电机设计第四章_李景灿汇编

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1、第四章第四章 参数计算参数计算 4-1绕组电阻的计算 4-2 绕组电抗 的一般计算 方法 4-4 漏电抗 计算 4-3主电抗 计算 4-5漏抗标 么值 4-6饱和对 电机参数 的影响 4-7斜槽漏 抗计算 电机的电阻、电抗是电机的重要参数，它们的大小直接 影响电机的经济性和技术性。 比如对于感应电机而言，电阻的大小直接影响电机的 效率。对转矩、起动都有影响，特别是转子电阻，对起动转 矩影响较大。比如我们在设计绕组是，若选择比较大的电流 密度，则所用导线的截面积就较小，用铜量较少，但电阻较 大。电阻越大，电机运行时绕组中的损耗就越大，效率会降 低。 绕组电抗的大小对所设计电机的经济性和运行性有很

2、 大的影响。一方面，漏抗不能过小，否则感应电动机起动时 将产生不能允许的电流；另一方面，漏抗不能过大，否则感 应电动机的功率因数、最大转矩和起动转矩都会降低。 由此可见，电阻、电抗对电机的性能影响很大。正确 计算和设计这些参数非常重要。 电机的电气参数 一、直流电机电气参数： 二、交流同步电机电气参数： 励磁绕组电阻Rf、励磁绕组电感Lf； 电枢绕组电阻Ra、直轴电枢反应电抗xd 交轴电枢反应电抗xq、电枢漏抗x1d 三、感应电机电气参数： 定子绕组电阻R1、定子励磁电抗xm 定子漏抗x1d 转子绕组电阻R2、转子漏抗x2d 电枢绕组电阻Ra、电枢绕组电感La； 励磁绕组电阻Rf、励磁绕组电感

3、Lf； 电机绕组的电阻和电感，既决定于绕组和磁路的 结构(结构型式、所采用的材料和几何尺寸等)，又 与电机的性能(经济性和运行特性)有密切关系。因 而电机绕组的电阻和电感是联系结构与性能的重要 参数。在设计电机时，根据结构、参数与性能的关 系，可以在一定程度上先按电机性能所需要的参数 选用合适的结构，然后再按确定的结构计算其参数 ，从而预计所设计电机的性能。 注意：本章所介绍的计算只限于稳态参数 。 4.1绕组电阻的计算 电阻的计算分为： 直流电阻：绕组中通以直流时的电阻。 交流电阻：绕组中通以交流时的电阻。 按国家标准GB755-81的规定，各绝缘等级的基 准工作温度为： 对于A级、E级、B

4、级绝缘的基准工作温度为75 ； 对于F级、H级绝缘的基准工作温度为：115。 表4-1列出了一些材料在15时的电阻率，计算时 取相应的值即可。 由于集肤效应，使交流电阻较直流电 阻值大。交流电阻值按下式计算： 一、直流电机 二、感应电机 1、定子绕组每相电阻 二、感应电机 2、转子绕组每相电阻 二、感应电机 2、转子绕组每相电阻 二、感应电机 2、转子绕组每相电阻 二、感应电机 2、转子绕组每相电阻 二、感应电机 2、转子绕组每相电阻 计算每相电阻时，可用接成星形的电阻来替代接成多边形的端环电阻。 如图所示。等效的相电阻R2的电损耗应等于原来笼型转子绕组的电损耗即 ： 二、感应电机 2、转子绕

5、组每相电阻 三、同步电机 电枢绕组：每相绕组电阻的计算 方法与感应电机定子绕组的计算方 法相同。 励磁绕组：电阻的计算方法与直 流电机的计算方法相同。 4.2绕组电抗的一般计算方法 在交流电机等效电路中，除了电阻参数外，还有电抗参数。电枢绕组 对应与气隙磁场的电感称为气隙磁场电感。气隙磁场分为： 基波磁场：与之对应的电感称为主电感，相应的绕组电抗为主电抗； 谐波磁场：与之对应的电感作为漏电感来处理，与之对应的就是漏电抗( 或简称漏抗) 电抗的计算方法有两种：磁链法和能量法。 磁链法： 对任何一个电路的电抗可以写成：X=wL。 在一定频率之下，电抗的计算归结为对电路的电感L的计算。 则电感的计算

