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精彩书摘

第1章电机的本质
　　首先，请思考电机与其他动力装置有哪些不同。
　　常见的动力装置，如水车、发动机和汽轮机等都是中空结构，向其中注入水、油、天然气或蒸汽等物质，从而产生机械能。
　　然而，电机并非中空结构，其产生的能量来自电机中导线内部的电子运动。正如汽油质量的优劣左右发动机的特性，电机的特性取决于导线内自由电子的量和状态，以及磁路的材质等。主要材料的优劣直接决定了电机特性，这是宿命。
　　不仅如此，电机与其他动力装置相比，所用材料的种类繁多。一般的动力装置以金属为主要材料，但电机除了作为结构材料的金属，还使用了大量磁性材料，以及多种有机、无机固体和液体绝缘材料。
　　近年来，随着磁性材料特性的提升，损耗有所降低，绝缘材料的绝缘性能不断提升，容许温度也显著提高。材料革新与设计技术的进步，明显促进了电机的小型化和高效率化。但是，绝缘材料必须在变质温度以下使用的限制依然存在，这一点不同于其他动力装置，要时刻注意。
　　另外，电机本身的控制性能十分出色。近年来随着电力电子技术的进步，电机控制特性得到了明显改善，相比于其他动力装置优势明显。为了充分发挥这一优势，电机设计也必须根据用途仔细斟酌控制方式。
　　请大致思考下，电机的尺寸和容量之间有何种关系？将某台电机的各部分尺寸像拉伸立体照片一样放大到2倍，那么容量会变为几倍？各部分尺寸变为2倍，电路导线尺寸也变为2倍，截面积就变为22=4倍。
　　常见的电机导线的电流密度约为3 A/mm2，电机尺寸变为2倍，意味着电流将变为4倍。
　　同理，磁路的尺寸也变为2倍，磁通量方向上直角磁路的截面积变为22=4倍。常见的铁心的磁通密度约为1 T，可以视为常量。尺寸变为2倍的电机中，磁通量会变为4倍。因此新磁通量产生的感应电动势为原先的4倍。
　　由此可知，电流和电压都变为原先的4倍，所以尺寸变为2倍的电机的容量是原先的4×4=16倍。例如，以100 kW的电动机的2倍尺寸制造电动机，可以得到1600 kW容量。
　　然而尺寸变为2倍的电机的体积变为23=8倍，在各部分材质不变的情况下，质量也变为8倍。换句话说，使用8倍的材料可以获得16倍的容量，电机的容量越大，单位容量所需的材料越少，成本也就越低。
　　接下来，我们看一看电机尺寸变为2倍后效率和温升如何变化。
　　如前文所述，尺寸变为2倍后，质量就会变为8倍。假设电流密度和磁通密度不变，单位质量的铜损和铁损也不变，整体的铜损和铁损也会变为8倍。容量变为16倍，单位容量的损耗就会变为8/16=1/2。因此，电机的容量越大，效率越高。
　　可是将损耗产生的热量散发到大气中的散热面积，即电机的表面积变为了22=4倍。电机的温升和单位散热面积的损耗成正比，所以2倍尺寸的电机的损耗变为原先的8倍，而散热面积只增加到4倍，预计温升会达到2倍。
　　综上所述，电机的尺寸同比放大时，容量以比例的4次方增大，虽然提高了效率，降低了材料费用，但是有温升增大的缺点。
　　观察电机实物会发现，越是大容量的电机，越要考究各种冷却部件以增大散热面积，而且电机外形不一定会同比变化。
　　例如，千伏安级柱上变压器本体只是简单地放在箱中，但是百万伏安级变压器就需要在箱外安装散热器，更大型的变压器还会采取强制换热的油冷和风冷措施。而大型旋转电机本体上可以设计风道，设置冷却风扇，或者在风道内设置氢冷或水冷管道等，还可以在绕组内部进行油冷或水冷，方法多种多样。要注意的是，电流密度和磁通密度也会视电机的大小和冷却装置而异。
　　一提到损耗，人们总会想到浪费、毫无益处，希望能够根除，但是对于电机，损耗未必是毫无益处的。
　　例如，绝缘材料受潮后绝缘性能会降低，但损耗产生的热量恰好能起到烘干作用；旋转电机的转子会产生风损，但电机反而因此得以冷却，使绝缘材料保持在容许温度以内。安装风扇导致风损增大，但冷却风量也增大了，由此还可以增大电机容量。
　　电机的损耗可分为铁损、铜损和机械损耗，我们来看一看它们分别是怎样产生的。
　　1.2.1 铁损
　　在变压器铁心、直流电机和交流电机的电枢铁心内部，磁通量的变化会产生铁损。为了尽可能降低铁损，可以采用各种1%～3%硅含量的薄硅钢板。针对变压器应用，有高磁通密度、低铁损的各向同性硅钢板和细化磁畴的磁畴控制材料，以及6.5%硅含量的低噪声、高频用的硅钢板等。随着硅钢板的特性不断提升，种类日趋丰富，人们能够很容易地根据电机设计选择特性适宜的硅钢板。
