【正文】 ）之間的角度，這是個(gè)空間電角度。由此可見，同步電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行還是作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，要視轉(zhuǎn)子磁極與等效磁極之間的相對位置來決定。這時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗在數(shù)值上相等，即 （313）式中，為隱極同步電動(dòng)機(jī)的同步電抗。根據(jù)功率方程式(11—17)可得同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩方程為 (325)式中，為空載轉(zhuǎn)矩。從式（323）可見，當(dāng)電機(jī)參數(shù)、為已知時(shí)，電磁功率與功率角之間的關(guān)系可以很方便的確定，而且由兩部分組成。當(dāng)電機(jī)氣隙均勻時(shí)，例如隱極式同步電機(jī)，不存在凸極電磁功率。當(dāng)時(shí)。對于隱極式同步電機(jī)，于是電磁功率為 （329）式（329）為同步電動(dòng)機(jī)的功角特性，它沒有凸極電磁功率這一項(xiàng)。對于隱極式同步電機(jī)，在某固定勵(lì)磁電流條件下，根據(jù)式（329），可以得到隱極式同步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與功率角的關(guān)系為 （331）其最大電磁轉(zhuǎn)矩為 （332）根據(jù)式（331），可以繪出隱極式同步電動(dòng)機(jī)的矩角特性，如圖313所示。根據(jù)式（329），當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至，這表明不但和之間的夾角增大，轉(zhuǎn)子也會(huì)有一個(gè)短暫地減速，使功率角增大為。如果由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然變由增大為，當(dāng)勵(lì)磁電流不變時(shí)，這時(shí)角必將增大至?？梢?，在范圍內(nèi)，電機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行。對凸極式同步電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行的功率角還要小些。仍以隱極式電動(dòng)機(jī)為例，如果勵(lì)磁電流，由式(331)得出，這表明轉(zhuǎn)子磁極軸線與定子等效磁極軸線幾乎重合，如圖316所示。關(guān)于同步發(fā)電機(jī)的有關(guān)內(nèi)容不在本書范圍。同步電動(dòng)機(jī)輸出功率不變時(shí)，轉(zhuǎn)軸輸出的轉(zhuǎn)矩不變，由于忽略了空載損耗，同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （334）從式（334）可見，定子電壓，頻率以及均為常數(shù)時(shí)，必為常數(shù)，即 ＝常數(shù) （335）當(dāng)改變勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)勢的大小隨之變化，但必須滿足式（335）的條件。由于定子電流有功分量＝常數(shù)，定子電流在向量上的投影為常數(shù)，即定子電流相量的頂點(diǎn)軌跡總是在直線上。這時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)只從電網(wǎng)吸收有功功率，不吸收無功功率。這時(shí)，定子電流落后為角。 當(dāng)勵(lì)磁電流比正常勵(lì)磁電流大時(shí)，稱為過勵(lì)磁狀態(tài)，如圖318中的和，這時(shí)，定子電流領(lǐng)先為角。 從電機(jī)磁場的觀點(diǎn)出發(fā)，同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)可調(diào)的原因是，由于同步電動(dòng)機(jī)的磁場由定子邊電樞反應(yīng)磁通勢和轉(zhuǎn)子邊勵(lì)磁磁通勢共同建立的。