电机基本知识要点

电机基本知识 1 认识电机 一、电机的概念与分类 1.电机概念 电机是借助于电磁原理(原理)工作的能量转换(功能)设备。 只有给电机输入能量,它才会输出能量,并且在其输入和输出的能量中至少应该有一方是电能。可见“电机”一词本质上是电磁机的简称。 2.电机种类 电机分类方法很多,这里按其功能以及电能性质等综合地将其分成以下种类: 变压器:是利用电磁原理将交流电能转换成同频但电压等级不同的交流电能的设备。 发电机:是利用电磁原理将机械能转换成电能的设备。其中,将机械能转换成直流电能的发电机称为直流发电机;将机械能转换成交流电能的发电机称为交流发电机。交流发电机又可分成同步发电机(转速p f n n 601==同步速)和异步发电机(转速1n n >同步速),实际中以同步发 电机最为通用,而异步发电机则很少使用。 电动机:是利用电磁原理将电能转换成机械能的设备。它可分成直流电动机与交流电动机。交流电动机又可分成异步电动机(转速1n n <同步速)和同步电动机,实际中以异步电动机最为 普及,同步电动机相对较少。 无论发电机还是电动机都与机械能有关,这就要求它们的结构中有运动部件,为降低这两类电机的制造成本,运动部件通常都作旋转运动,称为转子;相应地固定部件就称为定子;而把发电机和电动机统称为旋转电机。变压器不涉及机械能,所以它是静止电器。 要点:电机的基本作用原理是电磁原理,作用是能量转换;各类电机的具体功能。 二、电机的损耗、发热与冷却 电机是能量转换设备而非能源,所以应该用单位时间内转换的能量即功率来度量。其中,单位时间内输入电机的能量称为输入功率,用P 1示;单位时间内电机输出的能量称为输出功率,用P 2表示。P 1与P 2的差值称为功率损耗,用ΔP 或p ∑表示,即有ΔP=21P P -,功率损耗乘以工 作时间就是能量损耗,这两种损耗通常不加区分地统称为电机的损耗。P 2与P 1的比值称为电机的效率,用η表示,即有η=12/P P 。电机工作时一般总有损耗,故ΔP >0、η<1。P 1、P 2、ΔP 、η均随电机工作状态改变而变化,它们是时变函数,但实际问往往针对特定状态提出,按它们有确定值来分析。 工作时所产生的各种损耗都转变成热能,将会导致电机的温度升高,此即发热的一方,发热量与电机工作方式有关,为一确定数值;另一方面,电机表面又会向低温的周围环境散热,散热量与温升成一比例系数(称为散热系数)。因此,在电机工作之初,散热量为零,温度升高最快;然后随着温度升高,散热量将不断增大,温度上升变慢;如果工作时间足够长,最终将达到散热量等于发热量的动态平衡,此后温度停止升高而保持在稳定值。可见,散热系数越大,温升速度就越慢,稳定温升也越低,这对绝缘有利。分析表明:在自然条件下,散热量与电机单位容量的表面积成正比,而单位容量的表面积与电机的容量成反比,因此,小容量电机自然散热能够满足 绝缘要求,而大容量的电机在自然散热时的温升往往会超过绝缘允许的限值,这就需要冷却。所谓冷却是指提高散热系数的人为措施,一般通过适当的介质来实现冷却,常用的冷却介质有空气、氢气和水。 要点:各种功率和冷却的含义 三、电机的结构与制造材料 1.电机的电磁结构 电机的功能是由其电磁结构决定的。电机的电磁结构由一条主磁路和与它相匝链的两条或两条以上电路组成。电机种类不同,其主磁路和电路的结构就有所不同。 电机的损耗主要产生在其电磁结构部件中,即绕组的铜耗 C u p 和铁心的铁耗Fe p 。此外,在绕组、机座以及绝缘材料中 会产生数量不大但难于精确计算的附加损耗ad p ;旋转电机的转动部件中还会产生摩擦损耗,称为机械损耗p Ω。 