第一章 概述
第一节 电机的定义
电机可泛指所有实施电能生产、传输、使用和电能特性变换的机械或装置。然而，由于生产、传输、使用电能和电能特性变换的方式很多，原理各异，如机械摩擦、电磁感应、光电效应、磁光效应、热电效应、压电效应、化学效应等等，内容广泛，不可能由一门课程包括。电机学的主要研究范畴仅限于那些依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换和信号传递与转换的装置。 一、 电机的能量交换原理
根据电机学定义，电机是一种将电能转换成机械能或将机械能转换成电能的设备，其中将机械能变为电能的称发电机；将电能变为机械能的称为电动机。 电机实现能量转换都基于两个基本定律： 1、 法拉第-楞次定律（感应电动势定律）
导体在磁场中运动切割磁力线，在导体两端必然会产生感应电动势，感应电动势e的大小与导体运动速度v、导体的长度L以及磁场的磁感应强度B成
正比，即：e=BLV 感应电动势的方向符合右手定律。 2、 毕奥-萨戈尔定律（电磁力定律）
载流导体在磁场中必然会受到电磁力的作用。电磁力的大小与导体所载电流I、磁场的磁感应强度B以及导体的长度L成正比，即：F=BIL 电磁力的方向符合左手定律。
所有电机都是根据上述两个定律基本原理设计的。电机类型很多，结构类型很多，结构形式也各不相同，但其能量转换和转矩产生原理是相同的，由于励磁方式不同，各类电机磁场性能和变化不同，才有电机的不同类型和不同特性。
电机内部实现能量转换包括电系统、耦合系统和机械系统三个环节，如图1-1。电动机通常是在其接线端子上输入电能，在轴上输出机械功率。外电路电能通过耦合系统在在机械系统中产生机械能，在机械系统轴头以机械能输出。发电机则是在其轴上输入机械功率，其端子上输出电功率。驱动机械的机械能通过耦合系统，在电系统中产生电能输出。在上述能量转换过程中，三个系统都会产生部分能量损失，最终都以热量形式向周围环境散逸。
图1-1 电机能量转换环节 二、 电动机和发电机的可逆运行
电机进行机电能量转换的过程是可逆的。当电机内部电磁转距起驱动作用时为电动状态；当电磁转距起制动作用时为发电状态。即电机在运行过程中，电动机状态和发电机状态是可以互换的，如电动机在工作时，采用能耗制动或反馈制动时，即进入了发电机状态。又如蓄能发电机组，在抽水蓄能时，以电动机状态运行，调峰发电时，以发电机方式工作。由于机电能量转换过程是可逆的，因而电动机和发电机在结构上无根本区别。 三、 电机实现能量交换的条件
根据电机的基本原理，电机要进行能量交换必须要具备有相对运动的两个部分，一个是产生磁场的磁感应部件；另一个是感应电动势和流过工作电流的被感应部件。当被感应部件绕组中流过电流所建立磁场与励磁磁场间，在极数相等，相对静止条件下，就能产生有效的电磁转矩。
电机内两个相互耦合的磁场为了要能相对运动，必须有一个机械部分是固定的另一个是能相对运动的。因此，对任何旋转电机来说（有别于直线电机），必须有一个定子部件，固定住一套绕组和磁路部件；另外还必须有一个转动部件，支撑住另一套绕组和磁路部件。只有这样才能在定、转子之间的气隙磁场实现能转换。
四、电机基本组成部分
任何一台电机其机械总结构一般应包括以下部分。
(1)定子。是输入电功率，产生磁场的静止部件。对交流电机来说，在通常结构型式下，定子磁场是旋转的；对直流电机来说，定子磁场是静止的。定子通常是由机座固定在底板上(对大型电机)或基础上(对中、小型电机)。
(2)转子。是产生一个与定子磁场相对运动的磁场．轴上输出机械功率的重要部件，其上备部件往往要承受较大机械应力和电磁力．转子通常是依靠转轴支承在轴承上。
(3)轴承装置。是使转子能以所需方式旋转，而能保持定、转子相对位置的主要结构。中、小型电动机一般采用滚动轴承，固定在电机两侧端盖上，对大型电机来说一般采用滑动轴承，用轴承座固定在底板上。
