各种交流电动机的旋转原理

ed2806090a1dea93bea5d63759b99db0 pdf 1 各种交流电动机的旋转原理 目前较常用的交流电动机有两种 1 三相异步电动机 2 单相交流电动机 第一种多用 在工业上 而第二种多用在民用电器上 一 三相异步电动机的旋转原理 三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场 三相异步电动机的定子绕组 就是用来产生旋转磁场的 我们知道 但相电源相与相之间的电压在相位上是相差 120 度 的 三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差 120 度 这样 当在定子绕组 中通入三相电源时 定子绕组就会产生一个旋转磁场 其产生的过程如图 1 所示 图中分 四个时刻来描述旋转磁场的产生过程 电流每变化一个周期 旋转磁场在空间旋转一周 即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的 旋转磁场的转速为 n 60f P 式中 f 为电 源频率 P 是磁场的磁极对数 n 的单位是 每分钟转数 根据此式我们知道 电动机的 转速与磁极数和使用电源的频率有关 为此 控制交流电动机的转速有两种方法 1 改 变磁极法 2 变频法 以往多用第一种方法 现在则利用变频技术实现对交流电动机的 无级变速控制 观察图 1 还可发现 旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关 相序 A B C 顺时 针排列 磁场顺时针方向旋转 若把三根电源线中的任意两根对调 例如将 B 相电流通入 C 相绕组中 C 相电流通入 B 相绕组中 则相序变为 C B A 则磁场必然逆时针方向 旋转 利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向 定子绕组产生旋转磁场 后 转子导条 鼠笼条 将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流 转子导条中的电流又 与旋转磁场相互作用产生电磁力 电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以 n1 的转速旋转起来 一般情况下 电动机的实际转速 n1 低于旋转磁场的转速 n 因为假设 n n1 则转子导条与旋转磁场就没有相对运动 就不会切割磁力线 也就不会产生电磁转 矩 所以转子的转速 n1 必然小于 n 为此我们称三相电动机为异步电动机 二 单相交流电动机的旋转原理 单相交流电动机只有一个绕组 转子是鼠笼式的 当单相正弦电流通过定子绕组时 电动 机就会产生一个交变磁场 这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化 但在空间方位 上是固定的 所以又称这个磁场是交变脉动磁场 这个交变脉动磁场可分解为两个以相同 转速 旋转方向互为相反的旋转磁场 当转子静止时 这两个旋转磁场在转子中产生两个 大小相等 方向相反的转矩 使得合成转矩为零 所以电动机无法旋转 当我们用外力使 电动机向某一方向旋转时 如顺时针方向旋转 这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场 间的切割磁力线运动变小 转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大 这样平衡就打破了 转子所产生的总的电磁转矩将不再是零 转子将顺着推动方向旋转起 来 要使单相电动机能自动旋转起来 我们可在定子中加上一个起动绕组 起动绕组与主绕组 在空间上相差 90 度 起动绕组要串接一个合适的电容 使得与主绕组的电流在相位上近 似相差 90 度 即所谓的分相原理 这样两个在时间上相差 90 度的电流通入两个在空间上 相差 90 度的绕组 将会在空间上产生 两相 旋转磁场 如图 2 所示 在这个旋转磁场 作用下 转子就能自动起动 起动后 待转速升到一定时 借助于一个安装在转子上的离 心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开 正常工作时只有主绕组工作 因此 起动绕 ed2806090a1dea93bea5d63759b99db0 pdf 2 组可以做成短时工作方式 但有很多时候 起动绕组并不断开 