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1、 - 1 -第一章 电动机分类、发展现状及未来1.1 电动机分类电动机机应用广泛，种类繁多、性能各异，分类方法也很多。（一）根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 （二）电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 （三）电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容运转式电动机
2、、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 按用途分类。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具用电动机、家电用电动机及其它通用小型机械设备用电动机。控制用电动机又分为步进电动机和伺服电动机等。 （四）电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。 （五）电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。1.2 电动机技术发展现状电动机是一种实现机、电能量转换的电磁装置。它是随着生产力的发展而发展的，反过来，电动机的发展也促进了社会生产力的不断提高。从 19 世纪末期起，电动机就逐渐代替蒸汽机作为拖动生产机械的原动机，一个多世纪以来
3、，虽然电动机的基本结构变化不大，但是电动机的类型增加了许多，在运行性能，经济指标等方面也都有了 - 2 -很大的改进和提高，而且随着自动控制系统和计算机技术的发展，在一般旋转电动机的理论基础上又发展出许多种类的控制电动机，控制电动机具有高可靠性好精确度快速响应的特点，已成为电动机学科的一个独立分支。电动机的功能是将电能转换成机械能，它可以作为拖动各种生产机械的动力，是国民经济各部门应用最多的动力机械。在现代化工业生产过程中，为了实现各种生产工艺过程，需要各种各样的生产机械。拖动各种生产机械运转，可以采用气动，液压传动和电力拖动。由于电力拖动具有控制简单调节性能好耗损小经济，能实现远距离控制和自
4、动控制等一系列优点，因此大多数生产机械都采用电力拖动。 按照电动机的种类不同，电力拖动系统分为直流电力拖动系统和交流电力拖动系统两大类。 纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。在交流电出现以前，直流电力拖动是唯一的一种电力拖动方式，19 世纪末期，由于研制出了经济实用的交流电动机，致使交流电力拖动在工业中得到了广泛的应用，但随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在起动，制动，正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态响应方面提出了新的，更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以 20 世纪以来，在可逆，可
5、调速与高精度的拖动技术领域中，相当时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。 虽然直流电动机具有调速性能优异这一突出特点，但是由于它具有电刷与换向器（又称整流子），使得他的故障率较高，电动机的使用环境也受到了限制（如不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用），其电压等级，额定转速，单机容量的发展也受到了限制。所以，在 20 世纪 60 年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体交流技术的交流技术的交流调速系统得以实现。尤其是 70 年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，为交流电力拖动的广泛应用创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速，各种类型的变频调速，无换向器电动
6、机调速等，使得交流电力拖动逐步具备了调速范围宽，稳态精度高，动态响应快以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面完全可与直流电力拖动媲美。除此之外，由于交流电力拖动具有调速性能优良，维修费用低等优点，将广泛应用于各个工业电气自动化领域中，并逐步取代直流电力拖动而成为电力拖动的主流。 - 3 -经历了 100 多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。 未来电动机将会沿着单位功率体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。一批巨
7、无霸 电机、一批光怪陆奇电机将同时展现在世人眼前。1.3 电动机的未来经历了一百多年的技术发展，电动机自身的理论基本成熟。随着电工技术的发展，对电能的转换、控制以及高效使用的要求越来越高。电磁材料的性能不断提高，电工电子技术的广泛应用，为电动机的发展注入了新的活力。 未来电动机将会沿着体积更小、机电能量转换效率更高、控制更灵活的方向继续发展。第二章 电动机的工作原理2.1 三相异步电动机的结构及工作原理电机的机组结构主要由磁路部分，电路部分以及机械三部组成，如图。磁路又是由定子铁心和转子铁心构成的。 定子铁心是由 0.35mm0.5mm 厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，减少了由于交变磁通通
8、过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈用的。转子铁心用 0.5mm 厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。电路部分是由定子绕组和转子绕组构成的。定子绕组三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。机械部分主要是机座、端子、轴和轴承等组成。 - 4 -图 2-1异步电动机根据转子的绕组的结构不同，可分为鼠笼式和绕线式两种。鼠笼式异步电动机的转子绕组本身自成闭合回路，整个转子形成一个坚实的整体，其结构简单牢固、运行可靠、价格便宜，应用最为广泛，小型
