【文章內容簡介】 軸方向假象回路中的電流磁鏈及電壓，這樣一來，我們又得到了同步電動機的一種物理模型，它相當于將三相同步電機轉化為等效的兩相同步電動機。同步電機的轉矩與磁場是定子旋轉磁場，轉子磁場，定子電流，轉子電流等多個變量共同作用的結果，轉子的轉速與磁場的旋轉磁場的轉速相同。在同步電機的電流與磁場的矢量圖中，包括了如下的變量：1）三相定子合成電流，它是與轉子磁場同步旋轉的矢量2）轉子電流，他是與轉子軸同步旋轉的矢量，同時旋轉速度與定子電流相同。3）轉子磁鏈矢量，它是由轉子感應電流產(chǎn)生，與轉子電流成一定的夾角。將以上的矢量在同一靜止的坐標系XOY上進行表示以后，與永磁同步電動機同樣在轉子磁鏈上建立的dq坐標系，可以得到同步電機的磁場與矢量如圖所示。圖中，ζ為定子的電流（旋轉磁場）與靜止的坐標系的夾角，θ為轉子軸與靜止坐標系的夾角，；ρ為轉子磁鏈和靜止坐標系的夾角。轉子磁鏈方程同步電機的轉矩同樣可以看成是轉子磁鏈與定子電流的正交分量的作用的結果，即M=KI1q，因此，為了分析電機的特性，必須先知道轉子的磁鏈。由于同步電機的轉子無固定不變的磁鏈，它只是旋轉磁場在轉子中所產(chǎn)生的間接效果的，因此，必須先求出轉子的磁鏈方程。同步電機的轉子為短路導條，其電壓平衡方程可表示為： (1)由圖可知，轉子感應電流相對于轉子磁鏈矢量的旋轉角度為d（ρθ）/dt，因此，它在轉子磁鏈dq坐標系上的微分可以表示為代入（1）式中，并考慮到后，可以得到轉子電壓平衡方程式在直軸和交軸的表達式，直軸（d軸）分量 （2）交軸（q軸）分量 根據(jù)磁鏈計算公式，=Li，轉子感應電流在dq坐標系上的轉子磁鏈計算式為直軸（d軸）分量 交軸（q軸）分量 因此 （3）式子中——轉子電感（自感）；——定子與轉子間的互感將式子（3）代入（2），整理后就可以得到如下的轉子磁鏈方程 （4）式子中：——轉子電路的時間常數(shù)；——轉子角速度——轉子勵磁電流由此可見，轉子的磁鏈 （或者勵磁電流I2m ）只與定子電流的直軸（d 軸）分量 有關。定子電壓平衡方程同步電機用來產(chǎn)生轉矩的定子電流交軸分量可以通過建立定子電壓平衡方程來求出，根據(jù)定子磁鏈的變化率，定子電壓的平衡方程式 （5）在圖一中，如果將轉子的磁鏈dq坐標系作為參考，以矢量形式表示定子磁鏈為 當轉子磁鏈軸以 速度旋轉時，定子磁鏈的全微分表達式為：=代人式子（5），并考慮到，后，可得到， （6）將（3）式代人（6）式中，消去轉子電流后可得到 （7）式子中， ，,同步電機的輸出轉矩同樣可以用轉子磁鏈與定子電流正交分量（交軸分量）的乘積進行表示，從式子（7）中可見，在同步電機中，相當于用代替了永磁同步電機的常數(shù)K，因此可以得到同步電機的輸出轉矩為： (8)由（4）式與（8）式可見，通過矢量變換，市現(xiàn)率定子電流在轉子磁鏈坐標系的解耦，定子電流的直軸（d軸）分量決定了轉子的磁鏈，定子電流的交軸（q軸）分量決定了電機的輸出轉矩，這樣就大大簡化了多變量強耦合交流電機的控制問題。但是，需要注意的是感應電機和同步電機的控制不同，同步電機可以通過控制使得定子電流的直軸（d軸）分量為零。 同步電機的矢量控制系統(tǒng) 從（4）（7）（8）式子中可以看到，同步電機矢量控制的前提是需要知道實際電機的全部參數(shù)，但是對于通用型的變頻器，由于生產(chǎn)制造廠家的不同，變頻器的參數(shù)就無法得知，這樣就很難進行正確的控制，為此，矢量控制變頻的一個重要的問題是變頻器必須根據(jù)用戶設定的參數(shù)，事先建立同步電機的數(shù)學模型，才能實施控制，從某種意義上說這是一種預測控制。