　　众所周知，交变磁通穿过铁心时会产生涡流损耗和磁滞损耗，前者与硅钢板厚度 d的平方、频率 f的平方以及磁通密度 B的平方成正比；后者与硅钢板厚度无关，与 f成正比，与 B的1.6～2次方成正比。实际上，当铁心内的 B高达1 T以上时，磁滞损耗也与 B的平方成正比。因此，每1 kg铁心的损耗 wf（W/kg）为
　　（1.1）
　　式中，σh为磁滞损耗系数；σe为涡流损耗系数。
　　表1.1列举了各种硅钢板磁通密度 B0下的实际 w0值，以及对应的σh和σe值。
　　表1.1铁心钢板种类、损耗及其系数
　　已知 w0， d和 f2不变， B0变为 B时的 wf（W/kg）可用下式计算：
　　（1.2）
　　然而，式（1.1）计算的铁损仅适用于钢板的交变磁通密度不变的情况（如使用铁损试验装置测量铁损），实际电机中铁心内的磁通密度并不稳定，而且不止交变磁通，还有旋转磁通，因此实际铁损高于式（1.1）的计算结果。另外，旋转电机电枢铁心齿部的磁通量分布及其时间变化非常复杂，实际铁损会达到式（1.1）计算结果的2～3倍，铁心结构相对简单的变压器等的实际铁损也会达到1.05～1.3倍。而且，磁滞损耗和涡流损耗的增大幅度不同，为了方便实际损耗计算，式（1.1）可做如下改进。
　　●变压器铁心
　　磁滞损耗系数σh和涡流损耗系数σe分别增大到，式（1.1）可改写为
　　（1.3）
　　式中，系数σH和σE取决于实际的变压器，参见表1.2。
　　表1.2 实际电机的磁滞损耗和涡流损耗系数
　　●旋转电机铁心
　　旋转电机铁心的轭部和齿部的磁通量穿过方式大不相同，要分别考虑铁损增大的程度。轭部的铁损 wfc为
　　（1.4）
　　式中， Bc为轭部的磁通密度（T）；σHc和σEc取决于实际的旋转电机，参见表1.2。

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目录
第1章电机的本质
1.1 电机的尺寸和容量的关系 1
1.2 电机的损耗 3
1.2.1 铁损 3
1.2.2 铜损 6
1.2.3 机械损耗 7
1.3 绝缘材料的种类和温升限值 8
1.3.1 绝缘材料的种类 8
1.3.2 温升限值 10
第2章电机设计的基础
2.1 两道基础计算题 11
2.2 电机容量的一般表达式 17
2.2.1 电机的电动势 17
2.2.2 电机的容量 18
2.2.3 电机的结构 19
2.2.4 电机的比容量和负荷 20
2.3 铁机与铜机 21
2.4 电机的完全相似性 23
2.4.1 比负荷与特性 23
2.4.2 温升 24
2.4.3 电比负荷和温升的关系 26
2.5 电机的不完全相似性 27
2.5.1 比负荷与特性 28
2.5.2 温升 30
2.6 微增率法理论 31
2.7 微增率法的实践 33
2.7.1 同步电机的负荷统计 34
2.7.2 感应电机的负荷统计 39
2.7.3 直流电机的负荷统计 39
2.7.4 变压器的负荷统计 40
2.7.5 负荷统计结果归纳 40
2.8 负荷计算法及近年电机的基准负荷与负荷分配常数 41
第3章三相同步发电机的设计
3.1 三相同步电机的绕组形式 43
3.1.1 双层绕组 43
3.1.2 并联法 46
3.1.3 绝缘 46
3.2 三相同步发电机的设计实例 47
3.2.1 负荷分配 47
3.2.2 比负荷与主要尺寸 49
3.2.3 槽尺寸与铁心外径 52
3.2.4 电枢反应 54
3.2.5 电压调整率 56
3.2.6 气隙长度 58
3.2.7 磁极与励磁绕组 60
3.2.8 主磁路的安匝数 64
3.2.9 电枢绕组的电阻与漏抗 68
3.2.10 负载饱和曲线与电压调整率 71
3.2.11 损耗与效率 72
3.2.12 温升 75
3.2.13 主要材料的用量 76
3.2.14 设计表 77
第4章三相感应电动机的设计
4.1 三相感应电动机的绕组形式 79
4.1.1 绕线式转子的绕组 79
4.1.2 鼠笼式转子 81
4.2 绕线式三相感应电动机的设计实例 82
4.2.1 负荷分配 82
4.2.2 比负荷与主要尺寸 84
4.2.3 定子槽与铁心外径 86
4.2.4 气隙长度 87
4.2.5 转子铁心 88
4.2.6 电阻与漏抗 92
4.2.7 励磁电流与铁损 96
4.2.8 机械损耗 98
4.2.9 空载电流 98
