電動機和發(fā)電機

1、電動機和發(fā)電機2015年8月11日星期二22:59:47by Z.Yw電機基本名詞術語2電機的電磁結(jié)構(gòu)6直流電動機原理14直流電動機模型22直流電動機結(jié)構(gòu)36永磁直流電機52盤式永磁直流電機63三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場77同步電動機原理90永磁同步電動機101異步電動機原理113異步電動機結(jié)構(gòu)124繞線轉(zhuǎn)子感應電動機結(jié)構(gòu)139旋轉(zhuǎn)磁場交流發(fā)電機原理模型156三相交流發(fā)電機原理模型161電動發(fā)電機165水輪發(fā)電機的構(gòu)造175可逆式抽水蓄能機組與廠房190汽輪發(fā)電機的構(gòu)造201永磁電機原理與構(gòu)造219二相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流永磁電動機工作原理220二相三相輪流導通星形三相十二狀態(tài)無刷直流永磁

2、電動機工作原理237外轉(zhuǎn)子無刷直流永磁電動機252電機基本名詞術語Motor Common Terminology   電機基本知識電機: 電機是借助于電磁原理工作的能量轉(zhuǎn)換設備。只有給電機輸入能量，它才會輸出能量，在其輸入和輸出的能量中至少應該有一方是電能。變壓器：是利用電磁原理將交流電能轉(zhuǎn)換成同頻但電壓等級不同的交流電能的設備。 發(fā)電機：是利用電磁原理將機械能轉(zhuǎn)換成電能的設備。直流發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換成直流電能的發(fā)電機。交流發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換成交流電能的發(fā)電機。同步發(fā)電機：其電動勢的頻率與電機轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）之比為恒定值，例如對于2極（1對磁極）同

3、步發(fā)電機，發(fā)電頻率與每秒轉(zhuǎn)速相同；對于12極（6對磁極）同步發(fā)電機，發(fā)電頻率為6倍每秒轉(zhuǎn)速。大型汽輪發(fā)電機、水輪發(fā)電機都是同步發(fā)電機，大多數(shù)交流發(fā)電機都是同步發(fā)電機，應用非常廣泛。同步轉(zhuǎn)速:要使發(fā)電機供給電網(wǎng)50Hz的工頻電能，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須為同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速=50×60/p，p是磁極對數(shù)，例如一對磁極（2極）電機的同步轉(zhuǎn)速為3000r/min，二對磁極（4極）電機的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。異步發(fā)電機：帶負載時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于同極數(shù)的同步轉(zhuǎn)速，例如二對磁極的異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速大于1500r/min，也就是說發(fā)電機輸出電壓頻率低于2倍每秒轉(zhuǎn)速，而且發(fā)電機轉(zhuǎn)速與所接電網(wǎng)頻率之比不是

4、恒定值，隨負荷加大轉(zhuǎn)差加大。異步發(fā)電機應用很少，主要應用在風力發(fā)電機組中。電動機：是利用電磁原理將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設備。直流電動機：將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電動機。交流電動機：將交流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電動機。交流電動機分成異步電動機（轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速）和同步電動機（轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速），實際中以異步電動機應用最為普及，同步電動機相對較少。發(fā)電機容量（發(fā)電機額定容量）：發(fā)電機在制造廠規(guī)定的額定轉(zhuǎn)速、電壓、功率因數(shù)以及額定的冷卻條件下運行時，在出線端以千伏安表示的連續(xù)輸出容量，單位是kVA。電動機功率（額定功率）：在額定電壓、額定負載、規(guī)定的冷卻條件下運行時，電機軸輸出的機械功率，單位是kW。電機

5、的效率：P2 與P1 的比值稱為電機的效率，用表示，即有=P 2 /P 1  ，P1 稱為輸入功率，表示單位時間內(nèi)輸入電機的能量；P2稱為輸出功率，表示單位時間內(nèi)電機輸出的能量。鐵損：當磁通隨時間交變時，鐵心中將產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，兩者合稱為鐵耗。磁滯損耗：根據(jù)鐵磁性材料磁化曲線，當鐵磁性材料處在交變磁場中，材料的磁化是沿其磁滯回線變化的，在圖1有三種主要的鐵磁性材料的磁滯回線，當磁場強度由-H變化到+H時，材料的磁感應強度B沿綠色線變化，當磁場強度由+H變化回-H時，材料的磁感應強度B沿棕紅色線變化。材料在反復磁化中要消耗能量并轉(zhuǎn)化成熱量耗散，這就是磁滯損耗

6、。磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比，軟磁性材料（如鐵芯）的磁滯損耗最小，硬磁性材料（如鋼，永磁體）的磁滯損耗大。圖1  磁滯回線渦流損耗：由于鐵磁性材料通常是導電體，當線圈通有交流電時，鐵芯內(nèi)的磁通隨之變化，在鐵芯就會感生漩渦狀電流（渦流），見圖2左。渦流產(chǎn)生熱量耗散，稱為渦流損耗。為防止渦流損耗，可在鋼材中加入硅，使材料電阻增大；或者鐵心采用表面絕緣、厚度為0.35 或0.5mm 的硅鋼片疊壓成形，可有效防止渦流，見圖2右。圖2  渦流損耗與防止   電機的電磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子、定子：發(fā)電機與電動機都與機械能有關，在它們的結(jié)構(gòu)中有運動部件，運動部件通常都作旋轉(zhuǎn)運

7、動，稱為轉(zhuǎn)子；相應地固定部件就稱為定子。主磁路：是指主磁通 的路徑，變壓器的主磁路為閉合鐵心，見圖3左，淺藍色箭頭線是磁力線。旋轉(zhuǎn)電機的主磁路，除定、轉(zhuǎn)子鐵心外，還包含兩段氣隙，見圖1右，淺藍色箭頭線是磁力線。圖3  變壓器與電機的主磁路鐵芯：承載磁通的磁路部件，不包括氣隙。機座（定子機座）：支承定子鐵心或鐵心組件以及定子繞組的構(gòu)件。 機座磁軛：為靜止凸極提供機械支撐的定子鐵芯部分。磁極：鐵芯的一部分，帶有或嵌有勵磁繞組或包含一塊或幾塊永久磁體。極靴：凸極靠近氣隙的部分。氣隙：磁路內(nèi)鐵磁性部分中的間隙。圖4  直流電機的電磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁軛：為旋轉(zhuǎn)凸極提供機

8、械支撐的轉(zhuǎn)子鐵芯部分。凸極：從軛部向氣隙方向伸出的一種磁極，圖5左圖的轉(zhuǎn)子有6個凸極，凸極安裝在轉(zhuǎn)子磁軛上。隱極：圓柱鐵芯的一部分，通過分布繞組的勵磁效應起磁極作用,見圖5右，小齒間的槽用來嵌放分布的勵磁繞組，大齒則是磁極。槽：鐵芯上的凹槽，在其中放置繞組導體。齒：兩個相鄰槽之間的鐵芯部分。圖5  凸極轉(zhuǎn)子與隱極轉(zhuǎn)子繞組：一般是用帶絕緣的導體（主要用銅）繞制而成的線圈或線圈組合。繞組的作用有流通電流、產(chǎn)生磁場、感應電動勢、承受一定的電壓電流和功率。繞制而成的線圈或線圈組合。一臺電機至少有兩個繞組。勵磁繞組：產(chǎn)生磁場的繞組，磁場相對于該繞組是靜止的。電樞：電機帶電樞繞組的部分。電樞繞組

