电机的基础理论与制造工艺培训

电机的基础知识与制造工艺培训电动机作为原动机，已广泛应用于各行各业，大至冶金企业使用的上千万瓦的电动机，小至小功率电动机乃至几瓦的微电动机。在各类原动机中，电动机的容量已经超过了总容量的60%。第一部分电机的基础理论电机的定义和作用•电机定义：电机是一种机电能量转换或信号转换的电磁机械装置；•电机的作用：就能量转换功能来看，电机可为发电机和电动机两类。发电机(G)电动机(M)电机的发展迄今为止，电机的发展大体上分为三个时期：一、直流电机的产生和形成时期；•在1821年和1831年，法拉第发现了载流导体在磁场受力现象和电磁感应定律；•在1833年，皮克西利用永久磁铁和线圈之间的相对运动和一个换向装置，制成了一台旋转磁极式直流发电机；•1834~1870年间，凸极式的T形绕组被分布绕组替代，且发电机和电动机合二为一；•1880年，爱迪生提出采用叠片铁心；•1882年，台勃莱兹把米斯巴哈水电站发出的2KW的直流电，用一根长57KM的输电线送到了慕尼黑；二、交流电机的形成和发展时期•1885年，弗拉利斯制作了一台两相感应电机；•1889年，多利伏-多勃罗夫斯基设计制作出三相感应电机；•19世纪80年代的末期出现高速的原动机；•电机理论方面，•1893年左右，开始利用复数和相量来分析交流电路；•1894年，海兰提出“多相感应电机性能图解确定法”，同年，弗拉利斯建立双旋转磁场理论；•交轴磁场理论和双反应理论先后被提出；•19世纪末期，各种交、直流电机的基本类型以及理论，设计方法，大体上建立起来了。三、电机理论、设计和制造工艺逐步达到完善化时期；•电机的理论分析方法得到了进一步的延伸和巩固。对称分量法，双反应通用分析方法，相继建立，克朗的张量方法，统一了整个电机理论；•1920~1940年间，寄生转矩，噪声，震动被提出研究；•1954年，柯伐煦提出空间向量法，1965年，计算机开始被引入电机工程领域；•20世纪70年代，“矢量变换控制”理论提出，同时涌现一大批可控制电机；•80年代以后，永磁无刷电机和开关磁阻电机等新型电机得到了较快发展；•90年代以后，一种场路结合的有限元-状态空间耦合时步法得到应用；电机基本原理和材料一、磁场的基本物理量1.1磁感应强度磁感应强度B表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁感应强度B的大小磁感应强度B的方向与电流的方向之间符合右手螺旋定则。IlFB磁感应强度B的单位:特斯拉(T)，1T=1Wb/m21.2磁通磁通：穿过垂直于B方向的面积S中的磁力线总数。在均匀磁场中=BS或B=/S1.3磁场强度磁场强度H：表示磁场内某点磁场强弱和方向的物理量。磁场强度H的单位：安培/米（A/m)磁通的单位:韦[伯](Wb)1Wb=1T·m21.4磁导率磁导率：表示磁场媒质磁性的物理量，衡量物质的导磁能力。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即：μHB磁导率的单位：亨/米（H/m）磁路：磁通所通过的路径。二、磁路及其基本定律＋u－ΦΦ主磁通漏磁通磁路i2.1全电流安培环路定律沿任何一条闭合回线L，磁场强度H的线积分等于该闭合回线所包围的电流的代数和如果在均匀磁场中，沿着回线L磁场强度H处处相等，则HLiF2.2磁路的欧姆定律作用在磁路上的磁动势F等于磁路内的磁通量Φ乘以磁阻RmLilHdF称为磁动势mRF2.3、磁路的基尔霍夫定律2.3.1磁路的基尔霍夫第一定律12300或闭合面i1i2Φ1Φ2Φ32.3.2磁路的基尔霍夫第二定律3kk11221m12m2mk1WiHlHlHlHRRR2.4、电磁感应定律简单的说电磁感应定律就是变化的电场附近会产生变化的磁场，而变化的磁场附近会产生变化的电场。定义：无论何种原因使的与闭合线圈交链的磁链ψ随着时间t变化时，线圈中将会产生感应电动势eddeNdtdt切割（运动）电动势当磁场和线圈导体之间有相对运动时，使得穿过线圈的磁通随着时间的变化而变化。