电机基础知识

直流电机分为直流发电机和直流电动机1、直流电机的优点调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。易于控制。2、直流电机的应用轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。3、直流电动机工作原理

把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。

直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。

在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。

当电枢旋转到右图所示位置时额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。4、直流电机的励磁方式

供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。

他励直流电机的电枢电流和负载电流相同，即：2、并励：电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足4、复励：

并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。

直流电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为

为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。

起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值，将达到额定电流的10-20倍。

过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。1、起动过程以三级电阻起动时电动机为例●

电枢回路串电阻起动在电枢回路串入启动电阻，可以限制启动电流，但启动电流也不能太小，应控制在额定电流的2~2.5倍范围内，并使启动转矩大于额定转矩，迅速完成启动过程。一般不允许将启动电阻在电动机正常运行时接入电路使用，因为长时间通过电流会烧毁电阻。这种方式的缺点是启动过程中要消耗大量的能量，因此对经常频繁启动和大中型直流电机不适用。●

降压起动

当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。

起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。

降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此对启动频繁和大中型电机中得到广泛应用。直流电机的制动直流电动机在脱离电源后要求迅速停转，能实现这一目的成为制动。制动的方法有机械制动和电磁制动两类。机械制动是利用机械装置，使电动机在切断电源后迅速停转，常用方式有制动器和电磁抱闸。电磁制动的方法一般有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

制动原理：当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。

1、能耗制动电动制动电动状态，如图所示。将开关S投向制动电阻上即实现制动.

脱离电源后，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反,对应的电磁转矩与方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。

制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。一般电阻越小，制动电流越大，制动转矩也越大。实际中制动电阻常常为滑动变阻器。优点制动减速平稳、可靠；制动线路较简单；便于实现准确停车；●缺点制动转矩随转速降低成正比减小，低速时制动效果差；有能量损耗；●应用场合不要求反转及减速要求较平稳的场合；电压反接制动时接线如图所示。2、电压反接制动电动制动

开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：

反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电压反接制动。优点制动转矩稳定，不随着n下降而减少；制动强烈，制动时间短。●缺点制动时的能量损耗大；制动到n=0时，如不断电会产生反转；制动冲击大，电机的寿命降低。●应用范围要求迅速制动停转并反转的场合●回馈制动原理当电动机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电动机拖动机车下坡，使电动机的转速高于理想空载转速，进入发电状态，此时n>n0，使得Ea>U，电枢电流为与电动状态时相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电动机起到制动作用。在电动状态时电枢电流从电网的正端流向电动机，而在制动时，电枢电流从电枢流向电网，因而称为回馈制动。

电动优点不需改变线路，就可以从电动机状态转入回馈制动状态；电能可回馈给电网，比较经济。●缺点当转速n低于理想转速n0时，不能产生制动转矩；不能使转速制动到0。●应用范围用于转速大于额定转速的场合；在降压及增磁调速时，可自行转入回馈制动状态。直流电动机的调速

电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。目前最流行的是直流调速器，它具有启动、调速、制动的优点，这里不再介绍了。

改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。1、三相异步电动机的基本结构一、定子部分1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。二、转子部分1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2、转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。

异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。三、气隙按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机下面是它主要部件的拆分图。

右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图三相绕线型转子结构图铸铝转子绕线转子转子铁心和绕组三相异步电动机的基本工作原理U2U1W2V1W1V2n●转动原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。只要转子绕组和气隙旋转磁通密度之间有相对运动，转子就会有电流，就会有电磁转矩作用在转子上，当电磁转矩等于负载转矩时，转子以恒速n运行。在定子三相对称的定子绕组中通入对称三相电流即在气隙中产生旋转磁场：

为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，U相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：定子旋转磁场的转速记为n1，又称为同步转速:式中：n1的单位为每分钟的转数（rpm）f为电源的频率p为绕组磁场的极数例如，对工频50Hz电源，2极，4极，6极，8极电机的同步转速分别为：3000rpm,1500rpm,1000rpm,750rpm,等等同步转速异步电动机的转速可表示为：式中S称为转差率；当电机刚刚开始起动时，n=0，s=1；若电机处于理想空载，n=n1,s=0，转子与定子旋转磁场同步，故n1称为同步转速；额定负载情况下，s为2—5%，所以异步电机的额定转速nN总是接近同步速，如2890rpm,1450rpm,975rpm,741rpm等等。转差率的大小反映了电机的不同运行状态。异步电动机的转速●异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态额定值关系有：额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.额定条件下转轴上输出的机械功率。在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.额定运行时电动机的转速.二、额定值

