【正文】 使所設(shè)計(jì)的同步發(fā)電機(jī)基本滿足性能要求；方案二：在以上條件滿足的情況下，要考慮節(jié)省設(shè)計(jì)電機(jī)的材料；方案三：從考慮同步電機(jī)的效率方面著手修改一下初步的設(shè)計(jì)方案。 當(dāng)我們一個(gè)方案設(shè)計(jì)完成后，會(huì)發(fā)現(xiàn)往往我們根據(jù)已知數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)的方案并不是最合適的，這個(gè)時(shí)候就需要我們對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)兼顧效率、節(jié)省材料等諸方面的因素來(lái)尋求一個(gè)最為合適的方案，這個(gè)過(guò)程就是電磁方案的確定和調(diào)整的過(guò)程。確定鐵心長(zhǎng)度：（1）計(jì)算定子槽形、槽節(jié)距、齒寬、平均齒寬、電樞卡式系數(shù)、定子斜槽因數(shù)以及每極磁通步。確定定子繞組：（1）根據(jù)每槽有效面積和槽滿率計(jì)算每槽導(dǎo)線所占面積Ad（其中Fk=）（2）由 得 根據(jù)上式選取A的值（3）由式4線負(fù)荷求每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)Z（4）計(jì)算每槽導(dǎo)體數(shù)（對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行取整）（5）根據(jù)電樞繞組節(jié)距設(shè)計(jì)繞組，確定、。我們?cè)诘谒恼乱呀?jīng)對(duì)電磁設(shè)計(jì)的理論進(jìn)行了分析論述，本章我們將進(jìn)行電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)計(jì)算。變頻調(diào)速相同步電機(jī)的設(shè)計(jì)不但需要考察同步電機(jī)的效率、功率因數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩等性能參數(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的數(shù)值，還要兼顧到同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。在同步電機(jī)的設(shè)計(jì)中，除了需要考慮其額定運(yùn)行時(shí)的效率、功率因數(shù)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流和起動(dòng)時(shí)磁極繞組中的感應(yīng)電流等性能，電機(jī)的價(jià)格也是一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。同步電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程為先設(shè)計(jì)電機(jī)的定子內(nèi)徑(轉(zhuǎn)子外徑)，再設(shè)計(jì)槽形尺寸，最后設(shè)計(jì)定子外徑和轉(zhuǎn)子軸徑。（5）應(yīng)考慮電機(jī)的裝拆和維修方便，并注意運(yùn)輸條件與使用單位的技術(shù)條件。（3）要盡量使零部件符合“標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化”的要求，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的材料，注意零部件的通用?？紤]下列原則：（1）應(yīng)保證電機(jī)在規(guī)定期限內(nèi)能安全可靠的運(yùn)行。（3）確定某些零部件（例如轉(zhuǎn)子鐵心與軸，機(jī)座與端蓋）之間的機(jī)械連接方法、配合種類等等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和原則大致內(nèi)容：（1）確定電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)型式，包括防護(hù)型式、軸承型式和數(shù)目、軸伸型式、安裝方式、通風(fēng)系統(tǒng)等。此次設(shè)計(jì)沒(méi)有進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在此對(duì)它只作簡(jiǎn)單的介紹。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分，它主要是電磁設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的。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?？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。一般說(shuō)，飽和程度不同，相應(yīng)參數(shù)值也會(huì)有所不同。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。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。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。因之線棒的交流電阻要比直流電阻大。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)。頻率越高，趨膚效用越顯著。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)。太高了在嵌線時(shí)極易引起絕緣損傷。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。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。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。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。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。隨著物體溫度的增加，它與周?chē)橘|(zhì)的溫差增大，散發(fā)到周?chē)橘|(zhì)中去的熱量也逐漸增加。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。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。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。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。（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。（2）空載時(shí)鐵心的附加損耗，它主要指定子和轉(zhuǎn)子開(kāi)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(kāi)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。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诜治龊徒档透郊訐p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。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)。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。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。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。最后可算出定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)為。對(duì)單層繞組，應(yīng)圓整為整數(shù)，而每線圈匝數(shù)=。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。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。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(shū)給定的效率、功率因數(shù)；A是初步選定的線負(fù)荷。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。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。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)。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)。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。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。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。缺點(diǎn)是多用了絕緣材料，嵌線也較為麻煩。（2）雙層疊繞組雙層疊繞組通常用于功率較大的電機(jī)。（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。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。因此選擇槽數(shù)時(shí)應(yīng)對(duì)各方面的因素綜合考慮。（3）槽中線圈邊的總散熱面積增加，有利于撒熱。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。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)。上面是確定電機(jī)主要尺寸的一般過(guò)程。