此时的e叫做运动电动势e=Blv方向由右手定则判定。2.5电磁力定律载流导体在磁场中要受到力的作用，方向用左手定则判定。f=Bil在旋转电机中，作用在转子载流导体上的电磁力将使转受到一个力矩（等于力乘以转子半径），这个力矩称之为电磁转矩。2.6电路定律(1)欧姆定律：u=iR(2)基尔霍夫第一定律（电流定律）∑i=0(3)基尔霍夫第二定律（电压定律）在电路中，对任一回路，沿回路环绕一周，回路内所有元件的电压代数和等于零，即∑u=0。三、制造电机所用的材料3.1概述制造材料主要包括：铁磁材料、导电材料、绝缘材料、结构材料、散热材料、冷却材料、润滑材料等。导电材料：铜、铝。铁磁材料：各种成分的铸钢（电工钢片）。绝缘材料：各种绝缘纸、油性玻璃漆布、有机硅玻璃粘带、酚醛玻璃纤维压塑料······绝缘等级YAEBFHC容许工作温度/℃90105120130155180＞1803.2铁磁材料及其特性3.2.1高导磁性磁性材料的磁导率通常都很高，即r1(如坡莫合金，其r可达2105)。磁性材料能被强烈的磁化，具有很高的导磁性能。磁性物质具有高导磁性是由于内部有很多被强烈磁化的小磁铁。这些小磁铁叫做“磁畴”。磁畴（磁化前）磁畴（磁化后）在外磁场的作用下，磁畴顺着外磁场方向转向，排列整齐，显示出磁性。磁性物质由于磁化所产生的磁化磁场不会随着外磁场的增强而无限的增强。3.2.2磁饱和性BJ磁场内磁性物质的磁化磁场的磁感应强度曲线；B0磁场内不存在磁性物质时的磁感应强度直线；BBJ曲线和B0直线的纵坐标相加即磁场的B-H磁化曲线。OHBB0BJB•a•b磁化曲线当外磁场增大到一定程度时，磁性物质磁畴的磁场方向全部都转向与外部磁场方向一致，磁化磁场的磁感应强度将趋向某一定值，如图。3.2.3、磁滞性磁性材料在交变磁场中反复磁化，其B-H关系曲线是一条回形闭合曲线，称为磁滞回线。磁性材料中磁感应强度B的变化总是滞后于外磁场变化的性质。磁滞回线OHB••••BrHc剩磁感应强度Br(剩磁)：当线圈中电流减小到零(H=0)时，铁心中的磁感应强度。例如:永久磁铁的磁性就是由剩磁产生的；自励直流发电机的磁极，为了使电压能建立，也必须具有剩磁。几种常见磁性物质的磁化曲线a铸铁b铸钢c硅钢片O0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0103H/(A/m)H/(A/m)12345678910103B/T1.81.61.41.21.00.80.60.40.2ababcc按磁性物质的磁性能，磁性材料分为三种类型：铁磁材料软磁材料硬磁材料矩磁材料代表特点代表特点代表特点铸铁、铸钢、硅钢片磁滞回线窄，剩磁Br和矫顽力Hc都小铝镍钴、铁氧体、稀土钴、铝铁硼磁滞回线宽，剩磁Br和矫顽力Hc都大镁锰铁氧体具有较大的矫顽磁力和较大的剩磁，磁滞回线接近矩形，稳定性良好。常用的几种硬磁材料硬磁材料性能指标剩磁Br，矫顽力Hc和最大磁能积【BH】max名称优点缺点铸造型铝镍钴磁性能较高，稳定性较好，价格较便宜材料硬而脆，除磨削和电加工外，无法进行其他机械加工粉末型铝镍钴尺寸较精确，表面很光，可大批量生产磁性能较前者低，且价格较贵；铁氧体Hc很高，抗去磁能力强，价格便宜，比重较小，不需要进行工作稳定性处理Br不大，温度对磁性能影响较大，不适用温度变化大而要求温度稳定性高的场合稀土钴综合磁性能好，很强的抗去磁能力，磁性的温度稳定性较好，其允许工作温度可高达200~250度除电加工外，不能进行其他机械加工，另外材料的价格较贵，制造成本亦高钕铁硼其性能优于稀土钴，且价格较便宜允许工作温度较低，约为120，含有较多的铁和钕，故容易锈蚀。4.1磁滞损耗（pch）由磁滞性所产生的能量损耗称为磁滞损耗(Pch)。磁滞损耗的大小：单位体积内的磁滞损耗正比与磁滞回线的面积和磁场交变的频率f。OHB磁滞损耗转化为热能，引起铁心发热。减少磁滞损耗的措施：选用磁滞回线狭小的磁性材料制作铁心。