第1章 电动机
电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。直流电动机虽然结构复杂，维护也不方便，但它的调速性能较好，起动转短较大，在速度调节要求高，正反转和起制动频繁，或多单元同步协调运行的机械设备上，仍然采用直流电动机拖动。三相异步电动机结构简单，运行可靠，坚固耐用，维护容易，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，在工业中得到最广泛的应用。本章介绍直流电动机和三相异步电动机的工作原理、起动、制动、调速的特性与方法。
1.1直流电动机的基本结构与工作原理
直流电动机具有良好的起动性能和调速性能。到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已经解决，但是在速度调节要求较高、正反转和起动制动频繁、多单元同步协调运转的机械设备上，仍然采用直流电动机拖动。 1．直流电动机的结构
直流电机有固定不动的和旋转的两部分，固定部分称为定子（磁极），旋转部分称为转子（电枢）。结构简图如图1.1所示：在直流电动机中，都是将磁极部分放在定子上，将电枢部分放在转子上。下面将介绍直流电机的具体构造。
图1.1 直流电机结构图
1 机座 2 激磁绕组 3 轴承端盖 4 换向器 5 电刷架 6 风扇 7 主磁极 8 电枢铁心 9 电枢绕组
1)定子
定子是电动机固定不动的部分。直流电动机的定子由主磁极、换向磁极、机座和轴承等组成：
(1)主磁极 磁极是用来在电动机中产生磁场的。它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。磁极是用钢片叠成的，固定在机座上。改变励磁电流的方向就可以改变主磁极的极性，也就此变了磁场的方向。
在小型直流电动机中，也有用永久磁铁作为磁极的。
(2)换向磁极 简称换向极，它是位于主磁极之间的比较小的磁极。主要用于改善换向用的。 (3)机座 用于固定主磁极和换向磁极，也是磁路的一部分。 (4)轴承 用来支撑转子的转轴。
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2)转子
直流电动机的转子，它包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇等几部分： (1)电枢铁心 由硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。
(2)电枢绕组 是由许多线圈按一定的规则联接起来的。绕组安放在电枢铁心槽内，线圈的端部与换向片的楔形铜片相连接。
(3)换向器 由许多换向片组成，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。 (4)风扇等。 2．直流电动机的工作原理
图1.2所示为直流电动机最简单的模型，电动机具有一对固定的磁极N和S，通常是电磁铁，在两个磁极N和S之间，有一个可以转动的圆柱铁芯电枢，在电枢上缠有电枢绕组，为简单起见，我们假设绕组只有一匝线圈abcd。线圈两端分别连在相互绝缘的换向片A1和A2上，换向片组成的圆柱体称为换向器，换向器跟随电枢转动。电刷B1和B2固定不动，紧紧压在换向片上，与外部电路相连。
cbNNb+A1A2-c+A2A1-B2B1B1ndanadSB2S+U+U--
(a) (b)
图1.2 直流电动机工作原理图
下面来看直流电动机的工作原理。如图1.2 (a)所示，将直流电源接入电刷B1和B2之间，在N极下的导体电流方向为d→c，在S极上的导体电流方向为b→a。对于导体dc来说，通电导体处于磁场中，会受到电磁力的作用，根据电磁力定律，导体上的力大小为f?Bli，方向由左手定则确定，可知在图示位置时，电磁力的方向为水平向左。同理，对于导体ab来说，也受到电磁力的作用，大小也为f?Bli，方向为水平向右。因此，线圈abcd受到逆时针方向的转矩作用，使电枢绕逆时针方向转动。当电动机转过90o时，线圈处于水平位置，线圈受到的转矩为零，但是，电动机有一定的转速，在惯性的作用下，电动机可以转过这个位置。当电动机转过180o时，如图1.2 (b)所示，在N极下的导体为ab，在S极上的导体为cd，在换向器的作用下，线圈中的电流换向。对于导体ab来说，电流方向为a→b，受到的电磁力方向为水平向左；对于导体cd来说，电流方向为c→d，受到的电磁力方向为水平向右。因此，线圈仍受到逆时针方向的转矩作用，使电枢沿逆时针方向旋转。由此可看出，换向器的作用是相当重要的，它改变线圈中的电流方向，从而保持线圈所受到的转矩方向不变，从而使电枢能连续旋转。
