电机基础知识
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– 磁极对数为p时
• n 磁场转速 0 = 60f/p ，单位是“转/分”，也称之为同步转速。
交流异步电机
转子是如何转起来的？
感应电流
感应电动势
交流异步电机
电机机械特性
– 在理想的情况下，假设电机不受任何外力，转子的速度会从0开始持续上 升，直到达到同步转速后，形成平衡。
– 当电机带上负载后，转子会受到一个阻碍它变化的力矩，此时转子速度会 逐渐下降，与定子空间磁场产生速度差，此时转子线圈的感应电动势和感 应电流的作用，产生一个电磁转矩，当速度差达到一定程度时，电磁转矩 等于负载转矩，此时形成新的平衡，电机以稳定的速度运转。
– 绕线式电机由于存在外接电阻，导致能量利用率不高，机械特性比较软， 而且制造、维护成本较高。
交流异步电机
鼠笼式电机
– 是在转子铁心槽中插入导条（铜条或铝条），两端用铜环或涛铝短接起来 ，称铜排转子或涛铝转子。由鼠笼型绕组制作的电机称鼠笼式电机，因其 结构简单，价格便宜，运行可靠而被广泛应用 。
交流异步电机
交流电动机（AC Motor）结构比 较简单,制造方便，容易做成高转速、 高电压、大电流、大容量的电机， 可以在高温、易燃等环境下操作， 维护比较方便，但在调速上比较困 难 ，需要采取一系列的方法进行处 理。
电动机
常见电机分类
直流电机
永磁电机 励磁电机
电动机
交流电机
单相电机 三相电机
串励电机 并励电机 它励电机 复励电机
三相发电机原理
– 使用三个相差120o 的线圈在同一个发电机磁场内旋转切割磁力线，所产 生出来的就是三相交流电。
U
S
N
电动机
电动机的定义
– 又称为马达或电动马达，是一种应用电磁感应的原理将电能转化成机械能 ，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。
直流电动机（DC Motor）的好处 为在控速方面比较简单，只须控制 电压大小已可控制共转速，但此类 电动机不宜在高温、易燃等环境下 操作，而且由于电动机中需要以碳 刷作为电流变换器的部件，有电火 花产生,需要定期清理。
等尺寸（直径大12mm）的外物侵入。 • 3 防止大于2.5mm的固体物体侵入 防止直径或厚度大于2.5mm的工具、电线 或
类似的细节小外物侵入而接触到电机内部的零件。 • 4 防止大于1.0mm的固体物体侵入 防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线或
类似的细节小外物侵入而接触到电机内部的零件。 • 5 防尘 完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘进入，但侵入的灰尘量并不会影
– 定子绕组：由在几何空间完全对称的三相线圈独立绕成，嵌于定子槽内， 外接三相对称电源。其主要作用是接受外部的三相交流电能，产生其工作 必须的磁场，是完成电能与机械能相互转换的中枢。
交流异步电机
转子部分
– 转子铁心： 紧套装在转轴上，由环形硅钢片迭压而成，开有装设转子绕 组的槽。其作用是提供电机磁路及固定转子绕组。
电机的调速
直流电机调速
– n=(U-I*R)/Ceφ – 改变电机两端的电压。
• 可以实现无级调速，属于恒转矩调速。
– 改变磁通量。
• 可以实现无级调速，属于恒功率调速。
– 串调节电阻。
• 只能分级调速，且能量损耗大。
电机的调速
三相交流电机调速
– n=
60f(1-s) p
– 由上面公式可以看出，电机的转速与三个因素有关，调节这几个因素，就 能够改变电机的速度，因此电机有以下几种调速方式：
L1
L2
L3
L2 L3〞
L1〞 L3 L2〞
L1
L1
L2〞 L3
L3〞 t
L1〞 L2
交流异步电机
旋转磁场的转速
– 磁极对数为1时
• 在三相电源的一周期内，磁场刚好完成一圈的变化，因此有： • 磁场转速 n0 = 60f ，单位是“转/分”。
– 磁极对数为2时
• 在三相电源的一周期内，磁场完成半圈的变化，因此有： • 磁场转速 n0 = 60f/2 ，单位是“转/分”。
设备就是变频器。 – 最常见的交-直-交变频器可以分为两个工作流程
• 交-直变换。将不可调的电网三相/单相交流电通过整流变成直流电。 • 直-交变换。将直流电通过逆变成为频率和电压可调的交流电
变频器
交_直_交变频器
整流器
直流母线
逆变器
主控电路
变频器
交_直_交变频器
– 转差/滑差：电机速度与同步转速的差值定义为转差/滑差，(n0-n) – 转差率：转差与同步转速的比值称之为转差率，符号是s
s = (n0-n)/n0.
