纺丝行业 电动机原理

1、电机基本原理简介报告人：孙小姐清华大学电机系电力系统重点实验室2008-08-12主要内容电机的分类电磁场基本理论电机基本原理直流电机单相交流异步电机变压器影响电机温升的几个因素电机分类按能量转换方式发电机、电动机、变压器、控制电机按电流方式直流电机交流电机按运行方式旋转电机、静止电机（变压器）同步电机异步电机变压器Ut电磁场基本理论电路几个重要概念电源、电势、电气元件、电流、电压RU2E+-RIieL电源电势电压电流RI2或UU221Cu221Li电阻消耗能量，电容、电感不消耗能量而储存能量ut+-+ +- - - - - -ieCUSlR)20(20ttCZ1LZ电磁场基本理论磁场磁场强度

2、H，磁感应强度B B= H磁导率u决定于介质性质，单位Hm,真空磁导率0=410-7Hm ,非铁磁物质如空气、绝缘材料等，近似等于真空磁导率 ,铁磁物质如铁、镍，磁导率远于真空磁导率达数千甚至上万倍。用磁力线来描述磁场NS磁力线（磁感应线）不相交的闭合曲线，切线方向表示磁场方向，疏密程度表示磁场大小磁通量通过磁场中某一面积的磁感应线数称为通过该面积的磁通量磁通量(磁通)，符号 、单位Wb=BScos电磁场基本理论磁滞现象与磁滞回线当导磁材料位于交变磁场中被反复磁化，B一H曲线呈磁滞回线。导磁材料中将引起能量损耗，称为铁芯损耗。铁芯损耗分为两部分：磁滞损耗和涡流损耗。矫顽磁力Hc 剩余磁感应强度

3、Br磁化曲线不同的磁性材料有不同的磁导率同一材料当其磁通密度不同时，亦有不同的磁导率起始段，磁导率小起始段，磁导率小线性区，磁导率大且不变线性区，磁导率大且不变饱和区饱和区耗能涡流损耗磁滞损耗电磁场基本理论磁势F+-Rm磁通磁阻磁压磁路几个重要概念磁势、磁压、磁通、磁阻磁路的欧姆定律两个假设条件两个假设条件1、均匀分布、均匀分布2、无漏磁、无漏磁SlBSlHURccccc11111111111cccccclHUSB电磁场基本理论 磁铁产生磁场 电流产生磁场直导线环导线多匝线圈主磁通漏磁通带铁芯的线圈右手螺旋定则NS电产生磁恒定电流产生静止磁场，变化电流产生变化磁场nkklIHdl1B= H电磁

4、场基本理论dtdeBlve BilF 电磁感应定律变化的磁场产生电势运动导体在磁场中产生感应电势，方向采用右手定则判断右手定则左手定则变化的磁场产生电流电磁感应定律通电导线在磁场中受到力的作用，受力方向采用左手定则判断磁产生电通电导体在磁场中受力多匝线圈dtdNe右手螺旋定则电磁场基本理论总结：电场与磁场密不可分电场可以产生磁场，静止的电场产生静止的磁场，变化的电场产生变化的磁场磁场可以产生电场，变化的磁场可以产生电场，静止的磁场不能产生电场通电导体在磁场中受力dtdNe电场产生磁场磁场产生电场Blve nkklIHdl1BilF 通电导体在磁场中受力电机基本原理导体在磁场中运动产生电势通电导

5、线在磁场中受到力的作用产生运动右手定则左手定则发电机原理电动机原理直流电机 基本结构风扇机座电枢铁心和绕组主磁极电刷换向器接线板接线盒励磁绕组端盖直流电动机基本原理直流电动机机械特性转矩特性：转矩与电流之间的关系转速特性：转速与电流之间的关系转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）aTaICIapNT2eaaaeaCUrIUCEn2TCCrCUUnTeae2在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异。1、固有机械特性2、人为机械特性当 时机械特性称固有机械特性aNNRRUU,当改变 或 或 得到的机械特性称人为机械特性UaR以他励（并励）电动机为例直流电动机励磁方式 永磁