9、：對旋轉(zhuǎn)電機而言，起機電能量轉(zhuǎn)換的核心作用的繞組稱為電樞繞組，它與外部電力系統(tǒng)聯(lián)接，用以吸收或送出有功功率。例如同步電機的定子繞組、直流電機的轉(zhuǎn)子繞組。匝：組成一圈的一根或一組導體。銅損耗：電流在繞組電阻上引起的損耗稱為銅損耗，簡稱銅耗。電刷：與換向器或集電環(huán)作滑動接觸形成電連接的導電部件。集電環(huán)：與電刷接觸的導電金屬環(huán)，換向器（整流子）：對于發(fā)電機，換向器把電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱觿菹蛲獠枯敵?；對于電動機，它是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機旋轉(zhuǎn)。換向器是由多個換向片組合而成，是直流電機的關鍵部件。軸承：支持轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)件。推力軸承：承受軸向負載并限制軸向移動的軸

10、承。導軸承：限制立式機組軸線在一定范圍內(nèi)擺動的軸承。旋轉(zhuǎn)方向：從電機的傳動端朝非傳動端沿軸向看電機的旋轉(zhuǎn)方向。機械角度：從幾何上把電機圓周分成 360°，為機械角度。電角度：對于交流電機來說，電樞線圈中感生的按正弦變化的電勢的一個周期為360電角度。若電機有p對磁極，電機旋轉(zhuǎn)時的電角度為p×機械角度。直流電動機原理Direct Current Motor Principle在本動畫課件中對直流電動機的基本原理作一介紹，這是一個方形導線框，在線端頭焊接兩片半圓周的銅片。帶換向器的導線框兩片半圓周的銅片構(gòu)成換向器，兩個彈性銅片靠在換向器兩側(cè)是電刷。導線框與換向器與電刷電源通過電

11、刷向?qū)Ь€框供電，線框中就有電流通過。通過換向器向?qū)Ь€框供電在線框兩側(cè)放一對磁極，形成磁場，線框處在磁場中。導線框放入磁場當線框通有電流時，兩側(cè)導線就會受到磁場的作用力，這個力稱為洛倫茲力，方向依左手定則判斷，圖中紫紅色箭頭表示電流方向、綠色半透明箭頭是受力方向。直流電動機工作原理受到磁場的作用力的線框會旋轉(zhuǎn)，當旋轉(zhuǎn)90度后，換向器改變了線框電流的方向，于是導線框會連續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，這就是直流電動機的工作原理。請觀看直流電動機原理3D動畫，在動畫中有綠色半透明箭頭表示作用力的方向，在線框中運動的綠色小球表示電流方向。直流電動機工作原理動畫直流電動機模型Direct Current Motor Mod

12、el在前面的動畫課件中已對直流電動機的基本原理作了介紹，但它距實際應用的直流電動機結(jié)構(gòu)相差較大，下面介紹一臺與真實直流電動機結(jié)構(gòu)相近的原理模型。 電機的定子主要用來產(chǎn)生磁場，該模型定子有一對磁極，由導磁良好的鋼鐵制成，磁極的的磁力由一個U型永久磁鐵產(chǎn)生。永久磁鐵的磁極電動機旋轉(zhuǎn)部分是轉(zhuǎn)子（俗稱電樞），轉(zhuǎn)子安裝在兩個磁極之間。為增強兩磁極間的磁通密度，轉(zhuǎn)子鐵芯（電樞鐵芯）由導磁良好的硅鋼片疊成，電機的導線框嵌放在轉(zhuǎn)子鐵芯的槽內(nèi)，本模型的轉(zhuǎn)子鐵芯有8個線槽。定子與轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯的8個線槽里嵌有轉(zhuǎn)子繞組（電樞繞組），為便于觀察，仍用單圈線框代表轉(zhuǎn)子繞組，這是一個線框。一個轉(zhuǎn)子繞組按8個線

13、槽順序嵌放轉(zhuǎn)子繞組（線框），為便于觀察不顯示轉(zhuǎn)子鐵芯，繞組的頭尾端依次焊接，這是嵌到第4個繞組時的圖。四個轉(zhuǎn)子繞組這是嵌好全部8個繞組的圖。全部八個轉(zhuǎn)子繞組再把轉(zhuǎn)子鐵芯顯示出來。轉(zhuǎn)子鐵芯與轉(zhuǎn)子繞組換向器有8個銅制換向片，排成圓筒形，換向片間留有縫隙，相互絕緣。    把轉(zhuǎn)子繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。直流電機轉(zhuǎn)子把嵌有繞組的轉(zhuǎn)子插入兩磁極之間，兩個嵌有石墨塊的電刷靠在換向器兩側(cè)。直流電機模型為便于觀察，不顯示磁極與磁鐵，僅顯示磁極的磁力線；轉(zhuǎn)子鐵芯也以半透明顯示。在磁場中的轉(zhuǎn)子繞組在兩電刷上接通電源，可在圖上看到每個線槽中線框的電流方向，線框受磁場作用力，轉(zhuǎn)

14、子開始旋轉(zhuǎn)，線框受力方向依左手定則判斷。通電轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受力請觀看直流電機轉(zhuǎn)子繞組通電旋轉(zhuǎn)3D動畫，由于隱去磁極和透明轉(zhuǎn)子鐵芯，在動畫中可看到旋轉(zhuǎn)線框的電流方向。直流電機轉(zhuǎn)子繞組通電旋轉(zhuǎn)3D動畫 請觀看直流電機模型旋轉(zhuǎn)3D動畫。直流電機模型旋轉(zhuǎn)3D動畫直流電動機結(jié)構(gòu)Direct Current Motor Structure（本課件圖片于2013年3月重新編輯）在前面的動畫課件中已對直流電動機原理與基本結(jié)構(gòu)作了介紹，這里用一臺直流電動機模型來介紹它的具體結(jié)構(gòu)。該直流電動機模型的定子有一對主磁極，安裝在機座上，機座也叫磁軛，是主磁極磁力線的通路。磁極與磁軛都是用導磁良好的鋼鐵制成。

15、 見圖1圖1 磁極與磁軛在主磁極上安裝有勵磁繞組，繞組通電后就會在兩個主磁極間產(chǎn)生主磁場。見圖2圖2 直流電動機定子直流電機轉(zhuǎn)子也稱為電樞，電樞鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，鐵芯圓周均勻分布18個槽，用來嵌放電樞繞組。電樞鐵芯直徑比主磁極間距離略小點。圖3 直流電動機電樞鐵芯圖4是定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯的磁路圖，淺藍色箭頭線表示磁力線。圖4 直流電機的磁路把繞制好的電樞繞組嵌入電樞槽內(nèi)，每個繞組都有一對引出線。圖5 電樞繞組換向器有18個銅制換向片，排成圓筒形，固定在一個絕緣套筒上，換向片間留有縫隙，相互絕緣。圖6用兩個角度展示換向器的外觀。圖6 換向器把換向器安裝在電樞轉(zhuǎn)軸上，把電樞繞組的引出線按

