电动机

电动机是一种将电能转化为机械能的设备。它利用通电线圈产生旋转磁场，作用于转子，形成磁电旋转力矩。根据工作电源类型的不同，电机分为DC电机和交流电机。电力系统中的电机多为交流电机，可以是同步电机，也可以是异步电机。交流电机主要由定子和转子组成。通电导体在磁场中的方向与电流的方向和磁感应线(磁场)的方向有关。它的基本工作原理遵循电磁感应定律，磁场对电流的作用力使电机旋转。电机广泛应用于各种场合，如电车、电力机车、风机、水泵、机床等。

定子：定子是电机的静止部分，其作用是为绕组旋转的区域提供稳定的磁场，作为电机的机械支撑。DC电机的定子由主极、机座、换向极、端盖、轴承和电刷装置组成。交流电机的定子由外壳、定子铁芯和定子绕组组成。

主磁极：主磁极用于产生恒定的主磁场，主磁场由主磁极铁芯和套在铁芯上的励磁绕组组成。铁芯的上部称为极身，下部称为极靴。极靴的作用是降低气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。铁芯通常由低碳钢片冲压和层压而成，旨在减少励磁涡流损耗。

框架(外壳)和端盖：框架由铸钢或厚钢板制成，用于为电机提供机械支撑和承受磁场绕组产生的磁通，同时也作为磁极间的磁路。DC电机的机座(磁轭)是磁路的一部分，主磁极和换向磁极安装在机座内。铁芯固定在交流电机外壳的内圆，轴承固定在外壳两端的端盖内支撑转子。机架两端有端盖，保护电机，防止触电。端盖固定在机座上，主要起支撑作用。轴承放在端盖上，支撑DC电机的转轴，使DC电机可以转动，一般是钢制的。

换向极：换向极又称附加极或极间极，用于产生附加磁场，改善DC电机的换向，减少电刷与换向器之间的火花。它安装在两个相邻的主磁极之间，由换向磁极铁芯和换向磁极绕组组成。换向极芯比主极简单，一般用整块钢或钢板制成。换向极绕组与电枢绕组串联连接。

刷子装置：电刷装置主要由电刷、刷握、刷杆和刷杆座组成，它有两个作用:一是连接转子绕组和电机的外电路；二是配合换向器完成DC电机外部DC和内部交流电的交换。

定子铁芯和定子绕组：定子铁芯由厚度为0.35~0.5毫米的圆形硅钢片制成，以提供磁通量的通道。铁芯内圆有均匀分布的槽，槽内放置定子绕组。定子绕组是电机的电流通道，一般由高强度聚酯漆包铜线制成。三相异步电动机有三个定子绕组，每个绕组由几个线圈组成。线圈和铁芯之间垫有绿纸和聚酯薄膜，用于绝缘。

旋转体：转子是电机的旋转部分。DC电机的转子也叫电枢，用来产生电磁转矩和感应电动势实现能量转换，包括转子(电枢)铁芯、转子(电枢)绕组、换向器、转轴和风扇。交流电机的转子结构可分为鼠笼式(旧称鼠笼式)和绕组式。笼型转子比较常见，主要由转轴转子铁芯和转子绕组组成。

转子芯：电枢铁芯是电机主磁路的一部分，电枢铁芯的圆周上有均匀分布的槽，可以嵌入电枢绕组。为了减少电机旋转时铁芯内磁通方向变化引起的涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁芯通常由0.35 ~ 0.5毫米厚的硅钢片冲压叠压而成，涂有绝缘层，固定在转子支架或转轴上。交流电机的转子铁芯通常在铸造转子笼条的硅钢片外圆上冲制若干槽。

转子线圈：DC电机中电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，从而实现电能和机械能的相互转换。它是由许多形状相同的线圈按照一定的排列规律连接而成。每个线圈的两边分别嵌入电枢铁芯的槽中，槽中的两边称为有效边。

交流电机中的转子绕组是按照一定规律缠绕连接的线圈组。转子绕组可分为笼型和绕组型。笼型异步电动机的转子绕组有铜排和铝铸件两种形式。在转子铁芯的槽内铸造铝笼条，然后在铁芯两端铸造两个圆环，与每个笼条连为一体，成为一个铸铝转子。

整流器：换向器又称换向器，是DC电机的关键部件，由换向片组成。它与电刷配合，将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转化为DC电机中电刷两端的DC电动势或DC电流。

