关于电机机械结构的研发与设计
关于电机机械结构的研发与设计
发表时间：2019-09-19T14:23:56.303Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：张震坚
[导读] 电机是一种非常常用的机械配件，在各种机械产品中有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，我国在电机的机械结构研发和设计方面有着巨大的突破。本文主要围绕电机相关的技术要点、目前国内电机设计中存在的不足进行分析，探讨完善电机机械结构研发和设计的有效途径，为我国的电机研发领域提供丰富的理论基础，从而推动机械设计行业不断向前发展。
张震坚
稻津电机（珠海）有限公司
摘要：电机是一种非常常用的机械配件，在各种机械产品中有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，我国在电机的机械结构研发和设计方面有着巨大的突破。本文主要围绕电机相关的技术要点、目前国内电机设计中存在的不足进行分析，探讨完善电机机械结构研发和设计的有效途径，为我国的电机研发领域提供丰富的理论基础，从而推动机械设计行业不断向前发展。
关键词：电机；结构；研发；设计
一、电机机械结构设计的技术要点
通常情况下，电机在设计的过程中，主要有电磁和结构两个设计板块。电磁的设计目前已经比较成熟完善，但是结构方面还有很多技术领域需要突破。电机的零部件在运行的过程中一旦出现了问题，不仅会导致电机无法正常运转，并且会造成一系列的损失和影响，因此，优化电机的机械结构有着非常重要的现实意义。电机在设计过程中，会因为结构和零部件需要反复的调试，因此在实际设计中，需要提高设计方案的精度，缩短研发周期。
电机的机械结构设计是一个非常复杂的过程，其中包括了强耦合、多变量、非线性等要素，研发人员要在设计过程中，明确电机的设计方向，把控设计流程，利用计算机辅助软件，提高设计的精度。
永磁无刷直流电机是最典型的电机一体化产品，它由电机、位置传感器和控制器三部分组成。在电机的运行过程中，直流电源通过线路给电机供能，同时位置传感器进行电信号和位置信号的处理，根据电机的设计结构，实现电机的更换方向。
直流电机的绕组安装在定子上，转子是永磁体。很多传统电机绕组安装在转子上，是利用电刷来实现换向的。直流电机通常由后端盖、引线、换向电路、外壳、绕组、轴承、垫圈、弹簧、磁钢、外转子、电机轴、前端盖组成。其中定子的铁芯是用硅钢片制成，小型电机的一般采用的是梨形槽定子，可以在电机的运行过程中减少铁芯的磨损和齿轮的损耗。由于直流电机本质上是永磁同步电机，因此，磁场的来源是转子上的永磁体。转子分为内转子和外转子两个种类，由于内转子惯性较小，输出力矩较低，并且霍尔效应位置精确，有着良好的机械性能，因此，在工业生产中大多使用的是内转子。电机的转子在满足基本的转速需要外，还应当具有良好的性能，在整体的运行过程中保持稳定，因此在电机设计之前要充分进行稳定性分析、临界转速计算和不平衡响应评估。稳定性主要是根据轴承的机械性能来分析的。
二、目前电机研发和设计中存在的不足
（一）相关技术不成熟
很多性能要求较高的电机设计十分复杂，其中需要物理学和其他学科的先进技术作为支撑，根据电机的电磁尝转子动力、温度尝应力场等物理学计算方法来分析，由于很多技术尚不成熟，因此很多高性能的电机无法实现量产。电机的轴承目前通常采用的是滚珠轴承，虽然有良好的机械性能，但是不能承受过高的转速，而充油轴承虽然能够承受较高的转速，但是会出现漏油等问题，磁悬浮轴承因为成本较高，也没有广泛的应用。轴承技术的不完善，成为了电机设计的最大障碍。
（二）电机耐久度需要提高
定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面有待进一步研究; 大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式，冷却结构复杂，冷却效果有限。永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展，研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料对高速电机的发展具有重要意义。常规叠片转子不能承受较大的离心力，实心转子存在较大的涡流损耗，需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。
（三）检测系统薄弱
大功率高速电机功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱; 大功率高速电机的转子动力学设计技术有待完善; 高速电机的加工工艺复杂，距离产业化的要求还很远。
三、电机机械结构研发和设计思路
由于磁钢内部的磁场和电机的磁钢分布比较复杂，因此，在设计电机的过程中，往往会存在较大的误差，设计人员通常采用试探法进行电机的研发和设计工作，根据电机的参数计算结果，并结合经验数据，可以大致确定的电机内部的零件位置，并根据实际的运行效果，不断改良设计方案。
（一）确定电机的主要尺寸
电机的尺寸和电机的电磁功率有着重要的联系，因此，在设计电机之前，需要确定电机的主要尺寸。电机主要尺寸D和L与电磁功率P 有密切的关系，功率相同的电机，转速越高，电机尺寸越小；转速相同的电机，功率越大，电机尺寸越大。在材料和电机温度允许的情况下，B和 A 选的越大，则电机尺寸越校根据经验公式，以及考虑布线方便，槽口宽b 在 2.5~4.0mm 之间，在保证布线和机械加工的便利性两种情况下，b 值应该尽可能取小；槽口宽度h 应在0.5~2.0mm 之间。对无间断运行的直流电机，一般根据如下的取值范围选取负荷
A =(30~100)A/cm(微型电动机)
A=(100~300)A/cm(小型电动机)
电机发热因子 AJ 决定了电枢绕组的发热状态，因此A和J的大小受电机的温度制约，对B级绝缘体的微型永磁直流电机，通常采用AJ=（1000~1400）A/cm*A/mm2,J=(4.5~8)A/mm2。
（二）定子结构的设计。
根据电机的设计需要，一般设计为2极或4极，在2极电机的结构中，定子电流和铁芯中磁场的交变频率比较低，这在一定程度上降低了
常用电动机原理与结构