16、規(guī)律焊接在換向片上。見圖7圖7 直流電動機電樞為散去電機發(fā)出的熱量，還要在電樞轉(zhuǎn)軸上安裝風扇。圖8 有風扇的直流電動機電樞電樞繞組通過電刷供電，電刷的主要成份是石墨，導電良好又潤滑。電刷固定在刷握內(nèi)，由彈簧片壓向換向器。 本模型有兩個主磁極，故有兩個電刷組，每個電刷組由兩個電刷構(gòu)成。電刷組固定在電刷座上，構(gòu)成電刷裝置。圖9 電刷裝置電刷裝置與換向器的位置關系見圖10，根據(jù)電樞繞組的常用繞法的線端頭與換向器焊接位置，當磁極在上下方時兩個電刷組分布在換向器上下兩側(cè)。圖10 電刷裝置與電樞換向器 把電樞插入定子主磁極之間，見圖11圖11 定子與電樞在電機前后兩側(cè)裝上端蓋（剖面），

17、端蓋上有軸承，支持電樞的旋轉(zhuǎn)。電刷裝置也固定在端蓋上。 見圖12圖12 直流電動機剖面在電機端蓋上有散熱通風孔，在機座上有出線盒。圖13 直流電動機外觀-1從另一角度看直流電動機圖14 直流電動機外觀-2請觀看直流電動機剖面運轉(zhuǎn)3D動畫直流電動機剖面運轉(zhuǎn)3D動畫永磁直流電機Direct Current Permanent Magnet Motor永磁直流電機是用永久磁體來建立電機所需的磁場，無需另用電源進行勵磁。在電動機課件欄目里，在介紹電動機原理時磁場是永磁體產(chǎn)生的，那個八槽直流電動機原理模型是用一個U形永久磁鐵來產(chǎn)生磁場。在過去由于永磁體磁性能差，磁力弱又易退磁，只在一些出力小的電機中使用

18、，多用在玩具與教學儀器中。近十多年永磁電機得到飛快發(fā)展得益于永磁體的飛速發(fā)展，永磁直流電機也從玩具、儀器儀表、家電走向交通工具等大型電機。 永磁直流電機的工作原理、結(jié)構(gòu)與普通直流電機相似，只是用永磁體磁極代替用電流勵磁的磁極，本節(jié)介紹一個小型永磁直流電動機的結(jié)構(gòu)，永磁直流發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)與之相同就不再介紹。 這是一個四極直流電機，下圖為電機的四個永磁體磁極，排列在同一圓周上。永磁體磁極釹鐵硼是目前最好的永磁體材料，磁力非常強大、矯頑力很高，性能好的永磁電機多選用釹鐵硼做磁極。磁極固定在機殼內(nèi)，機殼就是磁軛，為電機提供磁路。永磁直流電機定子在下圖中用藍色的磁力線表示電機的磁路

19、。永磁直流電機的磁路永磁電機不需勵磁電流發(fā)熱較少，但機殼為防鐵粉污染多為密封，一般通過機殼外周多個散熱片進行散熱；端蓋板延伸到機殼外兼做機腳，整個構(gòu)成電機的定子機座，通過機腳來安裝固定電機。永磁電機定子外殼永磁直流電機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸構(gòu)成，與普通直流電機的轉(zhuǎn)子一樣，有關內(nèi)容請參考電動機課件欄目直流電動機一節(jié)。永磁直流電機轉(zhuǎn)子電流通過電刷連接轉(zhuǎn)子繞組，四極電機一般有四組電刷，一同裝在刷架上，共同構(gòu)成電刷組件。下圖顯示了轉(zhuǎn)子與電刷組件的相對位置。永磁直流電機轉(zhuǎn)子與電刷把轉(zhuǎn)子與電刷組件插入定子，如下圖永磁直流電機組裝圖下圖為合上端蓋的永磁直流電機剖面圖永磁直流電機結(jié)構(gòu)圖下圖為

20、永磁直流電機外觀圖。永磁直流電機盤式永磁直流電機Disc type Permanent Magnet Motor盤式永磁電機的軸向尺寸較小，外形像圓盤一樣。一般電機定子與轉(zhuǎn)子間氣隙磁場方向為經(jīng)向，而盤式電機氣隙磁場方向為軸向。除了磁場方向不同，工作原理與普通電機相同。 下面介紹一種盤式永磁直流電機的結(jié)構(gòu)，這是四極直流電機，四個扇形永磁體磁極擺成平面，如下圖扇形永磁體磁極四個扇形永磁體磁極安裝在主端蓋上，主端蓋為定子磁軛。永磁體磁極盤式定子主端蓋與上端蓋為導磁良好的鋼材制造，兩端蓋閉合后形成良好的磁路。主端蓋與上端蓋在磁極與上端蓋間有工作氣隙，磁場在氣隙間的方向為軸向，在下圖中藍色的磁

21、力線顯示了磁路與磁場走向。盤式永磁電機磁場走向扁盤狀轉(zhuǎn)子在磁極與上端蓋間的氣隙間旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子線圈為平面扇形繞組，下圖是兩個線圈與磁極的位置對應圖。平面扇形線圈電機轉(zhuǎn)子共有36個線圈排列成盤狀盤狀轉(zhuǎn)子繞組該電機轉(zhuǎn)子采用無鐵芯結(jié)構(gòu)，把線圈封裝在絕緣材料內(nèi)，壓成盤狀，構(gòu)成無鐵芯盤狀轉(zhuǎn)子,絕緣材料可用含聚脂玻璃纖維塑料或酚醛塑料等。在盤狀轉(zhuǎn)子中部有換向器，見下圖。無鐵芯盤狀轉(zhuǎn)子本機采用平面換向器，扇形換向片平鋪在同一平面上，呈圓環(huán)狀。電刷裝在刷握內(nèi)，刷握內(nèi)有彈簧把電刷壓向換向器，刷握安裝在主端蓋上。平面換向器與電刷把盤狀轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)軸上，再安裝在機座的氣隙內(nèi)，讓轉(zhuǎn)子在氣隙內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，裝好的電機平面剖面圖

22、如下。盤式永磁直流電機結(jié)構(gòu)下圖就是安裝好的盤式永磁直流電機的立體剖面圖。盤式永磁直流電機的立體剖面圖盤式永磁直流電機-1盤式永磁直流電機-2盤式無鐵芯永磁電機由于轉(zhuǎn)子無鐵芯，電感小，換向火花小，關鍵是非常適合需要使用薄形電機的場合。 盤式永磁電機結(jié)構(gòu)有多種，在本網(wǎng)“直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機”欄目里有中間轉(zhuǎn)子盤式發(fā)電機與中間定子盤式發(fā)電機的介紹。三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場Three-phase Rotating Magnetic Field應用最廣泛的電動機就是三相交流電動機，三相交流電動機是用三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來帶動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的。 三相交流電由A、B、C三相組成，按每個交