而異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)必須向電動(dòng)機(jī)提供感性的勵(lì)磁電流，不能調(diào)節(jié)，使電網(wǎng)功率因數(shù)變壞。在生產(chǎn)實(shí)際允許的情況下，將繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)改作同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，對改善電網(wǎng)功率因數(shù)也是有好處的。三種勵(lì)磁電流情況下，只有正常勵(lì)磁時(shí)，定子電流為最小，過勵(lì)磁或欠勵(lì)磁時(shí)，定子電流都會(huì)增大。因此圖319中各條V形曲線對應(yīng)的功率為。線的左邊是欠勵(lì)區(qū)；右邊是過勵(lì)區(qū)。從這個(gè)角度看，同步電動(dòng)機(jī)最好也不運(yùn)行于欠勵(lì)磁狀態(tài)。定、轉(zhuǎn)子磁場之間具有相對運(yùn)動(dòng)，所以作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩快速地正、負(fù)交變，平均轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)不能自行起動(dòng)。但由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)動(dòng)緩慢的轉(zhuǎn)子還未轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子磁場已向前轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)極距，達(dá)到圖320(b)所示的位置，此時(shí)定子磁極對轉(zhuǎn)子磁極間的電磁轉(zhuǎn)矩又為順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，其結(jié)果轉(zhuǎn)子承受了一個(gè)脈振轉(zhuǎn)矩，其平均轉(zhuǎn)矩為零，故同步電動(dòng)機(jī)不能自行起動(dòng)。1．異步起動(dòng)法——采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)工作原理異步起動(dòng)方法即在凸極式同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上裝置阻尼繞組而獲得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，是一種常用的異步起動(dòng)法。起動(dòng)電路如圖321所示。值得注意的是，起動(dòng)時(shí)先把同步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組通過一個(gè)電阻短接，這是因?yàn)槠饎?dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組不能開路。因此，在同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，在它的勵(lì)磁電路中必須串入大約5～10倍勵(lì)磁繞組電阻的附加電阻，這樣就可以克服上述的缺點(diǎn)，達(dá)到起動(dòng)的目的。2．變頻起動(dòng)法變頻起動(dòng)方法是開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子先加上勵(lì)磁電流，定子邊通入頻率極低的三相交流電流，由于電樞磁動(dòng)勢轉(zhuǎn)速極低，轉(zhuǎn)子便開始旋轉(zhuǎn)。由公式，起動(dòng)時(shí)定子電流頻率較低，同步轉(zhuǎn)速也較低，使平均電磁轉(zhuǎn)矩不為0。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，不能片面追求體積小和材料省，因?yàn)檫@樣可能導(dǎo)致電機(jī)性能降低，特別是效率降低，加工工時(shí)增加，使制造成太上升，并造成能量浪費(fèi)。⑤額定轉(zhuǎn)速或同步速：同步轉(zhuǎn)速，其中為電機(jī)定子電流頻率。①準(zhǔn)備階段：通常包括兩方面的內(nèi)容。