电机基础知识 Prepared on 22 November 2020电机基础知识1、电机的分类表1-1：电机分类表电动机交直流两用电动机步进电动机交流电机交流伺服电动机同步电机异步电机直流电机电磁式直流电动机他励并励串励复励永磁直流电动机直流伺服电动机直流力矩电动机无刷直流电动机2、直流电机图2-1：直流电机的物理模型图图2-1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分称为定子，上面装设了一对直流励磁（或是永磁铁）的主磁极N和S；旋转部分称为转子，上面装设电枢铁心；定子与转子之间有一气隙。
电枢铁心表面上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈（绕组），线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。
换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。
换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。
在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2与换向器接触。
整个旋转部分为机电能量转换中枢，故称电枢。
电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。
直流电机工作原理图2-2：直流电动机工作原理示意图将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。
导体ab 和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。
用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。
这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图2-2(a)所示。
当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图2-2(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。
由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。
这就是直流电动机的基本工作原理。
简单来说，直流电动机就是利用通电导体在磁场中受力运动而“切割”其磁力线的原理工作的。
直流电机的结构图2-3（a）：直流电动机纵向剖视图图2-3(b) ：直流电动机轴向剖视图（1）定子①主磁极主磁极的作用是产生气隙磁场。
主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。
铁心一般用～厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。
励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。
整个主磁极用螺钉固定在机座上②换向极换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成，换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。
③机座电机定子的外壳称为机座，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。
为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。
④电刷装置电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的，电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。
电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。
刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。
（2）转子(电枢)①电枢铁心电枢铁心是主磁路的主要部分，同时用以嵌放电枢绕组。
一般电枢铁心采用由厚的硅钢片冲制而成的冲片叠压而成，以降低电机运行时电枢铁心中产生的涡流损耗和磁滞损耗。
叠成的铁心固定在转轴或转子支架上。
铁心的外圆开有电枢槽，槽内嵌放电枢绕组。
②电枢绕组电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量变换的关键部件，所以叫电枢。
它是由许多线圈(以下称元件)按一定规律连接而成，线圈采用高强度漆包线或玻璃丝包扁铜线绕成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈与铁心之间以及上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘。
为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定，线圈伸出槽外的端接部分用热固性无纬玻璃带进行绑扎。
③换向器在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变；在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。
换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的紧固通常部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘螺母锁紧。
