第8章 變壓器與電動機(jī)

第8章變壓器與電動機(jī)變壓器與電機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，它們都是常用的電氣設(shè)備。其中，變壓器用于將電能與磁能的互換，應(yīng)用這一特性可提供所需電壓，進(jìn)行信號耦合以及阻抗匹配等；電動機(jī)用于將電能變?yōu)闄C(jī)械能，它在家用電器、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，本章首先以變壓器為研究對象，在介紹變壓器基本原理和結(jié)構(gòu)之后，敘述了單相變壓器的運(yùn)行特性，并簡要介紹自耦變壓器和儀用互感器的基本原理。第8章變壓器與電動機(jī)以此為基礎(chǔ)，接著介紹三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)，敘述了旋轉(zhuǎn)磁場的建立問題，著重對異步電動機(jī)的電磁特性進(jìn)行分析，得出了異步電動機(jī)的機(jī)械特性，為正確使用異步電動機(jī)打下基礎(chǔ)。最后簡要介紹直流電動機(jī)的基本原理，作為初步了解和選用時參考。本章重點(diǎn)討論變壓器和異步電動機(jī)的工作原理及特性，在實(shí)際工作中十分有用，應(yīng)很好掌握。本章基本內(nèi)容的教學(xué)課時，建議不少于6學(xué)時，其中變壓器2學(xué)時，三相異步電動機(jī)4學(xué)時。對特殊變壓器和直流電動機(jī)等內(nèi)容，各院校可根據(jù)實(shí)際需要選學(xué)。8.1變壓器

變壓器的類型很多，根據(jù)不同用途，有輸配電用的電力變壓器、冶煉用的電爐變壓器、電解用的整流變壓器、焊接用的電焊變壓器、實(shí)驗(yàn)用的調(diào)壓器和測量用的儀用互感器等。雖然變壓器的種類多，結(jié)構(gòu)上也有差異，但他們的基本原理卻是一樣的，都是通過磁路來工作。因此，下面簡要介紹磁路的基本概念。

變壓器和電機(jī)都是以磁場為媒介，以電磁感應(yīng)理論來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。因此，他們都需要有集中磁場的閉合路徑，稱為磁路。為了在較小的勵磁電流下產(chǎn)生強(qiáng)磁場，那么磁路就應(yīng)由高導(dǎo)磁性的鐵磁材料構(gòu)成。

1．鐵磁材料的磁性能鐵磁材料是指鐵、鈷、鎳及其合金（即硅鋼片）以及鐵氧體等，它具有以下主要特性。

(1)高導(dǎo)磁性在物理學(xué)中可知，鐵磁材料在外加磁場的作用下會被磁8.1.1磁路的基本概念化。此時，由于鐵磁材料內(nèi)部磁疇轉(zhuǎn)到與外磁場相同的方向，故產(chǎn)生的附加磁場將遠(yuǎn)大于外磁場。鐵磁材料的這種高導(dǎo)磁性，使得它在一定的勵磁電流作用下，可得到很高的磁感應(yīng)強(qiáng)度，即產(chǎn)生足夠強(qiáng)的磁通。因此，它在變壓器和電機(jī)等許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

（2）磁飽和性磁性材料所產(chǎn)生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強(qiáng)而無限制地增強(qiáng)。在直流勵磁時，鐵磁材料的磁化特性曲線B=f（H）如圖8.1.1所示。由圖可見，磁化特性曲線為非線性，在oa段B隨H的變化緩慢；在ab段B隨H幾乎按正比例變化；在bc段B隨H的變化又緩慢下來；在C點(diǎn)以后，隨著H的繼續(xù)增加，由于鐵磁材料全部磁疇都轉(zhuǎn)到了與外磁場方向一致，故B達(dá)到了最大值，這種現(xiàn)象稱為磁飽和。當(dāng)鐵磁材料飽和時，其導(dǎo)磁系數(shù)μ變小，導(dǎo)磁性能變差。

（3)磁滯性當(dāng)交流勵磁時，磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化總是滯后于磁場強(qiáng)度H，這種現(xiàn)象稱為磁性材料的磁滯性。此時，磁性材料的磁化曲線如圖8.1.2所示，它是一條封閉曲線，稱磁滯回線。

8.1.1鐵磁材料的磁化特性曲線

8.1.2鐵磁材料的磁滯回線

由圖8.1.2可見，當(dāng)磁場強(qiáng)度由Hm減小到0時，B并沒有回到零值，此時的Br稱為剩磁感應(yīng)強(qiáng)度，簡稱剩磁。若要去掉剩磁，應(yīng)使鐵磁材料反向磁化，當(dāng)磁場強(qiáng)度為-HC時B才為零。此時的HC稱為矯頑力。由于磁滯現(xiàn)象的存在，鐵磁材料在交變勵磁電流的作用下，在被磁化過程中還會產(chǎn)生磁滯損耗，使鐵磁材料發(fā)熱。磁滯損耗的大小與磁滯回線的面積成正比。磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料兩大類。軟磁材料的主要特點(diǎn)是磁導(dǎo)率高，磁滯回線窄，剩磁和矯頑力都較小。常用的軟磁材料有電工純鐵、硅鋼片、鐵鎳合金、鐵鋁合金、軟磁鐵氧體、鐵鈷合金等，適用于制造變壓器、交流電機(jī)等各種鐵心。硬磁材料的主要特點(diǎn)是磁導(dǎo)率低，磁滯回線寬，剩磁和矯頑力都較大。常用的永磁材料有鋁鎳鈷、稀土鈷、鐵氧體等，適用于制造永久磁鐵等。

2．基本電磁關(guān)系磁路通常是由鐵心線圈構(gòu)成的，而鐵心線圈是將線圈繞制在鐵心上做成的。變壓器和交流電動機(jī)都要用到交流鐵心線圈，該鐵心線圈所接的電源是交流電，如圖8.1.3所示。（1）電磁感應(yīng)定律

在圖8.1.3中，當(dāng)外加交流電壓u時，線圈中便產(chǎn)生交流勵磁電流i。此時，線圈匝數(shù)N與勵磁電流i的乘積稱為磁動勢F，即F=Ni。由此產(chǎn)生兩部分磁通，即主磁通和漏磁通。他們分別產(chǎn)生主磁電動勢e和漏磁電動勢eσ，由KVL可得到鐵心線圈的電壓平衡方程為式中R為線圈電阻，通常很小，一般情況下，iR和eσ都可以忽略不計。因此，上式可寫成

（8.1.1）主感應(yīng)電動勢與線圈N以及磁通的關(guān)系，符合電磁感應(yīng)定律。即設(shè)主磁通，并代入式（8.1.2）中可得到由式（8.1.3）可得到主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢有效值為因此，外加電壓的有效值近似等于電動勢的有效值，即

（8.1.3）

（8.1.2）

（8.1.4）

（8.1.5）

上式表明，當(dāng)線圈匝樹數(shù)和電源頻率一定時，磁路中的主磁通只取決于線圈的外加電壓，與磁路的導(dǎo)磁材料和尺寸無關(guān)。另外，當(dāng)外加電壓一定時，在產(chǎn)生同樣磁通的情況下，磁路的材料不同，線圈中的電流也不同。（2）功率損耗交流鐵心線圈中的功率損耗有兩部分，一部分是銅損PCu

，它是線圈電阻通過電流時發(fā)熱產(chǎn)生的損耗，故PCu=I2RCu；另一部分是鐵損PFe，它是鐵心的磁滯損耗Ph和渦流損耗Pe的總稱。則交流鐵心線圈總的功率損耗ΔP可表示為

