对电动机原理的分析与探讨

连艳芳

辽宁铁道职业技术学院 （锦州 121000）

0 引言

电动机是把电能转换成机械能的装置。电动机的种类很多，按功能可分为驱动电动机和控制电动机；按电能种类可分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与旋转磁场的转速的关系和分为同步电动机和异步电动机；按电源相数可分为单相电动机和三相电动机；本文就几种常见电动机的原理加以对比、分析与探讨。从而对各种常见电动机的特性及应用有进一步的认识。

1 三相交流异步电动机的原理

以笼型异步电动机为例分析异步电动机转动原理。在三相异步电动机的定子铁心中放置

三组结构完全相同的绕组U1U2、V1V2、W1W2，各相绕组在空间互差120°电角度，向这三相绕组中通入对称的三相交流电，则在定子与转子的气隙中产生一个旋转磁场。

磁场切割转子导条，产生感生电动势。由于笼型转子导条为封闭回路，所以有感生电流流过，该电流将使转子在磁场中受到电磁力F的作用。该电磁力F在转子转轴上形成电磁转矩，使转子转动，与旋转磁场的转动方向一致。

当旋转磁场刚开始旋转时，转子导条中没有足够的感生电流，不能产生足够的电磁转矩使转子转动。当旋转磁场以一定的速度旋转时，转子中将受电磁转矩的作用开始旋转。可见，转子转速是滞后于旋转磁场转速的，所以称为异步。

2 单相交流异步电动机的原理

2.1 工作绕组通电的工作情况

工作绕组通电时，产生空间正弦分布的脉振磁势。脉振磁势可以分解成两个幅值相等，转速相同当方向相反的两个旋转磁势，两个旋转磁势的幅值都等于脉振磁势的一半。两个旋转磁势分别产生正转和反转的两个磁场，两个磁场同时在转子绕组中分别产生感应电势和电流，从而产生能使电动机正、反转的电磁转矩。从而使单相异步电动机的机械特性有以下特点。

(1)当电动机的转速n为零时，电磁转矩T也为零。即电动机没有启动转矩，电动机转子不会自行转动。

(2)当电动机的转速n大于零时，电磁转矩T也大于零。即电动机正转后，电磁转矩能使电动机继续正转运行；当电动机的转速n小于零时，电磁转矩T也小于零。即电动机反转后，电磁转矩能使电动机继续反转运行。因此，单相电动机没有固定的转向，由启动时所给的转矩方向决定电动机的转向。

(3)单相异步电动机的转速总是小于同步转速。

由上所述，如果单相异步的电动机定子只有工作绕组，电动机只能运行不能启动，因此单相异步电动机必须有工作绕组和启动绕组。

2.2 工作绕组和启动绕组都通电时的工作情况

若在单相异步电动机的定子上布置空间上位置不同的工作绕组和启动绕组。且两个绕组同时分别通入两个不同相位的交流电流时，一般情况下会产生椭圆磁势，椭圆磁势也可以分解成正旋转磁势和反旋转磁势，且两个磁势不相等。电动机转子在两个旋转磁势的作用下产生正转电磁转矩和反转电磁转矩。由于正转磁势和反转磁势的大小不相等，从而使电动机的机械特性有如下特点。

当电机的转速n为零时，电磁转矩T大于零，即电动机有正向的启动转矩，能正向启动；

当电动机的转速n大于零时，电磁转矩T大于零，即电动机启动后能正常运行。

3 同步电动机的工作原理

(1)定子的对称三相绕组（也称电枢绕组）接到三相交流电源上，便有三相对称电流流过而在空间形成旋转磁场。该磁场以同步转速在n1=60f/p气隙空间旋转。

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(2)转子励磁绕组接入直流电源后，就有直流电流流过并产生大小和极性不变的恒定磁场。

(3)根据同名磁极相斥、异名磁极相吸的原理，当转子磁极的S极与电枢旋转磁场的N极对齐时，转子磁极将被电枢旋转磁极吸引而产生电磁转矩，拖动转子跟着旋转磁场以同方向、同转速旋转。

(4)理想空载时，转子磁极与定子旋转磁场处处对正，转子磁极的轴线与定子磁极的轴线重合。

(5)实际上，在空载时转子的转动总要受到一些阻力，转子磁极总要比旋转磁极落后一个小小的角度Ψ0，但转子转速不变。 Ψ0称作功率角。

(6)当同步电动机带上负载后，转子磁极仍随旋转磁极以相同的转速、相同的转动方向转动，但功率角Ψ0增大。

4 直流电动机的工作原理

(1)在电源的作用下，电枢绕组的导体中形成电流；

(3)由于换向器的作用，导体从一个磁极进入另一个磁极时，导体中的电流方向也必须改变；

(4)能保证电磁转矩的方向不变、电枢转动的方向不变，将电能转换为机械能。

(5)线圈经过两个磁极交界处，导体中电流为“0”，线圈的电磁转矩为“0”，电枢只能凭借惯性通过这个位置。

(6)实际中的直流电动机电枢绕组由多个线圈连接而成，使电枢在转动过程中处于磁极下的线圈数不变，电枢所受的电磁转矩不变。这样就解决了因一个线圈经过两个磁极交界处时，只能凭惯性通过这个位置的问题。

5 电磁调速异步电动机的原理

(1)电枢由异步电动机带动旋转，如果没有给励磁绕组供电，从动部分不会旋转。

(2)如果通过通过电刷和滑环向磁极上的励磁绕组通入直流电流，磁极上即产生磁通；经过爪极→气隙→电枢→气隙→爪极而闭合。

(3)在原动机起动后，离合器的电枢就会随电动机在磁场中以转速n旋转，于是电枢与磁极便有相对运动。根据电磁感应定律可知，电枢切割磁场将产生电动势。由于电枢由整体铸钢做成，就会产生涡流。

(4)涡流与磁场互相作用产生转矩，迫使磁极作为从动部分随之旋转，转矩通过输出轴，拖动负荷运行。

(5)与异步电动机的工作原理相似，从动部分的转速必定小于主动部分的转速，只有这样才能产生转矩，所以称为转差离合器。

(6)转差离合器的磁场由直流电流产生，依靠电枢的转动才起着旋转磁场的作用。当离合器的从动轴上带有一定负载时，励磁电流的大小就决定了从动部分转速的高低，励磁电流愈大，磁场愈强，电枢感应电动势和涡流愈大，电磁转矩愈高。所以，通过控制装置改变励磁绕组中的电流大小，就可以改变输出轴转速的高低。

以上是几种常见电动机原理。因为原理不同，所以有不同的特点及应用。

[1]李刚.电机与变压器[M].天津：南开大学出版社,2013.

[2]许翏.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社,2012.