電動機

電動機是一種將電能轉化為機械能的設備。它利用通電線圈產生旋轉磁場，作用于轉子，形成磁電旋轉力矩。根據工作電源類型的不同，電機分為DC電機和交流電機。電力系統中的電機多為交流電機，可以是同步電機，也可以是異步電機。交流電機主要由定子和轉子組成。通電導體在磁場中的方向與電流的方向和磁感應線(磁場)的方向有關。它的基本工作原理遵循電磁感應定律，磁場對電流的作用力使電機旋轉。電機廣泛應用于各種場合，如電車、電力機車、風機、水泵、機床等。

定子：定子是電機的靜止部分，其作用是為繞組旋轉的區域提供穩定的磁場，作為電機的機械支撐。DC電機的定子由主極、機座、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置組成。交流電機的定子由外殼、定子鐵芯和定子繞組組成。

主磁極：主磁極用于產生恒定的主磁場，主磁場由主磁極鐵芯和套在鐵芯上的勵磁繞組組成。鐵芯的上部稱為極身，下部稱為極靴。極靴的作用是降低氣隙磁阻，使氣隙磁通沿氣隙均勻分布。鐵芯通常由低碳鋼片沖壓和層壓而成，旨在減少勵磁渦流損耗。

框架(外殼)和端蓋：框架由鑄鋼或厚鋼板制成，用于為電機提供機械支撐和承受磁場繞組產生的磁通，同時也作為磁極間的磁路。DC電機的機座(磁軛)是磁路的一部分，主磁極和換向磁極安裝在機座內。鐵芯固定在交流電機外殼的內圓，軸承固定在外殼兩端的端蓋內支撐轉子。機架兩端有端蓋，保護電機，防止觸電。端蓋固定在機座上，主要起支撐作用。軸承放在端蓋上，支撐DC電機的轉軸，使DC電機可以轉動，一般是鋼制的。

換向極：換向極又稱附加極或極間極，用于產生附加磁場，改善DC電機的換向，減少電刷與換向器之間的火花。它安裝在兩個相鄰的主磁極之間，由換向磁極鐵芯和換向磁極繞組組成。換向極芯比主極簡單，一般用整塊鋼或鋼板制成。換向極繞組與電樞繞組串聯連接。

刷子裝置：電刷裝置主要由電刷、刷握、刷桿和刷桿座組成，它有兩個作用:一是連接轉子繞組和電機的外電路；二是配合換向器完成DC電機外部DC和內部交流電的交換。

定子鐵芯和定子繞組：定子鐵芯由厚度為0.35~0.5毫米的圓形硅鋼片制成，以提供磁通量的通道。鐵芯內圓有均勻分布的槽，槽內放置定子繞組。定子繞組是電機的電流通道，一般由高強度聚酯漆包銅線制成。三相異步電動機有三個定子繞組，每個繞組由幾個線圈組成。線圈和鐵芯之間墊有綠紙和聚酯薄膜，用于絕緣。

旋轉體：轉子是電機的旋轉部分。DC電機的轉子也叫電樞，用來產生電磁轉矩和感應電動勢實現能量轉換，包括轉子(電樞)鐵芯、轉子(電樞)繞組、換向器、轉軸和風扇。交流電機的轉子結構可分為鼠籠式(舊稱鼠籠式)和繞組式。籠型轉子比較常見，主要由轉軸轉子鐵芯和轉子繞組組成。

轉子芯：電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，電樞鐵芯的圓周上有均勻分布的槽，可以嵌入電樞繞組。為了減少電機旋轉時鐵芯內磁通方向變化引起的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵芯通常由0.35 ~ 0.5毫米厚的硅鋼片沖壓疊壓而成，涂有絕緣層，固定在轉子支架或轉軸上。交流電機的轉子鐵芯通常在鑄造轉子籠條的硅鋼片外圓上沖制若干槽。

轉子線圈：DC電機中電樞繞組的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，從而實現電能和機械能的相互轉換。它是由許多形狀相同的線圈按照一定的排列規律連接而成。每個線圈的兩邊分別嵌入電樞鐵芯的槽中，槽中的兩邊稱為有效邊。

交流電機中的轉子繞組是按照一定規律纏繞連接的線圈組。轉子繞組可分為籠型和繞組型。籠型異步電動機的轉子繞組有銅排和鋁鑄件兩種形式。在轉子鐵芯的槽內鑄造鋁籠條，然后在鐵芯兩端鑄造兩個圓環，與每個籠條連為一體，成為一個鑄鋁轉子。

