电机-笔记

1. 交流发电电机

• 电枢线圈固定，转子产生旋转磁场，旋转磁通与电枢线圈相交，从中产生电流
• 转子
  转子由原动机带动，这使得旋转磁链也以相同的速度旋转
  转子的线圈用直流电源激励
• 通过控制励磁电流可以很容易的实现输出电压调节

2. 三相感应电机

• 90%工业电机都是感应电机

• 两部分组成：定子和转子

• 定子为三相绕组，由三相交流电供电，绕线缠绕在定子卡槽上

• 当定子通上交流电，会产生旋转磁场
  

• 转子回路会感应出电流，并受到洛伦兹力作用，开始旋转。这就是感应电机的由来

• 电磁场旋转的速度就是同步速度Ns

• 电磁场和转子都在旋转，那他们的转速之间有什么关系呢？
  Nr（转子转速）
  假设Nr = Ns ，即同步旋转，没有感应电压和电流，则转子不受力；当它速度降下来，Nr<Ns ,转子又继续切割磁感线，因此受力再次加速，但永远不能达到同步速度。

  • 转差率 = （Ns - Nr）/ Ns (2-6%)

• 当感应电机被原动机驱动，它也可以充当发电机（Nr>Ns）

• 优点：

  • 结构简单:不需要刷头，换向器，永磁体，位置传感器
  • 感应电机有个巨大的优势就是它可以自启动
  • 通过改变交流电频率，可以很容易控制它的速度（它的速度是由电磁场旋转速度决定的，而电磁场旋转速度是由输入的三相电流的频率决定的），感应电机可以提供很高的转速

3. 单相感应电机

• 感应电机也叫异步电机
  
• 定子绕组有两部分，主绕组和辅助绕组。
  辅助绕组与主绕组垂直放置，并连接电容器
  
• 交流电通过主绕组时会产生波动磁场（方向改变）
  
  涨落磁场相当于两个相对旋转的磁场，这个概念被称为双旋转场理论
  

根据劳伦斯定律，这会产生一个力，所以旋翼开始旋转，但是这里有两个相反旋转的磁场，所以它们产生的力矩是相等的，相反的力

所以转子不会自启动，只会嗡嗡作响。但是如果我们能给这个转子一个初始旋转，一个力矩会比另一个大，在初始旋转的方向上就会有一个净力矩。
因此，循环将继续朝同一方向旋转。这是单相感应电动机的工作方式。
但一个大问题仍然是如何开始这样的初始循环。
尼古拉·特斯拉提出了一个巧妙的解决方法，如果我们能消除任何一个旋转磁场，我们就能启动电机。
辅助绕组的电容器配置正是用于此目的。

电容这里的作用主要是移相。简单的来说，就是把电容串联在所需要移相的电路里，从而让电流相位改变，从而提供与主线圈方向垂直的力。

辅助绕组也产生两个反向旋转磁场，其中一个将消减，另一个将增加，最终的结果将是一个以特定速度旋转的磁场。
这样的磁场可以使转子产生起动转矩，电动机就会自动启动。
当转子达到一个特定的速度，即使你切断辅助绕组，它将继续旋转。

4. 单相于三相电机对比

同样功率的三相电机比单相电机的转矩（旋转力）要大。
一般如果有三相电源的地方尽量采用三相电机，因为同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，噪音小，价格低，转矩高等优点。

5. 滑环感应电机

• 普通的感应电机启动转矩非常低
• 背景：
  将电容与R串联。电的频率越高，电感的电抗和U_I之间的相角差越大；电阻值越大，相位差越小。

X = j w L
如果纯电阻元件，U_I相角差为0；如果纯电感元件，电流超前电压90度；

同样的事情也发生在转子上。转子是电阻和感抗的组合
如果最大电势在一根杆上，那么最大电流将在另一根杆上
感应电动机在转子上接近最大磁通时，产生最大转矩，即最大扭矩条件
由于电流感应，不满足最大转矩条件，这肯定会减少感应电动机产生的转矩量

F = B*I*L 当存在电感时，I在最大磁通杆出的分量是I*cos
电感越大，夹角越大，F越小

当电动机启动时，这个相位差会很高
在启动时，转子转速为0。由于这一点，磁场将以很高的速度穿过转子，感应电动势的频率将很高。这导致高相位差，导致非常低的起动转矩
为了克服这个问题，滑环感应电动机应运而生

