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主编 李中发
制作 李中发
2003年 7月
电工电子技术基础
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? 三相异步电动机的转动原理
? 三相异步电动机使用方法
? 三相异步电动机的运行和控制方法
? 三相异步电动机的机械特性
? 单相异步电动机的转动原理
? 直流电动机的转动原理
学习要点
第 4章 电动机
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第 4章 电动机
? 4.1 三相异步电动机的结构及转动原理
? 4.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
? 4.3 三相异步电动机的运行与控制
? 4.4 三相异步电动机的选择与使用
? 4.5 单相异步电动机
? 4.6 直流电动机
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4.1 三相异步电动机的结
构及转动原理
4.1.1 三相异步电动机的结构
三相异步电动机由定子和转子构成。定子和转
子都有铁心和绕组。定子的三相绕组为 AX、
BY,CZ。 转子分为鼠笼式和绕线式两种结构。
鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线
式转子绕组的形式与定子绕组基本相同,3个
绕组的末端连接在一起构成星形连接,3个始
端连接在 3个铜集电环上，起动变阻器和调速
变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。
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4.1.2 旋转磁场的产生
)120s i n(2
)120s i n(2
s i n2
C
B
A
???
???
?
tIi
tIi
tIi
p
p
p
?
?
?
Ai
A
i
B
i
C
X
B
Y
C
Z
把三相定子绕组接成星形接到对称
三相电源，定子绕组中便有对称三相电
流流过。
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ω t
i i A i B i C
O 120 ° 240 ° 36 0 °
×
×
×
×
×·
·
·
·
·
·
(a ) ω t = 0 ° ( b ) ω t = 1 20 ° ( c ) ω t = 2 40 °
A A A
XXX
B
B B
YYY
C
C C
ZZZ×
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结论,
(1)在对称的三相绕组中通入三相电流, 可
以产生在空间旋转的合成磁场 。
(2)磁场旋转方向与电流相序一致 。 电流相
序为 A-B-C时磁场顺时针方向旋转；电流相序
为 A-C-B时磁场逆时针方向旋转 。
(3)磁场转速 (同步转速 )与电流频率有关,
改变电流频率可以改变磁场转速 。 对两极 (一
对磁极 )磁场, 电流变化一周, 则磁场旋转一
周 。 同步转速 no与磁场磁极对数 p的关系为：
r / m i n 60 1o
p
fn ?
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4.1.3 三相异步电动机的转动原理
·
·×
×
n
o
·
F
F
n
×
静止的转子与旋转磁场之
间有相对运动, 在转子导体中
产生感应电动势, 并在形成闭
合回路的转子导体中产生感应
电流, 其方向用右手定则判定
。 转子电流在旋转磁场中受到
磁场力 F的作用, F的方向用左
手定则判定 。 电磁力在转轴上
形成电磁转矩 。 电磁转矩的方
向与旋转磁场的方向一致 。
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电动机在正常运转时, 其转速 n总是稍低
于同步转速 no,因而称为 异步电动机 。 又因
为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的
,所以也称为 感应电动机 。
异步电动机同步转速和转子转速的差值与
同步转速之比称为 转差率, 用 s表示, 即：
%100
o
o ???
n
nns
转差率是异步电动机的一个重要参数。
异步电动机在额定负载下运行时的转差率约
为 1%~9%。
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例,有一台 4 极感应电动机，电压频率为 50 H z,
转速为 1440 r ／ m i n,试求这台感应电动机的转差率。
解,因为磁极对数 2?p,所以同步转速为：
r / m i n 1500
2
506060
1
o
?
?
??
p
f
n
转差率为：
%4%100
1500
14401500
%100
0
o
??
?
??
?
?
n
nn
s
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4.2 三相异步电动机的
电磁转矩和机械特性
4.2.1 三相异步电动机的电路分析
+
u 1
－
e 1
e σ 1
i1 i2
e 2
e σ 2
1．定子电路分析
dt
d
N
dt
di
LRi
eeRiu
?
???
?????
1
1
111
11111 )()(
?
?
)()()( 1111111111 EXIjRIEERIU ??????? ????????? ?
mNfEU ??? 1111 44.4
11 EU ?? ??
忽略 R1和 X1上的压降，则：
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2．转子电路分析
dt
diLRieRie 2
2222222 )( ?? ?????
22222222 )( XIjRIERIE ????? ????? ?
+
u 1
－
e 1
e σ 1
i1 i2
e 2
e σ 2
2021222 44.444.4 sENsfNfE mm ??????
1
o
o
oo
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf ???????
mNfE ?? 2120 44.4 为 0?n 即 1?s 时的转子电动势。
202122222 22 sXLsfLfLX ???? ?? ???
2120 2 ?? LfX ? 为 0?n 即 1?s 时的转子漏抗。
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2
c o s ?
I 2,
2
co s ?
I 2
O
s1
转子每相电流：
2
20
2
2
20
2
2
2
2
2
2
)( sXR
sE
XR
E
I
?
?
?
?
转子的功率因数为：
2
20
2
2
2
2
2
2
2
2
2
)(
c o s
sXR
R
XR
R
?
?
?
??
可见异步电动机的转子电流和功率
因数也都与转差率 s 有关，如图所示。
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4.2.2 三相异步电动机的电磁转矩
三相异步电动机的电磁转矩 T 是由旋转磁场的每极磁通
? 与转子电流 I
2
相互作用而产生的，故电磁转矩与转子电
流的有功分量 22 c o s ?I 及定子旋转磁场的每极磁通
?
