电机学课件-清华大学

电机学概论：清华大学电机工程系欢迎来到清华大学电机工程系电机学课程。本课程在电气工程专业中占据核心地位，将系统讲解电机的基本原理、分析方法及应用技术。通过本课程学习，学生将深入理解各类电机的工作机理，掌握电机系统分析与设计的基本方法。本课程以汤蕴璆教授编著的《电机学》（第五版）为主要参考教材，配合实验和工程案例，帮助学生建立理论与实践相结合的知识体系。在未来的学习中，我们将探索从基础电磁理论到现代电机控制的全部内容，为后续专业课程和工程实践奠定坚实基础。电机发展简史电磁感应时代1831年，迈克尔·法拉第发现电磁感应现象，为电机的诞生奠定了理论基础。这一突破性发现揭示了电能与机械能相互转换的可能性，开启了电气工程的新纪元。实用电机诞生1866年，西门子发明了自激式发电机，解决了稳定电源问题。随后，他建立了世界上第一条电气化铁路，将电机技术推向实用化阶段。特斯拉革命1888年，尼古拉·特斯拉发明了交流感应电机，为现代电力系统奠定基础。他的多相交流系统最终战胜了爱迪生的直流系统，成为全球电力传输的标准。工业革命推动者20世纪初，电机技术的成熟推动了第二次工业革命，使电力成为工厂的主要能源，极大地提高了生产效率，彻底改变了人类的生产和生活方式。电机的分类按能量转换方式分类电动机：将电能转换为机械能发电机：将机械能转换为电能电力变压器：改变交流电的电压和电流大小按电源类型分类直流电机：工作电源为直流电，具有良好的调速性能交流电机：工作电源为交流电，包括同步电机和异步电机特种电机：如步进电机、伺服电机等按结构和用途分类通用电机：如三相异步电机，应用广泛专用电机：如牵引电机、冶金电机等微特电机：尺寸小，如仪表用电机电机的基本结构定子系统电机的固定部分，通常包括机座、定子铁心和定子绕组。机座提供机械支撑，定子铁心提供磁路，定子绕组通入电流产生磁场。转子系统电机的旋转部分，包括转子铁心、转子绕组和轴。在交流电机中有鼠笼式和绕线式两种类型，直流电机中则配有换向器。绕组系统由导线绕制而成，是电机中的关键部件。定子绕组通入电流产生旋转磁场，转子绕组在磁场中受力产生转矩。换向与传输系统直流电机特有的部件，包括电刷和换向器，用于将外部电源连接到旋转的转子绕组上，并实现电流方向的周期性变化。电磁感应定律回顾法拉第电磁感应定律e=-NdΦ/dt，感应电动势等于线圈匝数乘以穿过线圈的磁通量变化率的负值楞次定律感应电流的方向总是使其产生的磁场阻碍引起感应电流的磁通量变化电机应用电机中的感应电动势和电磁力是电机工作的物理基础电磁感应是电机工作的核心物理原理。在发电机中，机械力驱动导体切割磁力线，产生感应电动势；在电动机中，电流通过导体在磁场中受力，产生电磁转矩。理解这一原理对掌握电机工作机制至关重要。电磁感应的方向由楞次定律决定，这也解释了为什么电动机和发电机可以相互转换。当电动机作为发电机使用时，需要外力克服感应电磁力做功，这就是能量转换的物理本质。电磁转矩的产生磁场的建立定子绕组通电产生稳定的磁场，磁感线从N极出发，经过气隙，进入S极，形成完整的磁路转子中的电流转子导体中通入电流，在异步电机中是感应电流，在直流和同步电机中是外部施加的电流洛伦兹力载流导体在磁场中受力：F=BIl，其中B为磁感应强度，I为电流，l为导体有效长度电磁转矩形成力矩计算：T=r×F，其中r为作用力臂，当转矩克服负载转矩时，电机开始旋转电机运行的基本物理量物理量符号国际单位测量方法电压U伏特(V)电压表、示波器电流I安培(A)电流表、钳形表功率P瓦特(W)功率表、功率分析仪转速n转/分(r/min)转速表、光电传感器转矩T牛顿米(N·m)转矩传感器这些基本物理量之间存在密切的关系。对于直流电机，电磁功率P=UI，机械功率P=Tω，其中ω为电机角速度。