電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1、電機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)講解,一、電機(jī)定義,電機(jī)（英文：Electric machinery，俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。在電路中用字母M（舊標(biāo)準(zhǔn)用D）表示。 電機(jī)的五大性能指標(biāo)：?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)電流、效率、功率因數(shù)和繞組溫升。 效率：是指電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，通常用百分比表示。 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：是指電機(jī)剛通電還沒(méi)有轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候電機(jī)軸輸出的扭矩。 額定轉(zhuǎn)矩：是指電機(jī)正常工作時(shí)候的扭矩。 功率因數(shù)：電動(dòng)機(jī)輸入有效功率與實(shí)際功率之比。,電磁直流電動(dòng)機(jī),永磁直流電動(dòng)機(jī),無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī),交流電動(dòng)機(jī),有刷直流電動(dòng)機(jī),單相電動(dòng)機(jī),三相電動(dòng)機(jī),稀土永磁直

2、流電動(dòng)機(jī),鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī),鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī),串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),二、電動(dòng)機(jī)種類,1、按工作電源種類劃分,1,電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī),同步電動(dòng)機(jī),異步電動(dòng)機(jī),磁滯同步電動(dòng)機(jī),永磁同步電動(dòng)機(jī),磁阻同步電動(dòng)機(jī),感應(yīng)電動(dòng)機(jī),交流換向器電動(dòng)機(jī),三相異步電動(dòng)機(jī),單相異步電動(dòng)機(jī),罩極異步電動(dòng)機(jī),2、按結(jié)構(gòu)和工作原理劃分,推斥電動(dòng)機(jī),單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī),交直流兩用電動(dòng)機(jī),2,電動(dòng)機(jī),電容起動(dòng)式單相異步電動(dòng)機(jī),電容運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī),電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式單相異步電動(dòng)機(jī),分相式單相異步電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī),驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī),控制用電動(dòng)機(jī),電動(dòng)工具用電動(dòng)機(jī),家電用電動(dòng)機(jī),通用小型機(jī)械

3、設(shè)備用電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī),伺服電動(dòng)機(jī),3.起動(dòng)與運(yùn)行方式劃分,5.按用途劃分,4、按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)劃分,電動(dòng)機(jī),鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),繞線型異步電動(dòng)機(jī),3,電動(dòng)機(jī),低速電動(dòng)機(jī),高速電動(dòng)機(jī),恒速電動(dòng)機(jī),調(diào)速電動(dòng)機(jī),齒輪減速電動(dòng)機(jī),電磁減速電動(dòng)機(jī),力矩電動(dòng)機(jī),爪極同步電動(dòng)機(jī),有級(jí)恒速電動(dòng)機(jī),無(wú)級(jí)恒速電動(dòng)機(jī),有級(jí)變速電動(dòng)機(jī),無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī),電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī),直流調(diào)速電動(dòng)機(jī),PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī),開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī),6、按運(yùn)轉(zhuǎn)速度劃分,返回,三、常見(jiàn)電動(dòng)機(jī)講解,1、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）結(jié)構(gòu)和原理 2、永磁直流電動(dòng)機(jī) 3、電磁直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類 4、異步電機(jī)的工作原理 5、同步電動(dòng)機(jī),無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是

4、采用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)電子換向的，如圖1所示,即用電子開(kāi)關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無(wú)換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成，如圖2所示。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流（即檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開(kāi)關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換）。定子繞組的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開(kāi)關(guān)電路提供。,1.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDC）結(jié)構(gòu)和原理,圖1,圖2,無(wú)刷D

5、C電機(jī)具有永磁轉(zhuǎn)子和繞線定子。并且，無(wú)刷DC電機(jī)可以分為2類：一類具有外部旋轉(zhuǎn)磁鐵，另一類則具有內(nèi)部旋轉(zhuǎn)磁體。在無(wú)刷DC電機(jī)中，感應(yīng)線圈（相位）的位置（對(duì)于恒定磁場(chǎng)而言），受通過(guò)電流所產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng), 而切換（轉(zhuǎn)換）到適當(dāng)?shù)南辔??；魻栃?yīng)傳感器通常用于感應(yīng)轉(zhuǎn)子的位置。另外，也可以采用無(wú)傳感器方法。,返回,2、永磁直流電動(dòng)機(jī),F=BIL B磁通密度; L通電導(dǎo)體長(zhǎng)度； I 導(dǎo)體中電流； F方向左手定則,如圖所示，電刷A,B上加上直流電源，便形成直流電動(dòng)機(jī)的物理模型這個(gè)實(shí)現(xiàn)線圈abcd中便有電流通過(guò)。其方向?yàn)閺腶到d，線圈中電流I與磁場(chǎng)作用，產(chǎn)生電磁力 f=BIL，電樞再次電磁力的作用下旋轉(zhuǎn)起來(lái)，