• 滑环感应电动机
  滑环感应电动机的工作原理和定子结构与鼠笼式电动机完全相同。
  但它用3个绕组代替条形bar，转子的这种结构是为了减小相位差
  

在滑环异步电动机，线圈的另一端通过滑套连接到外部电阻。通过增加电阻值，可以减小相位差。当滑环感应电动机启动时，外部电阻值增大这减小了相位差角，电流感应方式是最大转矩条件。
这样，滑环感应电动机即使在起动时也能产生高转矩

6. 同步电机

• 顾名思义，同步电动机能够恒速运行，不管负载是否作用在它们身上。它们是高效率的机器，主要用于高精度的应用
• 恒速特性是由恒定磁场和旋转磁场相互作用实现的。同步电动机转子产生恒定磁场，定子产生旋转磁场。
  

三相交流电源激励定子励磁线圈，这将产生一个以同步速度旋转的旋转磁场。
转子由直流电源激励，所以它就像永久磁铁。（转子也可以由永久磁铁制成）

• 如果给电机一个初始力矩，旋转磁场和转子的两极会互相吸引，它们会被磁锁定。这意味着转子将以与旋转磁场同步速度旋转。
  

• 这意味着，与异步电机一样，如果能控制电的频率，同步电动机的转速就能得到非常精确的控制

• 但如果转子没有初始转动，情况就大不一样了。
  转子的N极将明显受到旋转磁场S极的吸引，并开始向同一方向运动。但是由于转子有一些惯性，这个启动速度会很低。此时，旋转磁场的S极将被N极取代，所以它会产生排斥力。因此转子无法自启动。

• 想要让同步电动机能够自启动，可以通过安装鼠笼装置。
  在启动转子磁场时，线圈没有通电，因此有了旋转磁场，在鼠笼式铁条中感应出电流，转子开始旋转，就像感应电动机一样
  当转子达到最大速度时，转子磁场线圈通电。如前所述，旋转磁场和转子的两极会互相吸引，它们会被磁锁定，并将开始旋转在同步速度。
  当转子以同步速度旋转时，鼠笼与旋转磁场的相对运动为0。这意味着鼠笼杆的电流和力为0，不会影响电机的同步运行。

• 当负载在电动机的能力范围内，不论负载大小，同步电动机会产生恒定的转速。
  如果外部转矩负载大于电动机产生的转矩，它就会脱离同步而停止运转。电源电压和励磁电压低也是不同步的原因。
  

• 同步电动机也有助于提高系统的整体功率因数

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1. 交流发电电机

• 电枢线圈固定，转子产生旋转磁场，旋转磁通与电枢线圈相交，从中产生电流
• 转子
  转子由原动机带动，这使得旋转磁链也以相同的速度旋转
  转子的线圈用直流电源激励
• 通过控制励磁电流可以很容易的实现输出电压调节

2. 三相感应电机

• 90%工业电机都是感应电机

• 两部分组成：定子和转子

• 定子为三相绕组，由三相交流电供电，绕线缠绕在定子卡槽上

• 当定子通上交流电，会产生旋转磁场
  

• 转子回路会感应出电流，并受到洛伦兹力作用，开始旋转。这就是感应电机的由来

• 电磁场旋转的速度就是同步速度Ns

• 电磁场和转子都在旋转，那他们的转速之间有什么关系呢？
  Nr（转子转速）
  假设Nr = Ns ，即同步旋转，没有感应电压和电流，则转子不受力；当它速度降下来，Nr<Ns ,转子又继续切割磁感线，因此受力再次加速，但永远不能达到同步速度。

  • 转差率 = （Ns - Nr）/ Ns (2-6%)

• 当感应电机被原动机驱动，它也可以充当发电机（Nr>Ns）

• 优点：

  • 结构简单:不需要刷头，换向器，永磁体，位置传感器
  • 感应电机有个巨大的优势就是它可以自启动
  • 通过改变交流电频率，可以很容易控制它的速度（它的速度是由电磁场旋转速度决定的，而电磁场旋转速度是由输入的三相电流的频率决定的），感应电机可以提供很高的转速

3. 单相感应电机

• 感应电机也叫异步电机
  
• 定子绕组有两部分，主绕组和辅助绕组。
  辅助绕组与主绕组垂直放置，并连接电容器
  
• 交流电通过主绕组时会产生波动磁场（方向改变）
  
  涨落磁场相当于两个相对旋转的磁场，这个概念被称为双旋转场理论
  

根据劳伦斯定律，这会产生一个力，所以旋翼开始旋转，但是这里有两个相反旋转的磁场，所以它们产生的力矩是相等的，相反的力

所以转子不会自启动，只会嗡嗡作响。但是如果我们能给这个转子一个初始旋转，一个力矩会比另一个大，在初始旋转的方向上就会有一个净力矩。
因此，循环将继续朝同一方向旋转。这是单相感应电动机的工作方式。
但一个大问题仍然是如何开始这样的初始循环。
尼古拉·特斯拉提出了一个巧妙的解决方法，如果我们能消除任何一个旋转磁场，我们就能启动电机。
辅助绕组的电容器配置正是用于此目的。