旋转轴和风扇：转轴一般采用中碳钢，两端由轴承支撑。转子铁芯和绕组固定在转轴上，端盖的轴上装有风扇，帮助外壳散热。

DC电机的工作原理：DC发动机有能力将电能转化为机械能。其基本原理是，在一定的环境下，受电磁力驱动的带电导体会在磁场环境中按照电磁感应定律运动。n和S是一对固定的磁极，也就是定子，将外接DC电源的正极附着在电刷A上，负极附着在电刷B上，这样线圈就会产生电流。从左手螺旋定律可以看出，由于电磁力的作用，导线ab和cd产生的力矩是相同的。这个力矩是逆时针方向的，所以电枢会朝这个方向旋转。

DC电机通过换向器和电刷使电枢绕组中的电流交替方向流动，但电枢引起的电磁场旋转不会改变，保证了电机以一定的角度连续旋转。DC电机的工作机理是通过外加电压使其在导体中产生电流，在磁场中，负载导体会受到电磁力的作用。但由于换向器的介入，电机的转矩保持恒定，从而实现了DC电机的连续转动，将DC功率转化为机械能输出。

交流电机的工作原理：交流电机也具有能量转换的能力，其基本原理也是基于电磁感应定律，通过产生旋转磁场和感应电动势的相互作用过程，将电能转化为机械能。以同步交流电机和感应电机为例，介绍了其工作原理。

感应电机原理：三相异步电动机在正常运行时，其转速总是低于同步转速，所以就成了异步电动机，又因为产生电磁转矩的电流是由电磁感应产生的，所以就叫感应电动机。其定子绕组为空间位置对称的三相绕组。交流电机定子绕组通电后，会在定子内部产生一个恒速旋转的磁场，这是异步电机工作的基本条件。产生在空间旋转的合成磁场，其方向与电流相序一致，磁场速度(同步速度)与电流频率有关。静止的转子绕组与定子的旋转磁场之间的相对运动，在转子绕组中产生感应电动势，在转子绕组中产生感应电流，形成闭合回路，转子电流受到旋转磁场中的磁力，在旋转轴上形成电磁转矩，从而驱动电机转子旋转。电磁转矩的方向与旋转电动势的方向相同，转子朝那个方向旋转。

同步电机原理：同步电机的工作原理是通过定子旋转磁场和转子磁场的转速相等来实现恒速运行。气隙的旋转磁场与转子的励磁磁场之间存在空间角度，相互吸引，拉动转子同向同速旋转。只要转子轴上的负载转矩小于定子和转子极间吸力产生的转矩，电机就能稳定恒速运行。因为旋转磁场和转子的恒定磁场在空间上是相对静止的，两极气隙之间形成的磁场实际上是旋转磁场和转子的恒定磁场组成的合成磁场。

因为转子的旋转磁场和恒定磁场在空间上是相对静止的，所以两个磁场之间形成的磁场实际上是旋转磁场和转子磁场两个磁通组成的合成磁场。电机中定子旋转磁场的磁动势称为电枢磁动势，DC励磁电流产生的转子磁动势称为励磁磁动势。两个磁动势以同步速度旋转，在空间上相对静止，但也有一个空间角度，如上所述。当转子轴上的负载或励磁发生变化时，空间角度可以发生变化，但电机的转速始终与定子旋转磁场的转速同步，这也是同步电机名称的由来。

磁感应强度：电机的工作原理公式是基于法拉第电磁感应定律。反映磁场强弱的物理量是磁感应强度，用矢量B表示，定义为:B=Fm/qv。磁场中某一点的磁感应强度在数值上等于单位正电荷以单位速度通过该点时的最大磁力，其方向由最大磁力F和正电荷Q在该点的速度方向根据右手螺旋法则决定。

洛伦兹力：这样就在实验的基础上定义了描述磁场的物理量，即磁感应强度。根据这个定义，有一个关系式Fm=qv × B，就是运动电荷的洛伦兹力公式。在国际单位制中，根据上述定义，磁感应强度的单位是N/A·m，用特斯拉(t)表示。

安培定律：安培定律是电机的基本原理。磁场对载流导线的作用力是磁力，通常称为安培力。它的基本定律是安培从大量的实验结果中总结出来的，所以叫安培定律。内容如下:载有电流I的一小段导线dL，即电流元IdL，置于磁场B中时，力dF将与电流I、电流元长度dL、磁感应强度B和IdL与B夹角的正弦成正比，dF的方向垂直于IdL与B形成的平面，方向由右手螺旋法则决定， 即dF的方向为IDL× B .其中θ为电流元IDL与磁场B的夹角，国际单位制中k=1，上式写成矢量dF = LDL× B .计算磁场中给定载流导线的安培力时，必须求出各电流元的力dF的矢量和，即F=BLI。

