本帖最后由 blust5 于 2023-2-28 16:22 编辑
电动机是什么？
通俗的讲就是通电就能动的机器。专业来说就是把电能转换成机械能的一种设备。 它是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并作用于转子（如鼠笼式闭合铝框）形成磁电动力旋转扭矩。 电动机最早是怎么出现的呢？ 1821年法拉第完成了第一项重大的电发明。在这两年之前，奥斯特已发现如果电路中有电流通过，它附近的普通罗盘的磁针就会发生偏移。法拉第从中得到启发，认为假如磁铁固定，线圈就可能会运动。根据这种设想，他成功地发明了一种简单的装置。在装置内，只要有电流通过线路，线路就会绕着一块磁铁不停地转动。事实上法拉第发明的是第一台电动机，是第一台使用电流将物体运动的装置。虽然装置简陋，但它却是今天世界上使用的所有电动机的祖先。这是一项重大的突破。只是最初它的实际用途还非常有限，因为当时除了用简陋的电池以外别无其它方法发电。
电动机按照使用电源不同可分为直流电动机和交流电动机。 直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。 电动机的主要部分就是定子和转子，在直流电动机中，定子为磁极部分，转子为线圈部分。 详细来说的话，定子部分包括主磁极、机座、换向级、电刷等固定不动的部分；转子包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、轴等旋转部分。 这里要注意区分换向级和换向器，这是两个完全不同的结构部分。 换向器大家接触的比较多，作用是用来切换直流电在线圈绕组里的方向的，就是上图中的半环形金属环。 而换向极亦称“间极”、“整流极”或“附加极”，常由钢片叠成或由整块钢制成。装在带有换向器的电机上，位于主磁极间的几何中性线上，上面装有绕组，和电枢绕组串联。用以建立磁场，抵消中性区中的电枢磁场，并在被电刷短路的换向元件中产生换向电势来尽量补偿电抗电势，从而减小火花，改善换向情况。这样，不仅可以避免烧损换向器和电刷，保证电机的长期安全运转，而且减弱对附近无线电接收机或其他通信线路的干扰。
下面来详细说一下直流电动机各部分结构的作用。 先来说转子部分。转子部分主要包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器（电刷）、轴等。 电枢铁芯部分作用是嵌放电枢绕组和颠末磁通，为了下降电机工作时电枢铁芯中发作的涡流损耗和磁滞损耗。 电枢绕组作用发作电磁转矩和感应电动势，而进行能量变换。电枢绕组有许多线圈或玻璃丝包扁钢铜线或强度漆包线。 换向器又称整流子，在直流电动机中，它的作用是将电刷上的直流电源的电流变换成电枢绕组内的沟通电流，使电磁转矩的倾向稳定不变。换向器由许多片构成的圆柱体之间用云母绝缘，电枢绕组每一个线圈两端区分接在两个换向片上。 轴的作用是固定其他转子部分，同时将转动动作传递出电动机，用以带动其他需要驱动的部件。
下面说一下定子部分。定子部分包括电动机除转子部分之外的其余结构。 主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。铁芯一般用0.5mm～1.5mm厚的硅钢板冲片叠压铆紧而成，分为极身和极靴两部分，上面套励磁绕组的部分称为极身，下面扩宽的部分称为极靴，极靴宽于极身，既可以调整气隙中磁场的分布，又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成，套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上。 换向极的作用是改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的换向火花，一般装在两个相邻主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极绕组用绝缘导线绕制而成，套在换向极铁心上，换向极的数目与主磁极相等。 机座就是电机的外壳部分，机座的作用有两个：一是用来固定主磁极、换向极和端盖，并起整个电机的支撑和固定作用；二是机座本身也是磁路的一部分，借以构成磁极之间磁的通路，磁通通过的部分称为磁轭。为保证机座具有足够的机械强度和良好的导磁性能，一般为铸钢件或由钢板焊接而成。 电刷装置是用来引入或引出直流电压和直流电流的。电刷装置由电刷、刷握、刷杆和刷杆座等组成。电刷放在刷握内，用弹簧压紧，使电刷与换向器之间有良好的滑动接触，刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆环形的刷杆座上，相互之间必须绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内盖上，圆周位置可以调整，调好以后加以固定。 还有一些其他辅助结构如接线盒、固定底座等，其作用是方便电动机的接线以及安装使用等。
那么直流电动机是怎么转起来的呢？ 直流电动机接入直流电源后，定子铁芯绕组通电，产生固定方向的磁场（有的电动机采用永磁体产生固定磁场），同时直流电源通过电刷和换向器接入某一组转子绕组，在该组转子绕组内产生电流；根据“通电导体在磁场中受力”的基本原理，转子收到电磁力的作用发生运动，运动过程中转子通电部分移动到非受力磁场区域时，由于换向器存在，该组绕组停止通电，换向器将电流通入随后的一组转子绕组，继续以上过程。整个过程使得转子持续受力，从而发生转动。 如果进行简化，假定转子部分只有一组线圈，那么简单的分析如下图。 其中黄色部分为换向级，用来改善换向过程的。正常情况黄色部分对面（即顶部）也会有一个换向级，这里为了展示方便隐去了这部分。 现实中的电动机一般都会有很多组转子绕组和对应的定子绕组，一方面是为了增加电动机运行过程中的稳定性，另一方面是为了提升电动机性能。
