毕业设计(论文)-64KW三相凸极同步发电机电磁设计.doc

密级：

NANCHANG UNIVERSITY GONGQING COLLEGE
学 士 学 位 论 文（设 计）
THESIS OF BACHELOR
（2009—2013年）

中文题目:
64KW三相凸极同步发电机电磁设计
英文题目：
64 kw three-phase electromagnetic salient pole

synchronous generator design
学 院：
南昌大学共青学院
系 别：
工程技术系
专业班级：
09电气工程及其自动化(1)班
学生姓名：
郭涛
学 号：
8110209006
指导教师：
张景明
二 ○ 一 三 年 五 月
26

学术声明示例：

学士学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

本人签名： 日期：

摘 要
小型同步发电机电磁计算的主要任务是在满足运行要求的基础上，经济合理的设计出电机的铁芯尺寸和绕组数据，在进行电磁计算之前，对以下一些主要比值和参数需要根据仔细的分析和反复的推敲计算并得出结果然后选择确定。1.主要尺寸；2.电磁负荷；3.发热常数；4.短路比和气隙；5.磁极形状和参数。确定了以上比值和一些参数关系之后，就可以按照计算程序进行电磁计算了。我国小型同步发电机的第一代产品是1956年电工局在上海组织的统一设计并于1957年完成。第二代产品是在进行了大量实验研究和调查研究的基础上于1965年开始的T2系列小型三相同步发电机统一设计，该水平达到六十年代国际先进水平。1979年开始进行TFW系列三相无刷同步发电机和TFDW系列单相无刷同步发电机的统一设计，1982年10月通过了样机鉴定工作，并推广生产，此两系列主要性能指标达到或接近当时的国际先进水平。 全国水电供应因多方原因出现了严重紧缺，用电受到一定程度限制，而近几年，正是我国工业经济快速发展的时期，众多企业都纷纷加足马力投入大规模生产;其次是前两年众多厂家购买发电机是为了应急，在购买时没有长远打算，而事过境迁所购的小型发电机已适应不了新需求，在此情况下，更新换代的发电机也占了很大一部分;再者就是机电产品每年的出口量都在递增，水泵和发电机的市场空间在近几年内还会很大。正是在三方因素的促进下，五金城水泵和发电机市场又一次迎来了新的发展机遇。
关键词：小型发电机电磁计算；气隙；磁极

ABSTRACT
Small synchronous generator electromagnetic main task is to meet the operational requirements based on economic rationality of the design before the motor core size and winding data during electromagnetic computing, some of the major ratios and parameters based on a careful analysis of and repeated scrutiny calculated and the results and select OK. Main dimensions; electromagnetic load; 3. Constant heat; short-circuit ratio and the air gap; pole shape and parameters. Determine the relationship of the above ratios and some of the parameters, electromagnetic calculations in accordance with the calculation procedures. The first generation of products of small synchronous generator 1956 electrician Bureau unified design organization in Shanghai and was completed in 1957. Second-generation product is when a large number of experimental studies and investigation on the basis beginning in 1965 T2 series of small three-phase synchronous generator unified design, the level has reached the international advanced level of the sixties. 1979 TFW series three-phase brushless the synchronous generator TFDW series of single-phase brushless synchronous generator unified design, in October 1982 through a prototype identification and promotion of production, two series of key performance indicators have reached or close to At that time the international advanced level. The national water supply for multi reasons appear serious shortage of electricity subject to certain restrictions, but in recent years, it is the period of rapid development of China's industrial economy, many companies have ramped up into mass production; followed by the first two years many manufacturers purchase of generators for emergency, there is no long-term plans at the time of purchase, purchased by the crisis is over small generators can not meet the new requirements, in this case, the replacement of the generator also accounted for a large part; Furthermore is the annual export volume of mechanical and electrical products are incremented, water pumps and generators market space in recent years also. It is in the promotion of tripartite factors, Hardware City, water pumps and generators market once again usher in a new development opportunity.
Keywords: small generators electromagnetic; air gap; pole

