第8章 變壓器與電動機

第8章變壓器與電動機變壓器與電機是實現機電能量轉換的裝置，它們都是常用的電氣設備。其中，變壓器用于將電能與磁能的互換，應用這一特性可提供所需電壓，進行信號耦合以及阻抗匹配等；電動機用于將電能變?yōu)闄C械能，它在家用電器、工農業(yè)生產等領域得到廣泛的應用。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構之后，敘述了單相變壓器的運行特性，并簡要介紹自耦變壓器和儀用互感器的基本原理。第8章變壓器與電動機以此為基礎，接著介紹三相異步電動機的工作原理及結構，敘述了旋轉磁場的建立問題，著重對異步電動機的電磁特性進行分析，得出了異步電動機的機械特性，為正確使用異步電動機打下基礎。最后簡要介紹直流電動機的基本原理，作為初步了解和選用時參考。本章重點討論變壓器和異步電動機的工作原理及特性，在實際工作中十分有用，應很好掌握。本章基本內容的教學課時，建議不少于6學時，其中變壓器2學時，三相異步電動機4學時。對特殊變壓器和直流電動機等內容，各院?？筛鶕嶋H需要選學。8.1變壓器

變壓器的類型很多，根據不同用途，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、實驗用的調壓器和測量用的儀用互感器等。雖然變壓器的種類多，結構上也有差異，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。

變壓器和電機都是以磁場為媒介，以電磁感應理論來實現能量轉換。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生強磁場，那么磁路就應由高導磁性的鐵磁材料構成。

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)高導磁性在物理學中可知，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，由于鐵磁材料內部磁疇轉到與外磁場相同的方向，故產生的附加磁場將遠大于外磁場。鐵磁材料的這種高導磁性，使得它在一定的勵磁電流作用下，可得到很高的磁感應強度，即產生足夠強的磁通。因此，它在變壓器和電機等許多領域得到了廣泛的應用。

（2）磁飽和性磁性材料所產生的磁化磁場不會隨著外磁場的增強而無限制地增強。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點以后，隨著H的繼續(xù)增加，由于鐵磁材料全部磁疇都轉到了與外磁場方向一致，故B達到了最大值，這種現象稱為磁飽和。當鐵磁材料飽和時，其導磁系數μ變小，導磁性能變差。

（3)磁滯性當交流勵磁時，磁感應強度B的變化總是滯后于磁場強度H，這種現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，當磁場強度由Hm減小到0時，B并沒有回到零值，此時的Br稱為剩磁感應強度，簡稱剩磁。若要去掉剩磁，應使鐵磁材料反向磁化，當磁場強度為-HC時B才為零。此時的HC稱為矯頑力。由于磁滯現象的存在，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是磁導率高，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、交流電機等各種鐵心。硬磁材料的主要特點是磁導率低，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．基本電磁關系磁路通常是由鐵心線圈構成的，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）電磁感應定律

在圖8.1.3中，當外加交流電壓u時，線圈中便產生交流勵磁電流i。此時，線圈匝數N與勵磁電流i的乘積稱為磁動勢F，即F=Ni。由此產生兩部分磁通，即主磁通和漏磁通。他們分別產生主磁電動勢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）主感應電動勢與線圈N以及磁通的關系，符合電磁感應定律。即設主磁通，并代入式（8.1.2）中可得到由式（8.1.3）可得到主磁通產生的感應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，當線圈匝樹數和電源頻率一定時，磁路中的主磁通只取決于線圈的外加電壓，與磁路的導磁材料和尺寸無關。另外，當外加電壓一定時，在產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，線圈的線徑應選擇粗些，電阻系數小些；為了減小磁滯損耗，應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做成疊片狀，并且各片之間要有很好的絕緣。變壓器實際上是一種特殊的交流鐵心線圈，其結構可分為心式和殼式兩種，如圖8.1.4所示。從結構看，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變壓器的基本結構

