电动机和发电机

1、电动机和发电机2015年8月11日星期二22:59:47by Z.Yw电机基本名词术语2电机的电磁结构6直流电动机原理14直流电动机模型22直流电动机结构36永磁直流电机52盘式永磁直流电机63三相交流电产生的旋转磁场77同步电动机原理90永磁同步电动机101异步电动机原理113异步电动机结构124绕线转子感应电动机结构139旋转磁场交流发电机原理模型156三相交流发电机原理模型161电动发电机165水轮发电机的构造175可逆式抽水蓄能机组与厂房190汽轮发电机的构造201永磁电机原理与构造219二相导通星形三相六状态无刷直流永磁电动机工作原理220二相三相轮流导通星形三相十二状态无刷直流永磁

2、电动机工作原理237外转子无刷直流永磁电动机252电机基本名词术语Motor Common Terminology   电机基本知识电机: 电机是借助于电磁原理工作的能量转换设备。只有给电机输入能量，它才会输出能量，在其输入和输出的能量中至少应该有一方是电能。变压器：是利用电磁原理将交流电能转换成同频但电压等级不同的交流电能的设备。 发电机：是利用电磁原理将机械能转换成电能的设备。直流发电机：将机械能转换成直流电能的发电机。交流发电机：将机械能转换成交流电能的发电机。同步发电机：其电动势的频率与电机转速（同步转速）之比为恒定值，例如对于2极（1对磁极）同

3、步发电机，发电频率与每秒转速相同；对于12极（6对磁极）同步发电机，发电频率为6倍每秒转速。大型汽轮发电机、水轮发电机都是同步发电机，大多数交流发电机都是同步发电机，应用非常广泛。同步转速:要使发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为同步转速。同步转速=50×60/p，p是磁极对数，例如一对磁极（2极）电机的同步转速为3000r/min，二对磁极（4极）电机的同步转速为1500r/min。异步发电机：带负载时发电机的转速大于同极数的同步转速，例如二对磁极的异步发电机转速大于1500r/min，也就是说发电机输出电压频率低于2倍每秒转速，而且发电机转速与所接电网频率之比不是

4、恒定值，随负荷加大转差加大。异步发电机应用很少，主要应用在风力发电机组中。电动机：是利用电磁原理将电能转换成机械能的设备。直流电动机：将直流电能转换成机械能的电动机。交流电动机：将交流电能转换成机械能的电动机。交流电动机分成异步电动机（转速小于同步转速）和同步电动机（转速等于同步转速），实际中以异步电动机应用最为普及，同步电动机相对较少。发电机容量（发电机额定容量）：发电机在制造厂规定的额定转速、电压、功率因数以及额定的冷却条件下运行时，在出线端以千伏安表示的连续输出容量，单位是kVA。电动机功率（额定功率）：在额定电压、额定负载、规定的冷却条件下运行时，电机轴输出的机械功率，单位是kW。电机

5、的效率：P2 与P1 的比值称为电机的效率，用表示，即有=P 2 /P 1  ，P1 称为输入功率，表示单位时间内输入电机的能量；P2称为输出功率，表示单位时间内电机输出的能量。铁损：当磁通随时间交变时，铁心中将产生磁滞损耗和涡流损耗，两者合称为铁耗。磁滞损耗：根据铁磁性材料磁化曲线，当铁磁性材料处在交变磁场中，材料的磁化是沿其磁滞回线变化的，在图1有三种主要的铁磁性材料的磁滞回线，当磁场强度由-H变化到+H时，材料的磁感应强度B沿绿色线变化，当磁场强度由+H变化回-H时，材料的磁感应强度B沿棕红色线变化。材料在反复磁化中要消耗能量并转化成热量耗散，这就是磁滞损耗

6、。磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比，软磁性材料（如铁芯）的磁滞损耗最小，硬磁性材料（如钢，永磁体）的磁滞损耗大。图1  磁滞回线涡流损耗：由于铁磁性材料通常是导电体，当线圈通有交流电时，铁芯内的磁通随之变化，在铁芯就会感生漩涡状电流（涡流），见图2左。涡流产生热量耗散，称为涡流损耗。为防止涡流损耗，可在钢材中加入硅，使材料电阻增大；或者铁心采用表面绝缘、厚度为0.35 或0.5mm 的硅钢片叠压成形，可有效防止涡流，见图2右。图2  涡流损耗与防止   电机的电磁结构转子、定子：发电机与电动机都与机械能有关，在它们的结构中有运动部件，运动部件通常都作旋转运

7、动，称为转子；相应地固定部件就称为定子。主磁路：是指主磁通 的路径，变压器的主磁路为闭合铁心，见图3左，浅蓝色箭头线是磁力线。旋转电机的主磁路，除定、转子铁心外，还包含两段气隙，见图1右，浅蓝色箭头线是磁力线。图3  变压器与电机的主磁路铁芯：承载磁通的磁路部件，不包括气隙。机座（定子机座）：支承定子铁心或铁心组件以及定子绕组的构件。 机座磁轭：为静止凸极提供机械支撑的定子铁芯部分。磁极：铁芯的一部分，带有或嵌有励磁绕组或包含一块或几块永久磁体。极靴：凸极靠近气隙的部分。气隙：磁路内铁磁性部分中的间隙。图4  直流电机的电磁结构转子磁轭：为旋转凸极提供机

