電機學課件-清華大學

電機學概論：清華大學電機工程系歡迎來到清華大學電機工程系電機學課程。本課程在電氣工程專業(yè)中占據(jù)核心地位，將系統(tǒng)講解電機的基本原理、分析方法及應用技術(shù)。通過本課程學習，學生將深入理解各類電機的工作機理，掌握電機系統(tǒng)分析與設計的基本方法。本課程以湯蘊璆教授編著的《電機學》（第五版）為主要參考教材，配合實驗和工程案例，幫助學生建立理論與實踐相結(jié)合的知識體系。在未來的學習中，我們將探索從基礎(chǔ)電磁理論到現(xiàn)代電機控制的全部內(nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程和工程實踐奠定堅實基礎(chǔ)。電機發(fā)展簡史電磁感應時代1831年，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，為電機的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的可能性，開啟了電氣工程的新紀元。實用電機誕生1866年，西門子發(fā)明了自激式發(fā)電機，解決了穩(wěn)定電源問題。隨后，他建立了世界上第一條電氣化鐵路，將電機技術(shù)推向?qū)嵱没A段。特斯拉革命1888年，尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流感應電機，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。他的多相交流系統(tǒng)最終戰(zhàn)勝了愛迪生的直流系統(tǒng)，成為全球電力傳輸?shù)臉藴?。工業(yè)革命推動者20世紀初，電機技術(shù)的成熟推動了第二次工業(yè)革命，使電力成為工廠的主要能源，極大地提高了生產(chǎn)效率，徹底改變了人類的生產(chǎn)和生活方式。電機的分類按能量轉(zhuǎn)換方式分類電動機：將電能轉(zhuǎn)換為機械能發(fā)電機：將機械能轉(zhuǎn)換為電能電力變壓器：改變交流電的電壓和電流大小按電源類型分類直流電機：工作電源為直流電，具有良好的調(diào)速性能交流電機：工作電源為交流電，包括同步電機和異步電機特種電機：如步進電機、伺服電機等按結(jié)構(gòu)和用途分類通用電機：如三相異步電機，應用廣泛專用電機：如牽引電機、冶金電機等微特電機：尺寸小，如儀表用電機電機的基本結(jié)構(gòu)定子系統(tǒng)電機的固定部分，通常包括機座、定子鐵心和定子繞組。機座提供機械支撐，定子鐵心提供磁路，定子繞組通入電流產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)電機的旋轉(zhuǎn)部分，包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和軸。在交流電機中有鼠籠式和繞線式兩種類型，直流電機中則配有換向器。繞組系統(tǒng)由導線繞制而成，是電機中的關(guān)鍵部件。定子繞組通入電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。換向與傳輸系統(tǒng)直流電機特有的部件，包括電刷和換向器，用于將外部電源連接到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組上，并實現(xiàn)電流方向的周期性變化。電磁感應定律回顧法拉第電磁感應定律e=-NdΦ/dt，感應電動勢等于線圈匝數(shù)乘以穿過線圈的磁通量變化率的負值楞次定律感應電流的方向總是使其產(chǎn)生的磁場阻礙引起感應電流的磁通量變化電機應用電機中的感應電動勢和電磁力是電機工作的物理基礎(chǔ)電磁感應是電機工作的核心物理原理。在發(fā)電機中，機械力驅(qū)動導體切割磁力線，產(chǎn)生感應電動勢；在電動機中，電流通過導體在磁場中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。理解這一原理對掌握電機工作機制至關(guān)重要。電磁感應的方向由楞次定律決定，這也解釋了為什么電動機和發(fā)電機可以相互轉(zhuǎn)換。當電動機作為發(fā)電機使用時，需要外力克服感應電磁力做功，這就是能量轉(zhuǎn)換的物理本質(zhì)。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生磁場的建立定子繞組通電產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，磁感線從N極出發(fā)，經(jīng)過氣隙，進入S極，形成完整的磁路轉(zhuǎn)子中的電流轉(zhuǎn)子導體中通入電流，在異步電機中是感應電流，在直流和同步電機中是外部施加的電流洛倫茲力載流導體在磁場中受力：F=BIl，其中B為磁感應強度，I為電流，l為導體有效長度電磁轉(zhuǎn)矩形成力矩計算：T=r×F，其中r為作用力臂，當轉(zhuǎn)矩克服負載轉(zhuǎn)矩時，電機開始旋轉(zhuǎn)電機運行的基本物理量物理量符號國際單位測量方法電壓U伏特(V)電壓表、示波器電流I安培(A)電流表、鉗形表功率P瓦特(W)功率表、功率分析儀轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)/分(r/min)轉(zhuǎn)速表、光電傳感器轉(zhuǎn)矩T牛頓米(N·m)轉(zhuǎn)矩傳感器這些基本物理量之間存在密切的關(guān)系。對于直流電機，電磁功率P=UI，機械功率P=Tω，其中ω為電機角速度。