【正文】 電機(jī)基本知識 電機(jī)的概念與分類 1． 電機(jī)概念 電機(jī) 是借助于 電磁原理 （原理） 工作的 能量轉(zhuǎn)換 （功能） 設(shè)備。 只 有給電機(jī)輸入能量，它才會輸出能量，并且 在其 輸入和輸出 的能量 中至少應(yīng)該有一 方 是 電能。 可見 “電機(jī)”一詞本質(zhì)上是 電磁機(jī) 的簡稱。 2．電機(jī)種類 電機(jī)分類方法很多，這里按其功能以及電 能性質(zhì)等綜合地將其分成以下種類： 變壓器 ：是 利用電磁原理 將交流電能轉(zhuǎn)換成同頻 但電壓等級不同的 交流電能的設(shè)備。 發(fā)電機(jī) ：是 利用電磁原理 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的設(shè)備。 其中， 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流 電能 的發(fā)電機(jī) 稱為 直流發(fā)電機(jī) ； 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成 交流 電能 的發(fā)電機(jī) 稱為 交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)又可分成同步發(fā)電機(jī) （ 轉(zhuǎn)速pfnn 601 ??同步速 ） 和 異步發(fā)電機(jī) （ 轉(zhuǎn)速 1nn? 同步速 ） ，實際中以同步發(fā)電機(jī)最為通用，而異步發(fā)電機(jī)則很少使用。 電動機(jī) ：是 利用電磁原理 將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的設(shè)備。它可分成 直流電動機(jī) 與交流電動機(jī)。交流電動機(jī)又可分成 異步電動機(jī) （ 轉(zhuǎn)速 1nn? 同步速 ） 和 同步電動機(jī) ，實際中以異步電動機(jī)最為普及，同步電動機(jī)相對較少。 無論發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)都與機(jī)械能有關(guān)，這就要求它們的結(jié)構(gòu)中有運動部件，為降低這兩類電機(jī)的制造成本，運動部件通常都作旋轉(zhuǎn)運動，稱為 轉(zhuǎn)子 ；相應(yīng)地固定部件就稱為 定子 ；而把發(fā)電機(jī)和電動機(jī)統(tǒng)稱為 旋轉(zhuǎn)電機(jī) 。變壓器不涉及機(jī)械能，所以它是靜止電 器。 要點：電機(jī)的基本作用原理是電磁原理，作用是能量轉(zhuǎn)換；各類電機(jī)的具體功能。 二、電機(jī)的 損耗 、發(fā)熱與冷卻 電機(jī)是能量轉(zhuǎn)換設(shè)備而非能源，所以應(yīng)該用單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的能量即 功率 來度量。其中，單位時間內(nèi)輸入電機(jī)的能量稱為 輸入功率 ，用 P1表示；單位時間內(nèi)電機(jī)輸出的能量稱為 輸出功率 ，用 P2表示。 P1與 P2的差值稱為 功率損耗 ，用 Δ P或 p? 表示，即有 Δ P= 21 PP? ，功率損耗乘以工作時間就是 能量損耗 ，這兩種損耗通常不加區(qū)分地統(tǒng)稱為電機(jī)的 損耗 。 P2與 P1的比值稱為電機(jī)的效率 ，用η表示，即有η = 12/PP 。電機(jī)工作時一般總有損耗，故 Δ P＞ 0、η＜ 1。 P P Δ P、η均隨電機(jī)工作狀態(tài)改變而變化，它們是時變函數(shù)，但實際問題往往針對特定狀態(tài)提出，按它們有確定值來分析。 工作時所產(chǎn)生的各種損耗都轉(zhuǎn)變成熱能，將會導(dǎo)致電機(jī)的 溫 度 升 高，此即 發(fā)熱 的一方，發(fā)熱量與電機(jī)工作方式有關(guān)，為一確定數(shù)值；另一方面，電機(jī)表面又會向低溫的周圍環(huán)境 散熱 ，散熱量與 溫升 成一比例系數(shù)（稱為散熱系數(shù)）。因此，在電機(jī)工作之初，散熱量為零，溫度升高最快；然后隨著 溫度升高，散熱量將不斷增大，溫度上升變慢；如果工作時間足夠長，最終將達(dá)到散熱量等于發(fā)熱量的動態(tài)平衡，此后溫度停止升高而保持在穩(wěn)定值?？