在理想状态下，电磁功率等于机械功率，但实际运行中需考虑各种损耗。转速与频率、极对数的关系为n=60f/p，其中f为电源频率，p为极对数。负载增加时，电动机转速降低，电流增大；发电机转速提高，输出电流增大。掌握这些关系对电机性能分析和应用设计至关重要。磁路的基本概念磁动势电流通过线圈产生磁动势：F=NI，类比于电路中的电动势磁阻磁路中阻碍磁通的程度：R=l/(μS)，其中l为磁路长度，μ为磁导率，S为截面积磁通通过磁路的磁力线总量：Φ=F/R，遵循磁路欧姆定律磁路分析是电机设计的基础。在分析复杂磁路时，可应用串联磁路和并联磁路的计算方法。对于含有气隙的磁路，如电机中的定转子之间，由于气隙的磁阻远大于铁心，往往成为限制磁通的主要因素。实际磁路计算中还需考虑磁饱和现象，即当磁感应强度B超过一定值时，磁导率μ显著下降，导致磁阻增大。这是电机设计中必须注意的非线性因素，通常通过查表或使用非线性方程解决。磁性材料磁滞回线与磁导率铁磁材料的磁化过程可通过磁滞回线表示，反映了磁感应强度B与磁场强度H的非线性关系。磁导率μ=B/H表示材料被磁化的难易程度，越大表示越容易被磁化。磁滞回线的面积代表单位体积材料在一个磁化周期中的能量损失，称为磁滞损耗。这是电机铁损的重要组成部分，影响电机效率。软磁材料与硬磁材料软磁材料具有窄的磁滞回线，易于磁化和去磁化，主要用于电机的定转子铁心。常见软磁材料包括硅钢片、坡莫合金和铁氧体等。硬磁材料具有宽的磁滞回线，难以去磁化，适合制作永磁体。常见硬磁材料有铝镍钴合金、钐钴、钕铁硼等，其中钕铁硼具有最高的磁能积，是现代高效电机的理想选择。变压器原理初级线圈通电初级绕组接入交流电源，产生交变电流I₁和交变磁通Φ铁芯传导磁通铁芯为磁通提供低阻抗路径，使磁通几乎全部链接次级绕组次级感应电动势交变磁通在次级绕组中感应电动势E₂，满足E₂/E₁=N₂/N₁负载获得能量当次级连接负载时，产生电流I₂，实现能量传递变压器是利用电磁感应原理实现交流电压变换的静止电气设备。其电压比与匝数比成正比：U₂/U₁≈N₂/N₁，而电流比与匝数比成反比：I₂/I₁≈N₁/N₂，这确保了功率的近似守恒（除去损耗）。变压器的类型电力变压器用于输配电系统中调整电压等级，容量从几千VA到数百MVA不等。根据冷却方式可分为干式、油浸式和气体绝缘等类型。具有高效率、长寿命和高可靠性的特点。单相变压器结构简单，主要用于单相供电系统和小功率负载。典型应用包括家用电器电源、小型照明系统和实验室设备。由于单相系统固有的功率波动，其运行效率一般低于三相系统。特种变压器包括整流变压器、试验变压器、电炉变压器等，为特定工业过程设计。如整流变压器用于高压直流输电系统，试验变压器可产生极高的测试电压，电炉变压器能提供大电流用于冶金工业。变压器的运行特性空载运行特性次级开路时的运行状态，测定铁损和磁化特性。空载电流主要是磁化电流，约为额定电流的3-5%，功率因数低（约0.1-0.3），反映铁心品质。负载运行特性次级连接负载时的运行状态，测定铜损和阻抗电压。随着负载增加，变压器温度上升，效率先增后减，达到最高效率点时铁损约等于铜损。短路试验次级短路时进行，通过降低原边电压使电流达到额定值。可测定阻抗电压（约为额定电压的5-15%）、铜损及等效阻抗。是变压器重要的型式试验。并联运行条件变压器并联运行需满足：相位关系相同、变压比相同、阻抗电压比例相近，以确保负载分配合理。当阻抗电压不同时，阻抗电压低的变压器将承担较大比例的负载。三相异步电机结构定子结构由冲片叠成的圆柱形铁心，内部开有均匀分布的槽，放置三相绕组。绕组首尾相接形成星形或三角形，连接至三相交流电源。定子绕组的极对数决定了电机的同步转速。鼠笼式转子由铁心和导条组成，导条镶嵌在转子槽中，两端由短路环连接。结构简单、坚固耐用，但起动转矩较小，起动电流大。