​电机的20个基础知识点

1、电机(ELECTRIC MOTOR)

电机是一种把电能转变为机械能的机器;如果这种电能是交流电,则电机为交流电机,如果电能是直流电,则为直流电机。绝大部分情况下,是先有交流电源,再通过整流设备,把交流电转化成为直流电。

2、电压(VOLTAGE)

国际单位是伏特V。电压可以是交流(AC),也可以是直流(DC),并分别对应交流电机和直流电机。发电机的最高电压可以达到10万伏以上,这样的高电压便于电力的传输,减少电力传输过程中损耗。较低的电压,如我们经常使用的由小干电池提供的直流电压,用于驱动小功率的直流电机。

3、功率(POWER)

国际单位是瓦特W。没有特别说明的情况下,铭牌上所说的功率均是指电机在额定电压、额定转速下的额定输出功率,电机的输出功率、转速、输出转矩之间有下列关系:

T=9.55*P2/N

其中:

  • T——电机的转矩,N.M(牛.米)

  • P2——电机的输出功率,W

  • N——电机的转速,RPM(每分种多少转)

电机还有另外的几种功率的定义,如输入功率,它反应的是电机所消耗的电能,输入功率乘以电机的效率后,就是电机的输出功率。

电机的最大输出功率反应了电机的过载能力,就是说,电机能短时间承受超过额定的负载。

4、电流(CURRENT)

国际单位是安培A。当电机的功率、电压确定后,电机的电流也基本确定。铭牌上提供电流的主要目的,是给用户配置电机引出线的线规时提供依据。在电机设计时,电流的大小决定了漆包线直径的大小,电流越大,线规越大。

电机的电流、电压、功率等有下面的相互关系:

  • 单相电机:P2=P1xη=UxIxCOSΦxη

  • 三相电机:P2=P1xη=1.732*UxIxCOSΦxη(1.732=根号3)

  • 直流电机:P2=P1xη=UxIxη

其中:

  • P1——电机的输入功率,W,可以在交流电参数表中显示

  • P2—电机的输出功率,W,可以在测功机的配套仪表中显示

  • η—电机的效率,%,一般情况下,功率越大,效率越高

  • U—电机的工作电压,V,可以在交流电参数表中显示

  • I—电机的工作电流,A,可以在交流电参数表中显示

  • COSΦ—功率因数,单相电机一般在0.9以上,三相电机在0.7以上,直流电机为1。

5、频率(FREQUENCY)

国际单位是赫兹Hz。交流电机的铭牌有时候要标明电源的频率;直流电机的频率为0,电机的频率一般由发电厂确定,现在通用的频率由两种,50Hz和60Hz。

交流电机的电压和频率要配套说明,不同国家有不同的电压和频率,如国内有220V/50Hz,美国有115V/60Hz,欧洲有230V/50Hz,日本有100V/50Hz/60Hz,韩国有220V/60Hz,澳洲有240V/50Hz,等等。

6、相数(PHASE)

一般情况下,交流电机有单相和三相之分,他们最大的区别就是单相电机有电容,三相电机没有电容。同样输出功率下,单相电机的缺点是成本要比三相的高,电机的性能要相对要差,但是,它的优点是单相电源的获得比较方便,一般的家庭或者办公场地均有。

直流电机没有相数的区别。

7、转速(SPEED)

单位是每分钟多少转,RPM(RATATIONS PER MINUTE)

8、绝缘等级(INSULATION CLASS)

它反应了电机耐高温的能力,共有A、E、B、F、H五个等级。现在大部分汽车电机的绝缘等级为H级,也就是说,电机可以长时间承受180℃的高温,温升不超过125℃。

电机内部体现绝缘等级的主要零部件有:漆包线、槽绝缘纸、槽楔、绑扎线、绝缘漆、套管、引出线等,均为定子的零件。

9、工作制(DUTY)

电机的工作制大致分为连续工作S1、短时工作S2、短时周期工作S3等,相当于样本上的“额定时间”。

电机可按额定运行情况长时间连续使用,用S1表示。

短时工作制S2要说明工作的时间,如同样本上所表明的“30min”。

短时周期工作制S3要说明工作周期的时间,其中多少时间停机多少时间工作。

10、防护等级(PROTECTION CLASS)

用IPxx表示,防护等级有2位数字表示:

前面1位数字表示电机外壳对人和电机内部的防护等级,有6个数字,具体如下:

