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电机基础知识简介电机基础知识简介2006.3.11一一.什么是电机？什么是电机？电机就是一种将机电能量进行转换电机就是一种将机电能量进行转换的电磁装置。的电磁装置。包括：包括：机械能机械能电能：发电机电能：发电机 电能电能机械能：电动机机械能：电动机 电能电能电能：变压器、变频机、移相器电能：变压器、变频机、移相器 电机的基本分类：电机的基本分类：二二.电机的理论基础。电机的理论基础。电磁感应定律：电磁感应定律：在磁场中运动的导体产生电在磁场中运动的导体产生电 e=B L v e=B L v 变变化的磁场产生感应电动势化的磁场产生感应电动势 e=-N d/dt e=-N d/dt 电磁力定律：电磁力定律：载流导体在磁场中受力载流导体在磁场中受力 f=B L i f=B L i e:e:感应电动势；感应电动势；B:B:磁感应强度；磁感应强度；L:L:导体有效长度；导体有效长度；v:v:导体运动线速度；导体运动线速度；f:f:电磁力；电磁力；i:i:导体中的电流；导体中的电流；N:N:线圈匝数；线圈匝数；d/dt:d/dt:磁通变化率。磁通变化率。三三.电机发展历史。电机发展历史。18201820年，年，奥斯特奥斯特发现了电流的磁效应，为电动机的发明提发现了电流的磁效应，为电动机的发明提供了理论依据供了理论依据。18311831年，年，法拉第法拉第发现了电磁感应定律，为发电机提供了理发现了电磁感应定律，为发电机提供了理论基础，预示着人类利用电力的新时代即将来临。论基础，预示着人类利用电力的新时代即将来临。18601860年，英国物理学家年，英国物理学家麦克斯韦麦克斯韦在综合前人工作的基础上，在综合前人工作的基础上，建立了统一的电磁理论建立了统一的电磁理论电动力学。电动力学。18341834年，俄国的年，俄国的雅可比雅可比制成了第一台实用的直流电动机。制成了第一台实用的直流电动机。18601860年，意大利的年，意大利的巴奇诺基巴奇诺基发明了带有电励磁装置的直流发明了带有电励磁装置的直流电动机，基本上达到了工业使用标准。电动机，基本上达到了工业使用标准。18631863年，英国年，英国惠尔德惠尔德制成了具有磁电激磁机的发电机。制成了具有磁电激磁机的发电机。18671867年，德国年，德国西门子西门子制成自激式直流发电机。西门子对直制成自激式直流发电机。西门子对直流发电机的改进相当于瓦特当年对蒸汽机的改进，在技术流发电机的改进相当于瓦特当年对蒸汽机的改进，在技术史上留下了光辉的一页。史上留下了光辉的一页。18891889年，俄国年，俄国多里沃多里沃多布罗勿斯基多布罗勿斯基发明了三相异步发电机发明了三相异步发电机和三相制。从此以后，交流电逐渐取代了直流电地位。和三相制。从此以后，交流电逐渐取代了直流电地位。四四.电机在国民生产生活中的应用。电机在国民生产生活中的应用。全世界全世界98%98%以上的电能由发电机产生。以上的电能由发电机产生。全世界全世界95%95%以上的电能采用变压器进行传输。以上的电能采用变压器进行传输。全世界全世界70%70%以上的电能被电动机消耗。以上的电能被电动机消耗。举例：举例：a.a.电机在家用空调中的应用。电机在家用空调中的应用。b.b.电机在矫车上的应用。电机在矫车上的应用。五五.电机的构成。电机的构成。导磁材料构成磁路。导磁材料构成磁路。导磁材料：亦称铁磁材料，主要指电机专用的导磁材料：亦称铁磁材料，主要指电机专用的 高磁导率材料高磁导率材料-硅钢片，亦称电硅钢片，亦称电 工钢片。通常把铁磁材料中的功率工钢片。