常用电动机原理与结构 电动机的分类 按电动机绕组结构可分为三相和单相电动机、笼型、绕线型。按电源可分为高压、低压电动机、交流和直流电动机。电动机又可分为同步和异步电动机。单相电动机又分为交流分相电动机、交直流两用串励电动为机和罩极电动机。还有按电动机使用环境、条件等可分为很多种类，不过大致可按下面几种方式归类：按电动机结构尺寸分为 大型（机座中心高H ）630MM，或者定子铁心外径大于90MM者)、中型（机座中心高H为355-630MM，或者定子铁心外径在560—990MM之间者）、小型（机座中心高H为80-315MM，或者定子铁心外径在125—560MM之间者）。 例如Y112M-4 中的112的意思是代表电动机的机座中心高为112MM，小于315MM，属于小型电动机。 按防护型式分为 开启式（如IP11、IP22）：电动机除必要的支撑结构外，对于转动及带电部分没有专门的保护。 封闭式（如IP44、IP54 ）：电动机机壳内部的转动部分及带电部分有必要的机械保护，以防止意外的接触，但并不明显的防碍通风。防护式电动机按其通风防护结构不同，又分为： 网罩式：电动机的通风口用穿孔的遮盖物遮盖起来，使电动机的转动部分及带电部分不能与外物相接触。 防滴式：电动机通风口的结构能够防止垂直下落的液体或固体直接进入电动机内部。 防溅式：电动机通风口的结构可以防止与垂直接成100度角范围内任何方向的液体或固体进入电动机内部。 封闭式：电动机机壳的结构能够阻止机壳内外空气的自由交换，但并不要求完全的密封。 防水式：电动机机壳的结构能够阻止具有一定压力的水进入电动机内部。 水密式：当电动机浸在水中时，电动机机壳的结构能阻止水进入电动机内部。 潜水式：电动机在额定的水压下，能长期在水中运行。 隔爆式：电动机机壳的结构足以阻止电动机内部的气体爆炸传递到电动机外部，而引起电动机外部的燃烧性气体的爆炸。 例：IP44标志电动机能防护大于1MM的固体异物入内，同时能防溅水。 IP后面第一位数字的意义 0无防护，没有专门的防护 1能防止直径大于50MM的固体异物进入机壳内，能防止人体的大面积（如手）偶然触及壳内带电或运动部分，但不能防止有意识的接近这 些部分。 2能防止直径大于12MM的固体异物进入机壳内，能防止手指触及壳内带电或运动部分 3能防止直径大于2.5MM的固体异物进入机壳内，能防止厚度（或直径）大于2.5的工具、金属等触及壳内带电或运动部分。 4能防止直径大于1MM的固体异物进入机壳内，能防止厚度（或直径）
电动机水冷却结构设计
煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却结构设计 姜瑞杰 2008级机电一体化专业 摘要对煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却系统及结构的设计进行探讨。围绕电动机温度场分析、热平衡计算、冷却系统水流参数计算、冷却水箱结构设计几个方面，并结合实践阐述了相关设计理论和设计方法。 关键词煤矿井下用隔爆型三相异步电动机：水冷却系统；水冷式结构 0 引言 煤矿井下设备采用的隔爆型三相异步电动机其冷却系统常采用水冷式结构（通常为ICW37）。这是基于煤矿井下特殊的环境条件和煤矿设备特殊的运行状况决定的。煤矿井下水冷式电动机具有以下特点： （1）煤矿井下作业场狭窄，设备留给时机的安装空间较小，环境空气流动性差。电动机采用风（空气）冷却结构，效果受到很大影响。尤其是在采掘面，当煤块、粉尘等堆积物阻塞电动机外部的通风散热通道时，电动机通风散热状况将更加恶劣。而采用水冷静却结构，则避免了这个缺点。煤矿井下一般不缺压力源，水的导热系数远远大于空气。只要时机的水冷静系统流道结构设计合理，其冷却效果和可靠性优于风冷静式电动机。
（2）煤矿井用电动机因受设备安装要求限制，往往要求有较小的外形体积和简单的外形结构。水冷式电动机结构上没有风扇、风罩、散热片等零件，并且水道布置在封闭的壳体之内，因此其外形简约，体积小于相同功率的风冷式电动机。 （3）煤矿井下采掘、运输等设备，因其特殊的工作条件，往往负荷波动很大，所用电动机超负荷运行状况进有发生，造成电动机温升增高。另外在设计这些设备使用的电动机时，考虑到其外形体积和功率大小两方面要求，往往采用减小电动机定、转子铁心外径，加长定、转子铁心长度的设计方案。由典型的时机温升设计理论可知，铁心较长的时机其热负荷往往偏高，温升计算误差也较大，这两方面的原因致使电动机的温升处于不可靠状态。尽管采用提高电动机绝缘等级的方法进行弥补，但电动机使用寿命也将大打折扣。而水冷式结构的电动机具有较好的冷却效果，可弥补电动机温升设计误差及超负荷运行带来的缺点。 （4）水冷式电动机无风扇、风罩等零件，因此不会产生风摩损耗和噪声，并且冷却水箱还具有吸振减振效果，这些又形成了电动机效率较高、噪声低、振动小的优点。 从以上分析可以看出水冷却系统在煤矿井下用电动机上的重要作用，因此对其系统和结构的设计研究必要。目前国内许多电机厂家都积累了各自在此方面的宝贵经验，亟待进行理论性的整理和提高。本文试对此问题展开初步探讨。
电机设计课后习题答案
电机设计 第一章 1.电机设计的任务是什么？ 答：电机设计的任务是根据用户提出的产品规格（功率、电压、转速）与技术要求（效率、参数、温升、机械可靠性），结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计时遇到的各种矛盾，从而设计出性能好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。 2.电机设计过程分为哪几个阶段？ 答：电机设计的过程可分为： ①准备阶段：通常包括两方面内容：首先是熟悉国家标准，收 集相近电机的产品样本和技术资料，并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务书或技术建议书。 ②电磁设计：本阶段的任务是根据技术任务书的规定，参照生 产实践经验，通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性能有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算电磁性能。 ③结构设计：结构设计的任务是确定电机的机械结构，零部件尺寸，加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算、通风计算和温升计算。
3.电机设计通常给定的数据有哪些？ 答：电机设计时通常会给定下列数据： (1)额定功率 (2)额定电压 (3)相数及相同连接方式 (4)额定频率 (5)额定转速或同步转速 (6)额定功率因数 感应电动机通常给定(1)～(5)；同步电机通常给定(1)～(6)； 直流电机通常给定(1)(2)(5) 第二章 1.电机常数C A 和利用系数K A 的物理意义是什么？ 答：C A ：大体反映了产生单位计算转矩所消耗的有效材料（铜铝或电工钢）的体积，并在一定程度上反映了结构材料的耗用量。 K A ：表示单位体积的有效材料所能产生的计算转矩，它的大小反映了电机有效材料的利用程度。 2.什么是主要尺寸关系式？根据它可以得出什么结论？ 答：主要尺寸关系式为：δ αAB K K n dp Nm ef 'p '2 6.1 p l D =，根据这个关系式 得到的重要结论有:①电机的主要尺寸由其计算功率P ˊ和转速n