8.1.4變壓器的基本結構和符號錯疊裝而成，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。

殼式變壓器的結構特點是鐵心包圍線圈；心式是線圈包圍鐵心，其結構簡單，繞組裝配容易，故目前多數變壓器均采用心式結構。

2.繞組

繞組是用絕緣扁線或圓導線繞成的線圈。小容量變壓器的繞組多用高強度漆包線繞制，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，二次繞組不接負載（開路）。這時，一次繞組產生空載電流i10

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

，即

8.1.3變壓器的工作原理

（8.1.7）圖8.1.6變壓器的空載運行式中N1和N2分別為一次繞組的二次繞組的匝數，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)可推導出變壓器的電壓變換關系為可見，輸入電壓和輸出電壓之比等于感應電動勢之比，也是一次繞組和二次繞組的匝數比，故將k定義為變壓器的變比。

2.有載運行

當變壓器接上負載ZL后，在二次繞組產生的電流為i2，如圖8.1.7所示。這種情況稱為變壓器的有載運行狀態(tài)。

(8.1.10)

（8.1.11）

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

。根據楞次定律，i2N2產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，也就是說產生主磁通的磁動勢總和不變。因此，有負載時產生主磁通的合成磁動勢i1N1+i2N2等于空載時產生主磁通的磁動勢i10N1

，用相量可表示為ZL圖8.1.7變壓器的負載運行

（8.1.12）

由于變壓器的空載電流

很小，約為一次側額定電流

的（2%~10%），故

可視為零。則有

（8.1.13）式中的負號說明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）上式說明一次側電流與二次側電流之比與繞組的匝數成反比，與變壓比的倒數成正比?？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中，總是希望負載能獲得最大功率。負載能獲得最大功率的條件是負載電阻等于信號源內阻。在實際電路中，負載阻抗與信號源內阻往往是不相等的，若將負載直接接在信號源上就難于能獲得最大功率。因此，可由變壓器進行阻抗變換，從而實現阻抗匹配。圖8.1.8（a）是接有負載阻抗Z的變壓器電路，圖8.1.8（b）為變壓器從一次側看進來的等效電路，它與圖（a）中一次側的端電壓U1和電流I1分別相同，Z/是負載Z等效到一次側的阻抗。下邊討論Z/和Z之間的數量關系。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，經過變壓器的變換后，相當于負載的阻抗增加了k2倍。因此，在一些電子設備中，為了獲得最大的功率輸出，可以利用變壓器將負載阻抗增大或減小到正好等于電源的內阻抗，以達到最佳的功率“匹配”。

【例8.1.1】收音機的揚聲器為8。(1)若將它接在內阻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聲器的功率。解：（1）若將揚聲器直接接在放大器上，如圖8.1.9（a）所示，此時揚聲器的功率為

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

可見，通過變壓器進行阻抗變換以后，揚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和二次繞組的負載功率因數cosφ2不變時，二次電壓U2隨負載電流I2的變化規(guī)律，即U2=f（I2）。變壓器相對于負載是一個電源。因此，當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。二次側電壓的變化情況，除了由外特性表示外，還可以用電壓調整率ΔU%表示。當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或并聯時，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，那么鐵心中產生的磁通Фab和Фcd是互相增強的，所以a端和c端便稱為這兩個繞組的同名端，另外，不對應的兩端a和d則為異名端。顯然，f端與h端也是同名端。可以看出，從所有同名端送入電流時，在同一鐵心中產生的磁通都是互相增強的。在變壓器的符號圖上，同名端常用小圓點表示，如圖8.1.11（b）所示。實際上同名端也反映了變壓器各繞組電動勢的同相位關系，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，便不難進行繞組的串聯或并聯。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

