精選電動(dòng)機(jī)工作原理講解講義

（優(yōu)選）電動(dòng)機(jī)工作原理當(dāng)前1頁，總共52頁。第7章電動(dòng)機(jī)7.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理7.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性7.3三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制7.4三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇與使用7.5單相異步電動(dòng)機(jī)7.6直流電動(dòng)機(jī)7.7步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前2頁，總共52頁。7.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)原理7.1.1三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子都有鐵心和繞組。定子的三相繞組為AX、BY、CZ。轉(zhuǎn)子分為鼠籠式和繞線式兩種結(jié)構(gòu)。鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組有銅條和鑄鋁兩種形式。繞線式轉(zhuǎn)子繞組的形式與定子繞組基本相同，3個(gè)繞組的末端連接在一起構(gòu)成星形連接，3個(gè)始端連接在3個(gè)銅集電環(huán)上，起動(dòng)變阻器和調(diào)速變阻器通過電刷與集電環(huán)和轉(zhuǎn)子繞組相連接。當(dāng)前3頁，總共52頁。7.1.2旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生把三相定子繞組接成星形接到對(duì)稱三相電源，定子繞組中便有對(duì)稱三相電流流過。當(dāng)前4頁，總共52頁。當(dāng)前5頁，總共52頁。結(jié)論：(1)在對(duì)稱的三相繞組中通入三相電流，可以產(chǎn)生在空間旋轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)。(2)磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向與電流相序一致。電流相序?yàn)锳-B-C時(shí)磁場(chǎng)順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)；電流相序?yàn)锳-C-B時(shí)磁場(chǎng)逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。(3)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)與電流頻率有關(guān)，改變電流頻率可以改變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。對(duì)兩極(一對(duì)磁極)磁場(chǎng)，電流變化一周，則磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一周。同步轉(zhuǎn)速no與磁場(chǎng)磁極對(duì)數(shù)p的關(guān)系為：當(dāng)前6頁，總共52頁。7.1.3三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理靜止的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并在形成閉合回路的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向用右手定則判定。轉(zhuǎn)子電流在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中受到磁場(chǎng)力F的作用，F(xiàn)的方向用左手定則判定。電磁力在轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向一致。當(dāng)前7頁，總共52頁。電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其轉(zhuǎn)速n總是稍低于同步轉(zhuǎn)速no，因而稱為異步電動(dòng)機(jī)。又因?yàn)楫a(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的電流是電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的，所以也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示，即：轉(zhuǎn)差率是異步電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)差率約為1%~9%。當(dāng)前8頁，總共52頁。當(dāng)前9頁，總共52頁。7.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械特性7.2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的電路分析1．定子電路分析忽略R1和X1上的壓降，則：當(dāng)前10頁，總共52頁。2．轉(zhuǎn)子電路分析當(dāng)前11頁，總共52頁。當(dāng)前12頁，總共52頁。7.2.2三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)前13頁，總共52頁。7.2.3三相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1．起動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)（n=0，s=1）時(shí)的轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前14頁，總共52頁。2．額定轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下工作時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為額定轉(zhuǎn)矩，忽略空載損耗轉(zhuǎn)矩，則額定轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩。式中PN是電動(dòng)機(jī)的額定功率，單位為kW；nN是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，單位是r/min。當(dāng)前15頁，總共52頁。當(dāng)前16頁，總共52頁。3．最大轉(zhuǎn)矩當(dāng)前17頁，總共52頁。7.3三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制7.3.1三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1．直接起動(dòng)直接起動(dòng)是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓上的起動(dòng)方式，又叫全壓起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：起動(dòng)電流較大，將使線路電壓下降，影響負(fù)載正常工作。適用范圍：電動(dòng)機(jī)容量在10kW以下，并且小于供電變壓器容量的20％。當(dāng)前18頁，總共52頁。2．降壓起動(dòng)Y-Δ換接起動(dòng)：在起動(dòng)時(shí)將定子繞組連接成星形，通電后電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)再換接成三角形。適用范圍：正常運(yùn)行時(shí)定子繞組是三角形連接，且每相繞組都有兩個(gè)引出端子的電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。缺點(diǎn)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均為全壓起動(dòng)時(shí)的1／3。當(dāng)前19頁，總共52頁。自耦降壓起動(dòng)：利用三相自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的端電壓降低，以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。自耦變壓器備有40％、60％、80％等多種抽頭，使用時(shí)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求具體選擇。