8、械支撑的转子铁芯部分。凸极：从轭部向气隙方向伸出的一种磁极，图5左图的转子有6个凸极，凸极安装在转子磁轭上。隐极：圆柱铁芯的一部分，通过分布绕组的励磁效应起磁极作用,见图5右，小齿间的槽用来嵌放分布的励磁绕组，大齿则是磁极。槽：铁芯上的凹槽，在其中放置绕组导体。齿：两个相邻槽之间的铁芯部分。图5  凸极转子与隐极转子绕组：一般是用带绝缘的导体（主要用铜）绕制而成的线圈或线圈组合。绕组的作用有流通电流、产生磁场、感应电动势、承受一定的电压电流和功率。绕制而成的线圈或线圈组合。一台电机至少有两个绕组。励磁绕组：产生磁场的绕组，磁场相对于该绕组是静止的。电枢：电机带电枢绕组的部分。电枢绕组

9、：对旋转电机而言，起机电能量转换的核心作用的绕组称为电枢绕组，它与外部电力系统联接，用以吸收或送出有功功率。例如同步电机的定子绕组、直流电机的转子绕组。匝：组成一圈的一根或一组导体。铜损耗：电流在绕组电阻上引起的损耗称为铜损耗，简称铜耗。电刷：与换向器或集电环作滑动接触形成电连接的导电部件。集电环：与电刷接触的导电金属环，换向器（整流子）：对于发电机，换向器把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器是由多个换向片组合而成，是直流电机的关键部件。轴承：支持转轴的结构件。推力轴承：承受轴向负载并限制轴向移动的轴

10、承。导轴承：限制立式机组轴线在一定范围内摆动的轴承。旋转方向：从电机的传动端朝非传动端沿轴向看电机的旋转方向。机械角度：从几何上把电机圆周分成 360°，为机械角度。电角度：对于交流电机来说，电枢线圈中感生的按正弦变化的电势的一个周期为360电角度。若电机有p对磁极，电机旋转时的电角度为p×机械角度。直流电动机原理Direct Current Motor Principle在本动画课件中对直流电动机的基本原理作一介绍，这是一个方形导线框，在线端头焊接两片半圆周的铜片。带换向器的导线框两片半圆周的铜片构成换向器，两个弹性铜片靠在换向器两侧是电刷。导线框与换向器与电刷电源通过电

11、刷向导线框供电，线框中就有电流通过。通过换向器向导线框供电在线框两侧放一对磁极，形成磁场，线框处在磁场中。导线框放入磁场当线框通有电流时，两侧导线就会受到磁场的作用力，这个力称为洛伦兹力，方向依左手定则判断，图中紫红色箭头表示电流方向、绿色半透明箭头是受力方向。直流电动机工作原理受到磁场的作用力的线框会旋转，当旋转90度后，换向器改变了线框电流的方向，于是导线框会连续旋转下去，这就是直流电动机的工作原理。请观看直流电动机原理3D动画，在动画中有绿色半透明箭头表示作用力的方向，在线框中运动的绿色小球表示电流方向。直流电动机工作原理动画直流电动机模型Direct Current Motor Mod

12、el在前面的动画课件中已对直流电动机的基本原理作了介绍，但它距实际应用的直流电动机结构相差较大，下面介绍一台与真实直流电动机结构相近的原理模型。 电机的定子主要用来产生磁场，该模型定子有一对磁极，由导磁良好的钢铁制成，磁极的的磁力由一个U型永久磁铁产生。永久磁铁的磁极电动机旋转部分是转子（俗称电枢），转子安装在两个磁极之间。为增强两磁极间的磁通密度，转子铁芯（电枢铁芯）由导磁良好的硅钢片叠成，电机的导线框嵌放在转子铁芯的槽内，本模型的转子铁芯有8个线槽。定子与转子铁芯转子铁芯的8个线槽里嵌有转子绕组（电枢绕组），为便于观察，仍用单圈线框代表转子绕组，这是一个线框。一个转子绕组按8个线

13、槽顺序嵌放转子绕组（线框），为便于观察不显示转子铁芯，绕组的头尾端依次焊接，这是嵌到第4个绕组时的图。四个转子绕组这是嵌好全部8个绕组的图。全部八个转子绕组再把转子铁芯显示出来。转子铁芯与转子绕组换向器有8个铜制换向片，排成圆筒形，换向片间留有缝隙，相互绝缘。    把转子绕组的引出线按规律焊接在换向片上。直流电机转子把嵌有绕组的转子插入两磁极之间，两个嵌有石墨块的电刷靠在换向器两侧。直流电机模型为便于观察，不显示磁极与磁铁，仅显示磁极的磁力线；转子铁芯也以半透明显示。在磁场中的转子绕组在两电刷上接通电源，可在图上看到每个线槽中线框的电流方向，线框受磁场作用力，转

14、子开始旋转，线框受力方向依左手定则判断。通电转子绕组在磁场中受力请观看直流电机转子绕组通电旋转3D动画，由于隐去磁极和透明转子铁芯，在动画中可看到旋转线框的电流方向。直流电机转子绕组通电旋转3D动画 请观看直流电机模型旋转3D动画。直流电机模型旋转3D动画直流电动机结构Direct Current Motor Structure（本课件图片于2013年3月重新编辑）在前面的动画课件中已对直流电动机原理与基本结构作了介绍，这里用一台直流电动机模型来介绍它的具体结构。该直流电动机模型的定子有一对主磁极，安装在机座上，机座也叫磁轭，是主磁极磁力线的通路。磁极与磁轭都是用导磁良好的钢铁制成。