6、進(jìn)而帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)。力的方向由左手定則判定，圖示時(shí)刻，電流從a到d，則ab段所受電磁力的方向?yàn)閺挠蚁蜃?，電樞逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過(guò)180度時(shí)，外部電路的電流I不變，線圈中的電流方向?yàn)閺膁到a，此時(shí)電磁力方向不變，電機(jī)沿恒定方向旋轉(zhuǎn)。,永磁式直流電動(dòng)機(jī)也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成，定子磁極采用永磁體（永久磁鋼），有鐵氧體、鋁鎳鈷、釹鐵硼等材料,定子包含2個(gè)或多個(gè)永磁極片。轉(zhuǎn)子包含通過(guò)電刷與電壓源相連的繞組和機(jī)械換向器。吸引通電繞組的相反極性和定子磁鐵，轉(zhuǎn)子就會(huì)旋轉(zhuǎn)，直到與定子對(duì)齊為止。轉(zhuǎn)子一與定子對(duì)齊，電刷就會(huì)跨過(guò)換向器接點(diǎn)，并且給下一個(gè)繞組通電，從而產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的速度與施

7、加在其上的電壓成正比。顛倒電機(jī)連接方向，轉(zhuǎn)向也會(huì)改變。,返回,3、電磁直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分類,電磁式直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極（主磁極）由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵(lì)磁（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁）方式的不同又可分為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。因勵(lì)磁方式不同，定子磁極磁通（由定子磁極的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生）的規(guī)律也不同。,返回,旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),（1）產(chǎn)生 圖3表示最簡(jiǎn)單的三相定子繞組AX、BY、CZ，它們?cè)诳臻g按互差120的規(guī)律對(duì)稱排列。并接成星形與三相電源U、V、W相聯(lián)。則三相定子繞組便通過(guò)三相對(duì)稱電流：隨著電流在定子繞組中通過(guò)，在三相定子繞組中就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)(圖4)。 （2）

8、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)即可。這時(shí)，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也跟著改變。,圖 4 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的形成,圖 3 三相異步電動(dòng)機(jī)定子接線 當(dāng) =0時(shí)，AX繞組中無(wú)電流；為負(fù)，BY繞組中的電流從Y流入B1流出；為正，CZ繞組中的電流從C流入Z流出；由右手螺旋定則可得合成磁場(chǎng)的方向如圖4（a）所示。 當(dāng) =120時(shí)，BY繞組中無(wú)電流；為正，AX繞組中的電流從A流入X流出；為負(fù)，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；由右手螺旋定則可得合成磁場(chǎng)的方向如圖4（b）所示。 當(dāng) =240時(shí)，CZ繞組中無(wú)電流；為

9、負(fù)，AX繞組中的電流從X流入A流出；為正，BY繞組中的電流從B流入Y流出；由右手螺旋定則可得合成磁場(chǎng)的方向如圖4（c）所示。 可見(jiàn)，當(dāng)定子繞組中的電流變化一個(gè)周期時(shí)，合成磁場(chǎng)也按電流的相序方向在空間旋轉(zhuǎn)一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)也不斷地旋轉(zhuǎn)，因此稱為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)定子接線,(1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源時(shí)，三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 (2)該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng),根據(jù)電磁感應(yīng)原理,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流。 （3）根據(jù)電磁力定律，載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受到電

10、磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。,4、異步電機(jī)的工作原理,三相異步電機(jī)利用將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的感應(yīng)原理。導(dǎo)線被置于電磁場(chǎng)內(nèi)，受力的影響會(huì)讓它穿過(guò)磁場(chǎng)。在AC感應(yīng)電機(jī)中，磁場(chǎng)被置于固定部分（定子）內(nèi)。受電磁力影響的導(dǎo)體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)。 定子通常由3個(gè)成120電角度的相位繞組組成。通入三相交流電時(shí)，它們會(huì)在轉(zhuǎn)子的導(dǎo)線內(nèi)產(chǎn)生電流。定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用和轉(zhuǎn)子內(nèi)的載流導(dǎo)線使得轉(zhuǎn)子被定子磁場(chǎng)“拖”轉(zhuǎn)。,返回,異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，其負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)的頻率之比不是恒定關(guān)系。還隨著負(fù)載的大小發(fā)生變化。負(fù)載轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越低。異步電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、

