发电机与电动机

1、1) 了解三相异步电动机的基本结构、工作原理。2）了解三相异步电动机的机械特性，掌握起动、调速、反转和制动。3）了解车用交流发电机。4）了解直流电机的基本结构和工作原理。5）了解直流并励、他励、串励电动机的机械特性及其应用。6）了解直流电动机的起动、反转和调速。实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。机械能电能发电机电动机直流电动机的最大特点优良的调速性能起动转矩也比较大生产成本较高需要使用直流电源维护要求较高应用：轧钢机、龙门刨床等主传动机构某些电力牵引和起重设备电车及电力机车 异步电动机构造简单、价格便宜、工作可靠、使用维护方便应用：应用：金属切削机床、起重机、传送带、功率不大的水泵

2、、通风机在全国电动机总容量中有85以上是三相异步电动机。笼型电机的各部件0.5mm厚机座：铸铁或钢板焊接机座：铸铁或钢板焊接支撑铁心和固定电机支撑铁心和固定电机装有三相绕组的定子定子绕组定子绕组接线盒接线盒。通常。通常联结联结电机容量电机容量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4XAZBYCAXZXYBCACBZY笼型笼型 转子转子: 在旋转磁场作用下，在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流产生感应电动势或电流,产生旋转力矩转轴转子铁心转子绕组0.5mm的硅钢片叠压笼型转子笼型转子(1)笼型转子笼型转子 铁芯槽内放铜条，端铁芯槽内放铜条，端 部用短路环形成一体。部用短路环形成一体。 或铸铝

3、形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。(2) 绕线式转子绕线式转子三相转子绕组通常连接成星形，即三个末端连在一起，三个首端分别与转轴上的三个滑环（滑环与轴绝缘且滑环间相互绝缘）相连，通过滑环和电刷接到外部的变阻器上，以便改善电机的起动和调速性能。绕线式转子绕组与外接变阻器的连接CiAXCZBYAiBiiCiAiBitmIo4.2.1旋转磁场的产生iCiAiBitmIo0n规定规定 i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。 AYCBZX()电流出电流出( )电流入电流入三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生

4、旋转磁场；（动画1，动画2）CiBiAii tAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0 t 60t 0n60 90t 600mIoSNSNAAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：即：1、0t 60t 任意调换两根电源进线任意调换两根电源进线NSNSBiAXBYCZAiCiCYABCXYZAXBZAiBiCiX A AXBYB Y CC ZZ 极对数极对数2p动画动画旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关CYABCXYZAXBZAiBiCiAX XNSZ CZBYB Y

5、A C SNBiCiAiimIt 01160 (/nf转 分 ）工频：工频：Hz501 f13000 (/n 转 分 ）p=1时时0mICiBiAi tiomINSAXYCBZNSAXYCBZNSAXYCBZNSX NSA X ABZCYZ C Y B SN0t 60tp=2时时BiCiAiit mI011601500 (/2fn 转 分）1n30AX XZ CZBYB Y A C NSNS1160 (/)fnp转 分2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速)f(Hz501 3p120分

6、）转/( 00014p分分）转转/( 75090旋转磁场转速旋转磁场转速 与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。AXYCBZ1160 (/fnp转 分）BlvBliFnF1nNS1nn如果如果:1nn%s)91( 转子转速亦可由转差率求得转子转速亦可由转差率求得1(1)nns11100%nnsn 例例1 1：一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率，电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。极对数和额定负载下的转差率。解：解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转根据异步电动机转子

7、转速与旋转磁场同步转速的关系可知：速的关系可知：n1=1000 r/min , 111000975100%100%2.5%1000nnns 磁极数磁极数( 极对数极对数 p = 2 )例如：例如： Y 132 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座长度代号机座中心高（机座中心高（mm）三相异步电动机三相异步电动机例如：例如：380/220V、Y/ 是指线电压为是指线电压为 380V 时时 采用采用 Y联结联结；线电压为；线电压为 220V 时采用时采用 联结联结。电动机在额定运行时定子绕组的电动机在额定运行时定子绕组的 表示星形表示星

8、形联结联结下电机的线电流为下电机的线电流为 6.73A；三角形；三角形联结联结下线电下线电流为流为 11.64A。两种接法下相电流均为。两种接法下相电流均为 6.73A。12PP cos3NN1IUP 笼型电机笼型电机 =7293额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率，它不等于从电源吸取的电功率 P1。PN 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高