广泛应用于一般工业场合，如风机、水泵驱动。绕线式转子转子上有与定子类似的三相绕组，绕组引出端通过滑环和电刷与外部电路连接。可通过外接电阻调节起动性能，起动转矩大，起动电流小，但结构复杂，维护成本高。三相异步电机原理旋转磁场的产生当三相绕组通入三相交流电时，各相电流在空间上相差120°，在时间上相差120°电角度，产生幅值恒定、空间位置匀速旋转的合成磁场。旋转磁场的转速为n₁=60f/p，其中f为电源频率，p为极对数。转子感应电动势与电流旋转磁场相对于静止或低速转动的转子切割导体，感应电动势，产生感应电流。感应电流的频率与转子滑差成正比，滑差s=(n₁-n)/n₁，其中n为转子实际转速。当转子静止时，s=1；当转子以同步速度旋转时，s=0。电磁转矩的产生转子导体中的感应电流与旋转磁场相互作用，产生电磁转矩。转矩方向总是使转子趋向于跟随旋转磁场转动，但由于负载转矩的存在，转子永远不能达到同步速度，二者之间的差速正是感应电动势和电流产生的前提。三相异步电机的等效电路定子侧等效电路包括定子绕组电阻R₁、漏抗X₁和励磁支路。定子电阻反映铜损，漏抗表示不参与能量转换的漏磁通影响。励磁支路并联在定子电阻和漏抗之后，由激磁电抗Xm和铁损电阻Rc组成。定子侧参数可通过空载试验和堵转试验测定。空载试验主要测定励磁支路参数，堵转试验则可测定定子和转子的阻抗参数。转子侧等效电路包括转子绕组电阻R₂/s和漏抗X₂。其中R₂为转子绕组的实际电阻，除以滑差s表示在不同滑差下的等效电阻。漏抗X₂反映转子漏磁通的影响。转子侧的能量转换可分解为两部分：R₂上消耗的功率代表转子铜损，R₂(1-s)/s上消耗的功率代表机械输出功率。这一点对理解电机的功率平衡至关重要。三相异步电机的运行特性0.85额定效率现代异步电机在额定负载下的典型效率0.8功率因数反映电机功率利用率的重要指标3.0起动电流比直接起动时的起动电流与额定电流之比2.5最大转矩比最大转矩与额定转矩之比，反映过载能力异步电机的转速-转矩特性曲线反映了电机的动态性能。起动阶段，转矩从起动转矩开始，随转速增加而增大，达到最大转矩点后开始下降，最终在额定运行点附近稳定。最大转矩出现在临界滑差处，通常为额定转矩的2-2.5倍，这决定了电机的过载能力。电机效率和功率因数是评价性能的重要指标。效率随负载增加先升后降，在75%-100%额定负载时达到最高。功率因数在轻载时较低，随负载增加而提高，这是因为无功电流占比减小。在重载运行时，需注意铜损增加导致的温升问题。三相异步电机的调速变频调速最先进、应用最广泛的调速方式变极调速适用于需要固定调速点的场合变压调速结构简单但效率低，调速范围小变频调速是当前最理想的调速方式，通过改变电源频率f改变同步转速n₁=60f/p，同时按照U/f≈常数的原则调整电压，保持气隙磁通密度恒定。现代变频器可实现宽范围平滑调速，具有高效率、高精度、快响应等优点。矢量控制和直接转矩控制是变频调速的两种先进控制策略。矢量控制通过分离转矩电流和励磁电流的控制，实现类似直流电机的性能；直接转矩控制则直接控制磁链和转矩，具有动态响应快的特点。这两种方法极大地提高了交流电机在高性能场合的应用能力。三相异步电机的起动直接起动结构最简单，直接接入电网起动电流大（5-7倍额定值）对电网冲击大，仅适用于小功率电机起动转矩高，约为额定转矩的0.5-1.5倍降压起动包括自耦变压器起动和星三角起动可降低起动电流至直接起动的30-80%起动转矩同比降低，约为直接起动的平方比适用于中等功率电机和轻载起动场合软起动器采用晶闸管电压调节技术可平滑调节起动电压，实现柔性起动减少机械冲击，延长电机和传动机构寿命适用于各种功率电机，特别是风机、水泵类负载三相异步电机的制动能耗制动电机断电后，在定子绕组中接入直流电源，产生固定磁场。