《电动机构造与工作原理》课件

电动机构造与工作原理本课程将深入探讨电动机的构造和工作原理，涵盖直流电机、交流电机等常见类型，并结合实际应用场景分析其应用优势与局限性课程目标掌握电动机构造理解工作原理应用实践能力深入了解各种电动机掌握电动机的基本工学习电动机在不同领类型，包括直流电动作原理，包括电磁感域中的应用，例如工机、交流电动机等，应、磁场变化、电磁业生产、交通运输、并掌握其内部构造和力等，并能够解释各家用电器等，并能够关键部件的功能种电动机的运行机制根据实际需求选择合适的电动机内容安排电动机的基本组成介绍电动机的主要组成部分，包括定子、转子、电枢、磁场、轴承、电刷等电动机的基本工作原理阐述电动机的工作原理，包括电磁感应、磁场相互作用、转矩产生等直流电动机深入探讨直流电动机的构造、工作原理、转矩公式、特性曲线、速度控制、应用领域等交流电动机详细介绍交流电动机的类型、构造、工作原理、转矩公式、特性曲线、启动方式、速度控制、应用领域等电动机的效率与损耗、热特性、绝缘等级、冷却方式、保护装置分析电动机的效率与损耗、热特性、绝缘等级、冷却方式、保护装置等方面内容电动机的选型与使用、维护与检修讲解电动机的选型与使用、维护与检修等实用知识电动机的基本组成电动机主要由以下几个部分组成•定子定子是电动机的固定部分，通常由铁芯和绕组构成铁芯由叠片式硅钢片压制而成，绕组是线圈，通电后产生磁场•转子转子是电动机的旋转部分，通常由转轴、转子铁芯和转子绕组组成转子铁芯也由叠片式硅钢片压制而成，转子绕组可以是线圈，也可以是短路线圈，通电后在定子磁场的作用下旋转•机壳机壳是电动机的外壳，用于保护电动机内部的部件，并起到支撑和固定作用•轴承轴承用于支撑转轴，减少转轴与机壳之间的摩擦•风扇风扇用于散热，将电动机运行时产生的热量带走•其他部件根据电动机的类型和用途，还可能包含一些其他部件，例如换向器、电刷、滑环等电动机的基本工作原理电磁感应原理磁场相互作用电动机的工作原理基于电磁感应原理，当电流通过导体线圈时电动机内部通常包含两个磁场定子磁场和转子磁场定子磁，线圈周围会产生磁场当这个磁场与另一个磁场相互作用时场由定子绕组产生的电流产生，而转子磁场由转子绕组产生的，会产生力，推动线圈旋转电流产生这两个磁场相互作用，产生旋转力直流电动机的构造基本组成部分定子转子•定子定子是直流电动机的静止部分，通常由磁转子是直流电动机的旋转部分，通常由电极和磁轭构成，提供磁场枢绕组、换向器和轴构成，用来产生旋转•转子力矩•电刷•换向器•轴承直流电动机的工作原理磁场电流直流电动机由定子和转子组成转子上的绕组通电后，会产生一定子产生磁场，而转子则在磁场个电流这个电流与定子的磁场中旋转定子通常由电磁铁或永相互作用，产生一个力矩，迫使磁体组成电磁铁是由绕组通电转子旋转产生的磁场永磁体则具有永久的磁场旋转转子旋转时，转子上的绕组切割磁力线，产生感应电动势感应电动势的方向与转子电流方向相反，因此会减小转子电流，进而减小力矩当力矩减小到与转子旋转阻力平衡时，转子就会以恒定的速度旋转直流电动机的转矩公式电流磁场强度电枢导体长度电枢导体数量直流电动机的转矩由电枢电流、磁场强度、电枢导体长度和电枢导体数量决定，其公式为T=K*Φ*I其中，T为转矩，K为常数，Φ为磁通量，I为电枢电流直流电动机的特性曲线直流电动机的特性曲线反映了电动机的性能指标与工作状态之间的关系，主要包括以下几种•空载特性曲线反映了电动机空载时转速与励磁电流的关系•负载特性曲线反映了电动机负载时转速与转矩的关系•机械特性曲线反映了电动机转速与负载转矩的关系•电流特性曲线反映了电动机负载时电流与负载转矩的关系通过分析这些特性曲线，可以了解电动机的工作特性，并根据实际需要选择合适的电动机直流电动机的速度控制励磁控制电枢电压控制12通过改变励磁电流的大小来控改变电枢电压的大小来控制电制电动机转速励磁电流越大动机转速电枢电压越高，转