通常把铁磁材料中的功率 损耗叫损耗叫“铁损铁损”，铁损由两个原因造，铁损由两个原因造 成，一个是成，一个是“磁滞损耗磁滞损耗”，一个是，一个是“涡涡 流损耗流损耗”。导电材料构成电路。导电材料构成电路。导电材料：采用电阻率小的紫铜或电工纯铝。导电材料：采用电阻率小的紫铜或电工纯铝。通常把导电材料中的功率损耗叫通常把导电材料中的功率损耗叫“铜铜 耗耗”或或“铝耗铝耗”。绝缘材料组成绝缘系统。绝缘材料组成绝缘系统。绝缘材料：包括匝间绝缘、槽绝缘、层间绝缘、绝缘材料：包括匝间绝缘、槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘、槽楔、端部绑扎、引线绝相间绝缘、槽楔、端部绑扎、引线绝 缘、浸渍漆等。重要指标：耐热等级。缘、浸渍漆等。重要指标：耐热等级。结构材料组成支撑系统。结构材料组成支撑系统。结构材料：铸铁、铸钢、圆钢或钢板做成机座、结构材料：铸铁、铸钢、圆钢或钢板做成机座、机壳、轴、或端盖机壳、轴、或端盖。六六.永磁直流电动机。永磁直流电动机。（1）概述）概述 永磁式直流电动机是借助永磁体建立磁永磁式直流电动机是借助永磁体建立磁场的小功率电动机，功率从几瓦到千瓦左右。与电场的小功率电动机，功率从几瓦到千瓦左右。与电磁式相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜磁式相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率微型直流电动机的重要型式。量少等优点，是小功率微型直流电动机的重要型式。根据采用永磁体材料的不同，永磁直流根据采用永磁体材料的不同，永磁直流电动机分为铝镍钴型、铁氧体型和稀土钕铁硼型多电动机分为铝镍钴型、铁氧体型和稀土钕铁硼型多种。铁氧体型以价廉、性能良好见长，广泛用于家种。铁氧体型以价廉、性能良好见长，广泛用于家电、汽车、玩具及电动工具等配用的微型电动机。电、汽车、玩具及电动工具等配用的微型电动机。（2 2）永磁直流电动机工作原理）永磁直流电动机工作原理从图中可以看出，接入直流电从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷源以后，电刷A A为正极性，电为正极性，电刷刷B B为负极性。电流从正电刷为负极性。电流从正电刷A A经线圈经线圈abab、cdcd，到负电刷，到负电刷B B流出。根据电磁力定律，在载流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着，掌心向着N N极，极，4 4指指向电指指向电流的方向，与流的方向，与4 4指垂直的拇指指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线示瞬间，导线abab与与dcdc中所受中所受的电磁力为逆时针方向，在这的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转。时针旋转。（3 3）永磁直流电机结构）永磁直流电机结构（4 4）永磁直流电动机的工作特性）永磁直流电动机的工作特性 n:n:转速转速 (转转/分分)P2:P2:输出功输出功(瓦瓦)I:I:电流电流 (安安):效率效率 (%)(%)T:T:转矩转矩 (牛牛米米)对永磁式直流电动机，对永磁式直流电动机，由于其磁通并不随负载变由于其磁通并不随负载变化，化，在某一恒定的端电压下在某一恒定的端电压下当转矩增加时，仅由于转当转矩增加时，仅由于转子电阻增大引起转速少量子电阻增大引起转速少量下降，所以转速曲线下降下降，所以转速曲线下降较小，即呈现较小，即呈现“硬硬”特性。