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電機設計學(修訂第3版) 版權信息
- ISBN：9787030717221
- 條形碼：9787030717221 ; 978-7-03-071722-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
電機設計學(修訂第3版) 內容簡介
本書介紹現在得到廣泛應用的主要電機的近期新設計，各章由各個領域的專家針對當下的設計編寫，內容包括電機的本質、電機設計的基礎、三相同步發電機的設計、三相感應電動機的設計、永磁同步電動機的設計、直流電機的設計、變壓器的設計、電機設計總論、電力電子與電機設計等，希望讀者能夠領會近期新的電機設計要點。 本書有助于電機相關領域的教育和設計能力提升，對于從事電機設計工作的讀者也是的優質參考書。
電機設計學(修訂第3版) 目錄
目錄
第1章 電機的本質
1.1 電機的尺寸和容量的關系 1
1.2 電機的損耗 3
1.2.1 鐵損 3
1.2.2 銅損 6
1.2.3 機械損耗 7
1.3 絕緣材料的種類和溫升限值 8
1.3.1 絕緣材料的種類 8
1.3.2 溫升限值 10
第2章 電機設計的基礎
2.1 兩道基礎計算題 11
2.2 電機容量的一般表達式 17
2.2.1 電機的電動勢 17
2.2.2 電機的容量 18
2.2.3 電機的結構 19
2.2.4 電機的比容量和負荷 20
2.3 鐵機與銅機 21
2.4 電機的完全相似性 23
2.4.1 比負荷與特性 23
2.4.2 溫升 24
2.4.3 電比負荷和溫升的關系 26
2.5 電機的不完全相似性 27
2.5.1 比負荷與特性 28
2.5.2 溫升 30
2.6 微增率法理論 31
2.7 微增率法的實踐 33
2.7.1 同步電機的負荷統計 34
2.7.2 感應電機的負荷統計 39
2.7.3 直流電機的負荷統計 39
2.7.4 變壓器的負荷統計 40
2.7.5 負荷統計結果歸納 40
2.8 負荷計算法及近年電機的基準負荷與負荷分配常數 41
第3章 三相同步發電機的設計
3.1 三相同步電機的繞組形式 43
3.1.1 雙層繞組 43
3.1.2 并聯法 46
3.1.3 絕緣 46
3.2 三相同步發電機的設計實例 47
3.2.1 負荷分配 47
3.2.2 比負荷與主要尺寸 49
3.2.3 槽尺寸與鐵心外徑 52
3.2.4 電樞反應 54
3.2.5 電壓調整率 56
3.2.6 氣隙長度 58
3.2.7 磁極與勵磁繞組 60
3.2.8 主磁路的安匝數 64
3.2.9 電樞繞組的電阻與漏抗 68
3.2.10 負載飽和曲線與電壓調整率 71
3.2.11 損耗與效率 72
3.2.12 溫升 75
3.2.13 主要材料的用量 76
3.2.14 設計表 77
第4章 三相感應電動機的設計
4.1 三相感應電動機的繞組形式 79
4.1.1 繞線式轉子的繞組 79
4.1.2 鼠籠式轉子 81
4.2 繞線式三相感應電動機的設計實例 82
4.2.1 負荷分配 82
4.2.2 比負荷與主要尺寸 84
4.2.3 定子槽與鐵心外徑 86
4.2.4 氣隙長度 87
4.2.5 轉子鐵心 88
4.2.6 電阻與漏抗 92
4.2.7 勵磁電流與鐵損 96
4.2.8 機械損耗 98
4.2.9 空載電流 98
4.2.10 等效電路與特性 98
4.2.11 溫升 102
4.2.12 主要材料的用量 103
4.2.13 設計表 103
4.3 鼠籠式三相感應電動機的設計實例 103
4.3.1 負荷分配 105
4.3.2 比負荷與主要尺寸 106
4.3.3 定子鐵心的尺寸 106
4.3.4 氣隙長度 107
4.3.5 鼠籠式回路的電流 108
4.3.6 電阻與漏抗 110
4.3.7 勵磁電流與鐵損 115
4.3.8 機械損耗 116
4.3.9 空載電流 116
4.3.10 等效電路與特性 117
4.3.11 溫升 118
4.3.12 主要材料的用量 118
4.3.13 設計表 119
第5章 永磁同步電動機的設計