成正
比，即：
22T
co s ?IKT ??
式中 K
T
是一个与电动机结构有关的常数。将 I
2
、
2
co s ?
的表达式及
?
与 U
1
的关系式代入上式，得三相异步
电动机电磁转矩公式的另一个表示式：
2
20
2
2
2
12
)( sXR
UsR
KT
?
?
式中 K 是一常数。可见电磁转矩 T 也与转差率 s 有关，
并且与定子每相电压 U
1
的平方成正比，电源电压对转矩影
响较大。同时，电磁转矩 T 还受到转子电阻 R
2
的影响。
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4.2.3 三相异步电动机的机械特性 a
O
T
n
n
0
T
m a x
T
qT N
n
N
b
c
T
N
T
q
T
m a x
T
ss
m
1
O
( a ) T = f ( s ) 曲线 ( b ) n = f ( T ) 曲线
1．起动转矩
2
20
2
2
2
12
XR
URKT
q ??
电动机刚起动（ n=0,s=1） 时的转矩称为 起动
转矩 。
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2．额定转矩
N
N
2N 955 0 n
PTT ??
电动机在额定负载下工作时的电磁
转矩称为 额定转矩,忽略空载损耗转矩，
则额定转矩等于机械负载转矩。
式中 PN是电动机的额定功率，单位
为 kW； nN是电动机的额定转速，单位是
r/min。
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例,有两台功率都为 kW 5.7
N
?P 的三相异步电动机，
一台 V 380
N
?U, r / m i n 9 6 2
N
?n,另一台 V 380
N
?U,
r / m i n 1 4 5 0
N
?n,求两台电动机的额定转矩。
解,第一台：
mN 45.74
962
5.7
9 5 5 09 5 5 0
N
N
N
?????
n
P
T
第二台：
mN 4.49
1450
5.7
95509550
N
N
N
?????
n
P
T
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3．最大转矩
对应于最大转矩的转差率 s
m
可由
0?
ds
dT
求得，为
20
2
X
R
s
m
? 。最大转矩为：
20
2
1
m a x
2 X
U
KT ?
过载系数：
N
m a x
T
T
??
一般三相异步电动机的 2.2~8.1?? 。
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4.3 三相异步电动机的
运行与控制
4.3.1 三相异步电动机的起动
1．直接起动
直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直
接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。
优点,起动简单。
缺点,起动电流较大，将使线路电压下降，影
响负载正常工作。
适用范围,电动机容量在 10kW以下，并且小
于供电变压器容量的 20％。
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2．降压起动
Y-Δ换接起动,在起动时将定
子绕组连接成星形, 通电后电
动机运转, 当转速升高到接近
额定转速时再换接成三角形 。
适用范围,正常运行时定子绕
组是三角形连接, 且每相绕组
都有两个引出端子的电动机 。
优点,起动电流为全压起动时
的 1／ 3。
缺点,起动转矩均为全压起动
时的 1／ 3。
Y 接起动
Δ 接运行
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起动
运行
自耦降压起动,利用
三相自耦变压器将电
动机在起动过程中的
端电压降低，以达到
减小起动电流的目的。
自耦变压器备有 40％、
60％,80％等多种抽
头，使用时要根据电
动机起动转矩的要求
具体选择。
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定子 转子
电刷
滑环
电阻
绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻
后，既可以降低起动电流，又可以增大起
动转矩。
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4.3.2 三相异步电动机的调速
p
fsnsn 1
o
60)1()1( ????
三相异步电动机的转速：
1．变极调速
通过改变电动机的定子绕组所形成的磁
极对数 p来调速。因磁极对数只能是按 1、
2,3,…,的规律变化，所以用这种方
法调速，电动机的转速不能连续、平滑
地进行调节。
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2．变频调速
通过变频器把频率为 50Hz工频的三相交流电
源变换成为频率和电压均可调节的三相交流
电源，然后供给三相异步电动机，从而使电
动机的速度得到调节。变频调速属于无级调
速，具有机械特性曲线较硬的特点。
3．变转差率调速
通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来
调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调
速。调速电阻的接法与起动电阻相同。这种
方法只适用于绕线式异步电动机。
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4.3.3 三相异步电动机的反转
因为三相异步电动机的转动方向是由旋转
磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取
决于定子绕组中通入三相电流的相序。因
此，要改变三相异步电动机的转动方向非
常容易，只要将电动机三相供电电源中的
任意两相对调，这时接到电动机定子绕组
的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被
改变，电动机就实现了反转。
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4.3.4 三相异步电动机的制动
1．能耗制动
电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直
流电源 。 感应电流与直流电产生的固定磁场
相互作用, 产生的电磁转矩方向与电动机转
子转动方向相反, 起到制动作用 。
特点,是制动准确, 平稳, 但需要额外的直
流电源 。
+
－
M
3 ～
×
Φ
F
n
n
0
=0
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2．反接制动
电动机停车时将三相电源中的任意两相对调,
使电动机产生的旋转磁场改变方向, 电磁转矩