15、 见图1图1 磁极与磁轭在主磁极上安装有励磁绕组，绕组通电后就会在两个主磁极间产生主磁场。见图2图2 直流电动机定子直流电机转子也称为电枢，电枢铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，铁芯圆周均匀分布18个槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁芯直径比主磁极间距离略小点。图3 直流电动机电枢铁芯图4是定子铁芯与转子铁芯的磁路图，浅蓝色箭头线表示磁力线。图4 直流电机的磁路把绕制好的电枢绕组嵌入电枢槽内，每个绕组都有一对引出线。图5 电枢绕组换向器有18个铜制换向片，排成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，换向片间留有缝隙，相互绝缘。图6用两个角度展示换向器的外观。图6 换向器把换向器安装在电枢转轴上，把电枢绕组的引出线按

16、规律焊接在换向片上。见图7图7 直流电动机电枢为散去电机发出的热量，还要在电枢转轴上安装风扇。图8 有风扇的直流电动机电枢电枢绕组通过电刷供电，电刷的主要成份是石墨，导电良好又润滑。电刷固定在刷握内，由弹簧片压向换向器。 本模型有两个主磁极，故有两个电刷组，每个电刷组由两个电刷构成。电刷组固定在电刷座上，构成电刷装置。图9 电刷装置电刷装置与换向器的位置关系见图10，根据电枢绕组的常用绕法的线端头与换向器焊接位置，当磁极在上下方时两个电刷组分布在换向器上下两侧。图10 电刷装置与电枢换向器 把电枢插入定子主磁极之间，见图11图11 定子与电枢在电机前后两侧装上端盖（剖面），

17、端盖上有轴承，支持电枢的旋转。电刷装置也固定在端盖上。 见图12图12 直流电动机剖面在电机端盖上有散热通风孔，在机座上有出线盒。图13 直流电动机外观-1从另一角度看直流电动机图14 直流电动机外观-2请观看直流电动机剖面运转3D动画直流电动机剖面运转3D动画永磁直流电机Direct Current Permanent Magnet Motor永磁直流电机是用永久磁体来建立电机所需的磁场，无需另用电源进行励磁。在电动机课件栏目里，在介绍电动机原理时磁场是永磁体产生的，那个八槽直流电动机原理模型是用一个U形永久磁铁来产生磁场。在过去由于永磁体磁性能差，磁力弱又易退磁，只在一些出力小的电机中使用

18、，多用在玩具与教学仪器中。近十多年永磁电机得到飞快发展得益于永磁体的飞速发展，永磁直流电机也从玩具、仪器仪表、家电走向交通工具等大型电机。 永磁直流电机的工作原理、结构与普通直流电机相似，只是用永磁体磁极代替用电流励磁的磁极，本节介绍一个小型永磁直流电动机的结构，永磁直流发电机的基本结构与之相同就不再介绍。 这是一个四极直流电机，下图为电机的四个永磁体磁极，排列在同一圆周上。永磁体磁极钕铁硼是目前最好的永磁体材料，磁力非常强大、矫顽力很高，性能好的永磁电机多选用钕铁硼做磁极。磁极固定在机壳内，机壳就是磁轭，为电机提供磁路。永磁直流电机定子在下图中用蓝色的磁力线表示电机的磁路

19、。永磁直流电机的磁路永磁电机不需励磁电流发热较少，但机壳为防铁粉污染多为密封，一般通过机壳外周多个散热片进行散热；端盖板延伸到机壳外兼做机脚，整个构成电机的定子机座，通过机脚来安装固定电机。永磁电机定子外壳永磁直流电机的转子由转子铁芯，转子绕组、换向器、转轴构成，与普通直流电机的转子一样，有关内容请参考电动机课件栏目直流电动机一节。永磁直流电机转子电流通过电刷连接转子绕组，四极电机一般有四组电刷，一同装在刷架上，共同构成电刷组件。下图显示了转子与电刷组件的相对位置。永磁直流电机转子与电刷把转子与电刷组件插入定子，如下图永磁直流电机组装图下图为合上端盖的永磁直流电机剖面图永磁直流电机结构图下图为

20、永磁直流电机外观图。永磁直流电机盘式永磁直流电机Disc type Permanent Magnet Motor盘式永磁电机的轴向尺寸较小，外形像圆盘一样。一般电机定子与转子间气隙磁场方向为经向，而盘式电机气隙磁场方向为轴向。除了磁场方向不同，工作原理与普通电机相同。 下面介绍一种盘式永磁直流电机的结构，这是四极直流电机，四个扇形永磁体磁极摆成平面，如下图扇形永磁体磁极四个扇形永磁体磁极安装在主端盖上，主端盖为定子磁轭。永磁体磁极盘式定子主端盖与上端盖为导磁良好的钢材制造，两端盖闭合后形成良好的磁路。主端盖与上端盖在磁极与上端盖间有工作气隙，磁场在气隙间的方向为轴向，在下图中蓝色的磁

21、力线显示了磁路与磁场走向。盘式永磁电机磁场走向扁盘状转子在磁极与上端盖间的气隙间旋转，转子线圈为平面扇形绕组，下图是两个线圈与磁极的位置对应图。平面扇形线圈电机转子共有36个线圈排列成盘状盘状转子绕组该电机转子采用无铁芯结构，把线圈封装在绝缘材料内，压成盘状，构成无铁芯盘状转子,绝缘材料可用含聚脂玻璃纤维塑料或酚醛塑料等。在盘状转子中部有换向器，见下图。无铁芯盘状转子本机采用平面换向器，扇形换向片平铺在同一平面上，呈圆环状。电刷装在刷握内，刷握内有弹簧把电刷压向换向器，刷握安装在主端盖上。平面换向器与电刷把盘状转子安装在转轴上，再安装在机座的气隙内，让转子在气隙内自由转动，装好的电机平面剖面图