当电枢在磁场中旋转，切割磁力线时，根据电磁感应定律，在电枢中会产生感应电动势，其大小为
ε=-Nd?/dt。方向由右手定则判断，它与外加电压或电流的方向相反，因此，通常称为反电动势E。在不同时刻，当线圈处于不同位置时，所通过的磁通Φ是不同的，磁通的变化率也是不同的。因此，反电动势E的大小是变化的，通常用它的平均值来表示，即：
E?Ce?n (1.1)
其中，E为反电动势(V)，Ce为电动势常数，由电动机结构决定，Φ为一对磁极的磁通(Wb)，n为电动机的转速(r/min)。
电磁转矩 T是指电动机正常运行时，带电的电枢绕组在磁场中受到电磁力作用所形成的总转矩。在不同位
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置，电枢绕组所受的电磁转矩方向相同，大小不同，通常用电磁转矩的平均值来进行计算：
T?Ct?Ia (1.2)
其中，T为电磁转矩(N·m)，CT为转矩常数，由电动机的结构决定，Ct=9.55Ce，Ia为电枢电流(A)。
对于直流电动机来说，稳态运行时，作用在电动机轴上的转矩有三个：即电磁转矩T，空载损耗转矩T0和负载转矩TL，电磁转矩T是驱动转矩，使电动机旋转，电磁转矩T应等于空载损耗转矩T0和负载转矩TL之和，即：
T?T0?TL (1.3)
由于空载损耗转矩很小，电动机在稳定运行时，为简单起见，通常可以忽略不计，认为电磁转矩与负载转矩相等。当负载转矩发生波动时，电动机的转速n、反电动势E、电枢电流Ia以及电磁转矩T能自动进行调整，达到新的平衡。如负载减小时，电磁转矩大于负载转矩，转速上升，反电动势随着转速的上升而增大，电枢电流减小，电磁转矩减小。当电磁转矩减小到与负载转矩相等时，电动机达到新的平衡状态，此时，电动机以高于原来的速度稳定运行。
3．直流电动机的分类别
直流电动机的磁极一般由磁极铁芯和励磁绕组所组成。励磁绕组上通以直流电流时会产生励磁电动势，励磁电动势所形成的磁场就是直流电动机的磁场，也称为励磁磁场。按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励电动机，并励电动机，串励电动机和复励电动机四种，如图1.3所示。
图1.3 直流电动机的分类
(a) 他励电动机 (b) 并励电动机 (c) 串励电动机 (d) 复励电动机
他励电动机的励磁绕组由外电源Uf供电，励磁电流If不受电枢端电压U或电枢电流Ia的影响。并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，由电枢端电压U供电，负载电流I分为励磁电流If和电枢电流Ia；串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流If即为电枢电流Ia；复励电动机的磁极上有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。
1.2 直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性指的是当电动机的电枢端电压U、电枢电阻Ra、电枢上的外串电阻R及励磁电流If
不变时，电动机的转速n与转矩T之间的关系，曲线n=f(T)称为电动机的机械特性曲线。
直流电动机的机械特性与励磁方式有关，励磁方式不同的电动机，其机械特性是有区别的。他励和并励电动机比较常用，当他励电动机的励磁电源电压Uf取为电动机的电枢端电压U时，就成了一台并励电动机。可以说并励电动机是他励电动机的一种特例，两者的机械特性是相同的。下面以他励电动机为例来分析他励和并励电动机的机械特性。
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1．他励电动机机械特性的表达式
由图1.3(a)可看出，他励电动机电枢回路的电压平衡方程式为：
U?E?Ia(Ra?R) (1.4)
由式(1.2)得：
Ia?T/Ct? (1.5)
将式(1.1)和式(1.5)代入式(1.4)中并整理，得他励电动机机械特性曲线方程为：
Ra?RUn??T?n0??n (1.6)