23、流周期360度算，每相間距120度，下面是三相交流電波形圖， 黃色為A相波形，綠色為B相波形，紅色為C相波形，我國使用的三相交流電頻率是50赫茲。三相交流電波形圖三相交流電通過三相繞組來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，三相繞組由三個嵌在電動機定子鐵芯上的線圈組成，下面是一個三相交流電動機模型的定子，在定子內(nèi)圓有6個嵌線槽，分別嵌有A、B、C三相線圈，三個線圈按120度分布，黃色線框AX是A相線圈，綠色線框BY是B相線圈，紅色線框CZ是C相線圈。線框的A、B、C端為線圈入端，X、Y、Z端為線圈出端。三相繞組示意圖在三個線圈通上三相交流電后，在定子鐵芯中間會形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，下圖展示三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場的動畫截圖。

24、在A相線圈端口輸入的是A相電流IA，在端口有箭頭標明電流的方向；在B相線圈端口輸入的是B相電流IB，在端口有箭頭標明電流的方向；在C相線圈端口輸入的是C相電流IC，在端口有箭頭標明電流的方向。在定子鐵芯中間有A相電流形成的黃色磁場箭頭，其長度代表磁場強度，指向為磁場的方向；同樣綠色與紅色箭頭分別代表B相與C相的磁場強度與方向；紫藍色的箭頭是A、B、C三相的合成磁場，其長度代表磁場強度，指向為磁場的方向。在動畫中可看到三相電流的變化、三相磁場的變化及合成的旋轉(zhuǎn)磁場。 這里展示五幅截圖，以A相起點為0度，第1幅是是0度的截圖：三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場動畫截圖（0度）第2幅是是105度的截圖：

25、三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場動畫截圖（105度）第3幅是是180度的截圖：三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場動畫截圖（180度）第4幅是是255度的截圖：三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場動畫截圖（225度）第5幅是是300度的截圖：三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場動畫截圖（300度）  交流電每變化一周磁場旋轉(zhuǎn)一周，輸入的三相交流電是50赫茲，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場是每秒50周。下面請觀看三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場箭頭的動畫三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場箭頭動畫以上動畫是用箭頭來表示旋轉(zhuǎn)磁場的方向與大小，三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的動畫還有用磁力線表示的動畫，下圖為用磁力線表示的動畫截圖三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場磁力線動畫截圖下面請觀看三相交流電與旋轉(zhuǎn)

26、磁場磁力線的動畫三相交流電與旋轉(zhuǎn)磁場磁力線動畫以上圖片與動畫中定子的三相繞組是獨立的，實際應用中三相繞組是按三角形或星形接法。需要改變旋轉(zhuǎn)磁場的方向時，只需將接入的三相交流電中任意兩相進行交換，旋轉(zhuǎn)磁場就會向相反的方向旋轉(zhuǎn)。同步電動機原理Synchronous Motor Principle三相交流電動機是用三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來帶動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，有關旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生原理在前面已作介紹，在這里只介紹電機轉(zhuǎn)子是如何在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)的。   永磁交流同步電動機最簡單的方法是在產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的空間放一永久磁鐵，該磁鐵就會跟著磁場旋轉(zhuǎn)了。下圖就是這樣一個永久磁鐵轉(zhuǎn)子。永久磁

27、鐵轉(zhuǎn)子把永久磁鐵轉(zhuǎn)子放在能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的定子鐵芯中，它將會跟隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場一致，故稱之為同步電動機，下圖便是一個永磁同步電動機模型的示意圖。永磁同步電動機模型下面是該三相交流同步電動機模型的動畫截圖，為看清線圈與磁力線，定子與轉(zhuǎn)子用半透明顯示。動畫中有輸入三相電流的變化波形，有旋轉(zhuǎn)磁場與跟著旋轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子。永磁同步電動機動畫截圖請觀看永磁轉(zhuǎn)子同步電動機原理模型3D動畫永磁轉(zhuǎn)子同步電動機原理3D動畫這個三相交流同步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場只有一對磁極，永磁轉(zhuǎn)子也是一對磁極，轉(zhuǎn)速與交流電源相同，用50周的交流電供電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是每秒50轉(zhuǎn)。    電勵磁交

28、流同步電動機實際上的三相交流同步電動機轉(zhuǎn)子多數(shù)是電勵磁的，轉(zhuǎn)子上有勵磁繞組，用直流勵磁電源產(chǎn)生固定磁場，下圖是一個電勵磁三相交流同步電動機原理模型旋轉(zhuǎn)動畫的截圖。電勵磁三相交流同步電動機模型請觀看三相交流同步電動機原理3D動畫三相交流同步電動機原理3D動畫該三相交流同步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場只有一對磁極，電勵磁轉(zhuǎn)子也是一對磁極，用50周的交流電供電時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是每秒50轉(zhuǎn)，也即每分鐘3000轉(zhuǎn)。兩極同步電動機的轉(zhuǎn)子一般采用隱極式轉(zhuǎn)子。   多極交流同步電動機許多場合需用低轉(zhuǎn)速，大力矩輸出的交流同步電動機，此時的電機多做成大直徑的多極電機形式，定子繞組產(chǎn)生多對磁極旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子采用多

29、對凸極結(jié)構(gòu)。下圖是一個3對磁極同步電動機模型示意圖，定子有3個3相繞組，轉(zhuǎn)子有3對（6個）凸極，轉(zhuǎn)速為每分鐘1000轉(zhuǎn)。多極三相交流同步電動機模型   交流同步電動機的起動三相交流同步電動機的起動較麻煩，因為三相交流旋轉(zhuǎn)磁場的速度很快，起動時轉(zhuǎn)子不可能立即加速跟上磁場旋轉(zhuǎn)，所以是轉(zhuǎn)不起來的。為使三相交流同步電動機起動旋轉(zhuǎn)常用以下三種方法：   輔助電動機起動法選用一臺與同步電動機極數(shù)相同的小型異步電動機作為起動電動機，起動時，先用起動電動機將同步電動機帶動到異步轉(zhuǎn)速，再將同步電動機接上三相交流電源，這樣同步電動機即可起動，但這種方法僅適用于空載起動。&#

30、160;  變頻電源起動法先采用變頻電源向同步電動機供電，調(diào)節(jié)變頻電源使頻率從0緩慢升高，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速也從0緩慢升高，帶動轉(zhuǎn)子緩慢同步加速，直到額定轉(zhuǎn)速。該方法多用于大型同步電動機的起動。   異步起動法在轉(zhuǎn)子上加上鼠籠或起動繞組，使之有異步電動機功能，在起動時勵磁繞組不通電，相當異步電動機起動，待轉(zhuǎn)速接近磁場轉(zhuǎn)速時再接通勵磁電源，就進入同步運行。永磁同步電動機Permanent Magnet Synchronous Motor近些年永磁同步電動機得到較快發(fā)展，其特點是功率因數(shù)高、效率高，在許多場合開始逐步取代最常用的交流異步電機，其中異步起動永磁同步電動機的性能