8.1.3交流鐵心線圈電路（8.1.6）

為了減小損耗，線圈的線徑應(yīng)選擇粗些，電阻系數(shù)小些；為了減小磁滯損耗，應(yīng)選擇軟磁性材料做鐵心；為了減小渦流損耗，交流鐵心線圈的鐵心應(yīng)做成疊片狀，并且各片之間要有很好的絕緣。變壓器實(shí)際上是一種特殊的交流鐵心線圈，其結(jié)構(gòu)可分為心式和殼式兩種，如圖8.1.4所示。從結(jié)構(gòu)看，他們都由一次繞組和二次繞組、閉合鐵心等幾個主要部分組成。

1.鐵心變壓器鐵心的作用是構(gòu)成磁路。為了減少磁滯損耗和渦流損耗，鐵心通常用厚度為0.2mm~0.35mm的硅鋼片交8.1.2變壓器的基本結(jié)構(gòu)

8.1.4變壓器的基本結(jié)構(gòu)和符號錯疊裝而成，而且硅鋼片的表面涂有絕緣漆，形成絕緣層。在一些小型變壓器中，也可采用鐵氧體替代硅鋼片。

殼式變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是鐵心包圍線圈；心式是線圈包圍鐵心，其結(jié)構(gòu)簡單，繞組裝配容易，故目前多數(shù)變壓器均采用心式結(jié)構(gòu)。

2.繞組

繞組是用絕緣扁線或圓導(dǎo)線繞成的線圈。小容量變壓器的繞組多用高強(qiáng)度漆包線繞制，大容量變壓器的繞組可用絕緣銅線或鋁線繞制。接在電源的繞組稱為一次（又稱初級）繞組，接在負(fù)載的繞組稱為二次（又稱次級）繞組。變壓器繞組可以做成同心式和交疊式兩種。其中，同心式繞組的一次和二次繞組同心地套裝在鐵心柱上。為便于絕緣，一般是將二次繞組裝在里層，一次繞組套在外層。交疊式繞組做成餅式，一次和二次繞組互相交疊放置，主要用于電爐和電焊變壓器，應(yīng)用范圍較小。變壓器除了上述基本部件外，還有其他附件，如油箱、冷卻油、絕緣套管、儲油柜（油枕）、氣體繼電器、測溫裝置和分接開關(guān)等。小型變壓器一般采用空氣自冷，大、中型變壓器采用油冷。一個實(shí)際的電源變壓器外形，如圖8.1.5所示。圖8.1.5電源變壓器心

1.空載運(yùn)行圖8.1.6所示為單相變壓器空載時的原理圖，其中，變壓器一次繞組接電源，二次繞組不接負(fù)載（開路）。這時，一次繞組產(chǎn)生空載電流i10

，而且一次和二次繞組同時與主磁通φ交鏈。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，主磁通φ在一次和二次繞組中分別產(chǎn)生頻率相同的感應(yīng)電動勢e1和e2

，即

8.1.3變壓器的工作原理

（8.1.7）圖8.1.6變壓器的空載運(yùn)行式中N1和N2分別為一次繞組的二次繞組的匝數(shù)，ω=2πf為電源的角頻率，E1m和E2m分別為e1和e2的最大值。由式（8.1.7）可得到電動勢的有效值表達(dá)式為

(8.1.8)

變壓器空載時一次繞組的情況與交流鐵心線圈中情況類似。根據(jù)式（8.1.5）和式（8.1.8）可得到

(8.1.9)再看二次繞組，由于I2=0，即I2r2=0，故二次繞組電壓u2等于開路電壓u20

，則有由式(8.1.9)和式(8.1.10)可推導(dǎo)出變壓器的電壓變換關(guān)系為可見，輸入電壓和輸出電壓之比等于感應(yīng)電動勢之比，也是一次繞組和二次繞組的匝數(shù)比，故將k定義為變壓器的變比。

2.有載運(yùn)行

當(dāng)變壓器接上負(fù)載ZL后，在二次繞組產(chǎn)生的電流為i2，如圖8.1.7所示。這種情況稱為變壓器的有載運(yùn)行狀態(tài)。

(8.1.10)

（8.1.11）

變壓器接上負(fù)載后，一次繞組和二次繞組的電流分別為i1和i2，它們分別產(chǎn)生磁動勢i1N1和i2N2

。根據(jù)楞次定律，i2N2產(chǎn)生的磁通是與主磁通φm反向的。所以，i1在所建立的磁動勢i1N1除了要維持主磁通φm基本不變之外，還要抵消磁動勢i2N2對主磁通的影響。因此，作用在鐵心上的總磁動勢為i1N1+i2N2兩個分量。由于磁路具有恒磁通特性，無論有無負(fù)載，只要電源電壓有效值U1不變，主磁通φm就基本不變，也就是說產(chǎn)生主磁通的磁動勢總和不變。因此，有負(fù)載時產(chǎn)生主磁通的合成磁動勢i1N1+i2N2等于空載時產(chǎn)生主磁通的磁動勢i10N1

，用相量可表示為ZL圖8.1.7變壓器的負(fù)載運(yùn)行

（8.1.12）

由于變壓器的空載電流

很小，約為一次側(cè)額定電流

的（2%~10%），故

可視為零。則有

（8.1.13）式中的負(fù)號說明i1和i2相位相反，即i1N1對i2N2有去磁作用。①變換電流由式（8.1.13）可得出一次繞組和二次繞組電流有效值之比為

（8.1.14）上式說明一次側(cè)電流與二次側(cè)電流之比與繞組的匝數(shù)成反比，與變壓比的倒數(shù)成正比?？梢?，變壓器不僅有變換電壓的作用，還有變換電流的作用。

②變換阻抗在電子技術(shù)中，總是希望負(fù)載能獲得最大功率。負(fù)載能獲得最大功率的條件是負(fù)載電阻等于信號源內(nèi)阻。在實(shí)際電路中，負(fù)載阻抗與信號源內(nèi)阻往往是不相等的，若將負(fù)載直接接在信號源上就難于能獲得最大功率。因此，可由變壓器進(jìn)行阻抗變換，從而實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。圖8.1.8（a）是接有負(fù)載阻抗Z的變壓器電路，圖8.1.8（b）為變壓器從一次側(cè)看進(jìn)來的等效電路，它與圖（a）中一次側(cè)的端電壓U1和電流I1分別相同，Z/是負(fù)載Z等效到一次側(cè)的阻抗。下邊討論Z/和Z之間的數(shù)量關(guān)系。由圖8.1.8（b）可知在圖（a）中

（8.1.15）

圖8.1.8變壓器阻抗變換的等效電路可見，經(jīng)過變壓器的變換后，相當(dāng)于負(fù)載的阻抗增加了k2倍。因此，在一些電子設(shè)備中，為了獲得最大的功率輸出，可以利用變壓器將負(fù)載阻抗增大或減小到正好等于電源的內(nèi)阻抗，以達(dá)到最佳的功率“匹配”。

【例8.1.1】收音機(jī)的揚(yáng)聲器為8。(1)若將它接在內(nèi)阻RS為800，電動勢Es為10V的交流放大器上，求放大器輸送給揚(yáng)聲器的功率。（2）若通過k=10的變壓器連接在放大器上，再求放大器輸送給揚(yáng)聲器的功率。解：（1）若將揚(yáng)聲器直接接在放大器上，如圖8.1.9（a）所示，此時揚(yáng)聲器的功率為

（2）若將揚(yáng)聲器（R）通過變壓器接在放大器上，如圖8.1.9（b）所示，則根據(jù)圖8.1.9（c）的等效電路，揚(yáng)聲器得到的功率為

可見，通過變壓器進(jìn)行阻抗變換以后，揚(yáng)聲器可以得到大得多的功率。圖8.1.9例8.1.1示意圖3．變壓器的外特性變壓器的外特性是在一次繞組加上電壓U1N和二次繞組的負(fù)載功率因數(shù)cosφ2不變時，二次電壓U2隨負(fù)載電流I2的變化規(guī)律，即U2=f（I2）。變壓器相對于負(fù)載是一個電源。因此，當(dāng)I2增大時，在二次繞組中在電阻r2及漏電抗x2上的電壓降增大，U2隨I2的增大略有下降，所以變壓器外特性是一條略向下傾斜的特性曲線，如圖8.1.10所示。二次側(cè)電壓的變化情況，除了由外特性表示外，還可以用電壓調(diào)整率ΔU%表示。當(dāng)I2由0增大到I2N（二次額定電流），若輸出端從開路電壓U20降到U2，則電壓調(diào)整率ΔU%為為圖8.1.10變壓器的外特性曲線（8.1.15）

