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电动机 编辑词条词条保护

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电动机(Electric motor)是把电能转换成机械能的一种设备,它利用通电线圈产生旋转磁场并作用于转子形成磁电动力旋转扭矩。3电动机按工作电源种类不同分为直流电动机和交流电动机,46电力系统中的电动机大部分是交流电动机,可以是同步电机或者是异步电机。交流电动机主要由定子与转子组成,45通电导线在磁场中受力运动的方向与电流方向和磁感线(磁场)方向有关,其基本工作原理遵循电磁感应定律,磁场对电流的力的作用,使电动机转动。3电动机广泛应用于各类场合,如电车、电力机车、风机、水泵和机床等设备的动力源。

电动机历史沿革

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在现代电磁电机出现之前,人们研究了通过静电力工作的实验电机。最初的电机原型是在1740年代由苏格兰僧侣安德鲁·戈登(Andrew Gordon)进行的研究工作中被制造的。美国实验家本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)在实验中研究电的性质,提出电荷守恒定律。电机背后的原理由亨利·卡文迪许(Henry Cavendish)发现,他认为电荷之间的作用力可能呈现与距离的平方成反比的关系,后来该定律由查尔斯-奥古斯丁·德·库仑 (Charles-Augustin de Coulomb)通过实验证明,成为库仑定律。

意大利科学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)于 1799 年发明化学电池,建立了一个能够产生明显电流的电池组,使持续电流的产生成为可能。丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Ørsted)于 1820 年发现电流会产生磁场,磁场可以对磁铁施加力,这是电动机的原理雏形。

受电流磁效应的启发,安德烈-玛丽·安培(André-Marie Ampère)认为两个通电导体之间也一定存在着力的作用,提出安培定则。此后,安培研究了电流对电流的作用,即电X生磁效应,提出了两个电流元之间的作用力与距离平方成反比的公式,即X的安培定律。后来,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)于18X从已有理论中得到灵感,观察到载流导体在磁场中受力的现象,并迅速地研制出了一种早期电机,能够将直流电能转化为机械能。经过多次试验,法拉第于1831年提出了电磁感应定律,并成功发明了世界上X台真正意义上的电动机,尽管这些类似的单极电机直到世纪末仍不适合实际应用。

1831年,美国科学家亨利(Joseph Henry)发明了X台往复式电动机。1832年,英国物理学家威廉·斯特金(William Sturgeon)采用电磁感应原理,发明了X台能够转动机械的换向器直流电动机。16继斯特金的工作之后,美国发明家夫妻托马斯·达文波特(Thomas Davenport)和艾米丽·达文波特(Emily Davenport)制造出首台实用的电池供电直流电动机。这些电机被用于运行机床和印刷机,但由于电池电源成本高昂,电机并未取得商业上的成功。1833年,德国发明家里奇(Wilhelm Reich)设计出X台旋转式电动机。然而电动机离实际应用还需要进一步研究。德国工程师雅柯比(Jacobi)在1835年使用电磁铁代替永磁铁制造了一台电动机,在此基础上,他在三年后又创造出了能够驱动14人坐的小艇的直流电动机,从而推动电动机实用化的发展。

在接下来的几十年里,许多发明家改进了电动机,开发出更高效、更强大的设计。1834年至1870年间,电机研究领域出现了三项关键技术创新。首先,用电磁线圈代替了永磁体。其次,德国科学家西门子兄弟(W.Siemens & C.W.Siemens)在1866年用蓄电池研制出了自励发电机。最后,法国物理学家格拉姆(Gramme)在1870年引入了用于电枢的环形线圈。

一个重要的转折点出现在1864年,当时安东尼奥·帕西诺蒂(Antonio Pacinotti)首次描述了环形电枢,这种对称分布的线圈自身封闭并连接到换向器上,通过换向器的电刷提供非脉动的电流。1871 年,泽诺贝·格拉姆(Zénobe Gramme)重新设计了帕西诺蒂提出的环形绕组,并实现了X台商业应用的环形绕组直流电机。161873年,德国工程师海夫纳·阿尔泰涅克(Hefner Alteneck)发明了鼓形线圈,这大大提高了电线的利用率。1319同年,克拉姆发明了大功率电动机,为其在工业生产中的广泛应用铺平了道路。1880年,美国发明家爱迪生(Edison)发明了一种叠层铁芯,以进一步减少磁芯损耗和降低线圈温度,这种设计一直沿用至今。1886年,英国物理学家霍普金森兄弟(J.Hopkinson & E.Hopkinson)建立了欧姆定律。1891年,直流电枢绕组理论的提出,使电动机的研究和设计更加科学。