22、如下。盘式永磁直流电机结构下图就是安装好的盘式永磁直流电机的立体剖面图。盘式永磁直流电机的立体剖面图盘式永磁直流电机-1盘式永磁直流电机-2盘式无铁芯永磁电机由于转子无铁芯，电感小，换向火花小，关键是非常适合需要使用薄形电机的场合。 盘式永磁电机结构有多种，在本网“直驱式永磁风力发电机”栏目里有中间转子盘式发电机与中间定子盘式发电机的介绍。三相交流电产生的旋转磁场Three-phase Rotating Magnetic Field应用最广泛的电动机就是三相交流电动机，三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的。 三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交

23、流周期360度算，每相间距120度，下面是三相交流电波形图， 黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。三相交流电波形图三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。三相绕组示意图在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场，下图展示三相交流电与旋转磁场的动画截图。

24、在A相线圈端口输入的是A相电流IA，在端口有箭头标明电流的方向；在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在端口有箭头标明电流的方向；在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。 这里展示五幅截图，以A相起点为0度，第1幅是是0度的截图：三相交流电与旋转磁场动画截图（0度）第2幅是是105度的截图：

25、三相交流电与旋转磁场动画截图（105度）第3幅是是180度的截图：三相交流电与旋转磁场动画截图（180度）第4幅是是255度的截图：三相交流电与旋转磁场动画截图（225度）第5幅是是300度的截图：三相交流电与旋转磁场动画截图（300度）  交流电每变化一周磁场旋转一周，输入的三相交流电是50赫兹，产生的旋转磁场是每秒50周。下面请观看三相交流电与旋转磁场箭头的动画三相交流电与旋转磁场箭头动画以上动画是用箭头来表示旋转磁场的方向与大小，三相交流电产生旋转磁场的动画还有用磁力线表示的动画，下图为用磁力线表示的动画截图三相交流电与旋转磁场磁力线动画截图下面请观看三相交流电与旋转

26、磁场磁力线的动画三相交流电与旋转磁场磁力线动画以上图片与动画中定子的三相绕组是独立的，实际应用中三相绕组是按三角形或星形接法。需要改变旋转磁场的方向时，只需将接入的三相交流电中任意两相进行交换，旋转磁场就会向相反的方向旋转。同步电动机原理Synchronous Motor Principle三相交流电动机是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电机转子旋转的，有关旋转磁场的产生原理在前面已作介绍，在这里只介绍电机转子是如何在旋转磁场的作用下旋转的。   永磁交流同步电动机最简单的方法是在产生旋转磁场的空间放一永久磁铁，该磁铁就会跟着磁场旋转了。下图就是这样一个永久磁铁转子。永久磁

27、铁转子把永久磁铁转子放在能产生旋转磁场的定子铁芯中，它将会跟随旋转磁场同步旋转，其转速与旋转磁场一致，故称之为同步电动机，下图便是一个永磁同步电动机模型的示意图。永磁同步电动机模型下面是该三相交流同步电动机模型的动画截图，为看清线圈与磁力线，定子与转子用半透明显示。动画中有输入三相电流的变化波形，有旋转磁场与跟着旋转的永磁转子。永磁同步电动机动画截图请观看永磁转子同步电动机原理模型3D动画永磁转子同步电动机原理3D动画这个三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，永磁转子也是一对磁极，转速与交流电源相同，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转。    电励磁交

28、流同步电动机实际上的三相交流同步电动机转子多数是电励磁的，转子上有励磁绕组，用直流励磁电源产生固定磁场，下图是一个电励磁三相交流同步电动机原理模型旋转动画的截图。电励磁三相交流同步电动机模型请观看三相交流同步电动机原理3D动画三相交流同步电动机原理3D动画该三相交流同步电动机的旋转磁场只有一对磁极，电励磁转子也是一对磁极，用50周的交流电供电时转子转速是每秒50转，也即每分钟3000转。两极同步电动机的转子一般采用隐极式转子。   多极交流同步电动机许多场合需用低转速，大力矩输出的交流同步电动机，此时的电机多做成大直径的多极电机形式，定子绕组产生多对磁极旋转磁场，转子采用多

29、对凸极结构。下图是一个3对磁极同步电动机模型示意图，定子有3个3相绕组，转子有3对（6个）凸极，转速为每分钟1000转。多极三相交流同步电动机模型   交流同步电动机的起动三相交流同步电动机的起动较麻烦，因为三相交流旋转磁场的速度很快，起动时转子不可能立即加速跟上磁场旋转，所以是转不起来的。为使三相交流同步电动机起动旋转常用以下三种方法：   辅助电动机起动法选用一台与同步电动机极数相同的小型异步电动机作为起动电动机，起动时，先用起动电动机将同步电动机带动到异步转速，再将同步电动机接上三相交流电源，这样同步电动机即可起动，但这种方法仅适用于空载起动。&#

30、160;  变频电源起动法先采用变频电源向同步电动机供电，调节变频电源使频率从0缓慢升高，旋转磁场转速也从0缓慢升高，带动转子缓慢同步加速，直到额定转速。该方法多用于大型同步电动机的起动。   异步起动法在转子上加上鼠笼或起动绕组，使之有异步电动机功能，在起动时励磁绕组不通电，相当异步电动机起动，待转速接近磁场转速时再接通励磁电源，就进入同步运行。永磁同步电动机Permanent Magnet Synchronous Motor近些年永磁同步电动机得到较快发展，其特点是功率因数高、效率高，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能

