【正文】 ()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。上面是確定電機主要尺寸的一般過程。在生產(chǎn)實際中，對于電機設計已經(jīng)積累了豐富的實踐經(jīng)驗，設計時往往只需參考已經(jīng)制成的同類型、相近規(guī)格電機的尺寸，針對所設計電機的結構、材料、工藝特點等因素，直接初選其定子鐵心外徑、內徑和長度，進行核算調整，最后加以確定。1．定子槽數(shù)的選擇在極數(shù)、相數(shù)既定的情況下，定子的槽數(shù)決定于每極每相槽數(shù)。值的大小對電機的參數(shù)、附加損耗、溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。當采用較大的值時：（1）由于定子諧波磁場減小，使附加損耗降低，諧波漏抗減小。（2）一方面每槽導體數(shù)減少，使槽漏抗減小；另一方面槽數(shù)多了，槽高與槽寬的比值相應增大，使槽漏抗增大，但這方面影響較小。（3）槽中線圈邊的總散熱面積增加，有利于撒熱。（4）絕緣材料用量和加工工時增加，槽利用率降低。因此選擇槽數(shù)時應對各方面的因素綜合考慮。對于一般電機，可在2～6間選取，而且盡量選取整數(shù)，因分數(shù)槽繞組容易引起振動和噪聲。對極數(shù)少、功率大的電機，可取的大些；對于極數(shù)多的電機，則需取得小些。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。（1）單層繞組單層繞組的優(yōu)點是：①槽內無層間絕緣，槽的利用率高；②同一槽內的導線都屬于同一相，在槽內不會發(fā)生相間擊穿；③線圈總數(shù)比雙層的少一半，嵌線比較方便。其主要缺點是：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電機導線較粗時，繞組的嵌放和端部的整形比較困難。（2）雙層疊繞組雙層疊繞組通常用于功率較大的電機。其主要優(yōu)點是：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。缺點是多用了絕緣材料，嵌線也較為麻煩。（3）單雙層繞組雙層繞組采用短距時，某些槽內上下層的導體屬于同一相，而某些槽內上下層導體屬于不同相。如果把屬于同一相的上下層導體合起來，用單層繞組來代替，而上下層導體屬于不同相的仍保持原來的雙層繞組，并按同心式繞組端部形狀將其端部連接起來，這種繞組就是單雙層繞組。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。從結構上看，單雙層繞組比之雙層繞組在較短的實際節(jié)距下，可以得到較大的有效節(jié)距，從而使基波繞組系數(shù)提高。當電機的有效匝數(shù)相等時，可以減少實際匝數(shù)；當有效節(jié)距相同時，實際節(jié)距可以縮短，從而節(jié)省繞組用銅，銅損耗也相應減小，效率相應提高。其缺點是線圈的幾何尺寸和節(jié)距不等，單層和雙層線圈的匝數(shù)也不相同，制作稍復雜。大中型凸極同步電機的定子繞組一般采用雙層疊繞組，每極每相槽數(shù)為分數(shù)，即所謂的分數(shù)槽繞組，其主要理由是這種繞組可以改善空載電勢波形。此外，凸極同步電機一般極數(shù)多，采用分數(shù)槽繞組可使電機的電磁負荷選擇得比較合理，因而所設計電機可能比整數(shù)槽繞組的具有較好的電磁性能和經(jīng)濟指標。分數(shù)槽繞組雖然能改善同步電機的電勢波形，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的定子鐵心產(chǎn)生顯著振動及噪聲，在選擇定子槽數(shù)時必須注意。對分數(shù)槽繞組，每極每相槽數(shù)，式中為不可約的分數(shù)。分母不允許時相數(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，因為如果三相繞組的極對數(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。正規(guī)相帶繞組中，每極下個線圈串聯(lián)成一組稱為極相組，按對稱多相繞組進行連接。現(xiàn)在為分數(shù)，繞組不能分割，每個極相組內有個組委個槽，個組為個槽，它們按一定的方式排列。這樣每個極相組，或即個槽將構成個極，為一個循環(huán)，稱為單元電機，它的繞組是對稱的，而整個電機由個單元電機組成。