電機(jī)學(xué)課件-清華大學(xué)

電機(jī)學(xué)概論：清華大學(xué)電機(jī)工程系歡迎來到清華大學(xué)電機(jī)工程系電機(jī)學(xué)課程。本課程在電氣工程專業(yè)中占據(jù)核心地位，將系統(tǒng)講解電機(jī)的基本原理、分析方法及應(yīng)用技術(shù)。通過本課程學(xué)習(xí)，學(xué)生將深入理解各類電機(jī)的工作機(jī)理，掌握電機(jī)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的基本方法。本課程以湯蘊(yùn)璆教授編著的《電機(jī)學(xué)》（第五版）為主要參考教材，配合實(shí)驗(yàn)和工程案例，幫助學(xué)生建立理論與實(shí)踐相結(jié)合的知識(shí)體系。在未來的學(xué)習(xí)中，我們將探索從基礎(chǔ)電磁理論到現(xiàn)代電機(jī)控制的全部?jī)?nèi)容，為后續(xù)專業(yè)課程和工程實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。電機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史電磁感應(yīng)時(shí)代1831年，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，為電機(jī)的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。這一突破性發(fā)現(xiàn)揭示了電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的可能性，開啟了電氣工程的新紀(jì)元。實(shí)用電機(jī)誕生1866年，西門子發(fā)明了自激式發(fā)電機(jī)，解決了穩(wěn)定電源問題。隨后，他建立了世界上第一條電氣化鐵路，將電機(jī)技術(shù)推向?qū)嵱没A段。特斯拉革命1888年，尼古拉·特斯拉發(fā)明了交流感應(yīng)電機(jī)，為現(xiàn)代電力系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。他的多相交流系統(tǒng)最終戰(zhàn)勝了愛迪生的直流系統(tǒng)，成為全球電力傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。工業(yè)革命推動(dòng)者20世紀(jì)初，電機(jī)技術(shù)的成熟推動(dòng)了第二次工業(yè)革命，使電力成為工廠的主要能源，極大地提高了生產(chǎn)效率，徹底改變了人類的生產(chǎn)和生活方式。電機(jī)的分類按能量轉(zhuǎn)換方式分類電動(dòng)機(jī)：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能發(fā)電機(jī)：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能電力變壓器：改變交流電的電壓和電流大小按電源類型分類直流電機(jī)：工作電源為直流電，具有良好的調(diào)速性能交流電機(jī)：工作電源為交流電，包括同步電機(jī)和異步電機(jī)特種電機(jī)：如步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等按結(jié)構(gòu)和用途分類通用電機(jī)：如三相異步電機(jī)，應(yīng)用廣泛專用電機(jī)：如牽引電機(jī)、冶金電機(jī)等微特電機(jī)：尺寸小，如儀表用電機(jī)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)定子系統(tǒng)電機(jī)的固定部分，通常包括機(jī)座、定子鐵心和定子繞組。機(jī)座提供機(jī)械支撐，定子鐵心提供磁路，定子繞組通入電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和軸。在交流電機(jī)中有鼠籠式和繞線式兩種類型，直流電機(jī)中則配有換向器。繞組系統(tǒng)由導(dǎo)線繞制而成，是電機(jī)中的關(guān)鍵部件。定子繞組通入電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子繞組在磁場(chǎng)中受力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。換向與傳輸系統(tǒng)直流電機(jī)特有的部件，包括電刷和換向器，用于將外部電源連接到旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子繞組上，并實(shí)現(xiàn)電流方向的周期性變化。電磁感應(yīng)定律回顧法拉第電磁感應(yīng)定律e=-NdΦ/dt，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)等于線圈匝數(shù)乘以穿過線圈的磁通量變化率的負(fù)值楞次定律感應(yīng)電流的方向總是使其產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量變化電機(jī)應(yīng)用電機(jī)中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁力是電機(jī)工作的物理基礎(chǔ)電磁感應(yīng)是電機(jī)工作的核心物理原理。在發(fā)電機(jī)中，機(jī)械力驅(qū)動(dòng)導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；在電動(dòng)機(jī)中，電流通過導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。理解這一原理對(duì)掌握電機(jī)工作機(jī)制至關(guān)重要。電磁感應(yīng)的方向由楞次定律決定，這也解釋了為什么電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)可以相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用時(shí)，需要外力克服感應(yīng)電磁力做功，這就是能量轉(zhuǎn)換的物理本質(zhì)。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生磁場(chǎng)的建立定子繞組通電產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，磁感線從N極出發(fā)，經(jīng)過氣隙，進(jìn)入S極，形成完整的磁路轉(zhuǎn)子中的電流轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中通入電流，在異步電機(jī)中是感應(yīng)電流，在直流和同步電機(jī)中是外部施加的電流洛倫茲力載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力：F=BIl，其中B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，I為電流，l為導(dǎo)體有效長度電磁轉(zhuǎn)矩形成力矩計(jì)算：T=r×F，其中r為作用力臂，當(dāng)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)電機(jī)運(yùn)行的基本物理量物理量符號(hào)國際單位測(cè)量方法電壓U伏特(V)電壓表、示波器電流I安培(A)電流表、鉗形表功率P瓦特(W)功率表、功率分析儀轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)/分(r/min)轉(zhuǎn)速表、光電傳感器轉(zhuǎn)矩T牛頓米(N·m)轉(zhuǎn)矩傳感器這些基本物理量之間存在密切的關(guān)系。