变压器和电机中使用的硅钢等材料的磁滞损耗较低。选择适当的磁感应强度值以减小铁心饱和程度。四、铁心损耗pFe4.2.涡流损耗（pwh）涡流损耗:由涡流所产生的功率损耗。涡流：交变磁通在铁心内产生感应电动势和电流，称为涡流。涡流在垂直于磁通的平面内环流。涡流损耗转化为热能，引起铁心发热。减少涡流损耗措施：提高铁心的电阻率。铁心用彼此绝缘的钢片叠成，把涡流限制在较小的截面内。4.3.铁耗pFe：铁心中的铁耗等于磁滞损耗和涡流损耗之和。电机的基本结构以及分类一、电机的基本结构YBZXAC转子定子定子绕组机座二、电机的分类2、1按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。2、2电动机按用途划分：驱动用电动机和控制用电动机。2、3电机按磁场产生的原理划分：电机工作原理自然界的运动都是趋向相对稳定的。一、直流电动机U+–NS电刷换向片II注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。工作原理：上下两片电刷静止不动，电压加在电刷上，电流总是从正极性的上电刷流入，经过换向片，到达处于N极下的导体；再经S极下的导体，由负极性的下电刷流出；故当导体轮流交替处于N极和S极下时，导体中的电流将随其所处磁极的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩保持不变。电磁转矩为：aTeICT：电枢电流：每极总磁通量：转矩常数；Iaф:Ct为了减少电枢感应电动势和电磁转矩的脉动，实际电枢绕组由许多线圈串联而成1.1转子（又称电枢）由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。1.2定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。M他励UfIfIaUM并励UIfM串励UM复励U1.3直流电机的特点（1）与异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不如异步机方便，而且要使用直流电源。（2）调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。（3）起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。（4）易于控制。（1）轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。（3）家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具1.4直流电机的应用2.1单相感应电动机二、感应电动机2.1.1结构：铁心由硅钢片冲槽叠压而成。槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。WSTAXA'X'定子绕组转子2.1.2单相电机工作原理图2接线图图3原理图如图2、3所示，电路中加入电容，使两绕组电流相位差约为90°，从而产生旋转磁场，这时电机鼠笼转子导条就会切割磁力线从而产生感应电势，导条中有电流通过，导体与磁场作用产生电磁力，电机转起来，持续供电，电机就按原方向继续转动。由于单相绕组产生的是脉振磁场，当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。2.2三相感应电机三相异步电动机的结构与单相异步电动机相似，其定子铁心槽中嵌装三相绕组（有单层链式、单层同心式和单层交叉式三种结构）。工作原理（1）接通三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。（2）该旋转磁场与转子导体有相对切割运动,根据电磁感应原理,转子导体产生感应电动势并产生感应电流。（3）根据电磁力定律，载流的转子导体在磁场中受到电磁力