方向也随之改变, 成为制动转矩 。
注意,当电动机转速接近为零时, 要及时断开
电源防止电动机反转 。
特点,简单, 制动效果好, 但由于反接时旋转
磁场与转子间的相对运动加快, 因而电流较大
。 对于功率较大的电动机制动时必须在定子电
路 （ 鼠笼式 ） 或转子电路 （ 绕线式 ） 中接入电
阻, 用以限制电流 。
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M
3 ～
×
Φ
F
n
n
0
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3．发电反馈制动
电动机转速超过旋转磁场
的转速时，电磁转矩的方
向与转子的运动方向相反，
从而限制转子的转速，起
到了制动作用。因为当转
子转速大于旋转磁场的转
速时，有电能从电动机的
定子返回给电源，实际上
这时电动机已经转入发电
机运行，所以这种制动称
为发电反馈制动。
×
Φ
F
n
n > n
0
n
0
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4.4.1 三相异步电动机的铭牌
4.4 三相异步电动机的
选择与使用
三相异步电动机
型 号 Y 132 M - 4 功 率 7,5kW 频 率 50H z
电 压 380V 电 流 15,4 A 接 法 Δ
转 速 1440r / m i n 绝缘等级 B 工作方式 连续
年 月 日 编号 ××电机厂
机座中心高度 （ 1 3 2 m m ）
Y 1 3 2 M — 4
磁极数 （ 4 极）
机座长度代号 （中机座）
三相异步电动机
型号,
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功率,电动机在铭牌规定条件下正常工作时转
轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。
电压,电动机的额定线电压 。
电流,电动机在额定状态下运行时的线电流 。
频率,电动机所接交流电源的频率 。 。
转速,额定转速 。
接线方法,
U 1 V 1 W 1
W 2 U 2 V 2
U 1 V 1 W 1
W 2 U 2 V 2
U 1 V 1 W 1
U 2 V 2 W 2
U 1 V 1 W 1
( a ) 星型连接 ( b ) 三角形连接
U 2 V 2 W 2
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4.4.2 三相异步电动机的选择合理选择电动机关系到生产机械的安
全运行和投资效益。可根据生产机械所需
功率选择电动机的容量，根据工作环境选
择电动机的结构形式，根据生产机械对调
速、起动的要求选择电动机的类型，根据
生产机械的转速选择电动机的转速。
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4.4.3 电动机的安装与接地
电动机的安装应遵循如下原则：
（ 1 ）有大量尘埃、爆炸性或腐蚀性气体、环境温
度 40 ℃ 以上以及水中作业等场所，应该选择具有合适
防护型式的电动机。
（ 2 ）一般场所安装电动机，要注意防止潮气。不
得已的情况下要抬高基础，安装换气扇排潮。
（ 3 ）通风条件要良好。环境温度过高会降低电动
机的效率，甚至使电动机过热烧毁。
（ 4 ）灰尘少。灰尘会附在电动机的线圈上，使电
动机绝缘电阻降低、冷却效果恶化。
（ 5 ）安装地点要便于对电动机的维护、检查。
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电动机的绝缘如果损坏，运行中机壳就
会带电。一旦机壳带电而电动机又没有良好
的接地装置，当操作人员接触到机壳时，就
会发生触电事故。因此，电动机的安装、使
用一定要有接地保护。在电源中性点直接接
地系统，采用保护接中性线，在电动机密集
地区应将中性线重复接地。在电源中性点不
接地系统，应采用保护接地。
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4.5 单相异步电动机
4.5.1 单相异步电动机的
工作原理与特性
t 8
× ·
×
×
×
·
·
·
×
× ·
·
n
t
i
O t 1 t 2 t 3 t 4
t 5 t 6 t 7 t 8 t
1
t 2
t 3
t 4
t 5
t 6
t 7
定子绕阻轴线
在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，
电动机内产生一个大小及方向随时间 沿定子绕
组轴线方向变化 的磁场，称为 脉动磁场 。
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ω t
B
O
45 ° 90 ° 13 5 ° 180 ° 235 ° 27 0 ° 31 5 ° 36 0 °
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
2
B
1
B
B
B
B
B
B
脉动磁场可以分解为两个大小一样、转速相等、方向相
反的旋转磁场 B
1
,B
2
。顺时针方向转动的旋转磁场 B
1
对转
子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场
B
2
对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这
两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是
不会转动的，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。
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T
T
T ''
T '"
1
0
0
2
2
s "
s '
单相异步电动机的机械特性
但一旦让单相异步电动机
转动起来, 由于顺时针旋
转磁场 B1和逆时针旋转磁
场 B2产生的合成电磁转矩
不再为零, 在这个合成转
矩的作用下, 即使不需要
其它的外在因素, 单相异
步电动机仍将沿着原来的
运动方向继续运转 。
由于单相异步电动机总有
一个反向的制动转矩存在
,所以其效率和负载能力
都不及三相异步电动机 。
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4.5.2 单相异步电动机的起动
1．分相法
M
1 ～
C i 2 i 1
ω t
i
i 1 i 2
0
(a ) 电路图 ( b ) 波形图
45 ° 90 ° 360 °
电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工
作绕组 （主绕组）；另一个是起动绕组 （副绕组），两个
绕组在空间互成 90 °。起动绕阻与电容 C 串联，使起动
绕组电流 i
2
和工作绕组电流 i
1
产生 90 °相位差，即：
)90s i n (2
s i n2
22
11
???
?
tIi
tIi
?
?
