【導(dǎo)讀】為畢業(yè)設(shè)計工作檢查的主要依據(jù)。進(jìn)度表中的周次是指實(shí)際的畢。業(yè)設(shè)計進(jìn)程中的周次。交給指導(dǎo)教師批閱。e)設(shè)計電機(jī)的定子沖片、轉(zhuǎn)子沖片、定轉(zhuǎn)子繞組，：%⑧定子槽滿率：80~85%. ①定子繞組電密：7~動機(jī)，并給出三個方案，分析電機(jī)的材料利用率與效率的關(guān)系，掌握設(shè)計節(jié)能電機(jī)和節(jié)約材料電機(jī)的方法。[1]李發(fā)海、朱東起編著：《電機(jī)學(xué)（第三版）》，科學(xué)出版社，2020.[2]陳世坤主編：《電機(jī)設(shè)計（第二版）》，機(jī)械工業(yè)出版社，1983.查找課題相關(guān)的文獻(xiàn)資料，完成開題報告。熟悉同步電機(jī)電磁設(shè)計程序，并完成磁路計算。完成同步發(fā)電機(jī)電磁設(shè)計第一個方案，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計要求?，F(xiàn)代社會中，電能是現(xiàn)代社會最主要的能源之一。使用等方面，電機(jī)起著重要的作用。電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，用來驅(qū)動各種用途的生產(chǎn)機(jī)械。例如，在交通運(yùn)輸中，鐵道機(jī)車和城市電車。持恒定，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對不變。小到電鐘和記錄式儀表的定時旋

　　

【正文】 式 。水輪機(jī)是低速原動機(jī)，所以水輪發(fā)電機(jī)一般都做成凸極機(jī)。由內(nèi)燃機(jī)拖動的同步發(fā)電機(jī)、同步電動機(jī)和同步調(diào)相機(jī)一般都做成凸極式。還可按通風(fēng)方式、冷卻方式及電動機(jī)帶動的負(fù)載形狀來進(jìn)行分類。 通常 ,同步電機(jī)的主要類型有： １． 汽輪發(fā)電機(jī) 定子大體上與異步電機(jī)相同，定子鐵心由 , 或其它厚度的電工鋼片疊成。定子外徑較小時，采用圓形沖片，當(dāng)定 子外徑大于 1m 時，采用扇形沖片。定子鐵心固定在機(jī)座上，機(jī)座常由鋼板焊接而成，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，同時還必須滿足通風(fēng)和散熱的需要。汽輪發(fā)電機(jī)的電壓較高，要求定子繞組有足夠的絕緣強(qiáng)度，一般采用 B 級或 F 級絕緣。 為了減少高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力，一般采用隱極式轉(zhuǎn)子，其外形常做成一個細(xì)長的圓柱體。轉(zhuǎn)子鐵心表面圓周上銑有許多槽，勵磁繞組嵌放在這些槽內(nèi)。 勵磁繞組為同心式30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 3 繞組，以銅線繞制，并用不導(dǎo)磁的槽楔將繞組緊固在槽內(nèi) ２． 水輪發(fā)電機(jī) 水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是：極數(shù)多，直徑大，軸向長度短，整個轉(zhuǎn)子在外形上與 汽輪發(fā)電機(jī)大不相同。大多數(shù)水輪發(fā)電機(jī)為立式。水輪發(fā)電機(jī)的直徑很大，定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成。為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風(fēng)溝。轉(zhuǎn)子磁極由厚度為 1～ 2mm 的鋼片疊成；磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組。