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常在電磁設(shè)計(jì)后進(jìn)行，但有時(shí)也和電磁設(shè)計(jì)平行交叉地進(jìn)行，以便相互調(diào)整。本文參考的同步機(jī)是中心高180mm、16kw、6極電機(jī)，其有關(guān)尺寸主要有：定子沖片外徑300mm、內(nèi)徑227mm、36槽、繞組型式為雙層疊繞組。電機(jī)主要尺寸確定了電機(jī)的外形輪廓、電機(jī)的質(zhì)量及材料費(fèi)用，它和電機(jī)的技術(shù)性能有非常密切的關(guān)系。 式（）中電流頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速有以下關(guān)系： （） 式中p—極對數(shù)。設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，電磁負(fù)荷A和值是依據(jù)制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)所積累的數(shù)據(jù)來選取的。由尺寸比公式，故 ()且 ()將式（）、（）代入式（）中， （） 式中、的單位為m，的單位為r/min，的單位為KVA，的單位為A/m，的單位為T，的單位為Wb。值的大小對電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。（4）絕緣材料用量和加工工時(shí)增加，槽利用率降低。2．電樞繞組形式電樞繞組的型式很多，常用的有單層繞組、雙層繞組和單雙層繞組。其主要優(yōu)點(diǎn)是：①可以選擇有利的節(jié)距以改善磁勢與電勢波形，是電機(jī)的電氣性能較好；②端部排列方便；③線圈尺寸相同，便于制造。單雙層繞組與單層繞組相比，有雙層繞組的特性，即具有較好的氣隙磁場波形，較低的附加損耗等一系列特點(diǎn)。大中型凸極同步電機(jī)的定子繞組一般采用雙層疊繞組，每極每相槽數(shù)為分?jǐn)?shù)，即所謂的分?jǐn)?shù)槽繞組，其主要理由是這種繞組可以改善空載電勢波形。分母不允許時(shí)相數(shù)m的倍數(shù)，也就是，對于三相繞組，為不允許3的倍數(shù)，否則繞組不對稱，因?yàn)槿绻嗬@組的極對數(shù)q為的倍數(shù)，則必須選擇槽數(shù)Z:是的倍數(shù)(n為整數(shù))才行。如果定子繞組采用條并聯(lián)支路，則必須為整數(shù)，才能使每相中的各支路對稱，可以選擇分?jǐn)?shù)槽繞組并聯(lián)支路時(shí)受到更多的限制。當(dāng)電機(jī)的主要尺寸確定后，A的乘積就確定了，因此如果減小，A值就降低而值就增大，這一般地使功率因數(shù)降低。對雙層繞組，應(yīng)取偶數(shù)，此時(shí)每個(gè)線圈匝數(shù)=。選用較大的值，導(dǎo)體截面減小，可節(jié)省材料、降低成本，但同時(shí)卻導(dǎo)致了損耗增大、效率降低，同時(shí)電機(jī)的溫升增高，壽命和可靠性都降低。選擇時(shí)主要根據(jù)工藝條件考慮。 電機(jī)的損耗及溫升計(jì)算電機(jī)的損耗一般可分為下列各類：（1）定子和轉(zhuǎn)子鐵心的基本鐵耗，它主要是主磁場在鐵心中發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的。（5）機(jī)械損耗，它包括通風(fēng)損耗、軸承摩擦損耗和電刷與換向器或集電環(huán)的摩擦損耗。在同步電機(jī)里，這些損耗可由短路試驗(yàn)測得，故又稱短路損耗。根據(jù)對均質(zhì)物體發(fā)熱過程的分析，得知其溫升隨時(shí)間的變化是指數(shù)曲線關(guān)系如下圖所示，圖42 溫升隨時(shí)間的變化曲線起始是物體的溫度與周圍的溫度相同，這是物體產(chǎn)生的損耗全部用來提高物體的溫度，因此起始物體的溫度升高很快。氣隙的數(shù)值基本上決定于定子內(nèi)經(jīng)、軸的直徑和軸承間的轉(zhuǎn)子長度。槽滿率是導(dǎo)線有規(guī)則排列所占的面積與槽的有效面積之比，即其中：—導(dǎo)線所占面積； —電機(jī)槽的有效面積； —槽滿率。但較高的值雖然可以縮小槽面積（鐵心尺寸也可相應(yīng)縮?。矣欣诓蹆?nèi)導(dǎo)線的散熱，但是卻給嵌線帶來困難并增加嵌線工時(shí)。