6、又可归结为对磁链的计算。若电路处媒质的 磁导率随磁场强度的变化而改变，则磁链不随电流线性变化， L不是常数。此时，应求电流变化一个周期内的电感平均值。 4.2绕组电抗的一般计算方法 求出电感后就可以求出电抗的值。通常把电抗、电阻等表示为表么值 的形式。这样既可清晰和方便的表达出电机的某些性能，也便于对功率、 电压、转速与额定值不同的电机进行参数和有关性能的比较。 4.3主电抗计算 主电抗即为相应于基波磁场或相应于同时交链定、转子绕 组的主磁场的电抗。实际是指在多相对称绕组中通以对称多相 电流所产生的气隙基波磁场所对应的电抗。 感应电机：主电抗称为励磁电抗。 同步电机：称为电枢反应电抗。 计算感

7、应电机主电抗时假定： 1. 电枢槽部导体中的电流集中在槽中心线上； 2. 铁磁物质磁导率m=； 3. 槽开口的影响用气隙系数来计及。 4.3主电抗计算 4.3主电抗计算 可以看出：感应电机的主电抗或励磁电抗Xm， 主要与绕组的每相有效匝数(NKdp1)2、电枢的轴向长度lef及 极距与气隙之比t /d有关。 4.3主电抗计算 凸极同步电机 通常采用双反应理论，把主电抗分为： 直轴电枢反应电抗Xad=kdXm 交轴电枢反应电抗Xaq=kqXm 4.3主电抗计算 凸极同步电机 通常采用双反应理论，把主电抗分为： 直轴电枢反应电抗Xad=kdXm 交轴电枢反应电抗Xaq=kqXm 0.40.50.6

8、0.70.80.91.0 ap 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 kd, kq 0.05 0.03 1.0 1.5 2.0 kd kq 图4-2系数kd及kq 4.3主电抗计算 4.3主电抗计算 4.4漏电抗计算 漏电抗即漏磁场对应的电抗。分为： 槽漏抗 谐波漏抗 齿顶漏抗 端部漏抗 上述四个部分的漏抗全部相加即得 总漏抗值。 4.4漏电抗计算 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （一）单层整距绕组的槽漏抗 计算时假定： 1)电流在导体截面上均匀分布； 2)不计铁心磁阻； 3)槽内漏磁力线与槽底平行。 槽漏磁分为两部分计算： 1)通过h0高度上

9、的漏磁通和槽内全部导体匝链； 2)通过h1高度上的漏磁通和部分导体匝链。 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （一）单层整距绕组的槽漏抗 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （一）单层整距绕组的槽漏抗 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （一）单层整距绕组的槽漏抗 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （二）双层整距绕组的槽漏抗 求槽漏抗的基本思想是分别求出上层、下层线圈边的自感及互感，然后相加得 出总自感。假设上、下层串联导线数为Ns/2，则： 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （二）双层整距绕组的槽漏抗 对比单层整距绕组的槽比漏磁导的计算式，可得： 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （二

10、）双层整距绕组的槽漏抗 可见对于双层整距绕组，因其上、下层线圈边 电流同相，其槽比漏磁导与单层绕组相似，只 是线圈边高度由h1变为双层线圈边的总高度h。 4.4漏电抗计算 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 由于采用短矩绕组，因此在有些槽中的上下层线圈边中的电流不属于同一 相，如图4-7。 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 在一个极距范围内，一相绕组(例如A相)的总磁链(用符号法表示的复振幅)为： 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的

11、槽漏抗 一、槽漏抗的计算 （三）双层短距绕组的槽漏抗 二、谐波漏抗的计算 定子（电枢）多相对称绕组通多相对称电流，在气隙中产生旋 转磁场，除了基波磁场外，还有一系列的旋转谐波磁场。 因此，谐波电势应反映在定子回路的电势平衡方程中。但是由于它们不产 生有用的转矩。所以一般把谐波磁场所感应的基频电势看作漏抗压降，相 应的电抗称之为谐波漏抗。由于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，所以也称与谐波磁场对应的电抗为差别漏抗。 二、谐波漏抗的计算 计算谐波漏抗时假定： 1)各槽线圈边中的电流集中在槽中心线上； 2)铁心磁导率m无穷大； 3)气隙是均匀的，开口槽对各次谐波的影响以 气隙