在理想狀態(tài)下，電磁功率等于機械功率，但實際運行中需考慮各種損耗。轉(zhuǎn)速與頻率、極對數(shù)的關(guān)系為n=60f/p，其中f為電源頻率，p為極對數(shù)。負載增加時，電動機轉(zhuǎn)速降低，電流增大；發(fā)電機轉(zhuǎn)速提高，輸出電流增大。掌握這些關(guān)系對電機性能分析和應用設計至關(guān)重要。磁路的基本概念磁動勢電流通過線圈產(chǎn)生磁動勢：F=NI，類比于電路中的電動勢磁阻磁路中阻礙磁通的程度：R=l/(μS)，其中l(wèi)為磁路長度，μ為磁導率，S為截面積磁通通過磁路的磁力線總量：Φ=F/R，遵循磁路歐姆定律磁路分析是電機設計的基礎(chǔ)。在分析復雜磁路時，可應用串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路的計算方法。對于含有氣隙的磁路，如電機中的定轉(zhuǎn)子之間，由于氣隙的磁阻遠大于鐵心，往往成為限制磁通的主要因素。實際磁路計算中還需考慮磁飽和現(xiàn)象，即當磁感應強度B超過一定值時，磁導率μ顯著下降，導致磁阻增大。這是電機設計中必須注意的非線性因素，通常通過查表或使用非線性方程解決。磁性材料磁滯回線與磁導率鐵磁材料的磁化過程可通過磁滯回線表示，反映了磁感應強度B與磁場強度H的非線性關(guān)系。磁導率μ=B/H表示材料被磁化的難易程度，越大表示越容易被磁化。磁滯回線的面積代表單位體積材料在一個磁化周期中的能量損失，稱為磁滯損耗。這是電機鐵損的重要組成部分，影響電機效率。軟磁材料與硬磁材料軟磁材料具有窄的磁滯回線，易于磁化和去磁化，主要用于電機的定轉(zhuǎn)子鐵心。常見軟磁材料包括硅鋼片、坡莫合金和鐵氧體等。硬磁材料具有寬的磁滯回線，難以去磁化，適合制作永磁體。常見硬磁材料有鋁鎳鈷合金、釤鈷、釹鐵硼等，其中釹鐵硼具有最高的磁能積，是現(xiàn)代高效電機的理想選擇。變壓器原理初級線圈通電初級繞組接入交流電源，產(chǎn)生交變電流I?和交變磁通Φ鐵芯傳導磁通鐵芯為磁通提供低阻抗路徑，使磁通幾乎全部鏈接次級繞組次級感應電動勢交變磁通在次級繞組中感應電動勢E?，滿足E?/E?=N?/N?負載獲得能量當次級連接負載時，產(chǎn)生電流I?，實現(xiàn)能量傳遞變壓器是利用電磁感應原理實現(xiàn)交流電壓變換的靜止電氣設備。其電壓比與匝數(shù)比成正比：U?/U?≈N?/N?，而電流比與匝數(shù)比成反比：I?/I?≈N?/N?，這確保了功率的近似守恒（除去損耗）。變壓器的類型電力變壓器用于輸配電系統(tǒng)中調(diào)整電壓等級，容量從幾千VA到數(shù)百MVA不等。根據(jù)冷卻方式可分為干式、油浸式和氣體絕緣等類型。具有高效率、長壽命和高可靠性的特點。單相變壓器結(jié)構(gòu)簡單，主要用于單相供電系統(tǒng)和小功率負載。典型應用包括家用電器電源、小型照明系統(tǒng)和實驗室設備。由于單相系統(tǒng)固有的功率波動，其運行效率一般低于三相系統(tǒng)。特種變壓器包括整流變壓器、試驗變壓器、電爐變壓器等，為特定工業(yè)過程設計。如整流變壓器用于高壓直流輸電系統(tǒng)，試驗變壓器可產(chǎn)生極高的測試電壓，電爐變壓器能提供大電流用于冶金工業(yè)。變壓器的運行特性空載運行特性次級開路時的運行狀態(tài)，測定鐵損和磁化特性?？蛰d電流主要是磁化電流，約為額定電流的3-5%，功率因數(shù)低（約0.1-0.3），反映鐵心品質(zhì)。負載運行特性次級連接負載時的運行狀態(tài)，測定銅損和阻抗電壓。隨著負載增加，變壓器溫度上升，效率先增后減，達到最高效率點時鐵損約等于銅損。短路試驗次級短路時進行，通過降低原邊電壓使電流達到額定值。可測定阻抗電壓（約為額定電壓的5-15%）、銅損及等效阻抗。是變壓器重要的型式試驗。并聯(lián)運行條件變壓器并聯(lián)運行需滿足：相位關(guān)系相同、變壓比相同、阻抗電壓比例相近，以確保負載分配合理。當阻抗電壓不同時，阻抗電壓低的變壓器將承擔較大比例的負載。三相異步電機結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)由沖片疊成的圓柱形鐵心，內(nèi)部開有均勻分布的槽，放置三相繞組。繞組首尾相接形成星形或三角形，連接至三相交流電源。定子繞組的極對數(shù)決定了電機的同步轉(zhuǎn)速。鼠籠式轉(zhuǎn)子由鐵心和導條組成，導條鑲嵌在轉(zhuǎn)子槽中，兩端由短路環(huán)連接。結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用，但起動轉(zhuǎn)矩較小，起動電流大。廣泛應用于一般工業(yè)場合，如風機、水泵驅(qū)動。繞線式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有與定子類似的三相繞組，繞組引出端通過滑環(huán)和電刷與外部電路連接?？赏ㄟ^外接電阻調(diào)節(jié)起動性能，起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，但結(jié)構(gòu)復雜，維護成本高。三相異步電機原理旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生當三相繞組通入三相交流電時，各相電流在空間上相差120°，在時間上相差120°電角度，產(chǎn)生幅值恒定、空間位置勻速旋轉(zhuǎn)的合成磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n?=60f/p，其中f為電源頻率，p為極對數(shù)。