有些發(fā)電機(jī)磁極的極靴上開有一些槽，槽內(nèi)放上銅條，并用端環(huán)將所有銅條連在一起構(gòu)成阻尼繞組，其作用是用來擬制短路電流和減弱電機(jī)振蕩，在電動機(jī)中作為起動繞組用。磁極與磁極軛部采用 T 形或鴿尾形連接 。 ３．中小型同步電機(jī) 中小型同步電機(jī)，是指容量在幾十、幾百到幾千 kw 的同步電機(jī)，它們可以 作為發(fā)電機(jī)、電動機(jī)或補(bǔ)償機(jī)運(yùn)行，從結(jié)構(gòu)上來看，它們之間的差別不大。 中小型同步電機(jī)多做成臥式的。定子鐵心也是由硅鋼片疊裝成的。當(dāng)鐵心外徑小于１ m 時骼整圓沖片，大于 1m 時，用扇形片。定子槽形根據(jù)容量和電壓大小的不同而不一樣。大容量高電壓多用開口槽；小容量低電壓多用半閉口槽。 中小型電機(jī)的轉(zhuǎn)子多做成凸極式的，勵磁饒組除了幾十 kＷ以下的，都采用扁銅線邊繞而成。在容量較大的電機(jī)里，磁軛仍用鋼板沖成的扇形片疊成；在小容量或高速電機(jī)里多用鑄鋼鑄成。 只有幾 kw 的同步電機(jī)，有時把磁極放在定子上，電樞繞組放在轉(zhuǎn)子上，用三個 集電環(huán)把三相交流電從轉(zhuǎn)子引出來。它的優(yōu)點(diǎn)是可以提高硅鋼片的有效利用率，并把定子磁軛和機(jī)座合二為一，以節(jié)省鋼材。 中小型同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子有兩種支承方法：一種是座式軸承；一種是端蓋軸承。軸承也有兩種：滑動軸承與滾動軸承。 同步電機(jī)的主要用途有 : 同步電機(jī)主要用來作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，現(xiàn)代社會中使用的交流電能，幾乎全由同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生。 同步電機(jī)還可以作為電動機(jī)使用，對不要求調(diào)速的大功率生產(chǎn)機(jī)械，常用同步電動機(jī)來驅(qū)動。同步電動機(jī)可以通過調(diào)節(jié)礪磁來改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。 此外，同步電機(jī)還可以人微言輕同步補(bǔ)償機(jī)使用，它實(shí)際上 是一臺按在交流電網(wǎng)上空轉(zhuǎn)的同步電動機(jī)，專門向電網(wǎng)發(fā)出戌感性或容性的無功功率，滿足電網(wǎng)對無功功率的要求。 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 4 近十多年來，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，將變頻器和同步電動機(jī)聯(lián)合起來，組成了無換向器的電動機(jī)，它沒有直流電機(jī)的機(jī)械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機(jī)同樣的性能，而且可以做到比直流電機(jī)容量更大，電壓和轉(zhuǎn)速更記，在工業(yè)上開辟了新的用途。 主要結(jié)構(gòu)部件 同步電動機(jī)的定子與異步電動機(jī)的定子結(jié)構(gòu)基本相同，由機(jī)座、定子鐵芯、電樞繞組等組成。 于大型同步電動機(jī)，由于尺寸太大，硅鋼片常制成扇形，然 后對成圓形。 同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 由磁極、轉(zhuǎn)軸、阻尼繞組、滑環(huán)、電刷等組成，在電刷和滑環(huán)通入直流電勵磁，產(chǎn)固定磁極。 根據(jù)容量大小和轉(zhuǎn)速高低轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分凸極和隱極兩種。 