第4部分 同步电机设计
4.1 小型三相同步发电机设计 4.2 永磁同步发电机设计 4.3 异步起动永磁同步电动机设计
4.1 小型三相同步发电机设计
4.1.1 小型三相同步发电机设计的主要问题 小型三相同步发电机电磁设计是在已确定的视在功率或有功功 率、电压、相数、频率、功率因数、转速等额定值的情况下， 按产品技术要求确定电磁负荷、有效部分尺寸、绕组数据及性 能参数等。
4.1 小型三相同步发电机设计
绕组常设计为单双层绕组（双层短距绕组，每槽中同相位的上、
下线圈边组成一个新的单层线圈边，与同相属的另一个类似槽
中的新的单层线圈边组成一个线圈，详细见西交大电机设计
p233）。单相谐波绕组放在单层线圈的槽内，其节距为电枢绕
组整距的
1 3
。
5、磁极结构和形状的选择 小型三相同步发电机的转子磁极结构分为凸极和隐极两种结构。
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
2）内置式转子磁极结构 在内置式转子磁极结构中，永磁体位 于笼型绕组导体和铁心轴孔之间的铁心中。内置式转子结构按一 对极下永磁体的磁路关系，可以分为并联式、串联式和混合式三 种。 ①并联式磁路结构 并联式磁路结构 又称切向式磁路 结构，在该结构 中，相邻两磁极 的永磁体并联提 供每极磁通，如 图。
1、电磁负荷的取值范围：设计时如果想要少用铜，在选择电 磁负荷时，要尽可能用较高的气隙磁密和电枢电密，而线负荷 A要尽可能取得低；若设计时要少用铁，则应适当提高线负荷 A 。由于F级绝缘材料的发展和运用，电磁负荷的取值也相应 地提高。目前小型同步发电机的电磁负荷的取值范围如下表：
4.1 小型三相同步发电机设计
一般 max min 1.2 : 1.3 ；对于30kW以下的发电机，为了制造 方便，采用均匀气隙。 隐极结构，采用均匀气隙。 20世纪70年代末期发展了兼顾凸极和隐极结构优点的整体凸极 叠片转子磁极结构称整体式凸极结构。这种结构的磁极和磁轭 为一体，由0.5mm或0.65mm薄钢片整片冲出，冲片叠压并经 氩弧焊焊成一体，叠装在轴上，在铁心上喷涂绝缘漆或者包绝 缘。励磁绕组由绕线机直接绕到极身上，边绕边涂线圈胶，然 后整体浸漆烘干。
4路结构又称径向式磁路结构，该 结构由两个磁极的永磁体串联，如图。
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
③ 混合式磁路结构 该结构集合了并联式磁路结构和串联式 磁路结构，如图。
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
3.异步起动永磁同步电动机的电磁设计 1）定子冲片尺寸和气隙长度的确定 定子冲片尺寸和感应电机的相同。定子每极每相槽数一般取整 数，q1 2 : 6 。气隙长度比同容量的感应电机的气隙长度大
凸极发电机的阻尼绕组是装在极靴的表面。阻尼绕组由伸出 极靴铁心槽的阻尼条与两端的端环焊接组成。
小型隐极发电机由于转子磁极铁心采用整块合金钢锻成，合 金钢具有阻尼效果，故小型隐极发电机不再装置阻尼绕组。中 大型隐极发电机装置阻尼绕组，阻尼条装置在转子铁心安置励 磁绕组的开设槽的槽楔下，端环装在中心环里。
感应电机的转子槽形相似。
4.永磁体设计 在异步起动永磁同步电动机设计中，永磁体通常为长方体，主
要尺寸为每极永磁体的总宽度 bM ，永磁体充磁方向长度 hM 和永
磁体轴向长度 LM 。◆一般内置径向式转子磁路结构永磁体尺寸：
hM
Ks Kabmo 1 bmo o
；bM
2 o B11lef bmo Br K LM
（同容量的电机，F级的绝缘电机的体积比B级的绝缘电机的体 积小，气隙磁密一样，但体积小的定子齿等铁心的磁密要高些）
4.1 小型三相同步发电机设计
2、气隙长度 的确定
小型发电机的气隙长度可由公式确定，即：

Kc
K0 A
B N
103
cm
Kc ---饱和短路比，对自励恒压发电机 Kc 0.25 : 0.7 ； K0 ---经验系数，K0 0.22 : 0.24， A ---线负荷 ，
。
◆切向式永磁体尺寸：hM

2Ks Kabmo
1 bmo o
；bM
o B11lef bmo Br K LM
。
从工艺考虑，隐极式转子从过去的采用大小槽结构（便于气隙 磁场正弦分布），到现在采用等槽结构，一般每极的有效槽数 大都采用 6 : 8 槽。 小型三相同步发电机定子槽形一般采用 梨形或梯形半闭口槽形， 如图。
