科学瞎想系列之七十二 电机设计宝典(中学版)

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过完年了,恭喜宝宝们升入了中学,老师接着给宝宝们讲一讲中学阶段电机设计的那点事。在幼儿园和小学阶段,老师给宝宝们讲了比着葫芦画瓢的设计方法,那基本不用脑子,会摁计算器就OK,中学了,就得长点心了,得知其然也得知其所以然,今天老师不具体讲那些个理论和公式,只给宝宝们理思路、理过程,使宝宝们知道那些公式都是在算嘛、为嘛要算哪些东东、从哪下手算、算成嘛样就OK、不OK怎么办等等这些问题。只有知道了这些你才知道了所以然。考虑到宝宝们的基础,老师今天讲的还主要是针对传统的电机,至于那些特殊电机,仅供参考。 1电机设计的内容。电机设计主要包括,电磁设计、结构设计、绝缘设计、热设计等,其中电磁设计是核心。电磁设计就是根据用户的要求及相关标准、法律法规确定电路和磁路的结构,具体讲就是铁心和槽型尺寸、绕组的匝数和截面,核算电机的参数和性能直至满足用户要求。

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2 电磁设计的流程。电磁设计就是根据用户要求确定电磁结构,这个过程就是电磁设计的流程。先给宝宝们理理思路:从设计任务看,用户的要求是出发点,目标终点是确定出电机的电磁结构参数,主要包括铁心的尺寸、槽形尺寸和绕组的参数。但从因果逻辑关系看,用户所提的要求大多是一些功能要求和规格参数、性能参数等,这些要求取决于电磁结构参数,也就是说电机的各部分结构尺寸、材料、绕组的匝数、线规等结构参数一旦确定,就决定了唯一的功能、规格、性能等参数;而对应同一种用户要求,电磁结构参数却并不是唯一的,不同的设计师可以有无数种设计方案。由此可见,用户的要求与其说是电磁设计的出发点,不如说是目标终点。因此从电磁设计的顺序来看讲,需要从电磁结构参数出发,来推导电机的功能及规格参数和性能参数。问题来了,结构参数是电磁设计要得到的结果,如果知道了电磁结构参数,那还搞什么电磁设计?正因为电磁结构参数是未知的,才需要我们搞电磁设计。这就用到了中学的思维方法,设未知数列方程求解,但这种方法不适用于电磁设计,一是电磁结构参数太多,未知数太多;二是电机磁路存在着饱和引起的非线性关系无法列方程;三是如前所述,对应同一种用户要求有无数个解。因此列方程求解的方法也是走不通的。怎么办呢?还有一种中学常用的方法,那就是试算法,也就是先根据用户的要求,通过估算初步设定一系列电磁结构参数,然后由此出发根据电机有关专业知识推演出电机的性能参数,再与用户的要求进行对比,看是否满足用户要求以及是否优化,如果是则电磁设计结束;如果否,则需重新修正电磁结构参数,重新推演性能参数,如此循环直至满足用户要求且方案最优为止。

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说!要把大象装冰箱一共需要三步,而电机电磁设计则需要十步,流程如下图所示。由此可见电机设计要比演小品难七步!