我们称这种电动机为电容 式单相电动机 要改变这种电动机的转向 可由改变电容器串接的位置来实现 在单相电动机中 产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法 又称单相罩极式电动机 此种 电动机定子做成凸极式的 有两极和四极两种 每个磁极在 1 3 1 4 全极面处开有小槽 如图 3 所示 把磁极分成两个部分 在小的部分上套装上一个短路铜环 好象把这部分磁 极罩起来一样 所以叫罩极式电动机 单相绕组套装在整个磁极上 每个极的线圈是串联 的 连接时必须使其产生的极性依次按 N S N S 排列 当定子绕组通电后 在磁极中 产生主磁通 根据楞次定律 其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后 90 度的感应电流 此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通 它的作用与电容式电动机 的起动绕组相当 从而产生旋转磁场使电动机转动起来 直流电机的基本工作原理 直流励磁的磁路在电工设备中的应用 除了直流电磁铁 直流继电器 直流接触器等 外 最重要的就是应用在直流旋转电机中 在发电厂里 同步发电机的励磁机 蓄电池的充电 机等 都是直流发电机 锅炉给粉机的原动机是直流电动机 此外 在许多工业部门 例 如大型轧钢设备 大型精密机床 矿井卷扬机 市内电车 电缆设备要求严格线速度一致 的地方等 通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的 直流发电机通常是作为 直流电源 向负载输出电能 直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作 向负载 输出机械能 在控制系统中 直流电机还有其它的用途 例如测速电机 伺服电机等 虽 然直流发电机和直流电动机的用途各不同 但是它们的结构基本上一样 都是利用电和磁 的相互作用来实现机械能与电能的相互转换 直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题 消耗有色金属较多 成本高 运行中的维护 检修也比较麻烦 因此 电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能 并且大量代 替直流电动机 不过 近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面 已经取得了很 大进展 包括直流电机在内的一切旋转电机 实际上都是依据我们所知道的两条基本原则 制造的 一条是 导线切割磁通产生感应电动势 另一条是 载流导体在磁场中受到电磁 力的作用 因此 从结构上来看 任何电机都包括磁场部分和电路部分 从上述原理可见 任何电机都体现着电和磁的相互作用 是电 磁这两个矛盾着的对立面的统一 我们在这 一章里讨论直流电机的结构和工作原理 就是讨论直流电机中的 磁 和 电 如何相互作用 相互制约 以及体现两者之间相互关系的物理量和现象 电枢电动势 电磁转矩 电磁功 率 电枢反应等 一 直流发电机的基本工作原理 直流发电机和直流电动机具有相同的结构 只是直流发电机是由原动机 一般是交流电动 机 拖动旋转而发电 可见 它是把机械能变为电能的设备 直流电动机则接在直流电源 上 拖动各种工作机械 机床 泵 电车 电缆设备等 工作 它是把电能变为机械能的 ed2806090a1dea93bea5d63759b99db0 pdf 3 设备 但是 当前已经有可控硅整流装置替代了直流发电机 为了能使大家更好的理解直 流电动机 有必要同时讲述一下直流发电机的原理 我们首先来观察直流发电机是怎样工作的 如图 1 所示 电刷 A B 分别与两个半园环接触 这时 A B 两电刷之间输出的是直流电 我们再来看看这时线圈在磁极之间运动的情况 从图 1 a 可以看出 当线圈的 ab 边在 N 极范围内按逆时针方向运动时 应用发电机右手定则 这时所产生的电动势是从 b 指向 a 这时线圈的 cd 边则是在 S 极范围内按逆时针方向运动 依据发电机右手定则可以判断 cd 边中的感应电动势方向是从 d 指向 c 从整个线圈来看 感应电动势的方向是 d c b a 因此 和线圈 a 端连接的铜片 1 和电刷 A 是处于正电位 而和线圈的 d 端连接的铜片 2 和 电刷 B 是处于负电位 如果接通外电路 那么电流就从电刷 A 