，转速越低；励磁电流越小，速越高；电枢电压越低，转速转速越高越低串联电阻控制3在电枢电路中串联一个可变电阻，通过改变电阻的大小来控制电动机转速电阻越大，转速越低；电阻越小，转速越高直流电动机的应用领域汽车行业工业自动化交通运输医疗设备直流电动机广泛用于汽车行业直流电动机在工业自动化领域直流电动机在交通运输领域也直流电动机在医疗设备方面也，例如启动电机、发电机、车有着广泛的应用，例如机器人有重要应用，例如轨道交通、有应用，例如医疗器械、电动窗升降机、座椅调节电机等生产线、自动化设备、加工中电动汽车、轮船等手术床、医用泵等心等交流电动机的构造交流电动机主要由定子和转子两部分组成，定子是固定不动的，转子则可以旋转定子通常由铁芯和绕组构成，铁芯由叠压的硅钢片制成，绕组则绕在铁芯的槽内转子一般也由铁芯和绕组构成，但结构有所不同，常见的转子类型有鼠笼式转子和绕线式转子除了定子和转子，交流电动机还包括其他部件，例如轴承、风扇、端盖等等这些部件共同作用，使电动机能够安全可靠地运行交流电动机的工作原理电磁感应转矩产生12交流电动机的工作原理基于电转子中感应的电流与定子产生磁感应现象当交流电流通过的磁场相互作用，产生电磁力定子绕组时，会产生旋转磁场，进而产生转矩这个转矩推这个旋转磁场切割转子导体动转子旋转，并在转子中感应出电流同步速度3转子旋转的速度始终落后于定子旋转磁场的速度，这个速度差被称为“滑差”滑差的大小决定了转矩的大小三相异步电动机的构造三相异步电动机是一种常用的旋转电机，其构造主要由定子、转子、机座、轴承、冷却系统等组成•定子由定子铁芯、定子绕组和定子机壳组成定子铁芯由叠压的硅钢片构成，定子绕组由三相绕组组成，定子机壳用于固定定子铁芯和定子绕组•转子由转子铁芯、转子绕组和转子轴组成转子铁芯由叠压的硅钢片构成，转子绕组一般为鼠笼型，由铝或铜制成，转子轴用于连接转子铁芯和转子绕组•机座用于支撑电机，并提供固定电机的位置•轴承用于支撑转子，并减少转子与定子之间的摩擦•冷却系统用于散热，以防止电机过热三相异步电动机的工作原理旋转磁场转子感应电流异步运行三相异步电动机的工作原理基于旋转磁感应电流会在转子导体中产生一个磁场转子永远无法达到与定子磁场相同的转场的产生当三相交流电分别流过定子，这个磁场会与定子产生的旋转磁场相速，因为如果它们同步，就没有感应电绕组时，会在定子内部产生一个旋转的互作用，产生一个转矩转矩的大小取流产生这就是为什么三相异步电动机磁场这个磁场会切割转子导体，并在决于定子磁场的强度和转子感应电流的被称为“异步”电动机转子与定子磁转子导体中感应出电流大小场之间转速差被称为“滑差”三相异步电动机的转矩公式转矩T=k*φ*I2转矩系数k=p*n*Z/60*a*A*10^7磁通φ转子电流I2极对数p转速n导体总数Z相数a导体截面积A这个公式表明，三相异步电动机的转矩与磁通和转子电流的乘积成正比转矩系数是一个与电机结构相关的常数三相异步电动机的特性曲线转速转矩特性功率转矩特性电流转矩特性---反映了电动机在不同负载情况下转速和转展示了电动机输出功率与转矩之间的对应描述了电动机电流与转矩的变化关系在矩的变化关系曲线呈现出明显的非线性关系在额定负载范围内，电动机输出功正常运行情况下，电流随转矩的增加而增特征，随着负载的增加，转速会逐渐下降率随转矩的增加而增加，但超出额定负载加，但随着负载的增加，电流增长速度会，而转矩会相应增加该特性对电动机性后，功率会下降，这表明电动机在超负荷加快，反映了电动机在高负载下运行时的能的分析和控制至关重要情况下效率会降低能量消耗增大三相异步电动机的启动方式直接启动直接启动是最简单的启动方式，直接将电动机接入电源这种方式启动电流较大，会造成电压下降和对电网的冲击，但结构简单、成本低廉，适用于小型电动机和对启动电流要求不高的场合降压启动降压启动是指在启动时降低电动机电压，从而降低启动电流常用的降压方法有自耦变压