31、優(yōu)越，是一種很有前途的節(jié)能電機。 在本網(wǎng)“電動機系列”欄目中“同步電動機原理”一節(jié)中已講到有永久磁鐵轉(zhuǎn)子的同步電動機原理模型，本節(jié)將進一步介紹永磁同步電動機的原理與結(jié)構(gòu)。永磁同步電動機的定子結(jié)構(gòu)與工作原理與交流異步電動機一樣，多為4極形式，三相繞組按3相4極布置，通電產(chǎn)生4極旋轉(zhuǎn)磁場。下圖是有線圈繞組的定子示意圖。定子鐵芯與繞組下圖是裝在機座里的定子。機座與定子永磁同步電動機與普通異步電動機的不同是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子上安裝有永磁體磁極，下左圖就是一個安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周表面上，稱為凸裝式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向見下右圖，這是一個4極轉(zhuǎn)子。凸裝式永磁轉(zhuǎn)

32、子根據(jù)磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，于是永磁轉(zhuǎn)子就會跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。下左圖是另一種安裝有永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，稱為嵌入式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向見下右圖，這也是一個4極轉(zhuǎn)子。嵌入式永磁轉(zhuǎn)子鐵芯下左圖也是一種嵌入式永磁轉(zhuǎn)子，永磁體嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，為防止永磁體磁通短路，在轉(zhuǎn)子鐵芯開有空槽或在槽內(nèi)填充隔磁材料。磁極的極性與磁通走向見下右圖，這也是一個4極轉(zhuǎn)子。嵌入式永磁轉(zhuǎn)子鐵芯-2下圖為裝上轉(zhuǎn)軸的嵌入式永磁轉(zhuǎn)子嵌入式永磁轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子鐵芯兩側(cè)裝上風扇然后與定子機座組裝成整機，見下圖。永磁同步電動機剖面圖這種永

33、磁同步電動機不能直接通三相交流的起動，因轉(zhuǎn)子慣量大，磁場旋轉(zhuǎn)太快，靜止的轉(zhuǎn)子根本無法跟隨磁場旋轉(zhuǎn)。這種永磁同步電動機多用在變頻調(diào)速場合，啟動時變頻器輸出頻率從0開始上升到工作頻率，電機則跟隨變頻器輸出頻率同步旋轉(zhuǎn)，是一種很好的變頻調(diào)速電動機。 通過在永磁轉(zhuǎn)子上加裝籠型繞組，接通電源旋轉(zhuǎn)磁場一建立，就會在籠型繞組感生電流，轉(zhuǎn)子就會像交流異步電動機一樣起動旋轉(zhuǎn)。這就是異步起動永磁同步電動機，是近些年開始普及的節(jié)能電機。為了安裝籠型繞組，在轉(zhuǎn)子鐵芯疊片圓周上沖有許多安裝導電條的槽，在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部嵌裝永磁體，永磁體安裝方式有多種，也可以按前面介紹的形式安裝。這里的安裝方式見下圖，這也是一個4

34、極轉(zhuǎn)子，為了防止永磁體的磁通通過轉(zhuǎn)軸短路，在轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子鐵芯間加裝有隔磁材料，轉(zhuǎn)子的磁通走向見下圖左?；\型繞組永磁轉(zhuǎn)子鐵芯籠型轉(zhuǎn)子有焊接式與鑄鋁式：在轉(zhuǎn)子每個槽內(nèi)插入銅條，銅條與轉(zhuǎn)子鐵芯兩側(cè)的銅端環(huán)焊接形成籠型轉(zhuǎn)子；與普通交流異步電動機一樣采用鑄鋁式轉(zhuǎn)子，將熔化的鋁液直接注入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)，并同時鑄出端環(huán)與風扇葉片，是較廉價的做法，下圖是一個鑄鋁式籠型轉(zhuǎn)子?；\型繞組永磁轉(zhuǎn)子把轉(zhuǎn)子與定子、機座等部件進行組裝，組裝成的整機剖面圖見下圖。籠型繞組永磁同步電動機剖面圖異步起動永磁同步電動機可以直接接通三相交流電源使用，方便又節(jié)能。異步電動機原理Asynchronous Motor Principle三相交流異

35、步電動機也是用三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場來帶動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)子不是永磁的也不是線繞電磁的，在轉(zhuǎn)子鐵芯上鑲嵌著一個“鼠籠”。下圖是一個銅制的鼠籠，由多根銅條與兩個銅端環(huán)組成，銅條與銅端環(huán)有良好的電連接。轉(zhuǎn)子的鼠籠把鼠籠放在有旋轉(zhuǎn)磁場的定子鐵芯中間，在定子芯繞組通上三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，會看到鼠籠會跟著旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)。因為磁場旋轉(zhuǎn)時，鼠籠的銅條切割磁力線產(chǎn)生電流，而有電流的銅條又受到磁力的作用，于是鼠籠便旋轉(zhuǎn)起來。下面四幅圖是鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)的動畫截圖，為使畫面清楚，僅顯示旋轉(zhuǎn)磁場與鼠籠電流的方向。感生電流的方向可用右手定則判斷，銅條受力方向按左手定則判斷。圖中標有磁力線與旋轉(zhuǎn)方向，銅條端面的顏

36、色代表電流的方向。綠色表示電流指向屏幕外，紅色表示電流指向屏幕內(nèi)，黃色表示無電流，電流變化用顏色變化表示。第一幅是電流變化周期為0度時磁場與電流方向：鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)動畫截圖（0度）第2幅是電流變化周期為90度時磁場與電流方向：鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)動畫截圖（90度）第3幅是電流變化周期為180度時磁場與電流方向：鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)動畫截圖（180度）第4幅是電流變化周期為270度時磁場與電流方向：鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)動畫截圖（270度）顯然，鼠籠是不可能與磁場同步旋轉(zhuǎn)的，只有鼠籠比磁場轉(zhuǎn)的慢才有鼠籠與磁場的相對轉(zhuǎn)動，才能切割磁力線感生電流，感生電流在洛倫茲力作用下推動鼠籠轉(zhuǎn)子異步旋轉(zhuǎn)。鼠籠與磁場轉(zhuǎn)速之差稱為轉(zhuǎn)差

37、，轉(zhuǎn)差大則感生電流大，電流大則力大，力大則增加鼠籠轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)差與力會形成平衡，鼠籠轉(zhuǎn)速將穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)差值。 請觀看鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)的3D動畫鼠籠隨磁場旋轉(zhuǎn)的3D動畫為增大導磁率，鼠籠是嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)的，下圖是一個嵌有銅制鼠籠的轉(zhuǎn)子：鼠籠轉(zhuǎn)子把鼠籠轉(zhuǎn)子插入定子鐵芯中，組成一個三相交流異步電動機原理模型。通上三相交流電，電機就旋轉(zhuǎn)了。由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度比旋轉(zhuǎn)磁場慢，故稱之為異步電動機。轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場旋轉(zhuǎn)速度之差再與磁場旋轉(zhuǎn)速度之比稱為轉(zhuǎn)差率，一般異步電動機運行時的轉(zhuǎn)差率為2%至6%，輸入三相交流電為50周時，鼠籠轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)速約2820至2940轉(zhuǎn)。 下面是三相交流異步電動機模型旋

