《电工电子技术》课件第4章

第4章变压器与电动机4.1磁路及其分析方法4.2交流铁芯线圈电路4.3变压器4.4交流电动机4.5直流电动机*4.6特种电机小结习题

4.1磁路及其分析方法

早在公元前300年(战国末年)，中国人就首先发现了磁铁矿石吸引铁片的现象。我国古代四大发明之一的指南针(也称司南，如图4-1所示)就是利用磁铁磁场与地磁场相互作用，产生“指南”现象。最早发现的磁铁是天然磁铁矿，其成分是四氧化三铁(Fe3O4)。现代工业所用的磁铁大多是由铁、钴、镍及其合金制成的人造磁铁。图4-1司南磁铁具有吸引铁、钴、镍等物质的性质，具有南极(S)和北极(N)。两块磁铁的磁极间有相互作用力存在，这种作用力称为磁力。实验证明，同种磁极相互排斥，异种磁极相互吸引。地球是一个巨大的磁铁，其地磁南极在地理北极附近，地磁北极在地理南极附近，且与地理南北极之间有一个地磁偏角。指南针就是利用磁针与地磁场的相互作用工作的。

1820年奥斯特(H.C.Oersted)首先发现了电流的磁效应，如图4-2所示，放在载流导线(即通有电流的导线)周围的小磁针会受到力的作用而发生偏转，若电流的方向发生变化，则磁针的偏转也会改变。后来安培(A.M.Ampere)发现放在磁铁附近的载流导线或载流线圈以及两条载流导线之间，也都会因受到力的作用而发生运动。这些现象完全类同于磁铁与磁铁之间的作用力。图4-2电流的磁效应4.1.1磁场的基本物理量

磁场的特性可用以下几个基本物理量来表示。

1．磁感应强度

磁感应强度B是表示磁场内某点的磁场强弱和方向的物理量。它是一个矢量，它与电流(电流产生磁场)之间的方向关系可用右手螺旋定则来判断，其大小可用来衡量。

如果磁场内各点的磁感应强度的大小相等，方向相同，则称这样的磁场为均匀磁场。

2．磁通

磁感应强度B(如果不是均匀磁场，则取B的平均值)与垂直于磁场方向的面积S的乘积，称为通过该面积的磁通Φ，即

(4-1)

由式(4-1)可见，磁感应强度在数值上可以看成与磁场方向相垂直的单位面积所通过的磁通，故又称为磁通密度。根据电磁感应定律的公式

(4-2)

可知，在国际单位制(SI)中，磁通的单位是伏·秒，通常称为韦［伯］(Wb)。在国际单位制中，磁感应强度的单位是特［斯拉］(T)，特［斯拉］也就是韦［伯］每平方米(Wb/m2)。

3．磁场强度

磁场强度H是计算磁场时所引用的一个物理量，也是矢量，通常通过它来确定磁场与电流之间的关系，即

(4-3)

式(4-3)是安培环路定律(或称为全电流定律)的数学表示式。它是计算磁路的基本公式。下面以环形线圈为例，其中媒质是均匀的，应用式(4-3)来计算线圈内部各点的磁场强度。取磁通作为闭合回线，且以其方向为回线的围绕方向，于是所以

Hx×2πx=NI

即

(4-4)

式中，N是线圈的匝数；lx=2πx是半径为x的圆周长；Hx是半径x处的磁场强度。

式(4-4)中，线圈匝数与电流的乘积NI称为磁动势，用字母F代表，即

F＝NI

(4-5)

磁通就是由它产生的。它的单位是安［培］(A)。

4．磁导率

磁导率μ是一个用来表示磁场媒质磁性的物理量，也就是用来衡量物质导磁能力的物理量。它与磁场强度的乘积就等于磁感应强度，即

B＝μH

(4-6)

当线圈内的媒质不同时，磁导率μ不同，在同样的电流值下，同一点的磁感应强度的大小就不同，线圈内的磁通也就不同了。由式(4-3)可知，磁场强度H的国际单位制单位是安每米(A/m)。

由式(4-6)得知，磁导率μ的国际单位制单位为

式中，欧·秒又称亨［利］(H)，是电感的单位。由实验可测出，真空的磁导率:

μ0=4π×10－7H/m

因为这是一个常数，所以将其他物质的磁导率与之比较是很方便的。

任意一种物质的磁导率μ和真空的磁导率μ0的比值，称为该物质的相对磁导率μr，即

(4-7)4.1.2铁磁材料的磁性能

1．高导磁性

铁磁性物质的磁导率很高(μr可达102~104数量级)，它是工业生产中用于制造变压器、电机、电器等各种电工设备的主要材料。在外磁场的作用下，其内部的磁感应强度大大增强，即发生了磁化。这是由于在铁磁性物质内部存在着许多体积约为10－9cm3

的磁化小区域，称为磁畴，在没有外磁场作用时，这些磁畴的排列是无序的，它们所产生的磁场的平均值等于零，或者十分微弱，对外不显示磁性，如图4-3(a)所示。在一定强度的外磁场作用下，这些磁畴将顺着外磁场的方向转动，作有序排列，显示出很强的磁性，形成磁化磁场，使铁磁性物质内的磁感应强度大大增强，如图4-3(b)所示。这就是铁磁性物质在外磁场作用下所发生的磁化现象。图4-3铁磁性物质的磁化

2．磁饱和性

铁磁性物质的磁饱和性体现为因磁化所产生的磁感应强度B不会随外在磁场的增强而无限增强。因为当外磁场(或励磁电流)增大到一定值时，其内部所有的磁畴已基本上转向与外磁场一致的方向，所以，当外部磁场再增大时，其磁性不再继续增大。这种现象叫做磁饱和性。

利用实验方法，我们可以测绘出铁磁性物质的磁感应强度B与磁场强度H之间的关系曲线，称为磁化曲线(B－H曲线)，如图4-4所示。从图中可以看出，B－H曲线大致可分为

4段，其中Oa段磁感应强度B随磁场强度H增加较慢；ab段磁感应强度B随磁场强度H近似成正比例增加；b点以后B随H的增加速度逐渐慢下来，媒质趋向于饱和；过了c点以后，其磁化曲线变成近似一条直线，且与真空或者非磁性材料的磁化曲线B0－H平行。工程上称a点为附点，b点为膝点，c点为饱和点。图4-4

B、μ与H的关系由于铁磁材料的B和H的关系是非线性的，因此由B=μH的关系可知，其磁导率μ的数值也随磁场强度H的变化而变化，见图4-4中的曲线μ－H。铁磁材料在磁化起始的Oa段和进入饱和以后，μ值均不大，在膝点附近μ达到最大值，所以工程上通常要求铁磁材料工作在膝点附近。