经负载流入电刷 B 与线圈 一起构成闭合的电流通路 当线圈的 ab 边转到 S 极范围内时 cd 边就转到 N 极范围内 图 1 b 用右手定则判 断可以知道 这时线圈 cd 边中产生的电动势方向是从 c 到 d 而 ab 边转到了 S 极范围内 其中电动势的方向则是有 a 到 b 由于电刷在空间是不动的 因此和线圈 d 端连接的铜片 2 和电刷 A 接触 它的电位仍然是正 而与线圈 a 端连接的铜片 1 则和电刷 B 接触 它的 电位仍然是负 接通外电路时 电流仍然是从电刷 A 经负载流入电刷 B 与线圈一起构成 闭合的电流通路 不过 要注意到这时线圈内的电流已经反向了 由此可知 当线圈不停地旋转时 虽然与两个电刷接触的线圈边不停的变化 但是 电刷 A 始终是正电位 电刷 B 始终是负电位 因此 有两电刷引出的是具有恒定方向的电动势 负载上得到的是恒定方向的电压和电流 也就是说 尽管线圈 abcd 中感应电动势的方向 不断交变 但是电刷 A 总是和处在 N 极范围内的线圈边接触 电刷 B 总是和处在 S 极范 围内的线圈边相接触 它们的极性始终不变 于是 线圈中的交流电经过铜片和电刷整流 后 便成为外电路中的直流电了 这两个半圆形的铜片就叫做换向片 它们合在一起叫做 换向器 二 直流电动机的基本工作原理 上面已经讨论了直流发电机的工作原理 现在再来讨论直流电动机是怎样工作的 如果直流电机的转子不用原动机拖动 而把它的电刷 A B 接在电压为 U 的直流电源上 如图 2 所示 那么会发生什么样的情况呢 从图上可以看出 电刷 A 是正电位 B 是 负电位 在 N 极范围内的导体 ab 中的电流是从 a 流向 b 在 S 极范围内的导体 cd 中的电 流是从 c 流向 d 前面已经说过 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用 因此 ab 和 cd 两导体都要受到电磁力 Fde 的作用 根据磁场方向和导体中的电流方向 利用电动机左手 定则判断 ab 边受力的方向是向左 而 cd 边则是向右 由于磁场是均匀的 导体中流过 的又是相同的电流 所以 ab 边和 cd 边所受电磁力的大小相等 这样 线圈上就受到了 电磁力的作用而按逆时针方向转动了 当线圈转到磁极的中性面上时 线圈中的电流等于 零 电磁力等于零 但是由于惯性的作用 线圈继续转动 线圈转过半州之后 虽然 ab 与 cd 的位置调换了 ab 边转到 S 极范围内 cd 边转到 N 极范围内 但是 由于换向片 ed2806090a1dea93bea5d63759b99db0 pdf 4 和电刷的作用 转到 N 极下的 cd 边中电流方向也变了 是从 d 流向 c 在 S 极下的 ab 边 中的电流则是从 b 流向 a 因此 电磁力 Fdc 的方向仍然不变 线圈仍然受力按逆时针方 向转动 可见 分别处在 N S 极范围内的导体中的电流方向总是不变的 因此 线圈两 个边的受力方向也不变 这样 线圈就可以按照受力方向不停的旋转了 通过齿轮或皮带 等机构的传动 便可以带动其它工作机械 从以上的分析可以看到 要使线圈按照一定的方向旋转 关键问题是当导体从一个磁极范 围内转到另一个异性磁极范围内时 也就是导体经过中性面后 导体中电流的方向也要 同时改变 换向器和电刷就是完成这个任务的装置 在直流发电机中 换向器和电刷的任 务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出 而在直流电动机中 则用换向器和电刷把输 入的直流电变为线圈中的交流电 可见 换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部 件 当然 在实际的直流电动机中 也不只有一个线圈 而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁 芯槽中 当导体中通过电流 在磁场中因受力而转动 就带动整个转子旋转 这就是直流 电动机的基本工作原理 比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出 它们的输入和输出的能量形式不同的 正如前面已经说过 直流发电机由原动机拖动 输入的是机械能 输出的是电能 直流电 动机则是由直流电源供电 输入的是电能 输出的是机械能 步进电机的工作原理 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构