转子在这个磁场中感应电流，产生与转动方向相反的转矩，将机械能转化为热能消耗在转子电阻中。制动转矩大，但热损耗大，适用于短时间、高频率制动场合。反接制动通过交换电机任意两相电源接线，使定子磁场反向旋转，产生强大的制动转矩。制动效果最佳，但电流冲击大，机械应力大，能耗高，主要用于紧急停车和精确定位场合。回馈制动当负载具有势能（如下坡）或动能（如重型飞轮）时，电机可工作在发电状态，将机械能转换回电能送回电网。能量利用效率高，但要求电网能接受回馈能量，通常需配合变频器实现。单相异步电机单相异步电机的特点是仅有一个主绕组，单相交流电流不能产生旋转磁场，只能产生脉动磁场，可分解为两个大小相等、方向相反的旋转磁场。由于这一特性，单相电机无法自行起动，需要采用辅助绕组或其他方式产生起动转矩。根据起动方式的不同，单相异步电机可分为电容起动型、电容运行型、电容起动运行型和罩极式等类型。电容分相起动是最常见的方式，通过在辅助绕组中串联电容，使主、辅绕组电流相位差接近90°，产生近似于旋转磁场的效果。电容型单相电机广泛应用于家用电器、小型机床和农业机械等场合。同步电机结构按转子结构分类同步电机按转子结构可分为隐极式和凸极式两种。隐极式转子表面光滑，极性由直埋式励磁绕组确定，适用于高速运行场合；凸极式转子有明显的凸极结构，励磁绕组缠绕在突出的磁极上，适用于低速大功率场合。定子结构定子结构与三相异步电机类似，由硅钢片叠成的铁心和三相分布绕组组成。绕组通入三相交流电后产生旋转磁场，转速与频率和极对数有确定关系：n=60f/p，即同步转速。励磁系统同步电机的转子需要直流励磁产生磁极。传统方式通过滑环和电刷将外部直流电源连接到转子励磁绕组；无刷励磁则利用装在同轴的励磁机和旋转整流器，消除了滑环和电刷，提高了可靠性。同步电机原理旋转磁场产生定子三相绕组通入三相交流电，产生匀速旋转的磁场，转速为n₁=60f/p转子磁场形成转子绕组通入直流电，产生固定的磁极，N极和S极交替排列磁场相互作用转子磁极与定子旋转磁场相互吸引，形成电磁转矩同步旋转转子磁极锁定在定子旋转磁场中，以同步速度旋转同步电机的特点是转子始终以同步速度旋转，不存在异步电机的"滑差"现象。转子磁极与定子旋转磁场之间存在一个电角度差，称为功角δ。功角大小决定了电磁转矩的大小，是同步电机运行分析的核心参数。同步电机的等效电路电枢绕组等效电路同步电机的等效电路包括电枢电阻R₁、同步电抗X₁、以及反映转子励磁效应的感应电动势E₀。与三相异步电机相比，最大区别在于没有反映转差功率的元件，因为同步电机不存在滑差。等效电路基于相量分析，适用于稳态运行计算。通常采用标幺值系统，便于不同容量电机的分析与比较。基本方程为U=E₀+jX₁I+R₁I，其中R₁通常很小，可以忽略。谐波与气隙磁场实际同步电机中，气隙磁场分布并非理想正弦波，含有谐波成分。谐波磁场会导致转矩脉动、附加损耗和噪声振动增加。设计时通过分布绕组、斜槽和合理选择槽数/极数比来抑制谐波影响。凸极式同步电机的气隙不均匀，导致直轴和交轴电抗不同（X₁d>X₁q）。这种电抗差异产生额外的凸极转矩，使得凸极同步电机在相同励磁条件下可以获得更大的有功功率输出。同步电机的运行特性励磁电流If(A)电枢电流Ia(A)同步电机的重要运行特性包括U形曲线和功角特性。U形曲线表示在恒定有功负载下，电枢电流随励磁电流变化的关系。当励磁不足时，电机吸收无功功率，功率因数滞后；当励磁过强时，电机发出无功功率，功率因数超前；存在一个最佳励磁点，使电枢电流最小，功率因数为1。功角特性描述电磁功率与功角的关系。对于圆柱转子机，P=3EUI/X₁sinδ；对于凸极转子机，还有额外的凸极转矩项。功角δ增大时，电磁功率先增加后减小，达到最大值时的功角称为极限功角，通常为60°-70°。超过极限功角会导致电机失步，这决定了电机的稳定运行边界。