(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95%以上，故通常二次繞組按一次繞組的相等容量設計。

(2)額定電壓U1N和U2N

U1N是指額定運行情況下，一次繞組接線端點之間所施加的電壓；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)的標準頻率為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節(jié)輸出電壓，又稱為調壓器。從結構上看，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構外形和連接圖。使用自耦變壓器時應注意，輸入端必須接在交流電源上，輸出端應接到負載上，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自耦變壓器的結構及連接圖圖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。電壓互感器一次側的匝數多，二次側的匝數少，如圖8.1.15所示。圖中，一次側接高壓電網電壓，如6kV、330kV、500kV等，二次側輸出電壓均為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有良好的絕緣材料隔開；鐵心與二次繞組的一端應安全接地；另外，二次側電路不能短路。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。它的一次繞組匝數少，串聯在負載電路中；二次繞組的匝數多，通過電流表短接，電路連接如圖8.1.16所示。一次側電流為10~25000A，二次側電流均為5A。使用時，電流互感器二次側繞組的地端應良好接地，并且二次側電路不允許開路。圖8.1.16電流互感器【練習與思考】8.1.1如果把一次側220V的電壓變?yōu)槎蝹鹊?10V的電壓，變壓器一、二次匝數原來分別為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

按照供電形式，電動機分為直流電動機和交流電動機。電動玩具和便攜式的電動裝置，大多使用直流電動機；家用電器一般使用交流異步電動機；工業(yè)生產的驅動裝置，通常使用三相異步電動機。由于異步電動機的結構簡單、運行可靠和維護方便等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。8.2.1三相異步電動機的結構三相異步電動機由定子和轉子組成，如圖8.2.1所示。

1．定子定子是電動機的固定部分，它主要由定子鐵心、定子繞組和機座等組成，用于產生旋轉磁場。定子鐵心通常用0.5圖8.2.1三相異步電動機的構造

8.2.1三相異步電動機的結構

mm厚的硅鋼片疊壓而成，各片間涂有絕緣漆。小型電動機為圓形沖片，大中型電動機由扇形沖片拼成，它的內表面有均勻槽孔，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個端子引出到機座接線盒的接線柱上，可以讓用戶根據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接線柱的聯結

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

所示。圖中，突出部分是散熱的風葉，它在鑄造鋁轉子的同時制成，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)對轉子是絕緣的，它通過電刷將轉子繞組的3個首端引出到機座的接線盒里，以便在轉子回路中串入變阻器，用于改善電動機的起動性能和調速性能。圖8.2.3籠型轉子結構圖8.2.4線型轉子的結構示意圖1—轉子鐵心2—轉子繞組3—電刷4—變阻器5—滑環(huán)6—轉軸

三相異步電動機由定子的旋轉磁場切割轉子導體，使轉子產生電流，再與旋轉磁場相互作用，產生電磁轉矩而使轉子轉動。所以，定子產生旋轉磁場是轉子轉動的先決條件。

1．旋轉磁場

（1）旋轉磁場的產生及轉向在三相對稱定子繞組中，U1U2、V1V2和W1W2在空間上互差1200。如果將三相繞組聯結成星形，并接到對稱的三相正弦交流電源上，如圖8.2.5所示。當三相繞組各自通入電流，將分別產生交變磁場。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ωt=00時，iu=0，故U1U2繞組中沒有電流；iv為負值，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。根據右手螺旋定則，V1V2繞組和W1W2繞組產生各自的磁場，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，上方相當于N磁極，下方相當于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p=1。當ωt=600時，iw=0，故W1W2繞組中沒有電流；iv

為負值，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了600。當ωt=900時，iu為正值，則電流由U1端流入，從U2端流出；iv為負值，則電流由V2端流入，從V1端流出；iw為負值，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了900。

圖8.2.6兩極旋轉磁場示意圖依此類推，當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旋轉了一個周期，即3600。這個合成磁場如同一對磁極在旋轉的磁場一樣，它的磁場大小不變，旋轉方向從U相轉到V相，再轉向W相，即按照U→V→W的正序方向旋轉。隨著交流電周期性地流入定子繞組，則所產生的旋轉磁場將一直沿著順時針方向不停地旋轉。若要改變旋轉方向，只要將電動機U、V、W中任意兩根接線交換時，旋轉磁場就變?yōu)槟嫘蛐D。

（2）旋轉磁場的轉速由圖8.2.6可見，當三相交流電變化一個周期T時，則磁場在空間旋轉了一圈因此，電流每秒變化f周期，則旋轉磁場的轉速為每秒f轉。若用表示每分鐘定子磁場的轉速（稱為同步轉速），即可得到

