电机设计及其CAD-第3章.ppt

School of Electrical Engineering,*,*,第一节,概述,励磁绕组通电在电机有效部分、端部、结构件建立磁场 简化为磁路,磁路计算目的：,（1）,确定产生主磁场所必须的励磁磁势，进而计算励磁电流和电机空载特性。,（2）,校核电机各部分磁密是否合理。,为简化电磁计算，分为：主磁路、漏磁路,第三章,磁路计算,2026/5/23 周六,1,School of Electrical Engineering,主磁路,:,磁路计算,漏磁路：漏磁系数,一、磁路计算的基本原理,电机分成若干扇形，每扇形一对磁极，即一对极的范围。只计算一个扇形范围内磁路即可确定建立磁场所需要的磁动势。,2026/5/23 周六,2,School of Electrical Engineering,取一条通过磁极中心线的闭合回路，根据全电流定律：,闭合回路磁位降回路包围的电流即每对极励磁磁势,实际分布复杂，为简化计算，各部分复杂磁场简化为等效磁路,等效磁路,：各段磁路上磁压降应等于磁场内对应点之间的,磁压降,，并认为在各段中磁通沿截面均匀分布，各该段中磁场强度为恒值。,其中,H,i,为第,i,段磁路的磁场强度，,L,i,为第,i,段磁路的长度。,2026/5/23 周六,3,School of Electrical Engineering,只计算半条磁路：一对极磁路中两个极的磁路情况相似，半条回路磁压降等于每极励磁磁势。,磁路划分原则：,（1）,每个磁路为同一材料,（2）,磁路的截面积大体相同,（3）,流过该磁路中各截面的磁通相同,各类电机的磁路划分：,（1）,空气隙（2）定子轭（3）定子齿（或磁极）,（4）转子齿（或磁极）（5）转子轭,2026/5/23 周六,4,School of Electrical Engineering,空气隙磁位降占较大比例（6085以上）,二 电机中常用磁性材料,铁心：涂漆硅钢片，叠片减少铁耗，电阻大，在弱磁场或中等磁场下，导磁性提高，强磁场下导磁性弱,磁极与磁极相连的磁轭：低碳钢板，结构钢或低合金钢,凸极同步电机磁极用整块锻钢,直流电机磁轭可用铸钢,汽轮发电机转子采用高导磁、高机械性能的低碳合金锻件。,2026/5/23 周六,5,School of Electrical Engineering,永磁磁极：永磁体,硅钢片分热轧和冷轧,热轧：,锻件,热轧成薄板,几层薄板一起热轧多次，直至达到要求的厚度,酸洗，去掉氧化层,轻度冷轧提高平整度,高温退火（,815,875,度），提高磁性能。,缺点：表面粗糙、占空系数低、厚度精度差,冷轧：,冷轧成形，表面涂绝缘层，保证片间绝缘，且其热膨胀系数比硅钢低，室温下对硅钢施加应力，有利于降低铁心损耗。,冷轧钢分为：,1,、含硅量,1,3,，损耗低、导磁性能好,2,、无硅钢片（含硅,0.5,以下）价格低、导磁、,2026/5/23 周六,6,School of Electrical Engineering,导热性能及焊接性能好，国外在中小型电机中应用广泛，但铁耗高。,国外已停止生产热轧钢片,:,节约能源，改善电机性能,第二节,空气隙磁压降的计算,气隙磁场沿圆周方向分布不均匀。,一个极距内气隙磁密径向分量的分布,2026/5/23 周六,7,School of Electrical Engineering,通常取最大气隙磁密所在磁极中心线的气隙磁压降。,k,、,H,、,分别为气隙系数（考虑因槽口影响使气隙磁阻增加而引入的系数）。,气隙磁压降,根据绕组感应电势确定：,直流电机,2026/5/23 周六,8,School of Electrical Engineering,交流电机,关键：当,、,、,已知时，确定,p,、,l,ef,、,k,。,一、,计算极弧系数,p,的确定,每极磁通,假如每极磁通集中分布在极弧计算长度,p,内，且均匀,分布，磁密为最大值，且,p,=b,p,/,。,2026/5/23 周六,9,School of Electrical Engineering,p,取决于,B,(x),的形状，而,B,(x),形状取决于磁势分布情况，空气隙的均匀程度以及磁路的饱和程度。,B,(x),为正弦时，,1,直流电机,(1),有补偿绕组的大中型直流电机和某些小型直流电机：,均匀气隙，,(2),不均匀气隙（无补偿绕组，削弱电枢反应）,a.,极靴中部,2/3,部分极弧表面气隙均匀（为,），两侧线性增加到,2,。,2026/5/23 周六,10,School of Electrical Engineering,b,偏心圆形极靴,气隙由,连续增加到,max,，转子表面的圆弧的圆心与极弧表面的圆心不同心。,，但,e,=0.75,+0.25,max,2026/5/23 周六,11,School of Electrical Engineering,2,感应电机,不饱和时，,p,0.637,磁路饱和气隙磁场不正弦，扁平，,p,0.637,，,p,与定子齿、转子齿的饱和程度有关。,饱和系数,图,3-5,给出了,p,、,K,NM,与,k,s,的关系曲线。,可由,k,s,p,，计算时，先假定,k,s,磁路计算,计算,k,s,，若误差大（超过,1,），重新计算。,KNM,在计算每极磁通时用。,2026/5/23 周六,12,School of Electrical Engineering,3,凸极同步电机,励磁绕组为集中绕组，磁动势空间分布矩形。