交流发电机的发展导致了交流电动机的发明。1825 年,法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈(François Arago)提出了旋转磁场的存在,利用金属圆环的旋转,使悬挂其中的磁针产生了偏转,这一现象展示的就是多相感应电机的工作原理。1832年,俄国物理学家楞茨(H.F.E.Lenz)建立了楞茨定律,弄清了电动机和发电机的可逆性。14151879 年,英国人拜依莱(Walter Baily)采用依次变动4个磁极上的励磁电流的方法,首次用电的方式获得了旋转磁场。161882年,南斯拉夫裔美国物理学家尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)开始研究交流电动机,提出了旋转磁场的原理,并制造了异步交流电动机模型。1883年,霍普金森发明了同步电动机。1885年,意大利物理学家费拉里斯(Lilio Ferraris)提出两相交流感应电动机的模型。1886年,特斯拉制成了曲相绕线式交流异步电动机模型。1888年,特斯拉发明了交流电动机,又称感应电动机。

1891年,在法兰克福展览会上,德国工程师多利沃(Dolivo)演示了使用他发明的带有大旋转磁场的三相感应电动机进行长距离电力传输,这种类型的电机随后在欧洲和美国大量生产和广泛使用。1415通用电气公司和西屋公司积极参与三相感应电动机的研制,两家公司于 1896 年签署了感应电动机专利的交叉许可协议,进一步加快了三相感应电动机的商业应用进程。三相电动机因结构简单,工作可靠而得到了大量应用。到 20 世纪初交流三相制在电力工业中已占据X的X地位。

电动机常用分类方式

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按工作电源种类

按工作电源种类分类
电动机 直流电动机 直流电动机是通以直流电流驱动的旋转电动机,是将电能和机械能相互转换的设备;与交流电动机相比,直流电动机具有调速性能良好、启动转矩较大和过载能力较强等很多优点,但结构复杂、成本高、运行维护较困难;
交流电动机 交流电动机是通以将交流电的电能转变为机械能的装置;交流电动机是根据交流电的特性,在定子绕组中产生旋转磁场,然后使转子线圈做切割磁感线的运动,使转子线圈产生感应电流,感应电X生的感应磁场和定子的磁场方向相反,才使转子有了旋转力矩;21交流电动机的工作效率较高、结构简单、制造方便、价格便宜、维护费用低、对环境要求低;

按结构和工作原理

按结构和工作原理分类
直流电动机 无刷直流电动机
有刷直流电动机 永磁直流电动机 稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机、铝镍钻永磁直流电动机
电磁直流电动机 串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机、复励直流电动机
交流电动机 同步电动机 永磁同步电动机、磁阻同步电动机、磁滞同步电动机
异步电动机 感应电动机 三相异步电动机 鼠笼式异步电动机、绕线式异步电动机
单相异步电动机
交流换向器电动机 单相串励电动机、交直流两用电动机、推斥电动机

其他分类方式

其他常用电动机分类方式
分类方式 具体分类
按启动与运行方式划分 电容启动式单相异步电动机
电容运转式单相异步电动机
电容启动运转式单相异步电动机
分相式单相异步电动机
按电动机的用途划分 驱动用电动机 电动工具用电动机、家电用电动机、其他通用小型机械设备用电动机
控制用电动机 步进电动机和伺服电动机
按转子的结构划分 笼型感应电动机(鼠笼型异步电动机)
绕线转子感应电动机(绕线型异步电动机)
按运转速度划分 高速电动机
低速电动机 齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机
恒速电动机
调速电动机 有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机

电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机、开关磁阻调速电动机

电动机组成结构

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定子

定子是电动机的静止部分,作用是给绕组转动的区域提供一个稳定磁场并作为电机的机械支撑。直流电动机的定子由主磁极、机座、换向极、端盖、轴承及电刷装置等组成。4交流电动机的定子由机壳、定子铁芯、定子绕组三部分组成。

主磁极

主磁极的作用是产生恒定的主磁场,由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部称为极身,下部称为极靴。极靴的作用是减小气隙磁阻,使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常用低碳钢片冲压叠成,其目的是减小励磁涡流损耗。

机座(机壳)与端盖

机座由铸钢或厚钢板制成,作用是为电动机提供机械支撑和承载磁场绕组产生的磁通量,同时作为各磁极间的磁路。428直流电动机的机座(磁轭)是磁路的一部分,机座内安装主磁极和换向磁极。交流电动机的机壳内圆中固定着铁芯,机壳的两头端盖内固定轴承,用以支承转子。6机座的两端各有一个端盖,用于保护电机和防止触电。29端盖固定在机座上,主要起支撑作用,其上放置轴承支撑直流电机的转轴,使直流电机能够旋转,一般为铸钢件。