6、式（采用永磁体） 他励式 自励式（串励、并励、复励）他励式直流电动机NSUR+-接励磁电源-UMRE反+I Ia a励磁绕组电枢接励磁电源TNT0Tem0n0nNnnTem0nnaRSaRRTem0nnNU1UNUU101n01nTK11202nTK2NTemnTK0n固有机械特性电枢串绕组机械特性改变电枢电压机械特性改变磁通机械特性并励式直流电动机NSUR+-MUE反+-RIIaIf励磁绕组电枢aTaICIapNT2eaaaeaCUrIUCEn2TCCrCUUnTeae2iT0机械特性方程与他励式电动机机械特性相同串励式直流电动机USN+-bTaUUkCrTCkCUUneaTe22M+-UE

7、反励磁绕组电枢T一般情况下：转矩按大于电流一次方的比例增加，对起动和过载能力有意义。当负载电流（即励磁电流）很小时，铁心处于不饱和状态，主磁通随励磁成正比增加，即当负载电流较大时，铁心饱和，主磁通随励磁变化较小（近似不变）21aITakI22kCkICICTTaTaTaaTIICT1、在满载或较重负载时，电枢电流较大，If=Ia较大，气隙磁通较大，电机只需不太高的转速便能产生较高的反电势与电网电压平衡。2、在空载或很轻负载时，If=Ia很小，使主磁通很小，电机必须以很高的转速才能产生反电势保持电压平衡。TCCrCUUnTeae2铁芯未饱和铁芯饱和不允许空载（或轻载）起动及运行串励直流电动机 a

8、TaICIapNT2eaaaeaCUrIUCEn2TCCrCUUnTeae2复励式直流电动机URNS+-URE反+-励磁绕组励磁绕组电枢M复励直流电动机既有并励绕组，又有串励绕组，当并励与串励绕组产生的磁势极性相同时，称为积复励；当并励与串励绕组产生的磁势极性相反时，称为差复励，差复励在实际应用中很少。积复励在理想空载时，电枢电流为零，主磁通0由并励绕组产生，故存在理想空载转速，不会出现“飞车”危险；当负载增大时，电枢电流增大，总磁通随之增大，使转速比并励下降更多，如图下所示。直流电机绕组 环形绕组 鼓形绕组（波绕组、叠绕组）环形绕组鼓形绕组叠绕组波绕组直流电机绕组整距绕组分布绕组谐波会增加电

9、机的损耗，是电机温升的一个因素分布绕组可减少谐波交流电机绕组磁势整距线圈磁势整距集中绕组产生的磁势是一个位置固定，幅值随时间按整弦变化的矩形脉振磁势 交流电机绕组磁势矩形波脉振磁势的分解根据傅里叶变换，矩形波可以分解为一系列基波及高次谐波的叠加其中基波为主要成分，且基波为脉振正弦波交流电机绕组磁势单相正弦脉振磁势的分解单相正弦脉动磁势可分解为两个转向相反的旋转磁势 FFtxftxfftxFftIiaaa)cos(21)cos(21coscoscos2111交流电机绕组磁势三相基波磁势合成旋转磁势三相对称交流绕组通过三相对称电流时将产生旋转磁势 交流电机绕组磁势)cos(F23)480cos(2

10、1)cos(F21)240cos()240cos()240cos(21)cos(F21)120cos()120cos()cos(21)cos(F21coscos240cos2)120cos(2cos211111111111ctxfffftxFtxtxFftxFtxtxFftxFtxtxFftIitIitIicbacbaba）（三相电流三相磁势合成磁势公式推导：三相基波磁势合成旋转磁势异步电动机原理旋转磁场旋转磁场是交流电机工作的基础异步电动机工作原理异步电机的转速异步电机不具有同步转速表示滑差率表示异步电机转速表示同步转速其中定义：snnnnns000工作原理定子产生旋转磁场转子电路闭合旋转磁