38、轉(zhuǎn)3D動畫截圖異步電動機模型3D動畫截圖請觀看三相交流異步電動機原理模型旋轉(zhuǎn)動畫異步電動機原理模型旋轉(zhuǎn)動畫異步電動機結(jié)構(gòu)Asynchronous Motor Structure前面章節(jié)已經(jīng)介紹三相交流旋轉(zhuǎn)磁場與三相交流異步電動機的原理，本課件介紹三相交流異步電動機最常見的籠型感應電動機的結(jié)構(gòu)。三相交流異步電動機的定子鐵芯由硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓有許多槽，用來嵌放定子繞組，見圖1左圖。電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯也由硅鋼片疊成，在鐵芯外圓有許多槽，用來嵌放轉(zhuǎn)子繞組，見圖1中圖。圖1右圖是轉(zhuǎn)子鐵心插入定子鐵心示意圖，定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵心之間留有氣隙。圖1-定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵心定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，即三相交

39、流繞組，接入三相交流電源就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。圖2-嵌放繞組的定子鐵心 定子鐵芯固定在機座上，機座外面有散熱筋（散熱片）幫助定子散熱，機座由鑄鐵或鑄鋼鑄造。下圖是剖面的定子與機座圖。圖3-定子安裝在機座上三相交流異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯外周的許多槽是用來嵌放轉(zhuǎn)子繞組，籠型感應電動機的轉(zhuǎn)子繞組是籠型結(jié)構(gòu)，俗稱鼠籠。鼠籠由銅條或（鋁條）與銅端環(huán)（鋁端環(huán)）組成，參見異步電動機原理一節(jié)。但應用最廣的小型異步電動機采用在轉(zhuǎn)子鐵芯上直接澆鑄熔化的鋁液形成鼠籠轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)直接形成鋁條即繞組，并同時鑄出散熱的風葉，簡單又結(jié)實，圖4是鑄有籠型繞組的轉(zhuǎn)子。圖4-籠型繞組的轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上裝有電動機散熱的風扇

40、，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上裝上軸承，這就是異步電動機的轉(zhuǎn)動部分。圖5-籠型異步電動機轉(zhuǎn)子把轉(zhuǎn)子插入定子中間，通過軸承安裝在端蓋上，用端蓋把轉(zhuǎn)子支撐起來，端蓋安裝在機座上，裝上風罩，一個三相交流異步電動機就組成了。接入三相交流電源后定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場就可帶動籠型轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。圖6與圖7是籠型三相異步電動機的剖視圖。圖6-籠型異步電動機剖面圖 圖7-籠型異步電動機剖面圖機座裝上端蓋后，轉(zhuǎn)子與定子與定子繞組都密封在機座內(nèi)，能較好的防塵。定子與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量由機座外殼散熱，轉(zhuǎn)子上的風葉攪動機內(nèi)空氣使熱量盡快傳到外殼上，外殼上的散熱片加大了散熱面積。這還不夠，在電機端蓋外還裝有風扇，并有風罩，風罩端部開有通風

41、孔，風扇旋轉(zhuǎn)時就像離心風機，空氣從風罩端部進入，從風罩與端蓋之間的空隙吹出，吹向機座上的散熱片，大大加速了電機的散熱。圖8中的淺藍色箭頭線表示散熱氣流的走向。圖8-籠型異步電動機的散熱通道圖9是籠型異步電動機外觀圖。圖9-籠型異步電動機外觀圖三相交流異步電動機以其結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，維護容易，價格低廉而廣受歡迎，應用非常廣泛。請觀看三相籠型異步電動機模型剖面運轉(zhuǎn)3D動畫。異步電動機模型剖面3D動畫繞線轉(zhuǎn)子感應電動機結(jié)構(gòu)Wound Rotor Induction Motor繞線轉(zhuǎn)子感應電動機是三相交流異步電動機的一種，其定子鐵心與繞組與籠型感應電動機相同，在鐵芯內(nèi)圓有許多槽，用來嵌放定子繞組，見

42、圖1。圖1-定子鐵心 定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，即三相交流繞組，三相繞組按2極繞制，連接成星形，接入三相交流電源就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，見圖2，繞組的三個引出端線通過機座上的接線盒引出（圖中未顯示）。 圖2-定子鐵心與繞組繞線轉(zhuǎn)子感應電動機的轉(zhuǎn)子鐵芯也由硅鋼片疊成，在鐵芯外圓有許多槽，用來嵌放轉(zhuǎn)子繞組，見圖3。圖3-繞線轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著轉(zhuǎn)子繞組，也是2極的三相交流繞組，連接成星形，接入三相交流電源也可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，見圖4。不管定子與轉(zhuǎn)子的槽數(shù)各為多少，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組的極數(shù)必須相同，例如同為2極、4極、6極等。圖4-轉(zhuǎn)子鐵心與繞組轉(zhuǎn)子繞組線端通過集電環(huán)與電刷引出

43、，下面通過一套較簡單的電刷與集電環(huán)裝置介紹其基本結(jié)構(gòu)。電刷由潤滑性與導電性好的石墨質(zhì)材料壓制而成，電刷裝在刷握內(nèi)，刷握上有壓緊電刷的彈簧壓片；刷握安裝在刷桿上，刷桿是絕緣的，刷桿上安裝3套獨立的刷握，位置對應3個集電環(huán)，每套刷握有2個電刷，共有6個電刷。圖5中左圖是該電刷裝置的軸向視圖，中圖是該電刷裝置的徑向視圖，右圖是該電刷裝置的立體圖。圖5-電刷結(jié)構(gòu)圖集電環(huán)較多采用黃銅或錳鋼等導電良好、潤滑耐磨的材料制成，3個獨立的集電環(huán)緊固在絕緣套筒上，保證環(huán)與環(huán)，環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間都是互相絕緣的。每個集電環(huán)通過一根導電桿引出作為接線端，導電桿穿過其他集電環(huán)時由絕緣套管隔開，3個導電桿分別連接3個集電環(huán)，相互

44、絕緣。圖6左圖是剖開的集電環(huán)，表示導電桿與集電環(huán)的連接或絕緣，A導電桿直接連接集電環(huán)1，B導電桿穿過集電環(huán)1連接集電環(huán)2，C導電桿穿過集電環(huán)1與2連接集電環(huán)3。圖6中圖是完整的集電環(huán)；圖6右圖是集電環(huán)與電刷的組合圖，電刷被彈簧壓片壓向集電環(huán)，保證電刷與集電環(huán)的良好接觸。圖6-集電環(huán)結(jié)構(gòu)圖把集電環(huán)緊固在電機轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)子繞組的三根引出端線穿過轉(zhuǎn)軸上的槽連接到三個集電環(huán)上，在轉(zhuǎn)軸上還裝有散熱風扇，見圖7（圖中沒表示線端的連接）。圖7-繞線感應電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子安裝在定子內(nèi)，由固定在機座兩端的端蓋支撐，轉(zhuǎn)子軸承安裝在端蓋上。在轉(zhuǎn)子集電環(huán)一側(cè)安裝著電刷罩，三個電刷固定在電刷罩內(nèi)，刷握上的彈簧緊壓著碳質(zhì)電刷，保