是電流或電壓以頻率較高的電子在導(dǎo)體中傳導(dǎo)時(shí),會(huì)聚集于總導(dǎo)體表層,而非平均分布于整個(gè)導(dǎo)體的截面積中。這種效應(yīng)相當(dāng)于導(dǎo)體的有效截面減小了，如下圖41（c）所示。 （a）槽內(nèi)導(dǎo)體 （b）電流密度分布 （c）計(jì)算導(dǎo)體的等效導(dǎo)體 圖43 槽內(nèi)導(dǎo)體分布導(dǎo)體中形成的渦流將產(chǎn)生附加渦流損耗，導(dǎo)致效率降低、溫升升高。如欲精確地計(jì)算電機(jī)的相應(yīng)運(yùn)行性能，則須考慮磁路鐵心部分飽和對參數(shù)的影響。這樣，定、轉(zhuǎn)子繞組自建的電磁耦合系數(shù)減少了，即是說，由定子電流產(chǎn)生的基波磁場有一部分不與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條起耦合作用，反之也是。其目的是解決機(jī)械部分的設(shè)計(jì)問題對它的要求是從結(jié)構(gòu)上來保證電機(jī)性能、制造時(shí)的經(jīng)濟(jì)合理和運(yùn)行可靠等。（2）確定零部件的結(jié)構(gòu)型式、材料、形狀、尺寸、加工精度、形位誤差、表面粗糙度和技術(shù)要求等。（2）所用的結(jié)構(gòu)型式一般應(yīng)符合有關(guān)國。（4）核算零部件的機(jī)械性能。 影響電機(jī)總體結(jié)構(gòu)的因素很多，例如電機(jī)的類別、運(yùn)行條件、原動(dòng)機(jī)或被傳動(dòng)機(jī)械的種類及傳動(dòng)方式、電機(jī)的容量與轉(zhuǎn)速、冷卻方式、防護(hù)型式、軸承型式和數(shù)目、安裝方式等等。這種使得定、轉(zhuǎn)子間的互感電抗減小的因數(shù)，我們稱之為斜槽系數(shù)，而由斜槽引起的附加漏抗稱為斜槽漏抗。 如果記及實(shí)際上主磁路中鐵心部分（如軛部、齒部及磁極等）的飽和情況，則磁阻相對增加，因此運(yùn)行時(shí)感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電抗、同步電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗將比我們電機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算值減小。我們在電機(jī)設(shè)計(jì)中均假定鐵心磁導(dǎo)率等于無窮打，即忽略鐵心的磁阻不計(jì)。此外，由于這種集膚效應(yīng)作用，導(dǎo)體的槽漏抗變小。在電機(jī)槽中如放置由整塊導(dǎo)體組成的線棒，當(dāng)導(dǎo)體中通以交流時(shí)，由于導(dǎo)體沿槽高上截面各部分的漏磁通匝鏈數(shù)不相同，因此感應(yīng)電勢也不一樣。所以槽滿率不能太高也不能太低，一般控制在7580%左右，機(jī)械化嵌線時(shí)控制在75%以下。同時(shí)，槽滿率變小會(huì)導(dǎo)致電樞繞組每相電阻變大，使得電組銅耗上升，降低了電機(jī)的效率。定子槽必須有足夠大的截面積，使每槽所有導(dǎo)體能不太困難地嵌進(jìn)去。理論上當(dāng)時(shí)間t=∞時(shí)，物體才達(dá)到最終穩(wěn)定溫升，這時(shí)物體所產(chǎn)生的全部熱量都散發(fā)到周圍介質(zhì)通常氣隙選取得盡可能小，以降低空載電流，因?yàn)楦袘?yīng)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)主要決定于空載電流。電機(jī)某部件的溫度與周圍介質(zhì)溫度之差，就叫做該部件的溫升。對于大多數(shù)運(yùn)行時(shí)電樞端電壓固定或轉(zhuǎn)速變化率不大的電機(jī)，這些損耗從空載到額定負(fù)載變動(dòng)很小。（3）電氣損耗，它指工作電流在繞組銅中產(chǎn)生的損耗，也包括電刷在換向器或集電環(huán)上的接觸損耗。 同步發(fā)電機(jī)的效率可按以下公式計(jì)算 為電機(jī)所有損耗之和 為電機(jī)的總鐵耗；為電樞繞組銅耗；為勵(lì)磁損耗；為諧波繞組銅耗；為機(jī)械損耗；為附加損耗。選定后，便可按下式估算導(dǎo)線截面積 式中是定子繞組額定相電流；是導(dǎo)線并聯(lián)根數(shù)；是定子繞組并聯(lián)支路數(shù)。