4.變壓器的同名端變壓器的多個繞組在串聯(lián)或并聯(lián)時，必須注意其同名端。在圖8.1.11（a）中若將電流iab和icd分別從繞組的a端和c端流入，那么鐵心中產(chǎn)生的磁通Фab和Фcd是互相增強(qiáng)的，所以a端和c端便稱為這兩個繞組的同名端，另外，不對應(yīng)的兩端a和d則為異名端。顯然，f端與h端也是同名端?？梢钥闯觯瑥乃型怂腿腚娏鲿r，在同一鐵心中產(chǎn)生的磁通都是互相增強(qiáng)的。在變壓器的符號圖上，同名端常用小圓點(diǎn)表示，如圖8.1.11（b）所示。實(shí)際上同名端也反映了變壓器各繞組電動勢的同相位關(guān)系，所以同名端又稱為同極性端。判斷同名端的方法是：同一鐵心上有兩個繞組，每個繞組有首端和末端，如兩個繞組繞向相同，兩個首端則為同名端，如圖8.1.12（a）的A、a端；同一鐵心上有兩個繞組，如兩個繞組的繞向相反，如圖8.1.12（b）所示，一個繞組的首端A與另一繞組的末端x則為同名端。了解了變壓器的同名端以后，便不難進(jìn)行繞組的串聯(lián)或并聯(lián)。圖8.1.12同名端的表示圖8.1.11多繞組變壓器

5.變壓器的主要額定參數(shù)

(1)額定容量SN

變壓器額定容量是指變壓器的額定視在功率SN，單位VA，KVA或MVA。變壓器在傳遞能量過程中，效率很高，可達(dá)95%以上，故通常二次繞組按一次繞組的相等容量設(shè)計。

(2)額定電壓U1N和U2N

U1N是指額定運(yùn)行情況下，一次繞組接線端點(diǎn)之間所施加的電壓；U2N是指一次繞組在外加電壓為U1N時，二次繞組輸出端的空載電壓U20，即U2N=U20。（3）額定電流I1N和I2N

根據(jù)額定容量和額定電壓所計算的電流，稱為額定電流，單位A或KA。即（4）額定頻率fN

我國規(guī)定電力工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，而歐洲許多國家的市電頻率為60Hz，航空器的電源頻率一般為400Hz。1.自耦變壓器

自耦變壓器一般用于調(diào)節(jié)輸出電壓，又稱為調(diào)壓器。從結(jié)構(gòu)上看，自耦變壓器與上述變壓器有區(qū)別，如圖8.1.13所示，其中的二次繞組是一次繞組的一部分。因此，自耦變壓器兩側(cè)繞組不但有磁耦合，也有電氣連接，所以沒有電氣隔離作用。從原理上來講，自耦變壓器與上述變壓器一致，電壓比k也等于匝數(shù)比。即（8.1.16）

8.1.4特殊變壓器圖8.1.14所示為自耦變壓器結(jié)構(gòu)外形和連接圖。使用自耦變壓器時應(yīng)注意，輸入端必須接在交流電源上，輸出端應(yīng)接到負(fù)載上，不能接錯，否則有可能將自耦變壓器毀壞。2．儀用互感器儀用互感器是一種測量用的變壓器，它有電壓互感器和電流互感器兩種類型。圖8.1.14自耦變壓器的結(jié)構(gòu)及連接圖圖8.1.13自耦變壓器示意圖

（1）電壓互感器測量高壓線路的電壓，如果用電壓表直接測量，不僅對工作人員很不安全，而且要求儀表的絕緣等級也非常高。故需用有一定變比的電壓互感器將高電壓變?yōu)榈碗妷?，以方便測量。電壓互感器一次側(cè)的匝數(shù)多，二次側(cè)的匝數(shù)少，如圖8.1.15所示。圖中，一次側(cè)接高壓電網(wǎng)電壓，如6kV、330kV、500kV等，二次側(cè)輸出電壓均為100

V。為了保證人員安全，使用電壓互感器時高壓電路與儀表之間應(yīng)有良好的絕緣材料隔開；鐵心與二次繞組的一端應(yīng)安全接地；另外，二次側(cè)電路不能短路。圖8.1.15電壓互感器（2）電流互感器電流互感器是主要用來測量低壓線路中的大電流。它的一次繞組匝數(shù)少，串聯(lián)在負(fù)載電路中；二次繞組的匝數(shù)多，通過電流表短接，電路連接如圖8.1.16所示。一次側(cè)電流為10~25000A，二次側(cè)電流均為5A。使用時，電流互感器二次側(cè)繞組的地端應(yīng)良好接地，并且二次側(cè)電路不允許開路。圖8.1.16電流互感器【練習(xí)與思考】8.1.1如果把一次側(cè)220V的電壓變?yōu)槎蝹?cè)的110V的電壓，變壓器一、二次匝數(shù)原來分別為2200匝/1100匝，如果把它改為20匝/10匝，可以這樣做嗎？為什么？

8.1.2有一變壓器，一次繞組電壓=3000V，二次繞組電壓=220V，如果負(fù)載是一臺220V，15kW的電阻爐，試求變壓器一次、二次繞組的電流各為多少？

8.2三相異步電動機(jī)

按照供電形式，電動機(jī)分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。電動玩具和便攜式的電動裝置，大多使用直流電動機(jī)；家用電器一般使用交流異步電動機(jī)；工業(yè)生產(chǎn)的驅(qū)動裝置，通常使用三相異步電動機(jī)。由于異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。8.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖8.2.1所示。

1．定子定子是電動機(jī)的固定部分，它主要由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座等組成，用于產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子鐵心通常用0.5圖8.2.1三相異步電動機(jī)的構(gòu)造

8.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

mm厚的硅鋼片疊壓而成，各片間涂有絕緣漆。小型電動機(jī)為圓形沖片，大中型電動機(jī)由扇形沖片拼成，它的內(nèi)表面有均勻槽孔，用于嵌放定子繞組。三相定子繞組U1U2，V1V2，W1W2對稱地嵌放在鐵心中，在空間上分別相差，稱為三相對稱繞組。其中U1、V1

、W1稱為三相繞組的首端；U2、V2

、W2稱為三相繞組的末端。這6個端子引出到機(jī)座接線盒的接線柱上，可以讓用戶根據(jù)需要將三相繞組接成Y形或D（即Δ）形，如圖8.2.2所示。圖8.2.2三相異步電動機(jī)接線柱的聯(lián)結(jié)

2．轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，它由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成，用于驅(qū)動外部機(jī)構(gòu)運(yùn)動。轉(zhuǎn)子鐵心是電動機(jī)主磁路的一部分，通常用0.5mm硅鋼片疊壓成圓柱體，在外圓周表面沖有槽孔，用于嵌放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和（繞）線型兩種?；\型的轉(zhuǎn)子外形像個籠子，因而得名。對于容量為100kW以上的大型電動機(jī)，籠型轉(zhuǎn)子常用銅條插入轉(zhuǎn)子內(nèi)，并在銅條兩端焊上端環(huán)構(gòu)成，如圖8.2.3（a）所示。對于中、小型電動機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子，為了節(jié)省銅材料，一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖8.2.3（b）