5.1 PM電機的概要 121
5.1.1 PM電機的結構 122
5.1.2 稀土類磁體的特性 122
5.1.3 PM電機的控制方式 123
5.1.4 PM電機的特性 124
5.2 PM電機的設計實例 125
5.2.1 負荷分配 125
5.2.2 比負荷與主要尺寸 127
5.2.3 槽尺寸與鐵心外徑 128
5.2.4 磁路設計 129
5.2.5 氣隙長度與磁體尺寸 131
5.2.6 轉子鐵心 133
5.2.7 繞組電阻與同步電抗 134
5.2.8 退磁分析 137
5.2.9 損耗與效率 138
5.2.10 溫升 140
5.2.11 主要材料的用量 141
5.2.12 設計表 141
第6章 直流電機的設計
6.1 直流電機的電樞繞組形式 143
6.1.1 疊繞組 143
6.1.2 波繞組 145
6.1.3 疊繞組與波繞組的比較 146
6.1.4 電樞的槽數 147
6.1.5 整流片間電壓和平均電抗電壓 147
6.2 直流電機的參數 148
6.2.1 直流電機的電壓 148
6.2.2 直流電機的極數 148
6.2.3 直流電機的轉速 149
6.2.4 電樞繞組形式 149
6.3 直流電動機的設計實例 149
6.3.1 負荷分配 150
6.3.2 比負荷與主要尺寸 152
6.3.3 電樞鐵心 153
6.3.4 電樞反應與氣隙長度 155
6.3.5 磁極與磁軛 158
6.3.6 勵磁安匝數與勵磁繞組 159
6.3.7 整流子與電刷 163
6.3.8 整流時的電抗電壓 165
6.3.9 換向極 170
6.3.10 補償繞組 174
6.3.11 主磁路的安匝數 175
6.3.12 速度變動率 177
6.3.13 損耗與效率 180
6.3.14 溫升 183
6.3.15 主要材料的用量 184
6.3.16 電樞回路的電感 186
6.3.17 強制通風用電動送風機 186
6.3.18 設計表 187
第7章 變壓器的設計
7.1 變壓器鐵心 188
7.2 變壓器繞組 189
7.2.1 繞組的配置 189
7.2.2 繞組的結構 190
7.2.3 繞組相關注意事項 192
7.3 單相變壓器的設計實例 193
7.3.1 負荷分配 193
7.3.2 比負荷與主要尺寸 195
7.3.3 繞組尺寸 198
7.3.4 電壓調整率 200
7.3.5 損耗與效率 203
7.3.6 空載電流 204
7.3.7 溫升 205
7.3.8 主要材料的用量 208
7.3.9 設計表 209
7.4 三相變壓器的設計實例 209
7.4.1 負荷分配 209
7.4.2 比負荷與主要尺寸 211
7.4.3 繞組的尺寸 213
7.4.4 電壓調整率 215
7.4.5 損耗與效率 217
7.4.6 空載電流 218
7.4.7 溫升 219
7.4.8 主要材料的用量 220
7.4.9 設計表 221
7.5 設計流程 221
第8章 電機設計總論
8.1 電機設計的要點 224
8.2 D2l法與負荷分配法 226
第9章 電力電子與電機設計
9.1 半導體裝置與電機的結合 231
9.1.1 與半導體功率變換裝置的結合 231
9.1.2 使用半導體自動控制裝置 232
9.1.3 系統控制 232
9.2 半導體裝置對電機的影響 232
9.2.1 半導體功率變換裝置的波形 232
9.2.2 對各種電機的影響 234
附錄 計算機的應用 239
原著第2版跋 243
原著第2版附言 245
原著第1版跋 247
第1章 電機的本質
1.1 電機的尺寸和容量的關系 1
1.2 電機的損耗 3
1.2.1 鐵損 3
1.2.2 銅損 6
1.2.3 機械損耗 7
1.3 絕緣材料的種類和溫升限值 8
1.3.1 絕緣材料的種類 8
1.3.2 溫升限值 10
第2章 電機設計的基礎
2.1 兩道基礎計算題 11
2.2 電機容量的一般表達式 17
2.2.1 電機的電動勢 17
2.2.2 電機的容量 18
2.2.3 電機的結構 19
2.2.4 電機的比容量和負荷 20
2.3 鐵機與銅機 21
2.4 電機的完全相似性 23
2.4.1 比負荷與特性 23