器降压、电阻降压、电抗器降压等这种方式可以有效降低启动电流，但会降低电动机的启动转矩星三角启动-星-三角启动是指在启动时将电动机绕组连接成星形，然后在转速上升到一定值后改接成三角形这种方式启动电流较低，但启动转矩也较低，适用于对启动电流要求严格的场合软启动器启动软启动器是一种电子装置，可以通过控制电压和电流来实现电动机的平滑启动这种方式可以有效降低启动电流和电压波动，同时也能提高电动机的启动转矩，适用于大型电动机和对启动过程要求严格的场合三相异步电动机的速度控制变频调速机械调速电阻调速通过改变电源频率来调节电动机转速，这利用齿轮、皮带或链条等机械传动装置，在电动机定子回路中串联电阻，通过改变是最常见的调速方法变频器可以改变电改变电动机输出轴的转速这种方法简单电阻值来调节电动机电流，从而改变转速压和频率，从而实现平滑的转速调节易行，但无法实现无级调速这种方法效率低，会产生较大的热量三相异步电动机的应用领域工业应用民用领域三相异步电动机广泛应用于各在民用领域，三相异步电动机种工业领域，例如制造业、也应用广泛，例如家用电器化工、冶金、采矿、建筑、农（洗衣机、空调、冰箱）、电业等它们用于驱动各种机械梯、电动工具等它们具有结设备，例如泵、风机、压缩构简单、性能可靠、价格低廉机、传送带、起重机、机床等等优点，因此在民用领域得到了广泛应用其他应用除了工业和民用领域之外，三相异步电动机还在交通、能源、国防等领域都有应用例如电动汽车、风力发电、军事装备等单相异步电动机的构造单相异步电动机是常见的交流电动机，其构造相对简单，主要由定子、转子和启动装置组成定子是静止部分，包含定子铁芯和定子绕组转子是旋转部分，包含转子铁芯和转子绕组启动装置用于启动电动机，常用的启动方式有电容启动、阴影极启动等定子铁芯通常由叠压的硅钢片构成，外圆周上开有槽，槽内放置定子绕组定子绕组一般为单相绕组，通过电流产生旋转磁场转子铁芯同样由叠压的硅钢片构成，但没有绕组，仅由鼠笼式转子或绕线式转子组成鼠笼式转子由铝或铜棒嵌在转子铁芯的槽内，两端短路形成闭合回路绕线式转子则在转子铁芯上绕有绕组，并通过滑环和电刷与外部电路连接单相异步电动机的工作原理单相异步电动机依靠旋转磁场产生转矩，为了解决这个问题，单相异步电动机通常旋转磁场切割转子导体，产生感应电流，但单相电源只能产生脉动磁场，无法直接使用辅助绕组，通过改变辅助绕组电流的感应电流与旋转磁场相互作用，产生转矩产生旋转磁场相位，使其与主绕组电流产生相位差，从，驱动转子旋转而产生旋转磁场单相异步电动机的启动方式电容启动电容运行阴影极启动电容启动是单相异步电动机最常用的启电容运行是另一种常用的启动方式在阴影极启动是通过在定子上的主绕组上动方式在启动过程中，电容器与启动启动过程中，电容器与启动绕组串联，设置一个阴影极来实现启动的阴影极绕组串联，形成一个相移电路，产生一形成一个相移电路，产生一个与主绕组由一个短路的铜环或铜板组成，它位于个与主绕组电流相位差约90°的电流，电流相位差约90°的电流，从而产生一主绕组的磁极之间当主绕组通电时，从而产生一个旋转磁场，使电机启动个旋转磁场，使电机启动当电机达到阴影极会产生一个与主绕组磁场相位差一定速度后，启动绕组断开，电容器与的磁场，从而产生一个旋转磁场，使电运行绕组串联，提高电机运行效率机启动单相异步电动机的应用领域家用电器小型机械单相异步电动机广泛应用于各单相异步电动机也用于小型机种家用电器，例如洗衣机、冰械设备，如小型泵、小型机床箱、空调、吸尘器、风扇等、电动工具、缝纫机等其功其结构简单、价格低廉、运行率较小，但能够提供足够的扭可靠，非常适合家用电器的需矩，满足小型机械设备的运行求需求农业机械在农业领域，单相异步电动机用于灌溉设备、小型农机、畜牧设备等其耐用性强，能够在恶劣环境下稳定工作，适合农业生产的需要同步电动机的构造同步电动机主要由定子、转子、机座、轴承、冷却装置等组成定子是静止