旋轉電機
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工業設備
旋轉電機的種類很多。按其作用分為發電機和電動機，按電壓性質分為直流電機與交流電機，按其結構分為同步電機和異步電機。異步電動機按相數不同，可分為三相異步電動機和單相異步電動機；按其轉子結構不同，又分為籠型和繞線轉子型，其中籠型三相異步電動機因其結構簡單、製造方便、價格便宜、運行可靠，在各種電動機應用最廣、需求量最大。
- 中文名:旋轉電機
- 外文名:electric rotating machinery
- 分 類:直流電機與交流電機
- 優 點；結構簡單、製造方便
- 特 點：應用最廣、需求量最大
- 所屬領域：電機工程
目錄
防雷保護
旋轉電機(發電機、調相機、大型電動機等)防雷保護要比變壓器困難得多，雷害事故率也往往高於變壓器。這是因為旋轉電機在絕緣結構、性能和絕緣配合方面具有一些與變壓器不同的特點。
(1)在同一電壓等級的電氣設備中，旋轉電機的絕緣的衝擊耐壓水平最低。
其原因在於：①電機具有高速旋轉的轉子，故只能採用固體介質，而不能像變壓器那樣可以採用固體一液體(變壓器油)介質組合絕緣：在製造過程中，固體介質容易受到損傷，絕緣內易出現空洞或縫隙，因此在運行過程中容易發生局部放電，導致絕緣劣化；②電機絕緣的運行條件最為嚴酷，要受到熱、機械振動、空氣中的潮氣、污穢、電磁應力等因素的聯合作用，老化速度較快；③電機絕緣結構的電場比較均勻、其衝擊係數接近於1過電壓下的電氣強度是最薄弱的一環。因此，電機的額定電壓、絕緣水平都不可能太高。
(2)保護旋轉電機用的避雷器的殘壓和電機的衝擊耐壓值很接近，絕緣裕度很小。
如發電機的出廠衝擊耐壓試驗值比氧化鋅避雷器的3kA殘壓值僅高出25%～30%，磁吹避雷器裕度更小，且絕緣裕度隨發電機運行將更低。因此電機只靠避雷器保護是不夠的，還必須與電容器、電抗器、電纜段等結合起來進行保護。
(3)匝間絕緣要求侵入波陡度受到嚴格限制。
因為電機繞組的匝間電容很小和不連續，迫使過電壓波進入電機繞組後只能沿着繞組導體傳播，而它每匝繞組的長度又遠較變壓器繞組為大，作用在相鄰兩匝間的過電壓與侵入波的陡度成正比。為了保護好電機的匝間絕緣，必須嚴格限制侵入波陡度。
總之，旋轉電機的防雷保護要求高、困難大，需要全面考慮繞組的主絕緣、匝間絕緣和中性點絕緣的保護要求。[1]
原理
能量守恆原理是物理學的一條基本原理。這條原理的含意為：在質量不變的物理系統內，能量總是守恆的；即能量既不會憑空產生，也不會憑空消滅，而僅能變換其存在形式。
在傳統的旋轉電機機電系統中，機械系統是原動機(對發電機來講)或生產機械(對電動機來講)，電系統是用電的負載或電源，旋轉電機把電系統和機械系統聯繫在一起。旋轉電機內部在進行能量轉換的過程中，主要存在着電能、機械能、磁場儲能和熱能四種形態的能量。在能量轉換過程中產生了損耗，即電阻損耗、機械損耗、鐵芯損耗及附加損耗等。
對旋轉電機來說，損耗消耗，使其全部轉化為熱量，引起電機發熱，溫度升高，影響電機的出力，使其效率降低：發熱和冷卻是所有電機的共同問題。電機損耗與溫升的問題，提供了研究與開發新型旋轉電磁裝置的思路，即將電能、機械能、磁場儲能和熱能構成新的旋轉電機機電系統，使該系統不輸出機械能或電能，而是利用電磁理論和旋轉電機中損耗與溫升的概念，將輸入的能量(電能、風能、水能、其他機械能等)完全、充分、有效地轉換為熱能，即將輸入的能量全部作為「損耗」轉化為有效熱能輸出。