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1概述 1
1.2 三相同步发电机的组成及工作原理 1
1.3 发电机铭牌的额定数据 1
1.1.1额定功率 2
1.1.2额定电压 2
1.1.3额定电流 2
1.1.4额定频率 2
1.1.5、额定转速 2
1.1.6额定功率因数 2
1.1.7功率 2
1.1.8额定励磁电压 2
1.1.9额定励磁电流 2
1.1.10.额定温升 2
1.4 设计内容和主要参数 3
原始数据： 3
技术要求： 3
设计要求： 3
第二章 电磁计算 4
2.1关于64KW三相凸极同步发电机电磁设计 4
一）额定数据 4
和主要尺寸 4
二）定子绕组 5
三）磁路计算 7
四)稳态参数 15
五)额定负载时励磁磁动势和励磁绕组 17
六)阻尼绕组设计 20
七)损耗与效率 21
八)瞬态参数和时间常数 22
九)有效材料 24
第三章 结论 25
参考文献 26
致谢 28

第一章 绪论
1.1概述
小型同步发电机电磁计算的主要任务是在满足运行要求的基础上，经济合理的设计出电机的铁芯尺寸和绕组数据。
1.2 三相同步发电机的组成及工作原理
三相同步发电机由原动机拖动直流励磁的同步发电机转子，以转速n(rpm)旋转，根据电磁应原理，三相定子绕阻便感应交流电势。定子绕阻若接入用电负载，电机就有交流电能输出。若认为磁路不饱和，则电枢磁势与磁极磁势各自产生相应的磁通，并在定子绕阻 内感因电势。对于 极电机，电枢磁势所感应的电势可以表示为Ea=-jIaXa. Xa被称为电枢反应电抗。Xa+Xσ=Xs隐极同步发电机的同步电抗。对于凸极电机，因直轴.交轴处磁阻不同，可将电枢磁势分解成Fad和Faq分别研究。它们所感应的电势分别写成Ead=-jIdXad和Eaq=-jIqXaq，式中Xad.Xaq分别是直轴及交轴电枢反应电抗。Xad+Xσ=Xd.Xaq+Xσ=Xq,Xd和Xq分别为直轴同步电抗和交交轴同步电抗。Xσ为漏磁通引起的电抗 。同步电抗是决定同步电机性能的一个重要参数，通个开路实验和稳态实验就可求取。 同步发电机的空载特性是一个很重要的特性，它直接影响着电机的其它特性，通个开路实验还可以发现励磁系统的故障。态短路特性和零功率因数特性也都属于同步电机的重要特性，和空载特性配合，可以求出同步发电机的态参数及确定出补偿电枢的励磁电流。同步发电机的外特性曲线用来求取电机运行时的重要指标之一及电压调整率。 同步发电机的调整特性可使运行人员知道在功率因数一定时，不改变端电压值。负载电流到多小而不使励磁电流超过规定值。国家标准"GB1029" 对三相同步电机的实验方法作了具体规定，适用于普通三相同步发电机的型式实验或检查实验。通过实验可以确定该电机各性 能指标。各种电机的效率和电压调整率均在部颁标准的相应技术条件中有具体规定，将实验结果与标准规定数据比较即可确定某同步发电机的质量和性能了。
1.3 发电机铭牌的额定数据
同步发电机在其铭牌上均标明了该发电机的各种额定数据。这些额定数据对于发电机部分结构有重大影响，并且还在很大程度上决定着发电机的运行性能。这些额定数据主要有：
1.1.1额定功率
在额定功率因数时，同步发电机线断的视在功率，用SN表示其单位为KVA。也可以用发电机线断的有功功率PN来表示，单位则为千瓦（KW）。它表征了发电机的发电能力，为其一项主要参数。
1.1.2额定电压
同步发电机在额定运行时的线断电压，用UN表示。小型同步发电机一般均为低电压，其额定电压为400V。
1.1.3额定电流
同步发电机在额定运行时的线断电流，用IN表示其单位为A。
1.1.4额定频率
同步发电机额定运行时的频率，用ｆ表示其单位为HZ。我国规定的电网频率为50HZ。
1.1.5、额定转速
系指同步发电机在额定运行时的转速，用ｒ/ｍｉｎ表示。
1.1.6额定功率因数
功率因数也称力率用表示，角是用电角度表示的，为额定运行时同步发电机定子相电压与相电流之间的相角差。额定功率因为就是角的余弦值。一般小型同步发电机的功率因数为0.8 。
1.1.7功率
同步发电机的有功输出功率与出入功率之比称为效率，它用百分数表示。效率是衡量同步发电机经济性的重要指标。
1.1.8额定励磁电压
当励磁绕组内励磁电流达额定值，并且发电机冷却介质达最高容许温度的情况下，发电机额定运行到稳定程度，励磁绕组线断或集电环间的电压。小型同步发电机的励磁电压一般均在100V一下。
1.1.9额定励磁电流
同步发电机在额定运行时的励磁电流1FN。在该励磁电流的激励下，发电机的端电压即为额定值，同时它还能保证该发电机按额定功率全部输出。
1.1.10.额定温升
额定温升QN是同步发电机在额定条件下正常运行时，其定子绕组和转子绕组允许比环境温度升高的温度值。也就是发电机定子绕组和转子绕组最高允许温度等于额定温升加上环境温度。我国规定环境温度为40。C。
1.4 设计内容和主要参数
设计内容：
64kW三相凸极同步发电机电磁设计
原始数据：
①额定功率: 64kW ②额定电压: 400V
③相 数：三相Y接法 ④额定功率因数：0.8（滞后）
⑤额定转速：1500r/min ⑥额定频率：50Hz
技术要求：
① 效率：90%
② 定子槽满率：70 ~ 82%
③ 定子绕组电密：7 ~ 9.5A/mm2
④ 气隙磁密：0.73 ~ 0.8T
设计要求：
总共需设计三个符合技术要求的方案。
①运用所学知识设计出符合技术要求的第一个方案；
②在第一个符合技术要求的方案基础上通过节省成本设计，得符合技术要求的第二个优化方案；
③在第一个符合技术要求的方案基础上通过提高效率设计，得符合技术要求的第三个优化方案；
④对三个方案从理论上进行对比分析和比较。