上面介绍的是直流有刷电动机，而直流电动机还有一种是无刷电动机。两者有什么区别呢？ 无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。 既然没有电刷和换向器，电动机是怎么完成换向的呢？ 无刷直流电机比有刷直流电机多了一部分结构：驱动器。无刷直流电机就是靠驱动器进行换向的。无刷电机的定子和转子跟有刷电机刚好相反，无刷电机的转子部分是磁场（一般用永磁体），定子部分是线圈绕组。根据力的相互作用原理，在线圈受力的时候磁铁也是同步受力的，在线圈固定的前提下只能永磁体进行转动。通过驱动器改变定子中线圈的电流方向，从而驱动转子持续转动。 无刷直流电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 无刷直流电机相比有刷直流电机来说减少了机械结构的换向器，没有磨损件，寿命比有刷电机要长的多，因此运用更广泛。
说完直流电动机，下面再来说一下交流电动机。 交流电动机主要由一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子组成。电动机利用通电线圈在磁场中受力转动的现象而制成的。 三相交流电动机的定子绕组基本上是三个相互隔开120度的线圈，作三角形或星形联结。通入三相电流时，在每个线圈中产生磁场，这三个磁场合成得到一个旋转磁场。电流完成一次全振动，旋转磁场正好旋转一周，因此，旋转磁场的每分钟转数N=60f。式中f是电源频率。 可以看到，三相交流电动机的运行方式和无刷直流电动机很像。 交流电动机按转子旋转的速率可分为同步电动机和异步电动机（或称非同步电动机）两种。同步电动机不管负载大小，其转子转速恒与旋转磁场的转速相同，因此把这种转速叫做同步转速，它只决定于电源的频率。异步电动机的转速则不是恒定的，它决定于负载的大小和电源电压。三相异步电动机中又有无整流子电机和有整流子电机之分。实际应用的异步电动机绝大多数是无整流器的感应电动机（但并联与串联的三相异步整流子电动机具有可在大范围内调节转速、有高功率因数等优点），它的转速恒小于同步转速。
异步电动机又叫感应电动机，即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。 感应电动机的转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状；定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现，而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，从而产生一个旋转的磁场。这种电动机并不像直流电动机有电刷或集电环，依据所用交流电的种类有单相电动机和三相电动机，单相电动机比如洗衣机，电风扇等的电机；三相电动机则作为工厂的动力设备。通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流；转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。 同步电动机是由直流供电的励磁磁场与电枢的旋转磁场相互作用而产生转矩，以同步转速旋转的交流电动机。其转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n=60f/p。转速n决定于电源频率f，故电源频率一定时，转速不变，且与负载无关。具有运行稳定性高和过载能力大等特点。常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。 同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因数的。 由于同步电机可以通过调节励磁电流使它在超前功率因数下运行，有利于改善电网的功率因数，因此，大型设备，如大型鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机等，常用同步电动机驱动。低速的大型设备采用同步电动机时，这一优点尤为突出。此外，同步电动机的转速完全决定于电源频率。频率一定时，电动机的转速也就一定，它不随负载而变。这一特点在某些传动系统，特别是多机同步传动系统和精密调速稳速系统中具有重要意义。同步电动机的运行稳定性也比较高。 同步电机的转子分为两种：一种需要直流电进行励磁，另一种不需要励磁。 需要进行励磁的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。 由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。 转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。这种电动机中，定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面。所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。
电动机还有一个特点，就是可以反向使用。什么叫反向使用呢？电动机正常使用就是将电能转化为机械能，反向使用就是将机械能转化为电能，也就是发电机。 电动机的结构和发电机基本上是一致的，只是使用方式相反。电动机是接入电源，转子旋转产生机械能带动机械；发电机是通过外力（水流、蒸汽、风力等）带动转子旋转，即可在线圈输出端产生电能输出。 为什么会这样呢？这是因为电和磁的关系是相互的，通电导体在磁场中会受力运动，同时在磁场中运动的导体会产生感应电动势，而这个特性就是发电机的原理。
以上就是我关于各类电动机的理解，欢迎讨论补充。 | 
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