所示。圖中，突出部分是散熱的風(fēng)葉，它在鑄造鋁轉(zhuǎn)子的同時制成，以簡化制造工藝，降低成本。線型繞組和定子一樣，也是在空間安放對稱的三相繞組，并接成星形，然后將3個首端接到轉(zhuǎn)軸三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上，如圖8.2.4所示。圖中，滑環(huán)對轉(zhuǎn)子是絕緣的，它通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的3個首端引出到機(jī)座的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子回路中串入變阻器，用于改善電動機(jī)的起動性能和調(diào)速性能。圖8.2.3籠型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖8.2.4線型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖1—轉(zhuǎn)子鐵心2—轉(zhuǎn)子繞組3—電刷4—變阻器5—滑環(huán)6—轉(zhuǎn)軸

三相異步電動機(jī)由定子的旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流，再與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。所以，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的先決條件。

1．旋轉(zhuǎn)磁場

（1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)向在三相對稱定子繞組中，U1U2、V1V2和W1W2在空間上互差1200。如果將三相繞組聯(lián)結(jié)成星形，并接到對稱的三相正弦交流電源上，如圖8.2.5所示。當(dāng)三相繞組各自通入電流，將分別產(chǎn)生交變磁場。這3個交變磁場在定子空8.2.2三相異步電動機(jī)的工作原理間合成為一個兩極磁場。下面取、和的特定時刻加以分析，以窺全貌。圖8.2.5定子繞組通入交變電流

當(dāng)ωt=00時，iu=0，故U1U2繞組中沒有電流；iv為負(fù)值，則電流由末端V2流入，從首端V1流出；iw為正值，電流由首端W1流入，從末端W2流出。根據(jù)右手螺旋定則，V1V2繞組和W1W2繞組產(chǎn)生各自的磁場，它們在定子空間中合成的磁場如圖8.2.6（a）所示。此時，對于定子鐵心來講，上方相當(dāng)于N磁極，下方相當(dāng)于S磁極，即合成的磁場形成了兩個磁極，也稱一對磁極，故磁極對數(shù)p=1。當(dāng)ωt=600時，iw=0，故W1W2繞組中沒有電流；iv

為負(fù)值，則電流由末端V2流入，從首端V1流出；iu為正值，電流由首端U1流入，從末端U2流出。這時，V1V2繞組和

U1U2繞組各自的磁場，在定子空間中合成的磁場如圖8.2.6（b）所示。由此可見，此時合成的磁場與圖8.2.6（a）比較，惟一的區(qū)別是磁極軸線在空間上沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了600。當(dāng)ωt=900時，iu為正值，則電流由U1端流入，從U2端流出；iv為負(fù)值，則電流由V2端流入，從V1端流出；iw為負(fù)值，電流由W2端流入，從W1端流出。同理，可畫出此時空間中合成的磁場如圖8.2.6（c）所示。它與圖8.2.6（a）比較看出，惟一的區(qū)別是此時合成磁場的磁極軸線在空間上沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了900。

圖8.2.6兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖依此類推，當(dāng)定子三相對稱繞組通入三相對稱的正弦交流電流變化一個周期時，合成磁場也在空間相應(yīng)旋轉(zhuǎn)了一個周期，即3600。這個合成磁場如同一對磁極在旋轉(zhuǎn)的磁場一樣，它的磁場大小不變，旋轉(zhuǎn)方向從U相轉(zhuǎn)到V相，再轉(zhuǎn)向W相，即按照U→V→W的正序方向旋轉(zhuǎn)。隨著交流電周期性地流入定子繞組，則所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將一直沿著順時針方向不停地旋轉(zhuǎn)。若要改變旋轉(zhuǎn)方向，只要將電動機(jī)U、V、W中任意兩根接線交換時，旋轉(zhuǎn)磁場就變?yōu)槟嫘蛐D(zhuǎn)。

（2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速由圖8.2.6可見，當(dāng)三相交流電變化一個周期T時，則磁場在空間旋轉(zhuǎn)了一圈因此，電流每秒變化f周期，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為每秒f轉(zhuǎn)。若用表示每分鐘定子磁場的轉(zhuǎn)速（稱為同步轉(zhuǎn)速），即可得到

除此之外，旋轉(zhuǎn)磁場還與磁極對數(shù)有關(guān)。通過合理設(shè)計，定子的磁極對數(shù)可以做成一對、二對、三對或更多對。

可以證明，當(dāng)磁極對數(shù)p=2時，交流電變化一個周期，合成磁場只旋轉(zhuǎn)1800，其轉(zhuǎn)速為。由此可推廣到具有p對磁極旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為

2.轉(zhuǎn)差率三相電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子銅條或鋁條時，即可使轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電勢和電流。當(dāng)轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用（電動原理）時，則可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。（8.2.1）

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同，但它的轉(zhuǎn)速n應(yīng)比同步轉(zhuǎn)速低，以保證轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場有相對運(yùn)動而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場轉(zhuǎn)速不同步（即不相同），這就是異步電動機(jī)名稱的由來。同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差，用△n表示，叫做轉(zhuǎn)速差。轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速之比，稱為轉(zhuǎn)差率，用s表示。即（8.2.2）

轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個主要參數(shù)。在電動機(jī)起動瞬間，轉(zhuǎn)差率最大，s=1；在空載運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速最高，則轉(zhuǎn)差率最小。通常三相異步電動機(jī)在額定負(fù)載條件下運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比空載時略低，所以額定轉(zhuǎn)差率sN約為1%~9%。

【例8.2.1】有一臺三相異步電動機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為975r/min，電源頻率為50Hz，磁極對數(shù)p=3。試求它的轉(zhuǎn)差率。解：由式（8.2.1）可求出同步轉(zhuǎn)速為

則轉(zhuǎn)差率s為1．電磁轉(zhuǎn)矩特性電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)子導(dǎo)電條中的電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場φ相互作用產(chǎn)生的。因此，電磁轉(zhuǎn)矩T的大小與I2、φ以及轉(zhuǎn)子電路的功率因數(shù)cosφ2成正比。而I2和cosφ2均與轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)子電阻R2、電動機(jī)起動瞬間的轉(zhuǎn)子感抗X20以及電源電壓U1等有關(guān)?？梢宰C明，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T可表示為

8.2.3三相異步電動機(jī)的運(yùn)行特性式中KT為與電動機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。由式（8.2.3）可見，電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，說明電源電壓的變化對電磁轉(zhuǎn)矩影響很大。當(dāng)電源電壓和頻率一定，且R2和X20都為常數(shù)時，電磁轉(zhuǎn)矩T只隨轉(zhuǎn)差率s變化，即T=f（S），它的特性曲線如圖8.2.7所示，稱為電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線。（8.2.3）圖8.2.7電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線

上圖可分為兩個區(qū)域。當(dāng)（即

）時，可認(rèn)為T與s成正比，且曲線變化比較明顯；當(dāng)（即

）時，可認(rèn)為T與s成反比，且曲線變化比較平坦。在圖8.2.7中，還可以得到以下幾個重要轉(zhuǎn)矩。（1）最大轉(zhuǎn)矩Tmax

在曲線上的最大值，稱為最大轉(zhuǎn)矩Tmax

。當(dāng)對式（8.2.3）求導(dǎo)，令并時，則可求得出現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率為將式（8.2.4）代入式（8.2.3），可得到最大轉(zhuǎn)矩為

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過時，電動機(jī)被迫停轉(zhuǎn)。此時定子和轉(zhuǎn)子電流都將劇增，使電動機(jī)的溫度迅速升高，很容易導(dǎo)致電動機(jī)的繞組燒毀。為此，引入了過載系數(shù)，它是指電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩TN的比值。即（8.2.4）

（8.2.5）

一般來說，異步電動機(jī)的過載系數(shù)約為2，特殊用途的異步電動機(jī)可選大些。（2）起動轉(zhuǎn)矩Tst

電動機(jī)在起動瞬間（n=0時）的轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩，用Tst表示。此時將s=1代入式（8.2.3）得到起動轉(zhuǎn)矩為由式（8.2.7）可見，與U12和R2有關(guān)。U1降低時，Tst將（8.2.6）