三相异步电动机结构图解
三相异步电动机结构图解 图1封闭式三相异步电动机的结构 1—端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子 6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒 异步电动机的结构也可分为定子.转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定.转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2mm～2mm。
三相异步电动机外形有开启式.防护式.封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式.潜水泵式等。不管外形如何电动机结构 基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。 1.定子部分 定子部分由机座.定子铁心.定子绕组及端盖.轴承等部件组成。 (1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中.小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成。 (2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组。
(a)直条形式(b)斜条形式 图2 笼型异步电动机的转子绕组形式 (3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间.绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘。 (4)轴承。轴承是电动机定.转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承)，目前多数电动机都采用滚动轴承。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。 2.转子部分
同步电机转子结构
高强度永磁同步电机的转子结构 —北京明正维元电机技术有限公司专利 本实用新型涉及一种高强度永磁同步电机的转子结构，它由中心轴，铁芯和附着在其外圆表面上的至少1对圆弧面形的磁钢构成圆辊状结构，各相邻两磁钢侧面之间留有气隙，各磁钢通过相应的锁紧件与铁芯构成锁紧联结结构，它解决了现有技术强度差、磁钢易被甩出，易出现事故的问题，用于制作各型永磁同步电机。 交流永磁同步调速电梯电机之特性 石正铎路子明 我国电梯性能随着计算机控制技术和变频技术的发展有很大的提高，但是异步变频电动机存在低频低压低速时的转矩不够平稳进而影响低速段运行不理想的缺点。用永磁同步调速电机替代交流异步电机，用同步变频替代异步变频可以解决低速段的缺点和启动及运行中的抖动问题，使电梯运行更平稳、更舒适，同时减小电机的体积，降低噪音。采用有齿轮电梯曳引机，当电梯制动器失灵、轿厢产生自由落体时，可利用永磁同步电机的电流制动功能保证轿厢低速溜车，为电梯安全增加了一道安全屏障。 一、永磁同步电机与异步电机的主要区别及特点 由于异步电机是靠电机定子电流为电机转子励磁的，而永磁电机转子是用永磁体直接产生磁场不需要电励磁。因此永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、效率高、形状和尺寸灵活多样等特点。 二、交流永磁同步调速电梯电机的主要优点 1、结构简单运行可靠，由于永磁电机转子不需要励磁，省去了线圈或鼠笼，简化了结构，实现了无刷，减少了故障，维修方便简单，维修复杂系数大大降低。 2、低温升、小体积永磁同步电机与感应电机相比，因为不需要无功励磁电流，而具备： (1)、功率因数高近于1。 (2)、反电势正弦波降低了高次谐波的幅值，有效的解决了对电源的干扰。 (3)、减小了电机的铜损和铁损。 同步电机发温升小（约38K），电机外形小，体积与异步电机相比，降低一至两个机座号。 3、高效率超节能，因为功率因数高（可近似为1），又省去电励磁，减少了定子电流和定子转子电阻的损耗，效率高（94~96%），满载起动电流比异步减少一半，所以节能效果明显，用于电梯时，同步电机可节能40%以上（用户实际使用后测试结果），轻载电流小，只相当于异步电机的10%，如11KW异步电机轻载时异步电机电流10A，而同步电机轻载电流只有0.7A。 4、调速范围宽，可达1：1000甚至于更高（异步电机只有1：100），调速精度极高，可大大提高电梯的品质。
定子尺寸与电机结构设计
第四章 定子尺寸与电机结构设计 本章主要讨论定子的结构及其材料和压电陶瓷选取，从而根据公式确定定子的尺寸结构，由于在同一种材料中纵向振动的声速与弯曲振动的声速不同，且弯曲振动的声速还与频率有关。为了保证两种振动模式在高频信号激励下能同时处于共振状态在设计的过程中也尽量的考虑纵振与弯振的频率兼并问题；在定子尺寸确定之后设计了几种不同结构的电机。 4.1电机定子部分设计 4.1.1.纵弯复合模式换能器的设计原理[56] 一维结构的纵弯换能器中有两组陶瓷片,一组产生纵振动, 一组产生弯曲振动. 本文研究的换能器结构如图1所示. 1, 3部分为陶瓷片(箭头表示极化方向) ; 2, 4 部分为前后盖板, 换能器关于中 心面对称. 产生纵振动和产生弯曲 振动的陶瓷片在电端上并联, 以便 获得较高的激励电压。 弯曲振动方程，细棒弯曲振动 的波动方程为： (4-1) 式中, y 为振动位移; r 为回转半径; E 为杨氏模量; ρ为振子材料密度。 (1) 式的通解为: ()cos sin cos(),y Achmx Bshmx C mx D mx t ω?=++++ （4-2） 式中2,m f ωπ==为激励电压频率; 0c = 把波动方程的通解应用于压电陶瓷片, 由于换能器关于中心对称, 可考虑用偶对称振动模式, 即振动位移关于中心对称的振动模式, 不用奇对称振动模式. 奇振动模式的中心为节面, 难以激发横向振动. 在偶对称振动模式中, 只有含chmx 和cosmx 的项存在, 所以, 压电陶瓷片的振动位移y 1为(略去时间因子) （4-3） 22424 0y Er y t x ρ??+?=??1111111cos y A chm x c m x =+