當(dāng)前20頁，總共52頁。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串入附加電阻后，既可以降低起動(dòng)電流，又可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前21頁，總共52頁。7.3.2三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：1．變極調(diào)速通過改變電動(dòng)機(jī)的定子繞組所形成的磁極對(duì)數(shù)p來調(diào)速。因磁極對(duì)數(shù)只能是按1、2、3、…、的規(guī)律變化，所以用這種方法調(diào)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能連續(xù)、平滑地進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)前22頁，總共52頁。2．變頻調(diào)速通過變頻器把頻率為50Hz工頻的三相交流電源變換成為頻率和電壓均可調(diào)節(jié)的三相交流電源，然后供給三相異步電動(dòng)機(jī)，從而使電動(dòng)機(jī)的速度得到調(diào)節(jié)。變頻調(diào)速屬于無級(jí)調(diào)速，具有機(jī)械特性曲線較硬的特點(diǎn)。3．變轉(zhuǎn)差率調(diào)速通過改變轉(zhuǎn)子繞組中串接調(diào)速電阻的大小來調(diào)整轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的，又稱為變阻調(diào)速。調(diào)速電阻的接法與起動(dòng)電阻相同。這種方法只適用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前23頁，總共52頁。7.3.3三相異步電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)因?yàn)槿喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是由旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向決定的，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向取決于定子繞組中通入三相電流的相序。因此，要改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向非常容易，只要將電動(dòng)機(jī)三相供電電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，這時(shí)接到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電流相序被改變，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向也被改變，電動(dòng)機(jī)就實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)。當(dāng)前24頁，總共52頁。7.3.4三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)1．能耗制動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相電源后迅速接通直流電源。感應(yīng)電流與直流電產(chǎn)生的固定磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，起到制動(dòng)作用。特點(diǎn)：是制動(dòng)準(zhǔn)確、平穩(wěn)，但需要額外的直流電源。當(dāng)前25頁，總共52頁。2．反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)停車時(shí)將三相電源中的任意兩相對(duì)調(diào)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變，成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。注意：當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近為零時(shí)，要及時(shí)斷開電源防止電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。特點(diǎn)：簡(jiǎn)單，制動(dòng)效果好，但由于反接時(shí)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加快，因而電流較大。對(duì)于功率較大的電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)必須在定子電路（鼠籠式）或轉(zhuǎn)子電路（繞線式）中接入電阻，用以限制電流。當(dāng)前26頁，總共52頁。當(dāng)前27頁，總共52頁。3．發(fā)電反饋制動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，從而限制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，起到了制動(dòng)作用。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速時(shí)，有電能從電動(dòng)機(jī)的定子返回給電源，實(shí)際上這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行，所以這種制動(dòng)稱為發(fā)電反饋制動(dòng)。當(dāng)前28頁，總共52頁。7.4.1三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌7.4三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇與使用型號(hào)：當(dāng)前29頁，總共52頁。功率：電動(dòng)機(jī)在銘牌規(guī)定條件下正常工作時(shí)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，稱為額定功率或容量。電壓：電動(dòng)機(jī)的額定線電壓。電流：電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的線電流。頻率：電動(dòng)機(jī)所接交流電源的頻率。。轉(zhuǎn)速：額定轉(zhuǎn)速。接線方法：當(dāng)前30頁，總共52頁。7.4.2三相異步電動(dòng)機(jī)的選擇當(dāng)前31頁，總共52頁。7.4.3電動(dòng)機(jī)的安裝與接地當(dāng)前32頁，總共52頁。當(dāng)前33頁，總共52頁。7.5單相異步電動(dòng)機(jī)7.5.1單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與特性在單相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組通入單相交流電，電動(dòng)機(jī)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)大小及方向隨時(shí)間沿定子繞組軸線方向變化的磁場(chǎng)，稱為脈動(dòng)磁場(chǎng)。當(dāng)前34頁，總共52頁。當(dāng)前35頁，總共52頁。