梢姡嵯禂?shù)越大，溫升速度就越慢，穩(wěn)定溫升也越低，這對絕緣有利。分析表明：在自然條件下，散熱量與電機(jī)單位容量的電機(jī)基本知識 2 表面積成正比，而單位容量的表面積與電機(jī)的容量成反比，因此，小容量電機(jī)自然散熱能夠滿足絕緣要求，而大容量的電機(jī)在自然散熱時的溫升往往會超過絕緣允許的限值，這就需要 冷卻 。所謂冷卻是指提高散熱系數(shù)的人為措施，一般通過適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)來實現(xiàn)冷卻，常用的冷卻介質(zhì)有空氣、氫氣和水。 要 點：各種功率和冷卻的含義 三、 電機(jī)的結(jié)構(gòu)與制造材料 1．電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu) 電機(jī)的 功能 是由其 電磁結(jié)構(gòu) 決定的。電機(jī)的 電磁結(jié)構(gòu) 由 一條主磁路 和與它相匝鏈的 兩條或兩條以上電路 組成。電機(jī)種類不同，其主磁路和電路的結(jié)構(gòu)就有所不同。 電機(jī)的損耗主要產(chǎn)生在其電磁結(jié)構(gòu)部件中，即繞組的 銅耗Cup 和鐵心的鐵耗 Fep 。此外，在繞組、機(jī)座以及絕緣材料中會產(chǎn)生數(shù)量不大但難于精確計算 的 附加損耗 adp ；旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動部件中還會產(chǎn)生摩擦損耗，稱為 機(jī)械損耗 p? 。 （ 1） 主磁路 ：是指主磁通 ? 的路徑 主 磁 通漏 磁 通 BXCYAZ （ a）變壓器磁路 （主磁路和 漏磁路 ） （ b） 異步電動機(jī)主 磁路 圖 02 電機(jī)中的磁路 變壓器的主磁路為 閉合鐵心 。 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的主磁路 ， 除定、轉(zhuǎn)子鐵心外，還包含兩段氣隙。當(dāng)磁通恒定時，鐵心可用整塊鋼鐵材料制作；當(dāng)磁通隨時間交變時，鐵心中將產(chǎn)生 磁滯損耗 和 渦流損耗 ，兩者合稱為 鐵耗 ，此時鐵心就必須用表面絕緣、厚度為 或 的硅鋼片疊壓成形。雖然直流和同步電機(jī)磁極鐵心中的磁通是恒定的，但由于開槽的影響，磁極表面受齒諧波磁場影響而產(chǎn)生鐵耗，故這類電機(jī)的磁極鐵心也要用厚度為 1~3mm 的厚鋼片疊裝。 電機(jī)磁路的特點是：它由導(dǎo)磁性能極好的鐵磁性材料和空氣、絕緣材料等導(dǎo)磁性能很差的非磁性材料構(gòu)成，因此，在兩種材料界面 處磁力線垂直與鐵磁材料表面，常分為主磁路和漏磁路。 （ 2） 繞組 繞組 是電機(jī)電路的核心部分，它一般是用帶絕緣的導(dǎo)體（主要用銅）繞制而成的線圈或線圈組合。 繞組的作用有流通電流、產(chǎn)生磁場、感應(yīng)電動勢、承受一定的電壓電流和功率。繞制而成的線圈或線圈組合。 一臺電機(jī)至少有兩個繞組 。 繞組可分成開啟式和閉合式兩類。開啟式繞組的特點是每個繞組都有兩個引出線端頭，用來電 路1電 路2主 磁 路? 圖 0– 1 電機(jī)一般結(jié)構(gòu) 電機(jī)基本知識 3 與外部電源或負(fù)載相接，以實現(xiàn)電能的輸入或輸出。閉合繞組是將各線圈串聯(lián)成一個閉合回路，形式上屬于分布繞組，它沒有出線端而通過電刷與換向器的接觸，經(jīng)電刷與外部電路接 通。電流在繞組電阻上引起的損耗稱為銅損耗，簡稱 銅耗 。此外，對旋轉(zhuǎn)電機(jī)而言，起機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心作用的繞組稱為 電樞繞組 ，它指同步電機(jī)的定子繞組與 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。 繞組的電路表示 ：用 繞組 內(nèi)阻與電動勢的串聯(lián)支路表示。電動勢同時還反映了主磁路 （通）和漏磁路 （通） 的影響 ，即主電動勢 e （主磁通感應(yīng)的電動勢） 和漏電動勢 e? （漏磁通感應(yīng)的電動勢） 。 