9、异步电动机绝大部分属于这类。绕线式异步电动机的结构比鼠笼式复杂，但启动性能较好，需要时还可以调节电动机的转速。三相鼠笼式异步电动机的结构。2.1.1 异步电动机的定子结构定子是用来产生旋转磁场的，主要由定子铁心、定子绕组和机座等部分组成。鼠笼式和绕线式异步电动机的定子结构是完全一样的。1、定子铁心：异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由 0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。 2、定子绕组：是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三
10、相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由 - 5 -若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差 120电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为 U1, V1, W1 ，末端分别标为 U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒里的排列如图 4.3 所示，可以接成星形或三角形。 3、机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子铁心、定子绕组并支撑端盖，所以
11、要求机座具有足够的机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作用力。中、小型异步电动机通常采用铸铁机座，定子铁心紧贴在机座的内壁，电动机运行时铁心和绕组产生的热量主要通过机座表面散发到空气中去，因此，为了增加散热面积，在机座表面装有散热片。对大型异步电动机，一般采用钢板焊接机座，此时为了满足通风散热的要求，机座内表面与铁心隔开适当距离，以形成空腔，作为冷却空气的通道。 2.1.2 异步电动机转子结构转子是异步电动机的转动部分，它在定子绕组旋转磁场的作用下获得一定的转矩而旋转，通过联轴器或皮带轮带动其他机械设备做功。转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。（一）转子铁心是用 0.5mm 厚的
12、硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。（二）转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线形与笼形两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼形异步电动机。 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能。 笼形绕组 在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为 - 6 -端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图 3.5（a）所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一
13、次浇铸而成，称为铸铝转子，100kW 以下的异步电动机一般采用铸铝转子。 2.1.3 电动机工作原理目前较常用的主要是交流电动机，它可分为两种：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。下面以三相异步电动机为例介绍其基本工作原理。下图 2-1 所示为一台三相笼型异步电动机的示意图。在定子铁心里嵌放着对称的三相绕组 U1-U2、V1-V2、W1-W2。转子槽内放有导条，导条两端用短路环短接起来，形成一个笼型的闭合绕组。定子三相绕组可接成星形，也可以接成三角形。图 2-2 三相笼型异步电动机的示意图由旋转磁场理论分析可知，如果定子对称三相绕组被施以对称的
14、三相电压，就有对称的三相电流流过，并且会在电机的气隙中形成一个旋转的磁场，这个磁场的转速n1 称为同步转速，它与电网的频率 f1 及电机的磁极对数 p 的关系为： n1=60 f1/p 转向与三相绕组的排列以及三相电流的相序有关，图中 U、V、W 相以顺时针方向排列，当定子绕组中通人 U、V、W 相序的三相电流时，定子旋转磁场为顺时针转向。由于转子是静止的，转子与旋转磁场之间有相对运动，转子导体因切割定子磁场而产生感应电动势，因转子绕组自身闭合，转子绕组内便有电流流通。转子有功电流与转子感应电动势同相位，其方向可由右手发电机定则确定。载有有功分量电流的转子 - 7 -绕组在定子旋转磁场作用下，
15、将产生电磁力 F，其方向由左手电动机定则确定。电磁力对转轴形成一个电磁转距，其作用方向与旋转磁场方向一致，拖着转子顺着旋转磁场的旋转方向旋转，将输入的电能变成旋转的机械能。如果电动机轴上带有机械负载，则机械负载随着电动机的旋转而旋转，电动机对机械负载做了功。 对称三相交流电流通入对称三相绕组时，便产生一个旋转磁场。下面选取各相电流出现最大值的几个瞬间进行分析。当 =0时，U 相电流达到正最大值，电流从首端 U1 流入，用 表示，从末端 U2 流出，用表示；V 相和 W 相电流均为负，因此电流均从绕组的末端流入，首端流出，故末端 V2 和 W2 应填上 ，首端 V1 和 W1 应填上，合成磁场的
16、轴线正好位于 U 相绕组的轴线上。当 =120时，V 相电流为正的最大值，因此 V 相电流从首端 V1 流入，用 表示，从末端 V2 流出，用表示。U 相和 W 相电流均为负,则 U1 和 W1 端为流出电流，用表示，而 U2 和 W2 为流入电流，用表示，此时合成磁场的轴线正好位于 V 相绕组的轴线上，磁场方向已从 =0时的位置沿逆时针方向旋转了 120。当 =240和 =360时，合成磁场的位置。当 =360时，合成磁场的轴线正好位于 U 相绕组的轴线上，磁场方向从起始位置逆时针方向旋转了 360，即电流变化一个周期，合成磁场旋转一周。由此可见，对称三相交流电流通入对称三相绕组所形成的磁场是一个旋转磁场。旋转的方向从 UVW，正好和电流出现正的最大值顺序相同，即由电流超前相转向电流滞后相。如果三相绕组通入负序电流，则电流出现正的最大值的顺序是 UWV。通过图