  • 0:无防护等级—无专门防护

  • 1:防护大于50mm的固体—防止人的手进入电机内部

  • 2:防护大于12mm的固体—防止人的手指进入电机内部

  • 3:防护大于2.5mm的固体—防止小的工具进入电机内部

  • 4:防护大于1.0mm的固体—防止小的导线进入电机内部

  • 5 :灰尘防护:并不能完全防止尘埃进入,但不会达到妨碍仪器正常运转及降低安全性的程度。

  • 6 :灰尘禁锢:尘埃无法进入物体整个直径不能超过外壳的空隙

后面1位数字表示电机防止外壳进水的能力,有9个数字,具体如下:

  • 0 :无防护;

  • 1 :防垂直下坠的水滴:垂直下坠的水滴不会造成有害影响;

  • 2:当外壳翘起可达15°时防垂直下坠的水滴:当外壳在垂直任何一侧以任何角度翘起不超过15°时,垂直下坠的水滴不会造成有害影响;

  • 3 :防水雾:在任何一垂直侧以任何不超过60°的角度喷雾不会造成有害影响;

  • 4 :防泼水:对着外壳从任何方向泼水都不会造成有害影响;

  • 5 :防喷水:对着外壳从任何方向喷水都不会造成有害影响;

  • 6 :防强力喷水:对着外壳从任何方向强力喷水都不会造成有害影响;

  • 7 :防短时浸泡:常温常压下,当外壳暂时浸泡在1M深的水里将不会造成有害影响;

  • 8 :防持续浸泡:在厂家和用户都同意,但是条件比较严酷的条件下,持续浸泡在水里将不会造成有害影响。

防护等级越高,电机的成本越高。对于有些使用环境比较好的电机,可以减低电机的防护等级,会减低电机的成本。

11、噪声(NOISE)

用A计权声功率级别表达,dB(A)。噪声是电机非常重要的指标,一般在空载时测试。

电机噪声分机械噪声和电磁噪声,一个很简单的办法可以把两者区分:把电机的电压适当降低,如果噪声明显下降,则为电磁声,反之是机械声。这是因为电机的电压稍微减低后,电机内部的磁通密度很快下降,对减低电磁声非常有效,而电机的空载速度下降很少,由于转子转动而造成的机械声则变化很少。

电机产生噪声的主要原因是:①为了用较少的材料做出较大的功率,导致电机的磁密较高;②气隙不均匀;③轴向间隙不合理;④轴承质量问题;⑤装配质量问题。

12、电机的接线(WIRE CONNECTION)

电机的接线包括定子内部接线和用户外部接线。

三相电机的换向很方便,只要对换三根引线中的任意2根就可以。

三相电机还有一个电压互换特点,也就是Δ和Y接法。理论上,任何一台6根出线的三相电机通过电机外部接线的改变,也就是Δ和Y接法的改变,可以适用两种不同的电压而其性能完全一样,这里的两种电压必须符合1.732倍的关系。

譬如,一台按220V相电压设计的电机在定子下线完成后,可以接成下面三种方式:

  • Δ接法—3根出线,适用电压为220V;

  • Y接法—3根出线,适用电压为380V;

  • 不确定—6根出线,Δ接法时适用电压为220V,Y接法时适用电压为380V。

13、电机的力矩(也称为转矩)T

电机的力矩反映了电机的使用性能,也决定了电机的主要原材料(硅钢片、漆包线等)。

电机的力矩大致有三种:启动力矩、额定力矩、最大力矩。它们三者互相关联。

(1)启动力矩(STARTING TORQUE):Tst(N.M)

电机在刚刚通电时的输出力矩称为启动力矩,由于此时电机的转速为0,相当于电机被堵住不动,所以,启动力矩也称为堵转力矩。电机的使用场合不同,对电机启动力矩的要求也不一样,启动力矩要求大的电机,成本相对会高。

(2)额定力矩(RATED TORQUE):Tn(N.M)

电机的额定力矩同电机的额定功率和额定转速有相互关系,具体见前面2.2条的解释。

(3)最大力矩(MAXIMUM TORQUE):Tm(N.M)

电机的最大力矩反应了电机的抗过载能力。由于各种原因,电机所驱动的负载很可能突然短时间变大,这时如果电机有较大的最大力矩,电机还能短时工作。三相电机的启动力矩均很高,有额定力矩的1.5倍以上。