轉(zhuǎn)子感應電動勢與電流旋轉(zhuǎn)磁場相對于靜止或低速轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子切割導體，感應電動勢，產(chǎn)生感應電流。感應電流的頻率與轉(zhuǎn)子滑差成正比，滑差s=(n?-n)/n?，其中n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速。當轉(zhuǎn)子靜止時，s=1；當轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)時，s=0。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子導體中的感應電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩方向總是使轉(zhuǎn)子趨向于跟隨旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)動，但由于負載轉(zhuǎn)矩的存在，轉(zhuǎn)子永遠不能達到同步速度，二者之間的差速正是感應電動勢和電流產(chǎn)生的前提。三相異步電機的等效電路定子側(cè)等效電路包括定子繞組電阻R?、漏抗X?和勵磁支路。定子電阻反映銅損，漏抗表示不參與能量轉(zhuǎn)換的漏磁通影響。勵磁支路并聯(lián)在定子電阻和漏抗之后，由激磁電抗Xm和鐵損電阻Rc組成。定子側(cè)參數(shù)可通過空載試驗和堵轉(zhuǎn)試驗測定?？蛰d試驗主要測定勵磁支路參數(shù)，堵轉(zhuǎn)試驗則可測定定子和轉(zhuǎn)子的阻抗參數(shù)。轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路包括轉(zhuǎn)子繞組電阻R?/s和漏抗X?。其中R?為轉(zhuǎn)子繞組的實際電阻，除以滑差s表示在不同滑差下的等效電阻。漏抗X?反映轉(zhuǎn)子漏磁通的影響。轉(zhuǎn)子側(cè)的能量轉(zhuǎn)換可分解為兩部分：R?上消耗的功率代表轉(zhuǎn)子銅損，R?(1-s)/s上消耗的功率代表機械輸出功率。這一點對理解電機的功率平衡至關(guān)重要。三相異步電機的運行特性0.85額定效率現(xiàn)代異步電機在額定負載下的典型效率0.8功率因數(shù)反映電機功率利用率的重要指標3.0起動電流比直接起動時的起動電流與額定電流之比2.5最大轉(zhuǎn)矩比最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，反映過載能力異步電機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線反映了電機的動態(tài)性能。起動階段，轉(zhuǎn)矩從起動轉(zhuǎn)矩開始，隨轉(zhuǎn)速增加而增大，達到最大轉(zhuǎn)矩點后開始下降，最終在額定運行點附近穩(wěn)定。最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在臨界滑差處，通常為額定轉(zhuǎn)矩的2-2.5倍，這決定了電機的過載能力。電機效率和功率因數(shù)是評價性能的重要指標。效率隨負載增加先升后降，在75%-100%額定負載時達到最高。功率因數(shù)在輕載時較低，隨負載增加而提高，這是因為無功電流占比減小。在重載運行時，需注意銅損增加導致的溫升問題。三相異步電機的調(diào)速變頻調(diào)速最先進、應用最廣泛的調(diào)速方式變極調(diào)速適用于需要固定調(diào)速點的場合變壓調(diào)速結(jié)構(gòu)簡單但效率低，調(diào)速范圍小變頻調(diào)速是當前最理想的調(diào)速方式，通過改變電源頻率f改變同步轉(zhuǎn)速n?=60f/p，同時按照U/f≈常數(shù)的原則調(diào)整電壓，保持氣隙磁通密度恒定?，F(xiàn)代變頻器可實現(xiàn)寬范圍平滑調(diào)速，具有高效率、高精度、快響應等優(yōu)點。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是變頻調(diào)速的兩種先進控制策略。矢量控制通過分離轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流的控制，實現(xiàn)類似直流電機的性能；直接轉(zhuǎn)矩控制則直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，具有動態(tài)響應快的特點。這兩種方法極大地提高了交流電機在高性能場合的應用能力。三相異步電機的起動直接起動結(jié)構(gòu)最簡單，直接接入電網(wǎng)起動電流大（5-7倍額定值）對電網(wǎng)沖擊大，僅適用于小功率電機起動轉(zhuǎn)矩高，約為額定轉(zhuǎn)矩的0.5-1.5倍降壓起動包括自耦變壓器起動和星三角起動可降低起動電流至直接起動的30-80%起動轉(zhuǎn)矩同比降低，約為直接起動的平方比適用于中等功率電機和輕載起動場合軟起動器采用晶閘管電壓調(diào)節(jié)技術(shù)可平滑調(diào)節(jié)起動電壓，實現(xiàn)柔性起動減少機械沖擊，延長電機和傳動機構(gòu)壽命適用于各種功率電機，特別是風機、水泵類負載三相異步電機的制動能耗制動電機斷電后，在定子繞組中接入直流電源，產(chǎn)生固定磁場。