应School of Electrical Engineering632022年6月6日星期一School of Electrical Engineering642022年6月6日星期一二、集肤效应的影响二、集肤效应的影响电阻增大槽漏抗减小。三、交流电机定子绕组三、交流电机定子绕组 导体中涡流产生附加涡流损耗。 小型交流电机，定子绕组匝数多；采用散嵌绕组，多根导线并绕，线径不超过1.68mm。不考虑集肤效应 大型交流电机，定子绕组通常不用尺寸较大的单根扁导线，而由很多细导线组成。细导线厚度（沿槽高上放置）小于3-5mm。但不同高度处导线仍有不同感应电势，有环流

33、，产生环流损耗。通常并联导线分成两排编织换位（条式绕组）sssbhbh03School of Electrical Engineering652022年6月6日星期一图4-17 编制换位的绕组线棒School of Electrical Engineering662022年6月6日星期一 中型交流电机：圈式绕组，每线圈由多匝导体串联组成，每根导体通常也由数根并联导体组成。 在端部进行扭转换位图4-18School of Electrical Engineering672022年6月6日星期一4-7饱和对电机参数的影响饱和对电机参数的影响一一、饱和影响、饱和影响 前面电抗计算中，假设铁心磁导率等

34、于无穷大，忽略铁心磁阻； 铁心有磁阻，电机磁路某些部分处于饱和状态，铁心磁阻不可忽略，要准确计算电机性能，必须计及饱和影响磁阻增加。 计及主磁路饱和时，感应电机励磁电抗，同步电机电枢反应电抗比不考虑饱和小。School of Electrical Engineering682022年6月6日星期一二、计及饱和的电抗计算1 1、感应电机、感应电机） efefSdpmslpKNKmfX210)(4，其中Ks=F0/FmmsIEX1）也可 E1为额定运行时的相电势Im为额定运行时定子磁化电流 感应电机起动时，Ist*，齿顶部分处于高饱和状态，与齿顶磁阻有关的槽口比漏磁导及谐波比漏磁导将有相当幅度的减

35、小，相应的槽漏抗及谐波漏抗均将减小，需修正。School of Electrical Engineering692022年6月6日星期一2、凸极同步电机、凸极同步电机用近似方法计算，假定忽略转子磁阻（很小）addadsXXaqsXaqqX由图4-25查取，与Ks， efm有关 School of Electrical Engineering702022年6月6日星期一）作出电枢齿，轭及气隙磁化特性 )(1tjFFFf）由 N确定 tjFFF1与 FFFFFKtjS11Ks计算）额定负载下，忽略电枢绕组电阻时22)sin()cos(NNNNUXIUE14dpNmNNfNKKESchool of

36、Electrical Engineering712022年6月6日星期一4-8 斜槽漏抗计算斜槽漏抗计算一一、斜槽、斜槽斜槽原因：定子或者转子在轴向上扭转一个方向，削弱齿谐波磁场引起的附加转矩和噪声影响：减小了定转子之间的互感，增加了定转子漏抗斜槽系数：使定转子互感电抗减小的因数 2222)sin(ZptbZptbKSKSKSKSKb扭斜宽度 2t转子齿距 School of Electrical Engineering722022年6月6日星期一感应电机互感电抗（主电抗） mskmXKX定、转子漏抗中分别增加一斜槽漏抗：mskXK )1 ( 二、斜槽后等效电路二、斜槽后等效电路将定、转子斜槽

37、漏抗都归入转子回路内 1R111EsXXXmskXK )1 ( )1 (mskXKmskXKsR2222EsXXX1R111EsXXX222)( 5 . 0XtbXskskmXsR2222EsXXXSchool of Electrical Engineering732022年6月6日星期一三、斜槽漏抗三、斜槽漏抗skmskmskKXKXK1)1 (112这样变换励磁回路电抗乘以系数：mmskXXK12与不考虑斜槽的励磁支路电抗相同。转子回路内所有参数须乘以 21221212)1 ()1 (mskmskskXKXKXmskXK) 11(2定转子总斜槽漏抗： 利用（4-79）、（4-80）、（4-

38、13）和（4-24），得到折算到定子侧的谐波漏抗mXZpX22231School of Electrical Engineering742022年6月6日星期一skX2X22XtbXsksk找出斜槽漏抗与谐波漏抗之间关系：mskskXtbZpX22231式4-155代入4-158得School of Electrical Engineering752022年6月6日星期一2）转子导条与铁心没有很好绝缘，相邻导条间产生的横向电流也会使漏抗减小斜槽漏抗实际值比上式小一半左右，如下计算： 1）斜槽后基波漏磁场沿轴向分布不均匀，两端大，中间小，两端比较饱和，斜槽漏抗有所减小由于：222)(5 . 0XtbXsksk