11、场在转子回路中感应电流感应电流在磁场中受力推动电机运转e方向用方向用右手定则右手定则确定确定f方向用方向用左手定则左手定则确定确定1. 转子与磁场旋转方向一致转子与磁场旋转方向一致2. 转子转速不等于同步转速转子转速不等于同步转速0nn NSn0eiffn单相交流异步电动机单相绕组产生脉动磁势单相异步电动机是指使用单相交流电源的异步电动机。单相交流异步电动机因此单相异步电机没有起动转矩，需要借助其它力量使转子转动，之后外力去除电机仍可按原方向继续转动。两个相反的旋转磁场产生两个相反的电磁转矩，二者进行合成起动转矩为0单相交流异步电动机的起动脉振磁场无起动转矩旋转磁场可产生起动转矩两相绕组通入两

12、相电流产生旋转磁场WSTAXAX两个绕组在空间相差 90，绕组中的电流相差 90或接近于 90单相交流异步电动机结构定子：外接单相交流电，但内部为两相正交的绕组，分别为单相工作绕组和启动绕组转子：鼠笼型转子WSTAXAX 分相法起动方法分相法罩极法电阻分相法电容分相法定子绕组主绕组（工作绕组、运行绕组）辅助绕组（起动绕组） 电阻分相法使辅助绕组的电阻较大，则其电抗就比主绕组的小，可使辅助绕组的电流超前于主绕组。 电容分相法选择适当的电容器，使辅助绕组的电流超前于主绕组。单相交流异步电动机的起动具体的启动方法如下：单相交流异步电动机启动根据分相法起动的单相电动机的种类有： 单相电阻分相起动异步电

13、动机起动时，两个绕组同时工作，当转速达到一定值时，辅助绕组自动断开。单相交流异步电动机启动 单相电容分相起动异步电动机起动方式同单相电阻分相起动异步电动机。该电动机所选用的电容值较大，因此，起动电流小，起动转矩大。适合于重载起动设备。单相交流异步电动机起动 单相电容运转异步电动机 单相电容起动与运转异步电动机起动和运转是相同的电路。结构简单、成本低；功率因数、效率和过载能力都分相起动电动机好。但它所选用的电容值较小，因此，起动电流大，起动转矩较小。它的电容支路由两个电容并联组成。其中一个电容仅在起动时使用。该电动机综合了上述两种电动机的优点，适合于须较大起动转矩的设备。单相交流异步电动机.当主

14、绕组和短路铜环的位置一定时，电动机的转向就确定。在电动机定子每个极靴上套一个短路铜环，使磁通分成两个不同相的部分则可产生椭圆旋转磁场，使电动机旋转起来。 罩极法 罩极式单相异步电动机变压器原理原线圈与副线圈绕链共同的磁通，由于线圈匝数不同而在两边产生不同的感应电势22212112212121 NNZZNNIINNUU阻抗电流三个比值：电压影响电机温升的几个因素铁芯涡流损耗、磁滞损耗，与铁磁材料有关绕组电阻损耗，同样电压下，电阻越小损耗越大，温升越高气隙气隙越大损耗越大，温升增加谐波谐波越多，谐波幅值越大，损耗越多，温升增加环境温度环境温度影响散热效果影响电机温升的几个因素电机主要尺寸比电机短粗冷却效果好，电机细长冷却效果差，但是短粗的电机转速低、转矩高，细长的电机转速高转矩低。电刷压力电刷压力过大导致损耗增加，使电刷及换向器寿命减少，电刷压力过小容易接触不好，产生电火花，影响电机的正常运行和使用寿命风扇、风路风扇外径及形式、叶片高度和角度、电机转速、风道结构等都影响电机的冷却效果。风扇外径越大、叶片高度越高、电机