除此之外，旋轉磁場還與磁極對數有關。通過合理設計，定子的磁極對數可以做成一對、二對、三對或更多對。

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

2.轉差率三相電流產生的旋轉磁場切割轉子銅條或鋁條時，即可使轉子上產生感應電勢和電流。當轉子感應電流與旋轉磁場相互作用（電動原理）時，則可產生電磁轉矩使轉子轉動。（8.2.1）

轉子的轉動方向與旋轉磁場方向相同，但它的轉速n應比同步轉速低，以保證轉子與旋轉磁場有相對運動而產生電磁轉矩。轉子轉速與磁場轉速不同步（即不相同），這就是異步電動機名稱的由來。同步轉速與轉子轉速之差，用△n表示，叫做轉速差。轉速差與同步轉速之比，稱為轉差率，用s表示。即（8.2.2）

轉差率是異步電動機的一個主要參數。在電動機起動瞬間，轉差率最大，s=1；在空載運行時，轉子的轉速最高，則轉差率最小。通常三相異步電動機在額定負載條件下運行時，轉子的轉速比空載時略低，所以額定轉差率sN約為1%~9%。

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

則轉差率s為1．電磁轉矩特性電磁轉矩是由轉子導電條中的電流I2與旋轉磁場φ相互作用產生的。因此，電磁轉矩T的大小與I2、φ以及轉子電路的功率因數cosφ2成正比。而I2和cosφ2均與轉差率s、轉子電阻R2、電動機起動瞬間的轉子感抗X20以及電源電壓U1等有關。可以證明，異步電動機的電磁轉矩T可表示為

8.2.3三相異步電動機的運行特性式中KT為與電動機結構相關的常數。由式（8.2.3）可見，電磁轉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矩影響很大。當電源電壓和頻率一定，且R2和X20都為常數時，電磁轉矩T只隨轉差率s變化，即T=f（S），它的特性曲線如圖8.2.7所示，稱為電磁轉矩特性曲線。（8.2.3）圖8.2.7電磁轉矩特性曲線

上圖可分為兩個區(qū)域。當（即

）時，可認為T與s成正比，且曲線變化比較明顯；當（即

）時，可認為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矩。（1）最大轉矩Tmax

在曲線上的最大值，稱為最大轉矩Tmax

。當對式（8.2.3）求導，令并時，則可求得出現最大轉矩時的轉差率為將式（8.2.4）代入式（8.2.3），可得到最大轉矩為

當負載轉矩超過時，電動機被迫停轉。此時定子和轉子電流都將劇增，使電動機的溫度迅速升高，很容易導致電動機的繞組燒毀。為此，引入了過載系數，它是指電動機最大轉矩Tmax與額定轉矩TN的比值。即（8.2.4）

（8.2.5）

一般來說，異步電動機的過載系數約為2，特殊用途的異步電動機可選大些。（2）起動轉矩Tst

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

（8.2.7）

減??；適當增大R2時，Tst將增大。只有當Tst≥TN(額定轉矩)時，電動機才能起動運行。為此，通常用起動轉矩與額定轉矩的比值來反映電動機的直接起動能力，用λst

表示。其中式中，TN為額定轉矩，P2N為電動機的額定輸出功率（kW），

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

2.機械特性在實際工作中，常用異步電動機的機械特性n=f(T)來分析，它是從曲線順時針旋轉900得到的，反映了電動機轉速n與電磁轉矩T的函數關系，曲線如圖8.2.8所示。圖8.2.8機械特性曲線a從上圖曲線所對應的兩個區(qū)間來看，當0<s<s時稱為穩(wěn)定運行區(qū)間，當s<s<1時稱為非穩(wěn)定運行區(qū)間。下面簡要分析這兩個區(qū)間的運行情況。

