物理学术竞赛报告-滚珠轴承电机.docx

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1、 滚珠轴承电机研究报告 2013-4-15摘要轴承使我们日常使用的机器得以正常运转。如果没有轴承，我们可能需要经常更换那些易磨损的零件。电动机的损耗包含各种形式,有与负载电流大小基本无关的铁损、由励磁电流产生的定子铜损以及机械损耗,还有与负载电流大小有关的定、转子铜损、杂散损耗等。即使在电动机空载情况下,电动机的损耗也不等于零。关键词：滚珠轴承， 电机，效率，速度，极对数，频率。AbstractBearing that we daily use of machines to operate properly. Often without bearing, we may need to chan

2、ge the easy wear parts. Motor loss contains various forms, has has nothing to do with the size of load current basic iron losses, generated by the excitation current of the stator copper loss and machine loss, and with the size of the load current, rotor copper loss and stray loss, etc. Even when th

3、e motor no-load cases, the loss of the motor is not equal to zero.Key words: The ball bearing, motor, efficiency, speed, pole pairs, rate.引言在滚珠轴承中，负载从外圈传输到滚珠上，再从滚珠传输到内圈。因为滚珠是球形的，与内圈和外圈的接触点很小，这样有助于平稳旋转。它将不动的电机壳和旋转的转子之间隔开起到引导轴的旋转，减少轴与端盖之间的摩擦支撑转子，让它脱开固定的端盖，定子有了轴承，转子才能旋转，电机才能工作，其结构图如图一所示： 图一1实验原理1.1 滚珠轴

4、承工作原理轴承使我们日常使用的机器得以正常运转。如果没有轴承，我们可能需要经常更换那些易磨损的零件。轴承的原理非常简单：物体滚动比滑动容易。汽车轮子就如同大型轴承。如果用雪橇代替车轮，汽车在道路上前进就困难得多。这是因为当物体滑动时，两个物体之间的摩擦产生摩擦力使滑动速度减慢。但如果两个物体表面可以相互滚动，摩擦力就会大大减小，轴承利用光滑的金属滚珠或滚柱以及润滑的内圈和外圈金属面来减小摩擦。这些滚珠或滚柱“承载”着负载，使设备可以平稳旋转。轴承通常要承载两种负载，径向负载和轴向推力负载。根据使用位置的差异，轴承可能受到径向负载、轴向推力负载或两者的组合。这种轴承可以承载径向负载和轴向推力负载

5、，通常应用于负载比较小的情况。其结构如图二： 图二1.2 电机工作原理（以三相异步电动机为例） 图三如图三，当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。所以欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。 图四 旋转磁场的形成旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若

6、想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。三相异步电动机的极数P就是旋转磁场的极数P。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。三相异步电动机旋转磁场的转速与电动机磁极对数P有关，它们的关系是:-（1） 电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的

7、，故又称为感应电动机。转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：2实验过程2.1速度的影响参数2.1.1转差率S 旋转磁场以同步转速开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（-n）差值减小，电动机的转差率S1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。反之，S减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。可以得到电动机的转速常用公式：2.1.2电动机的极对数P 三相异

8、步电动机转速是分级的，是由电机的“极数”决定的。三相异步电动机“极数”是指定子磁场磁极的个数。定子绕组的连接方式不同，可形成定子磁场的不同极数。选择电动机的极数是由负荷需要的转速来确定的，电动机的极数直接影响电动机的转速，由公式可知：n=60f/p(1-s)2.1.3供电频率f 在中国，电源频率为50赫，所以二极电机的同步转速为3000转/分，四极电机的同步转速为1500转/分，余类推。异步电机转子的转速总是低于或高于其旋转磁场的转速，异步之名由此而来。异步电机转子转速与旋转磁场转速之差（称为转差）通常在10%以内。由此可知，交流电机（不管是同步还是异步）的转速都受电源频率的制约。因此,交流电