（8.2.7）

減小；適當(dāng)增大R2時，Tst將增大。只有當(dāng)Tst≥TN(額定轉(zhuǎn)矩)時，電動機(jī)才能起動運(yùn)行。為此，通常用起動轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值來反映電動機(jī)的直接起動能力，用λst

表示。其中式中，TN為額定轉(zhuǎn)矩，P2N為電動機(jī)的額定輸出功率（kW），

nN為電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。（8.2.8）籠型異步電動機(jī)的直接起動能力低，一般為1~1.2，起重機(jī)用的電動機(jī)，要求直接起動能力要高些。而線型異步電動機(jī)起動時，常在轉(zhuǎn)子繞組中外接電阻來增大起動轉(zhuǎn)矩，可改善起動性能。待起動之后，再將外接的起動電阻短接。

2.機(jī)械特性在實(shí)際工作中，常用異步電動機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)來分析，它是從曲線順時針旋轉(zhuǎn)900得到的，反映了電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的函數(shù)關(guān)系，曲線如圖8.2.8所示。圖8.2.8機(jī)械特性曲線a從上圖曲線所對應(yīng)的兩個區(qū)間來看，當(dāng)0<s<s時稱為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間，當(dāng)s<s<1時稱為非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間。下面簡要分析這兩個區(qū)間的運(yùn)行情況。

(1)穩(wěn)定運(yùn)行設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為TN時，電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在0<s<sm區(qū)間，則電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩T=TN，n=nN；若由于某種原因使負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL增大時，最初瞬間T<TL，所以電動機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降n<nN，s增大，使電磁轉(zhuǎn)矩T增加。當(dāng)T增加到重新等于TL時，則電動機(jī)在新的狀態(tài)下運(yùn)行，但此時轉(zhuǎn)速變低。可見，在0<s<sm范圍之內(nèi)運(yùn)行時，無論TL增大或減小，電動機(jī)都能夠自動適應(yīng)負(fù)載的變化，通過調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來達(dá)到新的平衡，從而保持穩(wěn)定運(yùn)行。此區(qū)間曲線上的ab段相對比較平坦，說明電動機(jī)轉(zhuǎn)矩在較大范圍變化時，它的轉(zhuǎn)速變化不大。這種情況稱為硬的機(jī)械特性。在這個區(qū)間電動機(jī)的運(yùn)行調(diào)節(jié)過程，可以歸納如下：

TL↑→n↓→s↑→T↑→T=TL（運(yùn)行時轉(zhuǎn)速下降）

(2)非穩(wěn)定運(yùn)行

在sm<s<1區(qū)間，如果負(fù)載TL增大時，同樣由于T<TL使電動機(jī)轉(zhuǎn)速n下降。從這區(qū)間的曲線來看，T與s的變化方向相反，n下降則使s增大，反而使T減小。這樣，T與TL差距變大，使轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，很有可能使電動機(jī)停車，即n=0。停車時將造成轉(zhuǎn)子及定子繞組的電流急劇增大，使電動機(jī)過熱而損壞?？傊?，在sm<s<1區(qū)間，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩不能適應(yīng)負(fù)載的變化。在這個區(qū)間電動機(jī)的運(yùn)行過程，可以歸納如下：

TL↑→n↓→s↑→T↓→T<<TL→n↓↓…→n=0(停車)

【例8.2.2】有一臺三相異步籠型電動機(jī)，其額定功率PN為100kW，額定轉(zhuǎn)速為1480r/min，λm=2.2，λst=1.2。試求它的額定轉(zhuǎn)速、起動轉(zhuǎn)矩和最大轉(zhuǎn)矩。解：由可得到額定轉(zhuǎn)矩為1.電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)及額定值（1）銘牌數(shù)據(jù)

三相異步電動機(jī)機(jī)座上有一塊銘牌如圖8.2.9（a）所示，它標(biāo)示出該電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，主要有以下內(nèi)容。①型號

按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，型號包括產(chǎn)品名稱和規(guī)格代號，由漢語拼音大寫字母或英語字母加阿拉伯字母組成，其含義如圖8.2.9（b）所示。8.2.4三相異步電動機(jī)的使用圖8.2.9電動機(jī)銘牌及型號的含義

②額定功率與效率

電動機(jī)定子加額定電壓，軸上帶額定負(fù)載（指定子電流為額定電流）時，電動機(jī)軸上的輸出機(jī)械功率，用表示。效率是指額定功率與輸入功率之比，即。

③

額定電壓與接法

額定電壓是指電動機(jī)在額定運(yùn)行時定子繞組的線電壓，它與繞組的接法有對應(yīng)關(guān)系。目前Y系列異步電動機(jī)的額定電壓都是380V，功率在3kW以下都接成Y型，而4kW以上都接成D形，一般規(guī)定電壓偏移不應(yīng)超過額定值的5％，過高或過低均會縮短電動機(jī)的使用壽命。

④額定轉(zhuǎn)速它指電動機(jī)在定子為額定電壓和額定電流時，電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)速，它略小于同步轉(zhuǎn)速。⑤絕緣等級

絕緣等級是按電動機(jī)繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度來分級的，不同等級絕緣材料的極限溫度見表8.2.1所示。表8.2.1絕緣材料的耐熱分級和極限溫度。絕緣等級

AEBFH極限溫度(0C)105120130155180三相異步電動機(jī)在滿負(fù)荷時（額定負(fù)載）功率因數(shù)和效率均較高，；在空載或輕載時，其功率因素和效率均較低，所以要盡量避免電動機(jī)處于輕載運(yùn)行或長期空載運(yùn)行。

2．起動線型異步電動機(jī)在起動時通常在轉(zhuǎn)子中串接起動電阻，既可降低起動電流，也可增大起動轉(zhuǎn)矩。下面主要討論三相籠型異步電動機(jī)直接起動和降壓起動兩種方法。（1）直接起動直接起動，也稱為全壓起動，它是一種最簡單的起動方法。起動時，通過一些直接起動設(shè)備，把全部電源電壓直接加到電動機(jī)定子繞組，顯然，這時起動電流較大，為額定電流的4~7倍。根據(jù)對國產(chǎn)三相異步電動機(jī)的實(shí)際測量，某些籠型異步電動機(jī)的起動電流為額定電流的8~12倍。因此，一般規(guī)定，異步電動機(jī)功率低于7.5kW時允許直接起動。其他情況下一般應(yīng)采用降壓起動。（2）降壓起動降壓起動就是降低定子的端電壓U1來起動電動機(jī)。因?yàn)楫惒?/p>

電動機(jī)的Tmax、Tst均正比于電網(wǎng)電壓U12，所以當(dāng)U1下降時，Tmax、Tst均成平方關(guān)系下降。因此，這種起動方法僅適用輕載或空載場合的起動。降壓起動常用方法是Y-D變換起動和自耦變壓器的補(bǔ)償起動。

①星—角變換起動起動時，先將三相定子繞組接成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時，再改接為三角形，如圖8.2.10所示。當(dāng)開關(guān)投向Y時，定子繞組的U1、V1

、W1

（首端）接電源，U2、V2

、W2

（末端）接在一起，組成Y形起動電路。這時，每相繞組所承受電壓均為電源的相電壓，即為線電壓，故起動轉(zhuǎn)矩為直接起動的1/3。當(dāng)電動機(jī)降壓起動后且轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定值時，再將開關(guān)Q2迅速投向“D”位置，使定子繞組U1W2、V1U2、W1V2相聯(lián)，接成D形，外接電源為線電壓，并處于長期運(yùn)行。②自耦補(bǔ)償起動