對(duì)于直流電機(jī)，電磁功率P=UI，機(jī)械功率P=Tω，其中ω為電機(jī)角速度。在理想狀態(tài)下，電磁功率等于機(jī)械功率，但實(shí)際運(yùn)行中需考慮各種損耗。轉(zhuǎn)速與頻率、極對(duì)數(shù)的關(guān)系為n=60f/p，其中f為電源頻率，p為極對(duì)數(shù)。負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，電流增大；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，輸出電流增大。掌握這些關(guān)系對(duì)電機(jī)性能分析和應(yīng)用設(shè)計(jì)至關(guān)重要。磁路的基本概念磁動(dòng)勢(shì)電流通過線圈產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)：F=NI，類比于電路中的電動(dòng)勢(shì)磁阻磁路中阻礙磁通的程度：R=l/(μS)，其中l(wèi)為磁路長度，μ為磁導(dǎo)率，S為截面積磁通通過磁路的磁力線總量：Φ=F/R，遵循磁路歐姆定律磁路分析是電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在分析復(fù)雜磁路時(shí)，可應(yīng)用串聯(lián)磁路和并聯(lián)磁路的計(jì)算方法。對(duì)于含有氣隙的磁路，如電機(jī)中的定轉(zhuǎn)子之間，由于氣隙的磁阻遠(yuǎn)大于鐵心，往往成為限制磁通的主要因素。實(shí)際磁路計(jì)算中還需考慮磁飽和現(xiàn)象，即當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過一定值時(shí)，磁導(dǎo)率μ顯著下降，導(dǎo)致磁阻增大。這是電機(jī)設(shè)計(jì)中必須注意的非線性因素，通常通過查表或使用非線性方程解決。磁性材料磁滯回線與磁導(dǎo)率鐵磁材料的磁化過程可通過磁滯回線表示，反映了磁感應(yīng)強(qiáng)度B與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的非線性關(guān)系。磁導(dǎo)率μ=B/H表示材料被磁化的難易程度，越大表示越容易被磁化。磁滯回線的面積代表單位體積材料在一個(gè)磁化周期中的能量損失，稱為磁滯損耗。這是電機(jī)鐵損的重要組成部分，影響電機(jī)效率。軟磁材料與硬磁材料軟磁材料具有窄的磁滯回線，易于磁化和去磁化，主要用于電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心。常見軟磁材料包括硅鋼片、坡莫合金和鐵氧體等。硬磁材料具有寬的磁滯回線，難以去磁化，適合制作永磁體。常見硬磁材料有鋁鎳鈷合金、釤鈷、釹鐵硼等，其中釹鐵硼具有最高的磁能積，是現(xiàn)代高效電機(jī)的理想選擇。變壓器原理初級(jí)線圈通電初級(jí)繞組接入交流電源，產(chǎn)生交變電流I?和交變磁通Φ鐵芯傳導(dǎo)磁通鐵芯為磁通提供低阻抗路徑，使磁通幾乎全部鏈接次級(jí)繞組次級(jí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)交變磁通在次級(jí)繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E?，滿足E?/E?=N?/N?負(fù)載獲得能量當(dāng)次級(jí)連接負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生電流I?，實(shí)現(xiàn)能量傳遞變壓器是利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)交流電壓變換的靜止電氣設(shè)備。其電壓比與匝數(shù)比成正比：U?/U?≈N?/N?，而電流比與匝數(shù)比成反比：I?/I?≈N?/N?，這確保了功率的近似守恒（除去損耗）。變壓器的類型電力變壓器用于輸配電系統(tǒng)中調(diào)整電壓等級(jí)，容量從幾千VA到數(shù)百M(fèi)VA不等。根據(jù)冷卻方式可分為干式、油浸式和氣體絕緣等類型。具有高效率、長壽命和高可靠性的特點(diǎn)。單相變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要用于單相供電系統(tǒng)和小功率負(fù)載。典型應(yīng)用包括家用電器電源、小型照明系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。由于單相系統(tǒng)固有的功率波動(dòng)，其運(yùn)行效率一般低于三相系統(tǒng)。特種變壓器包括整流變壓器、試驗(yàn)變壓器、電爐變壓器等，為特定工業(yè)過程設(shè)計(jì)。如整流變壓器用于高壓直流輸電系統(tǒng)，試驗(yàn)變壓器可產(chǎn)生極高的測(cè)試電壓，電爐變壓器能提供大電流用于冶金工業(yè)。變壓器的運(yùn)行特性空載運(yùn)行特性次級(jí)開路時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)定鐵損和磁化特性?？蛰d電流主要是磁化電流，約為額定電流的3-5%，功率因數(shù)低（約0.1-0.3），反映鐵心品質(zhì)。負(fù)載運(yùn)行特性次級(jí)連接負(fù)載時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)定銅損和阻抗電壓。隨著負(fù)載增加，變壓器溫度上升，效率先增后減，達(dá)到最高效率點(diǎn)時(shí)鐵損約等于銅損。短路試驗(yàn)次級(jí)短路時(shí)進(jìn)行，通過降低原邊電壓使電流達(dá)到額定值?？蓽y(cè)定阻抗電壓（約為額定電壓的5-15%）、銅損及等效阻抗。是變壓器重要的型式試驗(yàn)。并聯(lián)運(yùn)行條件變壓器并聯(lián)運(yùn)行需滿足：相位關(guān)系相同、變壓比相同、阻抗電壓比例相近，以確保負(fù)載分配合理。當(dāng)阻抗電壓不同時(shí)，阻抗電壓低的變壓器將承擔(dān)較大比例的負(fù)載。三相異步電機(jī)結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)由沖片疊成的圓柱形鐵心，內(nèi)部開有均勻分布的槽，放置三相繞組。繞組首尾相接形成星形或三角形，連接至三相交流電源。定子繞組的極對(duì)數(shù)決定了電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。鼠籠式轉(zhuǎn)子由鐵心和導(dǎo)條組成，導(dǎo)條鑲嵌在轉(zhuǎn)子槽中，兩端由短路環(huán)連接。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，起動(dòng)電流大。廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、水泵驅(qū)動(dòng)。繞線式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子上有與定子類似的三相繞組，繞組引出端通過滑環(huán)和電刷與外部電路連接?？赏ㄟ^外接電阻調(diào)節(jié)起動(dòng)性能，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)電流小，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本高。三相異步電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生當(dāng)三相繞組通入三相交流電時(shí)，各相電流在空間上相差120°，在時(shí)間上相差120°電角度，產(chǎn)生幅值恒定、空間位置勻速旋轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速為n?