9、机的调速比较困难,最好的办法是改变电源的频率。2.2效率的影响参数电动机的损耗包含各种形式,有与负载电流大小基本无关的铁损、由励磁电流产生的定子铜损以及机械损耗,还有与负载电流大小有关的定、转子铜损、杂散损耗等。即使在电动机空载情况下,电动机的损耗也不等于零。2.2.1电动机容量由图五可以看出,电动机容量越小,效率就越低,随着电动机容量的增加,电动机的效率得到改善。 图五2.2.2 定、转子之间的气隙、极数作为电动机特性的指标,除了效率外,还有功率因数。异步电动机产生旋转磁场,要求电源供给必要的励磁电流,这就导致电动机的功率因数降低。励磁电流为：定子相数定子每相绕组串联匝数定子绕组系数P极数每

10、极所需的安匝数从上式可知,励磁电流与电动机极数P、安匝数成正比,所以电动机的输入功率因数随电动机极数的增多而降低,此外,定、转子之间的气隙越大,也越低.2.2.3 负载率图五表示以输出功率为参量的标准三相鼠笼型异步电动机的功率因数随负载率变化的曲线。由图五可看出,功率因数随着电动机容量的减小而降低,同时又随负载率的降低而显著降低。负载率越低,特别是小容量电动机,当负载率低于50%时,其效率将显著下降。2.2.4 电源质量 电源质量的优劣对电动机的正常运行和节能有直接的影响。电动机处于非额定电压和非额定频率下,其损耗大大增加,使电动机处于不合理运行状态,电源电压和频率允许范围之外的变化对电动机性

11、能引起显著变化,尤其当电源频率降低、电压增高时,电动机空载损耗和空载电流要大幅度上升,使功率因数降低。电压降低时,电动机转速下降,使转子铜损增加,导致功率因数降低。当三相电压不对称时,由于有负序分量的磁场,产生负序转矩,增加电动机负担。同时吸收转轴的机械功率,能引起转子铁损和铜损的增加,使电动机温升增高,输入功率增大,效率降低。2.2.5 高次谐波 由于晶闸管整流装置和各种变频装置等设备的大量使用,给电网注入大量高次谐波,引起电网公害,导致供电质量降低。高次谐波电流流入电动机绕组,增加电动机附加损耗,尤其是使电动机温升增加,严重时电动机因过热而烧毁。高次谐波的脉冲电压波,使相绕组电压分布不均匀

12、,绕组首尾端电压分布过高,易造成绕组匝间击穿而短路。高次谐波电流的脉冲,使电动机电磁转矩脉动,引起电动机振动和噪声增大。高次谐波分布电容的影响,使电动机轴电流增大。总之,高次谐波会使三相异步电动机最大转矩下降,功率因数降低,效率也随之降低。2.2.6负载的大小 电动机的功率因数随负载大小而变化。空载时,功率因数只有0.20.3;额定负载时,功率因 数在0.70.9之间。当电动机处于轻载的功率因数要介于空载和负载之间变化。所以,电动机轻载运行时,功率因数低,其效率也低。 3实验总结影响三相异步电动机效率和功率因数的一个重要因数是电源质量,而影响电源质量的最终因素之一也是负荷本身。所以协调好电源与

13、负荷的关系,将使电动机的效率得到大幅度的提高。另外，转差率、电动机的极对数、以及电源的频率对滚珠电机速度的影响都是显而易见的。我们在研究这些参数对电机速度的影响时，很大一部分是根据我们平时对生活的观察以及我们各门学科中涉及相关知识的理解。如电力、电子与电气传动、电工与电路基础以及大学物理等课程中涉及到电机的相关知识来解决相关问题。我们在考虑参数对电机影响是，忽略次要的因素，如温度，电感，电容，灰尘对轴承的影响，摩擦、装配等一些因素，考虑主要因素，即本文分析的参数对电机的影响。同时在分析的过程中我们还发现一些有趣的现象，有的参数对电机的速度和效率都有影响，这也说明电机的速度和效率之间存在一定的联系，使得有相同的因素都对他们有相同的影响，如极对数和电源的频率都是两者的重要影响参数。在分析的过程中，首先先明白其概念，然后再根据所学的知识去查找相关的资料。通过对不同资料的整合以及最后的分析，得出每个参数的结论。4. 参考文献:1 周小涵 三相异步电动机效率低的原因及改进方 冶金动力1998.2大学物理 科学出版社.3 王明庄， 王本玉. 电工与电路基础 中国广播电视出版社1998