整流器：換向器又稱換向器，是DC電機的關鍵部件，由換向片組成。它與電刷配合，將電樞繞組中的交流電動勢或交流電流轉化為DC電機中電刷兩端的DC電動勢或DC電流。

旋轉軸和風扇：轉軸一般采用中碳鋼，兩端由軸承支撐。轉子鐵芯和繞組固定在轉軸上，端蓋的軸上裝有風扇，幫助外殼散熱。

DC電機的工作原理：DC發動機有能力將電能轉化為機械能。其基本原理是，在一定的環境下，受電磁力驅動的帶電導體會在磁場環境中按照電磁感應定律運動。n和S是一對固定的磁極，也就是定子，將外接DC電源的正極附著在電刷A上，負極附著在電刷B上，這樣線圈就會產生電流。從左手螺旋定律可以看出，由于電磁力的作用，導線ab和cd產生的力矩是相同的。這個力矩是逆時針方向的，所以電樞會朝這個方向旋轉。

DC電機通過換向器和電刷使電樞繞組中的電流交替方向流動，但電樞引起的電磁場旋轉不會改變，保證了電機以一定的角度連續旋轉。DC電機的工作機理是通過外加電壓使其在導體中產生電流，在磁場中，負載導體會受到電磁力的作用。但由于換向器的介入，電機的轉矩保持恒定，從而實現了DC電機的連續轉動，將DC功率轉化為機械能輸出。

交流電機的工作原理：交流電機也具有能量轉換的能力，其基本原理也是基于電磁感應定律，通過產生旋轉磁場和感應電動勢的相互作用過程，將電能轉化為機械能。以同步交流電機和感應電機為例，介紹了其工作原理。

感應電機原理：三相異步電動機在正常運行時，其轉速總是低于同步轉速，所以就成了異步電動機，又因為產生電磁轉矩的電流是由電磁感應產生的，所以就叫感應電動機。其定子繞組為空間位置對稱的三相繞組。交流電機定子繞組通電后，會在定子內部產生一個恒速旋轉的磁場，這是異步電機工作的基本條件。產生在空間旋轉的合成磁場，其方向與電流相序一致，磁場速度(同步速度)與電流頻率有關。靜止的轉子繞組與定子的旋轉磁場之間的相對運動，在轉子繞組中產生感應電動勢，在轉子繞組中產生感應電流，形成閉合回路，轉子電流受到旋轉磁場中的磁力，在旋轉軸上形成電磁轉矩，從而驅動電機轉子旋轉。電磁轉矩的方向與旋轉電動勢的方向相同，轉子朝那個方向旋轉。

同步電機原理：同步電機的工作原理是通過定子旋轉磁場和轉子磁場的轉速相等來實現恒速運行。氣隙的旋轉磁場與轉子的勵磁磁場之間存在空間角度，相互吸引，拉動轉子同向同速旋轉。只要轉子軸上的負載轉矩小于定子和轉子極間吸力產生的轉矩，電機就能穩定恒速運行。因為旋轉磁場和轉子的恒定磁場在空間上是相對靜止的，兩極氣隙之間形成的磁場實際上是旋轉磁場和轉子的恒定磁場組成的合成磁場。

因為轉子的旋轉磁場和恒定磁場在空間上是相對靜止的，所以兩個磁場之間形成的磁場實際上是旋轉磁場和轉子磁場兩個磁通組成的合成磁場。電機中定子旋轉磁場的磁動勢稱為電樞磁動勢，DC勵磁電流產生的轉子磁動勢稱為勵磁磁動勢。兩個磁動勢以同步速度旋轉，在空間上相對靜止，但也有一個空間角度，如上所述。當轉子軸上的負載或勵磁發生變化時，空間角度可以發生變化，但電機的轉速始終與定子旋轉磁場的轉速同步，這也是同步電機名稱的由來。

磁感應強度：電機的工作原理公式是基于法拉第電磁感應定律。反映磁場強弱的物理量是磁感應強度，用矢量B表示，定義為:B=Fm/qv。磁場中某一點的磁感應強度在數值上等于單位正電荷以單位速度通過該點時的最大磁力，其方向由最大磁力F和正電荷Q在該點的速度方向根據右手螺旋法則決定。

洛倫茲力：這樣就在實驗的基礎上定義了描述磁場的物理量，即磁感應強度。根據這個定義，有一個關系式Fm=qv × B，就是運動電荷的洛倫茲力公式。在國際單位制中，根據上述定義，磁感應強度的單位是N/A·m，用特斯拉(t)表示。

安培定律：安培定律是電機的基本原理。磁場對載流導線的作用力是磁力，通常稱為安培力。它的基本定律是安培從大量的實驗結果中總結出來的，所以叫安培定律。內容如下:載有電流I的一小段導線dL，即電流元IdL，置于磁場B中時，力dF將與電流I、電流元長度dL、磁感應強度B和IdL與B夾角的正弦成正比，dF的方向垂直于IdL與B形成的平面，方向由右手螺旋法則決定， 即dF的方向為IDL× B .其中θ為電流元IDL與磁場B的夾角，國際單位制中k=1，上式寫成矢量dF = LDL× B .計算磁場中給定載流導線的安培力時，必須求出各電流元的力dF的矢量和，即F=BLI。