自耦補(bǔ)償起動是利用自耦變壓器降低加到電動機(jī)定子繞組的電壓，以減少起動電流，其控制線路如圖8.2.11所示。起動時，把開關(guān)Q2投向“起動”位置，這時自耦變壓器一次繞組加全電壓，電動機(jī)定子繞組為二次繞組的抽頭電壓，這個電壓通常比電源的線電壓低。待電動機(jī)起動后，由Q2逐段切除自耦變壓器的二次繞組，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步接近nN。當(dāng)開關(guān)Q2轉(zhuǎn)換到“運(yùn)行”位置時，則自耦變壓器二次繞組全部被切除，電動機(jī)處于全壓運(yùn)行。圖8.2.10Y-D起動線路圖8.2.11自耦補(bǔ)償起動線路

3．制動當(dāng)異步電動機(jī)工作在反接制動與能耗制動時，共同特點(diǎn)是電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反，電動機(jī)在軸上吸收機(jī)械能，并轉(zhuǎn)換為電能，以達(dá)到制動目的。

（1）能耗制動當(dāng)電動機(jī)需要制動時，首先將電動機(jī)開關(guān)Q從“運(yùn)行”位置與交流電源斷開，并轉(zhuǎn)接到“制動”位置，使直流電源U立即給定子繞組通入電流，如圖8.2.12所示。通入直流電流時，定子繞組將建立一個靜止的直流磁場，而電動機(jī)轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)沿著原來方向轉(zhuǎn)動。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割這個磁場，形成感應(yīng)電流而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)左手定則，可確定制動轉(zhuǎn)矩的方向與原來的轉(zhuǎn)矩方向相反，阻止電動機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，使電動機(jī)迅速停車。在這種制動過程中，轉(zhuǎn)子的動能轉(zhuǎn)換為電能，并將其消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，所以稱為能耗制動。能耗制動的特點(diǎn)是制動平穩(wěn)，能耗小，但需配直流電源。

（2）反接制動實(shí)現(xiàn)反接制動最簡單的方法是將定子繞組的兩相反接即可，如圖8.2.13所示。為了迅速停車（或反向運(yùn)轉(zhuǎn)），可將Q2由右邊（運(yùn)行）位置搬向左邊（制動）位置上，使定子兩相反接，改變電源的相序，使旋轉(zhuǎn)磁場的方向發(fā)生改變，產(chǎn)生與原來轉(zhuǎn)矩方向相反的制動轉(zhuǎn)矩，這對由于慣性作用仍沿著原來方向轉(zhuǎn)動的電動機(jī)起到制動作用。為避免電動機(jī)反向起動，這種制動電路還需設(shè)有測速裝置，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速接近零時自動切斷電源。反接制動的特點(diǎn)是設(shè)備簡單，制動效果好，但能耗大。有些中小型車床和機(jī)床主軸的制動常采用這種方法。圖8.2.12能耗制動電路圖8.2.13反接制動電路4.調(diào)速由異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式可見，通過改變磁極對數(shù)p、電源頻率f1和轉(zhuǎn)差率s，可調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。下面簡要介紹這三種調(diào)速方法。

（1）變極調(diào)速由no=60f/p可知，如果磁極對數(shù)p減小一半，則旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速便提高一倍。這時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也差不多提高一倍。因此，改變p，可以得到不同的轉(zhuǎn)速。但p只能按倍數(shù)關(guān)系改變，故不能連續(xù)調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此變極調(diào)速也稱為有級調(diào)速。而p的改變與定子繞組的接法有關(guān)。圖8.2.14所示是三相繞組中某一相的接法示意圖，每一相繞組分成兩半，分別為繞組1和繞組2。圖8.2.14（a）是兩個半繞組1和2正向串聯(lián)，得到磁極對數(shù)p=2，可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降。圖8.2.14（b）是將其中的一個半繞組與另一個半繞組進(jìn)行反向聯(lián)接，使兩個半繞組1、2中的電流方向相反，得到極數(shù)p=1的磁場。圖8.2.14（c）所示是將兩個半繞組反并聯(lián)（即繞組的頭尾相連），得出p=1。在變極時，一個半繞組中的電流方向不變，而另一個半繞組的電流必須改變方向。若電動機(jī)定子內(nèi)部只有一對磁極時，一般采用這種變極方法來調(diào)速。這種電動機(jī)稱為雙速電機(jī)，在鏜床、磨床、銑床等機(jī)床上用得較多。圖8.2.14改變定子繞組聯(lián)接方法的變極調(diào)速

（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速轉(zhuǎn)差率的改變往往是通過改變電源電壓和轉(zhuǎn)子電阻來實(shí)現(xiàn)的。對于電動機(jī)，改變電源電壓，可以得到不同的電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線，如圖8.2.15所示。圖8.2.15改變電源電壓調(diào)速

例如，電源電壓為U1時，轉(zhuǎn)差率為sa；當(dāng)電壓減小到U1/時，轉(zhuǎn)矩T由a點(diǎn)減小到a/點(diǎn)，使T<TL（阻矩），于是轉(zhuǎn)速n降低轉(zhuǎn)差率s增大，則T隨之增大。當(dāng)轉(zhuǎn)差率從sa增至sb時，T就升到b點(diǎn)，T與TL又取得平衡。但此時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速比電壓為U1時降低了，而轉(zhuǎn)差率卻增大了。由于籠型電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻通常很小，其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間段很陡，這樣電源電壓在不大的范圍內(nèi)變化時，其轉(zhuǎn)差率和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化量都很小。故實(shí)際上籠型電動機(jī)很少用這種方法來調(diào)速。對于線型電動機(jī)，因?yàn)檗D(zhuǎn)子可串入電阻，所以可通過改變轉(zhuǎn)子電路的電阻值來調(diào)速。如圖8.2.16所示為不同轉(zhuǎn)子電

阻所對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線。由此可見，當(dāng)轉(zhuǎn)子電阻增大時，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)速減低；反之，轉(zhuǎn)子電阻減小時，轉(zhuǎn)差率也減小，則轉(zhuǎn)速升高。這種調(diào)速方法可使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)得到調(diào)節(jié)，因此具有較好的調(diào)速性能。但此方法不適用于籠型電動機(jī)。圖8.2.16改變轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速（3）變頻調(diào)速由no=60f/p可知，改變定子繞組的電源頻率，就可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速但電源頻率是不能改變的，需要采用變頻調(diào)速裝置來實(shí)現(xiàn)。變頻調(diào)速裝置主要由整流器、逆變器和控制電路等三大部分組成，如圖8.2.17所示。圖中，整流器用于將50Hz（大功率采用三相，小功率采用單相）的交流電源變換為直流電；控制電路用于控制整流電流的大小和調(diào)節(jié)逆變器頻率或電壓U1等，通用變頻器輸出上限頻率有120Hz和400Hz兩種；逆變器用于將直流電變換三相交流電，提供給籠型電動機(jī)。由此可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無級調(diào)速。圖8.2.17變頻調(diào)速裝置示意圖在對異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時，總希望電動機(jī)的主磁通保持額定值不變。若磁通太弱，鐵心利用率低，在同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，則拖動負(fù)載能力下降；若磁通過強(qiáng)，容易造成電動機(jī)的磁路過飽和，使電動機(jī)的功率因數(shù)降低，鐵心損耗劇增?？梢?，磁通過低或過高，都會給電動機(jī)帶來不良的后果。為此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同負(fù)載的需要，采用不同的調(diào)速方式。目前普遍采用下列兩種變頻調(diào)速方式。

①恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速當(dāng)異步電動機(jī)采用改變頻率調(diào)速，從額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)整時，為了保持主磁通恒定不變，由可知，應(yīng)保持（常數(shù)），也就是電壓和頻率兩者要成比例地同時調(diào)節(jié)。這樣，由可知，當(dāng)不變時，可使電磁轉(zhuǎn)矩T近似不變，而n0隨f1的調(diào)節(jié)而改變。這就是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。例如在車床控制中，車刀的進(jìn)給運(yùn)動可看作是恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動，就是采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