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3 各步骤要点。理清了设计思路和流程,接下来就说一说各步骤的要点,考虑到宝宝们只有中学基础,今天只说前五步,后面的步骤到大学再说。 ①设计输入。设计输入主要来自用户所提的要求,通常用户的要求包括功能要求、规格参数和性能要求。这些要求大致可以分为三类:一类是反映电机能力的参数, 如:额定功率、电流、转距等,这类参数表明了电机在安全工作范围内所能达到的最大能力,电机实际运行时,并不一定严格运行在这个参数点上,例如一台额定功率100千瓦的发电机并不是一直永远运行在100千瓦,可能只带一个60瓦的灯泡负载而轻载运行,这也是可以正常运行的,但如果用户一直要运行这在100千瓦,电机必须具备这个能力,必须保证运行安全;第二类是反映电机运行条件的参数,如:额定电压、频率、转速等参数,这类参数要求电机在运行时必须保证,否则电机将不能正常运行,这是由电磁设计决定的;第三类是反映电机性能优劣的参数,如效率、温升、 起动转矩、起动电流等。有一个参数必须要专门讲一下,这个参数就是功率因数,对于同步电机而言,功率因数属于第一类的参数,反映了发电机带无功负载的能力或同步电动机的调相能力;对于异步电机而言,功率因数则是一个性能参数,属于第三类,即功率因数的高低反映了异步电机的性能优劣。上述前两类参数属于电磁设计输入参数,第三类参数则属于电磁设计的输出参数,用于电磁计算之后校核是否满足用户要求。设计输入参数中最主要的是额定功率(容量)、额定电压和额定转速,如果是同步发电机还要加上功率因数,有了这几个参数,基本就可以进行电磁计算了,最起码可以大概拍脑门也八九不离十了。所以在与客户交流时必须首先要得到这几个参数,否则电磁计算将无从下手,这点宝宝们务必要切记!特别是新手宝宝。 ② 初步估算铁心结构。包括:铁心长度、 三圆直径以及槽数和槽型尺寸。前面讲了,要首先假设一系列结构参数才能推算电机最终性能参数,这一步是电磁计算的关键,也是检验宝宝们水平高低的试金石,牛逼的宝宝一把就能够估算的八九不离十,这样就减轻了后续的循环调整工作量,水平差的宝宝则需要多次循环反复才能够得到满意的结果。关于这一步的估算可以参照老师在幼儿园和小学教宝宝们的方法,比着葫芦画瓢来估算,也可以 参考电机设计教科书上的公式来估算,任何一本电机设计教科书都会讲到电机的有效体积与电机的转矩成正比,即: (P/n)/(D²L)=α′•Kwm•Kdp•A•Bδ=C 式中:P为电机的计算功率;n为转速;D为电枢直径;L为铁心有效长度;α′为计算极弧系数;Kwm为磁密波形系数;Kdp为绕组系数;A为线负荷(电负荷);Bδ为磁负荷;C为电机常数。 根据设计输入参数就可以估算出电机的有效体积。关于这个公式的推导老师认为教科书上讲的过于复杂,以至于中学宝宝们不大容易理解,在此老师不想重复教科书上的东东,老师自己总结了一套非常简便易懂的推导方法,篇幅所限今天也不打算详细讲解,以后老师会专门瞎想一期来说说这个问题。