31、优越，是一种很有前途的节能电机。 在本网“电动机系列”栏目中“同步电动机原理”一节中已讲到有永久磁铁转子的同步电动机原理模型，本节将进一步介绍永磁同步电动机的原理与结构。永磁同步电动机的定子结构与工作原理与交流异步电动机一样，多为4极形式，三相绕组按3相4极布置，通电产生4极旋转磁场。下图是有线圈绕组的定子示意图。定子铁芯与绕组下图是装在机座里的定子。机座与定子永磁同步电动机与普通异步电动机的不同是转子结构，转子上安装有永磁体磁极，下左图就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为凸装式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这是一个4极转子。凸装式永磁转

32、子根据磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转，于是永磁转子就会跟随定子产生的旋转磁场同步旋转。下左图是另一种安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。嵌入式永磁转子铁芯下左图也是一种嵌入式永磁转子，永磁体嵌装在转子铁芯内部，为防止永磁体磁通短路，在转子铁芯开有空槽或在槽内填充隔磁材料。磁极的极性与磁通走向见下右图，这也是一个4极转子。嵌入式永磁转子铁芯-2下图为装上转轴的嵌入式永磁转子嵌入式永磁转子在转子铁芯两侧装上风扇然后与定子机座组装成整机，见下图。永磁同步电动机剖面图这种永

33、磁同步电动机不能直接通三相交流的起动，因转子惯量大，磁场旋转太快，静止的转子根本无法跟随磁场旋转。这种永磁同步电动机多用在变频调速场合，启动时变频器输出频率从0开始上升到工作频率，电机则跟随变频器输出频率同步旋转，是一种很好的变频调速电动机。 通过在永磁转子上加装笼型绕组，接通电源旋转磁场一建立，就会在笼型绕组感生电流，转子就会像交流异步电动机一样起动旋转。这就是异步起动永磁同步电动机，是近些年开始普及的节能电机。为了安装笼型绕组，在转子铁芯叠片圆周上冲有许多安装导电条的槽，在转子铁芯内部嵌装永磁体，永磁体安装方式有多种，也可以按前面介绍的形式安装。这里的安装方式见下图，这也是一个4

34、极转子，为了防止永磁体的磁通通过转轴短路，在转轴与转子铁芯间加装有隔磁材料，转子的磁通走向见下图左。笼型绕组永磁转子铁芯笼型转子有焊接式与铸铝式：在转子每个槽内插入铜条，铜条与转子铁芯两侧的铜端环焊接形成笼型转子；与普通交流异步电动机一样采用铸铝式转子，将熔化的铝液直接注入转子槽内，并同时铸出端环与风扇叶片，是较廉价的做法，下图是一个铸铝式笼型转子。笼型绕组永磁转子把转子与定子、机座等部件进行组装，组装成的整机剖面图见下图。笼型绕组永磁同步电动机剖面图异步起动永磁同步电动机可以直接接通三相交流电源使用，方便又节能。异步电动机原理Asynchronous Motor Principle三相交流异

35、步电动机也是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电动机转子旋转的，转子不是永磁的也不是线绕电磁的，在转子铁芯上镶嵌着一个“鼠笼”。下图是一个铜制的鼠笼，由多根铜条与两个铜端环组成，铜条与铜端环有良好的电连接。转子的鼠笼把鼠笼放在有旋转磁场的定子铁芯中间，在定子芯绕组通上三相交流电产生旋转磁场，会看到鼠笼会跟着旋转磁场旋转。因为磁场旋转时，鼠笼的铜条切割磁力线产生电流，而有电流的铜条又受到磁力的作用，于是鼠笼便旋转起来。下面四幅图是鼠笼随磁场旋转的动画截图，为使画面清楚，仅显示旋转磁场与鼠笼电流的方向。感生电流的方向可用右手定则判断，铜条受力方向按左手定则判断。图中标有磁力线与旋转方向，铜条端面的颜

36、色代表电流的方向。绿色表示电流指向屏幕外，红色表示电流指向屏幕内，黄色表示无电流，电流变化用颜色变化表示。第一幅是电流变化周期为0度时磁场与电流方向：鼠笼随磁场旋转动画截图（0度）第2幅是电流变化周期为90度时磁场与电流方向：鼠笼随磁场旋转动画截图（90度）第3幅是电流变化周期为180度时磁场与电流方向：鼠笼随磁场旋转动画截图（180度）第4幅是电流变化周期为270度时磁场与电流方向：鼠笼随磁场旋转动画截图（270度）显然，鼠笼是不可能与磁场同步旋转的，只有鼠笼比磁场转的慢才有鼠笼与磁场的相对转动，才能切割磁力线感生电流，感生电流在洛伦兹力作用下推动鼠笼转子异步旋转。鼠笼与磁场转速之差称为转差

37、，转差大则感生电流大，电流大则力大，力大则增加鼠笼转速。转差与力会形成平衡，鼠笼转速将稳定在某一转差值。 请观看鼠笼随磁场旋转的3D动画鼠笼随磁场旋转的3D动画为增大导磁率，鼠笼是嵌装在转子铁芯内的，下图是一个嵌有铜制鼠笼的转子：鼠笼转子把鼠笼转子插入定子铁芯中，组成一个三相交流异步电动机原理模型。通上三相交流电，电机就旋转了。由于转子旋转速度比旋转磁场慢，故称之为异步电动机。转子与旋转磁场旋转速度之差再与磁场旋转速度之比称为转差率，一般异步电动机运行时的转差率为2%至6%，输入三相交流电为50周时，鼠笼转子每分钟转速约2820至2940转。 下面是三相交流异步电动机模型旋