扭矩计算：边长为L1和L2的刚性矩形线圈置于磁感应强度为B、电流为I的均匀磁场中，当线圈磁矩的方向en与磁场B的方向成φ角(线圈平面与磁场方向成θ角，φ+θ=π/2)时，由安培定律可知，导线BC和DA上安培力的大小分别为F1=BIL1sin(π-θ)和F2=BIL1sinθ。这两个力在同一直线上，大小相等，方向相反，合力为零。另一方面，导线AB和CD垂直于磁场，其安培力分别为F3和F4，其大小为F3 = F4 =比尔2。F3和F4大小相等，方向相反，但不在一条直线上，形成力偶，会产生旋转。因此，作用在载流线圈上的磁力矩M为:M=BISsinφ，其中S=L1L2，表示线圈所包围的面积。

功率(W或kW):功率是指电机运转时轴端输出的机械功率。

功率密度(W/Kg或kW/Kg):功率密度是指单位体积或单位重量的电机所能输出的最大功率。

电压(V):电压是指施加在线路末端的电源线路电压。

电流(A):电流是指电动机运行时电枢绕组(或定子绕组)的线电流。

频率(Hz):频率是指电机运行时电枢(或定子侧)的频率。

转速(r/min):转速是指电机运行时电机转子的转速。

效率(%):电机的效率是电机的有功输出功率与有功输入功率之比，通常用百分数表示。

功率因数(cosφφ):交流电动机有功功率与视在功率的比值称为功率因数。

温升(K):电机满负荷运行时，加热稳定后，定子(转子)线圈的强度高于环境温度。

扭矩(n·m):电机工作时作用在轴上的扭矩称为电机的转矩。在一定转速下，扭矩越大，输出功率越大。

电机在额定运行下输出额定功率时，称为满负荷运行。此时，电机的运行性能、经济性和可靠性都处于良好状态。当输出功率超过额定功率时，称为过载运行。此时电机的负载电流大于额定电流，会导致电机过热，从而缩短电机的使用寿命，甚至烧毁电机。当电机输出功率小于额定功率时，称为轻载运行。电机在轻载运行时，效率、相功率因数等性能较差，电机应尽量避免轻载运行。

电机是一种将电能转化为机械能并输出机械扭矩的动力设备。通用汽车可分为两类:DC汽车和交流汽车。DC电机具有起动调速性能好、过载能力大的特点，适用于需要大范围平稳调速的场所，如有轨电车、电力机车、轧机、起重设备和有特殊运行要求的自动控制系统等。

电动机

同步电机和异步电机有不同的优势和应用场景。同步电机适用于大功率负载场合(如活塞式和离心式水泵、离心式风机等。)需要长时间连续运转和恒速，但其制造工艺复杂，无法自行启动。一般用于驱动不需要调速的大型机械设备，如大型空压机、球磨机、风机、泵等。低功率同步电机也常用于控制领域。同步电机由变频电源供电，也可以变速运行。

在异步电动机中，单相电动机适用于小功率设备，如日常生活中的电源、医疗仪器和一些工业设备。三相异步电动机，特别是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、经久耐用、维护方便、起动容易、成本低等优点，广泛用作工业系统中电气传动设备的动力源，如各种机床、泵、风机、起重设备、加工设备等。它也有一些缺点，如速度不易调节，起动性能差，所以在对起动和调速要求高的场合，异步电机不如DC电机。此外，异步电动机必须由电网提供励磁电流，这增加了电力系统的无功负荷，并导致系统的功率因数降低。为了提高功率因数，经常使用同步电动机。虽然调速特性和功率因数略低于DC电机和同步电机。因此，它仍然是一般应用中使用最广泛的电机。

大型电机:大型交流电机的容量等级不断提高，技术含量、产品性能、质量和可靠性不断提高。普通基本系列的大型电机将逐步替代大型DC轧钢电机，大力发展技术含量高、防护等级不同、冷却方式不同的特种大型电机替代进口产品。

中小型电机:产品向多用途、多品种、多适应性方向发展。高效节能电机和机电一体化电机发展迅速，高可靠性、长寿命、低噪声、重量轻、外形美观的电机受到重视。

分马力电机:产品向专用、高性能、机电一体化和永磁DC方向发展。开发满足负载需要的专用分马力电机，向机电一体化、智能化、组合化方向发展，向自动化方向发展制造技术。

微电机:产品向高性能、轻薄短小、永磁、无芯、无刷、机电一体化、智能化、组合化方向发展。生产技术向集成化、柔性化、自动化、专业化和生产协作网络化发展，测试技术向高效化和自动化发展。