部分，通常由定子铁芯、定子绕组和定子外壳组成定子绕组通常为三相绕组，用来产生旋转磁场转子是旋转部分，通常由转子铁芯、转子绕组和转子外壳组成转子绕组通常为直流绕组或永磁体，用来产生磁场转子磁场与定子磁场相互作用，使转子转动同步电动机通常采用滑环式或无刷式结构滑环式同步电动机通过滑环和电刷将直流电流输送到转子绕组，而无刷式同步电动机则使用电子控制装置来控制转子电流同步电动机在各种工业应用中发挥着重要的作用，例如电力系统、机床、风力发电等同步电动机的工作原理电磁同步同步速度同步电动机的转子与定子磁场同步电动机的转速与定子磁场同步旋转，因此得名转子通的旋转速度相同，称为同步速常为永磁体或电磁铁，通过定度，由电源频率和极对数决定子绕组产生的旋转磁场来驱动转子同步旋转励磁方式同步电动机的转子需要励磁，励磁方式主要有直流励磁和交流励磁两种直流励磁通常使用独立的直流电源，而交流励磁则使用交流电源经过整流和控制后提供励磁电流同步电动机的转矩特性12恒转矩同步转速当转速低于同步转速时，同步电动机能够提供恒定的转矩输出同步电动机在同步转速下运行时，转矩输出达到最大值34过载能力功率因数同步电动机具有一定的过载能力，可以承受超过额定转矩的负载同步电动机的功率因数可以调节，可以达到接近1，提高效率同步电动机的应用领域工业领域其他领域同步电动机在工业领域有着广泛的应用，例如除了工业领域，同步电动机还应用于以下领域•大型电力系统中的发电机•轨道交通，如地铁和高速铁路•高功率的压缩机和风机•新能源发电，如风力发电和太阳能发电•冶金、化工等行业的驱动电机•航空航天领域无刷直流电动机的构造无刷直流电动机是一种新型的直流电机，它具有高效、节能、寿命长、噪音低等优点，广泛应用于各种领域无刷直流电动机的构造主要包括以下几个部分

1.定子定子是无刷直流电机的固定部分，由铁芯和绕组组成定子绕组通常由永磁体组成，它产生的磁场用于驱动转子旋转

2.转子转子是无刷直流电机的旋转部分，由铁芯、绕组和轴承组成转子绕组通常由铜线或铝线组成，它与定子绕组相互作用产生电磁力

3.传感器传感器用于检测转子的位置，并将信息传递给控制器，以便控制器控制定子绕组的电流，从而控制转子的转速和转矩

4.控制器控制器是无刷直流电机的控制中心，它根据传感器传来的信息，控制定子绕组的电流，从而控制转子的转速和转矩无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原当直流电流流过电枢绕组无刷直流电动机的关键在理是基于电磁感应和磁场时，会在绕组周围产生磁于，通过电子控制系统和相互作用其核心部件是场，这个磁场与定子上的传感器来控制电流流向和定子上的永磁体和转子上永磁体产生的磁场相互作时间，以达到精确控制转的电枢绕组用，从而产生旋转力矩，速和转矩的目的推动转子旋转与传统的直流电动机相比，无刷直流电动机没有电刷，减少了机械磨损和电刷火花，因此具有更高的效率和更长的使用寿命无刷直流电动机的特性及应用高效率高扭矩寿命更长由于没有碳刷，无刷直流电动机没有碳刷无刷直流电机能够产生更高的扭矩，并且由于没有碳刷，无刷直流电动机具有更长磨损和火花，因此效率更高，能量损失更由于没有碳刷限制，它们可以在更高速度的使用寿命，因为它们没有磨损或需要更小，这使得它们成为节能应用的理想选择下运行，这使得它们成为各种应用的理想换的组件这使得它们成为需要可靠且长选择，包括机器人、工业自动化和电动工期运行的应用的理想选择，例如风力发电具和太阳能系统电磁式电动机的特点和应用特点电磁式电动机是一种利用电磁感应原理工作的电机它具有结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于各种工业设备，家用电器和交通工具等应用电磁式电动机应用广泛，例如•工业设备各种机械设备、生产线、起重机、压缩机等•家用电器洗衣机、冰箱、空调、吸尘