38、转3D动画截图异步电动机模型3D动画截图请观看三相交流异步电动机原理模型旋转动画异步电动机原理模型旋转动画异步电动机结构Asynchronous Motor Structure前面章节已经介绍三相交流旋转磁场与三相交流异步电动机的原理，本课件介绍三相交流异步电动机最常见的笼型感应电动机的结构。三相交流异步电动机的定子铁芯由硅钢片叠成，在铁芯内圆有许多槽，用来嵌放定子绕组，见图1左图。电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外圆有许多槽，用来嵌放转子绕组，见图1中图。图1右图是转子铁心插入定子铁心示意图，定子铁芯与转子铁心之间留有气隙。图1-定子铁芯与转子铁心定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，即三相交

39、流绕组，接入三相交流电源就可产生旋转磁场。图2-嵌放绕组的定子铁心 定子铁芯固定在机座上，机座外面有散热筋（散热片）帮助定子散热，机座由铸铁或铸钢铸造。下图是剖面的定子与机座图。图3-定子安装在机座上三相交流异步电动机的转子铁芯外周的许多槽是用来嵌放转子绕组，笼型感应电动机的转子绕组是笼型结构，俗称鼠笼。鼠笼由铜条或（铝条）与铜端环（铝端环）组成，参见异步电动机原理一节。但应用最广的小型异步电动机采用在转子铁芯上直接浇铸熔化的铝液形成鼠笼转子，在转子槽内直接形成铝条即绕组，并同时铸出散热的风叶，简单又结实，图4是铸有笼型绕组的转子。图4-笼型绕组的转子在转子转轴上装有电动机散热的风扇

40、，在转子转轴上装上轴承，这就是异步电动机的转动部分。图5-笼型异步电动机转子把转子插入定子中间，通过轴承安装在端盖上，用端盖把转子支撑起来，端盖安装在机座上，装上风罩，一个三相交流异步电动机就组成了。接入三相交流电源后定子产生的旋转磁场就可带动笼型转子旋转。图6与图7是笼型三相异步电动机的剖视图。图6-笼型异步电动机剖面图 图7-笼型异步电动机剖面图机座装上端盖后，转子与定子与定子绕组都密封在机座内，能较好的防尘。定子与转子产生的热量由机座外壳散热，转子上的风叶搅动机内空气使热量尽快传到外壳上，外壳上的散热片加大了散热面积。这还不够，在电机端盖外还装有风扇，并有风罩，风罩端部开有通风

41、孔，风扇旋转时就像离心风机，空气从风罩端部进入，从风罩与端盖之间的空隙吹出，吹向机座上的散热片，大大加速了电机的散热。图8中的浅蓝色箭头线表示散热气流的走向。图8-笼型异步电动机的散热通道图9是笼型异步电动机外观图。图9-笼型异步电动机外观图三相交流异步电动机以其结构简单，密封性好，维护容易，价格低廉而广受欢迎，应用非常广泛。请观看三相笼型异步电动机模型剖面运转3D动画。异步电动机模型剖面3D动画绕线转子感应电动机结构Wound Rotor Induction Motor绕线转子感应电动机是三相交流异步电动机的一种，其定子铁心与绕组与笼型感应电动机相同，在铁芯内圆有许多槽，用来嵌放定子绕组，见

42、图1。图1-定子铁心 定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，即三相交流绕组，三相绕组按2极绕制，连接成星形，接入三相交流电源就可产生旋转磁场，见图2，绕组的三个引出端线通过机座上的接线盒引出（图中未显示）。 图2-定子铁心与绕组绕线转子感应电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外圆有许多槽，用来嵌放转子绕组，见图3。图3-绕线转子铁心转子铁芯的槽内嵌放着转子绕组，也是2极的三相交流绕组，连接成星形，接入三相交流电源也可产生旋转磁场，见图4。不管定子与转子的槽数各为多少，定子绕组与转子绕组的极数必须相同，例如同为2极、4极、6极等。图4-转子铁心与绕组转子绕组线端通过集电环与电刷引出

43、，下面通过一套较简单的电刷与集电环装置介绍其基本结构。电刷由润滑性与导电性好的石墨质材料压制而成，电刷装在刷握内，刷握上有压紧电刷的弹簧压片；刷握安装在刷杆上，刷杆是绝缘的，刷杆上安装3套独立的刷握，位置对应3个集电环，每套刷握有2个电刷，共有6个电刷。图5中左图是该电刷装置的轴向视图，中图是该电刷装置的径向视图，右图是该电刷装置的立体图。图5-电刷结构图集电环较多采用黄铜或锰钢等导电良好、润滑耐磨的材料制成，3个独立的集电环紧固在绝缘套筒上，保证环与环，环与转轴之间都是互相绝缘的。每个集电环通过一根导电杆引出作为接线端，导电杆穿过其他集电环时由绝缘套管隔开，3个导电杆分别连接3个集电环，相互