忽略饱和，,F,也为矩形。,一般尽量使气隙正弦分布，即,2026/5/23 周六,13,School of Electrical Engineering,很难实现，一般做成偏心气隙,弧长 ，一般为,(0.55,0.75),。,利用气隙磁场,3,次谐波励磁的同步发电机，可采用均匀气隙，增大,3,次谐波,2026/5/23 周六,14,School of Electrical Engineering,凸极同步电机一般,较大，气隙磁密波形与钢的饱和程度关系不大，极弧近似按,max,设计的电机，其,曲线见图,3-7,、,3-8,。,2026/5/23 周六,15,School of Electrical Engineering,二、电枢或气隙的轴向计算长度,计算气隙磁密最大值，用电枢或气隙轴向计算长度,l,ef,，不是铁心总长度,l,t,，,lef,比,lt,大，取,l,ef,=,lt,+2,若忽略边缘效应，则,l,ef,=,l,t,（直流电机计算常用）。,2026/5/23 周六,16,School of Electrical Engineering,利用,k,来求因存在通风道而损失的电枢轴向计算长度,若定转子都有，且相互对齐，磁场分布可以等同于气隙为,/2,时上述情况,2026/5/23 周六,17,School of Electrical Engineering,三、气隙系数,1,转子铁心表面有齿槽，定子内圆光滑。,槽口存在,磁阻增加，槽口处磁通减少,气隙磁通减少,为维持磁通恒定，齿顶处最大磁密由无槽时,B,增大到,B,max,定义,k,=B,max,/B,等效认为有槽电机用一无槽电机代替，但,k,，气隙磁密最大值仍为,B,。,t,为齿距,b,0,为槽口宽,2026/5/23 周六,18,School of Electrical Engineering,2,定转子双边开槽（如感应电机）,定子光滑，转子开槽,k,1,定子开槽，转子光滑,k,2,k,=k,1,k,2,或,k,=k,1,k,2,1,3,极轭间残隙磁压降的计算,残隙,j,，工艺原因和离心力使磁极和磁轭之间存在气隙，工厂经验,(,小型电机,),2026/5/23 周六,19,School of Electrical Engineering,第三节 齿部磁压降的计算,齿部磁压降：,F,t,=,H,t,L,t,其中：,L,t,齿磁路计算长度，,H,t,对应于齿磁密,B,t,关键在于计算,L,t,和,B,t,一 齿磁密,B,t,的计算,1 B,t,1.8T,（对于热轧硅钢片）,齿部饱和，磁通大部分从齿中流过，小部分经槽部进入轭部，实际磁密比计算出的小。,在,Dx,圆截面处，有,A,sx,是该处槽的截面积，,A,tx,是该处齿的截面积,Ks,：梨形槽，,矩形槽，,2026/5/23 周六,24,School of Electrical Engineering,有,2026/5/23 周六,25,School of Electrical Engineering,二 齿的磁路计算长度,直流电机梨形槽：,感应电机定子梨形槽：,半开口槽：,开口槽：,2026/5/23 周六,26,School of Electrical Engineering,第四节 轭部磁压降计算,轭（齿联轭，极连轭）计算方法不同。,两极电机：轭部磁路长，磁压降大；,多极电机：轭部磁路短，磁压降小,一 极联轭：,直流电机定子轭，凸极同步电机转子轭。,2026/5/23 周六,27,School of Electrical Engineering,二 齿联轭：,感应电机定、转子轭，同步电机和直流电机的电枢轭,1,交流电机的齿联轭磁压降,2026/5/23 周六,28,School of Electrical Engineering,在一个极轭范围内分散进入齿部轭部，流经轭部各截面的磁通不同，简化，理想路径,l,的积分不计，假设各截面上均布。,2026/5/23 周六,29,School of Electrical Engineering,若转子梨形转子,铁心直接套轴的两极感应电机，,电流频率低，,部分磁通进入转轴，,（,3,）,Cj,与极数、,Bj,和轭尺寸有关,2026/5/23 周六,30,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,31,School of Electrical Engineering,2,直流电机,不是每处轭截面中穿过的磁通都是,/2,，相邻两主极之间：,/2,，极弧下,/2,，,（,1,）二极小型直流电机,为使轭高不致过大，取较高磁密，分两段计算,2026/5/23 周六,32,School of Electrical Engineering,极间范围,极弧范围,2026/5/23 周六,33,School of Electrical Engineering,(2)4,极及,4,极电机以上,轭磁压降所占比例不大，可粗略计算,2026/5/23 周六,34,School of Electrical Engineering,第五节 磁极漏磁系数与磁极磁压降的计算,一 磁极漏磁系数,1,漏磁系数,极身磁通,m,=,空气隙的主磁通,+,不穿过空气隙的在极间空间闭合的漏磁通,忽略磁极不同截面通过的漏磁通的差别，有,称为磁极漏磁系数,2,对电机性能的影响,2026/5/23 周六,35,School of Electrical