换向极

换向极又称为附加极或间极,其作用是产生附加磁场,改善直流电机的换向,减少电刷与换向器之间的火花。它装在相邻两个主磁极之间,由换向极铁芯和换向极绕组构成。换向极铁芯比主磁极的简单,一般由整块钢或钢板加工而成;换向极绕组与电枢绕组串联。

电刷装置

电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆及刷杆座等部件组成,29其作用有两个,一是使转子绕组与电动机外部电路接通;二是与换向器配合,完成直流电动机外部直流电与内部交流电的互换。

定子铁芯和定子绕组

定子铁芯由 0.35~0.5 mm厚的圆环形硅钢片叠压制成,以提供磁通的通路。铁芯内圆中有均匀分布的槽,槽中安放定子绕组。定子绕组是电动机的电流通道,一般由高强度聚酯漆包铜线绕成。三相异步电动机的定子绕组有3个,每个绕组由若干个线圈组成,线圈与铁芯间垫有青壳纸和聚酯薄膜以绝缘。

转子

转子是电动机的旋转部分。直流电动机的转子又称为电枢,其作用是产生电磁转矩和感应电动势,以实现能量转换,包括转子(电枢)铁芯、转子(电枢)绕组、换向器、转轴和风扇等。交流电动机的转子结构可分为笼形(以前称鼠笼形)和绕线形两类。笼形转子较为多见,主要由转轴转子铁芯、转子绕组等组成。

电动机

转子铁芯

电枢铁芯是电机主磁路的一部分,电枢铁芯圆周上有均分布的槽里面可嵌入电枢绕组。为了减少电机旋转时由于铁芯中的磁通方向发生变化引起的涡流损耗和磁滞损耗,电枢铁芯通常用0.35~0.5mm 厚的表面涂有绝缘层的硅钢片冲压叠成,固定在转子支架或转轴上。428交流电动机的转子铁芯通常在硅钢片外圆上冲有若干个线槽,用以浇制转子笼条。

转子绕组

直流电动机中电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩,从而实现电能和机械能的相互转换,它是由许多形状相同的线圈按一定的排列规律连接而成。每个线圈的两个边分别嵌在电枢铁芯的槽里,在槽内的这两个边称为有效边。

交流电动机中转子绕组是按一定规律绕制和连接起来的线圈组,转子绕组可分为笼型和绕线型两种,笼型异步电动机转子绕组有铜条和铝铸两种形式,将转子铁芯的线槽内浇铸铝质笼条,再在铁芯两端浇铸两个圆环,与各笼条连为一体,就成为铸铝转子。

换向器

换向器又称为整流子,由换向片组合而成,是直流电机的关键部件,29它与电刷配合,在直流电动机中能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。

转轴和风扇

转轴一般用中碳钢制成,两端用轴承支承,转子铁芯和绕组都固定在转轴上,在端盖的轴上装有风扇,帮助外壳散热。

电动机工作原理

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直流电动机工作原理

直流电动机具有把电能转化为机械能的能力,它的基本原理是根据电磁感应定律,在特定的情况下,被电磁力驱动的通电导体会在磁场环境下移动。N、S是一对固定的磁极,也就是定子,它把外部直流电源的正极附于电刷A上,而把负极附于电刷B上,这样,线圈就会产生电流。从左手螺旋定律中可以看出:由于电磁力的作用,导线ab和cd产生的扭矩是相同的。这个力矩是逆时针的,所以电枢就会沿着该方向转动。

直流电动机通过换向器和电刷来使得电枢绕组中的电流在交变的方向上流动,但是由电枢所引起的电磁场的转动是不会改变的,这保证了电机在一定的角度上持续地转动。直流电动机的工作机理是通过外部施加的电压使其在导线内产生电流,而在磁场中,负载导线会受到电磁力的影响,但因换向器的干预,确保了电机的转矩保持恒定,从而实现了直流电机的持续转动,将直流电力转化为机械能量输出。

交流电动机工作原理

交流电动机也具有能量转换的能力,它的基本原理也是根据电磁感应定律,通过产生旋转磁场和感应电动势等相互作用过程,将电能转化为机械能,以同步交流电动机和感应电动机为例介绍其工作原理。