同步電動機的矢量控制有兩種形式，開環(huán)和閉環(huán)，采用矢量控制的變頻器不僅可以提高速度控制的進度，還可以大大提高變頻調速的調速范圍，目前，其性能已接近交流伺服電機，因此，高性能的變頻器一般都采用矢量控制技術。同步電機閉環(huán)矢量控制變頻調速系統(tǒng)的組成原理如圖所示，考慮到變頻器的閉環(huán)與開環(huán)的通用性，原則上閉環(huán)系統(tǒng)只在開環(huán)系統(tǒng)的基礎上進行修補，因此，與開環(huán)系統(tǒng)相比較，閉環(huán)系統(tǒng)在速度反饋與頻率控制通道采用了自測電機。第三章 電磁設計基本理論第三章 電機設計基本理論 電機設計過程和內容（1）準備階段首先是熟悉國家標準，收集相近電機的產(chǎn)品樣本（或樣機）和技術資料（包括試驗數(shù)據(jù)），并聽取生產(chǎn)和使用單位的意見與要求；然后在國家標準有關規(guī)定及分析相應資料的基礎上，編制技術任務書或技術建議書。（2）電磁設計本階段的任務是根據(jù)技術條件或技術任務書（技術建議書）的規(guī)定，參照生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，通過計算和方案比較，來確定與所設計電機電磁性能有關的尺寸和數(shù)據(jù)，選定有關材料，并核算其電磁性能。（3）結構設計結構設計的任務是確定電機的機械結構、零部件尺寸、加工要求與材料的規(guī)格及性能要求，包括必要的機械計算及通風和溫升計算。通常，首先根據(jù)技術條件或技術任務書（技術建議書）中規(guī)定的防護型式、安裝方式與冷卻方式，再考慮電磁計算中所選負荷的高低，來選取合適的通風冷卻系統(tǒng)；然后安排產(chǎn)品的總體結構，繪制總裝配草圖。然后分別繪制部件的分裝配圖和零件圖，并對總裝配草圖進行必要的修改。 主要尺寸的確定一、確定定子繞組 a) 先假定一個槽滿率，設為80%，根據(jù)槽滿率計算公式確定 導線所占面積.b) 由公式得出根據(jù)上式選取 值.c) 由公式推出.d) 計算每槽導體數(shù)。根據(jù)已知條件設計繞組,確定、.e) 根據(jù)計算出的數(shù)據(jù),進行計算驗證.二、確定鐵心長度a) 由給定的參數(shù)計算槽節(jié)距,平均齒寬,電樞卡氏系數(shù)，定子斜槽因數(shù)，每極磁通等。b) 由經(jīng)驗在電樞齒磁密范圍內選取一合適值，再由公式求出。c) 由公式計算出。 電磁設計 同步發(fā)電機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù)1）、性能指標效率，功率因數(shù)，最大轉矩倍數(shù)，起動轉矩倍數(shù)，起動電流倍數(shù)，繞組和鐵心的溫升，起動過程中的最小轉矩。2）、額定數(shù)據(jù)額定功率PN[kW]額定電壓UN[V]額定電流IN[A]額定轉速nN[r/min]額定功率因素cosφN額定勵磁電壓Uf[V]額定勵磁電流if[A]額定溫升[℃ 氣隙對電機性能的影響通常氣隙選取得盡可能小，以降低空載電流，因為電機的功率因數(shù)主要決定于空載電流。但是氣隙不能過小，否則除影響機器可靠性外，還會使諧波磁場及諧波電抗增大，導致啟動轉矩和最大轉矩減小，諧波轉矩和附加損耗增加，進而造成較高溫升和較大噪聲。氣隙的數(shù)值基本上決定于定子內經(jīng)、軸的直徑和軸承間的轉子長度。