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

TL↑→n↓→s↑→T↑→T=TL（運行時轉速下降）

(2)非穩(wěn)定運行

在sm<s<1區(qū)間，如果負載TL增大時，同樣由于T<TL使電動機轉速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，使轉速進一步下降，很有可能使電動機停車，即n=0。停車時將造成轉子及定子繞組的電流急劇增大，使電動機過熱而損壞?？傊?，在sm<s<1區(qū)間，電動機的轉速和轉矩不能適應負載的變化。在這個區(qū)間電動機的運行過程，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，其額定功率PN為100kW，額定轉速為1480r/min，λm=2.2，λst=1.2。試求它的額定轉速、起動轉矩和最大轉矩。解：由可得到額定轉矩為1.電動機的銘牌數據及額定值（1）銘牌數據

三相異步電動機機座上有一塊銘牌如圖8.2.9（a）所示，它標示出該電動機的銘牌數據，主要有以下內容。①型號

按國家標準規(guī)定，型號包括產品名稱和規(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的使用圖8.2.9電動機銘牌及型號的含義

②額定功率與效率

電動機定子加額定電壓，軸上帶額定負載（指定子電流為額定電流）時，電動機軸上的輸出機械功率，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在額定運行時定子繞組的線電壓，它與繞組的接法有對應關系。目前Y系列異步電動機的額定電壓都是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)定電壓偏移不應超過額定值的5％，過高或過低均會縮短電動機的使用壽命。

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

絕緣等級是按電動機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)105120130155180三相異步電動機在滿負荷時（額定負載）功率因數和效率均較高，；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處于輕載運行或長期空載運行。

2．起動線型異步電動機在起動時通常在轉子中串接起動電阻，既可降低起動電流，也可增大起動轉矩。下面主要討論三相籠型異步電動機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備，把全部電源電壓直接加到電動機定子繞組，顯然，這時起動電流較大，為額定電流的4~7倍。根據對國產三相異步電動機的實際測量，某些籠型異步電動機的起動電流為額定電流的8~12倍。因此，一般規(guī)定，異步電動機功率低于7.5kW時允許直接起動。其他情況下一般應采用降壓起動。（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。因為異步

電動機的Tmax、Tst均正比于電網電壓U12，所以當U1下降時，Tmax、Tst均成平方關系下降。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，待轉速接近穩(wěn)定時，再改接為三角形，如圖8.2.10所示。當開關投向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，故起動轉矩為直接起動的1/3。當電動機降壓起動后且轉速接近穩(wěn)定值時，再將開關Q2迅速投向“D”位置，使定子繞組U1W2、V1U2、W1V2相聯，接成D形，外接電源為線電壓，并處于長期運行。②自耦補償起動

自耦補償起動是利用自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，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。待電動機起動后，由Q2逐段切除自耦變壓器的二次繞組，使電動機的轉速逐步接近nN。當開關Q2轉換到“運行”位置時，則自耦變壓器二次繞組全部被切除，電動機處于全壓運行。圖8.2.10Y-D起動線路圖8.2.11自耦補償起動線路

3．制動當異步電動機工作在反接制動與能耗制動時，共同特點是電動機轉矩T與轉速n方向相反，電動機在軸上吸收機械能，并轉換為電能，以達到制動目的。

（1）能耗制動當電動機需要制動時，首先將電動機開關Q從“運行”位置與交流電源斷開，并轉接到“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，而電動機轉子由于慣性作用繼續(xù)沿著原來方向轉動。根據電磁感應定律可知，此時轉子導體切割這個磁場，形成感應電流而產生制動轉矩。根據左手定則，可確定制動轉矩的方向與原來的轉矩方向相反，阻止電動機繼續(xù)轉動，使電動機迅速停車。在這種制動過程中，轉子的動能轉換為電能，并將其消耗在轉子電阻上，所以稱為能耗制動。能耗制動的特點是制動平穩(wěn)，能耗小，但需配直流電源。