第二章 电磁计算
2.1关于64KW三相凸极同步发电机电磁设计
一）额定数据
和主要尺寸

(1) 额定功率

64
64
64
(2) 额定电压

400
400
400
(3) 额定转速

1500
1500
1500
(4) 额定频率

50
50
50
(5) 额定功率因数

0.8
0.8
0.8
(6) 相数

3
3
3
(7) 额定相电流

115.47
115.47
115.47
(8) 极数

4
4
4
(9) 定子铁心外径

43cm
43cm
43cm
(10) 定子铁心内径

30cm
30cm
30cm
(11)极距

23.56cm
23.56cm
23.56cm
12)圆周速度

23.56m/s
23.56m/s
23.56m/s
13)定子铁心总长度

17cm
16.5cm
18cm
14)定子铁心净长度

式中 -----通风道数
-----通风道宽
------定子铁心叠压系数
=0)92(对0)5mm厚硅钢片)
=0)88(对0)35mm厚硅钢片)

15.64cm
15.18cm
16.56cm
15)磁极铁心总长度

17cm
16.5cm
18cm
16)磁极铁心净长度

式中 =0)95(1-1)5mm厚钢板)
16.15cm
15.68cm
17.1cm
17)铁心计算长度

（有径向通风道时）
式中 ----通风道损失宽度
（定转子铁心长度相等时）
17.24cm
16.74cm
18.24cm
18)最小气隙

1.2mm
1.2mm
1.2mm
19)最大气隙

1.5mm
1.5mm
1.5mm
二）定子绕组

20)每极每相槽数

4
4
4
21)定子槽数

48
48
48
22)绕组节距

绕组节距比

0.83
0.83
0.83
23)绕组短距系数（基波）

0.966
0.966
0.966
24)绕组分布系数（基波）

对于分数槽绕组，应将化为假分数，取其分子 代入式中
0.958
0.958
0.958
25)绕组系数（基波）

0.925
0.925
0.925
26)并联支路数

2
2
2
27)每槽导体数

13
13
13
28)每相串联导体数

104
104
104
29)导体直径

2.1mm
2.1mm
1.7mm
30)并联导体根数

2
2
3
31)定子导线截面积

3.4636mm2
3.4636mm2
2.2698mm2
32)定子绕组电密

8.33A/mm2
8.33A/mm2
8.48A/mm2
33)槽面积

式中 -----槽楔厚

1.80cm2
1.80cm2
1.82cm2
34)槽绝缘占面积
(双层绕组)
式中 -----单边槽绝缘厚度

0.205cm2
0.205cm2
0.205cm2
35)槽满率

72%
72%
70%
36)线负荷

382.3
382.3
382.3
37)发热参数

3185.91
3185.91
3241.03
三）磁路计算

38)定子铁心拼片条件
=偶数或分子为偶数的最简分数
式中 -----每片重叠数
-----每层叠片的重叠片数
-----极对数
6
6
6
39)定子齿距

1.9635cm
1.9635cm
1.9635cm

1.9962cm
1.9962cm
1.9962cm

2.1926cm
2.1926cm
2.1926cm

2.040cm
2.040cm
2.040cm
40)定子齿宽度