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× · × ·
×
·
i
1
i
1
i
1
i
2 i 2 i
2
×
·
ω t =0 ° ω t = 45 ° ω t = 90 °
下图所示分别为 ωt=0°, 45°, 90° 时合
成磁场的方向, 由图可见该 磁场随着时间
的增长顺时针方向旋转 。 这样一来, 单相
异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下
起动了 。
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2．罩极法
罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约 1/3
处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部
分叫做罩极。当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，
有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和
感应电流。根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生
的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜
环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内
的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通
一个相位角。随着定子绕组中电流变化率的改变，单
相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在
电动机内形成了一个旋转磁场。在这个旋转磁场的作
用下，电动机的转子就能够起动起来了。
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4.6 直流电动机
4.6.1 直流电动机的结构及分类
三相异步电动机也由定子和转子构成。
定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和
电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的
主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电
枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之
间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。
转子由电枢铁心, 电枢绕组和换向器等组成 。 电枢铁心上冲有
槽孔, 槽内放电枢绕组, 电枢铁心也是直流电动机磁路的组成
部分 。 电枢绕组的 — 端装有换向器, 换向器由许多铜质换向片
组成一个圆柱体, 换向片之间用云母绝缘 。 换向器是直流电动
机的重要构造特征, 换向器通过与电刷的摩擦接触, 将两个电
刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流, 以
便形成固定方向的电磁转矩 。
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M
—
M
—
M
—
M
—
( a ) 他励式 ( b ) 并励式 ( c ) 串励式 ( d ) 复励式
他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的
重型机床等设备中。
并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通
将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转
速调节方便，调速范围大。
串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特
别适用于起重设备。
积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效
克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于
负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转
速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械中。
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4.6.2 直流电动机的工作原理和机械特性
×
· F
F
(a ) 直流电动机原理图 (b ) 线圈受力方向
N
S
A
B
a
b
N
S
+
U
－
接通直流电压 U时, 直流电流为从 a边流入, b边流出, 由于 a边处
于 N极之下, b边处于 S极之下, 则线圈受到电磁力而形成一个逆
时针方向的电磁转矩 T,使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动 。
1,直流电动机的转动原理
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当电枢转动半周后,a边处于 S极之下，而 b边处于 N极之下。
由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向
变为从 b边流入，从 a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的
电磁转矩 T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。
×
· F
F
(a ) 直流电动机原理图 (b ) 线圈受力方向
N
S
A
B
b
a
N
S
+
U
－
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2,电磁转矩与电压平衡方程
am ICT ??
nCE e ??
aa RIEU ??
M
R
a
+
U
－
E
+
－
I
a
直流电动机电枢等效电路
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T
I
N
n
N
Δ n
n
0
O
n
3,机械特性
nn
T
CC
R
C
U
I
C
R
C
U
C
RIU
C
E
n
me
a
e
a
e
a
e
e
aa
e
???
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
o
2
直流电动机具有
硬的机械特性。
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例,一直流电动机额定电压 V 1 1 0?U,电枢
电流 A 10?
a
I,电枢电阻 5.0?
a
R Ω,求起动瞬间
的电流及正常运转时的反电动势。
解,直接起动时的起动电流：
A 2 2 0
5.0
1 1 0
???
a
st
R
U
I
正常运转时的反电动势：
V 1 0 55.0101 1 0 ??????
aa
RIUE
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4.6.3 直流电动机的运行与控制
1,直流电动机的起动
M
—
M
—
(a ) 他励式 (b) 并励式
R st R
st
直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的
10～ 20倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就
是起动时在电枢电路中串接起动电阻 Rst。起动电阻的值：
a
st
st RI
UR ??
一般规定起动电流不应超过额定电流的 1.5～ 2.5倍。起动时
将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将
起动电阻逐渐减小。
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2,直流电动机的调速
根据直流电动机的转速公式 n=（ U－ IaRa） /CeΦ,可知直流电
动机的调速方法有 3种：改变磁通 Φ调速, 改变电枢电压 U调
速和电枢串联电阻调速 。
改变磁通调速的优点是调速平滑, 可做到无级调速；调速经
济, 控制方便；机械特性较硬, 稳定性较好 。 但由于电动机
在额定状态运行时磁路已接近饱和, 所以通常只是减小磁通
将转速往上调, 调速范围较小 。
改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度,
稳定性好；控制灵活, 方便, 可实现无级调速；调速范围较
宽, 可达到 6～ 10。 但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源
,设备较复杂 。
电枢串联电阻调速方法简单, 方便, 但调速范围有限, 机械
特性变软, 且电动机的损耗增大太多, 因此只适用于调速范
围要求不大的中, 小容量直流电动机的调速场合 。
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3,直流电动机的制动
直流电动机的制动也有能耗制动, 反接制动和发电反馈制动 3
种 。
能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即
与一个制动电阻短接, 由于惯性, 短接后电动机仍保持原方
向旋转, 电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向, 但
因为没有外加电压, 电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改
变了, 即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反, 起到了制
动作用 。
反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即
与一个相反极性的电源相接, 电动机的电磁转矩立即变为制
动转矩, 使电动机迅速减速至停转 。
发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时, 电枢绕
组内的感应电动势将高于外加电压, 使电机变为发电状态运
行, 电枢电流改变方向, 电磁转矩成为制动转矩, 限制电机
转速过分升高 。
主编 李中发
制作 李中发
2003年 7月
电工电子技术基础
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? 三相异步电动机的转动原理
? 三相异步电动机使用方法
? 三相异步电动机的运行和控制方法
? 三相异步电动机的机械特性
? 单相异步电动机的转动原理
? 直流电动机的转动原理
学习要点
第 4章 电动机
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第 4章 电动机
? 4.1 三相异步电动机的结构及转动原理
? 4.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性
? 4.3 三相异步电动机的运行与控制
? 4.4 三相异步电动机的选择与使用
? 4.5 单相异步电动机
? 4.6 直流电动机
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4.1 三相异步电动机的结
构及转动原理
4.1.1 三相异步电动机的结构
三相异步电动机由定子和转子构成。定子和转
子都有铁心和绕组。定子的三相绕组为 AX、
BY,CZ。 转子分为鼠笼式和绕线式两种结构。
鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。绕线
式转子绕组的形式与定子绕组基本相同,3个
绕组的末端连接在一起构成星形连接,3个始
端连接在 3个铜集电环上，起动变阻器和调速
变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。
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4.1.2 旋转磁场的产生
)120s i n(2
)120s i n(2
s i n2
C
B
A
???