电机的转速从空载—额定转速—失控转速—0,对应的电机输出力矩分别为0—额定力矩—最大力矩—启动力矩。当一台电机的启动力矩和最大力矩确定后,它的额定力矩也基本确定。

14、定子(STATOR)

交流电机的定子是电动机在工作时,在把电能转化为机械能的过程中,输入电能的主要部件。定子主要由下列零部件组成:定子铁心(硅钢片)、漆包线、绝缘纸、绝缘漆、引出线、热保护器、套管、扎线等等。定子是电机中最容易出故障的部件,不光是因为定子本身的加工要求很高,最主要的原因是电机的其他各种问题最后大部分会反应到定子上,造成定子烧毁,因为定子特别是漆包线是整个电机中最容易受伤的。

交流定子在加工过程要注意的主要问题有:

(1)绕组的线规、匝数;引出线的长度、规格、颜色等;

(2)端部尺寸(内孔、外圆、高度);

(3)安全性能:匝间耐压、对地高压、绝缘电阻等。

15、转子(ROTOR)

转子是电动机在工作时,把电能转化为机械能的过程中,输出机械能的主要部件。交流电机的转子主要由下列零部件组成:转子铁心(硅钢片),转子压板、转轴等等。

交流电机的转子在加工过程要注意的主要问题有:

(1)磨加工后的轴承挡外圆尺寸,这个尺寸太大或者太小均会造成整机工作时轴承发出异常噪声。

(2)转子外圆尺寸,也就是定转子气隙的控制。气隙太小会造成定子同转子相擦,太大又会使电机的过分发热,功率下降。

(3)动平衡校正。

(4)轴向尺寸控制。

16、轴承(BEARING)

电机通过轴承把静止的电能转化成运动的机械能。外观相似的轴承因为要求的不同,价格会有很大的不同。轴承的选用主要考虑以下几个方面:

(1)根据电机负载的大小,选用不同大小的轴承;

(2)电机的转速;

(3)电机的使用环境(包括温度、湿度、是否有腐蚀气体等);

(4)使用寿命要求;

(5)噪声要求;

(6)密封要求;

(7)同轴承内外直径配合的轴外圆尺寸和轴承室内圆尺寸。

根据上述不同的要求,轴承加工过程中会考虑到不同的工艺和材料,如轴承钢的选用和热处理方法、适用于不同温度的油脂、轴承两面密封盖材料的选用、轴承内滚珠油隙的大小确定等等。在实际的电机安装过程中,同轴承配合的轴和端盖的尺寸、轴承安装工艺等对轴承的影响非常大。

17、漆包线(ENAMELED WIRE)

如B级直径为0.35漆包线,其代号为QZ-2/130,0.35。

其中:

  • “QZ”—表示铜丝表面的绝缘漆为聚脂漆;

  • “2”—表示绝缘漆厚度;

  • “130”—表示该漆包线能长期承受130℃的高温。

根据电机绝缘等级的不同,漆包线也有不同的等级,除了B级,还有F级、H级等等,它们对应的温度等级分别为155℃,180℃。

我们说某种线规为0.35,指的是漆包线内部的导线直径为0.35,并没有包括铜丝外面的漆膜厚度。漆膜厚度同漆包线的牌号有关,并随着线规的增加,漆膜厚度也增大。如果漆包线的线规从0.14到0.90,则对应的单边漆膜厚度大概从0.015到0.045。

由于现在国际金属市场铜价格的飞涨,很多电机生产厂家已经开始批量使用铝质漆包线来代替原来的铜质漆包线。从电机的设计原理上讲,这种替代完全可以,而不是一般人很容易想到的偷工减料。但是在实际生产时,必须注意下列问题:

(1)小线规的铝质漆包线现在的工艺还不是很成熟,一般要求线规在0.35以上。

(2)由于铝线与铜质的引出线是两种不同的金属材料,它们之间的焊接是铝包线刚开始大批量推广使用的最大难题。到目前为止,国内已经有专门的针对铝包线的焊接材料,效果非常好。

(3)由于铝包线的电阻率与铜线的不同,对于原来使用铜质漆包线的电机,如果改为铝包线,理论上只要把铝包线的截面积增大到同原来的铜质包线在单位长度上的电阻一样就可以。由于定子槽形已经确定,只是增加铝线直径没有改变电机的其他参数,定子下线有时会变得不可能完成。所以在大部分情况,使用铝包线的电机需要重新进行电磁设计。