电动机的基本结构教案
电动机的基本结构教案
三相异步电动机的基本结构
准备 教学目标知识目标：1、理解三相异步电动机的结构及其主要参数 2、掌握三相异步电动机各主要部分的作用及简单参数计算 能力目标：利用整流电路设计直流电源，维修直流电源 情感目标：1、理论联系实际，学以致用，激发学生学习兴趣。 2、锻炼学生自我分析能力，调动 其主观能动性。 3、通过学习，认识基本电机，在 实际生活中能利用。 教学 重点 三相异步电动机的主要部件的作用 教学 难点 三相异步电动机的主要参数计算 教学程序教学内容教学方法 与手段 时间 分配
I 复习 II 导入 III 讲授新课一、课前复习 1、三相异步电动机的工作原理： 2、同步转速计算： p f n1 1 60 = 3、转差率计算： 1 1 n n n s - = 二、课前导入 前面我们学习了三相异步电动机 的工作原理，那么它的主要构成是 什么呢？各部分又有什么作用 呢？一台三相异步电动机的型号 都表示什么意思呢？电动机应用 时需要考虑那些参数？（展示实 物） （学生讨论） 三、新课讲解 师：三相异步电动机的种类很多， 但各类三相异步电动机的基本结 构是相同的，它们都由定子和转子 这两大基本部分组成，在定子和转 子之间具有一定的气隙。此外，还 有端盖、轴承、接线盒、吊环等其 他附件，如下图示： 回忆上节 内容，引出 新课 展示实物 (由教师课 前带入教 室一台小 型异步电 动机) ，以 问题引入， 让学生自 己观察分 析 以拆开的 三相异步 电动机认 识主要部 分，并分析 其作用，引 导并总结 3 分 钟 10 分 钟
电机设计知识点总结
电机设计知识点总结 《电机设计》是XX年6月1日清华大学出版社出版的图书，作者是戴文进。以下是小编整理的电机设计知识点总结，欢迎阅读。 电机设计的任务是根据用户提出的产品规格、技术要求，结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况，运用有关的理论和计算方法，正确处理设计是遇到的各种矛盾，从而设计出性能良好、体积小、结构简单、运行可靠、制造和使用维修方便的先进产品。 额定功率 额定电压 相数及相间连接方式 额定频率 额定转速或同步转速 额定功率因数 1、准备阶段 通常包括两个方面的内容：首先是熟悉相关打国家标准，手机相近电机的产品样本和技术资料，并听取生产和使用单位的意见和要求；其次是在国家标准及分析有过资料的基础上编制技术任务书或技术建议书。 2、电磁设计 本阶段的任务是根据技术任务书的规定，参照生产实践
经验，通过计算和方案比较来确定与所设计电机电磁性能有关的的尺寸和数据，选定有关材料，并和算其电磁性能。 3、结构设计 结构设计的任务是确定电机的机械结构、零部件尺寸、加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和温升计算。 结构设计通常在电磁设计之后进行，但有时也和电磁设计平行交叉的进行，以便相互调整。 一、负载的转矩特性：负载的转矩特性是指生产机械工作机构的负载转矩与转速之间的关系即：n=f___恒转矩负载特性恒转矩负载是指负载转矩为常数， 其大小与转速n无关，恒转矩负载分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。反抗性恒转矩负载特性：恒值负载转矩Tf总是与转速nf的方向相反，即作用方向是阻碍运动的方向。当正转时nf为正， Tf与nf方向相反，应为正，即在第一象限，当反转时nf为负， Tf与nf方向相反，应为负，即在第三象限；当转速nf=0时外加转矩不足以使系统运动。位能性恒转矩负载特性特点：Tf的方向与nf的方向无关。 Tf具有固定不变的方向。例如：起重机的提升机构，不论是提升重物还是下放重物，重力的作用总是方向朝下的，即重力产生的负载转矩方向固定。当nf>0时， Tf>0，是阻碍运动的制动性转矩;当nf0，是帮助运动的拖动性转矩。故
电动机的基本结构及工作原理
电动机的基本结构及工作原理 交流电机分异步电机和同步电机两大类。异步电机一般作电动机使用，拖动各种生产机械作功。同步电机分分为同步发电机和同步电动机两类。根据使用电源不同，异步电机可分为三相和单相两种型式。 一、异步电动机的基本结构 三相异步电动机由定子和转子两部分组成。因转子结构不同又可分为三相笼型和绕线式电机。 1、三相异步电动机的定子： 定子主要由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。定子的作用是通入三相对称交流电后产生旋转磁场以驱动转子旋转。定子铁心是电动机磁路的一部分，为减少铁心损耗，一般由0.35～0.5mm厚的导磁性能较好的硅钢片叠成圆筒形状，安装在机座内。定子绕组是电动机的电路部分，安嵌安在定子铁心的内圆槽内。定子绕组分单层和双层两种。一般小型异步电机采用单层绕组。大中型异步电动机采用双层绕组。机座是电动机的外壳和支架，用来固定和支撑定子铁心和端盖。 电机的定子绕组一般采用漆包线绕制而成，分三组分布在定子铁心槽内（每组间隔120O），构成对称的三相绕组。三相绕组有6个出线端，其首尾分别用U1、U2；V1、V2；W1、W2表示，连接在电机机壳上的接线盒中，一般3KW以下的电机采用星形接法（Y接），3KW以上的电机采用三角形接法（△接）。当通入电机定子的三相交流电相序改变后，因定子的旋转磁场方向改变，所以电机的转子旋转方向也改变。
2、三相异步电动机的转子： 转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子的作用是产生感应电动势和感应电流，形成电磁转矩，实现机电能量的转换，从而带动负载机械转动。转子铁心和定子、气隙一起构成电动机的磁路部分。转子铁心也用硅钢片叠压而成，压装在转轴上。气隙是电动机磁路的一部分，它是决定电动机运行质量的一个重要因素。气隙过大将会使励磁电流增大，功率因数降低，电动机的性能变坏；气隙过小，则会使运行时转子铁心和定子铁心发生碰撞。一般中小型三相异步电动机的气隙为0.2～1.0mm，大型三相异步电动机的气隙为1.0～1.5mm。 三相异步电动机的转子绕组结构型式不同，可分为笼型转子和绕线转子两种。笼型转子绕组由嵌在转子铁心槽内的裸导条（铜条或铝条）组成。导条两端分别焊接在两个短接的端环上，形成一个整体。如去掉转子铁心，整个绕组的外形就像一个笼子，由此而得名。中小型电动机的笼型转子一般都采用铸铝转子，即把熔化了的铝浇铸在转子槽内而形成笼型。大型电动机采用铜导条；绕线转子绕组与定子绕组相似，由嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组构成，绕组作星形形联结，三个绕组的尾端连结在一起，三个首端分别接在固定在转轴上且彼此绝缘的三个铜制集电环上，通过电刷与外电路的可变电阻相连，用于起动或调速。 3、三相异步电动机的铭牌： 每台电动机上都有一块铭牌，上面标注了电动机的额定值和基本技术数据。铭牌上的额定值与有关技术数据是正确选择、使用和检修电动机的依据。下面对铭牌中和各数据加以说明：