???
?
tIi
tIi
tIi
p
p
p
?
?
?
Ai
A
i
B
i
C
X
B
Y
C
Z
把三相定子绕组接成星形接到对称
三相电源，定子绕组中便有对称三相电
流流过。
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ω t
i i A i B i C
O 120 ° 240 ° 36 0 °
×
×
×
×
×·
·
·
·
·
·
(a ) ω t = 0 ° ( b ) ω t = 1 20 ° ( c ) ω t = 2 40 °
A A A
XXX
B
B B
YYY
C
C C
ZZZ×
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结论,
(1)在对称的三相绕组中通入三相电流, 可
以产生在空间旋转的合成磁场 。
(2)磁场旋转方向与电流相序一致 。 电流相
序为 A-B-C时磁场顺时针方向旋转；电流相序
为 A-C-B时磁场逆时针方向旋转 。
(3)磁场转速 (同步转速 )与电流频率有关,
改变电流频率可以改变磁场转速 。 对两极 (一
对磁极 )磁场, 电流变化一周, 则磁场旋转一
周 。 同步转速 no与磁场磁极对数 p的关系为：
r / m i n 60 1o
p
fn ?
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4.1.3 三相异步电动机的转动原理
·
·×
×
n
o
·
F
F
n
×
静止的转子与旋转磁场之
间有相对运动, 在转子导体中
产生感应电动势, 并在形成闭
合回路的转子导体中产生感应
电流, 其方向用右手定则判定
。 转子电流在旋转磁场中受到
磁场力 F的作用, F的方向用左
手定则判定 。 电磁力在转轴上
形成电磁转矩 。 电磁转矩的方
向与旋转磁场的方向一致 。
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电动机在正常运转时, 其转速 n总是稍低
于同步转速 no,因而称为 异步电动机 。 又因
为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的
,所以也称为 感应电动机 。
异步电动机同步转速和转子转速的差值与
同步转速之比称为 转差率, 用 s表示, 即：
%100
o
o ???
n
nns
转差率是异步电动机的一个重要参数。
异步电动机在额定负载下运行时的转差率约
为 1%~9%。
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例,有一台 4 极感应电动机，电压频率为 50 H z,
转速为 1440 r ／ m i n,试求这台感应电动机的转差率。
解,因为磁极对数 2?p,所以同步转速为：
r / m i n 1500
2
506060
1
o
?
?
??
p
f
n
转差率为：
%4%100
1500
14401500
%100
0
o
??
?
??
?
?
n
nn
s
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4.2 三相异步电动机的
电磁转矩和机械特性
4.2.1 三相异步电动机的电路分析
+
u 1
－
e 1
e σ 1
i1 i2
e 2
e σ 2
1．定子电路分析
dt
d
N
dt
di
LRi
eeRiu
?
???
?????
1
1
111
11111 )()(
?
?
)()()( 1111111111 EXIjRIEERIU ??????? ????????? ?
mNfEU ??? 1111 44.4
11 EU ?? ??
忽略 R1和 X1上的压降，则：
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2．转子电路分析
dt
diLRieRie 2
2222222 )( ?? ?????
22222222 )( XIjRIERIE ????? ????? ?
+
u 1
－
e 1
e σ 1
i1 i2
e 2
e σ 2
2021222 44.444.4 sENsfNfE mm ??????
1
o
o
oo
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf ???????
mNfE ?? 2120 44.4 为 0?n 即 1?s 时的转子电动势。
202122222 22 sXLsfLfLX ???? ?? ???
2120 2 ?? LfX ? 为 0?n 即 1?s 时的转子漏抗。
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2
c o s ?
I 2,
2
co s ?
I 2
O
s1
转子每相电流：
2
20
2
2
20
2
2
2
2
2
2
)( sXR
sE
XR
E
I
?
?
?
?
转子的功率因数为：
2
20
2
2
2
2
2
2
2
2
2
)(
c o s
sXR
R
XR
R
?
?
?
??
可见异步电动机的转子电流和功率
因数也都与转差率 s 有关，如图所示。
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4.2.2 三相异步电动机的电磁转矩
三相异步电动机的电磁转矩 T 是由旋转磁场的每极磁通
? 与转子电流 I
2
相互作用而产生的，故电磁转矩与转子电
流的有功分量 22 c o s ?I 及定子旋转磁场的每极磁通
?
成正
比，即：
22T
co s ?IKT ??
式中 K
T
是一个与电动机结构有关的常数。将 I
2
、
2
co s ?
的表达式及
?
与 U
1
的关系式代入上式，得三相异步
电动机电磁转矩公式的另一个表示式：
2
20
2
2
2
12
)( sXR
UsR
KT
?
?