轉(zhuǎn)子在這個磁場中感應電流，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩，將機械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在轉(zhuǎn)子電阻中。制動轉(zhuǎn)矩大，但熱損耗大，適用于短時間、高頻率制動場合。反接制動通過交換電機任意兩相電源接線，使定子磁場反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強大的制動轉(zhuǎn)矩。制動效果最佳，但電流沖擊大，機械應力大，能耗高，主要用于緊急停車和精確定位場合?；仞佒苿赢斬撦d具有勢能（如下坡）或動能（如重型飛輪）時，電機可工作在發(fā)電狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)換回電能送回電網(wǎng)。能量利用效率高，但要求電網(wǎng)能接受回饋能量，通常需配合變頻器實現(xiàn)。單相異步電機單相異步電機的特點是僅有一個主繞組，單相交流電流不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，只能產(chǎn)生脈動磁場，可分解為兩個大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場。由于這一特性，單相電機無法自行起動，需要采用輔助繞組或其他方式產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)起動方式的不同，單相異步電機可分為電容起動型、電容運行型、電容起動運行型和罩極式等類型。電容分相起動是最常見的方式，通過在輔助繞組中串聯(lián)電容，使主、輔繞組電流相位差接近90°，產(chǎn)生近似于旋轉(zhuǎn)磁場的效果。電容型單相電機廣泛應用于家用電器、小型機床和農(nóng)業(yè)機械等場合。同步電機結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類同步電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為隱極式和凸極式兩種。隱極式轉(zhuǎn)子表面光滑，極性由直埋式勵磁繞組確定，適用于高速運行場合；凸極式轉(zhuǎn)子有明顯的凸極結(jié)構(gòu)，勵磁繞組纏繞在突出的磁極上，適用于低速大功率場合。定子結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機類似，由硅鋼片疊成的鐵心和三相分布繞組組成。繞組通入三相交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)速與頻率和極對數(shù)有確定關(guān)系：n=60f/p，即同步轉(zhuǎn)速。勵磁系統(tǒng)同步電機的轉(zhuǎn)子需要直流勵磁產(chǎn)生磁極。傳統(tǒng)方式通過滑環(huán)和電刷將外部直流電源連接到轉(zhuǎn)子勵磁繞組；無刷勵磁則利用裝在同軸的勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器，消除了滑環(huán)和電刷，提高了可靠性。同步電機原理旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生定子三相繞組通入三相交流電，產(chǎn)生勻速旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)速為n?=60f/p轉(zhuǎn)子磁場形成轉(zhuǎn)子繞組通入直流電，產(chǎn)生固定的磁極，N極和S極交替排列磁場相互作用轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場相互吸引，形成電磁轉(zhuǎn)矩同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁極鎖定在定子旋轉(zhuǎn)磁場中，以同步速度旋轉(zhuǎn)同步電機的特點是轉(zhuǎn)子始終以同步速度旋轉(zhuǎn)，不存在異步電機的"滑差"現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場之間存在一個電角度差，稱為功角δ。功角大小決定了電磁轉(zhuǎn)矩的大小，是同步電機運行分析的核心參數(shù)。同步電機的等效電路電樞繞組等效電路同步電機的等效電路包括電樞電阻R?、同步電抗X?、以及反映轉(zhuǎn)子勵磁效應的感應電動勢E?。與三相異步電機相比，最大區(qū)別在于沒有反映轉(zhuǎn)差功率的元件，因為同步電機不存在滑差。等效電路基于相量分析，適用于穩(wěn)態(tài)運行計算。通常采用標幺值系統(tǒng)，便于不同容量電機的分析與比較?；痉匠虨閁=E?+jX?I+R?I，其中R?通常很小，可以忽略。諧波與氣隙磁場實際同步電機中，氣隙磁場分布并非理想正弦波，含有諧波成分。諧波磁場會導致轉(zhuǎn)矩脈動、附加損耗和噪聲振動增加。設計時通過分布繞組、斜槽和合理選擇槽數(shù)/極數(shù)比來抑制諧波影響。凸極式同步電機的氣隙不均勻，導致直軸和交軸電抗不同（X?d>X?q）。這種電抗差異產(chǎn)生額外的凸極轉(zhuǎn)矩，使得凸極同步電機在相同勵磁條件下可以獲得更大的有功功率輸出。同步電機的運行特性勵磁電流If(A)電樞電流Ia(A)同步電機的重要運行特性包括U形曲線和功角特性。U形曲線表示在恒定有功負載下，電樞電流隨勵磁電流變化的關(guān)系。當勵磁不足時，電機吸收無功功率，功率因數(shù)滯后；當勵磁過強時，電機發(fā)出無功功率，功率因數(shù)超前；存在一個最佳勵磁點，使電樞電流最小，功率因數(shù)為1。