45、持電刷與集電環(huán)緊密接觸，見圖8，三個電刷通過電刷罩上的接線盒引出（圖中未顯示）。圖8-繞線轉(zhuǎn)子感應電動機本例中繞線轉(zhuǎn)子感應電動機的散熱方式與籠型感應電動機相同，這里不再介紹。圖9是繞線轉(zhuǎn)子感應電動機的外觀圖。圖9-繞線轉(zhuǎn)子感應電動機下面簡介繞線轉(zhuǎn)子感應電動機的控制電路。籠型感應電動機起動電流大，特別是大型電動機，降壓起動電路復雜龐大，采用繞線轉(zhuǎn)子感應電動機可簡單的實現(xiàn)起動與調(diào)速，用較小的起動電流實現(xiàn)較大的起動力矩。在轉(zhuǎn)子繞組串入起動電阻或頻敏變阻器對電機起動進行控制，圖10是起動電路示意圖。起動過程中對起動電阻的控制可根據(jù)允許起動電流大小來調(diào)整起動電阻的大小，電阻由大漸小直到電機進入正常異步轉(zhuǎn)

46、速切除電阻；也可以根據(jù)設定時間控制電阻的變化。外接電阻不但可控制起動電流，在正常運行時也能小范圍調(diào)整電機帶負荷時的轉(zhuǎn)速。圖10-繞線轉(zhuǎn)子感應電動機啟動電路示意圖在轉(zhuǎn)子繞組與電源間接入雙 PWM 交直交變頻器可實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速從低于同步轉(zhuǎn)速到高于同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制。由于變頻器僅輸出轉(zhuǎn)子繞組所需電流，可采用小型低壓變頻器，相對采用大型變頻器直接控制電機電源要便宜。有關雙 PWM 交直交變頻器對繞線轉(zhuǎn)子感應電動機的控制原理請另參閱有關技術資料，圖11是該調(diào)速系統(tǒng)主電路示意圖。圖11-采用變頻器的調(diào)速電路示意圖旋轉(zhuǎn)磁場交流發(fā)電機原理模型Principle of the Rotating Magnetic

47、Field generator在這個模型中磁場是不動的，線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應電勢。在實際發(fā)電機中產(chǎn)生感應電勢的線圈是不運動的，運動的是磁場。產(chǎn)生磁場的是一個可旋轉(zhuǎn)的磁鐵，兩端為南、北兩磁極，是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，線圈在磁鐵外圍，與磁鐵轉(zhuǎn)軸同一平面。當磁鐵旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，線圈切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢。由于空氣的磁導率太低，在旋轉(zhuǎn)磁鐵的外圍安上環(huán)型鐵芯，也就是定子，可大大加強磁鐵的磁感應強度。在定子鐵芯的內(nèi)圓有一對槽，線圈嵌裝在槽內(nèi)。為了看清線圈電流與轉(zhuǎn)子的運動關系，把定子變成半透明的。當磁鐵旋轉(zhuǎn)時，線圈切割磁力線感生交流電流。旋轉(zhuǎn)磁場交流發(fā)電機原理真正發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是電磁鐵，轉(zhuǎn)子上繞有勵磁線圈，

48、通過滑環(huán)向勵磁線圈供電來產(chǎn)生磁場。把定子與線圈安在轉(zhuǎn)子外圍，一個單相交流發(fā)電機原理模型就組成了。勵磁轉(zhuǎn)子交流發(fā)電機原理轉(zhuǎn)子作勻速旋轉(zhuǎn)時，線圈就感生交流電流，畫面中綠色小球運動的方向表示感應電流的方向、運動的速度表示感應電流的大小。在這個模型中感生電壓的頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速完全相同，感生的電壓的變化與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)完全對應，當轉(zhuǎn)速為每秒50轉(zhuǎn)（50r/s）或每分鐘3000轉(zhuǎn)（3000r/min）時，發(fā)出的交流電頻率為50赫茲（Hz）。這種旋轉(zhuǎn)磁場的發(fā)電機稱為旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機。請觀看旋轉(zhuǎn)磁極式同步發(fā)電機工作原理3D動畫。旋轉(zhuǎn)磁場交流發(fā)電機工作原理3D動畫三相交流發(fā)電機原理模型Principle of Th

49、ree-phase Generator實際應用的都是三相交流發(fā)電機，其定子鐵芯的內(nèi)圓均勻分布著6個槽，嵌裝著三個相互間隔120度的同樣線圈，分別稱之為A相線圈、B相線圈、C相線圈。裝上轉(zhuǎn)子就組成了一臺三相交流發(fā)電機原理模型。三相交流發(fā)電機原理畫面中的三相交流發(fā)電機采用星形接法，三個線圈的公共點引出線是中性線，每個線圈的引出線是相線。 當轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時三個線圈順序切割磁力線，都會感生交流電動勢，其幅度與頻率相同。由于三個線圈相互間隔120度，它們感應電勢的相位也相差120度。在畫面上有每根相線的輸出電勢波形。這個模型的轉(zhuǎn)子只有兩個極，所以感生的電壓頻率與轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)速相同，是同步交流發(fā)電

50、機，當轉(zhuǎn)速為每分鐘3000轉(zhuǎn)（3000r/min）時，發(fā)出的三相交流電頻率為50赫茲（Hz），這種兩極的同步發(fā)電機廣泛應用在燃煤電廠、燃氣輪機電廠與核電廠，這些電廠使用轉(zhuǎn)速為3000r/min的蒸汽輪機或燃氣輪機帶動同步發(fā)電機發(fā)電。以上的原理模型電機的轉(zhuǎn)子有2個磁極，定子有6個槽，實際的三相交流發(fā)電機定子鐵芯上有多個槽，其槽數(shù)為極數(shù)的3n倍（n=1,2,3, ），稱為整數(shù)槽；還有不成整數(shù)關系的稱為分數(shù)槽。多個三相繞組按規(guī)律均勻的分布在槽中。下面請觀看三相交流發(fā)電機工作原理3D動畫課件三相交流發(fā)電機原理3D動畫課件電動發(fā)電機Motor-Generator本節(jié)為“抽水蓄能電站”欄目與“電動機系列”