式中 K 是一常数。可见电磁转矩 T 也与转差率 s 有关，
并且与定子每相电压 U
1
的平方成正比，电源电压对转矩影
响较大。同时，电磁转矩 T 还受到转子电阻 R
2
的影响。
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4.2.3 三相异步电动机的机械特性 a
O
T
n
n
0
T
m a x
T
qT N
n
N
b
c
T
N
T
q
T
m a x
T
ss
m
1
O
( a ) T = f ( s ) 曲线 ( b ) n = f ( T ) 曲线
1．起动转矩
2
20
2
2
2
12
XR
URKT
q ??
电动机刚起动（ n=0,s=1） 时的转矩称为 起动
转矩 。
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2．额定转矩
N
N
2N 955 0 n
PTT ??
电动机在额定负载下工作时的电磁
转矩称为 额定转矩,忽略空载损耗转矩，
则额定转矩等于机械负载转矩。
式中 PN是电动机的额定功率，单位
为 kW； nN是电动机的额定转速，单位是
r/min。
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例,有两台功率都为 kW 5.7
N
?P 的三相异步电动机，
一台 V 380
N
?U, r / m i n 9 6 2
N
?n,另一台 V 380
N
?U,
r / m i n 1 4 5 0
N
?n,求两台电动机的额定转矩。
解,第一台：
mN 45.74
962
5.7
9 5 5 09 5 5 0
N
N
N
?????
n
P
T
第二台：
mN 4.49
1450
5.7
95509550
N
N
N
?????
n
P
T
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3．最大转矩
对应于最大转矩的转差率 s
m
可由
0?
ds
dT
求得，为
20
2
X
R
s
m
? 。最大转矩为：
20
2
1
m a x
2 X
U
KT ?
过载系数：
N
m a x
T
T
??
一般三相异步电动机的 2.2~8.1?? 。
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4.3 三相异步电动机的
运行与控制
4.3.1 三相异步电动机的起动
1．直接起动
直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直
接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。
优点,起动简单。
缺点,起动电流较大，将使线路电压下降，影
响负载正常工作。
适用范围,电动机容量在 10kW以下，并且小
于供电变压器容量的 20％。
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2．降压起动
Y-Δ换接起动,在起动时将定
子绕组连接成星形, 通电后电
动机运转, 当转速升高到接近
额定转速时再换接成三角形 。
适用范围,正常运行时定子绕
组是三角形连接, 且每相绕组
都有两个引出端子的电动机 。
优点,起动电流为全压起动时
的 1／ 3。
缺点,起动转矩均为全压起动
时的 1／ 3。
Y 接起动
Δ 接运行
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起动
运行
自耦降压起动,利用
三相自耦变压器将电
动机在起动过程中的
端电压降低，以达到
减小起动电流的目的。
自耦变压器备有 40％、
60％,80％等多种抽
头，使用时要根据电
动机起动转矩的要求
具体选择。
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定子 转子
电刷
滑环
电阻
绕线式异步电动机转子绕组串入附加电阻
后，既可以降低起动电流，又可以增大起
动转矩。
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4.3.2 三相异步电动机的调速
p
fsnsn 1
o
60)1()1( ????
三相异步电动机的转速：
1．变极调速
通过改变电动机的定子绕组所形成的磁
极对数 p来调速。因磁极对数只能是按 1、
2,3,…,的规律变化，所以用这种方
法调速，电动机的转速不能连续、平滑
地进行调节。
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2．变频调速
通过变频器把频率为 50Hz工频的三相交流电
源变换成为频率和电压均可调节的三相交流
电源，然后供给三相异步电动机，从而使电
动机的速度得到调节。变频调速属于无级调
速，具有机械特性曲线较硬的特点。
3．变转差率调速
通过改变转子绕组中串接调速电阻的大小来
调整转差率实现平滑调速的，又称为变阻调
速。调速电阻的接法与起动电阻相同。这种
方法只适用于绕线式异步电动机。
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4.3.3 三相异步电动机的反转
因为三相异步电动机的转动方向是由旋转
磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取
决于定子绕组中通入三相电流的相序。因
此，要改变三相异步电动机的转动方向非
常容易，只要将电动机三相供电电源中的
任意两相对调，这时接到电动机定子绕组
的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被
改变，电动机就实现了反转。
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4.3.4 三相异步电动机的制动
1．能耗制动
电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直
流电源 。 感应电流与直流电产生的固定磁场
相互作用, 产生的电磁转矩方向与电动机转
子转动方向相反, 起到制动作用 。
特点,是制动准确, 平稳, 但需要额外的直
流电源 。
+
－
M
3 ～
×
Φ
F
n
n
0
=0
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2．反接制动
电动机停车时将三相电源中的任意两相对调,
使电动机产生的旋转磁场改变方向, 电磁转矩
方向也随之改变, 成为制动转矩 。
注意,当电动机转速接近为零时, 要及时断开
电源防止电动机反转 。
特点,简单, 制动效果好, 但由于反接时旋转
磁场与转子间的相对运动加快, 因而电流较大
。 对于功率较大的电动机制动时必须在定子电