图0-2 电机中的磁路 变压器的主磁路为闭合铁心。 旋转电机的主磁路,除定、转子铁心外,还包含两段气隙。当磁通恒定时,铁心可用整块钢铁材料制作;当磁通随时间交变时,铁心中将产生磁滞损耗和涡流损耗,两者合称为铁耗,此时铁心就必须用表面绝缘、厚度为0.35或0.5mm 的硅钢片叠压成形。虽然直流和同步电机磁极铁心中的磁通是恒定的,但由于开槽的影响,磁极表面受齿谐波磁场影响而产生铁耗,故这类电机的磁极铁心也要用厚度为1~3mm 的厚钢片叠装。 电机磁路的特点是:它由导磁性能极好的铁磁性材料和空气、绝缘材料等导磁性能很差的非磁性材料构成,因此,在两种材料界面处磁力线垂直与铁磁材料表面,常分为主磁路和漏磁路。 (2)绕组 绕组是电机电路的核心部分,它一般是用带绝缘的导体(主要用铜)绕制而成的线圈或线圈组合。绕组的作用有流通电流、产生磁场、感应电动势、承受一定的电压电流和功率。绕制而成的线圈或线圈组合。一台电机至少有两个绕组。 绕组可分成开启式和闭合式两类。开启式绕组的特点是每个绕组都有两个引出线端头,用来与外部电源或负载相接,以实现电能的输入或输出。闭合绕组是将各线圈串联成一个闭合回路, 形式上属于分布绕组,它没有出线端而通过电刷与换向器的接触,经电刷与外部电路接通。电流在绕组电阻上引起的损耗称为铜损耗,简称铜耗。此外,对旋转电机而言,起机电能量转换的核心作用的绕组称为电枢绕组,它指同步电机的定子绕组与直流电机的转子绕组。 绕组的电路表示:用绕组内阻与电动势的串联支路表示。电动势同时还反映了主磁路(通)和漏磁路(通)的影响,即主电动势e (主磁通感应的电动势)和漏电动势e σ(漏磁通感应的电动势)。其中,主电动势存在于除励磁绕组外的一切绕组中(变压器一、二次绕组;异步电动机定、转子绕组;同步电机定子绕组和直流电机的转子绕组,两者统称为电枢绕组);漏电动势只存在于交流绕组中;励磁绕组(同步电机转子绕组和直流电机的定子绕组,通入直流电的直流绕组)中,既无漏电动势、也无主电动势,即其等效电路为电阻电路。因此,电机最终可简化为电路分析与 2.不同类型电机的电磁结构特点 ⑴变压器 主磁路:闭合的铁心 电路:两个绕组套在铁心上(同时匝链主磁通),其中一次绕组(接电源的绕组)输入交流电能,二次绕组(接负载的绕组)输出交流电能。一、二次均为交流电路。 一次电路 二次电路 (a)变压器电路 L Z + -+- 定子电路 转子电路 (b)异步电动机电路 +- 图0–4 各种电机的电路 ⑵异步电动机——转速160f n n p <=同步速的交流旋转电机 主磁路:定、转子铁心+2段气隙 定子绕组接交流电源(定子为交流电路);转子绕组短路(20u =),但是转子电动势是交流,故转子也是交流电路。 ⑶同步电机——转速1 60f n n p ==同步速的交流旋转电机 主磁路:定、转子铁心+2段气隙 定子绕组(也称电枢绕组)接交流电源(同步电动机)或输出交流电(同步发电机),定子是交流电路;转子绕组(励磁绕组)接直流电源,故转子是直流电路。 U 励磁电路 电枢电路 (c)同步电机电路 + -+ - (d)直流电机电路 U 励磁电路 电枢电路 +- +- 图0–4 各种电机的电路 ⑷直流电机 主磁路:定、转子铁心+2段气隙 定子绕组(也称励磁绕组)接直流电源,定子是直流电路;转子绕组(电枢绕组)接直流电源(直流电动机)或输出直流电(直流发电机),故转子也是直流电路。 要点:主磁路的构成,铁心叠装的场合与目的;绕组的组成、对外联系方式(完整电路)。 