电机基础及工艺.ppt

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1、,电 机基 础 及 工 艺,部门 结构技术研究部 周洋日期 2011-10-21,目录,电机的基本概述电机发展简史电机的分类电机选型电动机的工作原理电动机的基本结构电机工艺电机转子工艺电机定子工艺电机装配工艺电机检验,3,电机：也称电动机（俗称马达），是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。,随着大功率电力电子元件、微电子技术、变流技术、计算机控制技术的发展，研究和开发了很多性能优良、高效率、满足不同要求的电动机控制系统。,电机发展简史,直流电机：1821年，法拉第（Faraday）发现电磁力定律 1831年，法拉第（F

2、araday）发现电磁感应定律 1833年，皮克西（Pixii）利用永磁铁和线圈间相对运动，加上一个换向装置，制成一台旋转磁极式直流发电机(现代直流发电机的雏形)1885年，电机的可逆原理，励磁，电枢绕组，铁芯，换向交流电机：1825年，阿拉戈（Arago）利用金属圆环的旋转，使悬挂在其中的磁针得到一定的偏转多相感应电动机的原始基础 1885年，费拉里斯（Ferraris）制成第一台两相感应电动机交流电机控制：1971年，Blaschke和Hasse提出矢量变换控制 电机的发展已有200年得历史，80年代以后，得益于永磁材料、电力电子和自动控制技术的发展，使永磁无刷电机和开关磁阻电机等新型电机

3、得到较快发展。,电机基本概述,4,我国电机工业发展概况,解放前我国地电机工业极端落后，全国只有少数几个城市有电机制造厂。这些厂规模小，设备差，生产能力低下，产品规格混乱，材料多依赖进口。建国以后，我国电机制造工业得到快速发展。经过50多年的努力，在大型交直流电机方面，已研制成功2*5000KW的直流电动机，4700KW的直流发电机和42MW的同步电动机。在大型发电设备方面，已研制出300MW和600MW水氢氢冷汽轮发电机，300MW双水内冷和全氢冷汽轮发电机，650MW核电机组，还相继研制出125、250、300、400、550MW的水轮发电机。变压器的最大容量已做到400MVA，电压最高为5

4、00KV。（2001年）,在中、小型核微型电机方面，已开发和制成125个系列，900多个品种，几千个规格的各种电机。在特殊电机方面，由于新的永磁材料的出现，制成了许多高效节能、维护简单的永磁电机。由于电机和电力电子装置、微型计算机相结合，出现了各种性能和形态各异的“一体化电机”。,5,电 机：机械能与电能相互转换的一种器械按能源转换方式分：电动机：电能转换成机械能发电机：把机械能转换电能按电源分：直流电机：电流大小恒定交流电机：电流按一定频率(50Hz/60Hz)交变按功率大小分：大型电机：中小型电机：微电机：中心高小于90mm或1500r/min时的折算功率小于1.1KW.按应用领域分：驱动

5、电机控制电机,电机的分类,6,异步电机 特点1）三相交流异步电动机 优点：结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。（同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一）不足：它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理。广泛地应用在工业设备上，如机床、矿山机械

6、、中央空调等 2)单相交流异步电动机 优点：有结构简单,成本低廉,维修方便等特点 不足：与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机的体积较大、运行性能较差、功率因数及过载能力都较低、效率较低，一般只制成小型和微型系列的电机（微型，几瓦750瓦；小型：550瓦3700瓦）。广泛地应用家用电器上，风扇、冰箱、油烟机、洗衣机、吸尘器、自动控制、医疗机械、小型鼓风机等。,常见电机,7,常见电机,优点：转速不随负载和电压而变化，只与频率相关。运行稳定性好，具有较强的过载能力。运行效率高，在低速时，同步电动机这一点尤为突出。能以超前功率因数运行，有利于改善电网功率因数。缺点：不连续启动 应用范围：恒速运

7、行大型机械的驱动，如球磨机、至压机、鼓风机、各类大泵、主要用于发电机，现代工农业生产所需电能几乎都是有同步发电机 发出的）,同步电机,8,常见电机,1）直流有刷电机 优点：1.优良的调速特性，调速范围宽广、调速平滑、方便。2.过载能力大，能承受频繁冲击负载，而且能设计成与负载机械 相适应的各种机械特性。3.现快速起动、制动和逆向运转。4.能适应生产过程自动化所需要的各种特殊运行要求。缺点：有机械换向火花，有电刷的机械磨损 应用范围：功率较大，用于轧钢机械、纺织机械；功率较小，用于汽车、小家电等 2）直流无刷电机 优 点：启动电流小，响应快，力矩稳定，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相