同步发电机的并网运行并网条件检查确认电压幅值相等、频率相同、相位一致、相序相同同步并网操作调整励磁电流和原动机功率，当同步指示器指示合适时闭合断路器有功功率调节通过增加原动机输入功率增大功角δ，提高发电机输出的有功功率无功功率调节通过调整励磁电流改变感应电动势E₀大小，控制发电机吸收或发出的无功功率同步电动机的起动异步起动准备利用转子阻尼绕组或起动绕组实现异步起动加速过程电动机以异步电动机方式加速到接近同步速度施加励磁在适当时刻向转子通入直流励磁电流拉入同步同步作用使转子锁定在同步速度上稳定运行现代同步电动机常采用变频软起动方式。先设定变频器输出极低频率，使同步电动机能够直接起动，然后逐渐提高频率，电动机始终运行在同步状态。这种方式避免了异步起动的冲击电流和振荡，特别适合大型同步电动机。直流电机结构定子系统由机座、主磁极和换向极组成。主磁极产生主磁场，通常有2-12个极；换向极位于主磁极之间，用于改善换向过程，减少电刷火花。1转子系统由铁心、电枢绕组、换向器和轴组成。电枢绕组嵌入转子槽中，各线圈通过换向器连接成闭合回路，形成复杂的电路网络。电刷换向系统由换向器和电刷组成。换向器是固定在转子轴上的分裂铜环，各环片与电枢绕组相连；电刷固定在机座上，与换向器滑动接触，引入外部电源。励磁绕组系统包括串励绕组和并励绕组。串励绕组与电枢串联，线径粗匝数少；并励绕组与电枢并联，线径细匝数多。不同连接方式形成不同类型的直流电机。直流电机原理定子磁场建立励磁绕组通入直流电流，产生稳定的磁场。磁力线从N极出发，穿过气隙，进入转子铁心，再回到S极，形成闭合磁路。磁场强度与励磁电流成正比，但考虑铁心饱和效应，二者并非严格线性关系。电枢反应电枢绕组通电后产生自己的磁场，与主磁场叠加形成合成磁场。这种影响称为电枢反应，导致中性面偏移、主磁场畸变，恶化换向过程。通过设置换向极和补偿绕组可以减弱电枢反应的不良影响。电磁转矩与反电动势电枢导体在磁场中受力，产生电磁转矩T=KΦIa，驱动转子旋转。同时，导体切割磁力线感应反电动势E=KΦn，其方向与外加电压相反。电机运行时，电枢电压平衡方程为U=E+IaRa，即外加电压等于反电动势与电压降之和。直流电机的类型他励电机励磁绕组由独立直流电源供电，励磁电流与电枢电流相互独立。特点是调速范围广、速度调节性能好，但需要两个电源，结构较复杂。主要应用于需要精确调速的场合，如轧钢机、电动机车、精密机床等。并励电机励磁绕组与电枢并联，共用一个电源。特点是速度随负载变化较小，调速性能好，但调速范围小于他励电机。广泛应用于要求恒速运行的场合，如风机、泵类负载和中小型机床等。串励电机励磁绕组与电枢串联，励磁电流等于电枢电流。特点是起动转矩大，过载能力强，但速度随负载变化显著。主要用于需要大起动转矩的场合，如电动车辆、起重机、电动工具等。注意不能空载运行，以防超速损坏。直流电机的等效电路电枢回路等效电路电枢回路包括电枢电阻Ra、电刷接触电阻Rb、换向极绕组电阻Rc以及补偿绕组电阻Rk（如果有）。这些电阻被简化为总电阻Ra'。电枢回路还包括反映旋转产生的反电动势E，其大小与磁通量Φ和转速n成正比：E=KΦn。电枢回路的电压方程为U=E+Ia·Ra'，其中U为外加电压，Ia为电枢电流。由此可以计算出电机的转速、转矩等运行参数，这是直流电机分析的基础方程。励磁回路等效电路不同类型直流电机的励磁回路等效电路各不相同。他励电机的励磁回路与电枢电路完全独立；并励电机的励磁回路与电枢回路并联，通过分压器计算；串励电机的励磁回路与电枢回路串联，共用同一电流。复励电机兼有串励和并励绕组，等效电路更为复杂，需要综合考虑两种绕组的磁场叠加效应。正复励时两种磁场方向相同，增强总磁场；反复励时方向相反，减弱总磁场，具有特殊的运行特性。