感应电动机原理

如三相异步电动机在正常运转时,其转速总是低于同步转速,因而成为异步电动机,又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的,所以称为感应电动机。632其定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组,当通电于交流电动机的定子绕组时,会在定子内部产生一个恒速旋转的磁场,称为旋转磁场,它是异步电动机工作的基本条件。产生在空间旋转合成磁场,其方向与电流相序一致,磁场转速(同步转速)与电流频率有关。静止的转子绕组与定子旋转磁场之间相对运动,在转子绕组中产生感应电动势,并在形成闭合回路的转子绕组中产生感应电流,转子电流在旋转磁场中受到磁场力的作用在转轴上形成电磁转矩,从而驱动电机转子转动。电磁转矩的方向与旋转电动势同方向,转子便在该方向上旋转起来。

同步电动机原理

同步电动机的工作原理是通过定子旋转磁场的转速和转子的磁场转速相等来实现恒速运转。气隙的旋转磁场与转子励磁磁场之间存在一空间角度,两者相互吸引,拉着转子同方向、等速地旋转。只要转子轴上的负载转矩小于定子、转子磁极间的吸力产生的转矩,电机就能以恒定转速稳定运转。由于旋转磁场与转子的恒定磁场在空间相对静止,故在两磁极的气隙间形成的磁场实际上是旋转磁场与转子的恒定磁场两磁通综合而成的合成磁场。

由于旋转磁场与转子的恒定磁场在空间相对静止,故在两个磁场之间形成的磁场实际上是旋转磁场与转子磁场两磁通综合而成的合成磁场。电机中定子旋转磁场的磁动势称为电枢磁动势,由直流励磁电流所产生的转子磁动势称为励磁磁动势,两种磁动势以同步转速旋转,在空间相对静止,但也存在一个如上所述的空间角度。当转子轴上的负载或励磁发生变化时,可造成空间角度的变化,但是电机的转速始终与定子旋转磁场的转速保持同步不变,这也是同步电动机名称的由来。

相关公式定理

磁感应强度

电动机的工作原理公式基于法拉第电磁感应定律。3反映磁场强弱的物理量为磁感应强度(Magnetic Induction),用矢量B来表示,定义为:B=Fm/qv,磁场中某点的磁感应强度,在数值上等于单位正电荷以单位速度通过该点时所受到的最大磁场力,其方向根据右手螺旋定则,由正电荷q在该点所受的最大磁力F和速度的方向来确定。

洛伦兹力

这样,以实验为基础定义该描述磁场的物理量,即磁感应强度。按照这种定义,有关系式Fm=qv × B,此即运动电荷的洛伦兹力公式。在国际单位制中,按上述定义,磁感应强度的单位定为N /A·m,用特斯拉(T)表示。

安培定律

安培定律是电动机的基本原理,磁场对载流导线的作用力即磁力,通常称为安培力,其基本规律是安培由大量实验结果总结出来的,故称为安培定律,内容如下:将一载有电流I的小段导线dL,即电流元IdL置于磁场B中,将受到磁场的作用力dF,dF的大小与电流I、电流元的长度dL、磁感应强度B的大小以及与IdL和B间夹角的正弦成正比,即dF=kdLIBsinθ。dF的方向垂直于IdL与B所组成的平面,指向按右手螺旋法则确定,即dF的方向为IdL × B的方向。式中θ为电流元IdL与磁场B的夹角,在国际单位制中k=1,把上式写成矢量式dF =ldL × B,计算一给定载流导线在磁场中所受的安培力时,必须对各个电流元所受的力dF求矢量和,即F=BLI。

力矩计算

边长分别为L1、L2刚性矩形线圈置于磁感应强度为B的均匀磁场中,电流为I。当线圈磁矩的方向en与磁场B的方向成角度φ(线圈平面与磁场的方向成θ角,φ+θ=π/2)时,由安培定律知导线BC和DA所受的安培力的大小分别为F1=BIL1sin(π-θ)和F2=BIL1sinθ。这两个力在同一直线上,大小相等,方向相反,其合力为零。而导线AB和CD都与磁场垂直,它们所受的安培力分别为F3和F4,其大小为F3=F4=BIL2,F3和F4大小相等,方向相反,但不在同一直线上,形成力偶,会产生旋转。因此,载流线圈所受的磁力矩M为:M=BISsinφ,其中,S=L1L2,表示线圈所围面积。