8、，容易实现智能化；免维护方便，效率很高、噪音小，长寿命，体积小。不 足：造价高 应用范围：电动车、航空航天、数控机床，机器人，计算机外围设备。,直流电机,9,串激电动机特点1）可交流、直流两用；2）转速高，一般800035000转/分；3）调速方便（调压调速），且转速与电源频率无关；4）启动转矩大，46倍额定转矩；5）机械特牲较软，过载能力强；6）体积小，用料省；7）不足：碳刷和换向器有磨损、换向火花、电磁干扰等主要用途1）电动工具（电钻、角磨、电锯、砂光机、电刨）2）园林工具（割草机、修枝剪、电链锯）3）医疗器械（牙床机）4）家用电器（吸尘器、电吹风、榨汁机、滚筒洗衣机）,常见电机,选择电动

9、机的原则是电动机性能满足生产机械要求的前提下，优先选用结构简单、价格便宜、工作可靠、维护方便的电动机。在这方面交流电动机优于直流电动机，交流异步电动机优于交流同步电动机，笼型异步电动机优于绕线式异步电动机。负载平稳，对起、制动无特殊要求的连续运行的生产机械，宜优先选用普通笼型异步电动机，普通的笼型异步电动机广泛用于机械、水泵、风机等。深槽式和双鼠笼是异步电动机用于大中功率，要求起动转距较大的生产机械、如空压机、皮带运输机等。起动、制动比较频繁，要求有较大的起动、制动转矩的生产机械，如桥式起重机、矿井提升机、空气压缩机、不可逆轧钢机等，应采用绕线式异步电动机。无调速要求，需要转速恒定或要求改善功

10、率因数的场合，应采用同步电动机，例如中、大容量的水泵，空气压缩机等。,调速范围要求在13以上，且需连续稳定平滑调速的生产机械，宜采用他励直流电动机或用变频调速的鼠笼式异步电动机，例如大型精密机床、龙门刨床、轧钢机、造纸机等。要求起动转距大，机械特性软的生产机械，使用串励或复励直流电动机，例如电车、电机车、重型起重机等。,0.电动机种类的选择,电机图纸,1、电动机的发热与冷却,（1）、电动机的发热 电动机运行过程中，各种能量损耗最终变成热能，使得电动机的各个部分温度上升，因而会超过周围环境温度。温度升高的热过渡过程，称之为电动机的发热过程，电动机温度高出环境温度的值称为温升。一旦有了温升，电动机

11、就要向周围散热。当电动机单位时间发出的热量等于散出的热量时，温度不再增加，而保持一个稳定不变的温升，称为动态热平衡。,（2）、电动机的冷却,负载运行的电动机，在温升稳定以后，如果减少或去掉负载，那么电动机内耗及单位时间发热量都会随之减少。这样，原来的热平衡状态被破坏，变为发热少于散热，电动机温度就要下降，温升降低。降温过程中，随着温升减小，单位时间散热量也减少。当重新达到平衡时，电动机不再继续降温，而稳定在一个新的温升上。这个温升下降的过程称为电动机的冷却过程。（3）、电机的冷却方式 根据电机功率的大小及现场类型选择；如空冷、水冷、空水冷等电机。,环境条件:海拔不超过 1000米。当运行地点的

12、海拔指定超过1000米或冷却介质温度随海拔升高而下降时，电机的温升限值应做修正。最高环境空气温度随季节而变化，但不超过40。当运行地点最高环境温度高于或低于40时，电机温升应做修正。最低环境空气温度为-15。但对功率小于600W（或VA）和带换向器或滑动轴承的电机最低环境温度为5。对用水作为冷却介质的电机，水和环境空气的最低温度为5。环境空气相对湿度，运行地点的最湿月月平均最高相对湿度为90%，同时该月月平均最低温度不高于25,2.电机的运行条件,电气条件：电源：交流电机应能适用于三相50Hz电源。电压和电流的波形和对称性：交流电机的电源电压为实际正弦波形，对于多相电机，还应为实际平衡系统。电