直流电机的运行特性负载转矩T(N·m)并励电机转速n(r/min)串励电机转速n(r/min)直流电机的运行特性主要表现为转速-转矩特性和机械特性。并励电机的转速随负载增加略有下降，属于"硬"特性；串励电机转速随负载急剧下降，属于"软"特性；复励电机的特性介于二者之间，可通过调整串并励绕组的相对强度获得理想特性。直流电机的调速现代数字控制采用微处理器控制的智能调速系统2调节电枢电压改变电枢电压U，调速范围广，效率高3调节励磁电流改变励磁电流If，减弱磁场提高转速电枢回路串电阻增加电枢串联电阻，结构简单但效率低调节电枢电压是最理想的调速方式，可在额定转速以下获得恒转矩调速。现代调速系统通常采用晶闸管或IGBT等功率器件构成的可控整流或斩波电路，实现电枢电压的精确控制。这种方式调速范围广、平滑、效率高，是直流调速的首选方案。调节励磁电流主要用于额定转速以上的弱磁调速，属于恒功率调速区域。随着励磁减弱，转速提高，但最大转矩下降，调速范围受电枢反应和换向能力限制。两种方法结合使用，可获得1:100甚至更大的调速范围，满足各种复杂工况需求。直流电机的起动起动电流分析直流电机起动时，转速n=0，反电动势E=KΦn=0，电枢电流Ia=(U-E)/Ra=U/Ra。由于电枢电阻Ra很小，若直接接入额定电压，起动电流将达到额定值的10-20倍，造成电刷火花、换向器损伤，并对电网造成冲击。限流电阻起动在电枢回路中串入起动电阻，随着转速提高逐段切除。起动电阻的段数决定了起动过程的平滑程度，通常为3-5段。每段切除时电流有一次冲击，但远小于直接起动。这是最简单经济的起动方式，适用于中小型电机。3降压起动通过可控整流器或其他电力电子装置，在起动时施加较低的电枢电压，随着转速提高逐渐增大电压。这种方式起动平滑，电流冲击小，但设备成本较高，主要用于大型直流电机或要求频繁起动的场合。电机保护无论采用何种起动方式，都应配备完善的保护装置，包括过流保护、过压保护、失磁保护和速度保护等。特别是对串励电机，必须防止空载运行导致的超速损坏，通常通过限速装置或负载联锁实现。直流电机的制动能耗制动切断电源后，将电枢绕组短接或接入制动电阻。电机转变为发电机，将机械能转换为电阻上的热能。制动强度取决于电阻大小和残余磁场强度，制动转矩随转速下降而减小。这是最简单的制动方式，但能量转化为热能浪费。反接制动不改变励磁连接，改变电枢电流方向，使电磁转矩与原转动方向相反。这种制动方式效果强烈，可以在很短时间内使电机停止，但电流冲击大，对电机和电源冲击严重，通常需要限流措施配合。回馈制动利用电力电子装置将电机发电状态下产生的能量回送到电网或储能系统。这种方式能量利用效率高，特别适合频繁起停的场合，如电动车辆、起重机等。现代直流传动系统大多采用四象限变换器，可实现无缝切换的电动和发电运行。特种电机步进电机步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移的执行机构，每接收一个脉冲信号，转子转过一个固定的角度（步距角）。其特点是定位精确、响应快速、控制简单，但功率较小，高速性能有限。伺服电机伺服电机是闭环控制系统的执行元件，具有高动态响应、高精度控制特性。现代伺服电机通常配备高精度编码器或解析器，形成完整的控制回路，在工业自动化、机器人和CNC机床领域广泛应用。直线电机直线电机是一种特殊结构电机，将旋转运动展开为直线运动，省去了传统机械传动环节。其特点是响应快速、精度高、摩擦小、无传动间隙，但成本高、散热难。在高速列车、精密工作台等领域有重要应用。步进电机步进电机的基本类型反应式步进电机：转子为软磁材料，无永磁体或绕组，结构简单，步距角小，精度高，但转矩小。永磁式步进电机：转子为永磁体，结构较简单，转矩较大，但步距角较大。混合式步进电机：结合上述两种优点，转子既有永磁体又有齿状结构，性能最佳，应用最广。