3．磁滞性

磁滞性表现为铁磁性物质在交变磁场中反复磁化时，磁感应强度B的变化滞后于磁场强度H的变化。由实验得到的磁滞回线如图4-5所示。当H增大时，B按照一条磁化曲线(Oa)增长。当铁磁质磁化到一定程度，即达到饱和磁化强度+Bs后(图中的a点)，再逐渐使H减弱而使铁磁质退磁时，B虽相应地减小，但按照另一条曲线ab下降，而ab曲线的位置比Oa曲线高，即在退磁过程中B比磁化过程中同一H值所对应的B值大。图4-5铁磁性物质的磁滞回线这表明磁感应强度的变化要落后于外加磁场强度的变化，铁磁质的这种特性叫做磁滞性。当H减小到零时，铁磁质仍然保留部分磁性，称为剩磁，b点表示剩余磁感应强度。若要使剩磁减小到零，就必须改变磁场强度的方向。在反方向磁场强度(即－H)由零增加至某一数值(图中的c点)时，B下降为零，这时铁磁质的磁性消失，c点对应的磁场强度Hc叫做矫顽力。反向磁场继续增加，铁磁质将发生反向磁化，按曲线cd出现反方向的磁感应强度(即－B)。达到d点时即处于饱和磁感应强度－Bs，此后如果再把反向磁场强度减小到零，就得到反向的剩磁(b′点)，最后再改变H的方向，并逐渐增大，沿b′c′a回到点a。这样铁磁质在反复磁化时，B－H曲线可用封闭曲线abcdb′c′a表示，这一闭合曲线称为磁滞回线。4.1.3铁磁材料及其在工程上的应用

1.软磁材料

软磁材料的磁滞回线见图4-6(a)。由图可见，这种材料矫顽力小，剩磁感应强度小，磁滞回线所围面积小，交变磁化过程中磁滞损耗小。硅钢、铸铁、玻莫合金等都属于软磁材料，常用于制造电机、变压器、电磁铁等各种交流电气设备的铁芯。利用软磁材料制成的电磁铁在工程上应用极为广泛，它是将导线绕在圆柱形铁芯上而制成的，使用时利用导线中通过的励磁电流，使铁芯磁化方向与电流所激发的磁场方向相同，总磁场即为铁芯产生的磁场和励磁电流产生的磁场相叠加，这比电流的磁场可能大几千倍，即铁芯的作用大大增强了电流的磁场。撤去励磁电流，铁芯退磁，铁芯只有很小的剩磁。利用电磁铁可以开动各种机械装置(例如开关、阀门等)、控制电路等。由电磁铁开动的开关叫做继电器。

2.永磁材料

永磁材料的特点是磁滞回线较宽，剩磁感应强度和矫顽力都较大，见图4-6(b)。这种材料需要较强的外加磁场才能被磁化，去掉外加磁场后磁性不易消失，如碳钢、钴钢、铝镍钴合金等，适用于制造永久磁铁，如永磁式扬声器及小型直流电机中的磁极等。图4-6不同磁性材料的磁滞回线

3.矩磁材料

矩磁材料的磁滞回线接近矩形，见图4-6(c)。其剩磁感应强度接近饱和磁感应强度，而矫顽力比较小，易于磁化和翻转。将矩磁材料在不同方向的外磁场中磁化后，若撤去外磁场，则具有接近+Bs和－Bs的两种不同的剩余磁感应强度。在计算机技术中通常采用二进制，只需要0和1两个数码，而矩磁材料的这两种剩磁状态+Bs和－Bs就可以分别代表这两个数码。在电子计算机中，常用矩磁材料制成的环形磁芯作为存储元件。若沿一定方向的磁场使元件磁化，则在撤去磁场后，元件将永久储存这两种剩磁状态，起记忆的作用。表4-1和表4-2分别列出了软磁材料、永磁材料的品种、主要特点和应用场合。4.1.4电磁铁

电磁铁是利用通电线圈铁芯吸引衔铁而工作的一种电器，常用来操纵牵引机械装置以完成预期的动作，或用于钢铁零件的吸持固定、铁磁物件的搬运等，同时电磁铁又是构成各种电磁型开关、电磁阀门和继电器的基本部件。

图4-7是电磁铁的几种常见结构形式，它们都是由线圈、铁芯和衔铁三个基本部分构成的。工作时线圈通入励磁电流，在铁芯中产生磁场，衔铁即被吸引；断电时磁场消失，衔铁即被释放。图4-7电磁铁的结构

4.2交流铁芯线圈电路

4.2.1电磁关系

图4-8是交流铁芯线圈。线圈的匝数为N，当在线圈两端加上正弦交流电压u时，就有交变励磁电流i流过。在交变磁动势的作用下产生交变的磁通，其中大部分通过铁芯而闭合，这部分磁通称为主磁通Φ，但还有很小部分从附近空气隙中通过而闭合，这部分磁通称为漏磁通Φσ。这两种交变的磁通都将在线圈中产生感生电动势，即主磁电动势e和漏磁电动势eσ，它们与磁通的参考方向之间符合右手螺旋关系。图4-8交流铁芯线圈由基尔霍夫电压定律可得铁芯线圈中电流、电压与电动势的关系为

由于线圈电阻上的压降iR和漏磁电动势eσ都很小，与主磁电动势e相比较都可以忽略不计，因此上式可写为因为漏磁通主要不经过铁芯，所以可以认为励磁电流i与Φσ之间为线性关系，铁芯线圈的漏电感为

主磁通通过铁芯，由于铁磁材料磁化的非线性，Φ与i之间为非线性关系，铁芯线圈的主磁电感L不是一个常数。因此，铁芯线圈是一个非线性电感器件。设主磁通Φ=Φmsin(ωt)，则

式中，Em=2πfNΦm是主磁电动势e的最大值，其有效值为

故u≈－e=Emsin(ωt+90°)。可见，外加电压的相位超前铁芯中磁通90°，而外加电压的有效值为

(4-8)

式中，Φm

是铁芯中磁通的最大值，单位是韦伯(Wb)；f的单位是赫兹(Hz)；U的单位是伏特(V)。4.2.2功率损耗

1.磁滞损耗ΔPh

铁磁物质交变磁化的磁滞现象所产生的铁损称为磁滞损耗，用ΔPh表示。它是由于铁磁物质内部磁畴反复转向，磁畴间相互摩擦引起铁芯发热而造成的。铁芯单位体积内每周期产生的磁滞损耗与磁滞回线所包围的面积成正比。为了减小磁滞损耗，交流铁芯均由软磁材料制成。

2.涡流损耗ΔPe

铁磁性物质不仅有导磁能力，还有导电能力，因而在交变磁通的作用下，铁芯内将产生感生电动势和感生电流。感生电流在垂直于磁通的铁芯平面内围绕磁力线呈旋涡状，故称为涡流。涡流使铁芯发热，其功率损耗称为涡流损耗，用ΔPe表示。

4.3变压器

4.3.1变压器的工作原理

1.变压器的结构

变压器由铁芯和绕组两部分构成。图4-9为变压器的示意图和电路符号。这是一个简单的双绕组变压器，在一个闭合铁芯上有两套绕组，绕组与绕组之间以及绕组与铁芯之间都是绝缘的，它们之间靠磁链相互联系，所以变压器也具有电气隔离的作用。图4-9变压器

2.变压器的工作原理

1)电动势关系

由于变压器铁芯磁路中有同一个交变磁场，所以原、副线圈中具有相同的ΔΦ/Δt。根据电磁感应定律有

(4-9)