(4)底板。单台的中、小型电动机没有底板，定、转子、机座、端盖装配成一个整体，依靠与机座为一体的底脚板，直接固定到基础上。大型电动机定子、轴承座，端罩都装到一个有足够刚度的基础板——底板上，使电动机成为一个整体。 (5)其他附属结构
1)集电环与换向器。是构成旋转部分导电的滑动接触的结构。
2)接线盒。可靠固定输入电能的各种导体端子，并使之与机座可靠绝缘的部件。 3)风扇。对于发电机和非调速电动机，可采用轴上自带风扇来进行通风冷却，风扇结构型式有径向风扇、轴向风扇、斗式风扇等。
4)端罩(或端盖)。防止维护、值班人员碰到旋转、带电部分的部件。
5)附件。如测速发电机、过速继电器、脉冲发生器等．是调速电动机速度信号检
测的装置。 第二节 电机的主要类型
电机的种类很多，分类方法也很多。如按运动方式分，静止的有变压器，运动的直线电机和旋转电机，直线电机和旋转电机按电源性质分，又有直流电机和交流电机两种，而交流电机按运动速度与电源频率的关系又可分为异步电机和同步电机两大类。分类还可以进一步细分下去，这里就不一一列举了。鉴于直线电
机较少应用，而电机学只侧重旋转电机的研究，故上述分类结果可归纳为：
变压器
电机 直流电机 旋转电机 同步电机 交流电机
异步电机
发电机：由原动机拖动，将机械能转换为电能
电动机：将电能转换为机械能，驱动电力机械 电机 变压器、变频机、变流机、移相器：分别用于改变电压、电流、频率和相位
控制电机：进行信号的传递和转换，控制系统中的执行、检测
第三节 电机的绝缘材料及要求
由于电机是依据电磁感应定律实现能量转换的，因此电机中必须要有电流通道和磁通通道，也即通常所说的电路和磁路，并要求由性能优良的导电材料和导磁材料构成。具体说来，电机中的导电材料是绕制线圈（电机学将一组线圈称为绕组）用的，要求导电性能好电阻损耗小，故一般选用紫铜线（棒）。电机中的导磁材料又叫铁磁材料，主要采用硅钢片，也称电工钢片。除导电和导磁材料外，电机中还需要有能将电、磁两部分融合为一个有机整体的结构材料。这些材料首先包括机械强度高、加工方便的铸铁、铸钢和钢板，此外，还包括大量介电强度高、耐热性能好的绝缘材料（如聚酯漆、环氧树脂、玻璃丝带、电工纸、云母片、玻璃纤维板等），专用于导体之间和各类构件之间的绝缘处理。 一、 对绝缘结构的要求
绕组是实现能量交换的主要部件，是由导电性良好的导体和不导电的绝缘层所构成，导体的作用是构成电机的电路，绝缘层的作用是隔离电路与磁路、导体之间、以及带电导体与地之间不同的电位。为了减少铁心中涡流产生的损耗和阻尼作用，铁心叠片之间也用绝缘作为隔离层，通常是极簿的一层漆膜。电机内的绝缘层往往是由几种绝缘材料组成，并经过各种绝缘工艺处理。如包绕、烘压、浸漆、表面处理等，这种由多种绝缘材料经过加工和特殊处理形成的复合绝缘层，通常称为绝缘结构。绝缘结构比单一的绝缘材料具有更好的电气性能、防潮性能、机械强度、导热性和整体性。电机内因有数种绕组，往往有几种不同的绝缘结构，它们全体构成电机的绝缘系统。
电机的运行性能和使用寿命， 与绝缘材料和绝缘系统的性能密切相关，很大程度上取决于它们的电、热、力学、理化性能。电机要能在恶劣的环境和严苛的运行条件下可靠工作，绝缘结构应具备电气强度高、耐热性能高、导热性好、防潮、防尘性好、机械强度高和便于维护等特点。此外对于在湿热带、海上等环
境工作的电动机，其绝缘结构要经过特殊处理。 二、绝缘结构组成单元
电机内有几种不同的绝缘结构，每种绝缘结构的制作都必须根据绝缘制作工艺操作文件-绝缘规范来进行。绝缘结构是由很多种绝缘材料组成的，它们的作用和性能各不相同。绝缘单元结构主要有以下几种：
(1)匝间绝缘。用来隔离同一绕组内不同电位的导体，片间绝缘与股线绝缘也屑匝间绝缘性质，其承受电压较低。
(2)对地绝缘。是主绝缘，承受对地电压．其作用是隔离地与导体之间电位，要求有较高的电气强度，绝缘层的厚度根据电机的电压等级来确定。