②恒功率負(fù)載的調(diào)速采用變頻調(diào)速使電動機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速以上時，定子繞組電流的頻率將大于額定值。但由于定子繞組電壓U1受額定電壓U1N的限制，只能再保持U1=U1N。這時，磁通和轉(zhuǎn)矩T都將減小。轉(zhuǎn)速增大，轉(zhuǎn)矩減小，將使電動機(jī)的功率近似不變。這種調(diào)速方式成為恒功率調(diào)速。例如在車床的主軸則希望采用恒功率調(diào)速。【練習(xí)與思考】8.2.1什么叫同步轉(zhuǎn)速？它與哪些因素有關(guān)？一臺三相四極交流電動機(jī)，試分別寫出電源頻率f=50Hz與f=60Hz的同步轉(zhuǎn)速。

8.2.2異步電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2900r/min，電源頻率為50Hz。試求轉(zhuǎn)子電流的頻率。

8.2.3對于額定電壓為380/220V的三相異步電動機(jī)，若接到線電壓為220V的電源上，定子繞組應(yīng)如何連接（Y/D）？單相異步電動機(jī)由單相交流電源供電，它廣泛地應(yīng)用于家用電器上，如電風(fēng)扇、電冰箱、洗衣機(jī)等。它的轉(zhuǎn)子為籠型結(jié)構(gòu)，定子為單相工作繞組。與同容量的三相異步電動機(jī)相比，單相異步電動機(jī)體積較大，運(yùn)行性能較差。因此，單相異步電動機(jī)只做成小容量的，功率約在8~750W之間。

8.3.1單相異步電動機(jī)的工作原理單相異步電動機(jī)定子為單相繞組，在通入單相交流電流時，設(shè)，此電流將產(chǎn)生一個位置固定（磁場軸線與繞組軸線重合），大小隨時間作正弦變化的脈動磁通，8.3單相異步電動機(jī)

即，它在空間的分布規(guī)律，如圖8.3.1（a）所示。每一時刻的脈動磁通可以分解為兩個旋轉(zhuǎn)磁通φ1和φ2

，如圖8.3.1（b）所示。由此可見，φ1和φ2的大小相等，幅值均φm/2，轉(zhuǎn)速相同，但旋轉(zhuǎn)方向相反。例如，在t=0時刻，φ1與φ2的方向相反，合成的φ=0；在t=t1時刻，φ1按順時旋轉(zhuǎn)ωt1，而φ2按逆時方向旋轉(zhuǎn)ωt1，故合成的。其他的依次類推。由三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理可知，兩個旋轉(zhuǎn)磁通將同時在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T1和T2，由于φ1與φ2的方向相反，則T1和T2的轉(zhuǎn)矩方向也相反，它們的電磁特性曲線圖8.3.1定子單相繞組的磁場如圖8.3.2所示。其中，而T為T1和T2的合成轉(zhuǎn)矩。圖8.3.2電磁特性曲線由此可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止即n=0時，s=1，T1st和T2st大小相等，方向相反，合成轉(zhuǎn)矩T=0，電動機(jī)不能自行起動。但是，若用外力使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來，例如轉(zhuǎn)子沿著順時針方向轉(zhuǎn)動，此時s1減小，s2增加，T1＞T2，合成轉(zhuǎn)矩T將使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)，并將穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上；反之，若用外力使轉(zhuǎn)子反向轉(zhuǎn)動，則合成T將使轉(zhuǎn)子沿著轉(zhuǎn)動方向繼續(xù)反向轉(zhuǎn)動。這就是說，單相異步電動機(jī)需要解決自起動問題。

為了使單相異步電動機(jī)能夠產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵是如何在起動時在電動機(jī)內(nèi)部形成一個旋轉(zhuǎn)磁場，目前普遍采用電容分相式的方法來起動。分相式電動機(jī)定子上嵌有兩個繞組，一個稱為主繞組（或稱為工作繞組），另一個稱為輔助繞組（或者稱為起動繞組）。兩個繞組在空間相位差900，它們接在同一單相電源上，如圖8.3.3所示，其中S為一離心開關(guān)，平時處于閉合狀態(tài)，當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到（75%～80%）n0時，由離心開關(guān)把輔助繞組從電源斷開。由于主繞組與輔助繞組電路的

8.3.2單相異步電動機(jī)的起動控制

阻抗特性不同，就可以構(gòu)成一個兩相定子系統(tǒng)，在電動機(jī)中形成旋轉(zhuǎn)磁場，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩。在輔助繞組中串聯(lián)電容器C，若容量選擇恰當(dāng)，可使輔助繞組的電流領(lǐng)先于主繞組電流900，從而獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)起動后，也需將輔助繞組從電源切除，由于電容器是短時工作的，一般可選用交流電解電容器。

如果電容器設(shè)計長期接在電網(wǎng)上工作，其接線圖如圖8.3.4所示。這時對電動機(jī)本身而言好像是一臺二相異步電動機(jī)（兩個繞組在空間相差900，而繞組中的電流在相位上也約為900），定子繞組在氣隙中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，使電機(jī)的性能有較大的改善，它的功率因數(shù)、效率及過載能力都比普通的單相異步電動機(jī)高。圖中，C為起動電容，C1為運(yùn)行電容，通常C>C1，所以電動機(jī)起動后仍要用離心開關(guān)S將起動電容C切除。這種電動機(jī)的功率較大，一般為60~750W，廣泛地用于農(nóng)村中抽水用的潛水泵電動機(jī)。由于C1長期工作，所以應(yīng)選用油浸式電容器。圖8.3.3電容分相式的接線圖8.3.4電容電動機(jī)的接線【練習(xí)與思考】8.3.1為什么單相異步電動機(jī)沒有固定的轉(zhuǎn)向？采用分相起動后有固定的轉(zhuǎn)向嗎？（觀察家中的電風(fēng)扇）8.3.2分析電容電動機(jī)C和C1的作用，農(nóng)村中潛水泵電動機(jī)如不能起動，可能是哪個電容器有故障，如能起動，在運(yùn)行中力矩不足時有哪些原因？8.3.3三相異步電動機(jī)斷了一根電源線后，為什么不能起動？而運(yùn)行中斷了一線，為什么可能繼續(xù)轉(zhuǎn)動？這兩種情況對電動機(jī)有何影響？8.4直流電動機(jī)

直流電動機(jī)有較大的起動轉(zhuǎn)矩，可以通過電樞回路中串電阻來限制起動電流。采用調(diào)節(jié)電樞回路端電壓可以獲得良好的調(diào)速性能，所以對于起、制動頻繁，起動轉(zhuǎn)矩較大和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械，如大型起重機(jī)械、礦井提升設(shè)備、電氣機(jī)車、龍門刨床、軋鋼機(jī)、造紙機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械仍采用直流電動機(jī)拖動。直流電動機(jī)的缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜、價格昂貴、維修困難。本節(jié)簡述直流電動機(jī)的工作原理和分類，扼要介紹其機(jī)械特性，調(diào)速方法和實(shí)際應(yīng)用。直流電動機(jī)也是在電磁基本定律的基礎(chǔ)上，由載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，形成方向不變的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子（即電樞）連續(xù)旋轉(zhuǎn)的。圖8.4.1所示為直流電動機(jī)的模型。圖中N、S為一對固定的磁極，兩個磁極間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞（即為直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子），圓柱體表面固定著一個線圈abcd，上線圈記為ab，下線圈記為cd。圖中A、B稱為電刷，1、2稱為換向片。電刷A接直流電源的正極，電刷B接直流電源的負(fù)極，電流總是從電刷A流進(jìn)，經(jīng)線圈后再8.4.1直流電動機(jī)的工作原理由電刷B流出。開始時，線圈邊ab處于N極下，線圈cd處于S極下，如圖8.4.1所示，根據(jù)左手定則，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為順時針方向。轉(zhuǎn)過1800后，線圈變成cd處于N極下，線圈ab變成處于S極下。這時由于電刷和換向片的作用，N、S極下導(dǎo)體的電流方向仍沒有改變，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩仍然是順時針方向。這樣在電磁轉(zhuǎn)矩的推動下，電樞將朝著順時針方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。外電路將直流電壓加于直流電動機(jī)電刷兩端，電樞導(dǎo)體里的電流是交流才能保證電樞繼續(xù)朝同一方向旋轉(zhuǎn)，而使外電路的直流在導(dǎo)體里成為交流是由換向器來完成的。圖8.4.1直流電動機(jī)的工作原理圖少數(shù)微型直流電動機(jī)以永久磁鐵作為固定磁場，大多數(shù)直流電動機(jī)是在主磁極的勵磁繞組中通以直流電流來建立勵磁磁場。勵磁電流的獲得方式不同，電動機(jī)的運(yùn)行特性就有很大差別。直流電動機(jī)的勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵等四種類型。