（2）反接制動實現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（或反向運轉），可將Q2由右邊（運行）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，使旋轉磁場的方向發(fā)生改變，產生與原來轉矩方向相反的制動轉矩，這對由于慣性作用仍沿著原來方向轉動的電動機起到制動作用。為避免電動機反向起動，這種制動電路還需設有測速裝置，當電動機轉速接近零時自動切斷電源。反接制動的特點是設備簡單，制動效果好，但能耗大。有些中小型車床和機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.調速由異步電動機轉速的表達式可見，通過改變磁極對數p、電源頻率f1和轉差率s，可調節(jié)異步電動機的轉速。下面簡要介紹這三種調速方法。

（1）變極調速由no=60f/p可知，如果磁極對數p減小一半，則旋轉磁場的轉速便提高一倍。這時，轉子的轉速也差不多提高一倍。因此，改變p，可以得到不同的轉速。但p只能按倍數關系改變，故不能連續(xù)調節(jié)電動機的轉速，因此變極調速也稱為有級調速。而p的改變與定子繞組的接法有關。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，得到磁極對數p=2，可使電動機的轉速下降。圖8.2.14（b）是將其中的一個半繞組與另一個半繞組進行反向聯接，使兩個半繞組1、2中的電流方向相反，得到極數p=1的磁場。圖8.2.14（c）所示是將兩個半繞組反并聯（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。若電動機定子內部只有一對磁極時，一般采用這種變極方法來調速。這種電動機稱為雙速電機，在鏜床、磨床、銑床等機床上用得較多。圖8.2.14改變定子繞組聯接方法的變極調速

（2）變轉差率調速轉差率的改變往往是通過改變電源電壓和轉子電阻來實現的。對于電動機，改變電源電壓，可以得到不同的電磁轉矩特性曲線，如圖8.2.15所示。圖8.2.15改變電源電壓調速

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

阻所對應的電磁轉矩特性曲線。由此可見，當轉子電阻增大時，轉差率增大，轉速減低；反之，轉子電阻減小時，轉差率也減小，則轉速升高。這種調速方法可使轉子轉速在較大范圍內得到調節(jié)，因此具有較好的調速性能。但此方法不適用于籠型電動機。圖8.2.16改變轉子電阻調速（3）變頻調速由no=60f/p可知，改變定子繞組的電源頻率，就可以調節(jié)旋轉磁場的轉速，從而實現調速但電源頻率是不能改變的，需要采用變頻調速裝置來實現。變頻調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。由此可以實現電動機的無級調速。圖8.2.17變頻調速裝置示意圖在對異步電機進行變頻調速時，總希望電動機的主磁通保持額定值不變。若磁通太弱，鐵心利用率低，在同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，則拖動負載能力下降；若磁通過強，容易造成電動機的磁路過飽和，使電動機的功率因數降低，鐵心損耗劇增?？梢姡磐ㄟ^低或過高，都會給電動機帶來不良的后果。為此，在實際應用中，應根據不同負載的需要，采用不同的調速方式。目前普遍采用下列兩種變頻調速方式。

①恒轉矩負載的調速當異步電動機采用改變頻率調速，從額定轉速向下調整時，為了保持主磁通恒定不變，由可知，應保持（常數），也就是電壓和頻率兩者要成比例地同時調節(jié)。這樣，由可知，當不變時，可使電磁轉矩T近似不變，而n0隨f1的調節(jié)而改變。這就是恒轉矩調速。例如在車床控制中，車刀的進給運動可看作是恒轉矩運動，就是采用恒轉矩調速。

②恒功率負載的調速采用變頻調速使電動機運行在額定轉速以上時，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，磁通和轉矩T都將減小。轉速增大，轉矩減小，將使電動機的功率近似不變。這種調速方式成為恒功率調速。例如在車床的主軸則希望采用恒功率調速。【練習與思考】8.2.1什么叫同步轉速？它與哪些因素有關？一臺三相四極交流電動機，試分別寫出電源頻率f=50Hz與f=60Hz的同步轉速。

8.2.2異步電動機額定轉速為2900r/min，電源頻率為50Hz。試求轉子電流的頻率。

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

8.3.1單相異步電動機的工作原理單相異步電動機定子為單相繞組，在通入單相交流電流時，設，此電流將產生一個位置固定（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