44、绝缘。图6左图是剖开的集电环，表示导电杆与集电环的连接或绝缘，A导电杆直接连接集电环1，B导电杆穿过集电环1连接集电环2，C导电杆穿过集电环1与2连接集电环3。图6中图是完整的集电环；图6右图是集电环与电刷的组合图，电刷被弹簧压片压向集电环，保证电刷与集电环的良好接触。图6-集电环结构图把集电环紧固在电机转轴上，转子绕组的三根引出端线穿过转轴上的槽连接到三个集电环上，在转轴上还装有散热风扇，见图7（图中没表示线端的连接）。图7-绕线感应电机转子转子安装在定子内，由固定在机座两端的端盖支撑，转子轴承安装在端盖上。在转子集电环一侧安装着电刷罩，三个电刷固定在电刷罩内，刷握上的弹簧紧压着碳质电刷，保

45、持电刷与集电环紧密接触，见图8，三个电刷通过电刷罩上的接线盒引出（图中未显示）。图8-绕线转子感应电动机本例中绕线转子感应电动机的散热方式与笼型感应电动机相同，这里不再介绍。图9是绕线转子感应电动机的外观图。图9-绕线转子感应电动机下面简介绕线转子感应电动机的控制电路。笼型感应电动机起动电流大，特别是大型电动机，降压起动电路复杂庞大，采用绕线转子感应电动机可简单的实现起动与调速，用较小的起动电流实现较大的起动力矩。在转子绕组串入起动电阻或频敏变阻器对电机起动进行控制，图10是起动电路示意图。起动过程中对起动电阻的控制可根据允许起动电流大小来调整起动电阻的大小，电阻由大渐小直到电机进入正常异步转

46、速切除电阻；也可以根据设定时间控制电阻的变化。外接电阻不但可控制起动电流，在正常运行时也能小范围调整电机带负荷时的转速。图10-绕线转子感应电动机启动电路示意图在转子绕组与电源间接入双 PWM 交直交变频器可实现电机转速从低于同步转速到高于同步转速的调速控制。由于变频器仅输出转子绕组所需电流，可采用小型低压变频器，相对采用大型变频器直接控制电机电源要便宜。有关双 PWM 交直交变频器对绕线转子感应电动机的控制原理请另参阅有关技术资料，图11是该调速系统主电路示意图。图11-采用变频器的调速电路示意图旋转磁场交流发电机原理模型Principle of the Rotating Magnetic

47、Field generator在这个模型中磁场是不动的，线圈在磁场中旋转产生感应电势。在实际发电机中产生感应电势的线圈是不运动的，运动的是磁场。产生磁场的是一个可旋转的磁铁，两端为南、北两磁极，是发电机的转子，线圈在磁铁外围，与磁铁转轴同一平面。当磁铁旋转时产生旋转磁场，线圈切割磁力线产生感应电动势。由于空气的磁导率太低，在旋转磁铁的外围安上环型铁芯，也就是定子，可大大加强磁铁的磁感应强度。在定子铁芯的内圆有一对槽，线圈嵌装在槽内。为了看清线圈电流与转子的运动关系，把定子变成半透明的。当磁铁旋转时，线圈切割磁力线感生交流电流。旋转磁场交流发电机原理真正发电机的转子是电磁铁，转子上绕有励磁线圈，

48、通过滑环向励磁线圈供电来产生磁场。把定子与线圈安在转子外围，一个单相交流发电机原理模型就组成了。励磁转子交流发电机原理转子作匀速旋转时，线圈就感生交流电流，画面中绿色小球运动的方向表示感应电流的方向、运动的速度表示感应电流的大小。在这个模型中感生电压的频率与转子转速完全相同，感生的电压的变化与转子旋转完全对应，当转速为每秒50转（50r/s）或每分钟3000转（3000r/min）时，发出的交流电频率为50赫兹（Hz）。这种旋转磁场的发电机称为旋转磁极式同步发电机。请观看旋转磁极式同步发电机工作原理3D动画。旋转磁场交流发电机工作原理3D动画三相交流发电机原理模型Principle of Th

49、ree-phase Generator实际应用的都是三相交流发电机，其定子铁芯的内圆均匀分布着6个槽，嵌装着三个相互间隔120度的同样线圈，分别称之为A相线圈、B相线圈、C相线圈。装上转子就组成了一台三相交流发电机原理模型。三相交流发电机原理画面中的三相交流发电机采用星形接法，三个线圈的公共点引出线是中性线，每个线圈的引出线是相线。 当转子匀速旋转时三个线圈顺序切割磁力线，都会感生交流电动势，其幅度与频率相同。由于三个线圈相互间隔120度，它们感应电势的相位也相差120度。在画面上有每根相线的输出电势波形。这个模型的转子只有两个极，所以感生的电压频率与转子每秒转速相同，是同步交流发电

50、机，当转速为每分钟3000转（3000r/min）时，发出的三相交流电频率为50赫兹（Hz），这种两极的同步发电机广泛应用在燃煤电厂、燃气轮机电厂与核电厂，这些电厂使用转速为3000r/min的蒸汽轮机或燃气轮机带动同步发电机发电。以上的原理模型电机的转子有2个磁极，定子有6个槽，实际的三相交流发电机定子铁芯上有多个槽，其槽数为极数的3n倍（n=1,2,3, ），称为整数槽；还有不成整数关系的称为分数槽。多个三相绕组按规律均匀的分布在槽中。下面请观看三相交流发电机工作原理3D动画课件三相交流发电机原理3D动画课件电动发电机Motor-Generator本节为“抽水蓄能电站”栏目与“电动机系列”

