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電機(jī)原理及幾個(gè)重要公式

芯師爺|Core master|

2022-03-07 03:22:20 9

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電機(jī)，一般指電動(dòng)機(jī)，也稱馬達(dá)，是現(xiàn)代化工業(yè)及生活中極為普遍的東西，也是將電能變?yōu)闄C(jī)械能的最主要設(shè)備。汽車、高鐵、飛機(jī)、風(fēng)機(jī)、機(jī)器人、自動(dòng)門、水泵、硬盤甚至我們最普遍擁有的手機(jī)，都安裝了電機(jī)。

很多初接觸電機(jī)的或者剛學(xué)習(xí)電機(jī)拖動(dòng)知識(shí)的，可能會(huì)覺得電機(jī)知識(shí)不好理解，甚至看到相關(guān)的課程就頭大，有著“學(xué)分殺手”的稱呼。下面通過零散式分享，可以讓新手快速了解交流異步電機(jī)原理。

電機(jī)的原理：電機(jī)的原理很簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單的說就是利用電能在線圈上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。學(xué)過電磁感應(yīng)定律的都知道，通電的線圈在磁場(chǎng)中會(huì)受力轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的基本原理就是如此，這是初中物理的知識(shí)。

電機(jī)結(jié)構(gòu)：拆開過電機(jī)的人都知道，電機(jī)主要是兩部分組成，固定不動(dòng)的定子部分以及轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子部分，具體如下：

1、定子(靜止部分)

定子鐵心：電機(jī)磁路重要部分，并在其上放置定子繞組；定子繞組：就是線圈，電動(dòng)機(jī)的電路部分，接電源，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；

機(jī)座：固定定子鐵心及電機(jī)端蓋，并起防護(hù)、散熱等作用；

2、轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)部分)

轉(zhuǎn)子鐵心：電機(jī)磁路的重要部分，在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組；轉(zhuǎn)子繞組：切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩從而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；

電機(jī)的幾個(gè)計(jì)算公式：

1、電磁相關(guān)的

1）電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式：E=4.44*f*N*Φ，E為線圈電動(dòng)勢(shì)、 f為頻率、 S為環(huán)繞出的導(dǎo)體（比如鐵芯）橫截面積、 N為匝數(shù)、Φ是磁通。

公式是怎么推導(dǎo)來的，這些事情我們就不去鉆研了，我們主要是看看怎么利用它。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是電磁感應(yīng)的本質(zhì)，有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的導(dǎo)體閉合后，就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中就會(huì)受到安培力，產(chǎn)生磁矩，從而推動(dòng)線圈轉(zhuǎn)動(dòng)。

從上面公式知道，電動(dòng)勢(shì)大小與電源頻率、線圈匝數(shù)及磁通量成正比。

磁通量計(jì)算公式Φ=B*S*COSθ，當(dāng)面積為S的平面與磁場(chǎng)方向垂直的時(shí)候，角θ為0，COSθ就等于1，公式就變成Φ=B*S。

將上面兩個(gè)公式結(jié)合一下，就可以得到電機(jī)磁通強(qiáng)度計(jì)算公式為：B=E/（4.44*f*N*S）。

2）另外一個(gè)是安培力公式，我們要知道線圈受到的力是多少，就需要這個(gè)公式F=I*L*B*sinα，其中I為電流強(qiáng)度，L為導(dǎo)體長(zhǎng)度，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度，α是電流方向與磁場(chǎng)方向間的夾角。當(dāng)導(dǎo)線垂直于磁場(chǎng)時(shí)候，公式就變成F=I*L*B了（如果是N匝線圈的話，磁通B就是N匝線圈的總磁通，而不需要再乘N了）。

知道了受力，就知道轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩等于扭力乘以作用半徑，T=r*F=r*I*B*L（向量乘積）。通過功率=力*速度（P=F*V）以及線速度V=2πR*每秒轉(zhuǎn)速(n秒)兩個(gè)公式，可以與功率建立上關(guān)系，得到下面序號(hào)3的公式。不過要注意，這時(shí)候使用實(shí)際輸出扭矩，所以計(jì)算出的功率是輸出功率。

2、交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：n=60f/P，這個(gè)很簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速與電源頻率成正比，與電機(jī)極對(duì)子（記住是一對(duì)）數(shù)成反比，直接套用公式就好。不過這個(gè)公式實(shí)際計(jì)算出是同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度），異步電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)略低于同步轉(zhuǎn)速，所以我們往往會(huì)看到4極電機(jī)一般是1400多轉(zhuǎn)，達(dá)不到1500轉(zhuǎn)。

3、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、功率計(jì)轉(zhuǎn)速的關(guān)系：T=9550P/n（P是電機(jī)功率、n是電機(jī)轉(zhuǎn)速），可以從上面序號(hào)1內(nèi)容中推導(dǎo)出來，不過我們沒必要學(xué)會(huì)推導(dǎo)，記住這個(gè)計(jì)算公式就可以。不過再次提醒，公式中功率P不是輸入功率，而是輸出功率，由于電機(jī)有損耗，輸入功率不等于輸出功率。但是書本上往往理想化，將輸入功率等于輸出功率了。

4、電機(jī)功率（輸入功率）：

1）單相電機(jī)功率計(jì)算公式：P=U*I*cosφ，如果功率因數(shù)為0.8，電壓為220V，電流為2A，那么功率P=0.22×2×0.8=0.352KW。

2）三相電機(jī)功率計(jì)算公式：P=1.732*U*I*cosφ（cosφ為功率因素、U為負(fù)載線電壓、I為負(fù)載線電流）。不過這類的U和I與電機(jī)的接法有關(guān)，星形接法的時(shí)候，由于三個(gè)相隔120°電壓的線圈公共端連接一起，形成一個(gè)0點(diǎn)，所以加載在負(fù)載線圈的電壓實(shí)際是相電壓；而三角形接法時(shí)，每個(gè)線圈兩端各連一根電源線，所以加載負(fù)載線圈上的電壓就是線電壓。如果使用的是我們常用的3相380V電壓，星形接法時(shí)候線圈是220V，而三角形則是380V，P=U*I=U^2/R，所以三角形接法時(shí)功率是星形接法的3倍，這也就是為什么大功率電機(jī)采用星三角降壓?jiǎn)?dòng)的原因。

掌握了上面的公式，理解透徹，電機(jī)的原理就不會(huì)在困惑了，也不會(huì)在怕學(xué)習(xí)電機(jī)拖動(dòng)這種高掛科的課程。

電機(jī)的其他部件

1）風(fēng)扇：一般安裝在電機(jī)尾部，用于給電機(jī)散熱；

2）接線盒：用于接入電源，如交流三相異步電機(jī)，還可以根據(jù)需要接星形或者三角形；

3）軸承：連接電機(jī)旋轉(zhuǎn)和不動(dòng)部分；

4、端蓋：電機(jī)外面的前后蓋子，起支撐作用。

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