12、系数来计及； 4)忽略各次谐波磁场在对方绕组中所感应的电 流对本身的削弱作用。 二、谐波漏抗的计算 1、定子绕组谐波漏抗的计算 二、谐波漏抗的计算 1、定子绕组谐波漏抗的计算 二、谐波漏抗的计算 2、感应电机笼型转子绕组谐波漏抗的计算 气隙比较大的电机，于是磁场不是完全沿着径向穿越气隙 ，其部分磁力线经由一个齿顶进入另一个齿顶形成闭合回路 ，如图所示。这里面包含两个部分： 气隙主磁通的径向分量 气隙谐波磁场的径向分量 这些漏磁称之为齿顶漏磁。与之相应的漏抗为齿顶漏抗， 此外，槽口部分的漏磁通磁力线实际并不与槽底平行，如下 图所示。计算槽漏抗时是假设漏磁通的磁力线与槽底平行， 存在误差，所以我们

13、将其在齿顶漏抗的计算中予以修正。 三、齿顶漏抗的计算 b0 三、齿顶漏抗的计算 b0 四、端部漏抗的计算 绕组端部漏抗是相应于绕组端部匝链的漏 磁场的电抗。由于端部形状十分复杂，随着绕 组型式不同，差别很大，而且邻近的金属构件 对漏磁场的分布影响也较大，因而端部漏抗的 准确计算比较困难。通过定性的分析，它主要 与下列因素有关： 绕组的匝数 端部半匝长度 极距t等 四、端部漏抗的计算 4.5漏抗标么值 4.5漏抗标么值 4.6集肤效应对电机参数的影响 一、概述 当电机槽中放置由整块导体组成的线棒时，由于沿槽高方向各部分所交链的磁链 不同，所以沿槽高的电势不一样，把电流经槽口上挤，就造成电阻增加，

14、电抗减小 。这种效应称为集肤效应或挤流效应，用系数KF(称为费立德系数或电阻增加系数) 来计及电阻的增加，用系数Kx来计及电抗的减小。 导体中由于沿槽高方向产生的感应电动势大小不同，因而会产生涡流，从而产生 附加的涡流损耗，导致效率降低，温升升高。在大型交流电机定子绕组，通常不用 尺寸较大的单根导体做成线棒，尤其是沿槽高方向的尺寸，而是用多根细导线并绕 的线棒，使集肤效应只产生在高度比较小的细导线截面积范围内，以降低涡流损耗 。 这样做，在不同槽高度上各根导线仍然处于不同的漏磁场作用下，各根细导线中 漏磁感应电势不同。若在线棒端部整体焊接，则各根并联线之间要产生环流，产生 所谓环流损耗。为了避

15、免这种损耗，通常将槽部并联细导线分成两排进行编织换位 ，使组成线棒的每根细导线轮流处于所有槽内不同位置，使各根导线感应电势相同 ，避免环流产生。 4.6集肤效应对电机参数的影响 a) 槽内导体 b) 电流密度的分布 c) 计算交流电阻的等效导体 4.6集肤效应对电机参数的影响 4.7饱和对电机参数的影响 前面推导导公式电电抗计计算公式中，假设设 实际电实际电 机的主磁路或漏磁路某些部分处处于饱饱和状态导态导 致 为为了精确计计算电电机相应应的运行性能，则则必须须考虑虑磁路铁铁心 饱饱和对对参数的影响。 4.7饱和对电机参数的影响 考虑虑磁路饱饱和时时： 饱饱和程度不同，相应应的参数变变化也不同

16、。 在运行时，感应电机的励磁电抗、同步电机 电枢反应电抗将会减少。 4.7饱和对电机参数的影响 1、对感应电机电抗的影响 不考虑饱和时： 考虑饱和时： 4.7饱和对电机参数的影响 1、对感应电机电抗的影响 感应电应电 机在起动动的时时候，电电流可 达到额额定电电流的6-7倍。此时时，齿顶齿顶 部 分的漏磁路处处于高度饱和，与齿顶齿顶 磁 阻有关的槽口比漏磁导导及谐谐波漏磁导导 将有相当大的减小，相应应的槽漏抗和 谐波漏抗也会减小。 4.7饱和对电机参数的影响 2、对同步电机电抗的影响 1)、交轴电枢反应电抗： q轴轴磁路：齿齿轭轭气隙 只需考虑虑轭轭和齿齿的饱饱和影响。 4.7饱和对电机参数的影响 2、对同步电机励磁电抗的影响 2)、直轴电枢反应电抗： d轴轴磁路：气隙齿轭极身 只需考虑齿、轭和极身的饱和影响 。 4.7饱和对电机参数的影响 2、对同步电机励磁电抗的影响 2)、直轴电枢反应电抗：