3.4 设计技术参数

3.4.1 电磁负荷选择

电磁负荷及其比值 A/B _δ 的选择与许多因素有关。电负荷 A 和磁负荷 B _δ 不仅影响电动机的主要尺寸及有效材料的利用率，而且与电动机的参数、运行性能、起动性能和使用寿命等都有着密切关系，因此必须全面考虑。从电动机综合技术经济指标出发来选取最合适的 A 和 B _δ 值，以使制造和运行的总费用最小，而且性能良好。一般常参考成熟的生产和设计经验来选取。

磁负荷 B _δ 一定，电负荷 A 选得较高时产生下述影响：

1）电动机主要尺寸随 A 值增大而减小，因而使材料消耗减少。

2）由于 B _δ 值一定，随着铁心材料的减少，铁耗下降。

3）绕组用铜量、铜耗及温升增加，效率将下降。

4）使漏抗增大，导致最大转矩和起动转矩降低。

5）使电动机的功率因数cos φ 有所提高。这是因为随着定子绕组每相串联匝数的增加，使励磁电流减小，cos φ 提高。

电负荷 A 一定，磁负荷 B _δ 选得较高时产生下述影响：

1）电动机主要尺寸随 B _δ 增大而减小，因而节省了有效材料。

2）随着 B _δ 值增高，铁心中的磁通密度增高，而铁耗近似地与磁通密度的二次方成比例地增加，从而导致电动机的效率降低。

3）由于空气隙和铁心内磁通密度增大，使励磁电流增大，功率因数cos φ 降低。

4）使电动机的漏抗减小，引起起动电流增大。

5）使电动机的振动和噪声有所提高。一般单相异步电动机运行时总要有负序磁场存在，致使励磁电流约为对称运行时的两倍，若为低噪声电动机，磁负荷 B _δ 应选得更低些。

由此可见，合理选择电磁负荷 A 和 B _δ 值是很重要的。

在具体选择电磁负荷时，还必须考虑电动机绝缘等级、导电和导磁材料性能、极数、功率、冷却方法及性能要求等一系列因素。由上可见，电磁负荷的选择涉及许多问题，在设计时，主要依据制造和运行实践中积累的数据来选取。

小功率单相异步电动机电磁负荷的选用范围归纳在表3-4中，供读者在电动机设计时参考。

3.4.2 铁心尺寸和空气隙的确定

1.主要尺寸比 在选择电磁负荷 A 和 B _δ 值之后，由式（3-44）

可以确定电动机的体积 ，但问题并没有完全解决。对于同样的 值，单相电动机可以设计得比较细长，也可以设计得比较短粗，因此为了使电动机具有匀称的几何形状，必须对电动机的主要尺寸比 λ = l ₁ / D _i1 加以控制，即

λ 值对电动机的技术经济指标有较大的影响。如果 λ 值选得较大，则电动机比较细长； λ 值选得较小，则电动机比较短粗。实践证明， λ 值的大小对电动机的运行性能、经济性和工艺性都有影响。

当 λ 值选得较大时，有以下优点：

1）节省用铜量。因为 λ 值大，定子内径和极距较小，线圈的跨距较短。

2）使效率提高。由于绕组端部缩短，使绕组铜耗减小。

3）由于绕组端部缩短，端部漏抗较小，使总漏抗减小，从而提高了电动机的过载能力和起动转矩。

而 λ 值选得较大时，则有以下缺点：

1） λ 值较大时铁心较长，铁心冲片数增加，费工时。

2）由于电动机细长，使内部的散热条件变坏。

3）由于电动机细长，为了避免扫膛，必须增加转子刚度。

在进行系列电动机设计时，对应同一种定子冲片，一般选取两种铁心长度，则功率大者取 λ 的上限，功率小者取 λ 的下限。

2.定子铁心内外径比 在单相异步电动机系列设计时，定子铁心外径也是很重要的尺寸。定子铁心外径 D ₁ 的确定要考虑硅钢片的合理套裁，要考虑系列电动机中心高和功率等级的对应关系等。定子铁心外径 D ₁ 与中心高 H 间的关系近似为

目前，我国单相异步电动机采用的定子铁心外径标准值及其与中心高的对应关系，见表3-5。

定子铁心外径确定后，由电机设计理论可知，增大定子铁心内径 D _i1 就可以增大电动机的电磁功率。但 D _i1 不可随意加大，否则会引起定子铁心轭部磁路的过饱和，使定子铁心损耗增加，电动机的效率和功率因数降低。为了使定子铁心磁通密度分布合理，应考虑电动机极数的影响。对于极数少的电动机，每极磁通量较大，铁心轭部较高，定子铁心内径相对较小。相反，极数较多的电动机每极磁通量较小，铁心轭高较小，这样定子铁心内径就可以相对大些。可见定子铁心内径和外径比值应有一个合理的数值范围。目前，我国单相异步电动机的定子内外径之比一般在下列范围：

2极电动机 λ _D = D _i1 / D ₁ =0.52～0.56（一般为0.53）

4极电动机 λ _D = D _i1 / D ₁ =0.54～0.63（一般为0.60）

3.空气隙的确定 在单相异步电动机设计时，正确选择空气隙的大小是非常重要的，它对电动机的性能影响很大。为了减小励磁电流以改善功率因数，应该使气隙尽量小些。但是气隙不能太小，否则会使电动机的制造和运行增加困难，而且使某些电气性能变坏。