交流异步电机
机械特性曲线
– 描述电机电磁转矩与转速之间关系的曲线
– 理想空载点
n
• 电机以同步转速运行
– 临界点
nn0N
• 反映电机的过载能力
nK
n0 nN1
1500 rpm
0
3000
nNS TN
s = s1 s = s2
s = s3
s = s4
电机的调速
改变频率调速
– 当电机的电源频率发生改变时,电机的特性曲线如下： n0 nN1
f = fN
1500
rpm
TN
0
3000
变频器
交_直_交变频器
– 电机的变频调速是很好的一种调速手段。 – 一般电网的工频电压统一为380VAC、50HZ不可变。 – 要得到频率和电压可调的交流电，就必须通过某种设备“变出来”，这种
电磁场
电磁场的表示法
电磁场
导体切割磁力线运动产生电动势
N
-+
+-
S
电磁场
通电导体在磁场中受力
N
S
交流发电机
发电机原理
– 是利用各种动力（如水力、风力…）使线圈在磁铁的两极间转动；当线圈 转动时，线圈内的磁场改变，因此产生感应电流，是运用“电磁感应”原 理将动力所作的功转换成电能的装置。
U
S
N
交流发电机
会造成有害影响 • 3 防止喷洒的水侵入， 防雨，或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水
进入电机造成损害。 • 4 防止飞溅的水侵入， 防止各方向飞溅而来的水进入电机造成损害。 • 5 防止喷射的水侵入， 防止来自各方向由喷嘴射出的水进入电机造成损害。 • 6 防止大浪的侵入， 装设于甲板上的电机，防止因大浪的侵袭而进入造成损坏。 • 7 防止浸水时水的侵入， 电机浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保
– 注意，下列温度指的是绕组承受的温度，当电机外壳达到此温度时，绕组 温度已经远远超过此值。
A
E
B
F
Hwenku.baidu.com
最高允许温度℃ 105
120
130
150
180
绕组温升限值K
60
75
80
100 125
交流异步电机
工作方式
– 表明电机在不同负载下的允许循环时间，是对电机承受负载情况的说明。 – S1：连续工作方式
• 通常一个周期为10min。常见的负载持续率有15%，25%，40%，60%。
交流异步电机
IP等级
– 第一个数字表示电机离尘、防止外物侵入的等级。
• 0 没有防护 对外界的人或物无特殊防护 • 1 防止大于50mm的固体物体侵入 防止人体（如手掌）因意外而接触到电机内
部的零件。防止较大尺寸（直径大于50mm）的外物侵入。 • 2 防止大于12mm的固体物体侵入 防止人的手指接触到电机内部的零件防止中
电机剖面图
交流异步电机
电机参数
– 额定功率 PN – 额定电压 UN – 额定电流 IN – 额定频率 fN – 额定转速 nN
交流异步电机
单相绕组产生的磁场
U
0
L1
L1〞 t
交流异步电机
三相绕组产生的旋转磁场(磁极对数为1)
L1
L2
L3
L3〞 L2
L1
L2〞
L1〞 t
L3
交流异步电机
三相绕组产生的旋转磁场(磁极对数为2)
不因进水而造成损坏。 • 8 防止沉没时水的侵入， 电机无限期的沉没在指定水压的状况下，能确保不因进
水而造成损坏。
电机的调速
什么是调速？
– 起重机在同样的负载下，根据生产过程中具体情况的需要，对运行速度的 要求也有所不同，因此要对电机进行控制，实现电机速度的控制。
为什么要进行调速？
– 单速控制、双速控制、变频控制… … – 启动平稳、运行平稳、停止平稳。 – 可简化操作、提高效率、操作更安全可靠。 – 延长设备的寿命。
– 转子绕组： 为安装在转子槽中的导体。其作用是在磁场作用下产生感应 转子电流，配合完成电能与机械能的转换。
• 绕线式绕组 • 鼠笼式绕组
交流异步电机
绕线式电机
– 一般接成星形，三相的引出线分别接在转轴上的三个集电环上，通过电刷 与外电路相联，能方便地串入外接电阻，具有较好的起制动特性，可方便 进行调速控制。
• 改变磁极对数调速 • 改变转差率调速 • 改变频率调速
电机的调速
改变磁极对数调速
– 当电机磁极对数从1对改变到2对时，特性曲线发生变化，电机需要在 p=2的特性曲线上建立新的平衡，变化过程如下：