上面計(jì)算出的是初步數(shù)據(jù)，待磁路、參數(shù)、性能計(jì)算后，如必要還須進(jìn)一步調(diào)整。如果定子繞組采用的并聯(lián)支路數(shù)為，則每槽導(dǎo)體數(shù)為 ， 注意：選偶數(shù)。和并整理上述兩式得：在確定電機(jī)的定子內(nèi)徑后，從上式可以求出定子繞組的每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)?，F(xiàn)在為分?jǐn)?shù)，繞組不能分割，每個(gè)極相組內(nèi)有個(gè)組委個(gè)槽，個(gè)組為個(gè)槽，它們按一定的方式排列。分?jǐn)?shù)槽繞組雖然能改善同步電機(jī)的電勢波形，但在某些情況下，與基波次數(shù)接近的次諧波磁場與基波相互作用，有可能使凸極同步電機(jī)的定子鐵心產(chǎn)生顯著振動(dòng)及噪聲，在選擇定子槽數(shù)時(shí)必須注意。當(dāng)電機(jī)的有效匝數(shù)相等時(shí)，可以減少實(shí)際匝數(shù)；當(dāng)有效節(jié)距相同時(shí)，實(shí)際節(jié)距可以縮短，從而節(jié)省繞組用銅，銅損耗也相應(yīng)減小，效率相應(yīng)提高。（3）單雙層繞組雙層繞組采用短距時(shí)，某些槽內(nèi)上下層的導(dǎo)體屬于同一相，而某些槽內(nèi)上下層導(dǎo)體屬于不同相。其主要缺點(diǎn)是：①在一般情況下不易做成短距，因而其磁勢波形較雙層繞組的差；②電機(jī)導(dǎo)線較粗時(shí)，繞組的嵌放和端部的整形比較困難。對于一般電機(jī)，可在2～6間選取，而且盡量選取整數(shù)，因分?jǐn)?shù)槽繞組容易引起振動(dòng)和噪聲。（2）一方面每槽導(dǎo)體數(shù)減少，使槽漏抗減?。涣硪环矫娌蹟?shù)多了，槽高與槽寬的比值相應(yīng)增大，使槽漏抗增大，但這方面影響較小。在生產(chǎn)實(shí)際中，對于電機(jī)設(shè)計(jì)已經(jīng)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)時(shí)往往只需參考已經(jīng)制成的同類型、相近規(guī)格電機(jī)的尺寸，針對所設(shè)計(jì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料、工藝特點(diǎn)等因素，直接初選其定子鐵心外徑、內(nèi)徑和長度，進(jìn)行核算調(diào)整，最后加以確定。具體選取時(shí)，與所用電工材料的性能、絕緣等級(jí)以及極對數(shù)、功率、冷卻條件、性能要求等多種因素有關(guān)。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，被稱為電機(jī)常數(shù)，是一個(gè)近似于常數(shù)的量。電機(jī)的計(jì)算功率為 （）式中m一電樞繞組的相數(shù)；E一電樞繞組的相電勢；I一電樞繞組的電流。電機(jī)主要尺寸設(shè)計(jì)選擇的合理，電機(jī)設(shè)計(jì)工作就有了一個(gè)好的基礎(chǔ)，電機(jī)就可能有一個(gè)比較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在介紹電磁設(shè)計(jì)的過程時(shí)也不是面面俱到，而是論述了其中的主要內(nèi)容，這將在下文中有具體的體現(xiàn)。②電磁設(shè)計(jì)：本階段的任務(wù)是根據(jù)技術(shù)任務(wù)書或技術(shù)建議書的規(guī)定，參照生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過計(jì)算和方案比較，來確定與所設(shè)計(jì)電機(jī)電磁性能有關(guān)的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關(guān)材料，并核算其電磁性能。⑥額定功率因數(shù)。③相數(shù)和相間連接方式：交流電機(jī)一般為三相，相間為星形(Y)或三角形（）接法。電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要考慮的因素和有待確定的尺寸、數(shù)據(jù)很多，所