④转轴转轴起转子旋转的支撑作用，需有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。
直流电机的励磁方式用直流电流来转动的电动机叫直流电动机。
按励磁方式的不同，直流电动机又可分为他励电动机和自励电动机，自励电动机又分为串励、并励及复合励电动机。
直流电机的励磁方式不同，运行特性和适用场合也不同。
图2-4：直流电动机的励磁方式（1）他励直流电机励磁绕组由其他直流电源供电，与电枢绕组之间没有电的联系，如图2-4(a)所示。
永磁直流电机也属于他励直流电机，因其励磁磁场与电枢电流无关。
（2）并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。
如图2-4(b)所示。
励磁电压等于电枢绕组端电压。
以上两类电机的励磁电流只有电机额定电流的1%～5%，所以励磁绕组的导线细而匝数多。
（3）串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联，如图2-4(c)所示。
励磁电流等于电枢电流，所以励磁绕组的导线粗而匝数较少。
（4）复励直流电机每个主磁极上套有两套励磁磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组。
一个与电枢绕组串联，称为串励绕组，如图2-4(d)所示。
两个绕组产生的磁动势方向相同时称为积复励，两个磁势方向相反时称为差复励，通常采用积复励方式。
3、交流电机交流电机的工作原理在一个可以自由旋转的圆筒内嵌装上磁铁，将别一个磁铁装在轴上，并架在圆筒中间，如图3-1所示。
当转动圆筒时，由于磁铁互相吸引，装在轴上的磁铁随之转动。
转动速度与圆筒相同，这就是最简单的同步电机模型，如初始转动过快，转子不会旋转，称为失步。
如果把装在轴上的磁铁换成一个闭合的线圈，如图3-2所示。
当转动圆筒时，线圈切割磁力线，产生感应电动势。
由于线圈闭合，有电流通过，载流导体在磁场中要受到力的作用。
使线圈转动起来，转速低于圆筒转速，这就是最简单的感应电机模型。
线圈转速永远不等于圆筒转速，否则线圈不切割磁力线，不会产生感应电动势、电流和转矩，线圈也不会转动了，因此也称为异步电机。
转动圆筒时，使磁铁周围空间的磁场旋转，旋转的磁场称为旋转磁场，正是由于旋转磁场的存在，使同步电机和感应电机转动起来。
人工转动磁铁产生旋转磁场的方法实用价值不大。
因此人们在固定的铁心上装有三相对称绕组，通以对称的正弦交流电来代替转动磁铁，自动地产生旋转磁场。
铁心和绕组统称为定子，旋转部分称为转子。
对于同步电机，转子如果采用永久磁铁，称为永磁电机。
永磁电机的容量有限，因此人们用直流励磁产生一个恒定磁场，如图3-3所示。
当用原动机拖动转子旋转时，定子绕组中将感生电动势。
对于感应电机转子往往采用多相绕组，如图3-4所示。
交流绕组是构成交流电机的重要部分，在交流电机中，无论是把电能转换成机械能，还是把机械能转换成电能，都要在电机内通过一系列的电磁过程来实现。
而交流电机中所发生的一切电磁过程和所产生的一切电磁作用无一不与绕组相关，都是依靠感应于绕组中的电动势和通过绕组的电流产生电磁转矩来传递电磁功率，从而达到进行机电能量转换的目的。
因此交流绕组被称为“电机的心脏”或电枢。
绕组是按一定的规律连接的绕组元件的总称。
交流绕组的绕组元件通常嵌放在电机定子铁心周围上均匀分布的槽内。
交流绕组的功用是：当绕组内流过正弦交流电流时产生旋转磁场；当绕组与磁场有相对运动时感应感应电动势。
导线选择：一、输电导线型号的选择选择依据：输电导线所处的电压等级和适用场所。
二、选择导线截面的条件1.选择导线截面的一般原则。
1）按长时允许电流选择。
2）按允许电压损失选择。
3）按经济电流密度选择。
4）按机械强度选择。
5）按短路时的热稳定性的条件选择。
2.各种导线截面的选择条件。
1）高压架空线路不必考虑短路时的热稳定性。
2）高压电缆不考虑机械强度。
必须考虑短路时的热稳定性。
3）低压导线和电缆对裸导线不校验短路时的热稳定性。
但对于干线电缆，不必校验其机械强度。
在选择各种导线的截面时，应在其诸多的选择条件中，确定一个有可能选择出最大截面的条件。
首先选其截面，其后在按其条件校验，这样可使选择计算简便，避免返工。
三、按长时允许电流选择导线截面K so I p ≥I ca铝芯绝缘导线载流量与截面的倍数关系表：估算口诀：二点五下乘以九，往上减一顺号走。
三十五乘三点五，双双成组减点五。
条件有变加折算，高温九折铜升级。
穿管根数二三四，八七六折满载流。
说明：(1)本节口诀对各种绝缘线(橡皮和塑料绝缘线)的载流量(安全电流)不是直接指出，而是“截面乘上一定的倍数”来表示，通过心算而得。
由表5 3可以看出：倍数随截面的增大而减小。
“二点五下乘以九，往上减一顺号走”说的是2．5mm’及以下的各种截面铝芯绝缘线，其载流量约为截面数的9倍。
如2．5mm’导线，载流量为2．5×9＝22．5(A)。
从4mm’及以上导线的载流量和截面数的倍数关系是顺着线号往上排，倍数逐次减l ，即4×8、6×7、10×6、16×5、25×4。
“三十五乘三点五，双双成组减点五”，说的是35mm”的导线载流量为截面数的3．5倍，即35×3．5＝122．5(A)。
从50mm’及以上的导线，其载流量与截面数之间的倍数关系变为两个两个线号成一组，倍数依次减0．5。
即50、70mm’导线的载流量为截面数的3倍；95、120mm”导线载流量是其截面积数的2．5倍，依次类推。
“条件有变加折算，高温九折铜升级”。
上述口诀是铝芯绝缘线、明敷在环境温度25℃的条件下而定的。
若铝芯绝缘线明敷在环境温度长期高于25℃的地区，导线载流量可按上述口诀计算方法算出，然后再打九折即可；当使用的不是铝线而是铜芯绝缘线，它的载流量要比同规格铝线略大一些，可按上述口诀方法算出比铝线加大一个线号的载流量。
如16mm’铜线的载流量，可按25mm2铝线计算。
