电机培训资料

电机知识

一电机定义

二电机分类三电机类型介绍四电机材料

五直流电机工作原理

a、基本原理

b、感应电势与电压的关系

c、电磁转矩六电机换向a、换向过程

b、电机火花判定标准c、电机火花改善目录电机是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置电动机----是将电能转换为机械能的装置。发电机----是将机械能转换为电能的装置。变压器----是传递电能的装置。一、电机定义二、电机分类：

电机旋转电机直流电机交流电机串励电机异步电机同步电机静止电机U

变压器有刷直流电机无刷直流电机

1、直流电机有刷直流电机无刷直流电机2、串励电机3、异步电机4、同步电机三、电机类型介绍直流电机定义

能实现直流电能和机械能互相转换的装置，称直流电机。（将直流电能转换为机械能的叫直流电动机；由机械能转换为直流电能的叫直流发电机）1、直流电机

有刷直流电机：是靠换向器和电刷来完成电枢线圈电流交替变化的电机。

有刷直流电机a）有刷直流电机外形U

直流电机结构（大功率电机）直流电机（小功率微电机）直流电机一般由机壳、磁钢（主磁极），电枢组件,前、后支架和碳刷组件构成如下图示。b）直流电机结构直流电机结构定子后支架转子换向器前支架碳刷定子结构磁钢机壳磁瓦夹直流电机结构无刷直流电机：由控制器（电子元件）来控制电机线圈电流方向交替变换的电机。

无刷直流电机a）无刷电机原理图b）无刷电机结构示意图内转子无刷电机结构无刷电机结构示意图外转子无刷电机结构转子：由磁钢和外壳组成（与直流电机定子类似）定子：由绕组、铁心（与直流电机转子结构类似）和支架等零件组成驱动电路：由霍尔元件、驱动模块等电子元件组成有刷和无刷直流电机区别

有刷直流电机：是靠换向器和电刷来完成电枢线圈电流交替变化的电机。无刷直流电机：由控制器（电子元件）来控制电机线圈电流方向交替变换的电机。无刷电机优点：a)用电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠高、故障率低；b)效率高；c)寿命高；d)体积小。

缺点：

a)低速起动时有轻微振动；

b)价格高，控制器要求高。

直流有刷电机（永磁）优点：

a)结构简单；

b)调速方便；c)价格低。

缺点：

a)碳刷易磨损，寿命短；

b)运行电流大，电机磁钢易退磁。

直流有刷与无刷电机比较串励电机是将励磁绕组（定子线圈）与转子绕组之间通过电刷和换向器相串联在一起，其励磁电流与电枢电流成正比，定子的磁通量随着励磁电流的增大而增大，转矩近似与电枢电流的平方成正比，转速随转矩或电流的增加而迅速下降。

2、串励电机

串励电机结构与直流电机基本相同，由磁绕替代了磁钢。结构具体如下图示1、串励电机结构前支架转子绕组换向器后支架碳刷座碳刷串极电机转子、支架结构串极电机定子结构定子铁心定子线圈串极电机特点

串极电机的优点：（1）电机结构简单，体积小。（2）电机转速范围广，调速方便，调速范围广。（3）起动转矩大，过载能力强。（4）机械特性软，负载大电机转速变低

。应用：（1）电动工具行业：电钻、电锤等。（2）家用小电器行业：料理机、果汁机、电吹风等。3、异步电机

异步电机结构特点：异步电机的定子绕组接交流电网，转子通常采用铸铝鼠笼式转子。因此，它具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠,成本较低等优点。广泛应用在工业、农业、家庭。

异步电机的优点：（1）结构简单；（2）使用和维护方便；（3）运行可靠；（4）成本较低等优点。异步电机的缺点：（1）其调速性能较差。（2）功率因数滞后，轻载功率因数低。

4、同步电机

同步步电机结构特点：同步电机的定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌放着按一定规律排列的三相对称交流绕组，转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极，磁极上绕有励磁绕组。该电机一般应用在工业上。

四、电机中的材料

1、导电材料：线圈（铜、铝线）2、导磁材料：铁磁材料（软磁材料、硬磁材料）（下面介绍）3、结构材料：钢、铸铁、钢板等4、绝缘材料：聚脂漆、环氧树脂、玻璃丝套管、电工纸、云母、电木等。

a、软磁材料具有低矫顽力和高磁导率的磁性材料。软磁材料易于磁化，也易于退磁。1、纯铁和低碳钢。含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁。只适于静态下使用，如制造电磁铁芯、极靴、继电器和扬声器磁导体等。2、铁硅系合金。含硅量0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。广泛应用到交流领域，制造电机、变压器、继电器、互感器等的铁芯。3、铁铝、铁硅铝、铁钴、镍铁等系列合金。应用于特殊领域，如音频视频磁头

b、硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料，也称为永磁材料或恒磁材料。

第一大类是：铁氧体永磁材料按生产工艺不同分为：烧结铁氧体、粘结铁氧体、注塑铁氧体

。特点：价格便宜，磁性能不及钕铁硼材料。第二大类是：合金永磁材料，包括稀土永磁材料钕铁硼、钐钴、铝镍钴。目前使用较多的为钕铁硼。特点磁性能高，价格高，需表面处理。不宜在高温下长期使用。电机中使用的绝缘材料是影响电机安全性能的关键材料。如：绝缘漆——定、转子线圈绝缘；绝缘纸——定、转子线圈与铁芯间起绝

缘作用（定、转子槽绝缘，转子槽楔）；

C、绝缘材料（1）

端部绝缘—定、转子铁心端面与线圈的绝缘（热塑性料，热固性料，绝缘纸板类）；其他绝缘部件—电机的支架（跟碳刷盒为一体）、碳刷板、接线座，换向器等，通常料有电木、BOM和耐温高的热塑性料）.