n01 nN1
p =1
1500 rpm
0
3000
n02
nN2
p =2
TN
电机的调速
改变转差率调速
– 通过在转子绕组串电阻的方法,可以改变电机的特性曲线：
异步电机 串励电机
同步电机 异步电机
鼠笼式电机 绕线式电机
交流异步电机
基本结构
– 定子部分
• 外壳、铁芯、绕组
– 转子部分
• 铁芯、绕组
交流异步电机
定子部分
– 外壳：主要的作用是固定和支撑铁心。机座的前后装有轴承，.以支撑旋 转的转子轴
– 定子铁芯：其作用是嵌装定子绕组，也是磁路的重要组成部分。为了减少 涡流损耗，采用由涂有绝缘漆的环形硅钢片叠压而成，铁心的内圆周开有 均匀的槽，用以安装定子绕组。
响电机的正常工作。 • 6 防尘 完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。
交流异步电机
IP等级
– 第二个数字表示电机防湿气、防水侵入的密闭程度。
• 0 没有防护， 没有防护 • 1 防止滴水侵入 ，垂直滴下的水滴（如凝结水）对电机不会造成有害影响。 • 2 倾斜15度时仍可防止滴水侵入， 当电机由垂直倾斜至15度时，滴水对电机不
• 在额定负载下可以长时间运行
– S2 ：短时工作方式
• 只能在给定的时间内运行，超出后必须停止运转，使电机冷却 • 通常有10min.30min.60min和90min四种
– S3：断续工作方式
• 按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停止 运转时间。其中恒定负载与工作周期的比值称之为负载持续率，用ED%表示。
– 启动点
• 启动转矩
– 工作点
• 电机运行在额定状态下
TN= 9550*PN/nN
工作点
临界点
启动点
TN TS
TK T
交流异步电机
绝缘等级
– 电机中绝缘材料容易受到高温的影响而加速老化并损坏，会严重影响到电 机的使用寿命，因此要保证电机运行在设计温度之下。
– 是指电动机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。
• n 磁场转速 0 = 60f/p ，单位是“转/分”，也称之为同步转速。
交流异步电机
转子是如何转起来的？
感应电流
感应电动势
交流异步电机
电机机械特性
– 在理想的情况下，假设电机不受任何外力，转子的速度会从0开始持续上 升，直到达到同步转速后，形成平衡。
– 当电机带上负载后，转子会受到一个阻碍它变化的力矩，此时转子速度会 逐渐下降，与定子空间磁场产生速度差，此时转子线圈的感应电动势和感 应电流的作用，产生一个电磁转矩，当速度差达到一定程度时，电磁转矩 等于负载转矩，此时形成新的平衡，电机以稳定的速度运转。
– 绕线式电机由于存在外接电阻，导致能量利用率不高，机械特性比较软， 而且制造、维护成本较高。
交流异步电机
鼠笼式电机
– 是在转子铁心槽中插入导条（铜条或铝条），两端用铜环或涛铝短接起来 ，称铜排转子或涛铝转子。由鼠笼型绕组制作的电机称鼠笼式电机，因其 结构简单，价格便宜，运行可靠而被广泛应用 。
交流异步电机
交流电动机（AC Motor）结构比 较简单,制造方便，容易做成高转速、 高电压、大电流、大容量的电机， 可以在高温、易燃等环境下操作， 维护比较方便，但在调速上比较困 难 ，需要采取一系列的方法进行处 理。
电动机
常见电机分类
直流电机
永磁电机 励磁电机
电动机
交流电机
单相电机 三相电机
串励电机 并励电机 它励电机 复励电机
三相发电机原理
– 使用三个相差120o 的线圈在同一个发电机磁场内旋转切割磁力线，所产 生出来的就是三相交流电。
U
S
N
电动机
电动机的定义
– 又称为马达或电动马达，是一种应用电磁感应的原理将电能转化成机械能 ，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。
直流电动机（DC Motor）的好处 为在控速方面比较简单，只须控制 电压大小已可控制共转速，但此类 电动机不宜在高温、易燃等环境下 操作，而且由于电动机中需要以碳 刷作为电流变换器的部件，有电火 花产生,需要定期清理。
等尺寸（直径大12mm）的外物侵入。 • 3 防止大于2.5mm的固体物体侵入 防止直径或厚度大于2.5mm的工具、电线 或