51、栏目共用本节介绍的是用于抽水蓄能电站使用的立轴电动发电机。这种电动发电机与水轮发电机虽都是同步发电机，但它还可以作为电动机使用，称为电动发电机或发电电动机或可逆电机。从基本结构上看，电动发电机与普通水轮发电机相同，但电动发电机用的是高压高速水轮机，故电动发电机的转子极数要少些，目前30万千瓦的电动发电机多数是每分钟500转，采用6对磁极，见图1。图1  电动发电机转子电动发电机的转子采用凸极式结构，磁极安装在磁轭上，电动发电机有南北相间的12个磁极，每个磁极上都绕有励磁线圈，励磁电源由外部的晶闸管励磁系统提供（由轴上端的滑环向励磁线圈供电），由于磁极少，转子直径可以做得小，通过加长长

52、度来达到同样容量，小的直径可避免高速旋转离心力可能带来的损坏。发电机定子铁芯由导磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽， 用来嵌放定子线圈，定子线圈嵌放在定子槽内，组成三相绕组，每相绕组由多个线圈组成，按一定规律排列，见图2。图2  电动发电机的定子铁芯与绕组电动发电机安装在由混凝土浇筑的机墩上，在机墩上安装定子铁芯的机座，也是水轮发电机的外壳；在机墩上还安装下机架，下机架有推力轴承，用来安装发电机转子，推力轴承可承受转子的重量与振动、冲击等力。见图3。图3  电动发电机机墩、机座、下机架在机座上安装定子铁芯与定子线圈，见图4。图4  电动发电机的定子与机

53、座转子插在定子中间，与定子有很小间隙，转子由下机架的推力轴承支撑，可以自由旋转，安装上机架，上机架中心安装有导轴承，防止发电机主轴晃动，使它稳定的处于中心位置，见图5。图5  转子安装在下机架上铺好上平台地板，安装好电刷装置，一台电动发电机就安装好了，见图6。图6  电动发电机虽然同步电机可以作为发电机又可以作为电动机使用，但真要在这两种功能时都能高效安全运行还是要专门设计与制造的，特别是大型电动发电机。由于水泵水轮机在两种工况下的旋转方向是相反的，电动发电机也要适合双向运转，除了两种工况时对外的接线相序要切换，还要保证双向运转时的通风散热与系统润滑。电动发电机运行在频繁切

54、换与启动状态、变化迅速，电流冲击大，致使温度变化大，特别是作为电动机启动时，巨大的启动电流造成温度剧烈升高。频繁的温度大幅度变化会损坏机械结构特别是破坏绕组绝缘，这是设计与制造时要考虑的。大型电动机的启动是复杂的，启动形式是多样的，不同的启动形式结构上也有区别，电动发电机的设计与制造要根据设计的启动方式进行。电动发电机运行在频繁切换状态、变化迅速，要求机械结构经得起冲击，避免振动，防止疲劳。总的说来，电动发电机的设计与制造比普通发电机与电动机的难度大，技术要求高。水轮发电机的构造Hydrogenerator Structure水轮机的转速都比较低，特别是立式水轮机，为了能发出50Hz的交流电，

55、水轮发电机采用多对磁极结构，对于每分钟120转的水轮发电机，需要25对磁极。由于过多磁极不易看清结构，本课件介绍一个有12对磁极的水轮机发电机模型。水轮发电机的转子采用凸极式结构，图1是发电机的磁轭与磁极，磁极安装在磁轭上，磁轭是磁极磁力线的通路，发电机模型有南北相间的24个磁极，每个磁极上都绕有励磁线圈，励磁电源由安装在主轴端头的励磁发电机提供，或由外部的晶闸管励磁系统提供（由集电环向励磁线圈供电）。图1-水轮发电机转子有多对磁极磁轭安装在转子支架上，在转子支架中心安有发电机主轴，在主轴的上端头安装有励磁发电机或集电环。轴下端有连接水轮机的法兰，见图2。图2-水轮发电机转子发电机定子铁芯由导

56、磁良好的硅钢片叠成，在铁芯内圆均匀分布着许多槽， 用来嵌放定子线圈，见图3。图3-水轮发电机定子铁芯定子线圈嵌放在定子槽内，组成三相绕组，每相绕组由多个线圈组成，按一定规律排列，见图4。图4-水轮发电机定子绕组水轮发电机安装在由混凝土浇筑的机墩上，在机墩上安装机座，机座是定子铁芯的安装基座，也是水轮发电机的外壳，在机座外壳安装有散热装置，降低发电机冷却空气的温度；在机墩上还安装下机架，下机架有推力轴承，用来安装发电机转子，推力轴承可承受转子的重量与振动、冲击等力。见图5。图5-水轮发电机机墩、机座、下机架在机座上安装定子铁芯与定子线圈，见图6。图6-水轮发电机的定子转子插在定子中间，与定子有很小间隙，转子由下机架的推力轴承支撑，可以自由旋转，见图7。图7-定子与转子安装在机座上安装上机架，上机架中心安装有导轴承，防止发电机主轴晃动，使它稳定的处于中心位置。图8-水轮机发电机未盖地板铺好上层平台地板，装好电刷装置或励磁电机，一台水轮发电机模型就安装好了。图8-水轮机发电机该水轮发电机模型转子旋转一周将感生出12个周期的三相交流电动势。当转子转速为每分钟250转时，所发交流电的频率为50赫兹。请观看水轮发电机运转的3D动画水轮发电机运转的3D动画可逆式抽水蓄能机组与厂房Reversible Unit and Underground Hydropower H