4、电枢绕组的设计 小型低压发电机一般采 用半闭口槽和散下的双 层叠绕组。在采用单相 三次谐波绕组提供励磁 功率的发电机，电枢
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
4.3.1异步起动永磁同步电动机设计的主要问题 永磁同步电动机由永磁（体）提供磁场，没有了电励磁同步电 动机中的电刷及励磁电源。
1、异步起动永磁同步电动机的结构 异步起动永磁同步电动机由定子和转子组成。 1）定子结构 永磁同步电动机的定子结构和感应电机的相同。 2）转子结构 转子分为实心永磁转子和笼型永磁转子两种。 ◆实心永磁转子结构铁心由整块钢加工而成，上面铣出槽以放置 永磁体。起动时，旋转磁场在转子铁心中感应涡流产生起动转矩。 ◆笼型永磁转子是最常见的结构，转子铁心由0.5mm厚的硅钢 片叠压而成，上面冲有均匀的槽，通常是半闭口槽。
1）表面式转子磁极结构
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
结构如图，图a，永 磁体用高强度非导 磁圈固定在笼型转 子的外部。磁极 （永磁体）之间如 采用树脂、铝等非 导磁材料填充，属 于隐极电机；磁极 （永磁体）之间如 采用导磁材料填充，属于凸极电机，交轴磁阻小于直轴磁阻。 这种结构的电机笼型绕组导体在转子内部，产生的起动转矩（异 步转矩）较小。
采用何种结构，是各个生产厂家的的工艺决定的。凸极结构，
气隙不均匀，一般取气隙最大气隙长度 与最max小气隙长度
mi（n 磁极轴线处的气隙 ， min ）之比为：max min 1.5 ；
极弧系数 a 0.70 : 0.75 。对于采用三次谐波励磁的发电机，
4.1 小型三相同步发电机设计
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
永磁同步电动机由于永磁体的放置原因，转子很难斜槽，通常 采用定子斜槽。转子笼型绕组有铜条焊接式和铸铝式两种，和 感应电机的笼型转子绕组一样。 ◆永磁体的固定方式有两种：①采用在永磁体上涂树脂，再将 永磁体插入转子铁心，树脂凝固后将永磁体和转子固定在一起； ②将永磁体插入转子铁心，然后在铁心两端加非磁性端环固定 在转子铁心上。 2.异步起动永磁同步电动机的转子磁极结构 根据永磁体放置在铁心的位置，将转子磁极分为表面式和内置 式两种转子磁极结构。
4.1 小型三相同步发电机设计
8、磁路计算
磁路计算的主要目的是计算电机的空载特性、短路比及满载励 磁电流。 确定磁路各部分的磁密是否合理。凸极同步电机的磁 路计算包括：气隙磁势，定子齿磁势，定子轭磁势，极身磁势， 转子轭磁势及第二气隙磁势（磁极和磁轭之间的气隙）六部分。 对整体凸极和隐极电机没有第二气隙磁势。
9、参数计算 计算定、转子的直流电阻和各种电抗。 10、损耗与效率 中小型同步发电机的损耗：1）铁耗 定子齿和轭的铁耗；2）定 子铜耗；3)励磁损耗；4）机械损耗；5）附加损耗。
效率计算和感应电机的一样。
4.2 永磁同步发电机设计
永磁同步发电机设计的主要问题:永磁材料的选择、永磁体尺 寸、转子结构尺寸、定子绕组和定子冲片的确定、磁路计算、 电压调整率和短路计算。
0.1: 0.2mm 。
2）定子绕组的设计 定子三相绕组常采用Y形联接。定子绕组的类型和感应电机的 一样，有单层绕组和双层绕组。为了提高起动转矩，定子每相 匝数比感应电机的要少些，起动电流当然也大些。电流密度比 同容量感应电机的要小些。
4.3 异步起动永磁同步电动机设计
3）转子铁心的设计 转子槽数为极数的整数倍，且采用多槽远槽配合。转子槽形和
B N ---额定工况的气隙磁密， ---极距。
目前小型同步发电机的气隙一般取 0.5 : 2.5mm 。
3、定转子槽数及槽形
小型三相同步发电机定子每极每相槽数一般选用整数槽，
q 3、4、5 。为了消除齿谐波电势对电压的影响，定子或转子采
用斜槽，一般是斜一个齿距。
4.1 小型三相同步发电机设计
6、励磁绕组设计 励磁绕组设计包括确定励磁绕组匝数、导线尺寸以及励磁系统 对额定励磁电压和额定励磁电流的要求。
4.1 小型三相同步发电机设计
小型凸极同步电机的励磁绕组一般采用漆包圆线或漆包扁导线。
7、阻尼绕组的设计 现代中大型发电机一般设有阻尼绕组。发电机装置阻尼绕组，
不仅使发电机运行稳定，也可以减少发电机在短路或跳闸时的 电枢过电压及励磁绕组的过电压。