13、动机当电源电压（如为交流电源时，频率为额定）在额定值的95%-105%之间变化，输出功率应仍能维持额定值。当电压发生上述变化时，电机的性能允许与标准的规定不同，但在电压变化达上述极限而电机做连续运行时，温升限值允许超过的最大值为：额定功率为1000KW（或KVA）及以下的电机-10K；额定功率为1000KW（或KVA）及以上的电机-5K；交流电机当频率（电压为额定值）与额定值的变化不超过1%时，输出功率应仍能维持额定值。电压和频率同时发生变化（两者变化分别不超过5%和1%），若两者变化都是正值，两者之和不超过 6%；或两者变化都是负值或分别为正与负值，两者绝对值之和不超过5%时，交流电机输出功

14、率仍能维持额定值。负载条件：电动机的性能应与启动、制动、不同定额的负载以及变频或调速等负载条件相适应，使用时，注意保持负载不要超越电机规定的能力；电机从空载到满载时，转子转少有下降，基本不变，轻负载时，功率因数及效率很低。,2.电机的运行条件,3.电机的防护等级,电机常用的防护等级有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65,S1、连续工作制：在恒定负载下的运行时间足以达到热稳定。S2、短时工作制：在恒定负载下按给定的时间运行，该时间不足以达到热稳定，随之即断能停转足够时间，使电机再度冷却到与冷却介质温度之差在2K以内。S3、断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期

15、包括一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间。这种工作制中的每一周期的起动电流不致对温升产生显著影响。S4、包括起动的断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段对温升有显著影响的起动时间、一段恒定负载运行时间和一段断能停转时间。S5、包括电制动的断续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段起动时间、一段恒定负载运行时间、一段快速电制动时间和一段断能停转时间。S6、连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段恒定负载运行时间和一段空载运行时间，但无断能停转时间。S7、包括电制动的连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段起动时间、

16、一段恒定负载运行时间和一段快速电制动时间，但无断能停转时间。S8、包括变速变负载的连续周期工作制：按一系列相同的工作周期运行，每一周期包括一段在预定转速下恒定负载运行时间，和一段或几段在不同转速下的其它恒定负载的运行时间，但无断能停转时间。S9、负载和转速非周期性变化工作制：负载和转速在允许的范围内变化的非周期工作制。这种工作制包括经常过载，其值可远远超过满载。,4.电机的工作方式,电动机工作时，如果其内部温度超过绝缘材料允许的最高工作温度值时，绝缘材料的老化速度将加快。超过的温度差值越大，绝缘材料的老化速度越快,电动机使用年限就大大缩短。当电动机的温度太高时，绝缘材料将被烧坏而不能使用。根据

17、国际电工委员会规定，电工用的绝缘材料可分为：Y级、A级、E级、B级、F级、H级、C级7个等级，而各等级的最高容许温升分别为：90、105、120、130、155、180、180。而电动机中常用的有A、E、B、F、H 5个等级，我国规定40为标准环境温度，绝缘材料或电动机的温度减去40即为允许温升，用max 表示。,电机温升说明：电机某一部分的温升为该部分温度冷却介质温度之差，单位为K。电机温升包括定、转子绕组温升，定、转子铁心温升；集电环温升及轴承允许温度（滚动轴承应不超过95；滑动轴承（出油温度不高于65时）应不超过80或按双方协议）。B级电机绕组温升限制为80K；F级电机按B级考核亦为80

18、K；按F级考核则为105K，按相应标准，B级绝缘材料可长期承受的工作温度是130，F级可长期承受155，按电机实际运行最高环温40计算，则电机允许工作温度为：B级时120（环温40+温升80）130F级时145（环温40+温升105）155,5.电动机的绝缘等级,电动机的额定电压的选择，电机工作场所供电电压和电动机容量的大小。交流电动机电压等级的选择主要依使用场所供电电压等级而定。一般低电压网为380V，故额定电压为380V(Y或接法)、220/380V(/Y接法)，380/660V(/Y接法)3种；矿山及煤厂或大型化工厂等联合企业，越来越要求使用660V(接法)或660/1140V(/Y接法