Ce?CeCt?2 电枢端电压U、励磁电阻、励磁电流一定时，磁通Φ也为一常数。由式(1.6)可看出，电动机的机械特性曲线为一条斜直线。随着电磁转矩T的增大，转速降低，如图1.4所示。
图1.4 他励电动机机械特性曲线
当电磁转矩T=0、电枢端电压和励磁电流不变时，磁通Φ为一定值。n=n0=U/CeΦ是电动机空载时的转速。事实上，对于电动机来说，即使负载转矩为零，但由于空载损耗转矩的存在，电磁转矩T也不可能为零，因此，通常将n0称为理想空载转速，点(0,n0)就称为理想空载点。
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Δn=(Ra+R)T/CeCtΦ增加时，电磁转矩增大，电枢电流 Ia=(U-E)/(Ra+R)增大，在电阻(Ra+R)上引起的压降增大，而电源电枢端电压不变，因此，反电动势E减小，所以，转速n=E/CeΦ降低。
电动机的机械特性有固有机械特性和人为机械特性两种。固有机械特性是指在额定条件下，即电枢端电压为额定电压(U=UN)，励磁电流为额定励磁电流(If=IfN即磁通Φ=ΦN)，电枢电路中不外接任何电阻(R=0)时的转速与转矩之间的关系。而人为机械特性则指改变电枢端电压U、励磁电流If(即磁通Φ)和电枢电路中的电阻R时所得到的转速与转矩之间的关系。 2．固有机械特性
当If=IfN，U=UN，R=0时，Φ=ΦN，由式(1.6)得他励电动机的固有机械特性曲线方程为：
UNRan??T?noN??nN (1.7)2Ce?NCeCt?N 他励电动机的固有机械特性曲线是一条直线，只需要确定其中的两个点即可确定这条直线。电动机的电枢电阻Ra可根据电动机的损耗来估算，通常认为电动机在额定负载下的铜耗I2aRa为总损耗的50%~75%。电动机铭牌上给出了电动机的额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN和额定转速nN等，根据这些数据就能求出电动机的理想空载转速n0，额定转矩TN等。因此，他励电动机的固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据来绘制，一般用理想空载点(0，n0)和额定运行点(TN，nN)来确定。
例1-1：一台他励电动机，其铭牌数据如下：PN=12Kw，UN=220V，IN=65A，nN=1000r/min。试计算此电动机的固有机械特性。
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解：估算电枢电阻Ra：
I2aRa?(INUN?PN)(0.5~0.75)Ra?(65?220?12000)(0.5~0.75)/652?0.272~0.41? 取Ra?0.35?求CeΦN：
Ce?N?UN?INRa(220?65?0.35)??0.197
nN1000求理想空载转速n0：
n0?UN/Ce?N?220/0.197?1116.8r/min
求额定转矩TN：
TN?9.550PN/nN?9550?12/1000?114.6(N?m)
绘出电动机的固有机械特性曲线如图1.4。其中，理想空载点坐标（0，1116.8）；额定工作点坐标（114.6, 1000）。
3．人为机械特性
人为机械特性就是指式（1.6）他励电动机机械特性中电枢端电压U、磁通Φ不是额定值或电枢电路中接有
外加电阻R时的机械特性，又称人为特性。因此，他励电动机有三种人为机械特性。 1)改变电枢电压U时的人为机械特性
当If=IfN，R=0，改变电枢端电压U时，由式(1.6)可得改变电枢端电压U时的人为机械特性方程为：
RaUn??T?n0??nN (1.8)2Ce?NCeCt?N 由此可看出，理想空载转速n0与电枢端电压U成正比，转速降Δn与电枢端电压U无关。因此，改变电枢端电压U时的人为机械特性与固有机械特性相比，是一些理想空载点不同，而斜率相同的平行的直线，并且随着电压的降低，理想空载转速也降低。另外，由于电动机电压不能超过额定电压，只能在额定值以下改变电压的大小，因此，改变电枢端电压U的人为机械特性是一簇在固有机械特性以下并与之平行的直线，如图1.5所示。
图1.5 改变电枢电压U时的人为机械特性
2)电枢回路中串附加电阻R时的人为机械特性
当保持If=IfN，U=UN，在电枢回路中串入附加电阻R时，由式(1.6)得电枢回路中串附加电阻时的人为机械
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