=60f/p，其中f為電源頻率，p為極對(duì)數(shù)。轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于靜止或低速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子切割導(dǎo)體，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流的頻率與轉(zhuǎn)子滑差成正比，滑差s=(n?-n)/n?，其中n為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，s=1；當(dāng)轉(zhuǎn)子以同步速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，s=0。電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩方向總是使轉(zhuǎn)子趨向于跟隨旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的存在，轉(zhuǎn)子永遠(yuǎn)不能達(dá)到同步速度，二者之間的差速正是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流產(chǎn)生的前提。三相異步電機(jī)的等效電路定子側(cè)等效電路包括定子繞組電阻R?、漏抗X?和勵(lì)磁支路。定子電阻反映銅損，漏抗表示不參與能量轉(zhuǎn)換的漏磁通影響。勵(lì)磁支路并聯(lián)在定子電阻和漏抗之后，由激磁電抗Xm和鐵損電阻Rc組成。定子側(cè)參數(shù)可通過空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)測(cè)定。空載試驗(yàn)主要測(cè)定勵(lì)磁支路參數(shù)，堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)則可測(cè)定定子和轉(zhuǎn)子的阻抗參數(shù)。轉(zhuǎn)子側(cè)等效電路包括轉(zhuǎn)子繞組電阻R?/s和漏抗X?。其中R?為轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際電阻，除以滑差s表示在不同滑差下的等效電阻。漏抗X?反映轉(zhuǎn)子漏磁通的影響。轉(zhuǎn)子側(cè)的能量轉(zhuǎn)換可分解為兩部分：R?上消耗的功率代表轉(zhuǎn)子銅損，R?(1-s)/s上消耗的功率代表機(jī)械輸出功率。這一點(diǎn)對(duì)理解電機(jī)的功率平衡至關(guān)重要。三相異步電機(jī)的運(yùn)行特性0.85額定效率現(xiàn)代異步電機(jī)在額定負(fù)載下的典型效率0.8功率因數(shù)反映電機(jī)功率利用率的重要指標(biāo)3.0起動(dòng)電流比直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流與額定電流之比2.5最大轉(zhuǎn)矩比最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩之比，反映過載能力異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線反映了電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。起動(dòng)階段，轉(zhuǎn)矩從起動(dòng)轉(zhuǎn)矩開始，隨轉(zhuǎn)速增加而增大，達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)后開始下降，最終在額定運(yùn)行點(diǎn)附近穩(wěn)定。最大轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)在臨界滑差處，通常為額定轉(zhuǎn)矩的2-2.5倍，這決定了電機(jī)的過載能力。電機(jī)效率和功率因數(shù)是評(píng)價(jià)性能的重要指標(biāo)。效率隨負(fù)載增加先升后降，在75%-100%額定負(fù)載時(shí)達(dá)到最高。功率因數(shù)在輕載時(shí)較低，隨負(fù)載增加而提高，這是因?yàn)闊o功電流占比減小。在重載運(yùn)行時(shí)，需注意銅損增加導(dǎo)致的溫升問題。三相異步電機(jī)的調(diào)速變頻調(diào)速最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的調(diào)速方式變極調(diào)速適用于需要固定調(diào)速點(diǎn)的場(chǎng)合變壓調(diào)速結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但效率低，調(diào)速范圍小變頻調(diào)速是當(dāng)前最理想的調(diào)速方式，通過改變電源頻率f改變同步轉(zhuǎn)速n?=60f/p，同時(shí)按照U/f≈常數(shù)的原則調(diào)整電壓，保持氣隙磁通密度恒定?，F(xiàn)代變頻器可實(shí)現(xiàn)寬范圍平滑調(diào)速，具有高效率、高精度、快響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制是變頻調(diào)速的兩種先進(jìn)控制策略。矢量控制通過分離轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流的控制，實(shí)現(xiàn)類似直流電機(jī)的性能；直接轉(zhuǎn)矩控制則直接控制磁鏈和轉(zhuǎn)矩，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)。這兩種方法極大地提高了交流電機(jī)在高性能場(chǎng)合的應(yīng)用能力。三相異步電機(jī)的起動(dòng)直接起動(dòng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，直接接入電網(wǎng)起動(dòng)電流大（5-7倍額定值）對(duì)電網(wǎng)沖擊大，僅適用于小功率電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，約為額定轉(zhuǎn)矩的0.5-1.5倍降壓起動(dòng)包括自耦變壓器起動(dòng)和星三角起動(dòng)可降低起動(dòng)電流至直接起動(dòng)的30-80%起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同比降低，約為直接起動(dòng)的平方比適用于中等功率電機(jī)和輕載起動(dòng)場(chǎng)合軟起動(dòng)器采用晶閘管電壓調(diào)節(jié)技術(shù)可平滑調(diào)節(jié)起動(dòng)電壓，實(shí)現(xiàn)柔性起動(dòng)減少機(jī)械沖擊，延長電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命適用于各種功率電機(jī)，特別是風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載三相異步電機(jī)的制動(dòng)能耗制動(dòng)電機(jī)斷電后，在定子繞組中接入直流電源，產(chǎn)生固定磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子在這個(gè)磁場(chǎng)中感應(yīng)電流，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)矩，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能消耗在轉(zhuǎn)子電阻中。