Engineering,3,选取,直流机：,1.21.25,凸极同步电机：,1.35,二 凸极同步电机磁极漏磁系数计算,先算出极身漏磁导,为 产生漏磁通的每极磁势,2026/5/23 周六,36,School of Electrical Engineering,三 直流电机的漏磁系数,也可采用凸极同步电机的方法计算，但极数少，有,四 磁极磁压降计算,小型凸极同步电机,直流电机，不用压板,K,fem,磁极钢板叠压系数，对,11.5,毫米厚钢板，为,0.950.96,或：,1.1,1.15(2,极,),1.15,1.1(4,极,),1.15,1.25(4,极以上,),2026/5/23 周六,37,School of Electrical Engineering,极靴无槽时，磁压降很小，不计，则,第六节 励磁电流和空载特性计算,各类电机励磁电流或空载特性计算步骤都为：,（,1,）根据感应电动势确定每极磁通,（,2,）计算磁路各部分磁压降,（,3,）各部分磁路磁压降相加便是每极所需磁势,2026/5/23 周六,38,School of Electrical Engineering,（,4,）计算所需励磁电流或空载特性,一 感应电势和气隙磁通,（,1,）直流电机和同步电机,运行过程中励磁电流需调节，感应电势变化大，取一系列感应电势值,E0=0.3,1.3UN(0.3,、,0.6,、,0.8,、,0.9,、,1.05,、,1.1,、,1.15,、,1.3),的磁路总磁位降和励磁电流,（,2,）感应电机,空载到负载，感应电势变化不大，不必求出整条工作特性曲线，只需求出,额定负载,和,空载状态,时的励,2026/5/23 周六,39,School of Electrical Engineering,磁电流。,额定负载：磁路计算时，额定电流和电机参数未知，根据经验估计：,E,1,K,E,U,N,=(0.85,0.95)U,N,中小型感应电动机,K,E,=0.85,0.95,功率大极数少去较大值。,进行电机性能分析时，初步估算一,K,E,得到,E,1,，然后进行磁路计算、参数计算，进而求出,K,E,，若与初步估算值相差较大（一般为,0.5%,），则重新假设计算。,空载：计算,E,10,时，可忽略,I,0,R,1,2026/5/23 周六,40,School of Electrical Engineering,E,10,U,N,-I,0,X,1,U,N,-I,m0,X,1,U,N,-,I,m,X,1,X,I,0,空载电流，,I,m0,空载电流中的磁化电流分量,I,m,额定电流中的磁化电流分量,根据,E=4K,Nm,fNK,dp,，确定磁通,二 每极励磁磁势,直流电机：,感应电机：,凸极同步电机：,2026/5/23 周六,41,School of Electrical Engineering,三 励磁电流,直流电机和凸极同步电机为集中绕组，空载励磁电流为：,多相交流分布绕组,四 空载特性,取不同,E,0,磁路计算总磁压降励磁电流,I,f,，则得到空载特性,E,0,=f(I,f,),2026/5/23 周六,42,School of Electrical Engineering,磁路计算实例,已知：,p=2,，31,槽,，,电枢外径：,D,a,=24.5cm，,内径：,D,i,=7cm，,铁心轴向长度：,La=12.5cm，,极弧系数,0.64，漏磁系数：1.15，矩形槽，槽宽0.94,cm,，齿高,h,t,=2.6cm，,极高：,hm,=9.8cm，,极身宽度8.2,cm，,极身长度12.5,cm，,机壳厚度,h,y,=2.55cm，,机壳长度,Ly=29cm，,气隙长度0.2,cm，,叠压系数,k,Fe,=0.93，,机壳为铸钢，铁心和磁极为电工钢片，每极气隙磁通0.0129,Wb,。求每对极的励磁安匝,2026/5/23 周六,43,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,44,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,45,School of Electrical Engineering,1、气隙磁动势,2026/5/23 周六,46,School of Electrical Engineering,2 齿部磁动势,2026/5/23 周六,47,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,48,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,49,School of Electrical Engineering,3 转子轭部磁动势,2026/5/23 周六,50,School of Electrical Engineering,4 磁极磁动势,5 机壳磁动势,2026/5/23 周六,51,School of Electrical Engineering,6 每对极磁动势,2026/5/23 周六,52,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,53,School of Electrical Engineering,2026/5/23 周六,54,School of Electrical Engineering,