器等•交通工具汽车、火车、船舶、飞机等永磁式电动机的特点和应用高效率高功率密度高可靠性永磁式电动机利用永久磁铁产生磁场，无由于永磁材料的磁性强，永磁式电动机可永磁式电动机没有电刷和换向器，结构简需额外的励磁电流，因此能量损耗较低，以实现更高的功率密度，体积更小、重量单，易于维护，使用寿命更长，可靠性更效率更高更轻高电动机的效率与损耗铜损铁损机械损附加损电动机的效率是指电动机输出机械功率与输入电功率之比效率越高，意味着电动机消耗的电能越少，转化为机械能的比例越高，节能效果更好电动机损耗主要包括铜损、铁损、机械损和附加损等铜损是指电流在定子绕组和转子绕组中的热损耗，铁损是指磁芯中的磁滞损耗和涡流损耗机械损是指轴承摩擦、风扇摩擦等机械部件的损耗附加损是指其他方面的损耗，如刷损、励磁损耗等电动机的热特性电动机在运行过程中会电动机的温升是指电动电动机的温升与负载电产生热量，这主要是因机运行温度与环境温度流、环境温度、散热条为电流通过绕组时产生之差温升过高会影响件等因素有关通常，的铜损和磁损这些热电动机的性能，降低其电动机的温升可以通过量会使电动机温度升高效率，缩短其使用寿命测量绕组温度来确定，如果温度过高，会导因此，电动机的温升致绝缘老化，甚至造成必须控制在一定的范围电动机损坏内电动机的绝缘等级绝缘等级概述常见绝缘等级电动机的绝缘等级是指其绝缘材料能够承受的最高温度它决•Y级90℃定了电动机能够在何种温度环境下安全运行绝缘等级越高，•A级105℃电动机能够承受的温度越高通常用字母表示，常见的绝缘等•E级120℃级有Y、A、E、B、F、H、C等•B级130℃•F级155℃•H级180℃•C级超过180℃电动机的冷却方式自然冷却强制风冷水冷123自然冷却是指依靠电动机自身散热强制风冷是指使用风扇将空气吹过水冷是指使用水作为冷却介质，通，不需要额外的冷却装置这种方电动机表面，加速散热这种方式过水循环将热量带走这种方式适式适用于小型、低功率的电动机，适用于中大型、高功率的电动机，用于超高功率的电动机，例如发电例如家用电器中的电机例如工业生产中的电机厂中的电机电动机的保护装置过载保护过载保护装置用于防止电动机因过载电流而烧毁当电动机负载过重时，过载保护装置会切断电源，以保护电动机短路保护短路保护装置用于防止电动机因短路电流而烧毁当电动机发生短路故障时，短路保护装置会切断电源，以保护电动机欠压保护欠压保护装置用于防止电动机因电源电压过低而损坏当电源电压过低时，欠压保护装置会切断电源，以保护电动机过热保护过热保护装置用于防止电动机因过热而损坏当电动机过热时，过热保护装置会切断电源，以保护电动机电动机的选型与使用功率和转速电机类型安装和连接操作和维护根据应用需求选择合适的功率选择合适的电机类型，例如直正确安装和连接电动机，并根了解电动机的操作方法，并定和转速功率决定电动机的输流电机、交流异步电机或同步据规格选择合适的安装方式和期进行维护保养，确保电动机出能力，转速决定电动机的旋电机，这取决于应用场景和性连接方式安全可靠运行转速度能要求电动机的维护与检修定期检查清理维护12定期检查电动机是确保其正常定期清理电动机内部和外部的运行的关键检查项目包括灰尘、油污等，保持电动机的润滑油位、冷却风扇运行状况清洁度对于散热风扇，需要、绝缘电阻、接线连接、外壳定期清洁叶片和风道，确保通是否有损坏等风效果故障排除3当电动机出现故障时，需要及时进行排查和维修常见故障包括电机不转、转速过慢、电机过热、噪音过大、振动过强等根据故障现象进行分析，找到故障原因并进行维修本课程的总结与展望本课程涵盖了电动机随着科技的进步，电未来，电动机将朝着的基本构造、工作原动机技术不断发展，更高效、更节能、更理、类型、特性、应新材料、新技术不断智能的方向发展，应用以及维护等方面的应用于电动机制造，用领域将更加广泛，内容例如永磁同步电机、例如新能源汽车、工无刷直流电机等业自动化、智能家居等。