對電動機原理的分析與探討

連艷芳

遼寧鐵道職業技術學院 （錦州 121000）

0 引言

電動機是把電能轉換成機械能的裝置。電動機的種類很多，按功能可分為驅動電動機和控制電動機；按電能種類可分為直流電動機和交流電動機；從電動機的轉速與旋轉磁場的轉速的關系和分為同步電動機和異步電動機；按電源相數可分為單相電動機和三相電動機；本文就幾種常見電動機的原理加以對比、分析與探討。從而對各種常見電動機的特性及應用有進一步的認識。

1 三相交流異步電動機的原理

以籠型異步電動機為例分析異步電動機轉動原理。在三相異步電動機的定子鐵心中放置

三組結構完全相同的繞組U1U2、V1V2、W1W2，各相繞組在空間互差120°電角度，向這三相繞組中通入對稱的三相交流電，則在定子與轉子的氣隙中產生一個旋轉磁場。

磁場切割轉子導條，產生感生電動勢。由于籠型轉子導條為封閉回路，所以有感生電流流過，該電流將使轉子在磁場中受到電磁力F的作用。該電磁力F在轉子轉軸上形成電磁轉矩，使轉子轉動，與旋轉磁場的轉動方向一致。

當旋轉磁場剛開始旋轉時，轉子導條中沒有足夠的感生電流，不能產生足夠的電磁轉矩使轉子轉動。當旋轉磁場以一定的速度旋轉時，轉子中將受電磁轉矩的作用開始旋轉。可見，轉子轉速是滯后于旋轉磁場轉速的，所以稱為異步。

2 單相交流異步電動機的原理

2.1 工作繞組通電的工作情況

工作繞組通電時，產生空間正弦分布的脈振磁勢。脈振磁勢可以分解成兩個幅值相等，轉速相同當方向相反的兩個旋轉磁勢，兩個旋轉磁勢的幅值都等于脈振磁勢的一半。兩個旋轉磁勢分別產生正轉和反轉的兩個磁場，兩個磁場同時在轉子繞組中分別產生感應電勢和電流，從而產生能使電動機正、反轉的電磁轉矩。從而使單相異步電動機的機械特性有以下特點。

(1)當電動機的轉速n為零時，電磁轉矩T也為零。即電動機沒有啟動轉矩，電動機轉子不會自行轉動。

(2)當電動機的轉速n大于零時，電磁轉矩T也大于零。即電動機正轉后，電磁轉矩能使電動機繼續正轉運行；當電動機的轉速n小于零時，電磁轉矩T也小于零。即電動機反轉后，電磁轉矩能使電動機繼續反轉運行。因此，單相電動機沒有固定的轉向，由啟動時所給的轉矩方向決定電動機的轉向。

(3)單相異步電動機的轉速總是小于同步轉速。

由上所述，如果單相異步的電動機定子只有工作繞組，電動機只能運行不能啟動，因此單相異步電動機必須有工作繞組和啟動繞組。

2.2 工作繞組和啟動繞組都通電時的工作情況

若在單相異步電動機的定子上布置空間上位置不同的工作繞組和啟動繞組。且兩個繞組同時分別通入兩個不同相位的交流電流時，一般情況下會產生橢圓磁勢，橢圓磁勢也可以分解成正旋轉磁勢和反旋轉磁勢，且兩個磁勢不相等。電動機轉子在兩個旋轉磁勢的作用下產生正轉電磁轉矩和反轉電磁轉矩。由于正轉磁勢和反轉磁勢的大小不相等，從而使電動機的機械特性有如下特點。

當電機的轉速n為零時，電磁轉矩T大于零，即電動機有正向的啟動轉矩，能正向啟動；

當電動機的轉速n大于零時，電磁轉矩T大于零，即電動機啟動后能正常運行。

3 同步電動機的工作原理

(1)定子的對稱三相繞組（也稱電樞繞組）接到三相交流電源上，便有三相對稱電流流過而在空間形成旋轉磁場。該磁場以同步轉速在n1=60f/p氣隙空間旋轉。

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(2)轉子勵磁繞組接入直流電源后，就有直流電流流過并產生大小和極性不變的恒定磁場。

(3)根據同名磁極相斥、異名磁極相吸的原理，當轉子磁極的S極與電樞旋轉磁場的N極對齊時，轉子磁極將被電樞旋轉磁極吸引而產生電磁轉矩，拖動轉子跟著旋轉磁場以同方向、同轉速旋轉。

(4)理想空載時，轉子磁極與定子旋轉磁場處處對正，轉子磁極的軸線與定子磁極的軸線重合。

(5)實際上，在空載時轉子的轉動總要受到一些阻力，轉子磁極總要比旋轉磁極落后一個小小的角度Ψ0，但轉子轉速不變。 Ψ0稱作功率角。

(6)當同步電動機帶上負載后，轉子磁極仍隨旋轉磁極以相同的轉速、相同的轉動方向轉動，但功率角Ψ0增大。

4 直流電動機的工作原理

(1)在電源的作用下，電樞繞組的導體中形成電流；

(3)由于換向器的作用，導體從一個磁極進入另一個磁極時，導體中的電流方向也必須改變；

(4)能保證電磁轉矩的方向不變、電樞轉動的方向不變，將電能轉換為機械能。

(5)線圈經過兩個磁極交界處，導體中電流為“0”，線圈的電磁轉矩為“0”，電樞只能憑借慣性通過這個位置。

(6)實際中的直流電動機電樞繞組由多個線圈連接而成，使電樞在轉動過程中處于磁極下的線圈數不變，電樞所受的電磁轉矩不變。這樣就解決了因一個線圈經過兩個磁極交界處時，只能憑慣性通過這個位置的問題。

5 電磁調速異步電動機的原理

(1)電樞由異步電動機帶動旋轉，如果沒有給勵磁繞組供電，從動部分不會旋轉。

(2)如果通過通過電刷和滑環向磁極上的勵磁繞組通入直流電流，磁極上即產生磁通；經過爪極→氣隙→電樞→氣隙→爪極而閉合。

(3)在原動機起動后，離合器的電樞就會隨電動機在磁場中以轉速n旋轉，于是電樞與磁極便有相對運動。根據電磁感應定律可知，電樞切割磁場將產生電動勢。由于電樞由整體鑄鋼做成，就會產生渦流。

(4)渦流與磁場互相作用產生轉矩，迫使磁極作為從動部分隨之旋轉，轉矩通過輸出軸，拖動負荷運行。

(5)與異步電動機的工作原理相似，從動部分的轉速必定小于主動部分的轉速，只有這樣才能產生轉矩，所以稱為轉差離合器。

(6)轉差離合器的磁場由直流電流產生，依靠電樞的轉動才起著旋轉磁場的作用。當離合器的從動軸上帶有一定負載時，勵磁電流的大小就決定了從動部分轉速的高低，勵磁電流愈大，磁場愈強，電樞感應電動勢和渦流愈大，電磁轉矩愈高。所以，通過控制裝置改變勵磁繞組中的電流大小，就可以改變輸出軸轉速的高低。

以上是幾種常見電動機原理。因為原理不同，所以有不同的特點及應用。

[1]李剛.電機與變壓器[M].天津：南開大學出版社,2013.

[2]許翏.電機與電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社,2012.