路 （ 鼠笼式 ） 或转子电路 （ 绕线式 ） 中接入电
阻, 用以限制电流 。
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M
3 ～
×
Φ
F
n
n
0
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3．发电反馈制动
电动机转速超过旋转磁场
的转速时，电磁转矩的方
向与转子的运动方向相反，
从而限制转子的转速，起
到了制动作用。因为当转
子转速大于旋转磁场的转
速时，有电能从电动机的
定子返回给电源，实际上
这时电动机已经转入发电
机运行，所以这种制动称
为发电反馈制动。
×
Φ
F
n
n > n
0
n
0
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4.4.1 三相异步电动机的铭牌
4.4 三相异步电动机的
选择与使用
三相异步电动机
型 号 Y 132 M - 4 功 率 7,5kW 频 率 50H z
电 压 380V 电 流 15,4 A 接 法 Δ
转 速 1440r / m i n 绝缘等级 B 工作方式 连续
年 月 日 编号 ××电机厂
机座中心高度 （ 1 3 2 m m ）
Y 1 3 2 M — 4
磁极数 （ 4 极）
机座长度代号 （中机座）
三相异步电动机
型号,
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功率,电动机在铭牌规定条件下正常工作时转
轴上输出的机械功率，称为额定功率或容量。
电压,电动机的额定线电压 。
电流,电动机在额定状态下运行时的线电流 。
频率,电动机所接交流电源的频率 。 。
转速,额定转速 。
接线方法,
U 1 V 1 W 1
W 2 U 2 V 2
U 1 V 1 W 1
W 2 U 2 V 2
U 1 V 1 W 1
U 2 V 2 W 2
U 1 V 1 W 1
( a ) 星型连接 ( b ) 三角形连接
U 2 V 2 W 2
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4.4.2 三相异步电动机的选择合理选择电动机关系到生产机械的安
全运行和投资效益。可根据生产机械所需
功率选择电动机的容量，根据工作环境选
择电动机的结构形式，根据生产机械对调
速、起动的要求选择电动机的类型，根据
生产机械的转速选择电动机的转速。
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4.4.3 电动机的安装与接地
电动机的安装应遵循如下原则：
（ 1 ）有大量尘埃、爆炸性或腐蚀性气体、环境温
度 40 ℃ 以上以及水中作业等场所，应该选择具有合适
防护型式的电动机。
（ 2 ）一般场所安装电动机，要注意防止潮气。不
得已的情况下要抬高基础，安装换气扇排潮。
（ 3 ）通风条件要良好。环境温度过高会降低电动
机的效率，甚至使电动机过热烧毁。
（ 4 ）灰尘少。灰尘会附在电动机的线圈上，使电
动机绝缘电阻降低、冷却效果恶化。
（ 5 ）安装地点要便于对电动机的维护、检查。
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电动机的绝缘如果损坏，运行中机壳就
会带电。一旦机壳带电而电动机又没有良好
的接地装置，当操作人员接触到机壳时，就
会发生触电事故。因此，电动机的安装、使
用一定要有接地保护。在电源中性点直接接
地系统，采用保护接中性线，在电动机密集
地区应将中性线重复接地。在电源中性点不
接地系统，应采用保护接地。
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4.5 单相异步电动机
4.5.1 单相异步电动机的
工作原理与特性
t 8
× ·
×
×
×
·
·
·
×
× ·
·
n
t
i
O t 1 t 2 t 3 t 4
t 5 t 6 t 7 t 8 t
1
t 2
t 3
t 4
t 5
t 6
t 7
定子绕阻轴线
在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，
电动机内产生一个大小及方向随时间 沿定子绕
组轴线方向变化 的磁场，称为 脉动磁场 。
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ω t
B
O
45 ° 90 ° 13 5 ° 180 ° 235 ° 27 0 ° 31 5 ° 36 0 °
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
2
B
1
B
1
B
2
B
2
B
1
B
B
B
B
B
B
脉动磁场可以分解为两个大小一样、转速相等、方向相
反的旋转磁场 B
1
,B
2
。顺时针方向转动的旋转磁场 B
1
对转
子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向转动的旋转磁场
B
2
对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这
两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以电动机的转子是
不会转动的，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。
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T
T
T ''
T '"
1
0
0
2
2
s "
s '
单相异步电动机的机械特性
但一旦让单相异步电动机
转动起来, 由于顺时针旋
转磁场 B1和逆时针旋转磁
场 B2产生的合成电磁转矩
不再为零, 在这个合成转
矩的作用下, 即使不需要
其它的外在因素, 单相异
步电动机仍将沿着原来的
运动方向继续运转 。
由于单相异步电动机总有
一个反向的制动转矩存在
,所以其效率和负载能力
都不及三相异步电动机 。
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4.5.2 单相异步电动机的起动
1．分相法
M
1 ～
C i 2 i 1
ω t
i
i 1 i 2
0
(a ) 电路图 ( b ) 波形图
45 ° 90 ° 360 °
电容分相式异步电动机的定子有两个绕组：一个是工
作绕组 （主绕组）；另一个是起动绕组 （副绕组），两个
绕组在空间互成 90 °。起动绕阻与电容 C 串联，使起动
绕组电流 i
2
和工作绕组电流 i
1
产生 90 °相位差，即：
)90s i n (2
s i n2
22
11
???
?
tIi
tIi
?
?