2.4.2 溫升 24
2.4.3 電比負荷和溫升的關系 26
2.5 電機的不完全相似性 27
2.5.1 比負荷與特性 28
2.5.2 溫升 30
2.6 微增率法理論 31
2.7 微增率法的實踐 33
2.7.1 同步電機的負荷統計 34
2.7.2 感應電機的負荷統計 39
2.7.3 直流電機的負荷統計 39
2.7.4 變壓器的負荷統計 40
2.7.5 負荷統計結果歸納 40
2.8 負荷計算法及近年電機的基準負荷與負荷分配常數 41
第3章 三相同步發電機的設計
3.1 三相同步電機的繞組形式 43
3.1.1 雙層繞組 43
3.1.2 并聯法 46
3.1.3 絕緣 46
3.2 三相同步發電機的設計實例 47
3.2.1 負荷分配 47
3.2.2 比負荷與主要尺寸 49
3.2.3 槽尺寸與鐵心外徑 52
3.2.4 電樞反應 54
3.2.5 電壓調整率 56
3.2.6 氣隙長度 58
3.2.7 磁極與勵磁繞組 60
3.2.8 主磁路的安匝數 64
3.2.9 電樞繞組的電阻與漏抗 68
3.2.10 負載飽和曲線與電壓調整率 71
3.2.11 損耗與效率 72
3.2.12 溫升 75
3.2.13 主要材料的用量 76
3.2.14 設計表 77
第4章 三相感應電動機的設計
4.1 三相感應電動機的繞組形式 79
4.1.1 繞線式轉子的繞組 79
4.1.2 鼠籠式轉子 81
4.2 繞線式三相感應電動機的設計實例 82
4.2.1 負荷分配 82
4.2.2 比負荷與主要尺寸 84
4.2.3 定子槽與鐵心外徑 86
4.2.4 氣隙長度 87
4.2.5 轉子鐵心 88
4.2.6 電阻與漏抗 92
4.2.7 勵磁電流與鐵損 96
4.2.8 機械損耗 98
4.2.9 空載電流 98
4.2.10 等效電路與特性 98
4.2.11 溫升 102
4.2.12 主要材料的用量 103
4.2.13 設計表 103
4.3 鼠籠式三相感應電動機的設計實例 103
4.3.1 負荷分配 105
4.3.2 比負荷與主要尺寸 106
4.3.3 定子鐵心的尺寸 106
4.3.4 氣隙長度 107
4.3.5 鼠籠式回路的電流 108
4.3.6 電阻與漏抗 110
4.3.7 勵磁電流與鐵損 115
4.3.8 機械損耗 116
4.3.9 空載電流 116
4.3.10 等效電路與特性 117
4.3.11 溫升 118
4.3.12 主要材料的用量 118
4.3.13 設計表 119
第5章 永磁同步電動機的設計
5.1 PM電機的概要 121
5.1.1 PM電機的結構 122
5.1.2 稀土類磁體的特性 122
5.1.3 PM電機的控制方式 123
5.1.4 PM電機的特性 124
5.2 PM電機的設計實例 125
5.2.1 負荷分配 125
5.2.2 比負荷與主要尺寸 127
5.2.3 槽尺寸與鐵心外徑 128
5.2.4 磁路設計 129
5.2.5 氣隙長度與磁體尺寸 131
5.2.6 轉子鐵心 133
5.2.7 繞組電阻與同步電抗 134
5.2.8 退磁分析 137
5.2.9 損耗與效率 138
5.2.10 溫升 140
5.2.11 主要材料的用量 141
5.2.12 設計表 141
第6章 直流電機的設計
6.1 直流電機的電樞繞組形式 143
6.1.1 疊繞組 143
6.1.2 波繞組 145
6.1.3 疊繞組與波繞組的比較 146
6.1.4 電樞的槽數 147
6.1.5 整流片間電壓和平均電抗電壓 147
6.2 直流電機的參數 148
6.2.1 直流電機的電壓 148
6.2.2 直流電機的極數 148
6.2.3 直流電機的轉速 149
6.2.4 電樞繞組形式 149
6.3 直流電動機的設計實例 149
6.3.1 負荷分配 150
6.3.2 比負荷與主要尺寸 152
6.3.3 電樞鐵心 153
6.3.4 電樞反應與氣隙長度 155
6.3.5 磁極與磁軛 158
6.3.6 勵磁安匝數與勵磁繞組 159
6.3.7 整流子與電刷 163
6.3.8 整流時的電抗電壓 165