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但熱損耗大，適用于短時(shí)間、高頻率制動(dòng)場(chǎng)合。反接制動(dòng)通過交換電機(jī)任意兩相電源接線，使定子磁場(chǎng)反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生強(qiáng)大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)效果最佳，但電流沖擊大，機(jī)械應(yīng)力大，能耗高，主要用于緊急停車和精確定位場(chǎng)合。回饋制動(dòng)當(dāng)負(fù)載具有勢(shì)能（如下坡）或動(dòng)能（如重型飛輪）時(shí)，電機(jī)可工作在發(fā)電狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換回電能送回電網(wǎng)。能量利用效率高，但要求電網(wǎng)能接受回饋能量，通常需配合變頻器實(shí)現(xiàn)。單相異步電機(jī)單相異步電機(jī)的特點(diǎn)是僅有一個(gè)主繞組，單相交流電流不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，只能產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng)，可分解為兩個(gè)大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于這一特性，單相電機(jī)無法自行起動(dòng)，需要采用輔助繞組或其他方式產(chǎn)生起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)起動(dòng)方式的不同，單相異步電機(jī)可分為電容起動(dòng)型、電容運(yùn)行型、電容起動(dòng)運(yùn)行型和罩極式等類型。電容分相起動(dòng)是最常見的方式，通過在輔助繞組中串聯(lián)電容，使主、輔繞組電流相位差接近90°，產(chǎn)生近似于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的效果。電容型單相電機(jī)廣泛應(yīng)用于家用電器、小型機(jī)床和農(nóng)業(yè)機(jī)械等場(chǎng)合。同步電機(jī)結(jié)構(gòu)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類同步電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可分為隱極式和凸極式兩種。隱極式轉(zhuǎn)子表面光滑，極性由直埋式勵(lì)磁繞組確定，適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合；凸極式轉(zhuǎn)子有明顯的凸極結(jié)構(gòu)，勵(lì)磁繞組纏繞在突出的磁極上，適用于低速大功率場(chǎng)合。定子結(jié)構(gòu)定子結(jié)構(gòu)與三相異步電機(jī)類似，由硅鋼片疊成的鐵心和三相分布繞組組成。繞組通入三相交流電后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速與頻率和極對(duì)數(shù)有確定關(guān)系：n=60f/p，即同步轉(zhuǎn)速。勵(lì)磁系統(tǒng)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子需要直流勵(lì)磁產(chǎn)生磁極。傳統(tǒng)方式通過滑環(huán)和電刷將外部直流電源連接到轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組；無刷勵(lì)磁則利用裝在同軸的勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器，消除了滑環(huán)和電刷，提高了可靠性。同步電機(jī)原理旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生定子三相繞組通入三相交流電，產(chǎn)生勻速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)速為n?=60f/p轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)形成轉(zhuǎn)子繞組通入直流電，產(chǎn)生固定的磁極，N極和S極交替排列磁場(chǎng)相互作用轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互吸引，形成電磁轉(zhuǎn)矩同步旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子磁極鎖定在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中，以同步速度旋轉(zhuǎn)同步電機(jī)的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子始終以同步速度旋轉(zhuǎn)，不存在異步電機(jī)的"滑差"現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在一個(gè)電角度差，稱為功角δ。功角大小決定了電磁轉(zhuǎn)矩的大小，是同步電機(jī)運(yùn)行分析的核心參數(shù)。同步電機(jī)的等效電路電樞繞組等效電路同步電機(jī)的等效電路包括電樞電阻R?、同步電抗X?、以及反映轉(zhuǎn)子勵(lì)磁效應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E?。與三相異步電機(jī)相比，最大區(qū)別在于沒有反映轉(zhuǎn)差功率的元件，因?yàn)橥诫姍C(jī)不存在滑差。等效電路基于相量分析，適用于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行計(jì)算。通常采用標(biāo)幺值系統(tǒng)，便于不同容量電機(jī)的分析與比較?；痉匠虨閁=E?+jX?I+R?I，其中R?通常很小，可以忽略。諧波與氣隙磁場(chǎng)實(shí)際同步電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)分布并非理想正弦波，含有諧波成分。諧波磁場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、附加損耗和噪聲振動(dòng)增加。設(shè)計(jì)時(shí)通過分布繞組、斜槽和合理選擇槽數(shù)/極數(shù)比來抑制諧波影響。凸極式同步電機(jī)的氣隙不均勻，導(dǎo)致直軸和交軸電抗不同（X?d>X?q）。這種電抗差異產(chǎn)生額外的凸極轉(zhuǎn)矩，使得凸極同步電機(jī)在相同勵(lì)磁條件下可以獲得更大的有功功率輸出。同步電機(jī)的運(yùn)行特性勵(lì)磁電流If(A)電樞電流Ia(A)同步電機(jī)的重要運(yùn)行特性包括U形曲線和功角特性。U形曲線表示在恒定有功負(fù)載下，電樞電流隨勵(lì)磁電流變化的關(guān)系。當(dāng)勵(lì)磁不足時(shí)，電機(jī)吸收無功功率，功率因數(shù)滯后；當(dāng)勵(lì)磁過強(qiáng)時(shí)，電機(jī)發(fā)出無功功率，功率因數(shù)超前；存在一個(gè)最佳勵(lì)磁點(diǎn)，使電樞電流最小，功率因數(shù)為1。功角特性描述電磁功率與功角的關(guān)系。對(duì)于圓柱轉(zhuǎn)子機(jī)，P=3EUI/X?sinδ；對(duì)于凸極轉(zhuǎn)子機(jī)，還有額外的凸極轉(zhuǎn)矩項(xiàng)。功角δ增大時(shí)，電磁功率先增加后減小，達(dá)到最大值時(shí)的功角稱為極限功角，通常為60°-70°。