所以

(4-10)

2)电压关系

如果不计原、副线圈的电阻及漏磁损耗，则有

U1=E1，U2=E2

(4-11)

所以

(4-12)

3)电流关系

忽略一、二次绕组的漏感及线圈电阻压降，根据能量守恒原则，二次侧消耗的能量只能靠一次侧从电源处获得，即二次侧为负载提供的功率和一次侧从电源处得到的功率相等，即

U1I1=U2I2

(4-13)

所以变压器一、二次侧的电流有效值之比为

(4-14)

4)阻抗变换关系

变压器除了能起变换电压、变换电流、隔离电路的作用之外，它还有变换负载阻抗的作用，以实现“匹配”。

在图4-10中，负载阻抗模|Z|接在变压器副边，而图中的虚线框部分可以用一个阻抗模|Z′|来等效代替。所谓等效，就是输入电路的电压、电流和功率不变。也就是说，直接接在电源上的阻抗模|Z′|和接在变压器副边的负载阻抗模|Z|是等效的。两者的关系可通过下面的计算得出。图4-10负载阻抗的等效变换根据式(4-14)可得出

由图4-10可知

代入则得

(4-15)

【例4-1】在图4-10中,交流信号源的电动势E＝120V,内阻R0＝800Ω，负载电阻RL＝8Ω。

(1)当RL折算到原边的等效电阻RL′＝R0时，求变压器的匝数比和信号源输出的功率；

(2)当将负载直接与信号源连接时，信号源输出多大功率？

解

(1)变压器的匝数比应为

信号源的输出功率为

(2)当将负载直接接在信号源上时，有4.3.2三相电力变压器

1.三相电力变压器的结构

三相油浸式电力变压器的外形如图4-11所示。其基本结构可分成以下几个部分：铁芯、绕组、绝缘套管、油箱及其他附件等。铁芯和绕组是变压器的主要部件，称为器身。器身放在油箱内部。图4-11三相油浸式电力变压器

1)铁芯

铁芯是变压器的主磁路。电力变压器的铁芯主要采用芯式结构，它将A、B、C三相的绕组分别放在三个铁芯柱上，三个铁芯柱由上、下两个铁轭连接起来，构成闭合磁路。

2)绕组

绕组是变压器的电路部分，它由铜或铝的绝缘导线绕制而成。为了便于绝缘，低压绕组靠近铁芯柱，高压绕组套在低压绕组外面。

三相变压器一、二次侧绕组可根据需要分别接成星形或三角形。三相电力变压器常见的连接方式是Y-yn(即Y-Y0)和Y-d(即Y-△)，如图4-12所示。其中，Y-yn连接常用于车间配电变压器，yn表示有中性线引出的星形连接，这种接法不仅给用户提供了三相电源，同时还提供了单相电源，通常使用的动力和照明混合供电的三相四线制系统就是用这种连接方式的变压器供电的；Y-d连接的变压器主要用在变电站用于升压或降压。图4-12三相变压器绕组的连接方式

3)油箱

油浸式变压器均有一个油箱，装入变压器油后，将组装好的器身装入其中，以保证变压器正常工作。变压器油用于加强变压器内部的绝缘强度和散热作用。

4)储油柜

变压器在运行中，随着油温的变化，油的体积会膨胀或收缩，为了减少油与外界空气的接触面积，减小变压器受潮和氧化的概率，通常在变压器上部安装一个储油柜(俗称油枕)。

5)呼吸器

随着负荷和气温的变化，各变压器中的油温不断变化，这样油枕内的油位随着整个变压器中油的膨胀或收缩而发生变化。为了使潮气不进入油枕，通常将油枕用一个管子从上部连通到一个内装硅胶的干燥器(俗称呼吸器)中。硅胶对空气中的水份具有很强的吸附作用，在干燥状态下为蓝色，吸潮饱和后变为粉红色，吸潮的硅胶可以通过再生后重复使用。

6)绝缘套管

变压器绕组的引出线从油箱内部引到箱外时必须经过绝缘套管，使引线与油箱绝缘。绝缘套管一般是陶瓷的，其结构取决于电压等级。1kV以下采用实心磁套管，10～35kV采用空心充气或充油式套管，110kV及以上采用电容式套管。为了增大外表面放电距离，套管外形做成多级伞形裙边。电压等级越高，级数越多。

7)分接开关

变压器常通过改变绕组匝数来调压。一般从变压器的高压绕组引出若干抽头，称为分接头。用以切换分接头的装置叫分接开关。分接开关分为无载调压和有载调压两种。前者必须在变压器停电的情况下切换；后者可以在变压器带负载的情况下进行切换。分接开关安装在油箱内，其控制箱在油箱外。有载调压分接开关内的变压器油是完全独立的，它也有配套的油箱、瓦斯继电器、呼吸器。

8)气体继电器

气体继电器又称为瓦斯继电器，是变压器的一种保护装置，安装在油箱与储油柜的连接管道中，当变压器内部发生故障(如绝缘击穿、匝间短路、铁芯事故、油箱漏油使油面下降较多等)时产生的气体和油流迫使气体继电器动作。轻者发出信号，以便运行人员及时处理；重者使断路器跳闸，以保护变压器。

9)油表

变压器的油表和油枕是一个连通器结构，用于监视油枕的油位。根据环境温度的不同，一般有三个标准油位。若油面低于标识位置，则说明需要添加变压器油。

2.变压器的铭牌及额定值

每台变压器都有一个铭牌，上面标注有型号、额定值及其他数据，便于用户了解变压器的运行性能。某变压器的铭牌如图4-13所示。图4-13电力变压器的铭牌

1)额定容量SN

额定容量是变压器额定工作条件下输出能力的保证值，是额定视在功率，单位有伏安(V·A)、千伏安(kV·A)和兆伏安(MV·A)。

一般容量在630kV·A以下的为小型电力变压器；800~6300kV·A的为中型电力变压器；8000~63000kV·A

的为大型电力变压器；90000kV·A及以上的为特大型电力

变压器。

2)额定电压U1N/U2N

额定电压均指线值电压。原边额定电压U1N指电源加在原绕组上的额定电压；副边额定电压U2N指原边加额定电压、副边空载时副绕组的端电压，单位有伏(V)和千伏(kV)。

3)额定电流I1N/I2N

额定电流均指线值电流。原、副边额定电流是指在额定容量和额定电压时允许长期通过的电流，单位为安(A)。

4)额定频率fN

额定频率指工业用电频率，我国规定为50Hz。变压器的额定容量、额定电压、额定电流之间的关系为4.3.3特殊变压器

1．自耦变压器

自耦变压器的结构特点是副绕组为原绕组的一部分。原、副绕组电压之比和电流之比为

实验室中常用的调压器就是一种可改变副绕组匝数的自耦变压器，其原理示意图如图4-14所示。图4-14调压器的原理示意图

2．电流互感器

电流互感器是根据变压器的原理制成的。它主要用来扩大测量交流电流的量程，因为在测量交流电路的大电流(如容量较大的电动机、工频炉、焊机等)时，通常电流表的量程是不够的。