扭矩計算：邊長為L1和L2的剛性矩形線圈置于磁感應強度為B、電流為I的均勻磁場中，當線圈磁矩的方向en與磁場B的方向成φ角(線圈平面與磁場方向成θ角，φ+θ=π/2)時，由安培定律可知，導線BC和DA上安培力的大小分別為F1=BIL1sin(π-θ)和F2=BIL1sinθ。這兩個力在同一直線上，大小相等，方向相反，合力為零。另一方面，導線AB和CD垂直于磁場，其安培力分別為F3和F4，其大小為F3 = F4 =比爾2。F3和F4大小相等，方向相反，但不在一條直線上，形成力偶，會產生旋轉。因此，作用在載流線圈上的磁力矩M為:M=BISsinφ，其中S=L1L2，表示線圈所包圍的面積。

功率(W或kW):功率是指電機運轉時軸端輸出的機械功率。

功率密度(W/Kg或kW/Kg):功率密度是指單位體積或單位重量的電機所能輸出的最大功率。

電壓(V):電壓是指施加在線路末端的電源線路電壓。

電流(A):電流是指電動機運行時電樞繞組(或定子繞組)的線電流。

頻率(Hz):頻率是指電機運行時電樞(或定子側)的頻率。

轉速(r/min):轉速是指電機運行時電機轉子的轉速。

效率(%):電機的效率是電機的有功輸出功率與有功輸入功率之比，通常用百分數表示。

功率因數(cosφφ):交流電動機有功功率與視在功率的比值稱為功率因數。

溫升(K):電機滿負荷運行時，加熱穩定后，定子(轉子)線圈的強度高于環境溫度。

扭矩(n·m):電機工作時作用在軸上的扭矩稱為電機的轉矩。在一定轉速下，扭矩越大，輸出功率越大。

電機在額定運行下輸出額定功率時，稱為滿負荷運行。此時，電機的運行性能、經濟性和可靠性都處于良好狀態。當輸出功率超過額定功率時，稱為過載運行。此時電機的負載電流大于額定電流，會導致電機過熱，從而縮短電機的使用壽命，甚至燒毀電機。當電機輸出功率小于額定功率時，稱為輕載運行。電機在輕載運行時，效率、相功率因數等性能較差，電機應盡量避免輕載運行。

電機是一種將電能轉化為機械能并輸出機械扭矩的動力設備。通用汽車可分為兩類:DC汽車和交流汽車。DC電機具有起動調速性能好、過載能力大的特點，適用于需要大范圍平穩調速的場所，如有軌電車、電力機車、軋機、起重設備和有特殊運行要求的自動控制系統等。

電動機

同步電機和異步電機有不同的優勢和應用場景。同步電機適用于大功率負載場合(如活塞式和離心式水泵、離心式風機等。)需要長時間連續運轉和恒速，但其制造工藝復雜，無法自行啟動。一般用于驅動不需要調速的大型機械設備，如大型空壓機、球磨機、風機、泵等。低功率同步電機也常用于控制領域。同步電機由變頻電源供電，也可以變速運行。

在異步電動機中，單相電動機適用于小功率設備，如日常生活中的電源、醫療儀器和一些工業設備。三相異步電動機，特別是鼠籠式異步電動機，具有結構簡單、經久耐用、維護方便、起動容易、成本低等優點，廣泛用作工業系統中電氣傳動設備的動力源，如各種機床、泵、風機、起重設備、加工設備等。它也有一些缺點，如速度不易調節，起動性能差，所以在對起動和調速要求高的場合，異步電機不如DC電機。此外，異步電動機必須由電網提供勵磁電流，這增加了電力系統的無功負荷，并導致系統的功率因數降低。為了提高功率因數，經常使用同步電動機。雖然調速特性和功率因數略低于DC電機和同步電機。因此，它仍然是一般應用中使用最廣泛的電機。

大型電機:大型交流電機的容量等級不斷提高，技術含量、產品性能、質量和可靠性不斷提高。普通基本系列的大型電機將逐步替代大型DC軋鋼電機，大力發展技術含量高、防護等級不同、冷卻方式不同的特種大型電機替代進口產品。

中小型電機:產品向多用途、多品種、多適應性方向發展。高效節能電機和機電一體化電機發展迅速，高可靠性、長壽命、低噪聲、重量輕、外形美觀的電機受到重視。

分馬力電機:產品向專用、高性能、機電一體化和永磁DC方向發展。開發滿足負載需要的專用分馬力電機，向機電一體化、智能化、組合化方向發展，向自動化方向發展制造技術。

微電機:產品向高性能、輕薄短小、永磁、無芯、無刷、機電一體化、智能化、組合化方向發展。生產技術向集成化、柔性化、自動化、專業化和生產協作網絡化發展，測試技術向高效化和自動化發展。