步进电机的驱动方式全步进：每次通电使转子转过一个完整步距角。半步进：通过改变通电顺序，使转子每次转过半个步距角，提高分辨率。微步进：通过精确控制各相绕组电流大小，将一个基本步距分割成多个微小步距，大幅提高精度，减少低速振动。步进电机的控制系统开环控制：仅通过控制脉冲数量和频率控制位置和速度，无反馈装置，结构简单但可能出现丢步现象。闭环控制：增加位置或速度传感器，构成反馈回路，检测并补偿丢步情况，提高可靠性，接近伺服系统性能。伺服电机指令信号生成控制器生成位置、速度或转矩指令误差检测计算将指令值与实际反馈值比较，计算误差伺服电机执行驱动器根据误差调整电机输出特性状态反馈编码器或解析器检测实际位置和速度伺服电机系统根据控制对象可分为位置控制、速度控制和转矩控制三种模式。位置控制用于精确定位场合，如机床、机器人；速度控制用于需要精确转速的场合，如卷绕机、印刷机；转矩控制则用于需要精确控制力或张力的场合，如张力控制系统。现代伺服系统多采用交流永磁同步电机作为执行元件，配合高性能矢量控制驱动器和高分辨率编码器，可实现极高的动态响应和控制精度。数字信号处理技术的应用使伺服系统具备了参数自整定、谐振抑制和前馈控制等先进功能，大幅提升了系统性能。直线电机直线电机的基本类型长定子直线电机：初级（定子）较长，次级（动子）较短，通常初级固定，次级移动。这种结构适用于高速长距离运动，如磁悬浮列车，但初级成本高，控制复杂。短定子直线电机：初级较短，次级较长，通常初级移动，次级固定。这种结构适用于中低速、中短距离场合，如精密工作台、自动化设备等，初级随动部分移动，需考虑供电和散热问题。直线电机的工作原理直线电机本质上是将旋转电机"剖开展平"形成的特殊结构。其工作原理与对应的旋转电机相同，只是产生直线推力而非旋转转矩。常见的有直线异步电机、直线同步电机和直线开关磁阻电机等。直线同步电机是应用最广泛的类型，尤其是永磁直线同步电机，具有效率高、精度高、响应快等优点。磁悬浮列车使用的长定子直线同步电机是典型应用，实现了高速、低噪声的轨道交通。电机的损耗铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗，与铁心材料、磁通密度和频率有关。磁滞损耗正比于频率和磁通密度的n次方（n=1.6-2.0），涡流损耗正比于频率平方和磁通密度平方。铜耗电流通过绕组电阻产生的焦耳热，与电流平方和电阻成正比。包括定子铜耗和转子铜耗（对于感应电机），是电机的主要损耗，尤其在重载运行时。机械损耗包括轴承摩擦损耗和风扇风阻损耗，与转速有关。轴承损耗近似与转速成正比，风阻损耗近似与转速的三次方成正比。杂散损耗包括表面损耗、脉动损耗和漏磁引起的损耗等，难以精确计算，通常按照输出功率的0.5%-1.5%估算。在高效电机设计中，杂散损耗的控制变得越来越重要。电机的发热与冷却温升计算损耗产生热量：P损=P铁+P铜+P机+P杂温升与损耗成正比：ΔT∝P损温升与冷却面积成反比：ΔT∝1/S温升与冷却系数成反比：ΔT∝1/α自然冷却方式全封闭型：依靠机壳散热，冷却能力弱开启型：依靠自然对流，中等冷却能力带冷却肋：增加散热面积，改善冷却效果适用于小型电机和低负载场合强制冷却方式风冷：利用风扇强制通风，冷却效果好水冷：利用冷却水循环，冷却效果优异油冷：用于特殊场合，如变压器浸油冷却适用于大型电机和高负载场合电机的绝缘绝缘等级最高允许温度典型绝缘材料主要应用场合A级105°C棉纸、丝绸、漆布低压小型电机E级120°C聚酯薄膜、醇酸漆家用电器电机B级130°C云母、玻璃纤维通用工业电机F级155°C改性聚酯、环氧树脂高性能工业电机H级180°C硅树脂、氟塑料特种高温电机电机绝缘老化是影响电机寿命的主要因素。热老化是最主要的老化形式，绝缘材料每升高8-10°C，寿命约减半（阿伦尼乌斯定律）。