类似的细节小外物侵入而接触到电机内部的零件。 • 4 防止大于1.0mm的固体物体侵入 防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线或
类似的细节小外物侵入而接触到电机内部的零件。 • 5 防尘 完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘进入，但侵入的灰尘量并不会影
– 定子绕组：由在几何空间完全对称的三相线圈独立绕成，嵌于定子槽内， 外接三相对称电源。其主要作用是接受外部的三相交流电能，产生其工作 必须的磁场，是完成电能与机械能相互转换的中枢。
交流异步电机
转子部分
– 转子铁心： 紧套装在转轴上，由环形硅钢片迭压而成，开有装设转子绕 组的槽。其作用是提供电机磁路及固定转子绕组。
电机的调速
直流电机调速
– n=(U-I*R)/Ceφ – 改变电机两端的电压。
• 可以实现无级调速，属于恒转矩调速。
– 改变磁通量。
• 可以实现无级调速，属于恒功率调速。
– 串调节电阻。
• 只能分级调速，且能量损耗大。
电机的调速
三相交流电机调速
– n=
60f(1-s) p
– 由上面公式可以看出，电机的转速与三个因素有关，调节这几个因素，就 能够改变电机的速度，因此电机有以下几种调速方式：
L1
L2
L3
L2 L3〞
L1〞 L3 L2〞
L1
L1
L2〞 L3
L3〞 t
L1〞 L2
交流异步电机
旋转磁场的转速
– 磁极对数为1时
• 在三相电源的一周期内，磁场刚好完成一圈的变化，因此有： • 磁场转速 n0 = 60f ，单位是“转/分”。
– 磁极对数为2时
• 在三相电源的一周期内，磁场完成半圈的变化，因此有： • 磁场转速 n0 = 60f/2 ，单位是“转/分”。
设备就是变频器。 – 最常见的交-直-交变频器可以分为两个工作流程
• 交-直变换。将不可调的电网三相/单相交流电通过整流变成直流电。 • 直-交变换。将直流电通过逆变成为频率和电压可调的交流电
变频器
交_直_交变频器
整流器
直流母线
逆变器
主控电路
变频器
交_直_交变频器
– 转差/滑差：电机速度与同步转速的差值定义为转差/滑差，(n0-n) – 转差率：转差与同步转速的比值称之为转差率，符号是s
s = (n0-n)/n0.
交流异步电机
机械特性曲线
– 描述电机电磁转矩与转速之间关系的曲线
– 理想空载点
n
• 电机以同步转速运行
– 临界点
nn0N
• 反映电机的过载能力
nK
n0 nN1
1500 rpm
0
3000
nNS TN
s = s1 s = s2
s = s3
s = s4
电机的调速
改变频率调速
– 当电机的电源频率发生改变时,电机的特性曲线如下： n0 nN1
f = fN
1500
rpm
TN
0
3000
变频器
交_直_交变频器
– 电机的变频调速是很好的一种调速手段。 – 一般电网的工频电压统一为380VAC、50HZ不可变。 – 要得到频率和电压可调的交流电，就必须通过某种设备“变出来”，这种
电磁场
电磁场的表示法
电磁场
导体切割磁力线运动产生电动势
N
-+
+-
S
电磁场
通电导体在磁场中受力
N
S
交流发电机
发电机原理
– 是利用各种动力（如水力、风力…）使线圈在磁铁的两极间转动；当线圈 转动时，线圈内的磁场改变，因此产生感应电流，是运用“电磁感应”原 理将动力所作的功转换成电能的装置。
U
S
N
交流发电机
会造成有害影响 • 3 防止喷洒的水侵入， 防雨，或防止与垂直的夹角小于60度的方向所喷洒的水
进入电机造成损害。 • 4 防止飞溅的水侵入， 防止各方向飞溅而来的水进入电机造成损害。 • 5 防止喷射的水侵入， 防止来自各方向由喷嘴射出的水进入电机造成损害。 • 6 防止大浪的侵入， 装设于甲板上的电机，防止因大浪的侵袭而进入造成损坏。 • 7 防止浸水时水的侵入， 电机浸在水中一定时间或水压在一定的标准以下能确保
– 注意，下列温度指的是绕组承受的温度，当电机外壳达到此温度时，绕组 温度已经远远超过此值。
A
E
B
F
Hwenku.baidu.com
最高允许温度℃ 105
120
130
150
180
绕组温升限值K
60
