电动机的原理详解

  电动机是将电能转换成机械能的电气部件,不同的供电方式,具体的工作原理也有所不同。下面以典型直流电动机和交流电动机为例介绍电动机的工作原理。

  有刷直流电动机的工作原理。有刷直流电动机工作时,绕组和换向(相)器旋转,主磁极(定子)和电刷不旋转,直流电源经电刷加到转子绕组上,绕组电流方向的交替变化是随电动机转动的换向器及与其相关的电刷位置变化而变化的。图4-17为典型有刷直流电动机的工作原理。

  有刷直流电动机接通电源瞬间,直流电源的正、负两极通过电刷A和B与直流电动机的转子绕组接通,直流电流经电刷A、换向器1、绕组ab和cd、换向器2、电刷B返回到电源的负极。绕组ab中的电流方向由a到b;绕组cd中的电流方向由c到d。两绕组的受力方向均为逆时针方向,这样就产生了一个转矩,使转子铁芯逆时针方向旋转。

  当有刷直流电动机转子转到90°时,两个绕组边处于磁场物理中性面,且电刷不与换向器接触,绕组中没有电流流过,F=0,转矩消失。

  由于机械惯性的作用,有刷直流电动机的转子将冲过90°继续旋转至180°,这时绕组中又有电流流过,此时直流电流经电刷A、换向器2、绕组dc和ba、换向器1、电刷B返回到电源的负极。根据左手定则可知,两个绕组受力的方向仍是逆时针,转子依然逆时针旋转。

  无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的转子由永久磁钢构成,圆周设有多对磁极(N、S),绕组绕制在定子上,当接通直流电源时,电源为定子绕组供电,磁钢受到定子磁场的作用而产生转矩并旋转。

  无刷直流电动机定子绕组必须根据转子的磁极方位切换其中的电流方向才能使转子连续旋转,在无刷直流电动机内必须设置一个转子磁极位置的传感器,这种传感器通常采用霍尔元件。

  图4-20为典型交流同步电动机的工作原理。电动机的转子是一个永磁体,具有N、S磁极,置于定子磁场中时,定子磁场的磁极n吸引转子磁极S,定子磁极s吸引转子磁极N。如果此时使定子磁极转动,则由于磁力的作用,转子会与定子磁场同步转动。

  若三相绕组用三相交流电源代替永磁磁极,则定子绕组在三相交流电源的作用下会形成旋转磁场,定子本身不需要转动,同样可以使转子跟随磁场旋转。

  图4-22为单相交流异步电动机的工作原理。交流电源加到电动机的定子线圈中,使定子磁场旋转,从而带动转子旋转,最终实现将电能转换成机械能。可以看到,单相交流异步电动机将闭环线圈(绕组)置于磁场中,交变电流加到定子绕组中所形成的磁场是变化的,闭环线圈受到磁场作用会产生电流,从而产生转动力矩。

  单相交流电是频率为50Hz的正弦交流电。如果电动机定子只有一个运行绕组,则当单相交流电加到电动机的定子绕组上时,定子绕组就会产生交变的磁场。该磁场的强弱和方向是随时间按正弦规律变化的,但在空间上是固定的。

  三相交流异步电动机在三相交流供电的条件下工作。图4-23为三相交流异步电动机的工作原理。三相交流异步电动机的定子是圆筒形的,套在转子的外部,电动机的转子是圆柱形的,位于定子的内部。三相交流电源加到定子绕组中,由定子绕组产生的旋转磁场使转子旋转。

  三相交流异步电动机需要三相交流电源提供工作条件,满足工作条件后,三相交流异步电动机的转子之所以会旋转、实现能量转换,是因为转子气隙内有一个沿定子内圆旋转的磁场。

  三相交流异步电动机接通三相电源后,定子绕组有电流流过,产生一个转速为n0的旋转磁场。在旋转磁场的作用下,电动机转子受电磁力的作用,以转速n开始旋转。这里n始终不会加速到n0,因为只有这样,转子导体(绕组)与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线,转子导体(绕组)中才能产生感应电动势和电流,从而产生电磁转矩,使转子按照旋转磁场的方向连续旋转。定子磁场对转子的异步转矩是异步电动机工作的必要条件,“异步”的名称也由此而来。

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