基於上述思路，作者提出一種基於旋轉電磁理論的機電熱換能器，其旋轉磁場的產生與旋轉電機類似，可以是由多相通電的對稱繞組產生，也可以由多極旋轉的永磁體產生，採用適當的材料、結構和方法，利用磁滯、渦流和閉合迴路的二次感應電流綜合效應，將輸入的能量完全充分地轉換為熱能，即將旋轉電機傳統意義上的「損耗」轉化為有效熱能。它將電、磁、熱系統和以流體為媒質的熱交換系統有機地組合在一起。該新型的機電熱換能器既具有逆問題的研究價值，又拓寬了傳統旋轉電機的功能和應用。
熱交換
首先，時間諧波和空間諧波對熱的產生具有非常快速和顯著的作用，此點在電機結構設計時很少提及。因為斬波電源電壓的應用越來越少，要使電機旋轉得更快，就必須增大電流有功分量的頻率，但這有賴於電流諧波成分的大量增加。在低速電機中，因齒諧波而產生的磁場局部變化會引起發熱，我們在選擇金屬片厚度和冷卻系統時必須注意這個問題。在計算中還要考慮捆綁帶的使用。
眾所周知，超導材料都是工作在低溫下，這就出現了兩種情況：
第一是預測電機線圈繞組所使用的組合超導體中熱點產生的位置。
第二是設計一個冷卻系統，使之能夠冷卻超導線圈中的任何部分。
電機的溫升計算因為需要處理很多參數而變得十分困難。這些參數包括電機的幾何形狀，旋轉速度，材料的不均勻性，組成材料的構成，以及各部分的表面粗糙度等。由於計算機和數值計算方法的快速發展，將實驗研究和模擬分析相結合，電機溫升計算所取得的進步已超過了其他領域。
熱模型應該是全局性的，且比較複雜，沒有一般性，每一種新電機就意味着一個新模型。 [2]
絕緣材料
運行中的電機絕緣要承受來自內部和外部各種因素的影響及作用。內部因素主要有電場、熱及機械應力的作用；外部因素包括機械力、電機所處環境條件(溫度、濕度、污穢情況以及化學成分的作用)等，所有這些因素構成了電機絕緣的工作特點。另外，高壓電機絕緣與同等電壓等級的其他電氣設備相比較，它的電氣強度較低，這給運行帶來一定影響。要求電機絕緣應能經受上述各種因素的單獨或聯合作用，而安全、可靠地長期運行。
雲母及雲母製品
雲母是一種硅酸鹽礦物晶體，具有很高的電氣強度。它還具有耐高溫、耐燃、化學性能穩定、吸水性差、耐電暈等優點，是一種很理想的高壓電機絕緣材料。
雲母製品按用途可分為雲母帶、雲母板、雲母箔三大類。各類雲母製品由雲母、補強材料和膠黏劑組成。其中雲母作為基本的絕緣屏障，保證長期運行下具有很高的耐電強度；補強材料用來提高機械強度；膠黏劑將兩者黏結成一體。雲母製品必須具有很高的電氣強度和足夠的機械強度。
絕緣漆
絕緣漆由漆基(樹脂、瀝青、幹性油、纖維素等)、熔劑或調稀劑(苯、甲苯)和輔助材料(催干劑、顏料、防毒劑)三部分組成。按用途分為浸漬漆、覆蓋漆、膠黏漆三種。
(1)浸漬漆。用於浸漬電機繞組及纖維材料以提高絕緣的電氣性能、導熱性、耐熱性、耐濕性以及繞組的整體性。近年來向無溶劑浸漬漆方面發展，應用最多的是聚酯和環氧兩大類，逐漸代替聚氰氨醇酸漆。
(2)覆蓋漆。又稱為塗刷漆或被覆漆，將漆塗在已浸漬過的絕緣表面，形成機械性能好、光滑平整、耐水的絕緣漆膜，以增強防潮能力，防止灰塵、髒污及化學物質對絕緣的作用，如漆包線漆、硅鋼片漆、半導體漆等。
(3)膠黏漆。用來黏合各種絕緣材料，如雲母、紙、布等。除具有電氣性能外，特別是黏合力要強。常採用的黏合漆有醇酸樹脂漆、蟲膠漆、酚醛樹脂漆、環氧聚酯漆等。
漆布、薄膜及其複合製品
漆布是用布或玻璃布在絕緣漆中浸漬乾燥後製成的一種柔軟絕緣材料、必須具有一定的機械強度、柔軟性、電氣性能、耐熱性和導熱性。
薄膜與漆布相比，具有耐電強度高、機械性能好和厚度小及節約棉布的優點。高壓電機絕緣多採用聚亞胺薄膜。 [3]
視頻
旋轉電機的機械結構