此外，使用电流互感器也是为了使测量仪表与高压电路隔开，以保证人身与设备的安全。

电流互感器的接线图及其符号如图4-15(a)所示。图中，原绕组的匝数很少(只有一匝或几匝)，它串联在被测电路中；副绕组的匝数较多，它与电流表或其他仪表及继电器的电流线圈相连接。图4-15电流互感器和测流钳根据变压器原理，可认为

(4-16)

或

(4-17)

式中，Ki是电流互感器的变换系数。4.3.4变压器绕组的极性

在使用变压器或者其他有磁耦合的互感线圈时，要注意线圈应正确连接。譬如，一台变压器的原绕组有相同的两个绕组，如图4-16中的1-2和3-4所示。当接到220V的电源上时，两绕组串联，如图4-16(b)所示；当接到110V的电源上时，两绕组并联，如图4-14(c)所示。如果连接错误，譬如串联时将2和4两端连在一起，将1和3两端接电源，则两个绕组的磁通势互相抵消，铁芯中不产生磁通，绕组中也就没有感应电动势，绕组中将流过很大的电流，把变压器烧毁。图4-16变压器原绕组的正确连接为了正确连接，我们在线圈上标以记号“·”。标有“·”号的两端称为同极性端，如图4-16中的1和3是同极性端，2和4也是同极性端。当电流从两个线圈的同极性端流入(或流出)时，产生的磁通的方向相同；当磁通变化(增大或减小)时，在同极性端感应电动势的极性也相同。在图4-16中，绕组中的电流正在增大，感应电动势e的极性(或方向)如图中所示。如果将其中一个线圈反绕，如图4-17所示，则1和4两端应为同极性端。串联时应将2和4两端连在一起。可见，哪两端是同极性端，还和线圈绕向有关。只要已知线圈绕向，同极性端就不难确定。图4-17线圈反绕

4.4交流电动机

4.4.1三相异步电动机的结构

1.定子

电动机定子由支撑定子铁芯的钢制机座、定子铁芯和定子绕组线圈组成。定子铁芯是电动机磁路的组成部分，为了减少铁损，铁芯由0.5mm厚的硅钢片叠成圆筒状，圆筒内表面均匀分布的槽用以嵌放定子绕组。

三相异步电机具有三相对称的定子绕组，定子绕组采用高强度漆包线包绕而成，三相绕组的六个出线端通过机座的接线盒接到三相电源上。根据铭牌规定，定子绕组可接成星形或三角形，如图4-18所示。图4-18定子绕组的连接

2.转子

电动机转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。

转子铁芯由表面冲槽的硅钢片叠成圆柱形。转子铁芯装在转轴上，转轴拖动机械负载。转子、气隙和定子铁芯构成了一个电动机的完整磁路。

异步电动机的转子有两种形式：鼠笼式转子和绕线式转子。

鼠笼式转子是在转子铁芯槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上，以构成闭合回路。抽去转子铁芯，剩下的铜条及其两边的端环其形状像个鼠笼，故称为鼠笼式电动机。为了节省铜材，现在中小容量的鼠笼式电动机是在转子铁芯的槽中浇注铝液铸成笼形导体，同时在滑环上铸出多片风叶作为散热用的风扇，以代替铜制笼形导体。绕线式转子同电动机的定子一样，都是在铁芯的槽中嵌入三相绕组，三相绕组的一端连成Y形，另一端分别连接在三个铜制的滑环上，集电环固定在转轴上，三个环之间及环与转轴之间相互绝缘，在滑环上用弹簧压着电刷与外电路连接，以便改善电动机的启动和调速特性，如图4-19所示。图4-19绕线式异步电动机转子4.4.2三相异步电动机的工作原理

1.异步电动机中的旋转磁场

1)旋转磁场的生成

由上面的分析可知，若要异步电动机转动，首先应当有一个旋转磁场。在实际中应用的异步电动机，是不可能使用一个旋转的永久磁铁来产生旋转磁场的。它的磁场是由三相对称交流电流通入静止的三相对称绕组而产生的空间旋转磁场。通常我们在三相异步电动机的定子铁芯中对称放置三相绕组AX、BY和CZ，将三相绕组作星形连接，并接在三相正弦交流电源上，通入三相对称电流：为了简化起见，设每相绕组只有一个线匝，三个绕组分别嵌放在定子铁芯圆周空间位置上互差120°对称分布的6个凹槽之中。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。当ωt=0°时，定子绕组中的电流方向如图4-20(a)所示。这时iA=0，iB为负值，其方向与参考方向相反，即从Y端流入，从B端流出，iC为正值，其方向与参考方向一致，即从C端流入，从Z端流出。根据电流的流向，应用右手螺旋定则，由iC和iB产生的合成磁场如图4-20(a)所示。合成磁场对定子铁芯内表面而言，上方相当于N极，下方相当于S极，即两个磁极，也称为一对极。通常用P表示磁极对数，即P=1。此时合成磁场的方向是自上而下。图4-20旋转磁场的生成当ωt=120°时，定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场的方向如图4-20(b)所示，这时的合成磁场已在空间转过了120°。

同理，可得当ωt=240°时的三相电流的合成磁场比ωt=120°时的合成磁场在空间又转过了120°，如图4-20(c)

所示。

当ωt=360°时，三相电流的合成磁场比ωt=240°时的合成磁场在空间又转过了120°，如图4-20(d)所示。此时的合成磁场同ωt=0°时的方向一致，合成磁场完成了一周的旋转，进入下一个周期的旋转。综上所述，当三相对称的定子绕组通入三相对称电流时，将在电机中产生旋转磁场。当旋转磁场为一对极时，电流变化角度为360°，合成磁场在空间旋转360°。旋转磁场的极对数P与定子绕组的排列有关。通过适当安排，可以生成两对极、三对极等极对数的旋转磁场，如图4-21所示。图4-21

P=2时的旋转磁场

2)旋转磁场的转速

根据上述分析可知，电流变化一个周期，两极旋转磁场在空间旋转一周。若电流的频率为f，则旋转磁场转速为每秒f转。以n0表示旋转磁场每分钟转速(r/min)，则

n0=60f

当P=2时，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间只旋转180°，其转速为

n0=0.5×60f

由此可以推广到P对极的旋转磁场转速为

(4-18)由式(4-18)可知，旋转磁场的转速n0(亦称为同步速)取

决于电源的频率和电动机的磁极对数P。我国的电源频率为

50Hz。表4-3列出了不同电机磁极对数所对应的同步速。

3)旋转磁场的方向

旋转磁场的方向取决于通入三相绕组中电流的相序。由图4-22可以看出，当通入三相绕组AX、BY、CZ中的电流依次为iA→iB→iC时，旋转磁场沿顺时针旋转。如果把三根电源线中的任意两根对调，以改变通入三相绕组中电流的相序，例如使CZ绕组中通入电流iB，BY绕组中通入电流iC，AX绕组中电流不变，仍然通入电流iA，如图4-22所示，则由分析可知，此时旋转磁场的方向为逆时针方向。图4-22旋转磁场的反转