凸極特點(diǎn)： 氣隙不均勻，有明顯的磁極，轉(zhuǎn)子鐵芯短粗，適用于轉(zhuǎn)速低于 1000r/min，極對數(shù) p≥3 的電動機(jī)。 隱極特點(diǎn)： 氣隙均勻，無明顯的磁極，轉(zhuǎn)子鐵芯長細(xì)，適用于轉(zhuǎn)速高于 1500r/min，極對數(shù) p≤2 的電動機(jī)。 圖 1 直線同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1 同步電動機(jī)的定子由機(jī)座、定子鐵心和電 樞繞組等組成。機(jī)座是支承部件，其作用是固定定子鐵心和電樞繞組，大型同步電動機(jī)的機(jī)座都采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)；定子鐵心是構(gòu)成磁路的部件，由刷漆的硅鋼片疊裝而成，目的是減少磁滯和渦流損耗；定子沖片分段疊裝，每段之間有通風(fēng)槽片，以形成徑向通風(fēng)；大30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 5 型同步電動機(jī)的定子沖片為扇形沖片，扇形沖片外圓上的鴿尾槽嵌裝在機(jī)座的定位筋上，鐵心兩端用壓板把鐵心壓緊；電樞繞組為三相對稱交流繞組，多為雙層疊繞組，嵌裝在定子槽內(nèi)，其端部用綁扎繩和絕緣墊塊將線圈伸出鐵心的部分綁扎成喇叭形整體，并用端箍固定在機(jī)座上，其目的是防止電機(jī)起動和沖擊大電 流產(chǎn)生的巨大的電動力造成線圈的振動和變形。 同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)速高低和容量大小分為凸極式和隱極式兩種。一般同步電動機(jī)多采用凸極式轉(zhuǎn)子，而高速運(yùn)行的同步電動機(jī)則采用隱極式。 凸極同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子通常由轉(zhuǎn)軸、磁極、磁軛、阻尼繞組和滑環(huán)等組成。 轉(zhuǎn)軸是支承轉(zhuǎn)子和輸出轉(zhuǎn)矩的部件 ，一般由鍛造的優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼加工而成；磁極是建立轉(zhuǎn)子磁場的部件，它 由 磁極鐵心、勵磁繞組和極身絕緣組成，磁極鐵心通常由磁極沖片疊成，沖片材質(zhì)為 1． 5mm 低碳鋼板，除疊片磁極外，還可采用實(shí)心磁極，其極 身和極靴巾鍛鋼或鑄鋼制成，實(shí)心磁極具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和起動性能，可省去阻尼繞組；磁極卜套有勵磁線圈，各磁極上線圈按一定方式連接起來構(gòu)成勵磁繞組，在勵磁繞組中通人直流電流，使磁極依次產(chǎn)生 N、 S 極；磁軛足轉(zhuǎn)子磁路的一部分，它用 48mm 鋼板沖片疊成，也有用整體鍛鋼加上而成，磁軛的另一個作用是固定磁極，其外表面有鴿尾槽，用于固定磁極并使磁極準(zhǔn)確定位；阻尼繞組的作用一是對磁鏈變化起阻尼作用，二是同步電動機(jī)以異步方式起動時作起動繞組 (鼠籠繞組 )用，阻尼繞組安放在極靴表面圓形半開口槽內(nèi)，阻尼條多為黃銅圓形導(dǎo)條，在槽內(nèi)與 磁極不絕緣，阻尼端環(huán)將阻尼條連接在一起，通常采用釬焊方式。 隱極同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為圓柱體，勵磁繞組安裝在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，隱極式同步電動機(jī)的空氣隙是均勻的。 同步電動機(jī)滑環(huán)的作用是給轉(zhuǎn)子勵磁繞組通人直流勵磁電流，有一個滑環(huán)為正極，另一個為負(fù)極，滑環(huán)的材質(zhì)多為鍛鋼。 