1.0962
1.0962
1.0962

1.1725
1.1725
1.1725
41)定子齿计算宽度

式中 ---- 或 中的最大者
---- 或 中的最小者
1.1216
1.1216
1.1216
42)定子槽深
（对圆底槽）
2.26cm
2.26cm
2.26cm
43)定子齿计算高度
(对圆底槽)
1.82cm
1.82cm
1.82cm
44)定子轭高度

4.24cm
4.24cm
4.24cm
45)定子轭计算高度
(对圆底槽)
（对平底槽）
4.41cm
4.41cm
4.41cm
46)定子轭磁路长度

14.84cm
14.84cm
14.84cm
47)极靴宽度

式中______极弧系数
16.2cm
16.2cm
16.2cm
48)磁极偏心距

0.185cm
0.185cm
0.185cm

=
32.9
32.9
32.9
49)极靴圆弧半径

14.695cm
14.695cm
14.695cm
50)极靴边缘高度
(设计时取值)
0.25cm
0.25cm
0.25cm
51)极靴中心高度

2.657cm
2.657cm
2.657cm
52)初取漏磁系数
52)初取漏磁系数
1.051
1.051
1.051
53)磁极宽度

9cm
9cm
9cm
54)磁极中心高

4.223cm
4.223cm
4.223cm
55)磁极侧高度

5.608cm
5.608cm
5.608cm

=
34.23
34.23
34.23
56)转子轭内径

8
8
8
57) 转子轭外径

16
16
16
58) 转子轭高度

4
4
4
59) 转子轭计算高度
(转子轭直接套在轴上)
(转子轭不直接套在轴上)
5.33
5.33
5.33
60) 转子轭磁路长度

4.188
4.188
4.188
61) 转子轭轴向长度

17.8
17.3
18.8
62)磁极与轭间的残隙

0.0086
0.0086
0.0086
63)实际极弧系数

0.73
0.73
0.73
64)气隙比

1.25
1.25
1.25
65)最小气隙比极距

0.005
0.005
0.005
66)基波磁场幅度系数

1.0836
1.0836
1.0836
67)三次谐波磁场幅度系数

0.0271
0.0271
0.0271
68)磁场分布系数

0.696
0.696
0.696
69)磁场波形系数

1.1015
1.1015
1.1015
70)直轴电枢反应磁场幅度系数

0.8964
0.8964
0.8964
71)交轴电枢反应磁场幅度系数

0.462
0.462
0.462
72)电枢磁动势直轴折算系数

0.8272
0.8272
0.8272
73) 电枢磁动势交轴折算系数

0.4264
0.4264
0.4264
74定子卡氏系数
(对半闭口,半开口槽)
(对开口槽)

1.07
1.07
1.07
75)阻尼笼卡氏系数

1.00
1.00
1.00
76) 卡氏系数

1.07
1.07
1.07
77)空载每极总磁通
,(Y联结)

0.0218
0.0218
0.0218
78)气隙磁密(最大值)

0.77
0.79
0.73
79)定子视在齿磁密
当>1)8T时,应对进行修正,根据,按附图5-5求得实际齿磁密,当1)8T时,=

1.4645
1.5089
1.3831
80)齿磁密修正系数
(对平行齿)
(对平行槽)