9、。额定负载时，功率因数最高。 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cos O 0N0Nnnns 额额定定转转差差率率22Tcos IKT 常数，与电常数，与电机结构有关机结构有关旋转磁场旋转磁场每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的功率因数功率因数ilBF 22cos, , IT 21220222)(UsXRsRKT 22 cos IKTT 21220222)(UsXRsRKT 21UmaxTmSNSOTS曲曲线线)(sfT 曲曲线线)(Tfn 根据转矩公式根据转矩公式22022212)(sXRUsRKT 得特性曲线：得特性曲线：N

10、nmaxTstTOnTNT0n动画动画stT1NT动画动画NnNT)/()(9550NNN分分转转千千瓦瓦nPT OnT0n(N m) 如某普通机床的主轴电机如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型型) 的额定功的额定功率为率为7.5kw, 额定转速为额定转速为1440r/min, 则额定转矩为则额定转矩为nPnPT9550602 m.N7 .4914405 .795509550NNN nPT21220222UsXRsRKT)(2021max2XUKT 0dd ST令：令：求得求得202mXRss 临界转差率临界转差率On0nTmax将将sm代入转矩公式，可得代入转矩公式，可得 max121m

11、ax, )1(TUUT2021max2 XUKT NmaxTT 一般三相异步电动机的过载系数为一般三相异步电动机的过载系数为2 .28 .1 12 II(2) sm与与 R2 有关，有关， R2 sm n 。绕线式电。绕线式电机改变转子附加电阻机改变转子附加电阻R 2 可实现调速。可实现调速。 22022212)(sXRUsRKT 22022212stXRURKT 电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。起动时起动时n= 0 时时，s =1 st121st, ) 1 (TUUT(2) Tst与与 R2 有关，有关， 适当使适当使 R2 Tst 。对绕线式。对绕线式 电机改变转子附加电阻电机改变

12、转子附加电阻 R 2 , 可使可使Tst =Tmax 。体现了电动机带体现了电动机带载起动的能力。载起动的能力。 0nOnTNststTTK 起动能力起动能力T2 sT2 TT =T2n T T 2达到新的平衡达到新的平衡T20nnTOn问题：问题：。 一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的4 7 倍倍; 电动机的起动电动机的起动 7.5千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。动。星形星形-三角形三角形(Y ) 换接起动换接起动自耦降压起动自耦降压起动转子串电阻起动转子串电阻起动以下介绍降压起动和转子串电阻起动。以下

13、介绍降压起动和转子串电阻起动。ZUIll3:Y 星星形形联联结结时时ZUIll3 三三角角形形联联结结时时：Z31Y llII31YlIZlU+U1U2V1V1W1W2 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2lUU31P (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )(2StUT (b) Y 起动起动 ststTIY 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合SYtst31TT UlU1W2V2W1+U2V1UP+Ul+U1W2V2W1U2V1L1L3L2FUQQ2RRR滑环滑环电刷电刷定子定子转子转子起动电阻起动电阻 R2 Tst

14、 22022212stXRURKT 22RR stTTOn0nmaxT2R2R stT pfsnsn106011 f=50HzM3 +变频调速方法变频调速方法恒转距调速（恒转距调速（f1f1N）变频调速方法可实现无级平滑调速变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2A1A2X1X2NNSSA1X1A2X2iiP=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合

15、，如铣床、镗床、磨床调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。等机床上。A1A2X1X2SNTn0no22RR2R2R( 变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。提升、起重设备中。nnTLTLs sTs2R2RoM3M3制动方法制动方法机械制动机械制动电气制动电气制动能耗制动能耗制动反接制动反接制动发电反馈制动发电反馈制动 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相在断

16、开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子转子T n0=0 +-运转运转制动制动RP运转运转nFT n0 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制动状态，同时将外力

17、作用于转子的能量转换成动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。电能回送给电网。nF转子转子T n0n n0定子定子转子转子铁心、铁心、绕组、绕组、换向器换向器作用是产生磁场和作电机的机械支撑产生感应电动势实现能量转换的关键部分。直流电机的主要结构：直流电机的主要结构： 直流电机按照励磁方式可分为他励电动机直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IEUIa+_IfM复励复励U+_IMIa电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。额定工作情况

18、下的电枢上加额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：的直流电压。（例：110V，220V，440V） 额定电压下轴上输出额定功额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 （ ：效率）：效率）额定转速额定转速nN: 在在PN , UN , IN 时的转速。时的转速。 直流电机的转速一般在直流电机的转速一般在500500r/min 以上。特以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟钟几转）或很高（每分钟30003000转以上）。转以上）。调速时对于没有调速要求的电机，最大

19、转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过1.2nN 。 。IU+SbNacd 直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电极有效边的电流方向向外。电动机电枢枢绕组通电绕组通电后中受力后中受力(左手定则左手定则)按顺时针方向旋转按顺时针方向旋转。U+U+电刷电刷换向片换向片U+IFFTn换向器作用：换向器作用：将外部直流电将外部直流电转

