【正文】 ()將式（）、式（）、式（）、式（）和式（）代入式（）中得： （）式（）中將電機(jī)的功率和同步轉(zhuǎn)速通過(guò)系數(shù)，與電機(jī)定子內(nèi)圓包括的圓柱體體積聯(lián)系在一起。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。該常數(shù)包含了電機(jī)線負(fù)荷、氣隙磁密等電機(jī)電磁負(fù)荷的信息，在電機(jī)設(shè)計(jì)中非常重要。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(lái)選取的。對(duì)于中小型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常取線負(fù)荷A在～A/m，～；大型感應(yīng)電機(jī)的A和可略高。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(duì)數(shù)、功率、冷卻條件、性能要求等多種因素有關(guān)。一般是先預(yù)估定子內(nèi)徑，然后計(jì)算鐵心長(zhǎng)度。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。上面是確定電機(jī)主要尺寸的一般過(guò)程。在生產(chǎn)實(shí)際中，對(duì)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(duì)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(zhǎng)度，進(jìn)行核算調(diào)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(duì)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。當(dāng)采用較大的值時(shí)：（1）由于定子諧波磁場(chǎng)減小，使附加損耗降低，諧波漏抗減小。（2）一方面每槽導(dǎo)體數(shù)減少，使槽漏抗減??；另一方面槽數(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。（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(shí)增加，槽利用率降低。因此選擇槽數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)各方面的因素綜合考慮。對(duì)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。對(duì)極數(shù)少、功率大的電機(jī)，可取的大些；對(duì)于極數(shù)多的電機(jī)，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(diǎn)是：①槽內(nèi)無(wú)層間絕緣，槽的利用率高；②同一槽內(nèi)的導(dǎo)線都屬于同一相，在槽內(nèi)不會(huì)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(diǎn)是：①在一般情況下不易做成短距，因而其磁勢(shì)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。（2）雙層疊繞組雙層疊繞組通常用于功率較大的電機(jī)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：①可以選擇有利的節(jié)距以改善磁勢(shì)與電勢(shì)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。缺點(diǎn)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(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。如果把屬于同一相的上下層導(dǎo)體合起來(lái)，用單層繞組來(lái)代替，而上下層導(dǎo)體屬于不同相的仍保持原來(lái)的雙層繞組，并按同心式繞組端部形狀將其端部連接起來(lái)，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(chǎng)波形，較低的附加損耗等一系列特點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上看，單雙層繞組比之雙層繞組在較短的實(shí)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(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。其缺點(diǎn)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(fù)雜。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(shì)波形。此外，凸極同步電機(jī)一般極數(shù)多，采用分?jǐn)?shù)槽繞組可使電機(jī)的電磁負(fù)荷選擇得比較合理，因而所設(shè)計(jì)電機(jī)可能比整數(shù)槽繞組的具有較好的電磁性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。分?jǐn)?shù)槽繞組雖然能改善同步電機(jī)的電勢(shì)波形，但在某些情況下，與基波次數(shù)接近的次諧波磁場(chǎng)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。對(duì)分?jǐn)?shù)槽繞組，每極每相槽數(shù)，式中為不可約的分?jǐn)?shù)。分母不允許時(shí)相數(shù)m的倍數(shù)，也就是，對(duì)于三相繞組，為不允許3的倍數(shù)，否則繞組不對(duì)稱，因?yàn)槿绻嗬@組的極對(duì)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(gè)線圈串聯(lián)成一組稱為極相組，按對(duì)稱多相繞組進(jìn)行連接?，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。