81)定子轭磁密

1.3777
1.3777
1.2629
82)气隙磁压降

772.1
772.1
772.1
83)定子齿磁压降
式中,对应于,查磁化曲线

26.75
26.75
26.75
84) 定子轭磁压降
式中轭部磁路修正系数,查附表5-1

19.272
19.272
19.272
85)气隙,定子齿,轭磁压降之和

818.131
818.131
818.131
86)计算漏磁几何尺寸

25.54
25.54
25.54

33.26
33.26
33.26

7.38
7.38
7.38

6.01
6.01
6.01

1.85
1.85
1.85
87) 磁极压板厚

0.4
0.4
0.4
88) 磁极压板宽

6.6
6.6
6.6
89)磁极计算长度

17.8cm
17.3
18.8
90)极靴漏磁导

36.01*10-8
35.23*10-8
37.55*10-8
91)极身漏磁导
=2)5+3)66
43.38*10-8
42.43*10-8
45.28*10-8
92)磁极漏磁导

87.329*10-8
85.434*10-8
91.118*10-8
93)每极漏磁通

7.15*10-4
6.99*10-4
7.46*10-4
94)漏磁系数

1.0328
1.0321
1.0342
95)磁极磁通

0.0225
0.0225
0.0225
96)磁极极身截面积

150.63
146.36
159.18
97)极身磁密

1.4942
1.5368
1.4159
98)转子轭磁密

1.2197
1.2188
1.1239
99)残隙处磁密

2.8134
2.9989
2.5042
100)极身磁压降

56.27
56.27
56.27
101)转子轭磁压降

45.53
45.53
45.53
102)残隙磁压降

19.28
20.51
17.23
103)空载每极磁压降

1112.74
1125.05
1092.22
四)稳态参数

104)定子线圈尺寸

32
32
32

20.71
20.71
20.71

12.21
12.21
12.21

6.4703
6.4703
6.4703

30
30
30
105)线圈半匝平均长度

54.42
54.42
54.42
106)定子绕组相电阻

0.0886
0.0886
0.0902
107)定子槽比漏磁导

0.66
0.66
0.66
108)定子绕组端部比漏磁导

0.605
0.605
0.555
109)谐波比漏磁导
(无阻尼绕组时)
(有阻尼绕组时)
0.272
0.272
0.272
110)每相漏抗

0.1861
0.1861
0.1931
111)漏抗标幺值

0.0930
0.0930
0.0965
112)相电阻标幺值

0.0443
0.0443
0.0451
113)每极电枢反应磁动势

3749.15
3749.15
3749.15
114)电枢反应直轴折算磁动势

3101.5
3101.5
3101.5
115)电枢反应交轴折算磁动势

1598.47
1598.47
1598.47
116)直轴电枢反应电抗

3.2142
3.1737
3.2841
117)交轴电枢反应电抗

1.6566
1.6357
1.6926
118)直轴同步电抗

3.3073
3.2668
3.3806
119)交轴同步电抗

1.7496
1.7288
1.7891
120)短路比

0.359
0.363
0.352
121)内功率因数角

70.235
70.071
70.52
122)额定功角

30.31
30.31
30.31
五)额定负载时励磁磁动势和励磁绕组

123)额定负载时内电动势

1.0919∠2.04
1.09194∠2.04
1.09393∠

1.09124
1.09124
1.0928

0.03896
0.03896
0.04971

2.04
2.04
2.60
124)额定工况时磁路计算

0.02380
0.02380
0.02384

0.8189
0.8189
0.8205

1.6475
1.6475
1.5132

1.5044
1.5044
1.3817

843.0614
843.0614
844.6829

75.2024
75.2024
75.2024

44
44
44

962.26
962.26
963.89

0.00084
0.00082
0.00088

1.0598
1.0345
1.0368

0.02527
0.02462
0.02472

1.6355
1.6820
1.5529

1.6753
1.6741
1.5469

1.6102
1.6577
1.5259

10.64
10.64
10.64

43.41
43.41
43.41

110.35
113.39
104.98
125)额定负载时每极磁压降

1239.33
1242.67
1235.21
126)额定负载时励磁磁动势

4197.82
4200.62
4201.99
127)励磁绕组每极匝数

119
119
119
128)额定励磁电流

35.28
35.30
35.31
129)空载励磁电流

9.35
9.45
9.18
130)励磁绕组导线截面积

5.37
5.37
5.37
131)励磁绕组线规
a*b
5.94
5.94
5.94
132)第n层线圈平均匝长度

133)励磁绕组平均匝长度

64.755
64.755
64.755
134)励磁绕组电阻

1.2456
1.2456
1.2456
135)励磁绕组电密

3.8
3.8
3.8
136)额定励磁电压
(0)6V为电枢压降)
51.1290
51.1627
51.1792
137)空载励磁电压
(0)6V为电枢压降)