19、)的电机。等电动机功率较大，供电电压为6000V或10000V时，电动机的额定电压应选与之适应的高电压。直流电动机的额定电压也要与电源电压相配合。一般为110V、220V和440V。其中220V为常用电压等级，大功率电机可提高到6001000V。当交流电源为380V，用三相桥式可控硅整流电路供电时，其直流电动机的额定电压应选440V，当用三相半波可控硅整流电源供电时，直流电动机的额定电压应为220V，若用单相整流电源，其电动机的额定电压应为160V。,6.额定电压的选择,7.额定转速的选择 额定功率相同的电动机，其额定转速越高，则电动机的体积越小，重量越轻，造价越低，但生产机械的转速一定，电动

20、机的额定转速越高，拖动系统传动机构的速比越大，传动机构越复杂。,正确选择电动机功率的原则，应在电动机能够胜任生产机械负载要求（启动、调速、制动等）的前提下，最经济最合理地决定电动机的功率。在此基础上使电动机得到充分利用。若功率选得过大，设备投资增大，造成浪费，且电动机经常欠载运行，效率及交流电动机的功率因数较低；反之，若功率选得过小，电动机将过载运行，造成电动机过早损坏。,8.电机功率的选择,额定功率选择的方法是：根据生产机械工作时负载（转矩、功率、电流）大、小变化特点，预选电动机的额定功率，再根据所选电动机额定功率校验过载能力和启动能力。电动机额定功率大小是根据电动机工作发热时其温升不超过绝

21、缘材料的允许温升来确定的，其温升变化规律是与工作特点有关的，同一台电动机在不同工作状态时的额定功率大小也是不相同的，电动机的功率,应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点：,要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算，在计算出电机轴功率的基础上，要留有一定的安全余量或比较：(1)对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功率)Pl(kw)可按下式计算所需电动机的功率P(kw)：P=P1/n1n2 式中 n1为生产机械的效率；n2为电动机的效率。即传动效率。按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此所选电动机的额定功率应等于或稍大于

22、计算所得的功率。(2)短时工作定额的电动机与功率相同的连续工作定额的电动机相比最大转矩大，重量小，价格低。因此，在条件许可时，应尽量选用短时工作定额的电动机。(3)对于断续工作定额的电动机，其功率的选择、要根据负载持续率的大小，选用专门用于断续运行方式的电动机。负载持续串Fs的计算公式为 FStg/(tg+to)100 式中 tg为工作时间，to为停止时间（min）；tg十to为工作周期时间(min)。,1）如果电动机功率选得过小就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长期过载 使其绝缘因发热而损坏甚至电动机被烧毁。2)如果电动机功率选得过大就会出现“大马拉小车”现象其输出机械功率不能得到充分利

23、用，功率因数和效率都不高(见表)，不但对用户和电网不利。而且还会造成电能浪费。,1、电动机的发热与温升，这是决定电动机功率的最主要因素；2、允许短时过载能力；3、对交流笼型异步电动机还要考虑起动能力。A、恒值负载时电动机额定功率的选择 恒值负载是指在工作时间内负载大小不变，包括连续和短时两种工作方式。电动机额定功率的选择是在假设环境温度为40及标准散热条件下，且在电动机不调速的前提下进行的。（1）连续工作方式 在连续工作方式情况一，选择电动机的额定功率PN等于或略大于负载功率PL，即 PNPL 式中，PL是根据具体生产机械的负载及效率进行计算的，可查阅相关机械设计手册。由于这个条件本身是从发热

24、温升角度考虑的，故不必再校核电动机的发热问题，只需校核过载能力，必要时还要校核起动能力。,决定电动机功率的主要因素有3个：,过载能力是指电动机负载运行时，可以在短时间内出现的电流或转矩过载的允许倍数。校核电动机过载能力可按下列条件进行 Tmax TN 式中 Tmax 电动机在工作中所承受最大转矩(Nm)；电动机允许过载倍数，对不同类型的电动机，取值不完全一样。若预选的电动机过载能力达不到，则要重选电动机及额定功率，直到满足要求为止。对三相笼型异步电动机，最后还要校核起动能力是否达到，若达不到，也应重选电动机及其额定功率。以上关于额定功率的选择是在标准环境温度为40前提下进行的。若电动机工作的环

25、境温度发生变化，则必须对电动机的额定功率进行修正。根据理论计算和实践，在周围环境温度不同时，电动机的功率可粗略地按表相应增减。,不同环境温度下的电动机功率增减百分数,由表可见，环境温度低，电动机实际功率应比标准规定的额定功率高，反之，则应降低额定功率使用。,24,若把电刷A,B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如图所示为直流电动机的简化模型。,直流电动机的模型,直流电动机的工作原理,25,直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙,称为气隙。定子部分包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置；转子部分包括电枢