6.3.9 換向極 170
6.3.10 補償繞組 174
6.3.11 主磁路的安匝數 175
6.3.12 速度變動率 177
6.3.13 損耗與效率 180
6.3.14 溫升 183
6.3.15 主要材料的用量 184
6.3.16 電樞回路的電感 186
6.3.17 強制通風用電動送風機 186
6.3.18 設計表 187
第7章 變壓器的設計
7.1 變壓器鐵心 188
7.2 變壓器繞組 189
7.2.1 繞組的配置 189
7.2.2 繞組的結構 190
7.2.3 繞組相關注意事項 192
7.3 單相變壓器的設計實例 193
7.3.1 負荷分配 193
7.3.2 比負荷與主要尺寸 195
7.3.3 繞組尺寸 198
7.3.4 電壓調整率 200
7.3.5 損耗與效率 203
7.3.6 空載電流 204
7.3.7 溫升 205
7.3.8 主要材料的用量 208
7.3.9 設計表 209
7.4 三相變壓器的設計實例 209
7.4.1 負荷分配 209
7.4.2 比負荷與主要尺寸 211
7.4.3 繞組的尺寸 213
7.4.4 電壓調整率 215
7.4.5 損耗與效率 217
7.4.6 空載電流 218
7.4.7 溫升 219
7.4.8 主要材料的用量 220
7.4.9 設計表 221
7.5 設計流程 221
第8章 電機設計總論
8.1 電機設計的要點 224
8.2 D2l法與負荷分配法 226
第9章 電力電子與電機設計
9.1 半導體裝置與電機的結合 231
9.1.1 與半導體功率變換裝置的結合 231
9.1.2 使用半導體自動控制裝置 232
9.1.3 系統控制 232
9.2 半導體裝置對電機的影響 232
9.2.1 半導體功率變換裝置的波形 232
9.2.2 對各種電機的影響 234
附錄 計算機的應用 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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電機設計學(修訂第3版) 節選
第1章 電機的本質 首先，請思考電機與其他動力裝置有哪些不同。 常見的動力裝置，如水車、發動機和汽輪機等都是中空結構，向其中注入水、油、天然氣或蒸汽等物質，從而產生機械能。 然而，電機并非中空結構，其產生的能量來自電機中導線內部的電子運動。正如汽油質量的優劣左右發動機的特性，電機的特性取決于導線內自由電子的量和狀態，以及磁路的材質等。主要材料的優劣直接決定了電機特性，這是宿命。 不僅如此，電機與其他動力裝置相比，所用材料的種類繁多。一般的動力裝置以金屬為主要材料，但電機除了作為結構材料的金屬，還使用了大量磁性材料，以及多種有機、無機固體和液體絕緣材料。 近年來，隨著磁性材料特性的提升，損耗有所降低，絕緣材料的絕緣性能不斷提升，容許溫度也顯著提高。材料革新與設計技術的進步，明顯促進了電機的小型化和高效率化。但是，絕緣材料必須在變質溫度以下使用的限制依然存在，這一點不同于其他動力裝置，要時刻注意。 另外，電機本身的控制性能十分出色。近年來隨著電力電子技術的進步，電機控制特性得到了明顯改善，相比于其他動力裝置優勢明顯。為了充分發揮這一優勢，電機設計也必須根據用途仔細斟酌控制方式。 請大致思考下，電機的尺寸和容量之間有何種關系？將某臺電機的各部分尺寸像拉伸立體照片一樣放大到2倍，那么容量會變為幾倍？各部分尺寸變為2倍，電路導線尺寸也變為2倍，截面積就變為22=4倍。 常見的電機導線的電流密度約為3 A/mm2，電機尺寸變為2倍，意味著電流將變為4倍。 同理，磁路的尺寸也變為2倍，磁通量方向上直角磁路的截面積變為22=4倍。常見的鐵心的磁通密度約為1 T，可以視為常量。尺寸變為2倍的電機中，磁通量會變為4倍。因此新磁通量產生的感應電動勢為原先的4倍。 由此可知，電流和電壓都變為原先的4倍，所以尺寸變為2倍的電機的容量是原先的4×4=16倍。例如，以100 kW的電動機的2倍尺寸制造電動機，可以得到1600 kW容量。 然而尺寸變為2倍的電機的體積變為23=8倍，在各部分材質不變的情況下，質量也變為8倍。