同步電機(jī)型號和額定值 例如： W630KW4 極數(shù) 額定容量 30KW 同步電動機(jī)的主要額定數(shù)據(jù)為 ： 額定容量 nP ：指電動機(jī)軸上輸出的有功功率，單位： kw 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 6 額定電壓 nU ：指定子三相繞組上的線電壓，單位： V； 額定電流 nI ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時，流過定子繞組的線電流，單位： A； 額定轉(zhuǎn)速 n ： 指電動機(jī)額定運(yùn)行時的同步轉(zhuǎn)速，單位： r/min； 額定功率因數(shù) 39。cos N? ： 指電動機(jī)額定運(yùn)行時的功率因數(shù)； 額定頻率 nf ：指電動機(jī)額定運(yùn)行規(guī)定的頻率，單位： Hz 額定效率 39。N? ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時的效率； 額定勵磁電壓 fnU ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時的勵磁電壓，單位： V 額定勵磁電流 fnI ：指電動機(jī)額定運(yùn)行時的勵磁電流，單位 ： A ： NNNN IUP ?co s3? 第二章 同步電機(jī)的工作特性 長期以來，人們認(rèn)為通過調(diào)節(jié)功率因數(shù)，可以改善電機(jī)的運(yùn)行特性。本章在敘述了電機(jī)原理、繼承了前人成果的基礎(chǔ)上，建立了數(shù)學(xué)模型并作了相應(yīng)推導(dǎo)。 同步電機(jī)的工作原理 磁場的建立：勵磁繞組通以直流勵磁電流，建立極性相間的勵磁磁場，即建立起主磁場。 載流導(dǎo)體：三相對稱的電樞繞組充當(dāng)功率繞組，成為感應(yīng)電勢或者感應(yīng)電流的載體。 切割運(yùn)動：原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（給電機(jī)輸入機(jī)械能），極性相間的勵磁磁場隨軸一起旋轉(zhuǎn)并順次切割定子各相繞組（相當(dāng)于繞組的導(dǎo)體反向切割勵磁磁場）。 交變電勢的產(chǎn)生：由于電樞繞組與主磁場之間的相對切割運(yùn)動，電樞繞組中將會感應(yīng)出大小和方向按周期性變化的三相對稱交變電勢。通過引出線，即可提供交流電源。 交變性與對稱性：由于旋轉(zhuǎn)磁場極性相間，使得感應(yīng)電勢的極性交變；由于電樞繞組的對稱性，保證了感應(yīng)電勢的三相對稱性。 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 7 同步電機(jī)的基本電磁關(guān)系 1．同步發(fā)電機(jī)的空載運(yùn)行 發(fā)電機(jī)不接負(fù)載時，電樞電流為零，稱為空載運(yùn)行 空載運(yùn)行是同步發(fā)電機(jī)最簡單的運(yùn)行方式 ,其氣隙磁場由轉(zhuǎn)子磁勢 fF (勵磁磁勢 )單獨(dú)建立 ,稱勵磁磁場 . 此時電機(jī)定子的三相繞組只有勵磁電流 fI 感生出的空載電動勢 0E (三相對稱 )，其大小隨 fI 的增大而增加。但是，由于電機(jī)磁路鐵心有飽和現(xiàn)象，所以兩者不成正比。反映空載電動勢 0E 與勵磁電流 fI 關(guān)系的曲線稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性 。 一 ,空載氣隙 磁場 1． 主磁通 ： 既與轉(zhuǎn)子交鏈 ,又經(jīng)氣隙與定子交鏈的磁通 ， 為一以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場 ， 磁密波形沿氣隙圓周近似作正弦分布 ， 其基波分量的每極磁通用 0? 表示 ， 0? 參與電機(jī)的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換 。 2． 漏磁通 ： 除 0? 