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。“Y”形连接时，线电流=相电流，线电压=相电压；“D”形连接时，线电压=相电压，线电流=相电流三、接线U1V1W1U1V1W1U2V2W2D联结Y联结U2V2W2

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。“Y”形连接时，线电流=相电流，线电压=相电压；“D”形连接时，线电压=相电压，线电流=相电流三、接线U1V1W1U1V1W1U2V2W2D联结Y联结U2V2W2

●实用表达式工程上常根据电机的额定功率、额定转速、过载能力来求出实用表达式。方法是：TN是电机的额定转矩，PN

是电机的额定功率，

nN

是额定转速λT

是过载能力●

三相异步电动机的固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定的接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性。Sm为最大转矩时的临界转差率。sn0nNsNnmsm10TNTstTmTem几个特殊点：ABCD1.起动点A:2.最大转矩点B:3.额定运行点C4.同步运行点D二、人为机械特性人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。snsm10TLUN0TstTmTemn10.8UN0.64Tst0.64Tm1.降压时的人为机械特性

下降后,和均下降,但不变,和减少。

如果电机在定额负载下运行,下降后,下降,增大,转子电流因增大而增大,导致电机过载。长期欠压过载运行将使电机过热，减少使用寿命。TST和KST分别是启动转矩和转矩倍数2.转子回路串对称电阻时的人为机械特性串电阻后,、不变，增大。在一定范围内增加电阻，可以增加。当时，若再增加电阻，减小。串电阻后，机械特性线性段斜率变大，特性变软。

除了上述特性外，还有改变电源频率、极对数等人为机械特性。10TstTmTemsn0n1smR2TstsmR2+Rs●

三相异步电动机的起动

起动指电动机接通电源后由静止状态加速到稳定运行状态的过程.对电动机的起动性能要求二：起动电流小,起动转矩不大。1.起动电流大的原因

起动时,转子感应电动势大,使转子电流大,根据磁动势平衡关系,定子电流必然增大.2.起动转矩不大的原因从下述公式分析

起动时,,远大于运行时的,转子漏抗很大,很低,尽管很大,但并不大.

由于起动电流大,定子漏阻抗压降大,使定子感应电动势减小,对应的气隙磁通减小.由上述两个原因使得起动转矩不大.●

三相笼型异步电动机的起动一、直接起动可以直接起动的条件：起动电流倍数从三相异步电动机固有机械特性中分析知道，如果在额定电压下直接起动，起动电流大。起动转矩不大。一般起动电流可达额定电流的5-7倍，对机械设备的冲击也大。一般情况下，在供电变压器容量较大，电机的容量较小时，三相鼠笼型电机可以直接启动，经验上7.5KW以下的小容量电机可以直接起动。二、降压起动适用于正常运行时定子绕组为三角形接线的电动机。起动时Y接，起动电压降为U起动电流降为I运行时△接。起动电流关系:Y-△降压起动多用于空载或轻载起动1.Y-△降压起动起动转矩关系:2.自耦变压器降压起动直接起动时的起动电流：降压后二次侧起动电流：变压器一次侧电流：电网提供的起动电流减小倍数：起动转矩减小的倍数：自耦变压器一般有三个分接头可供选用。3、转子回路串电阻起动

在转子回路中串联适当的电阻,既能限制起动电流，又能增大起动转矩。

为了有较大的起动转矩、使起动过程平滑，应在转子回路中串入多级对称电阻，并随着转速的升高，逐渐切除起动电阻。

电动机由a点开始起动，经b→c→d→e→f→g→h，完成起动过程。起动过程二、转子串频敏变阻器起动频敏变阻器是一铁损很大的三相电抗器。转子电动势的频率为：

起动时，S2断开，转子串入频敏变阻器,S1闭合，电机通电开始起动。起动时,,频敏变阻器铁损大,反映铁损耗的等效电阻大,相当于转子回路串入一个较大电阻。所以限制了转子的起动电流，随着上升,转子频率减小,铁损减少,等效电阻减小,相当于逐渐切除,起动结束,S2闭合，切除频敏变阻器，转子电路直接短路。

理想