超過極限功角會(huì)導(dǎo)致電機(jī)失步，這決定了電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行邊界。同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行并網(wǎng)條件檢查確認(rèn)電壓幅值相等、頻率相同、相位一致、相序相同同步并網(wǎng)操作調(diào)整勵(lì)磁電流和原動(dòng)機(jī)功率，當(dāng)同步指示器指示合適時(shí)閉合斷路器有功功率調(diào)節(jié)通過增加原動(dòng)機(jī)輸入功率增大功角δ，提高發(fā)電機(jī)輸出的有功功率無功功率調(diào)節(jié)通過調(diào)整勵(lì)磁電流改變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E?大小，控制發(fā)電機(jī)吸收或發(fā)出的無功功率同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)異步起動(dòng)準(zhǔn)備利用轉(zhuǎn)子阻尼繞組或起動(dòng)繞組實(shí)現(xiàn)異步起動(dòng)加速過程電動(dòng)機(jī)以異步電動(dòng)機(jī)方式加速到接近同步速度施加勵(lì)磁在適當(dāng)時(shí)刻向轉(zhuǎn)子通入直流勵(lì)磁電流拉入同步同步作用使轉(zhuǎn)子鎖定在同步速度上穩(wěn)定運(yùn)行現(xiàn)代同步電動(dòng)機(jī)常采用變頻軟起動(dòng)方式。先設(shè)定變頻器輸出極低頻率，使同步電動(dòng)機(jī)能夠直接起動(dòng)，然后逐漸提高頻率，電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在同步狀態(tài)。這種方式避免了異步起動(dòng)的沖擊電流和振蕩，特別適合大型同步電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)定子系統(tǒng)由機(jī)座、主磁極和換向極組成。主磁極產(chǎn)生主磁場(chǎng)，通常有2-12個(gè)極；換向極位于主磁極之間，用于改善換向過程，減少電刷火花。1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由鐵心、電樞繞組、換向器和軸組成。電樞繞組嵌入轉(zhuǎn)子槽中，各線圈通過換向器連接成閉合回路，形成復(fù)雜的電路網(wǎng)絡(luò)。電刷換向系統(tǒng)由換向器和電刷組成。換向器是固定在轉(zhuǎn)子軸上的分裂銅環(huán)，各環(huán)片與電樞繞組相連；電刷固定在機(jī)座上，與換向器滑動(dòng)接觸，引入外部電源。勵(lì)磁繞組系統(tǒng)包括串勵(lì)繞組和并勵(lì)繞組。串勵(lì)繞組與電樞串聯(lián)，線徑粗匝數(shù)少；并勵(lì)繞組與電樞并聯(lián)，線徑細(xì)匝數(shù)多。不同連接方式形成不同類型的直流電機(jī)。直流電機(jī)原理定子磁場(chǎng)建立勵(lì)磁繞組通入直流電流，產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)。磁力線從N極出發(fā)，穿過氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵心，再回到S極，形成閉合磁路。磁場(chǎng)強(qiáng)度與勵(lì)磁電流成正比，但考慮鐵心飽和效應(yīng)，二者并非嚴(yán)格線性關(guān)系。電樞反應(yīng)電樞繞組通電后產(chǎn)生自己的磁場(chǎng)，與主磁場(chǎng)疊加形成合成磁場(chǎng)。這種影響稱為電樞反應(yīng)，導(dǎo)致中性面偏移、主磁場(chǎng)畸變，惡化換向過程。通過設(shè)置換向極和補(bǔ)償繞組可以減弱電樞反應(yīng)的不良影響。電磁轉(zhuǎn)矩與反電動(dòng)勢(shì)電樞導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T=KΦIa，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，導(dǎo)體切割磁力線感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)E=KΦn，其方向與外加電壓相反。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電樞電壓平衡方程為U=E+IaRa，即外加電壓等于反電動(dòng)勢(shì)與電壓降之和。直流電機(jī)的類型他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組由獨(dú)立直流電源供電，勵(lì)磁電流與電樞電流相互獨(dú)立。特點(diǎn)是調(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)性能好，但需要兩個(gè)電源，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。主要應(yīng)用于需要精確調(diào)速的場(chǎng)合，如軋鋼機(jī)、電動(dòng)機(jī)車、精密機(jī)床等。并勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)，共用一個(gè)電源。特點(diǎn)是速度隨負(fù)載變化較小，調(diào)速性能好，但調(diào)速范圍小于他勵(lì)電機(jī)。廣泛應(yīng)用于要求恒速運(yùn)行的場(chǎng)合，如風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載和中小型機(jī)床等。串勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)，勵(lì)磁電流等于電樞電流。特點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，但速度隨負(fù)載變化顯著。主要用于需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合，如電動(dòng)車輛、起重機(jī)、電動(dòng)工具等。注意不能空載運(yùn)行，以防超速損壞。直流電機(jī)的等效電路電樞回路等效電路電樞回路包括電樞電阻Ra、電刷接觸電阻Rb、換向極繞組電阻Rc以及補(bǔ)償繞組電阻Rk（如果有）。這些電阻被簡(jiǎn)化為總電阻Ra'。電樞回路還包括反映旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)E，其大小與磁通量Φ和轉(zhuǎn)速n成正比：E=KΦn。電樞回路的電壓方程為U=E+Ia·Ra'，其中U為外加電壓，Ia為電樞電流。由此可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等運(yùn)行參數(shù)，這是直流電機(jī)分析的基礎(chǔ)方程。勵(lì)磁回路等效電路不同類型直流電機(jī)的勵(lì)磁回路等效電路各不相同。他勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁回路與電樞電路完全獨(dú)立；并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁回路與電樞回路并聯(lián)，通過分壓器計(jì)算；串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁回路與電樞回路串聯(lián)，共用同一電流。復(fù)勵(lì)電機(jī)兼有串勵(lì)和并勵(lì)繞組，等效電路更為復(fù)雜，需要綜合考慮兩種繞組的磁場(chǎng)疊加效應(yīng)。正復(fù)勵(lì)時(shí)兩種磁場(chǎng)方向相同，增強(qiáng)總磁場(chǎng)；反復(fù)勵(lì)時(shí)方向相反，減弱總磁場(chǎng)，具有特殊的運(yùn)行特性。