外的所有諧波成分 ， 及勵磁磁場中僅與轉(zhuǎn)子勵磁繞組交鏈而不與定子交鏈的磁通 ， 漏磁通 不參與電機(jī)的機(jī)電能 量轉(zhuǎn)換 二 ,空載特性 0E = f( fI )或 0E = f( fF ) 1． 空載運(yùn)行時 ， 勵磁電勢隨勵磁電流變化的關(guān)系 ， 稱為同步發(fā)電機(jī)的空載特性 。 轉(zhuǎn)子同步速為 n1。 三相基波電勢有效值為 0E = 0 。 2． 0E = f( fF )： 改變 If， 可改變 0 及 0E ， 由此得空載特性曲線 。 空載特性與電機(jī)磁路的磁化曲線具有類似的變化規(guī)律 ： 勵磁電流較小時 ，30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 8 由于磁通較小 ， 電機(jī)磁路沒有飽和 ， 空載特性呈直線 (將其延長后的射線稱氣隙線 )， E0 隨著勵磁電流的增大 ， 磁路逐漸飽和 ， 磁化曲線開始進(jìn)入飽和段 。 為合理利用材料 ， 空載額定電壓一般設(shè)計在空載特性的彎曲處 。 3． 空載特性可以通過計算或試驗(yàn) 得到 .試驗(yàn)測定的方法與直流發(fā)電機(jī)類似 ，同步電機(jī) 的空載特性也常用標(biāo)么值表示 ， 空載電勢以額定電壓為基值 ， 此時的勵磁電流 (稱為額定勵磁電流 )為勵磁電流的基值 。 用標(biāo)么值表示的空載特性具有典型性 ， 不論電機(jī)容量的大小 ， 電壓的高低 ， 其空載特性彼此非常接近 。 4． 空載特性在同步發(fā)電機(jī)理論中有著重要作用 : ① 空載特性結(jié)合短路特性 (在后面介紹 )可以求取 同步電機(jī) 的參數(shù) ； ② 根據(jù)設(shè)計好的電機(jī)的空載特性 ,可判斷該電機(jī)的磁路是否過于飽和或者材料是否充分利用 ； ③ 發(fā)電廠通過測取空載特性來判斷三相繞組的對稱性以及勵磁系統(tǒng)的故障 。 5． 飽和 系數(shù) ； 飽和電機(jī)中 0E 一定時 ， 氣隙線上的橫坐標(biāo)為氣隙磁動勢空載特性上的橫坐標(biāo)為為勵磁磁動勢 。 飽和系數(shù) k =勵磁磁動勢 /氣隙磁動勢 =ac/ab= 0E / nU 。 同步電機(jī)對稱負(fù)載時的電樞反應(yīng) 同步電機(jī)帶上負(fù)載后，定子三相對稱繞組中流過三相對稱電流，定子繞 組會產(chǎn)生一個磁動勢，簡稱電樞磁動勢，它改變了電機(jī)空載運(yùn)行時單獨(dú)由勵磁磁動勢產(chǎn)生氣隙磁通的情況，這時 將由勵 磁磁動勢和電樞磁動勢合成一 個總磁動勢來產(chǎn)生氣隙磁通，在定子繞組中感應(yīng)電動勢。電樞磁動勢對勵 磁磁動勢的影響就叫做電樞反應(yīng)。 : fFF ?? ?? 負(fù)載： af FFF ??? ??? aF? 對 fF? 的影響，成為電樞反應(yīng)。 2. aF? 和 fF? 性質(zhì)比較：①均是幅值不變的旋轉(zhuǎn)磁動勢； ②均是階梯波，基波為正弦波； ③轉(zhuǎn)速為 n1。 結(jié)論： aF? 和 fF? 在空間相對靜止。 30kw4 極變頻調(diào)速同步電動機(jī)的電磁方案及控制系統(tǒng)的設(shè)計 9 ① 內(nèi)功率因數(shù)角 Ψ：空載電動勢 E0和電樞電流 Ia之間的夾角，與電機(jī)本身參數(shù)和負(fù)載性質(zhì)有關(guān)； ②外功率因數(shù)角 φ：與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)； ③功率角（功角） δ： E0和 U 之間的夾角；且有 Ψ =φ +δ （電感性負(fù)載） ④直軸（ d 軸）：主磁極軸線（縱軸）； ⑤ 交軸（ q軸）：轉(zhuǎn)子相臨磁極軸線 間的中心線為交軸（橫軸） 當(dāng) Ψ為不同值的電樞反應(yīng)性質(zhì) ： ?aF 位 置 ?fF ?aF 夾角 ?aF 記作 電樞反 應(yīng)性質(zhì) 影響 δ=0， Ψ≈φ， 負(fù)載性質(zhì)