特性。（5 5）永磁直流电动机的）永磁直流电动机的转速公式转速公式 n=(U-IaRa-Ub)/Cen=(U-IaRa-Ub)/Ce n:n:转速转速 (转转/分分)U:U:电动机的端电压（伏）电动机的端电压（伏）Ia:Ia:电流电流 （安）（安）Ra:Ra:电机回路总电阻（欧）电机回路总电阻（欧）Ub:Ub:每对电刷的电压降每对电刷的电压降(伏伏):每极磁通每极磁通 （韦伯）（韦伯）Ce:Ce:电势常数电势常数 Ce=(pN)/60aCe=(pN)/60a P:P:极对数极对数(对二极电机对二极电机p=1)N:p=1)N:总导体数总导体数 a:a:电枢绕组并联支路对数，单迭绕组时对二极电机电枢绕组并联支路对数，单迭绕组时对二极电机a=1a=1 （6 6）永磁直流电动机）永磁直流电动机转速转速的的调整调整电机的端电压与转速近似正比关系。电机的端电压与转速近似正比关系。电机回路内各部分的电阻之和增加，则转速将有电机回路内各部分的电阻之和增加，则转速将有所降低。所降低。电刷接触压降及电阻率与转速成反比。电刷接触压降及电阻率与转速成反比。电机的每极磁通与转速成反比。电机的每极磁通与转速成反比。增加电枢的总导体数，使电机转速成反比变化。增加电枢的总导体数，使电机转速成反比变化。（7 7）永磁材料的主要参数及应用要点）永磁材料的主要参数及应用要点 将永磁体置于一定磁场强度的将永磁体置于一定磁场强度的场中使之磁化，在外磁场消失场中使之磁化，在外磁场消失后仍留有应有的剩磁，这个过后仍留有应有的剩磁，这个过程叫做充磁。当充磁电流从零程叫做充磁。当充磁电流从零开始到正向最大值，使之达到开始到正向最大值，使之达到饱和的磁感应和饱和的磁场强饱和的磁感应和饱和的磁场强度，再减小到零并反向充电到度，再减小到零并反向充电到最大，再减小到零并上升到正最大，再减小到零并上升到正向最大值，从而形成封闭的向最大值，从而形成封闭的B-B-H H磁滞回线。其中第二象限的磁滞回线。其中第二象限的bcbc段称为去磁曲线，它是表征段称为去磁曲线，它是表征该材料磁性能的主要特性曲线该材料磁性能的主要特性曲线饱和磁场强度饱和磁场强度HsHs 当充磁电流足够大，使充磁磁场强度当充磁电流足够大，使充磁磁场强度达到（甚至超过）达到（甚至超过）HsHs值时，就能得到最值时，就能得到最稳定的、性能最优的磁化曲线，才能保稳定的、性能最优的磁化曲线，才能保证电机输出所需的磁动势，充分利用磁证电机输出所需的磁动势，充分利用磁钢的能力。当充磁不足时，磁铁的磁性钢的能力。当充磁不足时，磁铁的磁性能就较低，同时也不够稳定。能就较低，同时也不够稳定。饱和磁感应强度饱和磁感应强度BsBs和剩磁磁感应强度和剩磁磁感应强度BrBr l磁化到饱和状态的磁通密度称饱和磁感应强度磁化到饱和状态的磁通密度称饱和磁感应强度BsBs 。l从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度称剩磁从磁饱和状态去除磁场后，剩余的磁通密度称剩磁磁感应强度磁感应强度BrBr 。l高的高的BsBs和和BrBr，才能得到高的气隙磁密，从而使电动，才能得到高的气隙磁密，从而使电动机具有高的力能指标（大的输出扭矩和大功率）。机具有高的力能指标（大的输出扭矩和大功率）。磁感应矫顽力（简称矫顽力）磁感应矫顽力（简称矫顽力）HcHc 永磁材料磁化到饱和状态永磁材料磁化到饱和状态BsBs后，去掉外加的正向磁后，去掉外加的正向磁化场强，使化场强，使H=0H=0，此时剩磁感应为，此时剩磁感应为BrBr，如此时加一反，如此时加一反向磁化场强，使向磁化场强，使Br=0Br=0，这个反向磁场强度的绝对值称，这个反向磁场强度的绝对值称为磁感应矫顽力为磁感应矫顽力HcHc。