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，轉速相同，但旋轉方向相反。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ωt1，而φ2按逆時方向旋轉ωt1，故合成的。其他的依次類推。由三相異步電動機的轉動原理可知，兩個旋轉磁通將同時在轉子上產生電磁轉矩T1和T2，由于φ1與φ2的方向相反，則T1和T2的轉矩方向也相反，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的合成轉矩。圖8.3.2電磁特性曲線由此可以看出，當轉子靜止即n=0時，s=1，T1st和T2st大小相等，方向相反，合成轉矩T=0，電動機不能自行起動。但是，若用外力使轉子轉動起來，例如轉子沿著順時針方向轉動，此時s1減小，s2增加，T1＞T2，合成轉矩T將使轉子繼續(xù)沿順時針方向旋轉，并將穩(wěn)定在某一轉速上；反之，若用外力使轉子反向轉動，則合成T將使轉子沿著轉動方向繼續(xù)反向轉動。這就是說，單相異步電動機需要解決自起動問題。

為了使單相異步電動機能夠產生起動轉矩，關鍵是如何在起動時在電動機內部形成一個旋轉磁場，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，平時處于閉合狀態(tài)，當電動機的轉速達到（75%～80%）n0時，由離心開關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單相異步電動機的起動控制

阻抗特性不同，就可以構成一個兩相定子系統(tǒng)，在電動機中形成旋轉磁場，產生起動轉矩。在輔助繞組中串聯電容器C，若容量選擇恰當，可使輔助繞組的電流領先于主繞組電流900，從而獲得較大的起動轉矩，電動機起動后，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。

如果電容器設計長期接在電網上工作，其接線圖如圖8.3.4所示。這時對電動機本身而言好像是一臺二相異步電動機（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生的旋轉磁場，使電機的性能有較大的改善，它的功率因數、效率及過載能力都比普通的單相異步電動機高。圖中，C為起動電容，C1為運行電容，通常C>C1，所以電動機起動后仍要用離心開關S將起動電容C切除。這種電動機的功率較大，一般為60~750W，廣泛地用于農村中抽水用的潛水泵電動機。由于C1長期工作，所以應選用油浸式電容器。圖8.3.3電容分相式的接線圖8.3.4電容電動機的接線【練習與思考】8.3.1為什么單相異步電動機沒有固定的轉向？采用分相起動后有固定的轉向嗎？（觀察家中的電風扇）8.3.2分析電容電動機C和C1的作用，農村中潛水泵電動機如不能起動，可能是哪個電容器有故障，如能起動，在運行中力矩不足時有哪些原因？8.3.3三相異步電動機斷了一根電源線后，為什么不能起動？而運行中斷了一線，為什么可能繼續(xù)轉動？這兩種情況對電動機有何影響？8.4直流電動機

直流電動機有較大的起動轉矩，可以通過電樞回路中串電阻來限制起動電流。采用調節(jié)電樞回路端電壓可以獲得良好的調速性能，所以對于起、制動頻繁，起動轉矩較大和調速要求較高的生產機械，如大型起重機械、礦井提升設備、電氣機車、龍門刨床、軋鋼機、造紙機等生產機械仍采用直流電動機拖動。直流電動機的缺點是構造復雜、價格昂貴、維修困難。本節(jié)簡述直流電動機的工作原理和分類，扼要介紹其機械特性，調速方法和實際應用。直流電動機也是在電磁基本定律的基礎上，由載流導體在磁場中受到電磁力的作用，形成方向不變的轉矩，使轉子（即電樞）連續(xù)旋轉的。圖8.4.1所示為直流電動機的模型。圖中N、S為一對固定的磁極，兩個磁極間裝著一個可以轉動的鐵質圓柱體，稱為電樞（即為直流電動機的轉子），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接直流電源的負極，電流總是從電刷A流進，經線圈后再8.4.1直流電動機的工作原理由電刷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，根據左手定則，產生的電磁轉矩為順時針方向。轉過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極下導體的電流方向仍沒有改變，產生的電磁轉矩仍然是順時針方向。這樣在電磁轉矩的推動下，電樞將朝著順時針方向繼續(xù)旋轉。外電路將直流電壓加于直流電動機電刷兩端，電樞導體里的電流是交流才能保證電樞繼續(xù)朝同一方向旋轉，而使外電路的直流在導體里成為交流是由換向器來完成的。圖8.4.1直流電動機的工作原理圖少數微型直流電動機以永久磁鐵作為固定磁場，大多數直流電動機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，電動機的運行特性就有很大差別。直流電動機的勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復勵等四種類型。