为了防止不良媒体盗版,这里插播一段广告,喜欢老师瞎想系列的宝宝敬请关注俺的公众号:龙行天下CSIEM ③ 初估绕组匝数及截面。根据电压、频率和初步假定的铁心尺寸,利用那个著名的4.44公式就可以初步估算出绕组的匝数,根据电流可以初步估算出绕组的总截面积,这个都太蚁贼,老师就不细啰嗦了。需要提醒宝宝们注意的是这一步需要和电机的极数、槽数以及槽型尺寸统筹考虑。 ④ 磁路计算。磁路计算是电磁设计的核心步骤之一,所谓磁路计算就是计算磁路中各处的磁密、各段磁路的磁压降和总的磁压降(总磁势)。与电路类似,磁路也有一个欧姆定律,磁路计算也是基于磁路欧姆定律进行的。理论上磁路计算时可以有两种方式,一种是根据磁势求磁通,即施加磁势(励磁电流)激励,来求解磁通和各处磁密;二是根据磁通求磁势(磁压降)。对于线性磁路来讲,这两种方式都是可行的,但遗憾的是,电机内的磁路会因铁心的磁饱和而呈现非线性特性,而且电机内的磁路是由多段不同材料的介质组成,结构复杂,如果只给出总磁势,难以准确分配各段磁路的磁压降,也就难以求解各段磁通,因此第一种方式实际上是行不通的,特别是手算。只能采用第二种方式,给定磁通求磁势。问题来了,如果就是给定了磁势,让你求磁通那该怎么办?还得采用试算法,先估算假设一个磁通值,解算磁压降(磁势),如果算出的磁势与给定值相同(差别在一个极小范围内),则磁通即等于假设值,否则就需要重新修正磁通假设值,如此循环直至满足要求。无论是手算还是用软件仿真,其计算过程都是如此。因此磁路计算时,首先用那个4.44公式初步估算磁通,根据磁通和各处磁路截面计算各段磁路的磁密,然后根据各段磁路的材料或查其磁化曲线或利用其磁导率计算磁阻,得到各段磁路的磁压降和总的磁压降,最后根据总的磁压降计算出所需的励磁电流,这个励磁电流就是异步电机的空载电流或同步电机的空载励磁(转子)电流。磁路计算除了计算空载,还要计算负载(满载)状态下的磁路,通常情况下空载和负载时各处的磁密差别不大,负载磁路计算更主要的目的是计算负载时的励磁电流(对同步电机)或负载时定、转子电流(对异步电机),以便后续核算定、转子绕组的电密和热负荷。前面说了,这里只讲思路,有关磁路计算的详细公式,电机设计教科书和手算程序里都有,在此不一一讲解,对具体公式有不懂的单独答疑。仿真设计软件也是按照这个思路编写的。 ⑤ 核算各处磁密、电密及热负荷。磁路计算的目的就是要核算磁路各处的磁密、各绕组的电密和热负荷。对于各处磁密可根据所用铁磁材料的磁化曲线判断是否合理,判断准则一是磁密工作点处于磁化曲线的拐点附近为宜;二是各处磁密应基本一致,不能差别过大,齿部磁密允许适当高一些,转子磁密可较定子磁密略高一些。如果定转子轭磁密不合理则需要重新调整中圆尺寸;如果齿磁密不合理则需要调整槽型尺寸;如果各部分磁密分配合理但总体偏大或偏小则需要调整铁心长度或整体三圆直径。 关于电密和热负荷是否合理则主要取决于电机的冷却方式和冷却条件。通常对于各种冷却方式的电机,电密、电负荷及热负荷都会有一个合理的取值范围,宝宝们可以参照你自己公司类似的产品对比一下即可。长点心的宝宝,可以把你所在公司各类冷却方式的电机产品的电磁负荷都统计一下,记到你的小本本上,这就是经验的积累,如果你跳槽,把这些东东带上,即不违法也远比你采用下三烂的手段偷着复制你单位一大摞图纸有用得多,因为这些东东才真正代表你的核心竞争力,你的这类东东积攒得越多说明你的价值越高。所以宝宝们长点心吧!别每天贼一样,傻不拉几的见什么都胡抄乱记的,知道什么是真正的技术这一点很重要! 今天老师主要给宝宝们捋了捋电机磁设计的思路和流程,相信你知道了这些就可以理解教科书和手算程序里那些公式都是干嘛用的了;也知道了应该先算什么,后算什么;什么叫算得合理;不合理该调哪。这才是电磁设计最关键的,至于那些公式,书上都有,自己去慢慢理解吧!最后提醒宝宝们注意的是,现在搞电机设计大多采用软件仿真的手段来进行,的确设计软件的应用对提高设计精度和设计效率有极大的帮助,但用软件仿真也有缺点,那就是不利于宝宝们对电机设计理论的理解和提高,因此建议新手上路,最好是先用手算程序操练几个项目,这样有助于你对理论的理解和提高,能够使你迅速得到成长,也有利于将来能够更好地驾驭设计软件。 好了,这期的瞎想就先说到这儿,到了大学老师再给宝宝们讲电磁设计最重要,也是宝宝们问得最多的步骤——参数计算。敬请期待吧!

原文发布于微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e)

原文发表时间:2018-03-09

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