关于电机机械结构的研发与设计
关于电机机械结构的研发与设计 发表时间：2019-09-19T14:23:56.303Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：张震坚 [导读] 电机是一种非常常用的机械配件，在各种机械产品中有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，我国在电机的机械结构研发和设计方面有着巨大的突破。本文主要围绕电机相关的技术要点、目前国内电机设计中存在的不足进行分析，探讨完善电机机械结构研发和设计的有效途径，为我国的电机研发领域提供丰富的理论基础，从而推动机械设计行业不断向前发展。 张震坚 稻津电机（珠海）有限公司 摘要：电机是一种非常常用的机械配件，在各种机械产品中有着非常广泛的应用。随着技术的不断发展，我国在电机的机械结构研发和设计方面有着巨大的突破。本文主要围绕电机相关的技术要点、目前国内电机设计中存在的不足进行分析，探讨完善电机机械结构研发和设计的有效途径，为我国的电机研发领域提供丰富的理论基础，从而推动机械设计行业不断向前发展。 关键词：电机；结构；研发；设计 一、电机机械结构设计的技术要点 通常情况下，电机在设计的过程中，主要有电磁和结构两个设计板块。电磁的设计目前已经比较成熟完善，但是结构方面还有很多技术领域需要突破。电机的零部件在运行的过程中一旦出现了问题，不仅会导致电机无法正常运转，并且会造成一系列的损失和影响，因此，优化电机的机械结构有着非常重要的现实意义。电机在设计过程中，会因为结构和零部件需要反复的调试，因此在实际设计中，需要提高设计方案的精度，缩短研发周期。 电机的机械结构设计是一个非常复杂的过程，其中包括了强耦合、多变量、非线性等要素，研发人员要在设计过程中，明确电机的设计方向，把控设计流程，利用计算机辅助软件，提高设计的精度。 永磁无刷直流电机是最典型的电机一体化产品，它由电机、位置传感器和控制器三部分组成。在电机的运行过程中，直流电源通过线路给电机供能，同时位置传感器进行电信号和位置信号的处理，根据电机的设计结构，实现电机的更换方向。 直流电机的绕组安装在定子上，转子是永磁体。很多传统电机绕组安装在转子上，是利用电刷来实现换向的。直流电机通常由后端盖、引线、换向电路、外壳、绕组、轴承、垫圈、弹簧、磁钢、外转子、电机轴、前端盖组成。其中定子的铁芯是用硅钢片制成，小型电机的一般采用的是梨形槽定子，可以在电机的运行过程中减少铁芯的磨损和齿轮的损耗。由于直流电机本质上是永磁同步电机，因此，磁场的来源是转子上的永磁体。转子分为内转子和外转子两个种类，由于内转子惯性较小，输出力矩较低，并且霍尔效应位置精确，有着良好的机械性能，因此，在工业生产中大多使用的是内转子。电机的转子在满足基本的转速需要外，还应当具有良好的性能，在整体的运行过程中保持稳定，因此在电机设计之前要充分进行稳定性分析、临界转速计算和不平衡响应评估。稳定性主要是根据轴承的机械性能来分析的。 二、目前电机研发和设计中存在的不足 （一）相关技术不成熟 很多性能要求较高的电机设计十分复杂，其中需要物理学和其他学科的先进技术作为支撑，根据电机的电磁尝转子动力、温度尝应力场等物理学计算方法来分析，由于很多技术尚不成熟，因此很多高性能的电机无法实现量产。电机的轴承目前通常采用的是滚珠轴承，虽然有良好的机械性能，但是不能承受过高的转速，而充油轴承虽然能够承受较高的转速，但是会出现漏油等问题，磁悬浮轴承因为成本较高，也没有广泛的应用。轴承技术的不完善，成为了电机设计的最大障碍。 （二）电机耐久度需要提高 定转子损耗的理论分析、计算方法以及实验验证等方面有待进一步研究; 大功率高速永磁电机多采用风冷和水冷相结合的冷却方式，冷却结构复杂，冷却效果有限。永磁体抗拉强度低、耐温能力差制约着高速永磁电机向超高速和大功率方向发展，研发更高抗拉强度和更高耐温水平的永磁材料对高速电机的发展具有重要意义。常规叠片转子不能承受较大的离心力，实心转子存在较大的涡流损耗，需要对新型高强度转子叠片材料和结构进行深入研究。 （三）检测系统薄弱 大功率高速电机功率变换系统、控制系统与控制策略、实时监测系统的研发还很薄弱; 大功率高速电机的转子动力学设计技术有待完善; 高速电机的加工工艺复杂，距离产业化的要求还很远。 三、电机机械结构研发和设计思路 由于磁钢内部的磁场和电机的磁钢分布比较复杂，因此，在设计电机的过程中，往往会存在较大的误差，设计人员通常采用试探法进行电机的研发和设计工作，根据电机的参数计算结果，并结合经验数据，可以大致确定的电机内部的零件位置，并根据实际的运行效果，不断改良设计方案。 （一）确定电机的主要尺寸 电机的尺寸和电机的电磁功率有着重要的联系，因此，在设计电机之前，需要确定电机的主要尺寸。电机主要尺寸D和L与电磁功率P 有密切的关系，功率相同的电机，转速越高，电机尺寸越小；转速相同的电机，功率越大，电机尺寸越大。在材料和电机温度允许的情况下，B和 A 选的越大，则电机尺寸越校根据经验公式，以及考虑布线方便，槽口宽b 在 2.5~4.0mm 之间，在保证布线和机械加工的便利性两种情况下，b 值应该尽可能取小；槽口宽度h 应在0.5~2.0mm 之间。对无间断运行的直流电机，一般根据如下的取值范围选取负荷 A =(30~100)A/cm(微型电动机) A=(100~300)A/cm(小型电动机) 电机发热因子 AJ 决定了电枢绕组的发热状态，因此A和J的大小受电机的温度制约，对B级绝缘体的微型永磁直流电机，通常采用AJ=（1000~1400）A/cm*A/mm2,J=(4.5~8)A/mm2。 （二）定子结构的设计。 根据电机的设计需要，一般设计为2极或4极，在2极电机的结构中，定子电流和铁芯中磁场的交变频率比较低，这在一定程度上降低了
电动机水冷却结构设计