直流電機(jī)的運(yùn)行特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩T(N·m)并勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速n(r/min)直流電機(jī)的運(yùn)行特性主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性和機(jī)械特性。并勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨負(fù)載增加略有下降，屬于"硬"特性；串勵(lì)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載急劇下降，屬于"軟"特性；復(fù)勵(lì)電機(jī)的特性介于二者之間，可通過調(diào)整串并勵(lì)繞組的相對(duì)強(qiáng)度獲得理想特性。直流電機(jī)的調(diào)速現(xiàn)代數(shù)字控制采用微處理器控制的智能調(diào)速系統(tǒng)2調(diào)節(jié)電樞電壓改變電樞電壓U，調(diào)速范圍廣，效率高3調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流改變勵(lì)磁電流If，減弱磁場(chǎng)提高轉(zhuǎn)速電樞回路串電阻增加電樞串聯(lián)電阻，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但效率低調(diào)節(jié)電樞電壓是最理想的調(diào)速方式，可在額定轉(zhuǎn)速以下獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?，F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)通常采用晶閘管或IGBT等功率器件構(gòu)成的可控整流或斬波電路，實(shí)現(xiàn)電樞電壓的精確控制。這種方式調(diào)速范圍廣、平滑、效率高，是直流調(diào)速的首選方案。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速區(qū)域。隨著勵(lì)磁減弱，轉(zhuǎn)速提高，但最大轉(zhuǎn)矩下降，調(diào)速范圍受電樞反應(yīng)和換向能力限制。兩種方法結(jié)合使用，可獲得1:100甚至更大的調(diào)速范圍，滿足各種復(fù)雜工況需求。直流電機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)電流分析直流電機(jī)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，反電動(dòng)勢(shì)E=KΦn=0，電樞電流Ia=(U-E)/Ra=U/Ra。由于電樞電阻Ra很小，若直接接入額定電壓，起動(dòng)電流將達(dá)到額定值的10-20倍，造成電刷火花、換向器損傷，并對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。限流電阻起動(dòng)在電樞回路中串入起動(dòng)電阻，隨著轉(zhuǎn)速提高逐段切除。起動(dòng)電阻的段數(shù)決定了起動(dòng)過程的平滑程度，通常為3-5段。每段切除時(shí)電流有一次沖擊，但遠(yuǎn)小于直接起動(dòng)。這是最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的起動(dòng)方式，適用于中小型電機(jī)。3降壓起動(dòng)通過可控整流器或其他電力電子裝置，在起動(dòng)時(shí)施加較低的電樞電壓，隨著轉(zhuǎn)速提高逐漸增大電壓。這種方式起動(dòng)平滑，電流沖擊小，但設(shè)備成本較高，主要用于大型直流電機(jī)或要求頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合。電機(jī)保護(hù)無論采用何種起動(dòng)方式，都應(yīng)配備完善的保護(hù)裝置，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、失磁保護(hù)和速度保護(hù)等。特別是對(duì)串勵(lì)電機(jī)，必須防止空載運(yùn)行導(dǎo)致的超速損壞，通常通過限速裝置或負(fù)載聯(lián)鎖實(shí)現(xiàn)。直流電機(jī)的制動(dòng)能耗制動(dòng)切斷電源后，將電樞繞組短接或接入制動(dòng)電阻。電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電阻上的熱能。制動(dòng)強(qiáng)度取決于電阻大小和殘余磁場(chǎng)強(qiáng)度，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速下降而減小。這是最簡(jiǎn)單的制動(dòng)方式，但能量轉(zhuǎn)化為熱能浪費(fèi)。反接制動(dòng)不改變勵(lì)磁連接，改變電樞電流方向，使電磁轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。這種制動(dòng)方式效果強(qiáng)烈，可以在很短時(shí)間內(nèi)使電機(jī)停止，但電流沖擊大，對(duì)電機(jī)和電源沖擊嚴(yán)重，通常需要限流措施配合?；仞佒苿?dòng)利用電力電子裝置將電機(jī)發(fā)電狀態(tài)下產(chǎn)生的能量回送到電網(wǎng)或儲(chǔ)能系統(tǒng)。這種方式能量利用效率高，特別適合頻繁起停的場(chǎng)合，如電動(dòng)車輛、起重機(jī)等?，F(xiàn)代直流傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用四象限變換器，可實(shí)現(xiàn)無縫切換的電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行。特種電機(jī)步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频膱?zhí)行機(jī)構(gòu)，每接收一個(gè)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)固定的角度（步距角）。其特點(diǎn)是定位精確、響應(yīng)快速、控制簡(jiǎn)單，但功率較小，高速性能有限。伺服電機(jī)伺服電機(jī)是閉環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、高精度控制特性。現(xiàn)代伺服電機(jī)通常配備高精度編碼器或解析器，形成完整的控制回路，在工業(yè)自動(dòng)化、機(jī)器人和CNC機(jī)床領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。直線電機(jī)直線電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)展開為直線運(yùn)動(dòng)，省去了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)。其特點(diǎn)是響應(yīng)快速、精度高、摩擦小、無傳動(dòng)間隙，但成本高、散熱難。在高速列車、精密工作臺(tái)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)的基本類型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子為軟磁材料，無永磁體或繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步距角小，精度高，但轉(zhuǎn)矩小。