2.异步电动机的转动机理

图4-23(a)是两极三相异步电动机的转动原理示意图。设磁场以同步速n0顺时针方向旋转，于是转子导条与磁场之间产生相对运动，相当于磁场静止转子导条以逆时针方向切割磁感应线而产生感应电动势，又由于导条端部由短路环连通而形成闭合电路，因此导条中形成感应电流，方向如图4-23(a)所示。载流导条在磁场中受安培力F的作用，形成电磁转矩，在转矩作用下，转子沿旋转磁场的方向转动。异步电动机的转动原理可以用图4-23(b)来说明。图4-23异步电动机转动示意图通常把同步速n0与转速n的差与n0之比称为转差率，用s

表示:

(4-19)

转差率是描述异步电动机运行特性的重要物理量。在电动机启动瞬间，n=0，s=1，转差率最大；空载运行时，转子转速最高，转差率最小；额定负载运行时，转子转速要低于空载转速sN，大约为0.01~0.07。4.4.3三相异步电动机的工作特性

1.电磁转矩

由异步电动机的转动机理可知，驱动电机旋转的电磁转矩是转子导条中的感应电流I2与旋转磁场的每极磁通Φ相互作用产生的。因此，电磁转矩的大小与I2和Φ成正比。可以证明，异步电机的电磁转矩可表示为

(4-20)

式中，KT为与电机结构相关的常数，U1为定子绕组的相电压，s是转差率，R2是转子电路每相电阻，X20是电动机启动

时(转子尚未转起来)的转子感抗。

2.机械特性

实际工作中，常用异步电动机的机械特性n=f(T)来分析

问题。机械特性反应了转速n与电磁转矩之间的函数关系。

图4-24为异步电动机的机械特性曲线。

电动机的电磁转矩与定子相电压U1的平方成正比，所以机械特性曲线将随U1的改变而变化，如图4-24(b)所示。图中，U1′<U1，由于电压变化不影响磁场转速，所以两条曲线具有相同的同步速n0。图4-24异步电动机的机械特性电动机的负载是其轴上的阻转矩。电磁转矩T必须与阻转矩Tc相平衡，即当T=Tc时电动机才能等速运行，当T>Tc时电动机加速，当T<Tc时电动机减速。阻转矩包括两个部分：电动机轴上的机械负载转矩T2和电动机机械损耗转矩T0。一般情况下机械损耗转矩较小，可以忽略，则阻转矩为

Tc=T2+T0≈T2

因此可近似认为，只要电动机的电磁转矩和轴上的负载转矩相平衡，即T=T2，电机就可以等速运行。下面就异步电动机的机械特性曲线来讨论三个重要转矩。

1)额定转矩TN

电动机在额定电压下以额定转速nN运行，输出额定功率PN时，由机械原理可得，电动机转轴上输出的转矩为

(4-21)

式中，P2是电动机轴上输出的机械功率(kW)，n是电动机输出转速(r/min)。当P2为电动机额定功率P2N、n为额定转速nN时，由式(4-21)计算出的转矩就是额定转矩TN。电动机的额定功率和额定转速可从铭牌上查出。

2)最大转矩Tm

Tm是三相异步电动机所能产生的最大转矩。当异步电动机负载转矩超过最大转矩Tm时，电动机将发生“堵转”现象，此时电动机电流是额定电流的数倍，若时间过长，则电动机将会剧烈发热，以致烧坏。一般允许电动机的负载转矩在短时间内超过额定转矩，但不能超过最大转矩。最大转矩也表示电动机短时过载的能力，用过载系数λm表示，为

一般三相异步电动机的过载系数为1.8~2.2。

3)启动转矩Tst

电动机接通电源瞬间(n=0)的电磁转矩称为启动转矩。电动机的启动转矩必须大于静止时其轴上的负载转矩才能启动。通常Tst与TN的比值表示异步电动机的启动能力，则启动系

数为

一般三相异步电动机的启动系数λst为1~1.2。4.4.4异步电动机的使用

1.三相异步电机的启动

1)直接启动

直接启动就是用闸刀开关和交流接触器将电机直接接到具有额定电压的电源上。直接启动的优点是操作简单，无需很多附属设备；主要缺点是启动电流较大。一台异步电动机能否直接启动要视不同情况而定，一般根据以下几点来确定：

(1)容量在10kW以下的异步电动机允许直接启动。

(2)启动时，电动机的启动电流在线路上引起的压降不应该超过正常电压的15%。如果用户未用独立变压器，则不应超过5%。

(3)用户由独立变压器供电时，对于频繁启动的电动机，其容量小于变压器容量的20%时允许直接启动，对于不频繁启动的电动机，其容量小于变压器容量的30%时允许直接启动。

2)降压启动

鼠笼式异步电动机常用的降压启动方法如下：

(1)Y-△降压启动。

Y-△降压启动适用于正常运行时绕组为三角形连接的电动机，电动机的三相绕组的六个出线端都要引出，并接到转换开关上。启动时，将正常运行时三角形接法的定子绕组改接为星形(Y)连接，启动结束后再换为三角形(△)连接。这种方法只适用于中小型鼠笼式异步电动机。图4-25(a)所示为这种方法的原理接线图。图4-25三相异步电动机的降压启动

Y-△降压启动时，电机定子绕组为星形连接，电机每相定子绕组上的电压是电源线电压Ul的，此时电路的线电流等于相电流，即流过每个绕组的电流(这里的Z是每相绕组的等效阻抗):

当定子绕组接成三角形，即直接启动时，有比较上列两式，可得

(4-22)

即降压启动时的电流为直接启动时的1/3。

(2)自耦变压器降压启动。自耦变压器降压启动的电路如图4-25(b)所示。三相自耦变压器接成星形，用一个六刀双掷转换开关来控制变压器接入或脱离电路。启动时把Q扳在启动位置，使三相交流电源接入自耦变压器的原边，而电动机的定子绕组接到自耦变压器的副边，这时电动机得到的电压低于电源电压，因而减小了启动电流，待电动机的转速升高后，把Q从启动位置迅速扳到运行位置，让定子绕组直接与电源相连，而自耦变压器则与电路脱开。

(3)软启动。软启动是近年来随着电子技术的发展而出现的新技术，启动时通过软启动器(一种晶闸管调压装置)使电压从某一较低值逐渐上升至额定值，启动后再用旁路接触器KM使电动机投入正常运行，如图4-25(c)所示。图中，FU1是普通熔断器，FU2是快速熔断器，用于保护软启动器。由式(4-19)得到异步电动机的转速公式：

(4-23)