4.2.10 等效电路与特性 98
4.2.11 温升 102
4.2.12 主要材料的用量 103
4.2.13 设计表 103
4.3 鼠笼式三相感应电动机的设计实例 103
4.3.1 负荷分配 105
4.3.2 比负荷与主要尺寸 106
4.3.3 定子铁心的尺寸 106
4.3.4 气隙长度 107
4.3.5 鼠笼式回路的电流 108
4.3.6 电阻与漏抗 110
4.3.7 励磁电流与铁损 115
4.3.8 机械损耗 116
4.3.9 空载电流 116
4.3.10 等效电路与特性 117
4.3.11 温升 118
4.3.12 主要材料的用量 118
4.3.13 设计表 119
第5章永磁同步电动机的设计
5.1 PM电机的概要 121
5.1.1 PM电机的结构 122
5.1.2 稀土类磁体的特性 122
5.1.3 PM电机的控制方式 123
5.1.4 PM电机的特性 124
5.2 PM电机的设计实例 125
5.2.1 负荷分配 125
5.2.2 比负荷与主要尺寸 127
5.2.3 槽尺寸与铁心外径 128
5.2.4 磁路设计 129
5.2.5 气隙长度与磁体尺寸 131
5.2.6 转子铁心 133
5.2.7 绕组电阻与同步电抗 134
5.2.8 退磁分析 137
5.2.9 损耗与效率 138
5.2.10 温升 140
5.2.11 主要材料的用量 141
5.2.12 设计表 141
第6章直流电机的设计
6.1 直流电机的电枢绕组形式 143
6.1.1 叠绕组 143
6.1.2 波绕组 145
6.1.3 叠绕组与波绕组的比较 146
6.1.4 电枢的槽数 147
6.1.5 整流片间电压和平均电抗电压 147
6.2 直流电机的参数 148
6.2.1 直流电机的电压 148
6.2.2 直流电机的极数 148
6.2.3 直流电机的转速 149
6.2.4 电枢绕组形式 149
6.3 直流电动机的设计实例 149
6.3.1 负荷分配 150
6.3.2 比负荷与主要尺寸 152
6.3.3 电枢铁心 153
6.3.4 电枢反应与气隙长度 155
6.3.5 磁极与磁轭 158
6.3.6 励磁安匝数与励磁绕组 159
6.3.7 整流子与电刷 163
6.3.8 整流时的电抗电压 165
6.3.9 换向极 170
6.3.10 补偿绕组 174
6.3.11 主磁路的安匝数 175
6.3.12 速度变动率 177
6.3.13 损耗与效率 180
6.3.14 温升 183
6.3.15 主要材料的用量 184
6.3.16 电枢回路的电感 186
6.3.17 强制通风用电动送风机 186
6.3.18 设计表 187
第7章变压器的设计
7.1 变压器铁心 188
7.2 变压器绕组 189
7.2.1 绕组的配置 189
7.2.2 绕组的结构 190
7.2.3 绕组相关注意事项 192
7.3 单相变压器的设计实例 193
7.3.1 负荷分配 193
7.3.2 比负荷与主要尺寸 195
7.3.3 绕组尺寸 198
7.3.4 电压调整率 200
7.3.5 损耗与效率 203
7.3.6 空载电流 204
7.3.7 温升 205
7.3.8 主要材料的用量 208
7.3.9 设计表 209
7.4 三相变压器的设计实例 209
7.4.1 负荷分配 209
7.4.2 比负荷与主要尺寸 211
7.4.3 绕组的尺寸 213
7.4.4 电压调整率 215
7.4.5 损耗与效率 217
7.4.6 空载电流 218
7.4.7 温升 219
7.4.8 主要材料的用量 220
7.4.9 设计表 221
7.5 设计流程 221
第8章电机设计总论
8.1 电机设计的要点 224
8.2 D2l法与负荷分配法 226
第9章电力电子与电机设计
9.1 半导体装置与电机的结合 231
9.1.1 与半导体功率变换装置的结合 231
9.1.2 使用半导体自动控制装置 232
9.1.3 系统控制 232
9.2 半导体装置对电机的影响 232
9.2.1 半导体功率变换装置的波形 232
9.2.2 对各种电机的影响 234
附录计算机的应用 239
原著第2版跋 243
原著第2版附言 245
原著第1版跋 247

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