電機的結構及工作原理

電動機發(fā)電機電機直流電機交流電機同步電機

異步電機（籠型、繞線型）特殊電機三相異步電機單相異步電機一、電機的分類及應用特殊電機：單相異步電機（電冰箱、電風扇、洗衣機等）；

伺服電機、測速發(fā)電機（激光打印機、數(shù)控加工中心）

步進電機（反應式步進電動機）伺服電機：將輸入的電壓信號（即控制電壓）轉換成軸上的角位移或角速度

輸出。測速發(fā)電機：測速發(fā)電機作檢測元件，可將電機軸上的機械轉速轉換為電壓

信號輸出，輸出電壓與機械轉速成正比，輸出電壓極性反映電

動機的旋轉方向。步進電機：電脈沖信號→角位移或直線位移。給步進電動機輸入一個電脈沖

信號時，它就轉過一定的角度或移動一定的距離。由于其輸出的

角位移或直線位移可以不是連續(xù)的，因此稱為步進電動機。

異步電動機是把交流電能轉變?yōu)闄C械能的動力機械，廣泛應用于工業(yè)（如：機床、紡織機械、起重機、礦山機械等）、農(nóng)業(yè)（脫粒機、粉碎機、水泵及加工機械等）、家用電器（電風扇、空調、洗衣機、電冰箱及小功率電動工具等）。直流電動機與交流電動機相比，雖然結構復雜，使用維護較麻煩，價格貴，但由于直流電動機具有調速性能好、起動轉矩大等優(yōu)點，被廣泛地應用于起重機械、運輸機械（挖掘機、電力機車、船舶推進器）、冶金傳動機械（礦井卷揚機）、精密機械設備（紡織機、造紙機、金屬切削機床）、軋鋼機及自動控制系統(tǒng)（小容量的直流電動機）等領域。1.1直流電機的結構直流電機主要由定子和轉子(電樞)兩大部分構成。1、電機中靜止不動的部分就是定子。定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場并作為機械支撐，它主要由主磁極、換向磁極、機座和電刷裝置組成。（1）主磁極主磁極的作用時產(chǎn)生主磁場。永磁電動機的主磁極直接由不同極性的永久磁體組成。勵磁電動機的主磁極則由主磁極鐵心和主磁極繞組兩部分組成。主磁極鐵心一般用1~1.5mm薄鋼板沖制成型后，再用鉚釘鉚緊成一個整體，最后用螺釘固定在機座上。

（2）換向磁極

換向磁極的作用是產(chǎn)生附加磁場，用以改善換向，使電機在運行時電刷下不會產(chǎn)生有害的火花。它由換向鐵心和換向繞組兩部分構成。（3）機座

機座是直流電機的外殼，一方面用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等，另一方面也是電機磁路的一部分，這部分磁路稱為定子磁軛（4）電刷裝置

電刷裝置的作用是用來固定電刷，并使電刷與旋轉的換向器保持滑動接觸，將轉子繞組與外電路接通，使電流經(jīng)電刷輸入轉子或從轉子輸出。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、刷桿座、壓緊彈簧以及匯流條等構成。對電刷的要求是既要有良好的導電性，又要有較好的耐磨性，因此電刷一般用石墨粉壓制而成。電刷放置在電刷盒內，并用彈簧把電刷壓緊在換向器表面。調整壓緊彈簧的壓力，保證電刷與換向器表面有良好的滑動接觸。刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，彼此絕緣，刷桿座裝在端蓋或軸承蓋上，位置可以移動，用以調整電刷位置。（5）前、后端蓋

端蓋用來安裝軸承和支撐整個轉子的重量，一般為鑄鋼件。2、轉子通稱為電樞，是電機旋轉的部分。轉子的作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩，它主要由轉子鐵心、轉子繞組、換向器、轉軸和風扇組成。（1）轉子鐵心轉子鐵心是電機主磁路的一部分，在鐵心槽內嵌放轉子繞組。為減小損耗，提高電機機械效率，轉子鐵心一般用0.35~0.5mm厚涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。在硅鋼片的外緣沖有均勻分布的槽，用以嵌放轉子繞組