功角特性描述電磁功率與功角的關(guān)系。對于圓柱轉(zhuǎn)子機，P=3EUI/X?sinδ；對于凸極轉(zhuǎn)子機，還有額外的凸極轉(zhuǎn)矩項。功角δ增大時，電磁功率先增加后減小，達到最大值時的功角稱為極限功角，通常為60°-70°。超過極限功角會導致電機失步，這決定了電機的穩(wěn)定運行邊界。同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行并網(wǎng)條件檢查確認電壓幅值相等、頻率相同、相位一致、相序相同同步并網(wǎng)操作調(diào)整勵磁電流和原動機功率，當同步指示器指示合適時閉合斷路器有功功率調(diào)節(jié)通過增加原動機輸入功率增大功角δ，提高發(fā)電機輸出的有功功率無功功率調(diào)節(jié)通過調(diào)整勵磁電流改變感應電動勢E?大小，控制發(fā)電機吸收或發(fā)出的無功功率同步電動機的起動異步起動準備利用轉(zhuǎn)子阻尼繞組或起動繞組實現(xiàn)異步起動加速過程電動機以異步電動機方式加速到接近同步速度施加勵磁在適當時刻向轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流拉入同步同步作用使轉(zhuǎn)子鎖定在同步速度上穩(wěn)定運行現(xiàn)代同步電動機常采用變頻軟起動方式。先設定變頻器輸出極低頻率，使同步電動機能夠直接起動，然后逐漸提高頻率，電動機始終運行在同步狀態(tài)。這種方式避免了異步起動的沖擊電流和振蕩，特別適合大型同步電動機。直流電機結(jié)構(gòu)定子系統(tǒng)由機座、主磁極和換向極組成。主磁極產(chǎn)生主磁場，通常有2-12個極；換向極位于主磁極之間，用于改善換向過程，減少電刷火花。1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由鐵心、電樞繞組、換向器和軸組成。電樞繞組嵌入轉(zhuǎn)子槽中，各線圈通過換向器連接成閉合回路，形成復雜的電路網(wǎng)絡。電刷換向系統(tǒng)由換向器和電刷組成。換向器是固定在轉(zhuǎn)子軸上的分裂銅環(huán)，各環(huán)片與電樞繞組相連；電刷固定在機座上，與換向器滑動接觸，引入外部電源。勵磁繞組系統(tǒng)包括串勵繞組和并勵繞組。串勵繞組與電樞串聯(lián)，線徑粗匝數(shù)少；并勵繞組與電樞并聯(lián)，線徑細匝數(shù)多。不同連接方式形成不同類型的直流電機。直流電機原理定子磁場建立勵磁繞組通入直流電流，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場。磁力線從N極出發(fā)，穿過氣隙，進入轉(zhuǎn)子鐵心，再回到S極，形成閉合磁路。磁場強度與勵磁電流成正比，但考慮鐵心飽和效應，二者并非嚴格線性關(guān)系。電樞反應電樞繞組通電后產(chǎn)生自己的磁場，與主磁場疊加形成合成磁場。這種影響稱為電樞反應，導致中性面偏移、主磁場畸變，惡化換向過程。通過設置換向極和補償繞組可以減弱電樞反應的不良影響。電磁轉(zhuǎn)矩與反電動勢電樞導體在磁場中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=KΦIa，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時，導體切割磁力線感應反電動勢E=KΦn，其方向與外加電壓相反。電機運行時，電樞電壓平衡方程為U=E+IaRa，即外加電壓等于反電動勢與電壓降之和。直流電機的類型他勵電機勵磁繞組由獨立直流電源供電，勵磁電流與電樞電流相互獨立。特點是調(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)性能好，但需要兩個電源，結(jié)構(gòu)較復雜。主要應用于需要精確調(diào)速的場合，如軋鋼機、電動機車、精密機床等。并勵電機勵磁繞組與電樞并聯(lián)，共用一個電源。特點是速度隨負載變化較小，調(diào)速性能好，但調(diào)速范圍小于他勵電機。廣泛應用于要求恒速運行的場合，如風機、泵類負載和中小型機床等。串勵電機勵磁繞組與電樞串聯(lián)，勵磁電流等于電樞電流。特點是起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，但速度隨負載變化顯著。主要用于需要大起動轉(zhuǎn)矩的場合，如電動車輛、起重機、電動工具等。注意不能空載運行，以防超速損壞。直流電機的等效電路電樞回路等效電路電樞回路包括電樞電阻Ra、電刷接觸電阻Rb、換向極繞組電阻Rc以及補償繞組電阻Rk（如果有）。這些電阻被簡化為總電阻Ra'。電樞回路還包括反映旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動勢E，其大小與磁通量Φ和轉(zhuǎn)速n成正比：E=KΦn。電樞回路的電壓方程為U=E+Ia·Ra'，其中U為外加電壓，Ia為電樞電流。由此可以計算出電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運行參數(shù)，這是直流電機分析的基礎(chǔ)方程。勵磁回路等效電路不同類型直流電機的勵磁回路等效電路各不相同。他勵電機的勵磁回路與電樞電路完全獨立；并勵電機的勵磁回路與電樞回路并聯(lián)，通過分壓器計算；串勵電機的勵磁回路與電樞回路串聯(lián)，共用同一電流。復勵電機兼有串勵和并勵繞組，等效電路更為復雜，需要綜合考慮兩種繞組的磁場疊加效應。