3.电机的制造材料 (1)导电材料——铜(铝、银) (2)导磁材料——钢铁 (3)绝缘材料——天然材料(纸张、油漆、麻布),目前主要用有机合成材料(塑料) 绝缘材料是电机中耐热性最差的材料,如果温度超过材料允许的最高温度,则材料的绝缘性能等物理、化学性能将快速下降。为此对绝缘材料分级规定,见下表。 最高允许温升=最高允许温度-环境温度(40℃) 四、磁路 1.磁路概念 磁路是磁场能量产生、传输和消耗的路径,简单地说,磁路是指磁通的路径。 磁路是研究磁场问题的简化方法,这就像电路是研究电场问题的简化方法一样,因此,磁路与电路具有很多相同之处,即磁路也分成直流磁路和交流磁路,磁路的物理量、磁路定律、磁路计算方法也与电路有相似之处和类比关系。 磁路与电路的主要区别是:没有磁绝缘体,磁通可以在任何物质中流通,因此磁路就不受开关控制,磁路中只要存在磁动势便有磁通流通。 2.磁路主要物理量(与电路对应关系) 磁路主要有以下几个物理量: ⑴磁通Φ 磁通是描述磁路中某截面上磁场总体强弱的物理量,单位为Wb (韦伯)。 磁通与电路中电流的作用相当。普通电机中,磁通是由绕组通电流产生的,其中绝大部分同时匝链(或穿越)电机的所有绕组,所以称为主磁通Φ;另有很小一部分仅与该绕组自身匝链,故称为漏磁通σΦ。 ⑵磁通密度(简称磁密)B 磁感应强度B 是描述磁场中各点磁场强弱的物理量,单位为T (特斯拉)。它也可以描述某个截面上磁场平均强度,即B A Φ = ,A 为磁路的截面积。 ⑶磁场强度H 是描述磁场中各点磁场强弱的物理量,单位为A/m 。 ⑷磁导率μ:是描述材料导磁性能优劣的物理量,满足r 0μμμ=。其中,r μ是一个无量纲的物理量,称为相对导磁率;0μ为真空导磁率,其值为0μ=4π×10-7H/m 。一般材料的导磁性能与真空相当,即其r μ≈1;铁磁材料的r μ值约在几十到数百万。 以上三个物理量满足关系式:B H μ= ⑸磁动势F :磁动势是产生磁场的本领,它是磁路所包围的电流的代数和。电机中,磁路包围的通常是一个电流为i 的N 匝线圈,即磁动势F N i =。 ⑹磁压降U m :m m U Hl R Φ== ⑺磁阻R m :反应磁路对磁通的阻碍作用,m l R A μ= ⑻磁导Λ:磁阻的倒数,A l μΛ= 。 ⑼自感L :2L N Λ=;感抗x L ω= ⑽互感M :它是反应绕组在交流电作用下相互影响的物理量,满足1212M N N Λ=。变压器与异步电动机中的互感电抗为励磁电抗m x ;同步电机中的互感电抗为电枢反应电抗a x 。 3、磁路计算 电机磁路的特点是:沿磁路各点的磁场强度矢量j H 和路径j l 的方向相同,同时包围的电流是一个或多个N 匝线圈的电流,即总电流为NI ,所以,全电流定律又可表示成 m m n j j M j k j 1 j 1 k 1 d l H l =H l U I NI ===?= = = ∑∑∑∑? 即各段磁路上的磁压降等于磁路所包围的电流代数和,即ΣH j l j =Ni 式中:I 为流过线圈的直流电流大小或交流电流的有效值,相应地,闭合磁路中截面相同的各段磁路的磁通Φ、磁场强度H j 和磁压降U Mj 就为恒定值或有效值;l j 为磁场强度相同的某段磁路的长度。因此,当磁路的尺寸和材料已知时,利用全电流定律可计算出: Ⅰ、产生一定数量的磁通Φ所需要的励磁磁动势和励磁电流值,具体计算步骤如下: ⑴求各段磁路的截面积A j 和长度l j ,其中lj 通常取该段磁路的平均长度; ⑵求各段磁路的磁密B j =Φ/A j ;