1．他勵直流電動機他勵式直流電動機的接法如圖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。永磁式直流電動機可以看作是他勵式的直流電動機。8.4.2直流電動機的分類圖8.4.2直流電動機的勵磁方式IfIsIs

2．并勵式直流電動機

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

。本節(jié)主要介紹并勵式直流電動機。

3．串勵直流電動機

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

4．復勵直流電動機

這種電機的主磁極上有兩套勵磁繞組：一套與電樞繞組并聯，稱為并勵繞組Ｎf

，另一套與電樞繞組串聯，稱為串勵繞組NS

，根據NS所接的回路，還可分為長復勵和短復勵兩種，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

。直流電動機的基本結構如圖8.4.3所示。它主要由定子和轉子兩部分組成，定子和轉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中，主磁極是電磁鐵，而在微型直流電動機，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座上。8.4.3直流電動機的結構圖8.4.3直流電機的基本結構（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）機座機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．轉子部分直流電動機的轉子部分又稱為電樞，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，固定在轉子支架或轉軸上。

（２）電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律聯接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，用以通過電流和產生感應電動勢，是實現電能量變換的關鍵部件。

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

1．電磁特性在并勵式直流電動機中，勵磁繞組和電樞繞組采用并聯接法。由圖8.4.2（b）可知，總電流I分別進入電樞繞組和勵磁繞組，只要接法正確且有足夠大的勵磁，電樞就產生電磁轉矩使其旋轉。此時，電樞導體切割磁力線，產生感應電動勢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并勵式直流電動機的工作特性式中KE是由電動機結構決定的一個電動勢常數，φ為主極磁通，n為電樞轉速。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并勵式直流電動機原理圖（8.4.2）直流電動機的電磁轉矩T可由下式計算。（8.4.3）式中KT是由電動機結構決定的一個轉矩常數。2．機械特性由式（8.4.1）、式（8.4.2）和式（8.4.3）可得到電動機轉速的表達式為（8.4.4）

式中，是T=0時電動機的轉速，它是一種理想狀態(tài)下的空載轉速，調節(jié)U或Φ可改變no的大??；稱為轉速降，表明T增大時，轉速下降的變化量。電動機轉速n與電磁轉矩T的關系，即n=f(T)稱為電動機的機械特性，如圖8.4.6所示?？梢姡琻隨著轉矩T的增大而降低，說明電動機帶負載時轉速會降落；當U、R、φ為常數時，則Δn與T成正比。

圖8.4.6并勵直流電動機的機械特性

1.直流電動機的起動在電動機起動瞬間，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，起動轉矩正比于起動電流，所以起動轉矩也大，很容易造成傳動機構因受到太大沖擊力而損壞，這些都不允許。因此，并勵式直流電動機在起動時，應在電樞電路中串聯接入起動電阻Rst

。只要選擇合適的Rst值，就可8.4.5并勵式直流電動機的起動和調速

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

起動之前，應將起動電阻放在最大數值，待起動正常后，再把它短接，使電樞電阻恢復為額定值。注意：直流電動機在起動和工作時，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，可能產生以下問題。①電動機靜止時，由于轉矩太小(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若電動機在有載運行時斷開勵磁繞組，反電動勢E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產生的轉矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉，這將促使電樞電流劇增，將燒毀電樞繞組和換向器。③若電動機在空載運行時斷開勵磁繞組，可能造成飛車。因為Φ↓→Ea↓→Ia↑→T↑→>>TL→n↑↑，會導致電動機遭受嚴重的機械損傷，而且電流過大可能使電樞繞組燒壞。

2.直流電動機的調速方法并勵電動機