永磁式步進(jìn)電機(jī)：轉(zhuǎn)子為永磁體，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩較大，但步距角較大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)：結(jié)合上述兩種優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)子既有永磁體又有齒狀結(jié)構(gòu)，性能最佳，應(yīng)用最廣。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式全步進(jìn)：每次通電使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)完整步距角。半步進(jìn)：通過改變通電順序，使轉(zhuǎn)子每次轉(zhuǎn)過半個(gè)步距角，提高分辨率。微步進(jìn)：通過精確控制各相繞組電流大小，將一個(gè)基本步距分割成多個(gè)微小步距，大幅提高精度，減少低速振動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)開環(huán)控制：僅通過控制脈沖數(shù)量和頻率控制位置和速度，無反饋裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但可能出現(xiàn)丟步現(xiàn)象。閉環(huán)控制：增加位置或速度傳感器，構(gòu)成反饋回路，檢測(cè)并補(bǔ)償丟步情況，提高可靠性，接近伺服系統(tǒng)性能。伺服電機(jī)指令信號(hào)生成控制器生成位置、速度或轉(zhuǎn)矩指令誤差檢測(cè)計(jì)算將指令值與實(shí)際反饋值比較，計(jì)算誤差伺服電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器根據(jù)誤差調(diào)整電機(jī)輸出特性狀態(tài)反饋編碼器或解析器檢測(cè)實(shí)際位置和速度伺服電機(jī)系統(tǒng)根據(jù)控制對(duì)象可分為位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制三種模式。位置控制用于精確定位場(chǎng)合，如機(jī)床、機(jī)器人；速度控制用于需要精確轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合，如卷繞機(jī)、印刷機(jī)；轉(zhuǎn)矩控制則用于需要精確控制力或張力的場(chǎng)合，如張力控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代伺服系統(tǒng)多采用交流永磁同步電機(jī)作為執(zhí)行元件，配合高性能矢量控制驅(qū)動(dòng)器和高分辨率編碼器，可實(shí)現(xiàn)極高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和控制精度。數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用使伺服系統(tǒng)具備了參數(shù)自整定、諧振抑制和前饋控制等先進(jìn)功能，大幅提升了系統(tǒng)性能。直線電機(jī)直線電機(jī)的基本類型長定子直線電機(jī)：初級(jí)（定子）較長，次級(jí)（動(dòng)子）較短，通常初級(jí)固定，次級(jí)移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)適用于高速長距離運(yùn)動(dòng)，如磁懸浮列車，但初級(jí)成本高，控制復(fù)雜。短定子直線電機(jī)：初級(jí)較短，次級(jí)較長，通常初級(jí)移動(dòng)，次級(jí)固定。這種結(jié)構(gòu)適用于中低速、中短距離場(chǎng)合，如精密工作臺(tái)、自動(dòng)化設(shè)備等，初級(jí)隨動(dòng)部分移動(dòng)，需考慮供電和散熱問題。直線電機(jī)的工作原理直線電機(jī)本質(zhì)上是將旋轉(zhuǎn)電機(jī)"剖開展平"形成的特殊結(jié)構(gòu)。其工作原理與對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相同，只是產(chǎn)生直線推力而非旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。常見的有直線異步電機(jī)、直線同步電機(jī)和直線開關(guān)磁阻電機(jī)等。直線同步電機(jī)是應(yīng)用最廣泛的類型，尤其是永磁直線同步電機(jī)，具有效率高、精度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。磁懸浮列車使用的長定子直線同步電機(jī)是典型應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高速、低噪聲的軌道交通。電機(jī)的損耗鐵耗包括磁滯損耗和渦流損耗，與鐵心材料、磁通密度和頻率有關(guān)。磁滯損耗正比于頻率和磁通密度的n次方（n=1.6-2.0），渦流損耗正比于頻率平方和磁通密度平方。銅耗電流通過繞組電阻產(chǎn)生的焦耳熱，與電流平方和電阻成正比。包括定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗（對(duì)于感應(yīng)電機(jī)），是電機(jī)的主要損耗，尤其在重載運(yùn)行時(shí)。機(jī)械損耗包括軸承摩擦損耗和風(fēng)扇風(fēng)阻損耗，與轉(zhuǎn)速有關(guān)。軸承損耗近似與轉(zhuǎn)速成正比，風(fēng)阻損耗近似與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。雜散損耗包括表面損耗、脈動(dòng)損耗和漏磁引起的損耗等，難以精確計(jì)算，通常按照輸出功率的0.5%-1.5%估算。在高效電機(jī)設(shè)計(jì)中，雜散損耗的控制變得越來越重要。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻溫升計(jì)算損耗產(chǎn)生熱量：P損=P鐵+P銅+P機(jī)+P雜溫升與損耗成正比：ΔT∝P損溫升與冷卻面積成反比：ΔT∝1/S溫升與冷卻系數(shù)成反比：ΔT∝1/α自然冷卻方式全封閉型：依靠機(jī)殼散熱，冷卻能力弱開啟型：依靠自然對(duì)流，中等冷卻能力帶冷卻肋：增加散熱面積，改善冷卻效果適用于小型電機(jī)和低負(fù)載場(chǎng)合強(qiáng)制冷卻方式風(fēng)冷：利用風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)，冷卻效果好水冷：利用冷卻水循環(huán)，冷卻效果優(yōu)異油冷：用于特殊場(chǎng)合，如變壓器浸油冷卻適用于大型電機(jī)和高負(fù)載場(chǎng)合電機(jī)的絕緣絕緣等級(jí)最高允許溫度典型絕緣材料主要應(yīng)用場(chǎng)合A級(jí)105°C棉紙、絲綢、漆布低壓小型電機(jī)E級(jí)120°C聚酯薄膜、醇酸漆家用電器電機(jī)B級(jí)130°C云母、玻璃纖維通用工業(yè)電機(jī)F級(jí)155°C改性聚酯、環(huán)氧樹脂高性能工業(yè)電機(jī)H級(jí)180°C硅樹脂、氟塑料特種高溫電機(jī)電機(jī)絕緣老化是影響電機(jī)壽命的主要因素。熱老化是最主要的老化形式，絕緣材料每升高8-10°C，壽命約減半（阿倫尼烏斯定律）。此外，電老化、機(jī)械應(yīng)力、環(huán)境污染和濕度也會(huì)加速絕緣老化。絕緣試驗(yàn)包括耐壓試驗(yàn)、絕緣電阻測(cè)量和介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量等。