跳转到第一页
× · × ·
×
·
i
1
i
1
i
1
i
2 i 2 i
2
×
·
ω t =0 ° ω t = 45 ° ω t = 90 °
下图所示分别为 ωt=0°, 45°, 90° 时合
成磁场的方向, 由图可见该 磁场随着时间
的增长顺时针方向旋转 。 这样一来, 单相
异步电动机就可以在该旋转磁场的作用下
起动了 。
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2．罩极法
罩极法是在单相异步电动机定子磁极的极面上约 1/3
处套装了一个铜环（短路环），套有短路环的磁极部
分叫做罩极。当定子绕组通入电流产生脉动磁场后，
有一部分磁通穿过铜环，使铜环内产生感应电动势和
感应电流。根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生
的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜
环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内
的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通
一个相位角。随着定子绕组中电流变化率的改变，单
相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在
电动机内形成了一个旋转磁场。在这个旋转磁场的作
用下，电动机的转子就能够起动起来了。
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4.6 直流电动机
4.6.1 直流电动机的结构及分类
三相异步电动机也由定子和转子构成。
定子的主要作用是产生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和
电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的
主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电
枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之
间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。
转子由电枢铁心, 电枢绕组和换向器等组成 。 电枢铁心上冲有
槽孔, 槽内放电枢绕组, 电枢铁心也是直流电动机磁路的组成
部分 。 电枢绕组的 — 端装有换向器, 换向器由许多铜质换向片
组成一个圆柱体, 换向片之间用云母绝缘 。 换向器是直流电动
机的重要构造特征, 换向器通过与电刷的摩擦接触, 将两个电
刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流, 以
便形成固定方向的电磁转矩 。
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M
—
M
—
M
—
M
—
( a ) 他励式 ( b ) 并励式 ( c ) 串励式 ( d ) 复励式
他励式电动机构造比较复杂，一般用于对调速范围要求很宽的
重型机床等设备中。
并励式电动机在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通
将保持恒定不变。起动转矩大，负载变动时转速比较稳定，转
速调节方便，调速范围大。
串励式电动机的转速随转矩的增加，呈显著下降的软特性，特
别适用于起重设备。
积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效
克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于
负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转
速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械中。
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4.6.2 直流电动机的工作原理和机械特性
×
· F
F
(a ) 直流电动机原理图 (b ) 线圈受力方向
N
S
A
B
a
b
N
S
+
U
－
接通直流电压 U时, 直流电流为从 a边流入, b边流出, 由于 a边处
于 N极之下, b边处于 S极之下, 则线圈受到电磁力而形成一个逆
时针方向的电磁转矩 T,使电枢绕组绕轴线方向逆时针转动 。
1,直流电动机的转动原理
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当电枢转动半周后,a边处于 S极之下，而 b边处于 N极之下。
由于采用了电刷和换向器装置，此时电枢中的直流电流方向
变为从 b边流入，从 a边流出。电枢仍受到一个逆时针方向的
电磁转矩 T的作用，继续绕轴线方向逆时针转动。
×
· F
F
(a ) 直流电动机原理图 (b ) 线圈受力方向
N
S
A
B
b
a
N
S
+
U
－
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2,电磁转矩与电压平衡方程
am ICT ??
nCE e ??
aa RIEU ??
M
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a
+
U
－
E
+
－
I
a
直流电动机电枢等效电路
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I
N
n
N
Δ n
n
0
O
n
3,机械特性
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T
CC
R
C
U
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C
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C
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a
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o
2
直流电动机具有
硬的机械特性。
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例,一直流电动机额定电压 V 1 1 0?U,电枢
电流 A 10?
a
I,电枢电阻 5.0?
a
R Ω,求起动瞬间
的电流及正常运转时的反电动势。
解,直接起动时的起动电流：
A 2 2 0
5.0
1 1 0
???
a
st
R
U
I
正常运转时的反电动势：
V 1 0 55.0101 1 0 ??????
aa
RIUE
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4.6.3 直流电动机的运行与控制
1,直流电动机的起动
M
—
M
—
(a ) 他励式 (b) 并励式
R st R
st
直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的
10～ 20倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就
是起动时在电枢电路中串接起动电阻 Rst。起动电阻的值：
a
st
st RI
UR ??
一般规定起动电流不应超过额定电流的 1.5～ 2.5倍。起动时
将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将
起动电阻逐渐减小。
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2,直流电动机的调速
根据直流电动机的转速公式 n=（ U－ IaRa） /CeΦ,可知直流电
动机的调速方法有 3种：改变磁通 Φ调速, 改变电枢电压 U调
速和电枢串联电阻调速 。
改变磁通调速的优点是调速平滑, 可做到无级调速；调速经
济, 控制方便；机械特性较硬, 稳定性较好 。 但由于电动机
在额定状态运行时磁路已接近饱和, 所以通常只是减小磁通
将转速往上调, 调速范围较小 。
改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度,
稳定性好；控制灵活, 方便, 可实现无级调速；调速范围较
宽, 可达到 6～ 10。 但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源
,设备较复杂 。
电枢串联电阻调速方法简单, 方便, 但调速范围有限, 机械
特性变软, 且电动机的损耗增大太多, 因此只适用于调速范
围要求不大的中, 小容量直流电动机的调速场合 。
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3,直流电动机的制动
直流电动机的制动也有能耗制动, 反接制动和发电反馈制动 3
种 。
能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即
与一个制动电阻短接, 由于惯性, 短接后电动机仍保持原方
向旋转, 电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向, 但
因为没有外加电压, 电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改
变了, 即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反, 起到了制
动作用 。
反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即
与一个相反极性的电源相接, 电动机的电磁转矩立即变为制
动转矩, 使电动机迅速减速至停转 。
发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时, 电枢绕
组内的感应电动势将高于外加电压, 使电机变为发电状态运
行, 电枢电流改变方向, 电磁转矩成为制动转矩, 限制电机
转速过分升高 。