正復勵時兩種磁場方向相同，增強總磁場；反復勵時方向相反，減弱總磁場，具有特殊的運行特性。直流電機的運行特性負載轉(zhuǎn)矩T(N·m)并勵電機轉(zhuǎn)速n(r/min)串勵電機轉(zhuǎn)速n(r/min)直流電機的運行特性主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性和機械特性。并勵電機的轉(zhuǎn)速隨負載增加略有下降，屬于"硬"特性；串勵電機轉(zhuǎn)速隨負載急劇下降，屬于"軟"特性；復勵電機的特性介于二者之間，可通過調(diào)整串并勵繞組的相對強度獲得理想特性。直流電機的調(diào)速現(xiàn)代數(shù)字控制采用微處理器控制的智能調(diào)速系統(tǒng)2調(diào)節(jié)電樞電壓改變電樞電壓U，調(diào)速范圍廣，效率高3調(diào)節(jié)勵磁電流改變勵磁電流If，減弱磁場提高轉(zhuǎn)速電樞回路串電阻增加電樞串聯(lián)電阻，結(jié)構(gòu)簡單但效率低調(diào)節(jié)電樞電壓是最理想的調(diào)速方式，可在額定轉(zhuǎn)速以下獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?，F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)通常采用晶閘管或IGBT等功率器件構(gòu)成的可控整流或斬波電路，實現(xiàn)電樞電壓的精確控制。這種方式調(diào)速范圍廣、平滑、效率高，是直流調(diào)速的首選方案。調(diào)節(jié)勵磁電流主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速區(qū)域。隨著勵磁減弱，轉(zhuǎn)速提高，但最大轉(zhuǎn)矩下降，調(diào)速范圍受電樞反應和換向能力限制。兩種方法結(jié)合使用，可獲得1:100甚至更大的調(diào)速范圍，滿足各種復雜工況需求。直流電機的起動起動電流分析直流電機起動時，轉(zhuǎn)速n=0，反電動勢E=KΦn=0，電樞電流Ia=(U-E)/Ra=U/Ra。由于電樞電阻Ra很小，若直接接入額定電壓，起動電流將達到額定值的10-20倍，造成電刷火花、換向器損傷，并對電網(wǎng)造成沖擊。限流電阻起動在電樞回路中串入起動電阻，隨著轉(zhuǎn)速提高逐段切除。起動電阻的段數(shù)決定了起動過程的平滑程度，通常為3-5段。每段切除時電流有一次沖擊，但遠小于直接起動。這是最簡單經(jīng)濟的起動方式，適用于中小型電機。3降壓起動通過可控整流器或其他電力電子裝置，在起動時施加較低的電樞電壓，隨著轉(zhuǎn)速提高逐漸增大電壓。這種方式起動平滑，電流沖擊小，但設備成本較高，主要用于大型直流電機或要求頻繁起動的場合。電機保護無論采用何種起動方式，都應配備完善的保護裝置，包括過流保護、過壓保護、失磁保護和速度保護等。特別是對串勵電機，必須防止空載運行導致的超速損壞，通常通過限速裝置或負載聯(lián)鎖實現(xiàn)。直流電機的制動能耗制動切斷電源后，將電樞繞組短接或接入制動電阻。電機轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電阻上的熱能。制動強度取決于電阻大小和殘余磁場強度，制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小。這是最簡單的制動方式，但能量轉(zhuǎn)化為熱能浪費。反接制動不改變勵磁連接，改變電樞電流方向，使電磁轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)動方向相反。這種制動方式效果強烈，可以在很短時間內(nèi)使電機停止，但電流沖擊大，對電機和電源沖擊嚴重，通常需要限流措施配合?；仞佒苿永秒娏﹄娮友b置將電機發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的能量回送到電網(wǎng)或儲能系統(tǒng)。這種方式能量利用效率高，特別適合頻繁起停的場合，如電動車輛、起重機等?，F(xiàn)代直流傳動系統(tǒng)大多采用四象限變換器，可實現(xiàn)無縫切換的電動和發(fā)電運行。特種電機步進電機步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機構(gòu)，每接收一個脈沖信號，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個固定的角度（步距角）。其特點是定位精確、響應快速、控制簡單，但功率較小，高速性能有限。伺服電機伺服電機是閉環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，具有高動態(tài)響應、高精度控制特性。現(xiàn)代伺服電機通常配備高精度編碼器或解析器，形成完整的控制回路，在工業(yè)自動化、機器人和CNC機床領(lǐng)域廣泛應用。直線電機直線電機是一種特殊結(jié)構(gòu)電機，將旋轉(zhuǎn)運動展開為直線運動，省去了傳統(tǒng)機械傳動環(huán)節(jié)。其特點是響應快速、精度高、摩擦小、無傳動間隙，但成本高、散熱難。在高速列車、精密工作臺等領(lǐng)域有重要應用。步進電機步進電機的基本類型反應式步進電機：轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無永磁體或繞組，結(jié)構(gòu)簡單，步距角小，精度高，但轉(zhuǎn)矩小。