11、雙饋異步電機(jī)和交流換向器電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用最廣，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般可稱感應(yīng)電機(jī)為異步電機(jī)。,1單相異步電動(dòng)機(jī),定子由機(jī)座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝兩套空間互隔90電角度的主繞組（也稱運(yùn)行繞組）和輔繞組（也稱起動(dòng)繞組成副繞組）。主繞組接交流電源，輔繞組串接離心開(kāi)關(guān)S或起動(dòng)電容、運(yùn)行電容等之后，再接入電源。 轉(zhuǎn)子為籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子，它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中，并一起鑄出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。,分相電動(dòng)機(jī)定子繞組示意圖,單相凸極式罩極異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖,假設(shè)轉(zhuǎn)子的逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较?，看下圖，那么 轉(zhuǎn)子對(duì)正向磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率為S+=（n1-n）/n

12、1 轉(zhuǎn)子對(duì)反向磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)差率為S-=（n1-（-n）/n1=2-S+ 0|T-|; 0T+;S+=1時(shí)，T+=T-合成轉(zhuǎn)矩為0。,單相異步電動(dòng)機(jī)又分為單相電阻起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)和單相雙值電容異步電動(dòng)機(jī),單相異步電動(dòng)機(jī)的T-s曲線,返回,三相異步電動(dòng)機(jī),三相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與單相異步電動(dòng)機(jī)相似，其定子鐵心槽中嵌裝三相繞組（有單層鏈?zhǔn)?、單層同心式和單層交叉式三種結(jié)構(gòu)）。定子繞組成接入三相交流電源后，繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子在感應(yīng)電流和氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用下，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)柜（即異步轉(zhuǎn)柜），使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。,鼠籠型異步電動(dòng)機(jī),繞線

13、型異步電動(dòng)機(jī),1、永磁同步（PMSM）,模擬結(jié)構(gòu)圖,五、同步電動(dòng)機(jī),實(shí)物結(jié)構(gòu)圖,定子,定子繞組一般制成多相（三、四、五相不等），通常為三相繞組。三相繞組沿定子鐵心對(duì)稱分布，在空間互差120度電角度，通入三相交流電時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。,轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子采用永磁體，目前主要以釹鐵硼作為永磁材料。 采用永磁體簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高了可靠性，又沒(méi)有轉(zhuǎn)子銅耗，提高電機(jī)的效率。,PMSM按轉(zhuǎn)子永磁體的結(jié)構(gòu)可分為兩種,（1）表面貼裝式（SM-PMSM）,直交軸電感Ld和Lq相同 氣隙較大，弱磁能力小， 擴(kuò)速能力受到限制,（2）內(nèi)埋式（IPMSM）,交直軸電感:LqLd 氣隙較小，有較好的 弱磁能力,返回,2、磁阻式同步電動(dòng)機(jī),磁阻同步電動(dòng)機(jī)又稱為反應(yīng)式同步電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子本身沒(méi)有磁性，只是利用磁場(chǎng)中可移動(dòng)部件企圖使磁路磁阻最小的原理，依靠轉(zhuǎn)子兩個(gè)正交方向磁阻的不同而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，這種轉(zhuǎn)矩稱為磁阻轉(zhuǎn)矩或反應(yīng)轉(zhuǎn)矩。 磁阻同步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，獲得了較為廣泛的應(yīng)用。磁阻同步電動(dòng)機(jī)有單相的和三相的，功率從幾瓦到幾百瓦。,一、基本結(jié)構(gòu),二、工作原理,磁阻式同步電機(jī)結(jié)構(gòu)圖,返回,3、磁滯同步電動(dòng)機(jī),磁滯同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是用硬磁材料做成的，這種硬磁材料具有比較寬的磁滯回環(huán)，其剩磁密度Br和矯頑力Hc要比軟磁材料大，如圖5-12所示。 磁滯電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)轉(zhuǎn)