高的。高的HcHc，可保证电机有较强的过，可保证电机有较强的过载、退磁及抗老化、抗低温的能力，使电机工作点靠载、退磁及抗老化、抗低温的能力，使电机工作点靠近最大磁能积，充分利用磁钢的能力，从而减少永磁近最大磁能积，充分利用磁钢的能力，从而减少永磁材料的用量以及减小电动机的体积。铁氧体永磁材料材料的用量以及减小电动机的体积。铁氧体永磁材料的矫顽力随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。的矫顽力随温度的升高而增大，随温度的降低而减小。最大磁能积最大磁能积(BH)max(BH)max 永久磁铁去磁曲线上每一点的永久磁铁去磁曲线上每一点的BHBH的乘积称为磁能的乘积称为磁能积。磁能积表征了永磁体在给定工作点的磁能密度，积。磁能积表征了永磁体在给定工作点的磁能密度，其中磁能积的最大值其中磁能积的最大值(BH)max(BH)max称为最大磁能积。称为最大磁能积。(BH)max(BH)max越大，表示永磁材料的磁性能就越好，永磁越大，表示永磁材料的磁性能就越好，永磁体在电机实际运行中的工作能力系数越好。体在电机实际运行中的工作能力系数越好。永磁体应用要点：永磁体应用要点：a.a.随着电机向小型、高效发展，要求磁体厚度越来越薄，磁性随着电机向小型、高效发展，要求磁体厚度越来越薄，磁性能稳定，电机输出功率高稳定性，为此要求有一个稳定的气能稳定，电机输出功率高稳定性，为此要求有一个稳定的气隙磁通密度值，并要能经受时效考验，能克服温度变化，杂隙磁通密度值，并要能经受时效考验，能克服温度变化，杂散磁场干扰及振动等因素的影响，而不会发生较大的变化。散磁场干扰及振动等因素的影响，而不会发生较大的变化。b.b.永磁材料的充磁一般分为永磁体单件充磁，永磁体装入部件永磁材料的充磁一般分为永磁体单件充磁，永磁体装入部件（定子或转子）后充磁和电机总装后充磁三种。一个产品的（定子或转子）后充磁和电机总装后充磁三种。一个产品的充磁方法一经选定就不要随意改变，否则将影响电机性能，充磁方法一经选定就不要随意改变，否则将影响电机性能，达不到原设计指标。为了使永磁体充分饱和，以获得稳定的达不到原设计指标。为了使永磁体充分饱和，以获得稳定的剩磁，可连续重复剩磁，可连续重复2323次充磁，但必须有较精确的定位，以次充磁，但必须有较精确的定位，以确保多次磁化的磁极位置完全相同。确保多次磁化的磁极位置完全相同。永磁体应用要点：（续）永磁体应用要点：（续）c.c.电动机使用中会有很多原因引起永磁体产生去磁，如电枢反电动机使用中会有很多原因引起永磁体产生去磁，如电枢反应的去磁作用、高低温引起的不可逆的变化、电机重复拆装应的去磁作用、高低温引起的不可逆的变化、电机重复拆装或机械冲击等等，必要时电机要进行稳磁处理。或机械冲击等等，必要时电机要进行稳磁处理。d.d.永磁材料的实际磁性能与标准中规定的数据之间往往存在一永磁材料的实际磁性能与标准中规定的数据之间往往存在一定的偏差，这和具体操作工艺有关。即使同一牌号的永磁材定的偏差，这和具体操作工艺有关。即使同一牌号的永磁材料，不同工厂或不同批次生产的，都可能存在一定的磁性差料，不同工厂或不同批次生产的，都可能存在一定的磁性差别，这种偏差的允许值往往没有明确的规定，导致永磁式直别，这种偏差的允许值往往没有明确的规定，导致永磁式直流电机的设计计算精确程度没有电磁式直流电机好。流电机的设计计算精确程度没有电磁式直流电机好。结结束束语：语：请请回回忆忆一下本次一下本次讲座的讲座的內容內容THANKS!