1．他勵直流電動機(jī)他勵式直流電動機(jī)的接法如圖8.4.2（a）所示，電樞繞組和勵磁繞組分別由兩個互相獨(dú)立的直流電源U和Uf供電。所以勵磁電流If不受電樞電壓U及電樞電流Ia的影響。永磁式直流電動機(jī)可以看作是他勵式的直流電動機(jī)。8.4.2直流電動機(jī)的分類圖8.4.2直流電動機(jī)的勵磁方式IfIsIs

2．并勵式直流電動機(jī)

并勵式直流電動機(jī)接法如圖8.4.2（b）所示，勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)后由同一電壓U供電，所以電動機(jī)出線電流I與電樞電流Ia及勵磁電流If的關(guān)系為I=Ia+If

。本節(jié)主要介紹并勵式直流電動機(jī)。

3．串勵直流電動機(jī)

串勵直流電動機(jī)接法如圖8.4.2（c）所示，勵磁繞組和電樞繞組串聯(lián)后施加同一電源U，所以電流I與Ia及串勵繞組電流IS相等，即I=Ia=IS

4．復(fù)勵直流電動機(jī)

這種電機(jī)的主磁極上有兩套勵磁繞組：一套與電樞繞組并聯(lián)，稱為并勵繞組Ｎf

，另一套與電樞繞組串聯(lián)，稱為串勵繞組NS

，根據(jù)NS所接的回路，還可分為長復(fù)勵和短復(fù)勵兩種，這兩種接法在性能上沒有多大差別。把NS接在總電流回路，如圖8.4.2（d）所示，稱為短復(fù)勵，這時串勵電流IS等于總電流即IS=I=Ia+If

；將NS接在電樞回路中，如圖8.4.2(e)所示，稱為長復(fù)勵，這時串勵電流IS等于電樞電流，即

IS=Ia

、

I=Ia+If

。直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖8.4.3所示。它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的空氣氣隙。

1．定子部分

（１）主磁極

在一般中小型直流電動機(jī)中，主磁極是電磁鐵，而在微型直流電動機(jī)，功率在０.6kW以下，主磁極是永久磁鐵。電磁鐵的主磁極鐵芯采用１～1.5mm厚度的硅鋼片疊壓緊固而成，繞好的勵磁繞組套在鐵心外面，整個磁極用螺釘固定在機(jī)座上。8.4.3直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖8.4.3直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)（２）換向極換向極又稱為附加極或間極，其作用是改善換向。（３）機(jī)座機(jī)座通常由鑄鋼鑄成或厚鋼板焊成，用來固定主磁極，換向極和端蓋。（４）電刷裝置電刷裝置是用于將直流電流引入或引出的裝置。

2．轉(zhuǎn)子部分直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子部分又稱為電樞，如圖8.4.4（a）所示。主要有以下部分組成。

（１）電樞鐵心電樞鐵芯有兩個作用，一個作為主磁路的主要部分；另一個是嵌放電樞繞組。電樞鐵心用0.5mm的硅鋼片疊壓而成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。

（２）電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成，它是直流電機(jī)的主要電路部分，用以通過電流和產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，是實(shí)現(xiàn)電能量變換的關(guān)鍵部件。

（３）換向器換向器也是直流電機(jī)的重要部件，如圖8.4.4（b）所示。在直流電動機(jī)中，它的作用是將電刷上引入的直流電流轉(zhuǎn)換為繞組內(nèi)的交流電流，在直流發(fā)電機(jī)中，它將繞組內(nèi)的交流電動勢轉(zhuǎn)換為電刷端上的直流電動勢。圖8.4.4轉(zhuǎn)子的主要部件

1．電磁特性在并勵式直流電動機(jī)中，勵磁繞組和電樞繞組采用并聯(lián)接法。由圖8.4.2（b）可知，總電流I分別進(jìn)入電樞繞組和勵磁繞組，只要接法正確且有足夠大的勵磁，電樞就產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使其旋轉(zhuǎn)。此時，電樞導(dǎo)體切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea，電動勢的方向可由右手定則確定，總是與電樞電流的方向相反，故稱為反電動勢，其大小值可由下式計算。（8.4.1）8.4.4并勵式直流電動機(jī)的工作特性式中KE是由電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的一個電動勢常數(shù)，φ為主極磁通，n為電樞轉(zhuǎn)速。參照如圖8.4.5電路，得到電樞電路的電動勢平衡方程。

式中為電樞電路的電阻。圖8.4.5并勵式直流電動機(jī)原理圖（8.4.2）直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T可由下式計算。（8.4.3）式中KT是由電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的一個轉(zhuǎn)矩常數(shù)。2．機(jī)械特性由式（8.4.1）、式（8.4.2）和式（8.4.3）可得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為（8.4.4）

式中，是T=0時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，它是一種理想狀態(tài)下的空載轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)U或Φ可改變no的大??；稱為轉(zhuǎn)速降，表明T增大時，轉(zhuǎn)速下降的變化量。電動機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系，即n=f(T)稱為電動機(jī)的機(jī)械特性，如圖8.4.6所示?？梢?，n隨著轉(zhuǎn)矩T的增大而降低，說明電動機(jī)帶負(fù)載時轉(zhuǎn)速會降落；當(dāng)U、R、φ為常數(shù)時，則Δn與T成正比。

圖8.4.6并勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性

1.直流電動機(jī)的起動在電動機(jī)起動瞬間，由于n=0，則。這時，電樞電流為

由于電樞電阻Ra很小，直接起動的電流為額定電流的10~20倍；同時，起動轉(zhuǎn)矩正比于起動電流，所以起動轉(zhuǎn)矩也大，很容易造成傳動機(jī)構(gòu)因受到太大沖擊力而損壞，這些都不允許。因此，并勵式直流電動機(jī)在起動時，應(yīng)在電樞電路中串聯(lián)接入起動電阻Rst

。只要選擇合適的Rst值，就可8.4.5并勵式直流電動機(jī)的起動和調(diào)速

將起動電流限制在額定電流1.5~2.5倍范圍之內(nèi)。這時，電動機(jī)的起動電流可由下式計算。則起動轉(zhuǎn)矩為

起動之前，應(yīng)將起動電阻放在最大數(shù)值，待起動正常后，再把它短接，使電樞電阻恢復(fù)為額定值。注意：直流電動機(jī)在起動和工作時，勵磁電路一定要接通，不允許斷開，而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的（8.4.5）

剩磁，可能產(chǎn)生以下問題。①電動機(jī)靜止時，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KTIa)，將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流很大，電樞繞組將被燒壞。②若電動機(jī)在有載運(yùn)行時斷開勵磁繞組，反電動勢E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負(fù)載的需要，電動機(jī)必將減速而停轉(zhuǎn)，這將促使電樞電流劇增，將燒毀電樞繞組和換向器。③若電動機(jī)在空載運(yùn)行時斷開勵磁繞組，可能造成飛車。因?yàn)棣怠鶨a↓→Ia↑→T↑→>>TL→n↑↑，會導(dǎo)致電動機(jī)遭受嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而且電流過大可能使電樞繞組燒壞。

2.直流電動機(jī)的調(diào)速方法并勵電動機(jī)