C、绝缘材料（2）

其他辅助绝缘——玻璃丝纤维，热宿管PVC套管、胶纸等等。

C、绝缘材料（3）

c、绝缘材料（4）

电动机的绝缘等级是指其所用绝缘材料的耐热等级，分A、E、B、F、H级。允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。

绝缘的温度等级A级E级B级F级H级

最高允许温度（℃）

105120130155180

电刷换向片直流电源电刷换向器线圈线圈U+–NSII五、直流电机工作原理

1、基本工作原理

2、通电导体在磁场中的受力方向（1）

f=B·l·i

符号

物理量

单位

i

导体中的电流

A

l

导体有效长度

m

f

电磁力

N

直流电源正极输出电流，线圈上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷与换向片始终接触。由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，使线圈逆时针旋转。

U+–NSIIFF

2、通电导体在磁场中的受力方向

（2）3、运动导体在磁场中产生的感应电势（1）

e=B·l·v

B

磁场的磁感应强度

Wb/m2

v

导体运动速度

m/s

l

导体有效长度

m

e

感应电势

V由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势E，感应电动势的方向与电流的方向相反。

U+–NSIIFFEE3、运动导体在磁场中产生的感应电势

（2）

感应电动势4、感应电势的计算

（1）KE电动势常数：P---电动机极数--磁通量（韦伯）n-转速（转/每分）N---电枢导体总数a---电枢支路对数

4、感应电势的计算（2）

每极磁通量串励电机电气原理图U：外加电压Ra:绕组电阻Ia：电机电流E：感应电动势MRaIaE+–+–U电机电源电压与电枢感应电势的平衡关系如下：aaRIEU+=5、电枢电动势及电压平衡关系（1）5、电枢电动势及电压平衡关系（2）以上公式反映的概念：(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变

或n。E∝n、∝（W（定子匝数））、∝Na（电枢匝数）

5、电枢电动势及电压平衡关系（3）以上公式反映的概念：若忽略绕组中的电阻Ra，则，可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反比，n∝1/（定子匝数W）；∝1/Na；∝1/Ia。可通过改变（调整定子，转子匝数）可调速。6、电磁转矩1、电磁转矩（1）KT：与线圈的结构有关的常数（与线圈大小，磁极的对数等有关）：线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流单位：

（韦伯），Ia（安培），T（牛顿米）6、电磁转矩1、电磁转矩（2）由转矩公式可知：(1)电磁转矩与励磁磁通和电枢电流成正比（T∝；∝Ia

；）。

(2)电磁转矩与电枢匝数成正比（T∝Na）2、转矩平衡关系电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即TL：负载转矩T0

：空载转矩

转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。例：设外加电枢电压U一定，T=TL+T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则调整过程为：TL

nEIaT

最后达到新的平衡点。与原平衡点相比，新的平衡点：Ia

、P入

7、串励电动机的机械特性(1)串励的特点：励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。M串励UIa设磁通和电流成正比，即=KIa,则据此公式做出T-n曲线nT(1)T=0时，在理想情况下，n。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0的状态，但空载时T很小，n很高。串励不允许空载运行，以防转速过高。(2)随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。nT7、串励电动机的机械特性(2)串励（直流）电机在起动的瞬间，n0。此时电机的感应电势E=0；通过电机的电流非常大；因此

串励电机的启动转矩很大。由于串励（直流）电机在起动时电流常大，因此电机的起动火花交大7、串励电动机的机械特性(3)aaRIEU+=六、电机的换向

直流电机、串励电机等有换向器的电机都要在换向器和碳刷的帮助下，使电枢绕组线圈中的电流从一种方向改变另一方向，这个过程叫换向。延时换向超前换向电机的换向过程1

电流经过碳刷、换向器后，电流分两路流经电枢绕组，然后到达另一端碳刷，如右图所示。电机的换向过程2

碳刷从一接触换向片2瞬间开始，到碳刷脱离换向片1瞬间止，换向片1与换向片2之间的绕组一直被短接，该线圈被称为换向线圈。21换向线圈电机的换向过程3

换向线圈中的电流由I改变-I，因而电流产生的磁通大小、极性也相应变化，该变化的磁通将在换向线圈中产生电抗电势ex。电机的换向过程4

电抗电势ex产生的电流方向总是与换向前的电流方向一致，使得换向线圈的电流改变方向的时间延长，因此碳刷后边的电流密度加大，碳刷后边沿与换向线圈离开瞬间会产生火花，这叫延迟换向。U+–NSII电机的换向过程5电枢磁场的产生电机电枢线圈在流过电流时，根据右手螺旋管定律，将产生磁场，磁场的方向垂直于主磁场方向，如右图示：该磁场称电枢磁场SN换向电势ea的产生：换向线圈在换向区域会切割电枢磁场，因此会产生换向电势ea（旋转电势），该电势方向与电抗电势方向一致，因此换向会变恶化。

电机的换向过程6超前换向：

由于换向电势ea（旋转电势）的方向与电抗电势方向一致，使得换向变的更差。因此采用一些措施（下节第2点介绍）使得换向电势与电抗电势方向相反，提前改变换向线圈的电流方向，此时碳刷前边的电流密度大于后边的电流密度，碳刷前边沿进入时会产生火花，这叫超前换向。电机的换向过程7改善火花换