這樣每個(gè)極相組，或即個(gè)槽將構(gòu)成個(gè)極，為一個(gè)循環(huán)，稱為單元電機(jī)，它的繞組是對(duì)稱的，而整個(gè)電機(jī)由個(gè)單元電機(jī)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(duì)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。綜上所述，繞組槽數(shù)選擇務(wù)必滿足下列條件 3．每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，每槽導(dǎo)體數(shù)的計(jì)算電機(jī)的線負(fù)荷A及定子電流的表達(dá)式分別為 式中是定子繞組每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)；是電機(jī)每相電流；、是設(shè)計(jì)任務(wù)書給定的效率、功率因數(shù)；A是初步選定的線負(fù)荷。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)。從上式可以看出，的大小必然影響電機(jī)電磁負(fù)荷A和的數(shù)值。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。因此設(shè)計(jì)時(shí)通常通過(guò)改變來(lái)取得若干不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)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(dǎo)體數(shù)為 ， 注意：選偶數(shù)。對(duì)單層繞組，應(yīng)圓整為整數(shù)，而每線圈匝數(shù)=。對(duì)雙層繞組，應(yīng)取偶數(shù)，此時(shí)每個(gè)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(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。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(duì)電機(jī)的性能及成本影響極大，所以必須全面考慮電機(jī)的具體情況：效率、制造成本、使用壽命、散熱條件、絕緣等級(jí)、導(dǎo)線材料等。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。工廠中常用控制A和的乘積（稱為熱負(fù)荷）來(lái)控制電機(jī)的溫升，所以在選擇時(shí)要注意到前面選用的A值。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)。當(dāng)較大時(shí)，為了避免采用截面太大的導(dǎo)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(dǎo)線并聯(lián)（也可采用幾根截面差別不大的導(dǎo)線并聯(lián)），使每根導(dǎo)線所通過(guò)的電流減為，或者既采用路并聯(lián)，又采用根并繞。選擇時(shí)主要根據(jù)工藝條件考慮。一般來(lái)說(shuō)，小型電機(jī)的支路數(shù)應(yīng)少些，以免極間連線太多，而大、中型電機(jī)（特別是低壓的）有時(shí)為了得到合適的每槽導(dǎo)體數(shù)，常采用較多的支路數(shù)。 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。效率是電機(jī)的主要性能指標(biāo)之一，近幾年來(lái)世界各國(guó)電機(jī)行業(yè)在設(shè)計(jì)和制造高效節(jié)能電機(jī)方面采取的措施除增加有效材料用量和選用優(yōu)質(zhì)材料以降低銅（鋁）損耗和鐵損耗外（有一定限度，因?yàn)椴牧系脑黾右惨馕吨茉聪牡脑黾樱?，在分析和降低附加損耗和機(jī)械損耗方面進(jìn)行了不少研究，主要措施有：選用合適的槽配合，設(shè)計(jì)新型繞組以降低諧波引起的附加損耗，改進(jìn)加工工藝，設(shè)計(jì)高效風(fēng)扇等。 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(chǎng)在鐵心中發(fā)生變化時(shí)產(chǎn)生的。（2）空載時(shí)鐵心的附加損耗，它主要指定子和轉(zhuǎn)子開槽而引起的氣隙磁導(dǎo)諧波磁場(chǎng)在對(duì)方鐵心表面產(chǎn)生的表面損耗和因開槽而使對(duì)方齒中磁通因電機(jī)旋轉(zhuǎn)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(fù)載的附加損耗，這是由于定子和轉(zhuǎn)子的工作電流所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)在定、轉(zhuǎn)子繞組里和鐵心及結(jié)構(gòu)件里引起的各種損耗。（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。圖41 同步電機(jī)的功率流程圖以上（1）（2）（5）項(xiàng)稱為空載損耗，因?yàn)樗鼈兛稍诳蛰d試驗(yàn)中測(cè)得。對(duì)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。其余兩項(xiàng)是在負(fù)載情況下產(chǎn)生的，所以稱為負(fù)載損耗。在同步電機(jī)里，這些損耗可由短路試驗(yàn)測(cè)得，故又稱短路損耗。電機(jī)的溫升計(jì)算 電機(jī)運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生損耗，這些損耗都轉(zhuǎn)變成熱能，使得電機(jī)的各部分溫度升高。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。電機(jī)不是一個(gè)均質(zhì)物體，其中的發(fā)熱與散熱過(guò)程比較復(fù)雜，但在研究電機(jī)這些過(guò)程時(shí)，我們往往假定它是一個(gè)均質(zhì)物體，從這里得出一些主要的概念和規(guī)律。