电动机水冷却结构设计 Standardization of sany group #QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却结构设计 姜瑞杰 2008级机电一体化专业 摘要对煤矿井下用隔爆型三相异步电动机水冷却系统及结构的设计进行探讨。围绕电动机温度场分析、热平衡计算、冷却系统水流参数计算、冷却水箱结构设计几个方面，并结合实践阐述了相关设计理论和设计方法。 关键词煤矿井下用隔爆型三相异步电动机：水冷却系统；水冷式结构 0 引言 煤矿井下设备采用的隔爆型三相异步电动机其冷却系统常采用水冷式结构（通常为ICW37）。这是基于煤矿井下特殊的环境条件和煤矿设备特殊的运行状况决定的。煤矿井下水冷式电动机具有以下特点： （1）煤矿井下作业场狭窄，设备留给时机的安装空间较小，环境空气流动性差。电动机采用风（空气）冷却结构，效果受到很大影响。尤其是在采掘面，当煤块、粉尘等堆积物阻塞电动机外部的通风散热通道时，电动机通风散热状况将更加恶劣。而采用水冷静却结构，则避免了这个缺点。煤矿井下一般不缺压力源，水的导热系数远远大于空气。只要时机的水冷静系统流道结构设计合理，其冷却效果和可靠性优于风冷静式电动机。
（2）煤矿井用电动机因受设备安装要求限制，往往要求有较小的外形体积和简单的外形结构。水冷式电动机结构上没有风扇、风罩、散热片等零件，并且水道布置在封闭的壳体之内，因此其外形简约，体积小于相同功率的风冷式电动机。 （3）煤矿井下采掘、运输等设备，因其特殊的工作条件，往往负荷波动很大，所用电动机超负荷运行状况进有发生，造成电动机温升增高。另外在设计这些设备使用的电动机时，考虑到其外形体积和功率大小两方面要求，往往采用减小电动机定、转子铁心外径，加长定、转子铁心长度的设计方案。由典型的时机温升设计理论可知，铁心较长的时机其热负荷往往偏高，温升计算误差也较大，这两方面的原因致使电动机的温升处于不可靠状态。尽管采用提高电动机绝缘等级的方法进行弥补，但电动机使用寿命也将大打折扣。而水冷式结构的电动机具有较好的冷却效果，可弥补电动机温升设计误差及超负荷运行带来的缺点。 （4）水冷式电动机无风扇、风罩等零件，因此不会产生风摩损耗和噪声，并且冷却水箱还具有吸振减振效果，这些又形成了电动机效率较高、噪声低、振动小的优点。 从以上分析可以看出水冷却系统在煤矿井下用电动机上的重要作用，因此对其系统和结构的设计研究必要。目前国内许多电机厂家都积累了各自在此方面的宝贵经验，亟待进行理论性的整理和提高。本文试对此问题展开初步探讨。 1 水冷式电动机的温度场分析与热平衡计算
电动机毕业设计
一、选题的依据及意义 现在社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产、输送和使用 等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。电机在国家经济建设，节 约能源、环保和人民生中起着十分重要的作用。发电机主要用于移动电源、风 力发电、小型发电设备中；电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，电动机 主要用于驱动水泵、风机、机床、压缩机、冶金、石化、纺织、食品、造纸、 建筑、矿山等机械产品上。随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电 气化与自动化水平不断提高，国民经济各部门对异步电动机的需求量日益增加，对其性能，质量，技术经济指标也相应地提出了越来越高的要求。因此，对异 步电动机品种，必须适时实地做出更新与发展，以适应各个新兴工业领域不同 的特殊要求，特别是对需求量最大的中小型异步电动机，在保证其质量运行， 寿命长和能满足使用要求的同时，进一步节约铜、铁等材料，提高效率和功率 因数，以提高其经济技术指标与降低耗电量，是具有十分重要的意义。由于Y 系列异步电动机具有体积小，重量轻，运行可靠，结构坚固耐用，外形美观等 特点，具有较高的效率，有良好的节能效果，而且噪音低，寿命长，经久耐用。作为普遍用于拖动各种机械的动力设备，其用电量在总的电网的总的负荷中占 有重要的一席。Y系列共有两个基本系列、十六个派生系列、九百多个规格， 能满足国民经济各部门的不同需要。所以设计研究三相异步电动机意义重大。1、现状 国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国 外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率 不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级，而且 也考虑电机制造成本的降低等国内虽有部分产品已达90年代初的国际水平，但相当部分的产品可靠性差，重量重，体积大和噪声大，综合水平只相当于80年代初期国际水平，其主要原因是制造工艺落后，关键材料的质量和品种不能满 足要求，科研和设计工作没有跟上，科研投入少，新产品开发资金匮乏，企业 技术创新能力较弱 1）发展派生、专用系列电机多品种派生和符合国外先进标准的电机产品。随着社会的不断前进，科技水平的不断提高，电机行业的不断发展，市场需求会不 断变化，电机产品的外延和内涵也不断拓展，电机产品配套面广，它广泛地应 用于能源、交通、石油、化工、冶金、矿山、建筑等各个领域，并且电机的通 用性逐步向专用性方面发展，打破了过去同一类电机同时用于不性质、不同场 合的局面。电机产品正向着专业性、特殊性、个性化方面发展，这也是国外企 业发展的最新观点与动向。 2）电机要高效、节能我国中小型电机作为各种机械设备的动力源，其耗电总量已占全国发电量的70%左右。因此，发展中国高效电机，推广节能产品，是响 应国家节能政策、实现节能降耗的重要举措。在产品开发中，以前的科学院所、企业在产品设计采用了许多办法，如采用降低起动力矩、电容补偿、阻尼槽方 法来节约电能，但这些都是在频率不变的条件下来实现的。自从有了逆变器后，电源的变频变压变的更加容易，从而可以调节异步电机在最佳工作点上运行， 保证出力不变的情况下，可用最大效率和功率因数代替额定效率和额定功率因
第四章 定子尺寸与电机结构设计