但一旦讓單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，由于順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B1和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B2產(chǎn)生的合成電磁轉(zhuǎn)矩不再為零，在這個(gè)合成轉(zhuǎn)矩的作用下，即使不需要其它的外在因素，單相異步電動(dòng)機(jī)仍將沿著原來的運(yùn)動(dòng)方向繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。由于單相異步電動(dòng)機(jī)總有一個(gè)反向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩存在，所以其效率和負(fù)載能力都不及三相異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)前36頁，總共52頁。7.5.2單相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)1．分相法當(dāng)前37頁，總共52頁。下圖所示分別為ωt=0°、45°、90°時(shí)合成磁場(chǎng)的方向，由圖可見該磁場(chǎng)隨著時(shí)間的增長順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。這樣一來，單相異步電動(dòng)機(jī)就可以在該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下起動(dòng)了。當(dāng)前38頁，總共52頁。2．罩極法罩極法是在單相異步電動(dòng)機(jī)定子磁極的極面上約1/3處套裝了一個(gè)銅環(huán)（短路環(huán)），套有短路環(huán)的磁極部分叫做罩極。當(dāng)定子繞組通入電流產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)后，有一部分磁通穿過銅環(huán)，使銅環(huán)內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，銅環(huán)中的感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，阻止銅環(huán)部分磁通的變化，結(jié)果使得沒套銅環(huán)的那部分磁極中的磁通與套有銅環(huán)的這部分磁極內(nèi)的磁通有了相位差，罩極外的磁通超前罩極內(nèi)的磁通一個(gè)相位角。隨著定子繞組中電流變化率的改變，單相異步電動(dòng)機(jī)定子磁場(chǎng)的方向也就不斷發(fā)生變化，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)形成了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。在這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就能夠起動(dòng)起來了。當(dāng)前39頁，總共52頁。7.6直流電動(dòng)機(jī)7.6.1直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及分類三相異步電動(dòng)機(jī)也由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，包括主磁極、換向磁極、機(jī)座和電刷等。主磁極由鐵心和勵(lì)磁線圈組成，用于產(chǎn)生一個(gè)恒定的主磁場(chǎng)。換向磁極安裝在兩個(gè)相鄰的主磁極之間，用來減小電樞繞組換向時(shí)產(chǎn)生的火花。電刷裝置的作用是通過與換向器之間的滑動(dòng)接觸，把直流電壓、直流電流引入或引出電樞繞組。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組和換向器等組成。電樞鐵心上沖有槽孔，槽內(nèi)放電樞繞組，電樞鐵心也是直流電動(dòng)機(jī)磁路的組成部分。電樞繞組的—端裝有換向器，換向器由許多銅質(zhì)換向片組成一個(gè)圓柱體，換向片之間用云母絕緣。換向器是直流電動(dòng)機(jī)的重要構(gòu)造特征，換向器通過與電刷的摩擦接觸，將兩個(gè)電刷之間固定極性的直流電流變換成為繞組內(nèi)部的交流電流，以便形成固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)前40頁，總共52頁。他勵(lì)式電動(dòng)機(jī)構(gòu)造比較復(fù)雜，一般用于對(duì)調(diào)速范圍要求很寬的重型機(jī)床等設(shè)備中。并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)在外加電壓一定的情況下，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通將保持恒定不變。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，負(fù)載變動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方便，調(diào)速范圍大。串勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加，呈顯著下降的軟特性，特別適用于起重設(shè)備。積復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變化速度較快，負(fù)載變化時(shí)能夠有效克服電樞電流的沖擊，比并勵(lì)式電動(dòng)機(jī)的性能優(yōu)越，主要用于負(fù)載力矩有突然變化的場(chǎng)合。差復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速幾乎不變的特性，常用于要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的機(jī)械中。當(dāng)前41頁，總共52頁。7.6.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和機(jī)械特性接通直流電壓U時(shí)，直流電流為從a邊流入，b邊流出，由于a邊處于N極之下，b邊處于S極之下，則線圈受到電磁力而形成一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電樞繞組繞軸線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。1．直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理當(dāng)前42頁，總共52頁。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)半周后，a邊處于S極之下，而b邊處于N極之下。由于采用了電刷和換向器裝置，此時(shí)電樞中的直流電流方向變?yōu)閺腷邊流入，從a邊流出。電樞仍受到一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩T的作用，繼續(xù)繞軸線方向逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)前43頁，總共52頁。2．電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平衡方程當(dāng)前44頁，總共52頁。3．機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)具有硬的機(jī)械特性。當(dāng)前45頁，總共52頁。當(dāng)前46頁，總共52頁。7.6.3直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制1．直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流很大，達(dá)到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動(dòng)電流。限制起動(dòng)電流的方法就是起動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接起動(dòng)電阻Rst。起動(dòng)電阻的值：一般規(guī)定起動(dòng)電流不應(yīng)超過額定電流的1.5～2.5倍。起動(dòng)時(shí)將起動(dòng)電阻調(diào)至最大，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將起動(dòng)電阻逐漸減小。當(dāng)前47頁，總共52頁。2．直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=（U－IaRa）/CeΦ，可知直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有3種：改變磁通Φ調(diào)速、改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速。改變磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)磁路已接近飽和，所以通常只是減小磁通將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，調(diào)速范圍較小。改變電樞電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍較寬，可達(dá)到6～10。但電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較復(fù)雜。電樞串聯(lián)電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，但調(diào)速范圍有限，機(jī)械特性變軟，且電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場(chǎng)合。當(dāng)前4