換句話說，使用8倍的材料可以獲得16倍的容量，電機的容量越大，單位容量所需的材料越少，成本也就越低。 接下來，我們看一看電機尺寸變為2倍后效率和溫升如何變化。 如前文所述，尺寸變為2倍后，質量就會變為8倍。假設電流密度和磁通密度不變，單位質量的銅損和鐵損也不變，整體的銅損和鐵損也會變為8倍。容量變為16倍，單位容量的損耗就會變為8/16=1/2。因此，電機的容量越大，效率越高。 可是將損耗產生的熱量散發到大氣中的散熱面積，即電機的表面積變為了22=4倍。電機的溫升和單位散熱面積的損耗成正比，所以2倍尺寸的電機的損耗變為原先的8倍，而散熱面積只增加到4倍，預計溫升會達到2倍。 綜上所述，電機的尺寸同比放大時，容量以比例的4次方增大，雖然提高了效率，降低了材料費用，但是有溫升增大的缺點。 觀察電機實物會發現，越是大容量的電機，越要考究各種冷卻部件以增大散熱面積，而且電機外形不一定會同比變化。 例如，千伏安級柱上變壓器本體只是簡單地放在箱中，但是百萬伏安級變壓器就需要在箱外安裝散熱器，更大型的變壓器還會采取強制換熱的油冷和風冷措施。而大型旋轉電機本體上可以設計風道，設置冷卻風扇，或者在風道內設置氫冷或水冷管道等，還可以在繞組內部進行油冷或水冷，方法多種多樣。要注意的是，電流密度和磁通密度也會視電機的大小和冷卻裝置而異。 一提到損耗，人們總會想到浪費、毫無益處，希望能夠根除，但是對于電機，損耗未必是毫無益處的。 例如，絕緣材料受潮后絕緣性能會降低，但損耗產生的熱量恰好能起到烘干作用；旋轉電機的轉子會產生風損，但電機反而因此得以冷卻，使絕緣材料保持在容許溫度以內。安裝風扇導致風損增大，但冷卻風量也增大了，由此還可以增大電機容量。 電機的損耗可分為鐵損、銅損和機械損耗，我們來看一看它們分別是怎樣產生的。 1.2.1 鐵損 在變壓器鐵心、直流電機和交流電機的電樞鐵心內部，磁通量的變化會產生鐵損。為了盡可能降低鐵損，可以采用各種1%～3%硅含量的薄硅鋼板。針對變壓器應用，有高磁通密度、低鐵損的各向同性硅鋼板和細化磁疇的磁疇控制材料，以及6.5%硅含量的低噪聲、高頻用的硅鋼板等。隨著硅鋼板的特性不斷提升，種類日趨豐富，人們能夠很容易地根據電機設計選擇特性適宜的硅鋼板。 眾所周知，交變磁通穿過鐵心時會產生渦流損耗和磁滯損耗，前者與硅鋼板厚度 d的平方、頻率 f的平方以及磁通密度 B的平方成正比；后者與硅鋼板厚度無關，與 f成正比，與 B的1.6～2次方成正比。實際上，當鐵心內的 B高達1 T以上時，磁滯損耗也與 B的平方成正比。因此，每1 kg鐵心的損耗 wf（W/kg）為 （1.1） 式中，σh為磁滯損耗系數；σe為渦流損耗系數。 表1.1列舉了各種硅鋼板磁通密度 B0下的實際 w0值，以及對應的σh和σe值。 表1.1鐵心鋼板種類、損耗及其系數 已知 w0， d和 f2不變， B0變為 B時的 wf（W/kg）可用下式計算： （1.2） 然而，式（1.1）計算的鐵損僅適用于鋼板的交變磁通密度不變的情況（如使用鐵損試驗裝置測量鐵損），實際電機中鐵心內的磁通密度并不穩定，而且不止交變磁通，還有旋轉磁通，因此實際鐵損高于式（1.1）的計算結果。另外，旋轉電機電樞鐵心齒部的磁通量分布及其時間變化非常復雜，實際鐵損會達到式（1.1）計算結果的2～3倍，鐵心結構相對簡單的變壓器等的實際鐵損也會達到1.05～1.3倍。而且，磁滯損耗和渦流損耗的增大幅度不同，為了方便實際損耗計算，式（1.1）可做如下改進。 ●變壓器鐵心 磁滯損耗系數σh和渦流損耗系數σe分別增大到 ，式（1.1）可改寫為 （1.3） 式中，系數σH和σE取決于實際的變壓器，參見表1.2。 表1.2 實際電機的磁滯損耗和渦流損耗系數 ●旋轉電機鐵心 旋轉電機鐵心的軛部和齒部的磁通量穿過方式大不相同，要分別考慮鐵損增大的程度。軛部的鐵損 wfc為 （1.4） 式中， Bc為軛部的磁通密度（T）；σHc和σEc取決于實際的旋轉電機，參見表1.2。
電機設計學(修訂第3版) 作者簡介
竹內壽太郎，原東京電機大學教授，原東京電機大學電動力應用研究所所長。1913年畢業于東京高等工業學校電氣工程科，1925年獲工學博士學位。
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