永磁式步進電機：轉(zhuǎn)子為永磁體，結(jié)構(gòu)較簡單，轉(zhuǎn)矩較大，但步距角較大?；旌鲜讲竭M電機：結(jié)合上述兩種優(yōu)點，轉(zhuǎn)子既有永磁體又有齒狀結(jié)構(gòu)，性能最佳，應用最廣。步進電機的驅(qū)動方式全步進：每次通電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個完整步距角。半步進：通過改變通電順序，使轉(zhuǎn)子每次轉(zhuǎn)過半個步距角，提高分辨率。微步進：通過精確控制各相繞組電流大小，將一個基本步距分割成多個微小步距，大幅提高精度，減少低速振動。步進電機的控制系統(tǒng)開環(huán)控制：僅通過控制脈沖數(shù)量和頻率控制位置和速度，無反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡單但可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。閉環(huán)控制：增加位置或速度傳感器，構(gòu)成反饋回路，檢測并補償丟步情況，提高可靠性，接近伺服系統(tǒng)性能。伺服電機指令信號生成控制器生成位置、速度或轉(zhuǎn)矩指令誤差檢測計算將指令值與實際反饋值比較，計算誤差伺服電機執(zhí)行驅(qū)動器根據(jù)誤差調(diào)整電機輸出特性狀態(tài)反饋編碼器或解析器檢測實際位置和速度伺服電機系統(tǒng)根據(jù)控制對象可分為位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種模式。位置控制用于精確定位場合，如機床、機器人；速度控制用于需要精確轉(zhuǎn)速的場合，如卷繞機、印刷機；轉(zhuǎn)矩控制則用于需要精確控制力或張力的場合，如張力控制系統(tǒng)。現(xiàn)代伺服系統(tǒng)多采用交流永磁同步電機作為執(zhí)行元件，配合高性能矢量控制驅(qū)動器和高分辨率編碼器，可實現(xiàn)極高的動態(tài)響應和控制精度。數(shù)字信號處理技術(shù)的應用使伺服系統(tǒng)具備了參數(shù)自整定、諧振抑制和前饋控制等先進功能，大幅提升了系統(tǒng)性能。直線電機直線電機的基本類型長定子直線電機：初級（定子）較長，次級（動子）較短，通常初級固定，次級移動。這種結(jié)構(gòu)適用于高速長距離運動，如磁懸浮列車，但初級成本高，控制復雜。短定子直線電機：初級較短，次級較長，通常初級移動，次級固定。這種結(jié)構(gòu)適用于中低速、中短距離場合，如精密工作臺、自動化設備等，初級隨動部分移動，需考慮供電和散熱問題。直線電機的工作原理直線電機本質(zhì)上是將旋轉(zhuǎn)電機"剖開展平"形成的特殊結(jié)構(gòu)。其工作原理與對應的旋轉(zhuǎn)電機相同，只是產(chǎn)生直線推力而非旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。常見的有直線異步電機、直線同步電機和直線開關(guān)磁阻電機等。直線同步電機是應用最廣泛的類型，尤其是永磁直線同步電機，具有效率高、精度高、響應快等優(yōu)點。磁懸浮列車使用的長定子直線同步電機是典型應用，實現(xiàn)了高速、低噪聲的軌道交通。電機的損耗鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗，與鐵心材料、磁通密度和頻率有關(guān)。磁滯損耗正比于頻率和磁通密度的n次方（n=1.6-2.0），渦流損耗正比于頻率平方和磁通密度平方。銅耗電流通過繞組電阻產(chǎn)生的焦耳熱，與電流平方和電阻成正比。包括定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗（對于感應電機），是電機的主要損耗，尤其在重載運行時。機械損耗包括軸承摩擦損耗和風扇風阻損耗，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。軸承損耗近似與轉(zhuǎn)速成正比，風阻損耗近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。雜散損耗包括表面損耗、脈動損耗和漏磁引起的損耗等，難以精確計算，通常按照輸出功率的0.5%-1.5%估算。在高效電機設計中，雜散損耗的控制變得越來越重要。電機的發(fā)熱與冷卻溫升計算損耗產(chǎn)生熱量：P損=P鐵+P銅+P機+P雜溫升與損耗成正比：ΔT∝P損溫升與冷卻面積成反比：ΔT∝1/S溫升與冷卻系數(shù)成反比：ΔT∝1/α自然冷卻方式全封閉型：依靠機殼散熱，冷卻能力弱開啟型：依靠自然對流，中等冷卻能力帶冷卻肋：增加散熱面積，改善冷卻效果適用于小型電機和低負載場合強制冷卻方式風冷：利用風扇強制通風，冷卻效果好水冷：利用冷卻水循環(huán)，冷卻效果優(yōu)異油冷：用于特殊場合，如變壓器浸油冷卻適用于大型電機和高負載場合電機的絕緣絕緣等級最高允許溫度典型絕緣材料主要應用場合A級105°C棉紙、絲綢、漆布低壓小型電機E級120°C聚酯薄膜、醇酸漆家用電器電機B級130°C云母、玻璃纖維通用工業(yè)電機F級155°C改性聚酯、環(huán)氧樹脂高性能工業(yè)電機H級180°C硅樹脂、氟塑料特種高溫電機電機絕緣老化是影響電機壽命的主要因素。熱老化是最主要的老化形式，絕緣材料每升高8-10°C，壽命約減半（阿倫尼烏斯定律）。此外，電老化、機械應力、環(huán)境污染和濕度也會加速絕緣老化。絕緣試驗包括耐壓試驗、絕緣電阻測量和介質(zhì)損耗因數(shù)測量等。