从结构上来看，气隙的最小值主要决定于定子内径大小、轴的直径和轴承间的长度。

从工艺上来看，零部件加工的同心度、椭圆度及装配的偏心，轴承的间隙及其磨损等，都影响着气隙的大小。

从电气性能来看，气隙也不能太小。气隙越小，谐波漏抗越大，导致最大转矩和起动转矩降低；同时杂耗增大，效率降低，温升增高。气隙的大小，还直接影响励磁电抗 x _μ 的大小，而励磁电抗 x _μ 的数值又影响着有效匝数比 a 和移相电容 C 的选择。当气隙减小时，励磁电抗增加，相应地，有效匝数比 a 减小，电容值 C 增大。所以，气隙的选择，一方面要考虑结构、工艺、性能方面要求，另一方面还要考虑有效匝数比 a 和电容 C 的合理选择。

气隙选择的经验公式如下：

在具体选择气隙长度 δ 时，可参考过去生产的电动机经验数值和所要设计的电动机特点来综合考虑。单相异步电动机的气隙通常在下列范围选取：

δ =0.2～0.55mm

小功率低转速时取较小值，大功率高转速时取较大值。

当电动机采用滑动轴承时，由于存在静偏心，气隙长度应比滚动轴承时增加10%～20%。

3.4.3 定、转子槽数的选择

定子槽数的选取对电动机的性能有直接影响。定子槽数增多，可以获得较好的磁动势、电动势波形，削弱了谐波磁场，使附加损耗和附加转矩下降；槽数多了，电动机的漏抗减小，导致最大转矩和起动转矩有所增加，效率和功率因数也略有增加；槽数多了，绕组分散，绕组接触铁心的散热面积增加，对散热有利。但槽数增多，将引起槽绝缘材料和工时的增加，槽利用率降低，对冲模的制造和使用也不利。

在确定定子槽数时，应考虑绕组的平衡。对于单相电动机，每极槽数应为整数；对于两相电动机，定子槽数应为偶数。单相异步电动机目前经常采用的定子槽数见表3-6。

对于转子槽数的选取，必须与定子槽数有恰当的配合，这就是通常所谓的定、转子槽配合问题。如果槽配合选择不当，可引起较大的附加转矩（使起动性能变坏，甚至起动不起来）、附加损耗（使效率降低、温升增高）、噪声、振动等，对单相异步电动机性能有较大影响。

关于槽配合问题，有不少专门的理论分析，一般从减小异步附加转矩、同步附加转矩，以及单边磁拉力引起的振动和噪声出发。分析结果认为，定、转子槽配合应满足下列关系：

（1）为了减小振动和噪声

Q ₁ -Q ₂ ≠±1,±2,±（2 p ±1），±（2 p ±2）

（2）为了避免机械特性 T = f （ s ）上的死点

Q ₁ -Q ₂ ≠±2 p

（3）为避免机械特性 T = f （ s ）上的死点

Q ₁ -Q ₂ ≠2 mp 或2 mpk

（4）满足 Q ₁ ≠ Q ₂ ， Q ₁ / Q ₂ ≠整数

应该指出，定、转子槽配合的选择是一个比较复杂的问题。上述原则不是绝对的，有时虽然与上述原则不符，但起动、运行性能也较好，这是因为还有其他因素的影响，如电动机的饱和程度、气隙大小、斜槽程度和转子槽形等。

表3-7中列出了常用的槽配合，可供选择槽配合时参考。

3.4.4 定、转子槽形设计

定、转子冲片部分尺寸经验公式

1.定子槽口宽 b _s0

当 Q ₁ =24时 b _s0 =（0.069+0.0175 D _i1 ）cm

当 Q ₁ =36时 b _s0 =（0.038+0.0175 D _i1 ）cm

当 Q ₁ =48时 b _s0 =（0.0175 D _i1 ）cm

单相异步电动机基本系列的 b _s0 范围 b _s0 =0.20～0.32cm

2.定子槽口高 h _s0 =0.05～0.075cm

3.定子轭高

其中 B _t1 / B _j1 经验值近似为1.15。

4.转子槽口宽 b _r0 =0.05～0.1cm

5.转子槽口高 h _r0 =0.02～0.05cm

3.4.5 有效匝数比 a 与电容 C 的选择

影响 a 值和 C 值的因素如下：

1.磁路饱和程度对 a 值和 C 值的影响 因为励磁电抗 x _μm 直接影响 R _f 和 x _f 的数值，而 a 值和 C 值主要由 R _f 、 x _f 来确定，所以 x _μm 值对确定 a 值和 C 值起主要作用。

当气隙一定时，若电动机磁路不饱和，则 x _μm 增大， R _f 增大， x _f 减小， a 值减小， x _C 值减小， C 值增大。同时电容器电压 U _C 也随之减小。因此单相电容运转异步电动机往往磁路设计得不太饱和，使得 a 值较小、 C 值较大。反之，若磁路饱和程度增高时，则 a 值增大， C 值减小。

2.气隙对 a 值和 C 值的影响 由于气隙长度直接影响励磁磁动势和励磁电抗 x _μm 值，当气隙减小时，则 x _μm 值将增大，使 a 值减小， C 值增大。气隙长度的选择将对副绕组设计有重要影响。

3.主绕组匝数对 a 值和 C 值的影响 主绕组匝数增多时，将使主绕组电阻 R _1m 和励磁电抗 x _μm 增大，从而使 a 值减小， C 值增大。反之使 a 值增大， C 值减小。

4.转子电阻 R _2m 对 a 值和 C 值的影响 若转差率 s 不变时，随着转子电阻 R _2m 的减小，将使 a 值减小、 C 值增大。反之， a 值增大、 C 值减小。

表3-8～表3-11列出了 a 值和 C 值的选择范围和经验数据，供选取时参考。