由式(4-23)可知，异步电动机可以通过三种方式进行调速：改变电动机旋转磁场的磁极对数P；改变供电电源的频率f1；改变转差率s。下面分别介绍这几种调速方法。

1)变极调速

图4-26所示为定子绕组的两种接法。图中，把A相绕组

分成两半：线圈A1X1和A2X2。图(a)中，两个线圈串联，得到

P＝2；图(b)中，两个线圈并联，得出P＝1。在换极时，一

个线圈中的电流方向不变，而另一个线圈中的电流必须改变方向。图4-26定子绕组的两种接法

2)变频调速

异步电动机的转速正比于电源的频率f1，若连续调节电

动机供电电源的频率，则可连续改变电动机的转速。图4-27所示为变频调速装置的方框图，主要由整流器和逆变器两大部分组成。图中，整流器先将频率为50Hz的三相交流电变成电压可调的直流电，再由逆变器将直流电变换为频率可以连续调节的三相交流电，从而为异步电动机提供电源。这样在变频装置的支持下，实现了三相异步电动机较大范围的无级调速。图4-27变频调速示意图

3)变转差率调速

变转差率调速是在不改变同步速n0的条件下的调速，通常只用于绕线式电动机，是通过在转子电路中串接调速电阻来实现的。

这种调速方法的优点是有一定的调速范围，调速平滑，设备简单，但能耗较大，效率较低，广泛用于起重设备。

3.三相异步电动机的制动

1)能耗制动

能耗制动方法就是在电动机切断三相电源的同时，向定子绕组通入直流电，产生一恒定磁场。由于转子仍以贯性转速运转，因此转子导条与固定磁场间有相对运动并产生感应电流。这时，转子电流与固定磁场相互作用产生的转矩就是制动转矩，可使电动机快速停转。电机停转后切断直流电源。此时机械系统存储的机械能被转换成电能后消耗在转子电路的电阻上，所以称为能耗制动，如图4-28所示。图4-28能耗制动原理

2)反接制动

如图4-29所示，若异步电动机需要停转，则将三根电源线中的两根对调位置，从而使旋转磁场反向，此时产生一个与转子惯性旋转方向相反的电磁转矩，使电动机迅速减速。当转速接近零时，需及时切断电源，否则电动机将反向启动旋转，如图4-29所示。图4-29反接制动原理

3)回馈制动

若转子的转速n超过旋转磁场的转速n0，则此时的转矩为制动转矩。例如，当起重机快速下放重物时，就会发生这种情况。这时重物拖动转子，使其转速n＞n0，重物受到制动而等速下降。实际上这时电动机变为发电机运行，将重物的位能转换为电能而反馈到电网中，所以称为回馈制动。

另外，在将多速电动机从高速调到低速的过程中，也会自然发生这种制动。因为刚将极对数P加倍时，磁场转速会立即减半，但由于惯性，转子转速只能逐渐下降，因此就出现了n＞n0的情况。

4.4.5异步电动机的铭牌

要正确使用电动机，必须看懂铭牌。下面以Y132M-4型电动机为例，说明铭牌上各个数据的含义。Y132M-4型电动机的铭牌如图4-30所示。图4-30

Y132M-4型电动机的铭牌

1.型号

电动机的型号是表示电动机类型、用途和技术特征的代号，由大写拼音字母和阿拉伯数字组成，且字母和数字各有一定的含义。电动机型号的含义如图4-31所示。

异步电动机的产品名称代号及其汉字意义见表4-4。图4-31电动机型号的含义

2.接法

铭牌上的接法指定了三相绕组的连接方式。异步电动机的定子绕组的连接方式有两种：星形连接和三角形连接，如图4-18所示。通常三相异步电动机容量为3kW以下者，连接成星形；容量为4kW以上者，连接成三角形。

3.电压

铭牌上所标的电压值是指电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。一般规定电动机的电压不应高于或低于额定值的5%。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等多种。

4.电流

铭牌上所标的电流值是指电动机在额定运行时定子绕组的额定线电流值，用IN表示。当电动机空载或轻载时，都小于这个电流值。

5.功率与效率

铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的额定机械功率PN。一般容易把它误认为电动机从电网输入的电功率。其实这两个功率并不相等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及电动机轴承等的机械损耗。

所谓效率，就是电动机铭牌上给出的功率同电动机从电网输入电功率的比值。

电动机的输入功率：

(14-24)

式中，Ul和Il分别为电动机的额定线电压和额定线电流，cosj为功率因数。电动机的效率：

(14-25)

其中，P2为电动机的输出功率。

电动机的额定转矩：

(14-26)

其中，nN为电动机的额定转速。

6.功率因数

因为电动机是电感性负载，所以定子相电流比定子相电压滞后一个j角，cosj就是电动机的功率因数。

三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7～0.9，在轻载和空载时更低，空载时只有0.2～0.3。因此，必须正确选择电动机的容量，尽可能使电动机保持在满载下工作。

7.转速

铭牌所给出的转速是指电动机在额定电压、额定频率且输出为额定功率时的转速，称为额定转速nN。由于异步电动机额定运行状态下的转差率很小，因此nN与n0相差很小，

可以根据额定转速判断出电动机的磁极对数。例如，若nN=1440r/min，则其n0应该为1500r/min，可推断出磁极对

数P=2。

8.绝缘等级

绝缘等级是指电动机所采用的绝缘材料的耐热等级。绝缘材料按其耐热程度，可分为A、B、C、D、E、F、H级。电动机的温度对绝缘影响很大。如果电动机温度过高，则会使绝缘老化，缩短电机寿命。如果温度超过很多，则会使绝缘全部破坏。绝缘等级越高，耐热能力就越强。为使绝缘不致老化，铭牌中对电动机绕组温度做了一定的限制。异步电动机的温升是指定子铁芯和绕组温度高于环境温度的允许温差。

9.工作方式

工作方式是指电动机工作在连续工作制、短时工作制还是断续工作制。若标为连续，则表示电动机可在额定功率下连续运行，绕组不会过热；若标为短时，则表示电动机不能连续运行，而只能在规定的时间内依照额定功率短时运行，这样不会过热；若标为断续，则表示电动机的工作是短时的，但能多次重复运行。

【例4-2】有一三相异步电动机，其铭牌给出的额定数据为：PN=7.5kW，nN=1470r/min，Ul=380V，η=86.2%，cosj=0.81。试求：

(1)额定电流；

(2)额定转差率；

(3)额定转矩。

解

(1)额定电流:

(2)由nN=1470r/min可知，其极对数P=2，同步转速n1=1500r/min，所以

(3)额定转矩:4.4.6三相异步电动机的运行维护及常见故障

1.三相异步电机的维护和保养

1)启动前的准备和检查

(1)检查电动机启动设备接地是否可靠和完整，接线是否正确和良好。

(2)检查电动机铭牌所示电压、频率与电源电压、频率是否相符。

(3)新安装或长期停用的电动机启动前应检查各相绕组之间以及各相绕组对地的绝缘电阻。绝缘电组应大于0.5MΩ，如果低于此值，则需要将绕组烘干以改善绝缘。

(4)对绕线式转子应检查其集电环上的电刷装置是否能正常工作，电刷压力是否符合要求。

(5)检查电动机转动是否灵活，轴承的润滑是否良好。

(6)检查电动机所用熔断器的额定电流是否符合要求。

(7)检查电动机各紧固螺栓及安装螺栓是否拧紧。

2)运行中的维护

(1)电动机应保持清洁，不允许有杂物进入电动机内部；进、出风口必须保持畅通。

(2)用仪表监视电源电压、频率及电动机的负载电流。电源电压、频率要符合电动机铭牌上的数据。电动机负载电流不得超过铭牌上的额定值，否则要查明原因，采取措施，消除不良情况后方能继续运行。