51、欄目共用本節(jié)介紹的是用于抽水蓄能電站使用的立軸電動發(fā)電機。這種電動發(fā)電機與水輪發(fā)電機雖都是同步發(fā)電機，但它還可以作為電動機使用，稱為電動發(fā)電機或發(fā)電電動機或可逆電機。從基本結(jié)構(gòu)上看，電動發(fā)電機與普通水輪發(fā)電機相同，但電動發(fā)電機用的是高壓高速水輪機，故電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子極數(shù)要少些，目前30萬千瓦的電動發(fā)電機多數(shù)是每分鐘500轉(zhuǎn)，采用6對磁極，見圖1。圖1  電動發(fā)電機轉(zhuǎn)子電動發(fā)電機的轉(zhuǎn)子采用凸極式結(jié)構(gòu)，磁極安裝在磁軛上，電動發(fā)電機有南北相間的12個磁極，每個磁極上都繞有勵磁線圈，勵磁電源由外部的晶閘管勵磁系統(tǒng)提供（由軸上端的滑環(huán)向勵磁線圈供電），由于磁極少，轉(zhuǎn)子直徑可以做得小，通過加長長

52、度來達到同樣容量，小的直徑可避免高速旋轉(zhuǎn)離心力可能帶來的損壞。發(fā)電機定子鐵芯由導磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓均勻分布著許多槽， 用來嵌放定子線圈，定子線圈嵌放在定子槽內(nèi)，組成三相繞組，每相繞組由多個線圈組成，按一定規(guī)律排列，見圖2。圖2  電動發(fā)電機的定子鐵芯與繞組電動發(fā)電機安裝在由混凝土澆筑的機墩上，在機墩上安裝定子鐵芯的機座，也是水輪發(fā)電機的外殼；在機墩上還安裝下機架，下機架有推力軸承，用來安裝發(fā)電機轉(zhuǎn)子，推力軸承可承受轉(zhuǎn)子的重量與振動、沖擊等力。見圖3。圖3  電動發(fā)電機機墩、機座、下機架在機座上安裝定子鐵芯與定子線圈，見圖4。圖4  電動發(fā)電機的定子與機

53、座轉(zhuǎn)子插在定子中間，與定子有很小間隙，轉(zhuǎn)子由下機架的推力軸承支撐，可以自由旋轉(zhuǎn)，安裝上機架，上機架中心安裝有導軸承，防止發(fā)電機主軸晃動，使它穩(wěn)定的處于中心位置，見圖5。圖5  轉(zhuǎn)子安裝在下機架上鋪好上平臺地板，安裝好電刷裝置，一臺電動發(fā)電機就安裝好了，見圖6。圖6  電動發(fā)電機雖然同步電機可以作為發(fā)電機又可以作為電動機使用，但真要在這兩種功能時都能高效安全運行還是要專門設計與制造的，特別是大型電動發(fā)電機。由于水泵水輪機在兩種工況下的旋轉(zhuǎn)方向是相反的，電動發(fā)電機也要適合雙向運轉(zhuǎn)，除了兩種工況時對外的接線相序要切換，還要保證雙向運轉(zhuǎn)時的通風散熱與系統(tǒng)潤滑。電動發(fā)電機運行在頻繁切

54、換與啟動狀態(tài)、變化迅速，電流沖擊大，致使溫度變化大，特別是作為電動機啟動時，巨大的啟動電流造成溫度劇烈升高。頻繁的溫度大幅度變化會損壞機械結(jié)構(gòu)特別是破壞繞組絕緣，這是設計與制造時要考慮的。大型電動機的啟動是復雜的，啟動形式是多樣的，不同的啟動形式結(jié)構(gòu)上也有區(qū)別，電動發(fā)電機的設計與制造要根據(jù)設計的啟動方式進行。電動發(fā)電機運行在頻繁切換狀態(tài)、變化迅速，要求機械結(jié)構(gòu)經(jīng)得起沖擊，避免振動，防止疲勞。總的說來，電動發(fā)電機的設計與制造比普通發(fā)電機與電動機的難度大，技術要求高。水輪發(fā)電機的構(gòu)造Hydrogenerator Structure水輪機的轉(zhuǎn)速都比較低，特別是立式水輪機，為了能發(fā)出50Hz的交流電，

55、水輪發(fā)電機采用多對磁極結(jié)構(gòu)，對于每分鐘120轉(zhuǎn)的水輪發(fā)電機，需要25對磁極。由于過多磁極不易看清結(jié)構(gòu)，本課件介紹一個有12對磁極的水輪機發(fā)電機模型。水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子采用凸極式結(jié)構(gòu)，圖1是發(fā)電機的磁軛與磁極，磁極安裝在磁軛上，磁軛是磁極磁力線的通路，發(fā)電機模型有南北相間的24個磁極，每個磁極上都繞有勵磁線圈，勵磁電源由安裝在主軸端頭的勵磁發(fā)電機提供，或由外部的晶閘管勵磁系統(tǒng)提供（由集電環(huán)向勵磁線圈供電）。圖1-水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子有多對磁極磁軛安裝在轉(zhuǎn)子支架上，在轉(zhuǎn)子支架中心安有發(fā)電機主軸，在主軸的上端頭安裝有勵磁發(fā)電機或集電環(huán)。軸下端有連接水輪機的法蘭，見圖2。圖2-水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子發(fā)電機定子鐵芯由導

56、磁良好的硅鋼片疊成，在鐵芯內(nèi)圓均勻分布著許多槽， 用來嵌放定子線圈，見圖3。圖3-水輪發(fā)電機定子鐵芯定子線圈嵌放在定子槽內(nèi)，組成三相繞組，每相繞組由多個線圈組成，按一定規(guī)律排列，見圖4。圖4-水輪發(fā)電機定子繞組水輪發(fā)電機安裝在由混凝土澆筑的機墩上，在機墩上安裝機座，機座是定子鐵芯的安裝基座，也是水輪發(fā)電機的外殼，在機座外殼安裝有散熱裝置，降低發(fā)電機冷卻空氣的溫度；在機墩上還安裝下機架，下機架有推力軸承，用來安裝發(fā)電機轉(zhuǎn)子，推力軸承可承受轉(zhuǎn)子的重量與振動、沖擊等力。見圖5。圖5-水輪發(fā)電機機墩、機座、下機架在機座上安裝定子鐵芯與定子線圈，見圖6。圖6-水輪發(fā)電機的定子轉(zhuǎn)子插在定子中間，與定子有很小間隙，轉(zhuǎn)子由下機架的推力軸承支撐，可以自由旋轉(zhuǎn)，見圖7。圖7-定子與轉(zhuǎn)子安裝在機座上安裝上機架，上機架中心安裝有導軸承，防止發(fā)電機主軸晃動，使它穩(wěn)定的處于中心位置。圖8-水輪機發(fā)電機未蓋地板鋪好上層平臺地板，裝好電刷裝置或勵磁電機，一臺水輪發(fā)電機模型就安裝好了。圖8-水輪機發(fā)電機該水輪發(fā)電機模型轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周將感生出12個周期的三相交流電動勢。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為每分鐘250轉(zhuǎn)時，所發(fā)交流電的頻率為50赫茲。請觀看水輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)的3D動畫水輪發(fā)電機運轉(zhuǎn)的3D動畫可逆式抽水蓄能機組與廠房Reversible Unit and Underground Hydropower H