（2）轉子繞組

轉子繞組是指所有放置在轉子鐵心槽中的線圈的總稱，它用來產(chǎn)生感應電動勢和通過電流，實現(xiàn)機電能量的相互轉換。

（3）換向器是直流電機中的重要組成部分，在直流電動機中，換向器與電刷共同作用將外加直流電流變換為轉子繞組內的交流電流；在直流發(fā)電機中，它將繞組中的交變電動勢和電流轉換成電刷兩端的直流電動勢和直流電流。（4）轉軸的作用是支撐轉子鐵心和傳遞轉矩。為了使電機能安全、可靠的運行，它必須具有足夠的強度和剛度，以保證負載運行時氣隙均勻及轉軸本身不致斷裂。轉軸一般用合金鋼鍛壓加工而成。（5）風扇

風扇是用來降低電機在運行中的溫升。直流電機的工作原理2.1

三相異步電動機的構造接線盒轉軸機座定子鐵心定子繞組接線盒端蓋罩殼風扇轉子轉軸1.定子

三相異步電動機的定子是由機座、定子鐵心和定子繞組組成。定子繞組機座鐵心定子鐵心沖片U1U2（U相）三相定子繞組

轉子:在旋轉磁場作用下，產(chǎn)生感應電動勢或電流。2.轉子鼠籠轉子鐵心：由外周有槽的硅鋼片疊成。(1)

鼠籠式轉子

鐵芯槽內放銅條，端部用短路環(huán)形成一體。或鑄鋁形成轉子繞組。(2)

繞線式轉子

同定子繞組一樣，也分為三相，并且接成星形。鼠籠式繞線式鼠籠式電動機與繞線式電動機的的比較：鼠籠式：

結構簡單、價格低廉、工作可靠；不能人為改變電動機的機械特性。繞線式：結構復雜、價格較貴、維護工作量大；轉子外加電阻可人為改變電動機的機械特性。7.2

三相異步電動機的轉動原理7.2.1旋轉磁場

定子三相繞組通入三相交流電(星形聯(lián)接)AXBYCZ1.旋轉磁場的產(chǎn)生oo規(guī)定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(?)電流出()電流入tAXYCBZAXYCBZAXYCBZ

三相電流合成磁

場的分布情況合成磁場方向向下合成磁場旋轉60°合成磁場旋轉90°600動畫oAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相電流產(chǎn)生的合成磁場是一旋轉的磁場

即：一個電流周期，旋轉磁場在空間轉過360°取決于三相電流的相序2.旋轉磁場的旋轉方向結論：任意調換兩根電源進線，則旋轉磁場反轉。動畫任意調換兩根電源進線(電路如圖)AXCZBY0to3.旋轉磁場的極對數(shù)P

當三相定子繞組按圖示排列時，產(chǎn)生一對磁極的旋轉磁場，即：otAXBYCZAXYCBZ

若定子每相繞組由兩個線圈串聯(lián)

，繞組的始端之間互差60°，將形成兩對磁極的旋轉磁場。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYC極對數(shù)動畫旋轉磁場的磁極對數(shù)與三相繞組的排列有關C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'04.旋轉磁場的轉速工頻：

旋轉磁場的轉速取決于磁場的極對數(shù)p=1時0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2時0旋轉磁場轉速n0與極對數(shù)p的關系極對數(shù)每個電流周期磁場轉過的空間角度同步轉速旋轉磁場轉速n0與頻率f1和極對數(shù)p有關。可見:7.2.2電動機的轉動原理1.轉動原理AXYCBZ定子三相繞組通入三相交流電方向:順時針

切割轉子導體右手定則感應電動勢E20旋轉磁場感應電流I2旋轉磁場左手定則電磁力FF電磁轉矩TnF7.2.3轉差率

旋轉磁場的同步轉速和電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率。

由前面分析可知，電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向一致，但轉子轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速相等，即異步電動機如果:無轉子電動勢和轉子電流

轉子與旋轉磁場間沒有相對運動，磁通不切割轉子導條無轉矩因此，轉子轉速與旋轉磁場轉速間必須要有差別。Y－起動器接線簡圖L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△動觸點Y動觸點靜觸點Y－起動器接線簡圖Y起動L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起動UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2

方法：任意調換電源的兩根進線，電動機反轉。電動機正轉電動機反轉三相異步電動機的正、反轉電源~UVWM3~UVW電源~M3~3.1

三相異步電動機銘牌數(shù)據(jù)1.型號

磁極數(shù)(極對數(shù)p=2)例如：Y132M－4

用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數(shù)。機座長度代號機座中心高（mm）三相異步電動機教材表8.8.1中列出了各種電動機的系列代號。異步電動機產(chǎn)品名稱代號產(chǎn)品名稱異步電動機繞線式異步電動機防爆型異步電動機高起動轉矩異步電動機新代號漢字意義老代號Y異異繞異爆異起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接線盒定子三相繞組的聯(lián)接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y聯(lián)結W1U1V1W2U2V2聯(lián)結3.電壓例如：380/220V、Y/是指線電壓為380V時采用Y聯(lián)結；線電壓為220V時采用