一般是先預(yù)估定子內(nèi)徑，然后計(jì)算鐵心長(zhǎng)度。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。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。 每極磁通為 （） 式中—計(jì)算極弧系數(shù)； —鐵心的計(jì)算長(zhǎng)度； —極距，與電樞直徑的關(guān)系為： （）線負(fù)荷A ()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。電樞繞組的相電勢(shì)為 （）式中K一氣隙磁場(chǎng)波形系數(shù)；一電流頻率；N一電樞繞組的每相串聯(lián)匝數(shù)；一電樞的繞組系數(shù)；一每極磁通。 同步電動(dòng)機(jī)主要尺寸確定電機(jī)的主要尺寸與電機(jī)的容量、同步轉(zhuǎn)速、氣隙磁通密度等參數(shù)有關(guān)。旋轉(zhuǎn)磁極式同步電動(dòng)機(jī)的主要尺寸是指定子內(nèi)徑，和定子鐵心計(jì)算長(zhǎng)度。 同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)電機(jī)設(shè)計(jì)中的首要步驟就是主要尺寸的設(shè)計(jì)。正如緒論中所指出的，為提高部件的通用性以縮短電機(jī)的研制周期，并且節(jié)省研制資金，本文參考和借用了已有的規(guī)格電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)尺寸，轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)尺寸則是本文重點(diǎn)要研究的內(nèi)容。本文將只研究同步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)部分，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不予以涉及。③結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：這一階段的任務(wù)是確定電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、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(jī)械計(jì)算及通風(fēng)和溫升計(jì)算。首先是熟悉國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，收集相近電機(jī)的產(chǎn)品樣本和技術(shù)資料；然后在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定及分析相應(yīng)資料的基礎(chǔ)上，編制技術(shù)任務(wù)書(shū)或技術(shù)建議書(shū)。對(duì)于電機(jī)的技術(shù)要求，我國(guó)國(guó)標(biāo)中所規(guī)定的通常有三類：第一類是對(duì)電機(jī)的一般規(guī)定和技術(shù)要求；第二類是一種或幾種具體類型電機(jī)的技術(shù)要求；第三類是各種電機(jī)的試驗(yàn)方法。p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。④額定頻率：我國(guó)規(guī)定的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為50Hz。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通常給定下列數(shù)據(jù)：①額定功率：對(duì)于電動(dòng)機(jī)是指軸上輸出的機(jī)械功率②額定電壓：對(duì)于交流電機(jī)來(lái)說(shuō)，指線電壓。例如：電機(jī)各項(xiàng)性能以及技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之間經(jīng)常存在矛盾，當(dāng)采取措施改善某個(gè)性能時(shí)，常會(huì)使其它一些性能變差，這時(shí)就需要從整體角度來(lái)考慮取舍。第四章 同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論分析第四章 同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的理論分析 電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)與過(guò)程電機(jī)設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格(如功率、電壓、轉(zhuǎn)速等)、技術(shù)要求(如效率、參數(shù)、溫升限度、機(jī)械可靠性要求等)，結(jié)合國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)的實(shí)際情況，運(yùn)用有關(guān)的理論和計(jì)算方法，正確處理設(shè)計(jì)時(shí)遇到的各種問(wèn)題，從而設(shè)計(jì)出性能好、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、制造和維護(hù)方便的先進(jìn)產(chǎn)品。大型同步電機(jī)采用變頻起動(dòng)方法的日漸增多。定子邊電源頻率逐漸升高，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之逐漸升高；定子邊頻率達(dá)額定值后，轉(zhuǎn)子也達(dá)額定轉(zhuǎn)速，起動(dòng)完畢。目前廣泛采用可控硅整流勵(lì)磁，自動(dòng)控制起動(dòng)。等起動(dòng)到接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，再把所串的電阻去除，通以直流電流，完成起動(dòng)的過(guò)程。那樣，勵(lì)磁繞組中感應(yīng)的電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，有可能使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)不到接近同步速的轉(zhuǎn)速。否則，在大轉(zhuǎn)差時(shí)，氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在勵(lì)磁繞組里感應(yīng)出較高的電動(dòng)勢(shì)，有可能損壞它的絕緣。由于這時(shí)轉(zhuǎn)差很小，只要磁場(chǎng)足夠大，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)之間的相互吸引力便能使轉(zhuǎn)子提高到同步轉(zhuǎn)速，跟著定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，從而將同步電動(dòng)機(jī)牽入同步運(yùn)行。起動(dòng)時(shí)，先把QS2與電阻閉合，再把開(kāi)關(guān)QS1將同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組接通三相交流電源，這時(shí)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在阻尼繞組中感應(yīng)出電流，此電流與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生異步電磁轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)便作為異步電動(dòng)機(jī)而起動(dòng)。同步電動(dòng)機(jī)也可采用可以在額定電壓下直接起動(dòng)，也可用降壓起動(dòng)，如Y——△起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)或串電抗器起動(dòng)等。阻尼繞組和異步電動(dòng)機(jī)的籠型繞組很相似，只是它裝在轉(zhuǎn)子磁極的極靴上，如圖33所示，所以有時(shí)也把這種阻尼繞組稱為起動(dòng)繞組。目前同步電動(dòng)機(jī)常用的起動(dòng)方法有兩種，即異步起動(dòng)法和變頻起動(dòng)法。因此，要起動(dòng)同步電動(dòng)機(jī)必須借助于其他方法。 圖320接通勵(lì)磁后起動(dòng)時(shí)同步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 a) 相互吸引； (b) 相互排斥由圖可見(jiàn)，此瞬間定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也為逆時(shí)針?lè)较?，是推?dòng)轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的。這一現(xiàn)象可以用圖32來(lái)說(shuō)明。起動(dòng)時(shí)若把定子直接投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子加上直流勵(lì)磁，則定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)靜止不動(dòng)。 從V形曲線可以直觀的看出同步電動(dòng)機(jī)的定子電流、勵(lì)磁電流和輸出功率之間的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)就會(huì)失步，如圖319中虛線所示的不穩(wěn)定區(qū)。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)帶了一定負(fù)載時(shí)，減小勵(lì)磁電流，電動(dòng)勢(shì)。線向右傾斜，說(shuō)明同步電動(dòng)機(jī)輸出為純有功功率時(shí)，隨輸出功率增大，勵(lì)磁電流必須相應(yīng)增加。對(duì)每條V形曲線，定子電流都有一個(gè)最小值，這時(shí)定子僅從電網(wǎng)吸收有功功率，功率因數(shù)。輸出功率越大，在相同的勵(lì)磁電流條件下，定子電流增大，所得V形曲線往右上方移。把定子電流的大小與勵(lì)磁電流大小的關(guān)系，用曲線表示，如圖11—21所示。