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，可以選擇分數(shù)槽繞組并聯(lián)支路時受到更多的限制。綜上所述，繞組槽數(shù)選擇務必滿足下列條件 3．每相串聯(lián)導體數(shù)，每槽導體數(shù)的計算電機的線負荷A及定子電流的表達式分別為 式中是定子繞組每相串聯(lián)導體數(shù)；是電機每相電流；、是設計任務書給定的效率、功率因數(shù)；A是初步選定的線負荷。和并整理上述兩式得：在確定電機的定子內徑后，從上式可以求出定子繞組的每相串聯(lián)導體數(shù)。從上式可以看出，的大小必然影響電機電磁負荷A和的數(shù)值。當電機的主要尺寸確定后，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。因此設計時通常通過改變來取得若干不同設計方案進行優(yōu)選。如果定子繞組采用的并聯(lián)支路數(shù)為，則每槽導體數(shù)為 ， 注意：選偶數(shù)。對單層繞組，應圓整為整數(shù)，而每線圈匝數(shù)=。對雙層繞組，應取偶數(shù)，此時每個線圈匝數(shù)=。最后可算出定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為。上面計算出的是初步數(shù)據(jù)，待磁路、參數(shù)、性能計算后，如必要還須進一步調整。4．電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定電流密度的選擇對電機的性能及成本影響極大，所以必須全面考慮電機的具體情況：效率、制造成本、使用壽命、散熱條件、絕緣等級、導線材料等。選用較大的值，導體截面減小，可節(jié)省材料、降低成本，但同時卻導致了損耗增大、效率降低，同時電機的溫升增高，壽命和可靠性都降低。工廠中常用控制A和的乘積（稱為熱負荷）來控制電機的溫升，所以在選擇時要注意到前面選用的A值。選定后，便可按下式估算導線截面積 式中是定子繞組額定相電流；是導線并聯(lián)根數(shù)；是定子繞組并聯(lián)支路數(shù)。當較大時，為了避免采用截面太大的導線，一般常把定子每相繞組接成路并聯(lián)，以使每支路的電流減為，或者采用根截面相同的導線并聯(lián)（也可采用幾根截面差別不大的導線并聯(lián)），使每根導線所通過的電流減為，或者既采用路并聯(lián)，又采用根并繞。選擇時主要根據(jù)工藝條件考慮。一般來說，小型電機的支路數(shù)應少些，以免極間連線太多，而大、中型電機（特別是低壓的）有時為了得到合適的每槽導體數(shù)，常采用較多的支路數(shù)。 同步發(fā)電機的效率可按以下公式計算 為電機所有損耗之和 為電機的總鐵耗；為電樞繞組銅耗；為勵磁損耗；為諧波繞組銅耗；為機械損耗；為附加損耗。效率是電機的主要性能指標之一，近幾年來世界各國電機行業(yè)在設計和制造高效節(jié)能電機方面采取的措施除增加有效材料用量和選用優(yōu)質材料以降低銅（鋁）損耗和鐵損耗外（有一定限度，因為材料的增加也意味著能源消耗的增加），在分析和降低附加損耗和機械損耗方面進行了不少研究，主要措施有：選用合適的槽配合，設計新型繞組以降低諧波引起的附加損耗，改進加工工藝，設計高效風扇等。 電機的損耗及溫升計算電機的損耗一般可分為下列各類：（1）定子和轉子鐵心的基本鐵耗，它主要是主磁場在鐵心中發(fā)生變化時產(chǎn)生的。（2）空載時鐵心的附加損耗，它主要指定子和轉子開槽而引起的氣隙磁導諧波磁場在對方鐵心表面產(chǎn)生的表面損耗和因開槽而使對方齒中磁通因電機旋轉而變化所產(chǎn)生的脈振損耗。（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。（4）負載的附加損耗，這是由于定子和轉子的工作電流所產(chǎn)生的漏磁場在定、轉子繞組里和鐵心及結構件里引起的各種損耗。（5）機械損耗，它包括通風損耗、軸承摩擦損耗和電刷與換向器或集電環(huán)的摩擦損耗。圖41 同步電機的功率流程圖以上（1）（2）（5）項稱為空載損耗，因為它們可在空載試驗中測得。對于大多數(shù)運行時電樞端電壓固定或轉速變化率不大的電機，這些損耗從空載到額定負載變動很小。其余兩項是在負載情況下產(chǎn)生的，所以稱為負載損耗。在同步電機里，這些損耗可由短路試驗測得，故又稱短路損耗。電機的溫升計算 電機運行時要產(chǎn)生損耗，這些損耗都轉變成熱能，使得電機的各部分溫度升高。