电机

实现机械能与电能之间的转换以及变换电能的机械。包括 变压器 和旋转电机两大类。前者是一种各部件间无相对运动的电能变换装置，广泛应用于电能传输，电压、电流、阻抗的变换和电路隔离；后者则是机电能量转换装置，可用作 电动机 （把电能转变为机械能）或 发电机 （把机械能转变为电能）。有的电机还可用作调相机，以改善电网的 功率因数 。电机中还包括广泛应用于自动控制系统的 微特电机 。 基本原理实现机电能量转换的基本原理是电动机定则和发电机定则。 ①电动机定则。又称左手定则。处于磁场中的载流导体，在磁场和电流的作用下产生机械力 F ，其值为 F ＝ Bil （牛顿） 式中 B 为磁通密度，单位为特，即韦／米 2 ； l 为导体长度，单位为米 2 ； i 为电流，单位为安。电流、磁场、力的方向互相垂直(图1)。当电流或磁场方向反转时，机械力的方向也随之改变；如两者同时反向，则力的方向保持不变。在旋转电机里载流导体在转子上产生的机械力与转子半径的乘积形成电机的电磁转矩，使电机旋转。 图1 左手定则 ②发电机定则。又称右手定则。当导体受外力驱动在磁场中运动，如其切割磁力线的速度为 v ，则在导体中将产生感应电动势 e ，其值为 e ＝ Blv （ 伏） 式中 v 的单位为米／秒，且 B 、 v 及l三者的方向互相垂直（图2）。 图2 右手定则 ③机电能量变换。电机工作时，上述电动机作用和发电机作用同时存在。如在某导体中输入电流 i ，则在磁场作用下将产生电动机作用，出现机械力，使导体运动。导体与磁场有了相对运动，导体就切割磁场，根据发电机定则在导体中就会出现电动势 e 。 e 和 i 的方向相反(图3a)，通常称为反电动势。为克服这一反电动势，使电流i能流入导体，外界电源必须输入电功率 P ， P ＝ ei ＝ Blvi 。同时，由于导体的运动，它能输出机械功率 P ， P ＝ F v ＝ Bilv ，其值正好等于从电源输入的电功率。反之 ，如输入一个机械力 F ，加在导体上使其以速度 v 运动(图3b)，导体切割磁场，产生感应电动势 e ，如导体经外电路接通，通过负载产生电流 i ，则导体中发生的电功率 P ＝ ei ＝ Blvi 。而推动导体运动需输入的机械功率 P ＝ F v ＝ Bilv ，其值也正好等于输出的电功率。以上就是在电动机和发电机中实现机电能量转换的实质。 图3(3a、3b) 机电能量变换 典型结构 电机一般有一个静止不动的部分和一个转动的部件，分别称作定子和转子。转子通常在两端用轴承支承。某些专用的电机里也有只带一个轴承，转子另一端与配套工作机械的转轴相联结，由配套工作机械的轴承加以支承。为保持转子能自由转动，定子和转子间必须有一定的间隙，称为气隙。气隙大小对电机性能有很大的影响。 为实现机电能量转换，电机中需要有一个磁场和一些通电流的线圈。这些按一定规律联结起来的线圈称为绕组。绕组有两类：一类是专门用来通电产生磁场的励磁绕组；另一类则是用来感应电动势，通过负载电流，实现机电能量转换的电枢绕组。电机中放置电枢绕组的部件称为电枢。通常直流电机的励磁绕组置于定子上，电枢绕组连同换向器则置于转子上。同步电机的电枢绕组往往放在定子上，而励磁绕组放在转子上。对于 异步电机 ，其定子和转子上都只有电枢绕组而无专门的励磁绕组，电机中的 旋转磁场 是由电枢绕组中的交流电流产生的。为在电机中获得较强的磁场，在电机的定子和转子的磁通通路上都采用导磁性能良好的铁心。一般将线圈嵌在铁心的槽中以减少定子和转子间的气隙。电机的铁心通常由0.5毫米厚的硅钢片叠制而成，以减少铁心中的 磁滞损耗 和涡流损耗。 基本特性 电机最基本的特性是其空载特性和负载运行特性。所谓空载特性是指电机在一定转速下不带负载运行时，其电枢绕组中感应的电动势 E 随电机励磁电流 i f 变化的关系曲线（图4）。 图4 电机的空载特性 由于电枢绕组中的感应电动势是和磁场成正比例的，故空载特性实际代表了电机中磁场和励磁电流之间的关系：即电机的磁化曲线。励磁电流较小时，电动势与励磁电流成正比关系；励磁电流逐渐增大，随电机中磁场的增强，铁心开始饱和，空载特性曲线开始弯曲变平；励磁电流很大时，铁心呈高度饱和状态，感应电动势几乎不随励磁电流而增加。通常，电机工作在空载特性曲线开始弯曲的部分，此时电机材料的利用最为合理，具有较好的经济性。 所谓负载运行特性，对于发电机来说，是在转速和励磁保持不变的情况下，其端电压随负载而变化的特性，称作发电机的外特性。对于电动机，它是指电动机在励磁电流和电源电压一定的条件下，其转速随负载而变的情况，称为电动机的机械特性。由于发电机输出电压和电动机转速是电机的重要指标，因而希望负载运行特性稳定。 电机定额电机的额定值，即铭牌数据，规定电机正常运行的条件。通常包括电机的额定电压、额定电流、额定功率、额定频率、额定转速、额定工作制和允许温升等。