第四章定子尺寸与电机结构设计本章主要讨论定子的结构及其材料和压电陶瓷选取，从而根据公式确定定子的尺寸结构，由于在同一种材料中纵向振动的声速与弯曲振动的声速不同，且弯曲振动的声速还与频率有关。为了保证两种振动模式在高频信号激励下能同时处于共振状态在设计的过程中也尽量的考虑纵振与弯振的频率兼并问题；在定子尺寸确定之后设计了几种不同结构的电机。 4.1电机定子部分设计 4.1.1.纵弯复合模式换能器的设计原理[56] 一维结构的纵弯换能器中有两组陶瓷片,一组产生纵振动, 一组产生弯曲振动. 本文研究的换能器结构如图1所示. 1, 3部分为陶瓷片(箭头表示极化方向) ; 2, 4 部分为前后盖板, 换能器关于中 心面对称. 产生纵振动和产生弯曲 振动的陶瓷片在电端上并联, 以便 获得较高的激励电压。 弯曲振动方程，细棒弯曲振动 的波动方程为： (4-1) 式中, y 为振动位移; r 为回转半径; E 为杨氏模量; ρ为振子材料密度。(1) 式 的通解为: () cos sin cos(), y Achmx Bshmx C mx D mx tω? =++++（4-2）式中2, m f ωπ ==为激励电压频率; c= 把波动方程的通解应用于压电陶瓷片, 由于换能器关于中心对称, 可考虑用偶对称振动模式, 即振动位移关于中心对称的振动模式, 不用奇对称振动模式. 奇振动模式的中心为节面, 难以激发横向振动. 在偶对称振动模式中, 只有含chmx 和cosmx 的项存在, 所以, 压电陶瓷片的振动位移y1为(略去时间因子) （4-3）式中 m= 1 c= 因为压电陶瓷存在压电效应, 可用 33 1/E s代替杨氏模量, 弯曲振动的应变S3为 224 24 y Er y t x ρ ?? +?= ?? 1111111 cos y A chm x c m x =+
无轴承电机的结构设计
毕业设计报告（论文）课题名称无轴承电机的结构设计 专业机电 学生姓名学号 指导教师王 起讫日期2011年5月--2011年11月 设计地点
摘要 为了减小磁轴承电机的轴向长度、提高临界转速、缩小系统体积和提高系统的可靠性，实现磁轴承的集成化、小型化，本文针对无轴承电机的一种新型的永磁偏置径向轴向磁轴承进行了初步的研究。 在我们日常生活中精密数控机床、涡轮分子泵、小型发电机或高速飞轮储能等装备中需要用大功率的高速超高速电动机（以下简称为电机）来驱动。我们知道，电机高速运转对机械轴承振动冲击大，机械轴承磨损快，大幅度缩短了轴承和电机使用寿命，为此用机械轴承来支承高速电机严重制约着电机向更高速度和更大功率方向发展。近 20 多年来发展起来的磁轴承（ Magnetic Bearing ) ，是利用磁场力将转子悬浮于空间，实现转子和定子之间没有机械接触的一种新型高性能轴承。 经过这次毕业设计，我的收获不小。由于本次设计的无轴承电机是较先进的机电一体化产品，运用到控制理论、电磁学理论、电子理论、机械设计等许多方面的知识，涉及面很广。因此，通过一次设计，不仅巩固了本专业的基础知识，并且学到了许多有关电子信息方面的知识，兼培养了自己的综合设计能力。由于本人水平有限，时间仓促，文中难免有错误和不足之处，敬请老师及同学谅解并予以指正。
目录 第一章 (1) 1.1 无轴承电机的研究意义与现状 (1) 1、无轴承电机的研究意义 (1) 2、无轴承电机的研究现状 (3) 2.1 无轴承电机的发展状况 (3) 2.2 无轴承电机的关键技术的研究现状 (3) 2.3 无轴承电机的应用现状 (4) 第二章机械结构的设计 (5) 2.1 引言 (5) 2.2 无轴承电机的系统设计 (5) 1、转轴部件主要结构尺寸的设计 (6) 2、主轴上零件的布置 (7) 2.3无轴承电机的总体结构设计 (7) 2.4 无轴承电机主要零部件的结构设计 (8) 1、无轴承电机磁悬浮轴承总体结构设计 (8) 2、永磁偏置径向轴向磁轴承的总体结构设计 (8) 2.5 无轴承电机的主要零件结构设计 (10) 1、电磁轴承的定子与转子 (10) 2、传感器支架及其基准环 (10) 3、缸筒 (12) 4、转轴 (13) 第三章磁悬浮轴承的工作原理 (14) 3.1 引言 (14) 3.2 磁轴承的组成 (15) 1、磁轴承的机械系统 (15) 2、磁轴承的偏磁回路 (15)
无刷直流电机结构设计的基本知识
A Knowledge Based Decision Support Architecture for Designing Brushless DC Motors Vahab Akbarzadeh Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 vahab.akbarzadeh@ryerson.ca Alireza Sadeghian Ryerson University 350 Victoria Street Toronto, Ontario M5B 2K3 asadeghi@ryerson.ca Abstract This paper presents a know l edge based decision support system that can be used to design brushless DC motors. A hybrid approach, that inc l udes an object oriented paradigm using frames and procedura l attachments together with a rul e based mechanism, is used to bui d the proposed architecture. The design strategy is impl emented using a rul e-based successive iterative method, through which the expert designer approach is emul ated and embedded in a knowl edge-based system. The performance of the proposed system is compared with results from the literature. 