75
80
100 125
交流异步电机
工作方式
– 表明电机在不同负载下的允许循环时间，是对电机承受负载情况的说明。 – S1：连续工作方式
• 通常一个周期为10min。常见的负载持续率有15%，25%，40%，60%。
交流异步电机
IP等级
– 第一个数字表示电机离尘、防止外物侵入的等级。
• 0 没有防护 对外界的人或物无特殊防护 • 1 防止大于50mm的固体物体侵入 防止人体（如手掌）因意外而接触到电机内
部的零件。防止较大尺寸（直径大于50mm）的外物侵入。 • 2 防止大于12mm的固体物体侵入 防止人的手指接触到电机内部的零件防止中
电机剖面图
交流异步电机
电机参数
– 额定功率 PN – 额定电压 UN – 额定电流 IN – 额定频率 fN – 额定转速 nN
交流异步电机
单相绕组产生的磁场
U
0
L1
L1〞 t
交流异步电机
三相绕组产生的旋转磁场(磁极对数为1)
L1
L2
L3
L3〞 L2
L1
L2〞
L1〞 t
L3
交流异步电机
三相绕组产生的旋转磁场(磁极对数为2)
不因进水而造成损坏。 • 8 防止沉没时水的侵入， 电机无限期的沉没在指定水压的状况下，能确保不因进
水而造成损坏。
电机的调速
什么是调速？
– 起重机在同样的负载下，根据生产过程中具体情况的需要，对运行速度的 要求也有所不同，因此要对电机进行控制，实现电机速度的控制。
为什么要进行调速？
– 单速控制、双速控制、变频控制… … – 启动平稳、运行平稳、停止平稳。 – 可简化操作、提高效率、操作更安全可靠。 – 延长设备的寿命。
– 转子绕组： 为安装在转子槽中的导体。其作用是在磁场作用下产生感应 转子电流，配合完成电能与机械能的转换。
• 绕线式绕组 • 鼠笼式绕组
交流异步电机
绕线式电机
– 一般接成星形，三相的引出线分别接在转轴上的三个集电环上，通过电刷 与外电路相联，能方便地串入外接电阻，具有较好的起制动特性，可方便 进行调速控制。
• 改变磁极对数调速 • 改变转差率调速 • 改变频率调速
电机的调速
改变磁极对数调速
– 当电机磁极对数从1对改变到2对时，特性曲线发生变化，电机需要在 p=2的特性曲线上建立新的平衡，变化过程如下：
n01 nN1
p =1
1500 rpm
0
3000
n02
nN2
p =2
TN
电机的调速
改变转差率调速
– 通过在转子绕组串电阻的方法,可以改变电机的特性曲线：
异步电机 串励电机
同步电机 异步电机
鼠笼式电机 绕线式电机
交流异步电机
基本结构
– 定子部分
• 外壳、铁芯、绕组
– 转子部分
• 铁芯、绕组
交流异步电机
定子部分
– 外壳：主要的作用是固定和支撑铁心。机座的前后装有轴承，.以支撑旋 转的转子轴
– 定子铁芯：其作用是嵌装定子绕组，也是磁路的重要组成部分。为了减少 涡流损耗，采用由涂有绝缘漆的环形硅钢片叠压而成，铁心的内圆周开有 均匀的槽，用以安装定子绕组。
响电机的正常工作。 • 6 防尘 完全防止外物侵入，且可完全防止灰尘进入。
交流异步电机
IP等级
– 第二个数字表示电机防湿气、防水侵入的密闭程度。
• 0 没有防护， 没有防护 • 1 防止滴水侵入 ，垂直滴下的水滴（如凝结水）对电机不会造成有害影响。 • 2 倾斜15度时仍可防止滴水侵入， 当电机由垂直倾斜至15度时，滴水对电机不
• 在额定负载下可以长时间运行
– S2 ：短时工作方式
• 只能在给定的时间内运行，超出后必须停止运转，使电机冷却 • 通常有10min.30min.60min和90min四种
– S3：断续工作方式
• 按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段停止 运转时间。其中恒定负载与工作周期的比值称之为负载持续率，用ED%表示。
– 启动点
• 启动转矩
– 工作点
• 电机运行在额定状态下
TN= 9550*PN/nN
工作点
临界点
启动点
TN TS
TK T
交流异步电机
绝缘等级
– 电机中绝缘材料容易受到高温的影响而加速老化并损坏，会严重影响到电 机的使用寿命，因此要保证电机运行在设计温度之下。
– 是指电动机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。