18、硅钢片(SILICON STEEL)

硅钢片一般有热轧和冷轧两种。考核硅钢片的质量主要有两方面,一是它的导磁性能,就是单位电流能产生的磁通强度,当然越高越好;二是它在规定磁通密度下的单位重量的损耗,在硅钢片叠压成铁心后,其损耗同硅钢片表面的质量有非常大的关系,要求片与片之间有良好的绝缘性能。

一般使用的硅钢片主要靠表面的氧化膜来绝缘,要求高的电机,如大型发电机,它所使用硅钢片的表面要专门喷涂处理,有些硅钢片通过高温发黑处理来提高表面的绝缘性能。

热轧硅钢片一般表示成DR510-50,冷轧硅钢片一般表示为DW470-50。其中:

DR——表示为热轧硅钢片,这种材料会逐步被冷轧硅钢片替代。

DW——表示为冷轧硅钢片,主要由宝钢、武钢、鞍钢等替代。

510,或者470——表示频率为50Hz时,磁通密度为15000高斯时,每公斤硅钢片所生产的损耗,单位是W。这个数值越小越好。

50——表示其厚度为0.5mm。其他的还有:10(0.1mm)、20(0.2mm)、25(0.25mm),35(0.35mm),80(0.8mm),100(1mm)等等。硅钢片的厚度越薄,性能相对越好(特别是在高频率时),同时,价格也越高。

现在,很多电机厂家在使用一种称为带钢的材料来替代硅钢片,它的价格比较低。性能方面来说,主要是损耗比较大,但是它的导磁性能并不差。通过合理的电磁设计,电机的性能也可以做到很好。

19、热保护器(THERMAL PROTECTER)

热保护器的作用是电机在非常工作时切断工作电源,保护电机。这个“非常工作”主要是指电机的使用没有按照铭牌要求,包括:电压过高或者过低;接线错误;短时工作电机在连续使用;负载太大等等。

热保护器有很多种类,现在使用的保护器大部分是温度型的,一般是120℃(针对B级绝缘电机),可以自动恢复,并安装在定子绕组的端部,保护器串联在电机的公共线上。在电机使用时由于异常原因导致发热加快,导致电机绕组安放保护器位置的温度超过120℃时,保护器内部的双金属片动作(热涨),电源切断,在一定的时间后当保护器的温度恢复到大概70-80℃时,保护器内部的双金属片恢复到导通位置(冷缩),电机再次通电工作。

有些保护器的安装位置在定子绕组的端部,但是它的引出线是外接的,当保护器位置出现高温导致保护器动作时,这个动作信号会传到电机外部的控制系统,由控制系统去控制电机的开关动作,并且可以同时控制同电机有关的其他执行机构。

20、磁钢(MAGNET)

磁钢又称永久磁铁,是直流电机和永磁电机产生磁场的源泉。现在常使用的是烧结型铁氧体永磁材料。磁钢的主要性能指标如下:

(1)剩余磁通密度Br,单位:高斯(GS)。有点类似交流电机的气隙磁密,一般情况下当然越高越好。

(2)矫顽力BHc,单位:安/米(A/m)。如果要将磁钢的剩余磁通密度降为0,需要加的一个反向磁场,这个反向磁场的磁场强度的绝对值就是矫顽力BHc。它反映了磁钢在正常工作时抵抗去磁磁场的能力,磁钢的矫顽力大,电机的输出特性曲线也相对比较硬。

(3)最大磁能积,单位:焦耳/立方米(J/m3)。在设计电机时,要根据永磁体的长细比例,选择合适的Br和Hc,这样才能充分利用磁钢的磁能积。

(4)磁感应温度系数。永磁材料随着温度的升高,其磁性能会变差,磁感应温度系数就是反映这个变化程度的。系数越高,变化越大。如铁氧体磁钢,工作温度最好不要超过85℃,否则,温度越高,磁场强度下降越快。

铁氧体永磁材料的优点是矫顽力高,价格便宜,缺点是剩磁低,温度系数高。

永磁材料经过充磁后才能使用。

现在还有一种永久磁铁的使用非常广泛,就是钕铁硼,它的剩磁非常高,同样电机如果使用钕铁硼材料,体积可以减小很多,但是价格高。

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