電機某部件的溫度與周圍介質溫度之差，就叫做該部件的溫升。電機不是一個均質物體，其中的發(fā)熱與散熱過程比較復雜，但在研究電機這些過程時，我們往往假定它是一個均質物體，從這里得出一些主要的概念和規(guī)律。根據(jù)對均質物體發(fā)熱過程的分析，得知其溫升隨時間的變化是指數(shù)曲線關系如下圖所示，圖42 溫升隨時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。隨著物體溫度的增加，它與周圍介質的溫差增大，散發(fā)到周圍介質中去的熱量也逐漸增加。理論上當時間t=∞時，物體才達到最終穩(wěn)定溫升，這時物體所產(chǎn)生的全部熱量都散發(fā)到周圍介質通常氣隙選取得盡可能小，以降低空載電流，因為感應電動機的功率因數(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。定子槽必須有足夠大的截面積，使每槽所有導體能不太困難地嵌進去。在采用圓線的半閉口槽中，用槽滿率來表示槽內導線的填充程度。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。當較小時，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，鐵心尺寸也可應縮小，提高材料的利用率；而且有利于槽內導線的散熱。但較高的值雖然可以縮小槽面積（鐵心尺寸也可相應縮小），而且有利于槽內導線的散熱，但是卻給嵌線帶來困難并增加嵌線工時。太高了在嵌線時極易引起絕緣損傷。所以槽滿率不能太高也不能太低，一般控制在7580%左右，機械化嵌線時控制在75%以下。集膚效應又叫趨膚效應,當交變電流通過導體時,電流將集中在導體表面流過,這種現(xiàn)象叫集膚效應。是電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時,會聚集于總導體表層,而非平均分布于整個導體的截面積中。頻率越高，趨膚效用越顯著。在電機槽中如放置由整塊導體組成的線棒，當導體中通以交流時，由于導體沿槽高上截面各部分的漏磁通匝鏈數(shù)不相同，因此感應電勢也不一樣。因此在導體內部形成渦流，使得電流在導體截面上的分布不均勻，導體中的電流密度由槽底向槽口逐漸增加，如圖41（a）所示，使導體中的電流趨向表面，這種現(xiàn)象稱之為集膚效應。這種效應相當于導體的有效截面減小了，如下圖41（c）所示。因之線棒的交流電阻要比直流電阻大。此外，由于這種集膚效應作用，導體的槽漏抗變小。實際計算中，我們以系數(shù) (稱為費立德系數(shù)或電阻增加系數(shù))來計及電阻的增加，以系數(shù)來計及電抗的減小。 （a）槽內導體 （b）電流密度分布 （c）計算導體的等效導體 圖43 槽內導體分布導體中形成的渦流將產(chǎn)生附加渦流損耗，導致效率降低、溫升升高。因此在大型交流電機定子繞組，通常不用尺寸（特別是沿槽高方向的尺寸）較大的單根導體做成的線棒，而用由很多股細導線組成線棒，使集膚作用只產(chǎn)生在高度比較小的細導線截面范圍內，以降低渦流損耗。我們在電機設計中均假定鐵心磁導率等于無窮打，即忽略鐵心的磁阻不計。實際上，鐵心部分一般總有磁阻，而在正常運行或起動時，如果電機的主磁路漏磁路的某些部分處于某種程度的飽和狀態(tài)，鐵心磁阻更是不可忽略的。如欲精確地計算電機的相應運行性能，則須考慮磁路鐵心部分飽和對參數(shù)的影響。一般說，飽和程度不同，相應參數(shù)值也會有所不同。 如果記及實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，因此運行時感應電機的勵磁電抗、同步電機的電樞反應電抗將比我們電機設計的計算值減小?？紤]鐵心飽和影響后的感應電動機勵磁電抗可以下面的公式計算：在感應電機里，為了消弱由齒諧波磁場引起的附加損耗及噪聲，一般龍型轉子（國外曾在定子方面）常采用斜槽，即把轉子槽相對定子槽沿扭斜一個角度。這樣，定、轉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子導條起耦合作用，反之也是。這相當于減少了定、轉子間的互感電抗，而增加了定、轉子的漏抗。這種使得定、轉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。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?？紤]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