(3)采取必要手段检测电动机各部位温升。

(4)对于绕线式电动机，应注意电刷与集电环间的接触压力、磨损及火花情况。电动机停转时，应断开定子电路内的开关，然后将电刷提升机构扳动到启动位置，断开短路装置。

(5)电动机投入运行后定期维修，一般分为小修和大修两种。小修属一般检修，对电动机启动设备整体不做大的拆卸，约一季度一次；大修要将所有转动装置及电动机的所有零部件都拆卸下来,并将拆卸的零部件作全面的检查及清洗，一般一年一次。

2.电动机常见故障的原因及排除方法

(1)电源接通后电动机不启动：①检查接线，排除错误；②检查传动机构和负载。

(2)温升过高或冒烟：①负载大，启动过频繁；②电动机本身的原因，如定子短路等；③检查轴承和通风情况。

(3)电机振动：①安装不稳；②负载过大；③电动机与负载轴线不对，应重新校正。

(4)有异声：①定、转子相擦；②轴承不良；③缺相；④风叶碰壳。出现这种故障时应检查轴承，并注油等。

(5)带负载转速过低：①电压低；②负载大；③转子断条。出现这种故障时应检查电源电压，核对负载。

(6)外壳带电：①接地不良或接地电阻过大；②受潮；③绝缘不良。出现这种故障时应消除接地不良，进行烘干、浸漆处理，并清除脏物。4.4.7单相异步电动机

单相异步电动机的定子为单相绕组，转子大多是笼形的。当绕组通入单相交流电时，会产生一个磁极轴线位置不变、磁感应强度的大小随时间做正弦交变的脉动磁场，磁极的轴线位置如图4-32所示。由于脉动磁场不是旋转磁场，所以转子导条中不能产生感应电流，也就不会形成电磁转矩，因此单相电动机没有启动转矩。但当外力使转子旋转起来后，转子与脉动磁场之间的相对运动产生的电磁转矩能使其继续沿原方向旋转。图4-32单相异步电动机的磁场

1.电容分相式异步电动机

图4-33所示为电容分相式异步电动机。在它的定子中放置一个启动绕组B，空间相隔90°嵌放。绕组B与电容器相连，使两个绕组中的电流在相位上近于相差90°，这就是

分相。这样，在空间相差90°的两个绕组分别通有在相位上相差90°的两相电流，也能产生旋转磁场。由图4-33可见，通入绕组中的电流的电角度变化了90°，旋转磁场也转过

了90°。图4-33电容分相式单相异步电动机旋转磁场的形成

2.罩极式异步电动机

罩极式单相异步电动机的定子多做成凸极式，结构如图4-34所示。图中，在磁极一侧开一小槽，用短路铜环套在磁极的窄条边上，每个磁极的定子绕组串联后接单相电源。当将电源接通时，磁极下的磁通分为两部分：F1与F2。由于短路铜环的作用，罩极下的F1与在短路环下的F2之间产生了相位差，于是气隙内形成的合成磁场将是一个有一定推移速度的移动磁场，使电动机产生一定的启动转矩。图4-34罩极式单相异步电动机示意图4.5直流电动机

4.5.1直流电动机的基本结构

直流电动机由定子和转子两大部分组成，其外形和结构如图4-35所示。图4-35直流电动机的外形和结构

1．定子

定子是直流电动机的静止部分，由主磁极、机座、换向磁极、端盖和电刷装置等部件组成，如图4-36所示。图4-36直流电动机定子结构

2．转子

直流电动机的转子通称为电枢，它的主体结构如图4-37所示，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件。图4-37直流电动机的转子结构4.5.2直流电动机的工作原理

1.转动原理

给两个电刷加上直流电源，如图4-38(a)所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动；如果转子转到如图4-38(b)所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，则直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出，此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。图4-38直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理可归结如下：

(1)将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。

(2)电机内部有磁场存在。

(3)载流的转子(即电枢)导体将受到电磁力F的作用，每根有效导体所受的电磁力为F=Blia，方向由左手定则判断。

(4)所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。

2.电磁转矩

根据电磁力定律，电枢绕组通电后每根有效导体所受电磁力为

F=Blia

式中，B为磁感应强度，其大小与一个磁极的磁通量F成正比；l为载流导体的有效长度；ia为导体中的电流。

电动机的电磁转矩是由电枢绕组所有有效导体所受到的电磁力共同决定的，可以表示为

T=KTF

Ia

(4-27)

式中，KT为与电动机结构有关的常数；T为电磁转矩，单位

是N·m。

3.电枢电势及平衡方程

电枢旋转时，电枢绕组切割磁感线运动，产生感应电动势e，其有效值为

E=Blv

式中，v为导体运动的线速度。电枢绕组两电刷之间的总电动势为

Ea=KEΦn

(4-28)

式中，KE是与电动机结构有关的常数；电动势Ea的方向又称为反电动势，可根据右手定则判断。

电枢回路的电压平衡方程为

U=Ea+IaRa

(4-29)

式中，Ra为电枢绕组电阻。4.5.3直流电动机的分类及机械特性

1.直流电动机的分类

直流电动机可按结构、用途、容量大小和励磁方式的不同进行分类。按励磁方式不同，直流电动机可分为他励、并励、串励和复励，如图4-39所示。

他励的励磁绕组由单独的励磁电源供电，如图4-39(a)所示，与电枢绕组没有直接的电气联系。在小型直流电动机中，也有用永久磁铁作为磁极的，称为永磁式电动机，可视为他励电动机的一种。图4-39直流电动机的励磁方式并励的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一个电源供电，如图4-39(b)所示。电源电流的大小等于电枢电流Ia与励磁电流If之和，即

I=Ia+If

串励的励磁绕组与电枢绕组串联，由同一个电源供电，如图4-39(c)所示。电枢电流Ia与励磁电流If相等。

复励的励磁绕组分为两部分：一部分励磁绕组与电枢

绕组并联，另一部分励磁绕组与电枢绕组串联，如图4-39(d)所示。

2.直流电动机的铭牌数据

1)型号

直流电动机铭牌中型号的具体含义如图4-40所示。图4-40直流电动机铭牌中型号的具体含义

2)额定值

额定功率PN(kW)：轴上的输出功率。

额定电压UN(V)：电刷两极间的电压。

额定电流IN(A)：轴上带额定负载时电刷端的输入电流。

额定转速nN(r/min)：电动机额定运行时的转速。

此外，直流电动机铭牌中的额定值还包括额定励磁电流IfN(A)、额定效率ηN1、额定转矩TN、额定温升CN等。直流电动机的额定输入功率为

P1N=U1NI1N

额定输出功率与额定电压、额定电流的关系为

PN=U1NI1NηN=UNIN

额定转矩TN的大小可根据额定转速nN来确定，即

式中，PN的单位是kW；nN的单位是r/min；TN的单位是N·m。

3.直流电机的运行特性

下面以他励电动机为例来分析其机械特性。图4-41为直流电动机的电枢电路。

由式(4-28)、式(4-29)可得直流电动机的转速为

(4-30)