26、铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等部件。,1风扇；2机座；3电枢；4主磁极；5刷架；6换向器；7接线板；8出线盒；9换向极；10端盖,直流电动机的基本结构,一、电机工艺特征（1）电机品种多 容量、电压、转速、安装方式、防护、冷却方式的等级不同；（2）零部件之间除机械联系外还有磁、电、热的相互作用；（3）工艺内容复杂 除机械外，铁心、绕组、换向器等的特有工艺特征，手工劳动比重较大。（4）材料的规格品种多、发展快，只是质量难以稳定 除一般金属结构材料外，还有导磁材料、导电材料、绝缘材料；（5）制造所需的非标准工艺装备也较多。,电机制造工艺,（1）电机零部件的机械加工部件：定子、转子 零件：机座、

27、端盖、转轴、其他（出线盒等）（2）铁心制造工艺 含冲片制造、冲片退火及绝缘处理、冲片叠压（3）绕组制造工艺 含线圈制造、绕组嵌装、绝缘处理（4）转子制造工艺 含铁心叠压、转子焊接等（5）换向器及电刷装置制造工艺,二、内容,电机制造工艺,1、电机生产类型（以机座量为计算单位）大量生产：规格稳定，产量大 批量生产：介于大量与单个生产之 单个生产：规格变化大，产量少2、特点（1）大批量生产（2）中批量生产（3）（单个式）小批量生产,三、电机制造工艺的特点,电机制造工艺,工艺的性质是产品设计（者）和生产（者）的“桥梁”。1、电机工艺文件（1）指导技术操作、检查用：工艺卡片、工艺守则、检查规程。（2）组

28、织生产用：过程卡片、产品工艺流程表。2、编制工艺文件，依据以下四点：（1）产品设计图纸的技术要求（2）零部件的批量大小（3）原材料或坯件的供应情况（4）技术装备和工作者技术情况,四、电机工艺的制造原则,电机制造工艺,1、空气隙对电机性能的影响很大；2、电机机座和端益的结构刚性较差，装夹和加工时容易产生变形，要注意！3、对于带有绝缘材料的零部件，如定转子等，加工时小心破坏绝缘材料和导电材料；4、对于导磁零件，切削应力不应过大，以免降低导磁性能和增大铁耗。,五、电机加工的特点,电机制造工艺,1）转子工艺流程图转子轴加工 冲片冲压 压铁芯 压换向器 插槽纸 绕线 点焊 塞槽楔 综合检测 滴漆 精车

29、压风叶 校平衡 综合检测2）定子工艺流程图 绝缘纸成型、入绝缘纸 放绝缘片 绕线 插铜扣 接引线 线圈整形 综合检测 浸漆3）转配工艺流程图 装定子 装轴承 装前支架 刷架组件 装后支架,六、电机工艺流程,电机制造工艺,一、电机轴 设备：车床 电机按照用工艺图，斩料、车削、调质、铣、开丝。二、转子冲片的冲压 条形硅钢片通过高速冲床，冲压成所要求的叠高。,（一）转子的工艺 我们豆浆机的寿命很大的因素取决于电机，而转子就电机的心脏，这说明转子加工工艺的重要性。,电机工艺,（一）转子的工艺,三、压转子铁芯 所用设备：压机、铁芯工装 电机按照用工艺图，把电机轴压入铁芯孔槽中,电机工艺,铁心压装有三个工

30、艺参数：压力、铁心长度和铁心重量。在保证铁心长度的情况下，压力越大，压装的冲片数越多，铁心越紧，重量越大。因而电机工作时铁心中磁通密度低，激磁电流小，铁心损耗小，电动机的功率因数和效率高，温升低。但压力过大会破坏冲片的绝缘，使铁心损耗反而增加。所以压力过大是不适宜的。压力过小，铁心压不紧，使激磁电流和铁心损耗增加，甚至在运行中会发生冲片松动,四、压换向器 所用设备：压机、换向器工装,（一）转子的工艺,电机工艺,五、入绝缘纸 使用设备：自动插纸机,（一）转子的工艺,电机工艺,六、转子绕线 所用设备：转子自动绕线机、绕线工装,（一）转子的工艺,电机工艺,七、插槽楔 所用设备：转子自动插片机、插片工装,（一）转子的工艺,电机工艺,