9.35
10.3
10.02
六)阻尼绕组设计

138)每极阻尼条数

5
5
5
139)每极定子绕组截面积

1080.645
1080.645
1062.267
140)每根阻尼条截面积

43.226
43.226
42.491
141)阻尼条直径

0.743
0.743
0.737
142)阻尼条节距

2.43
2.43
2.43
143)阻尼齿的最大磁

1.2442
1.2442
1.2442
144)端环尺寸

七)损耗与效率

145)定子齿钢片重

11.99
11.64
12.70
146)定子轭钢片重

74.49
72.30
78.87
147)材料单位损耗

1.8
1.8
1.8
148)齿部单位损耗

4.886
4.886
4.121
149)轭部单位损耗

4.074
4.074
3.436
150)定子铁损耗

555.51
555.51
511.17
151)磁极单位表面损耗

461.1094
461.1094
462.8848
152)磁极表面损耗

50.80
52.22
57.18
153)定子绕组铜损耗

3545.79
3545.79
3607.14
154)励磁损耗

1745.69
1748.01
1749.14
155)机械损耗

618.66
609.49
636.59
156)附加损耗

960
960
960
157)总损耗

7479.45
7520.02
7521.23
158)效率

90.34%
90.23%
90.78%
八)瞬态参数和时间常数

159)励磁绕组漏抗

0.2713
0.2700
0.2822

0.7934
0.8004
0.7805
160)励磁绕组电抗

3.4855
3.4438
3.5663
161)阻尼绕组直轴电抗

0.0668
0.0667
0.0725

1.47
1.47
1.46
162)阻尼绕组横轴电抗
(对全阻尼)

0.1333
0.1333
0.1449
163)直轴瞬态电抗

0.3432
0.3419
0.3564
164)交轴瞬态电抗

1.75
1.73
1.79
165)直轴超瞬态电抗

0.1457
0.1456
0.1532
166)交轴超瞬态电抗

0.2165
0.2163
0.2300
167)励磁绕组电阻

0.0105
0.0105
0.0105
168)励磁绕组时间常数

1.0568
1.0441
1.0813
169)瞬变电流时间常数

0.1097
0.1093
0.1140
170)超瞬变电流时间常数

0.0137
0.0137
0.0143
171)负序电抗

0.1776
0.1775
0.1877
172)直流分量时间常数

0.00638
0.00637
0.00663
173)空载励磁持续短路电流倍数

0.359
0.363
0.352
174)额定励磁持续短路电流倍数

1.3535
1.3544
1.3548
175)冲击短路电流倍数

12.97
12.98
12.34
176)整步功率

130.21
130.21
130.21
九)有效材料

177)定子绕组铜重

21.98
21.66
21.61
178)励磁绕组铜重

15.47
15.47
15.47
179)定子硅钢片重

87.12
84.25
95.04

第三章 结论
总结：以上三个方案的设计都严格满足设计要求：
1. 定子槽满率：70~82%
2. 定子绕组电密：7~9.5A/mm2
3. 效率：90%
4. 气隙磁密：0.73~0.8T
然后通过观察三个方案，
效果直观图

13)定子铁心总长度

17cm
16.5cm
18cm
29)导体直径

2.1mm
2.1mm
1.7mm
30)并联导体根数

2
2
3
78)气隙磁密(最大值)

0.77
0.79
0.73

158)效率

90.34%
90.23%
90.78%
第二第三方案都是在第一个方案上做的改变得出的结论，从第二个方案发现一个现象，单纯的改变定子铁心总长度对改变效率起到的效果很小。所以在第三个方案上，我决定让变化彻底点，加大了改变铁芯长度的力度，并且将导体直径缩小，减小了导体的横截面积，还增加了导体的根数，发