电容这里的作用主要是移相。简单的来说，就是把电容串联在所需要移相的电路里，从而让电流相位改变，从而提供与主线圈方向垂直的力。

辅助绕组也产生两个反向旋转磁场，其中一个将消减，另一个将增加，最终的结果将是一个以特定速度旋转的磁场。
这样的磁场可以使转子产生起动转矩，电动机就会自动启动。
当转子达到一个特定的速度，即使你切断辅助绕组，它将继续旋转。

4. 单相于三相电机对比

同样功率的三相电机比单相电机的转矩（旋转力）要大。
一般如果有三相电源的地方尽量采用三相电机，因为同样功率的三相电机比单相电机体积小，重量轻，噪音小，价格低，转矩高等优点。

5. 滑环感应电机

• 普通的感应电机启动转矩非常低
• 背景：
  将电容与R串联。电的频率越高，电感的电抗和U_I之间的相角差越大；电阻值越大，相位差越小。

X = j w L
如果纯电阻元件，U_I相角差为0；如果纯电感元件，电流超前电压90度；

同样的事情也发生在转子上。转子是电阻和感抗的组合
如果最大电势在一根杆上，那么最大电流将在另一根杆上
感应电动机在转子上接近最大磁通时，产生最大转矩，即最大扭矩条件
由于电流感应，不满足最大转矩条件，这肯定会减少感应电动机产生的转矩量

F = B*I*L 当存在电感时，I在最大磁通杆出的分量是I*cos
电感越大，夹角越大，F越小

当电动机启动时，这个相位差会很高
在启动时，转子转速为0。由于这一点，磁场将以很高的速度穿过转子，感应电动势的频率将很高。这导致高相位差，导致非常低的起动转矩
为了克服这个问题，滑环感应电动机应运而生

• 滑环感应电动机
  滑环感应电动机的工作原理和定子结构与鼠笼式电动机完全相同。
  但它用3个绕组代替条形bar，转子的这种结构是为了减小相位差
  

在滑环异步电动机，线圈的另一端通过滑套连接到外部电阻。通过增加电阻值，可以减小相位差。当滑环感应电动机启动时，外部电阻值增大这减小了相位差角，电流感应方式是最大转矩条件。
这样，滑环感应电动机即使在起动时也能产生高转矩

6. 同步电机

• 顾名思义，同步电动机能够恒速运行，不管负载是否作用在它们身上。它们是高效率的机器，主要用于高精度的应用
• 恒速特性是由恒定磁场和旋转磁场相互作用实现的。同步电动机转子产生恒定磁场，定子产生旋转磁场。
  

三相交流电源激励定子励磁线圈，这将产生一个以同步速度旋转的旋转磁场。
转子由直流电源激励，所以它就像永久磁铁。（转子也可以由永久磁铁制成）

• 如果给电机一个初始力矩，旋转磁场和转子的两极会互相吸引，它们会被磁锁定。这意味着转子将以与旋转磁场同步速度旋转。
  

• 这意味着，与异步电机一样，如果能控制电的频率，同步电动机的转速就能得到非常精确的控制

• 但如果转子没有初始转动，情况就大不一样了。
  转子的N极将明显受到旋转磁场S极的吸引，并开始向同一方向运动。但是由于转子有一些惯性，这个启动速度会很低。此时，旋转磁场的S极将被N极取代，所以它会产生排斥力。因此转子无法自启动。

• 想要让同步电动机能够自启动，可以通过安装鼠笼装置。
  在启动转子磁场时，线圈没有通电，因此有了旋转磁场，在鼠笼式铁条中感应出电流，转子开始旋转，就像感应电动机一样
  当转子达到最大速度时，转子磁场线圈通电。如前所述，旋转磁场和转子的两极会互相吸引，它们会被磁锁定，并将开始旋转在同步速度。
  当转子以同步速度旋转时，鼠笼与旋转磁场的相对运动为0。这意味着鼠笼杆的电流和力为0，不会影响电机的同步运行。

• 当负载在电动机的能力范围内，不论负载大小，同步电动机会产生恒定的转速。
  如果外部转矩负载大于电动机产生的转矩，它就会脱离同步而停止运转。电源电压和励磁电压低也是不同步的原因。
  

• 同步电动机也有助于提高系统的整体功率因数

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