性能

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常用性能指标

  1. 功率(W或kW):功率是指电动机运行时轴端输出的机械功率。
  2. 功率密度(W/Kg或kW/Kg):功率密度是指单位体积或单位重量的电动机所能输出的最大功率。
  3. 电压(V):电压是指外加于线端的电源线电压。
  4. 电流(A):电流是指电动机运行时电枢绕组(或定子绕组)的线电流。
  5. 频率(Hz):频率是指电动机运行时电枢(或定子侧)的频率。
  6. 转速(r/min):转速是指电动机运行时,电动机转子的转速。
  7. 效率(%):电动机的效率是电机的有功输出功率和有功输入功率之比,通常用百分数表示。
  8. 功率因数(cosΦ):交流电动机的有功功率与视在功率之比称为功率因数。
  9. 温升(K):电动机在满负荷下运行,待发热稳定后,定子(转子)线圈比环境温度高出的强度称为温升。
  10. 转矩(N·m):电动机在工作时轴上的扭力称为电动机的转矩。在一定的转速下,转矩越大,输出功率也越大。

运行情况

当电动机在额定运行情况下输出额定功率时,称为满载运行,这时电动机的运行性能、经济件及可靠性等均处于优良状态。输出功率超过额定功率时称为过载运行,这时电动机的负载电流大于额定电流,将会引起电动机过热,从而缩短电动机使用寿命,严重时甚至烧毁电动机。电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行,轻载运行时电动机的效率、相功率因数等运行性能均较差,电动机应尽量避免轻载运行。

性能比较

各种电动机的性能比较
直流电动机 感应电动机 永磁电动机 开关磁阻电动机 双凸极永磁电动机
功率密度 较高
过载能力 一般 较好
效率 较高
寿命 一般
转速范围 较宽 较宽 很宽 很宽
功率范围 很宽 很宽
可靠性 一般 较好
结构的坚固性 较好 一般
转矩/电流比 一般 一般 最高
电动机外形尺寸
电动机质量
控制操作性能 很好 很好 很好
驱动控制系统成本 一般 一般
电动机成本 很贵 一般 一般
转矩/惯量比 一般 一般 较高 最高

相关应用

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电动机是一种将电能转换成机械能,并输出机械转矩的动力设备。一般电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。4142直流电动机其有良好的起动和调速性能且过载能力大等特点,适用于需要在宽广范围内平滑调速的场所,如电车、电力机车、轧钢机、起吊设备及有特殊运行要求的自动控制系统中。

同步电动机和异步电动机有不同的优点和应用场景。同步电动机适用于要求长期连续工作、转速保持不变的大功率负载场合(如X式和离心式水泵、离心式通风机等),但制造工艺复杂且不能自行起动。一般用于驱动不需要调速的大型机械设备,如大型空压机、球磨机、风机、水泵等,小功率同步电动机也常应用于控制领域。同步电动机着采用变频电源供电,也可以调速运行。

异步电动机中,单相电动机适用于功率较小的设备,如日常生活、医疗器械和某些工业设备上的动力源。三相异步电动机,特别是鼠笼式异步电动机,则具有结构简单、坚固耐用、维护方便、起动容易以及成本较低等优点,广泛用于工业系统做电力驱动设备,例如各类机床、水泵、风机、起重设备、加工设备等的动力源。它也存在一些缺点,如转速不易调节,起动性能较差,所以对起动和调速要求较高的场合,异步电动机不如直流电动机。另外,异步电动机必须由电网供给激磁电流,增加了电力系统的无功负担,造成系统的功率因数下降,为了改善功率因数常采用同步电动机。虽然调速特性和功率因数方面略逊于直流电动机和同步电动机。因此在一般应用场合下仍是应用最广泛的电动机。

发展趋势

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  1. 大电机:大型交流电动机的容量等级不断增大,技术含量、产品性能、质量和可靠性不断提高,普通基本系列的大型电机将逐步取代大型直流轧钢电机,大力发展高技术含量、不同防护等级和冷却方式的特种专用大型电机替代进口产品。
  2. 中、小电机:产品向多用途、多品种、多适应性方向发展,高效节能电机、机电一体化电机迅速发展,可靠性高、寿命长、噪声低、重量轻、外形美观的电机受到重视。
  3. 分马力电机:产品向特殊用途、高性能、机电一体化、永磁直流方向发展。发展满足负载需要的专用分马力电机,向机电一体化、智能化和组合化方向发展,制造技术向自动化方向发展。
  4. 微电机:产品向高性能、轻薄短小化、永磁化、无铁心化、无刷化、机电一体化、智能化、组合化发展。生产技术向集成化、柔性化、自动化、专业化以及生产协作配套网络化发展,测试技术向高效和自动化发展。

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