耐壓試驗(yàn)檢驗(yàn)絕緣承受高電壓的能力；絕緣電阻測(cè)量反映絕緣的吸濕和污染程度；介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量能發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。定期進(jìn)行這些試驗(yàn)可評(píng)估絕緣狀況，預(yù)防故障。電機(jī)的選擇功率選擇根據(jù)負(fù)載機(jī)械特性和工作制確定電機(jī)功率。需考慮負(fù)載轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)條件、工作時(shí)間和環(huán)境溫度等因素。通常電機(jī)額定功率應(yīng)略大于負(fù)載要求，留有10-20%的裕度，但過大會(huì)導(dǎo)致投資浪費(fèi)和運(yùn)行效率降低。轉(zhuǎn)速選擇轉(zhuǎn)速選擇應(yīng)與負(fù)載工作轉(zhuǎn)速匹配。若差異大，需使用減速器或變速裝置，增加成本和能耗。國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的異步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速有3000、1500、1000、750r/min等（50Hz電源下），應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)系列電機(jī)。電機(jī)類型選擇考慮調(diào)速范圍、控制精度、起動(dòng)性能和環(huán)境條件等因素。異步電機(jī)適合恒速或簡(jiǎn)單調(diào)速場(chǎng)合；直流電機(jī)適合寬范圍調(diào)速場(chǎng)合；同步電機(jī)適合精確控制轉(zhuǎn)速或改善功率因數(shù)場(chǎng)合；特種電機(jī)則用于特殊工況。經(jīng)濟(jì)性分析綜合考慮初投資和運(yùn)行成本。高效電機(jī)初投資高，但運(yùn)行成本低；普通電機(jī)初投資低，但能耗大。應(yīng)計(jì)算生命周期成本，在電價(jià)高或運(yùn)行時(shí)間長的場(chǎng)合，高效電機(jī)更經(jīng)濟(jì)。電機(jī)使用壽命通常為10-20年，期間的能源成本遠(yuǎn)高于設(shè)備成本。電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)日常維護(hù)包括定期檢查軸承溫度、振動(dòng)、噪聲，清理通風(fēng)道灰塵，檢查電氣連接緊固情況等定期測(cè)試測(cè)量絕緣電阻、軸承間隙、氣隙均勻度，檢查換向器或滑環(huán)表面狀況等故障診斷利用振動(dòng)分析、溫度監(jiān)測(cè)、電流譜分析等技術(shù)手段發(fā)現(xiàn)潛在故障維修與大修按計(jì)劃進(jìn)行軸承更換、繞組清洗和浸漆、換向器修整等大修工作電機(jī)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)無反饋裝置，僅根據(jù)輸入指令控制電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但精度和魯棒性差。典型應(yīng)用包括普通電風(fēng)扇、洗衣機(jī)等家用電器中的簡(jiǎn)單控制。閉環(huán)控制系統(tǒng)配備傳感器檢測(cè)實(shí)際輸出，與指令比較后調(diào)整控制量，提高精度和適應(yīng)性?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等高性能電機(jī)系統(tǒng)都采用閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高精度位置、速度或力控制。先進(jìn)控制算法PID控制是經(jīng)典控制方法，簡(jiǎn)單實(shí)用；模糊控制適合處理不確定性；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可通過學(xué)習(xí)改善性能；自適應(yīng)控制則能適應(yīng)參數(shù)變化?，F(xiàn)代控制系統(tǒng)常綜合多種算法優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)最佳控制效果。電機(jī)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用發(fā)電機(jī)在發(fā)電廠中的應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的核心設(shè)備，將原動(dòng)機(jī)（汽輪機(jī)、水輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等）的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。大型發(fā)電機(jī)組容量可達(dá)上千MW，效率超過98%，是人類創(chuàng)造的最高效能量轉(zhuǎn)換裝置之一?，F(xiàn)代發(fā)電機(jī)組配備完善的勵(lì)磁系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓和無功功率；冷卻系統(tǒng)（水冷、氫冷或空冷）保證發(fā)電機(jī)在高功率密度下安全運(yùn)行；保護(hù)系統(tǒng)則防止故障造成的損壞。電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中最主要的負(fù)載類型，約占工業(yè)用電的60-70%。大量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的電壓和頻率穩(wěn)定性有重要影響。為減少這種影響，大型電動(dòng)機(jī)通常采用軟起動(dòng)或變頻起動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)可以提供系統(tǒng)慣性支撐，在系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)發(fā)揮"飛輪效應(yīng)"；配備適當(dāng)控制裝置的電動(dòng)機(jī)還可提供無功功率補(bǔ)償，改善電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性?，F(xiàn)代智能電網(wǎng)中，可控負(fù)載（包括電動(dòng)機(jī)）也是需求側(cè)響應(yīng)的重要組成部分。電機(jī)在交通運(yùn)輸中的應(yīng)用電動(dòng)汽車的核心部件是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主要使用永磁同步電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)。永磁同步電機(jī)效率高、功率密度大，但成本較高；感應(yīng)電機(jī)成本低、可靠性高，但效率和功率密度略低。現(xiàn)代電動(dòng)汽車電機(jī)系統(tǒng)的綜合效率可達(dá)90%以上，遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機(jī)的30-40%。在軌道交通領(lǐng)域，牽引電機(jī)是核心驅(qū)動(dòng)裝置。高速列車采用異步牽引電機(jī)或永磁同步電機(jī)，功率可達(dá)數(shù)百千瓦至數(shù)兆瓦。直線電機(jī)在磁懸浮列車中發(fā)揮關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)無接觸驅(qū)動(dòng)。電氣化鐵路系統(tǒng)中，機(jī)車通過受電弓從接觸網(wǎng)獲取電能，驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)產(chǎn)生牽引力，是能源高效利用的典范