(3)层间绝缘。用来作为上、下层导线，或上、下层绕组问的绝缘，要求具有较好的弹性和韧性。
(4)保护绝缘。用来保护主绝缘。使主绝缘减少制造过程和运行过程受到的机械损伤。保护绝缘要求具有某种好的机械性能，而不要求过高的绝缘性能，保护绝缘最常见的是线圈最外层的保护布带、槽衬等。
(5)支撑绝缘。主要用来使绕组和带电部件在电机内能可靠的定位和固定，槽楔、引线夹板、端于板、端部绑扎机等皆后支撑绝缘，支撑绝缘要求有较好的强度，并在长期工作中不应变形。
每种绝缘结构都是由上述绝缘的单元结构不同形成的组合。 三、绝缘结构的耐热等级
电机内的各种绝缘结构，在长期强电场、高温下运行，其电气和机械性能都将逐渐下降。这是由于绝缘层内有机物中挥发性成分的逸出，氧化裂解、热裂解、水解等化学、物理变化、致使绝缘层变硬，变脆和出现裂纹，而导致力学、电气、理化性能变差，这是通常所你的绝缘老化现象，是一种劣化的过程。
绝缘材料老化的过程中，起主要作用的是长期高温，即所谓热老化。因此，提高绝缘材料和绝缘结构的耐热性，是改善电机性能，延长使用寿命和提高运行可靠性的重要措施。不同的绝缘材料有不同的耐热性能，电机内的绝缘结构都应有相同的耐热等级。绝缘的耐热等级规定见表1—1。 表1·1绝缘耐热等级 耐热等级 Y A E B F H 最高允许温度90 105 120 130 155 180 (C) 除温度因素外，臭氧、日光照射、电场、机械振动和冲击都是加速老化的因素，老化实际上是绝缘结构和绝缘材料劣化的综合表现。电机常用绝缘材料按性能划分为Y、A、E、B、F、H等6个等级。如A级绝缘材料可在105度下长期使用，超过105度则很快老化，E级绝缘材料可在120度下长期使用，超过120度则很快老化，B级绝缘材料可在130度下长期使用，超过130度则很快老化，F级绝缘材料可在155度下长期使用，超过155度则很快老化,H级绝缘材料允许在180度下长期使用超过180度则很快老化。使用时温度超过8度，则使用寿命将缩短一半，通常称为热老化的8度规则
第四节 电机的作用和地位
在自然界各种能源中，电能具有大规模生产、远距离经济传输、智能化自动控制的突出特点，它不但已成为人类生产和生活的主要能源，而且对近代人类文明的产生和发展起了重要的推动作用。与此相互应，作为电能生产、传输、使用和电能特性变换的核心装备，电机在现代社会所有行业和部门中也占据着越来越重
要的地位。
对电力工业本身来说，电机就是发电厂和变电站的主要设备。首先，火（核）电厂利用汽轮机将机械能转换为电能，然后电能经各级变电站利用变压器改变电压等级，再进行传输和分配。发电厂的多种辅助设备，如给水泵、鼓风机、调速器、传送带等，也需要电动机驱动。
在机械制造业和其它所有轻、重型制造工业中，电动机的应用也非常广泛。各类工作母机，尤其是速控机床，都须由一台或多台不同容量和型式的电动机拖动和控制。各种专业机械，如纺织机、造纸机、印刷机等也都需要电动机来驱动。一个现代化的大企业通常要装备几千乃至几万台不同类型的电动机。 在冶金工业中，高炉、转炉和平炉都须由若干台电动机来控制大型扎钢机常由数千乃至数万千瓦的电动机拖动。
在石油和天然气的钻探及加压泵送过程中，在煤炭开采和输送过程中，在化学提炼和加工设备中，在电气化铁路和城市交通以及作为现代化高速交通工具之一的磁悬浮列车中，在建筑、医药、粮食加工工业中，在供水和排灌系统中，在制导、跟踪、定位等自动化控制系统以及大功率电磁发射技术等国防高科技领域，在电动工具、家用电器、电动玩具、办公自动化设备和计算机外部设备中…………总之在一切工农业生产、国防、文教、科技领域以及人们日常生活中，电机的应用越来越广泛。
常见电机图1
常见电机图2
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