因為機座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時都有一定偏差；而軸直徑和軸承間距離決定了軸的高度；定轉子裝配在一起后，定子鐵心內圓和轉子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻度，其值對電機運行性能有很大影響。氣隙大小要綜合上述兩個方面，并根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗和所設計電機的特點加以確定。 槽滿率對電機性能的影響槽滿率是導線有規(guī)則排列所占的面積與槽的有效面積之比。即 其中：——導線所占面積——電機槽的有效面積——槽滿率當槽滿率變小時，電樞繞組電密會變大，相應的電樞發(fā)熱參數(shù)升高，因而不利槽內導線的散熱。同時，槽滿率變小會導致電樞繞組每相電阻變大，使得電組銅耗上升，降低了電機的效率。較高的槽滿率值不僅可以縮小槽面積，鐵心尺也可應縮小，提高材料的利用率；而且有利于槽內導線的散熱。但是高槽滿率會給嵌線帶來困難并增加嵌線工時。槽滿率太高了在嵌線時極易引起絕緣損傷，將造成電機報廢等比較嚴重的后果。 結構設計 結構設計和機械計算是電機設計的一個組成部分，它主要是電磁設計完成后進行的。其目的是解決機械部分的設計問題對它的要求是從結構上來保證電機性能、制造時的經(jīng)濟合理和運行可靠等。此次設計沒有進行結構設計，所以在此對它只作簡單的介紹。影響電機總體結構的因素很多，例如電機的類別、運行條件、原動機或被傳動機械的種類及傳動方式、電機的容量與轉速、冷卻方式、防護型式、軸承型式和數(shù)目、安裝方式等等。結構設計的基本內容和原則大致內容：1）確定電機的總體結構型式，包括防護型式、軸承型式和數(shù)目、軸伸型式、安裝方式、通風系統(tǒng)等。2）確定零部件的結構型式、材料、形狀、尺寸、加工精度、形位誤差、表面粗糙度和技術要求等。3）確定某些零部件（例如轉子鐵心與軸，機座與端蓋）之間的機械連接方法、配合種類等等。4）核算零部件的機械性能。考慮下列原則：1）應保證電機在規(guī)定期限內能安全可靠的運行。2）所用的結構型式一般應符合有關國家標準的規(guī)定，并滿足使用部門及環(huán)境保護方面所提出的要求。3）要盡量使零部件符合“標準化、系列化、通用化”的要求，盡可能采用標準件和標準規(guī)格的材料，注意零部件的通用。4）應具有良好的結構工藝性。5）應考慮電機的裝拆和維修方便，并注意運輸條件與使用單位的技術條件。6）應適當注意電機的外形美觀。第四章 電磁設計方案及計算第四章 電磁設計方案及計算 電磁設計思路首先要確定所要設計的發(fā)電機的主要規(guī)格，例如功率、功率因數(shù)、頻率等，然后根據(jù)給出的定轉子圖紙計算出定子外徑、內徑、氣隙大小等，關鍵是鐵心長度確定和電樞繞組的選擇，這直接關系到設計的成敗。鐵心長度確定和電樞繞組的選擇用以下方法：由電樞齒磁密計算公式氣隙磁密計算公式可以得出，其中在1580016600中取值，槽節(jié)距,平均齒寬,每極磁通等由給定的參數(shù)算出。根據(jù)槽滿率計算公式和線負荷公式可以得出線負荷和電樞繞組電密之間關系，其中先假定一個槽滿率設為80%，得出一個比值關系，然后在范圍150260和范圍800950選取。再由線負荷公式得出每相串聯(lián)導體數(shù)，再根據(jù)已知條件選擇繞組節(jié)距,確定、及每槽導體數(shù)。確定好鐵心長度和選擇好電樞繞組后，然后按照三相同步發(fā)電機計算程序進行計算。得出以下： 電磁設計計算步驟 一、主要規(guī)格 (千瓦）242424 333 505050