此外，电老化、机械应力、环境污染和湿度也会加速绝缘老化。绝缘试验包括耐压试验、绝缘电阻测量和介质损耗因数测量等。耐压试验检验绝缘承受高电压的能力；绝缘电阻测量反映绝缘的吸湿和污染程度；介质损耗因数测量能发现内部缺陷。定期进行这些试验可评估绝缘状况，预防故障。电机的选择功率选择根据负载机械特性和工作制确定电机功率。需考虑负载转矩、启动条件、工作时间和环境温度等因素。通常电机额定功率应略大于负载要求，留有10-20%的裕度，但过大会导致投资浪费和运行效率降低。转速选择转速选择应与负载工作转速匹配。若差异大，需使用减速器或变速装置，增加成本和能耗。国际标准规定的异步电机标准转速有3000、1500、1000、750r/min等（50Hz电源下），应优先选用标准系列电机。电机类型选择考虑调速范围、控制精度、起动性能和环境条件等因素。异步电机适合恒速或简单调速场合；直流电机适合宽范围调速场合；同步电机适合精确控制转速或改善功率因数场合；特种电机则用于特殊工况。经济性分析综合考虑初投资和运行成本。高效电机初投资高，但运行成本低；普通电机初投资低，但能耗大。应计算生命周期成本，在电价高或运行时间长的场合，高效电机更经济。电机使用寿命通常为10-20年，期间的能源成本远高于设备成本。电机的运行维护日常维护包括定期检查轴承温度、振动、噪声，清理通风道灰尘，检查电气连接紧固情况等定期测试测量绝缘电阻、轴承间隙、气隙均匀度，检查换向器或滑环表面状况等故障诊断利用振动分析、温度监测、电流谱分析等技术手段发现潜在故障维修与大修按计划进行轴承更换、绕组清洗和浸漆、换向器修整等大修工作电机控制系统开环控制系统无反馈装置，仅根据输入指令控制电机，结构简单，成本低，但精度和鲁棒性差。典型应用包括普通电风扇、洗衣机等家用电器中的简单控制。闭环控制系统配备传感器检测实际输出，与指令比较后调整控制量，提高精度和适应性。现代数控机床、机器人等高性能电机系统都采用闭环控制，实现高精度位置、速度或力控制。先进控制算法PID控制是经典控制方法，简单实用；模糊控制适合处理不确定性；神经网络控制可通过学习改善性能；自适应控制则能适应参数变化。现代控制系统常综合多种算法优势，实现最佳控制效果。电机在电力系统中的应用发电机在发电厂中的应用同步发电机是电力系统的核心设备，将原动机（汽轮机、水轮机、燃气轮机等）的机械能转换为电能。大型发电机组容量可达上千MW，效率超过98%，是人类创造的最高效能量转换装置之一。现代发电机组配备完善的励磁系统、冷却系统和保护系统。励磁系统控制发电机的输出电压和无功功率；冷却系统（水冷、氢冷或空冷）保证发电机在高功率密度下安全运行；保护系统则防止故障造成的损坏。电动机在电网中的应用电动机是电力系统中最主要的负载类型，约占工业用电的60-70%。大量电动机的起动、运行和制动对电网的电压和频率稳定性有重要影响。为减少这种影响，大型电动机通常采用软起动或变频起动方式。电动机可以提供系统惯性支撑，在系统频率波动时发挥"飞轮效应"；配备适当控制装置的电动机还可提供无功功率补偿，改善电网的电压稳定性。现代智能电网中，可控负载（包括电动机）也是需求侧响应的重要组成部分。电机在交通运输中的应用电动汽车的核心部件是驱动电机，主要使用永磁同步电机或感应电机。永磁同步电机效率高、功率密度大，但成本较高；感应电机成本低、可靠性高，但效率和功率密度略低。现代电动汽车电机系统的综合效率可达90%以上，远高于内燃机的30-40%。在轨道交通领域，牵引电机是核心驱动装置。高速列车采用异步牵引电机或永磁同步电机，功率可达数百千瓦至数兆瓦。直线电机在磁悬浮列车中发挥关键作用，实现无接触驱动。电气化铁路系统中，机车通过受电弓从接触网获取电能，驱动牵引电机产生牵引力，是能源高效利用的典范