根據(jù)對(duì)均質(zhì)物體發(fā)熱過(guò)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(lái)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(zhì)的溫差增大，散發(fā)到周圍介質(zhì)中去的熱量也逐漸增加。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。但是氣隙不能過(guò)小，否則除影響機(jī)器可靠性外，還會(huì)使諧波磁場(chǎng)及諧波電抗增大，導(dǎo)致啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩減小，諧波轉(zhuǎn)矩和附加損耗增加，進(jìn)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(nèi)經(jīng)、軸的直徑和軸承間的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度。因?yàn)闄C(jī)座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時(shí)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(zhuǎn)子裝配在一起后，定子鐵心內(nèi)圓和轉(zhuǎn)子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻度，其值對(duì)電機(jī)運(yùn)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(dǎo)體能不太困難地嵌進(jìn)去。在采用圓線的半閉口槽中，用槽滿率來(lái)表示槽內(nèi)導(dǎo)線的填充程度。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。當(dāng)較小時(shí)，電樞繞組電密會(huì)變大，相應(yīng)的電樞發(fā)熱參數(shù)升高，因而不利槽內(nèi)導(dǎo)線的散熱。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。較高的槽滿率值不僅可以縮小槽面積，鐵心尺寸也可應(yīng)縮小，提高材料的利用率；而且有利于槽內(nèi)導(dǎo)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(yīng)縮?。?，而且有利于槽內(nèi)導(dǎo)線的散熱，但是卻給嵌線帶來(lái)困難并增加嵌線工時(shí)。太高了在嵌線時(shí)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(jī)械化嵌線時(shí)控制在75%以下。集膚效應(yīng)又叫趨膚效應(yīng),當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),電流將集中在導(dǎo)體表面流過(guò),這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。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。頻率越高，趨膚效用越顯著。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(shì)也不一樣。因此在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流，使得電流在導(dǎo)體截面上的分布不均勻，導(dǎo)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(dǎo)體中的電流趨向表面，這種現(xiàn)象稱之為集膚效應(yīng)。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。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(yīng)作用，導(dǎo)體的槽漏抗變小。實(shí)際計(jì)算中，我們以系數(shù) (稱為費(fèi)立德系數(shù)或電阻增加系數(shù))來(lái)計(jì)及電阻的增加，以系數(shù)來(lái)計(jì)及電抗的減小。 （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。因此在大型交流電機(jī)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(dǎo)體做成的線棒，而用由很多股細(xì)導(dǎo)線組成線棒，使集膚作用只產(chǎn)生在高度比較小的細(xì)導(dǎo)線截面范圍內(nèi)，以降低渦流損耗。我們?cè)陔姍C(jī)設(shè)計(jì)中均假定鐵心磁導(dǎo)率等于無(wú)窮打，即忽略鐵心的磁阻不計(jì)。實(shí)際上，鐵心部分一般總有磁阻，而在正常運(yùn)行或起動(dòng)時(shí)，如果電機(jī)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(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(duì)參數(shù)的影響。一般說(shuō)，飽和程度不同，相應(yīng)參數(shù)值也會(huì)有所不同。 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(duì)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?？紤]鐵心飽和影響后的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電抗可以下面的公式計(jì)算：在感應(yīng)電機(jī)里，為了消弱由齒諧波磁場(chǎng)引起的附加損耗及噪聲，一般龍型轉(zhuǎn)子（國(guó)外曾在定子方面）常采用斜槽，即把轉(zhuǎn)子槽相對(duì)定子槽沿扭斜一個(gè)角度。這樣，定、轉(zhuǎn)子繞組自建的電磁耦合系數(shù)減少了，即是說(shuō)，由定子電流產(chǎn)生的基波磁場(chǎng)有一部分不與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條起耦合作用，反之也是。這相當(dāng)于減少了定、轉(zhuǎn)子間的互感電抗，而增加了定、轉(zhuǎn)子的漏抗。這種使得定、轉(zhuǎn)子間的互感電抗減小的因