式（4-30)表明，直流电动机的转速n与电枢电压U、每极磁通Φ以及电枢回路电阻Ra都有关系。图4-41直流电动机的电枢电路由式(4-27)和式(4-30)又可得出直流电动机的转速n与电磁转矩T的关系为

(4-31)

式(4-31)为直流电动机机械特性的一般表达式。在式(4-31)中，当电源电压U和电枢绕组的电阻Ra为常数时，表示直流电动机的转速n和转矩T之间关系的n＝f(T)曲线称为机械特性曲线。它是一条向下倾斜的直线，如图4-42所示。图4-42他励直流电动机的机械特性式(4-31)中:

是T=0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电动机轴上没有加机械负载，电动机的转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩，所以通常n0称为理想空载转速。式(4-31)中:

是转速降，它是由电枢电阻Ra引起的。由式(4-30)可知，当负载增加时，Ia随之增加，于是RaIa增加，由于电源电压U是一定的，因此这时反电动势E减小，转速n降低。4.5.4直流电动机的使用

1.启动

1)直接启动

直接启动指在不采取任何措施的情况下，电枢绕组直接接额定电压启动。

启动瞬间，转子转速n=0，电枢的反电动势Ea=KEΦn=0，在加额定电压时电枢的启动电流为

2)电枢回路串电阻启动

在电枢绕组回路中串入电阻Rst，启动瞬间，启动电流为

在启动过程中，随着电动机转速的提高，逐段切除启动电阻，直到转子达到正常转速时全部切除。

3)降压启动

降压启动指降低电枢绕组的电压，以限制启动电流。这需要有一个电压可调的直流电源专供电枢电路，随着转速的提升，电压逐渐升高，直到额定电压下正常运行。降压启动的优点是启动电流小，能耗低，可平滑启动，但只适用于他励型直流电动机。

2.反转

使用直流电动机的许多设备常常要求电动机既能正转，又能反转。要改变直流电动机的旋转方向，必须改变电磁转矩的方向。直流电动机电磁转矩的方向是由磁通Φ的方向和电枢电流Ia的方向决定的，所以要使直流电动机反转，有两种方法：①保持电枢电流方向不变，改变励磁绕组电流的方向；②保持励磁绕组电流方向不变，改变电枢电流方向。如果两个电流方向同时改变，则电动机旋转方向不变。实际上，一般都采用改变电枢电流方向的方法，即把电枢电路的两条端线互换。

3.调速

调速是指在负载转矩不变的条件下，通过人为的方法改变电动机的有关参数(即改变直流电动机的机械特性)，使之在一定的负载下获得不同的转速。直流电动机具有良好的调速性能，能在较大的范围内平滑而经济地调速。

从直流电动机的机械特性方程式(4-30)中可以看出，调速方法有三种：电枢回路串电阻Ra调速、弱磁(减小Φ)调速和降压(改变U)调速。

1)电枢回路串电阻调速

这种调速方法的特点如下：

(1)电动机的理想空载转速不变，随着所串电阻的增大，机械特性越来越软。

(2)只能将转速往下调，平滑性差。低速时，电动机的效率较低。

(3)如果负载稍有变动，则电动机的转速就会有较大变化，这对于恒转矩负载不利。

这种调速方法仅适用于调速范围不大和调速时间不长的小功率电动机。

2）弱磁调速

这种调速方法指保持U、Ra大小不变，调节励磁电流使之减小，即减弱磁通，以调节转速。其特性曲线如图4-43(b)所示。

这种调速方法的特点如下：

(1)可得到无级平滑调速。

(2)励磁电流小，能量消耗少，调速范围大。

(3)速度只能向上调，调速后的机械特性较硬，速度较稳定。

3)降压调速

这种调速方法指保持Ra、Φ大小不变，降低电枢的端电压U，以调节直流电动机的速度。采用这种方法调速时，应注意保持励磁电流不变，只改变电枢电压。因此，需要可变电压的直流电源。近年来，晶闸管整流设备作为可调电压的直流电源已经被普遍使用。采用这种方法调速比较方便，其机械特性曲线如图4-43(c)所示。

这种调速方法的特点如下：

(1)可以得到平滑调速。

(2)机械特性是一组平行曲线，机械特性较硬，转速稳定。

(3)转速只能调低，不能调高。图4-43直流电动机的调速特性

4.制动

1)能耗制动

图4-44(a)是他励电动机能耗制动的电路。制动时将开关S由左边扳向右边，使电动机的电枢回路与电源切断，再与一制动电阻Rp相串联，但励磁绕组的电源必须保留。这时，由于转动部分的惯性，电枢继续按原方向旋转，电枢导体切割磁力线产生的感应电动势E的方向不变，但原来阻碍电流的反电动势变为在电枢绕组和制动电阻Rp上产生电流Ia的电动势，此时的电动机相当于一台发电机。图4-44他励直流电动机的制动

2)反接制动

反接制动就是把电源电压反接到电枢绕组或励磁绕组上，如图4-44(b)所示。

电枢反接后，电枢电流改变方向，电磁转矩随之改变方向，电磁转矩成为制动转矩，使电动机迅速停止。当电动机的转速接近于零时，应及时切断电源，否则电动机会反转。

由于反接制动时电枢电压与反电动势E的方向相同，因此电枢电流Ia很大。为了限制电流，必须串接较大的制动电阻Rp，以保证电枢电流不超过额定电流的1.5~2.5倍。

反接制动方法制动迅速，但要消耗一定能量，并有自动反转的可能性。

3)回馈制动

并励电动机在运行时，由于某种客观原因，使实际转速超过原来的空载转速，电枢中的反电动势E大于电源电压U，这时电动机变成了发电机，电枢中的电流方向发生改变，由原来的与电压相同变为与电压相反，电流流向电网，向电网反馈电能，电磁转矩变为制动转矩，因此叫做回馈制动或反馈制动。例如，电动机拖动电车下坡，当车速很高时，电车带动电动机转变为发电状态，使车速减慢。回馈制动的实质是将直流电动机从电动机状态转变为发电机状态，以限制转速。4.5.5直流电动机的常见故障及处理方法

1.换向故障

1)换向产生火花

火花是电刷与换向器间的电弧放电现象，是换向不良的明显标志。微小的火花不会损坏电动机，火花严重时可能产生环火，造成电枢绕组全部短路，进而损坏电动机。产生火花的原因可分为三类：电磁原因、机械原因、负载与环境原因。

(1)电磁原因：电枢绕组开焊或匝间短路，使电路不对称，造成严重火花；电刷不在几何中心线上，使换向元件处在主机区内，感应出电动势，造成换向时产生火花。

处理方法：检查换向器的励磁绕组是否正常励磁；处理电枢绕组的短路和开焊；将电刷移动至几何中心线上。

(2)机械原因：主要有换向器偏心或变形，换向器表面粗糙，换向片突出变形，片间绝缘突出等。这些都会造成因电刷与换向器接触不良而产