聯(lián)結。說明：一般規(guī)定，電動機的運行電壓不能高于或低于額定值的5%。因為在電動機滿載或接近滿載情況下運行時，電壓過高或過低都會使電動機的電流大于額定值,從而使電動機過熱。電動機在額定運行時定子繞組上應加的線電壓值。

三相異步電動機的額定電壓有380V，3000V,

及6000V等多種。4.電流例如：Y/6.73/11.64A

表示星形聯(lián)結下電機的線電流為6.73A；三角形聯(lián)結下線電流為11.64A。兩種接法下相電流均為6.73A。

5.功率與效率鼠籠電機

=72~93％電動機在額定運行時定子繞組的線電流值。額定功率是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率P2，它不等于從電源吸取的電功率P1。注意：實用中應選擇容量合適的電機，防止出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。6.功率因數(shù)PN

三相異步電動機的功率因數(shù)較低，在額定負載時約為0.7~0.9?？蛰d時功率因數(shù)很低，只有

0.2~0.3。額定負載時，功率因數(shù)最高。7.額定轉速電機在額定電壓、額定負載下運行時的轉速。P2cosO如：n

N=1440轉/分

sN=0.048.絕緣等級指電機絕緣材料能夠承受的極限溫度等級，分為A、E、B、F、H五級，A級最低(105oC)，H級最高(180oC)。

同步電動機在結構上比異步機復雜，但比直流機簡單。和同容量的直流機相比，它具有效率高，過載能力大，體積小，轉動慣量小，等優(yōu)點，并可做到大容量、高電壓、高轉速。和異步電動機調速系統(tǒng)相比，它具有功率因數(shù)高、轉子參數(shù)可測、效率高、控制性能好等優(yōu)點。4.1

同步電動機

同步調速系統(tǒng)的缺點

（1）同步機需在轉子側加一套勵磁裝置，其維護量增加。

（2）同步機的控制比異步機的復雜。

同步機的定子（電樞）和三相異步電動機的一樣；而它的轉子是磁極，由直流勵磁。4.1.1

同步電動機的工作原理4.1

同步電動機1.轉動原理定子三相繞組通入三相交流電旋轉磁場轉子轉速接近n0時，對轉子勵磁。轉子磁場因受定子磁場磁拉力的作用而隨定子磁場同步旋轉，達到同步轉速。若轉子磁場的磁極對數(shù)與定子磁場的磁極對數(shù)相等。7.10.4同步機的用途同步電動機：用于拖動恒速運轉的大、中型機械負載。調相機：實為不帶負載的同步電動機，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。

單相異步電動機主要應用于電動工具、洗衣機、電冰箱、空調、電風扇等小功率電器中。單相異步電動機的定子中放置單相繞組,轉子一般用鼠籠式。定子繞組中通入單相交流電后,形成脈動磁場，若不采取措施，將無法獲得所需的起動轉矩。定子定子繞組轉子AA'NS7.11.1

單相異步電動機的工作原理7.11

單相異步電動機

為了獲得所需的起動轉矩，單相異步電動機的定子進行了特殊設計。常用的單相異步電動機有電容分相式異步電動機和罩極式異步電動機。他們都采用鼠籠式轉子，但定子結構不同。7.11.2電容分相式異步電動機

電容分相式異步電動機的定子中放置有兩個繞組，一個是工作繞組A–A'，另一個是起動繞組B–B',兩個繞組在空間相隔90o。起動時，B–B'繞組經(jīng)電容接電源，兩個繞組的電流相位相差近90o，即可獲得所需的旋轉磁場。電容分相式異步電動機iAS??ABB'???A~iB設兩相電流為兩相電流正弦波形如圖所示。工作繞組iBiAO起動繞組ABB'A'ABB'A'ABB'A'兩相旋轉磁場動畫450900iBiAOS???ABB'???iAiBA12~實現(xiàn)正反轉的電路

改變電容C的串聯(lián)位置，可使單相異步電動機反