耐壓試驗檢驗絕緣承受高電壓的能力；絕緣電阻測量反映絕緣的吸濕和污染程度；介質(zhì)損耗因數(shù)測量能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。定期進行這些試驗可評估絕緣狀況，預防故障。電機的選擇功率選擇根據(jù)負載機械特性和工作制確定電機功率。需考慮負載轉(zhuǎn)矩、啟動條件、工作時間和環(huán)境溫度等因素。通常電機額定功率應略大于負載要求，留有10-20%的裕度，但過大會導致投資浪費和運行效率降低。轉(zhuǎn)速選擇轉(zhuǎn)速選擇應與負載工作轉(zhuǎn)速匹配。若差異大，需使用減速器或變速裝置，增加成本和能耗。國際標準規(guī)定的異步電機標準轉(zhuǎn)速有3000、1500、1000、750r/min等（50Hz電源下），應優(yōu)先選用標準系列電機。電機類型選擇考慮調(diào)速范圍、控制精度、起動性能和環(huán)境條件等因素。異步電機適合恒速或簡單調(diào)速場合；直流電機適合寬范圍調(diào)速場合；同步電機適合精確控制轉(zhuǎn)速或改善功率因數(shù)場合；特種電機則用于特殊工況。經(jīng)濟性分析綜合考慮初投資和運行成本。高效電機初投資高，但運行成本低；普通電機初投資低，但能耗大。應計算生命周期成本，在電價高或運行時間長的場合，高效電機更經(jīng)濟。電機使用壽命通常為10-20年，期間的能源成本遠高于設備成本。電機的運行維護日常維護包括定期檢查軸承溫度、振動、噪聲，清理通風道灰塵，檢查電氣連接緊固情況等定期測試測量絕緣電阻、軸承間隙、氣隙均勻度，檢查換向器或滑環(huán)表面狀況等故障診斷利用振動分析、溫度監(jiān)測、電流譜分析等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)潛在故障維修與大修按計劃進行軸承更換、繞組清洗和浸漆、換向器修整等大修工作電機控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)無反饋裝置，僅根據(jù)輸入指令控制電機，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但精度和魯棒性差。典型應用包括普通電風扇、洗衣機等家用電器中的簡單控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)配備傳感器檢測實際輸出，與指令比較后調(diào)整控制量，提高精度和適應性?，F(xiàn)代數(shù)控機床、機器人等高性能電機系統(tǒng)都采用閉環(huán)控制，實現(xiàn)高精度位置、速度或力控制。先進控制算法PID控制是經(jīng)典控制方法，簡單實用；模糊控制適合處理不確定性；神經(jīng)網(wǎng)絡控制可通過學習改善性能；自適應控制則能適應參數(shù)變化?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)常綜合多種算法優(yōu)勢，實現(xiàn)最佳控制效果。電機在電力系統(tǒng)中的應用發(fā)電機在發(fā)電廠中的應用同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)的核心設備，將原動機（汽輪機、水輪機、燃氣輪機等）的機械能轉(zhuǎn)換為電能。大型發(fā)電機組容量可達上千MW，效率超過98%，是人類創(chuàng)造的最高效能量轉(zhuǎn)換裝置之一?，F(xiàn)代發(fā)電機組配備完善的勵磁系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和保護系統(tǒng)。勵磁系統(tǒng)控制發(fā)電機的輸出電壓和無功功率；冷卻系統(tǒng)（水冷、氫冷或空冷）保證發(fā)電機在高功率密度下安全運行；保護系統(tǒng)則防止故障造成的損壞。電動機在電網(wǎng)中的應用電動機是電力系統(tǒng)中最主要的負載類型，約占工業(yè)用電的60-70%。大量電動機的起動、運行和制動對電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性有重要影響。為減少這種影響，大型電動機通常采用軟起動或變頻起動方式。電動機可以提供系統(tǒng)慣性支撐，在系統(tǒng)頻率波動時發(fā)揮"飛輪效應"；配備適當控制裝置的電動機還可提供無功功率補償，改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性?，F(xiàn)代智能電網(wǎng)中，可控負載（包括電動機）也是需求側(cè)響應的重要組成部分。電機在交通運輸中的應用電動汽車的核心部件是驅(qū)動電機，主要使用永磁同步電機或感應電機。永磁同步電機效率高、功率密度大，但成本較高；感應電機成本低、可靠性高，但效率和功率密度略低?，F(xiàn)代電動汽車電機系統(tǒng)的綜合效率可達90%以上，遠高于內(nèi)燃機的30-40%。在軌道交通領(lǐng)域，牽引電機是核心驅(qū)動裝置。高速列車采用異步牽引電機或永磁同步電機，功率可達數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦。直線電機在磁懸浮列車中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實現(xiàn)無接觸驅(qū)動。電氣化鐵路系統(tǒng)中，機車通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，驅(qū)動牽引電機產(chǎn)生牽引力，是能源高效利用的典范