其中， 主 電動勢 存在于除勵磁繞組外的一切繞組中 （變壓器一、二次繞組；異步電動機(jī) 定、轉(zhuǎn)子繞組；同步電機(jī)定子繞組和直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，兩者統(tǒng)稱為電樞繞組） ； 漏電動勢 只存在于交流繞組中 ； 勵磁繞組（同步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和直流電機(jī)的定子繞組，通入直流電的直流繞組）中，既無漏電動勢、也無主電動勢，即其等效電路為電阻電路。 因此，電機(jī)最終可簡化為電路分析與計算。 irue?????(a)交 流 繞 組 IaRUaE??(b)直 流 電 樞 繞 組 fIfRU??(c)勵 磁 繞 組 圖 0–3 繞組的電路表示 2．不同類 型電機(jī)的 電磁結(jié)構(gòu)特點 ⑴ 變壓器 主磁路：閉合的鐵心 電路：兩個繞組套在鐵心上（同時匝鏈主磁通），其中一次繞組（接電源的繞組）輸入交流電能，二次繞組（接負(fù)載的繞組）輸出交流電能。一、二次均為交流電路。 一 次 電 路 二 次 電 路( a ) 變 壓 器 電 路1u1i1r1e1e????? LZ2u2i2r2e2e?? 定 子 電 路 轉(zhuǎn) 子 電 路( b )異 步 電 動 機(jī) 電 路1u1i1r1e1e?2u2i2r2e2e? 圖 0–4 各種電機(jī)的電路 ⑵ 異步電動機(jī) —— 轉(zhuǎn)速1 60 fnnp??同 步 速的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī) 主磁路：定、轉(zhuǎn)子鐵心 +2 段氣隙 定子繞組接交流電源（定子為交流 電路）；轉(zhuǎn)子繞組短路（ 2 0u? ），但是轉(zhuǎn)子電動勢是交流，故轉(zhuǎn)子也是交流電路。 電機(jī)基本知識 4 ⑶同步電機(jī) —— 轉(zhuǎn)速1 60 fnnp??同 步 速的交流旋轉(zhuǎn)電機(jī) 主磁路：定、轉(zhuǎn)子鐵心 +2 段氣隙 定子繞組（也稱電樞繞組）接交流電源（ 同步 電動機(jī)）或輸出交流電（ 同步 發(fā)電機(jī)），定子是交流電路；轉(zhuǎn)子繞組（勵磁繞組）接直流電源，故轉(zhuǎn)子是直流電路。 FIfU勵 磁 電 路 電 樞 電 路( c )同 步 電 機(jī) 電 路MI發(fā) 電 機(jī)電 動 機(jī)fIfR?? LZUrE??? MIFI( d )直 流 電 機(jī) 電 路f勵 磁 電 路 電 樞 電 路發(fā) 電 機(jī)電 動 機(jī)ffR LRUaRaE?? 圖 0–4 各種電機(jī)的電路 ⑷直流電機(jī) 主磁路：定、轉(zhuǎn)子鐵心 +2 段氣隙 定子繞組（也稱勵磁繞組）接直流電源，定子是直流電路；轉(zhuǎn)子繞組（電樞繞組）接直流電源（ 直流 電動機(jī)）或輸出直流電（ 直流 發(fā)電機(jī)），故轉(zhuǎn)子也是直流電路。 要點：主磁路的構(gòu)成，鐵心疊裝的場合與目的；繞組的組成、對外聯(lián)系方式（完整電路）。 3．電機(jī)的制造材料 （ 1）導(dǎo)電材料 —— 銅（鋁、銀） （ 2）導(dǎo)磁材料 —— 鋼鐵 （ 3）絕緣材料 —— 天然材料（紙張、油漆、麻布），目前主要用有機(jī)合成材料（塑料） 絕緣材料是電機(jī)中耐熱性最差的材料，如果溫度超過材料允許 的最高溫度，則材料的絕緣性能等物理、化學(xué)性能將快速下降。為此對絕緣材料分級規(guī)定，見下表。 耐熱（絕緣）等級 （ Y） O A E B F C H 最高允許溫度（℃） 90 105 120 135 155 180 ＞ 180 最高允許溫升 ? 最高允許溫 度 － 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（ 40℃ ） 四、 磁路 1． 磁路 概念 磁路是磁場能量產(chǎn)生、傳輸和消耗的路徑，簡單地說，磁路是指磁通的路徑。 磁路是研究磁場問題的簡化方法，這就像電路是研究電場問題的簡化方法一樣，因此，磁路與電路具有很多 相同之處，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、磁路計算方法也與電路有相似之處和類比關(guān)系。 磁