1. Introduction Application of brushless DC (BLDC) motors has increased significantly over the past decades. This is mainly due to high reliability and efficiency of BLDC motors as well as their ability to reach very high speed. Brushless DC motors are rotational brushless permanent magnet motors which are driven by DC current and use electronic control systems instead of the brushes that are usually used in conventional DC motors. Compared to conventional commutator type DC motors, BLDC motors are more efficient, need less maintenance and have longer life span. On the other hand, the control system of BLDC motors needs a rotor positioning mechanism, and the magnets might gradually demagnetize [1], [8]. BLDC motors have been used in a wide variety of applications from industrial to household devices. Typical examples include industrial tools (pumps, compressors), power tools (drills, hammers), transportation (electric vehicles), and household devices (electric shavers, mixers) [4]. Small BLDC motors have also been extensively used in precision devices including medical equipment, computer drives, hard disks, and players. The conventional design process for BLDC motors consists of selection of the appropriate magnetic material and specification of the geometrical properties of the motor. First, based on the design specifications, the expert designer selects the set of materials to be used for motor construction, including material for the permanent magnet. Properties of the selected materials are then plugged into a set of equations which calculate the geometrical properties of the motor. Characteristics of the proposed design are then measured in terms of indicators such as efficiency, motor constant, weight, and cost. Magnetic modeling in the conventional method is usually simplified to use a magnetic circuit instead of finite element analysis. This simplification reduces the computation complexity of the design process [6]. Table 1 shows the types of knowledge involved in motor design, independent of the design process and the assumptions [7]: Tab l e 1. Types of know l edge to be incorporated in the know l edge base environment DATA TYPE DESCRIPTION Structural Physical data including material, core, wire gauge, etc. Graphical Charts and graphs, e.g., core loss rates of various magnetic materials versus frequency and flux density. Heuristic The empirical knowledge rules used by the experts as a design aid. Procedural The motor design process and the modification steps. Criteria The final performance requirements of the system. Analytical The design and performance equations. This paper presents a knowledge based architecture that provides an attractive setting for the BLDC motor design problem by providing a suitable framework whereby analytical data as well as empirical and heuristic data can be readily incorporated and assessed. By presenting a number of alternate designs that have satisfied the design specifications and vary in one or more key characteristics, the proposed system acts as a knowledge driven decision support system capable of providing assistance to expert designers. A contrasting 978-1-4244-2728-4/09/$25.00 ?2009 IEEE