20、换成内部的转换成内部的直流电，以保直流电，以保持转矩方向不持转矩方向不变。变。U+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷Ce : 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数n: 电动机转速电动机转速 ：磁通磁通Ea=Ce nU+EETnSbNdFFacII换向片换向片电刷电刷aaaaaEUEI RKnI R RaIaE+UM20emTTT设外加电枢电压设外加电枢电压 U 一定，一定，T=T2 (平衡平衡)，此时，此时，若若T2突然增加，则调整过程为突然增加，则调整过程为达到新的平衡点达到新的平衡点(Ia 、 P入入 ) 。T2 n Ia Tem E aaaREUI aemTTC IEa

21、=Ce naaaUEI R由图可求得由图可求得aaaUEIRffRUI aafIIII 由上分析可知：由上分析可知： 当电源电压当电源电压U和励磁回路的电阻和励磁回路的电阻Rf一定时一定时, 励励磁电流磁电流If和磁通和磁通则则IaUM+_IffR stR+_IEnnn 0a2emTeRnTC C 0eUnC 令：令：a2emeTeRUnTC C C aaaaeTUEI RECCane em mT TI I由以下公式由以下公式IaUM+_IffR stR+_IE转速降转速降0:eUnC 理理想想空空载载转转速速式中：式中：n0nNTN改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线改变电枢电压和电

22、枢回路串电阻可得人工特性曲线n0Ta02emeTeRUnTnnC C C a2emTeRnTC C 太大会使换向器产生严重的火花太大会使换向器产生严重的火花, ,烧坏换向器；烧坏换向器；NaaNast)2010(IRUI 1. 起动问题：起动问题：(1) 起动电流大起动电流大(2) 起动转矩大起动转矩大 起动转矩为起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使传造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。动机构遭受损坏。tasIT NstaNast)5 . 25 . 1 (IRRUI 直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通接通, ,不能让它断开不能让它断开

23、, ,而且起动时要满励磁。否则，而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：aastNstRIUR (3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电受严重的机械损伤，而且因电电流过大而将绕组电流过大而将绕组烧坏。烧坏。（ Ea Ia Tem T0 n 飞车）飞车）电磁转矩：电磁转矩： 1 1）调速均匀平滑，可以无级调速。）调速均匀平滑，可以无级调速。 2 2）调速范围大，调速比可达）调速范围大，调速比可达200 以上以上, ,因此机械因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。变速

24、所用的齿轮箱可大大简化。由转速公式由转速公式:aaeUI RnC可见直流电机调速方法有三种。可见直流电机调速方法有三种。 保持电枢电压保持电枢电压U不变，改变励磁电流不变，改变励磁电流If (调调Rf)以以改变磁通改变磁通 。由式由式0n 0n0nTnO动画动画a2emeTeRUnTC C C (1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，机械本身强度所限，n不能太高。不能太高。(2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3) 机械特性较硬，稳定性较好。机械特性较硬，稳定性较好。(4) 对

25、专门生产的调磁电动机对专门生产的调磁电动机, ,其调速幅度可达其调速幅度可达, 例如例如5302120 r/min及及3101 240 r/min 。(1) (2) n0n0Tcn0nT0a02emTeRUnTnCTCeC C )(a一一定定和和R(1)工作时电压不允许超过工作时电压不允许超过 ，而，而, 所以调速所以调速 只能向下调只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。定性好。(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(4)调速幅度较大。调速幅度较大。电枢串电枢串 电枢中串入电阻电枢

26、中串入电阻, ,使使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线不变，即电机的特性曲线变陡变陡( (斜率变大斜率变大) )，在相同力，在相同力矩下矩下, ,n 。特性曲线如图。特性曲线如图。Rann0Ta02emeTeRRUnTnnC C C 特点：特点：(1) 设备简单，操作方便。设备简单，操作方便。(2)机械特性软，稳定性差。机械特性软，稳定性差。(3)能量损耗大，只用于小型直流机。能量损耗大，只用于小型直流机。Ra + R由直流电动机、单向传动机构和操纵机构三大部分组成.直流电动机直流电动机是起动机的核心。其作用是产生发动机起动时所需的电磁转矩。单向传动机构单向传动机构的作用是传递或切断发动机与起动机之间的扭矩。4.5.4车用起动机1、车用起动机基本组成操纵机构操纵机构的作用是接通或切断起动机与蓄电池之间的主电路。车用起动机的直流电动机主要由磁极、电枢、换向器等部件组成。一般采用串励式直流电动机。一般的车用起动机的电动机有四个