电动机分类及工作原理介绍

电动机是利用电与磁的相互转化和相互作用制成的，根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机，本文主要介绍三相异步电动机、三相同步电动机及直流电动机。

1.异步电动机

三相异步电动机是应用最广的电动机，是应用得最普遍的电能转化为机械能的设备，几乎每个厂都要用到这种电动机。平时我们说电动机就是指三相异步电动机。三相异步电动机由于结构简单，运行效率高，在国民经济的各个领域得到广泛的应用，发挥着重要的作用。

（1）工作原理

三相异步电动机转子之所以会旋转，实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。如图10-12所示，当三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。电磁力作用于转子导体上，对转轴形成电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向旋转起来，转速为n。三相电动机的转子转速n始终不会加速到旋转磁场的转速n₁。因为只有这样，旋转绕组与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向继续旋转。由此可见，n₁≠n且n＜n₁是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。

图10-12 异步电动机工作原理示意图

（2）基本结构

如图10-13所示，异步电动机由定子和转子两大部分组成。定子由机座、定子铁心、定子绕组等组成。转子由转子铁心、转子绕组等组成。此外，还有端盖、轴承及风扇等部件。

2.同步电动机

同步电动机既可以作为电动机也可以作为发电机使用，三相同步电动机主要用于功率较大、转速不要求调节的生产机械，例如拖动大型水泵、空气压缩机和矿井通风机等。

图10-13 笼型异步电动机主要结构部件

（1）工作原理

同步电动机的定子部分与三相异步电动机完全一样，是同步电动机的电枢。不同的是同步电动机转子上装有磁极，当励磁绕组通入电流I_f时，有了这个电流，使转子相当于一个电磁铁，有N极和S极。在正常运行时，这个电流是由外部加在转子上的直流电压产生的。以前这个直流电压是由直流电动机供给，现在大多是由晶闸管整流后供给。我们通常把晶闸管整流系统称为励磁装置。另一方面，当三相交流电源加在三相同步电动机定子绕组时，就产生旋转速度为n的旋转磁场。转子励磁绕组通电时建立固定磁场，假如转子以某种方式起动，并使转速接近n₁，这时转子的磁场极性与定子旋转磁场极性之间异性对齐（定子S极与转子N极对齐）。根据磁极异性相吸原理，定子和转子磁场间就产生电磁转矩，促使转子跟旋转磁场一起同步转动（即n=n₁），故称为同步电动机。同步电动机实际运行时，由于空载总存在阻力，因此转子的磁极轴线总要滞后旋转磁场轴线一个很小角度θ，促使产生一个异性吸力（电磁场转矩）；负载时，θ角增大，电磁场转矩随之增大，电动机仍保持同步状态。当然，负载若超过同步异性吸力（电磁转矩）时，转子就无法正常运转。同步电动机工作原理如图10-14所示。

（2）基本结构

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图10-14 同步电动机工作原理示意图

与异步电动机一样，同步电动机也是由定子和转子两大部分组成。同步电动机的定子与异步电动机的定子结构基本相同，由机座、定子铁心、定子绕组等组成。同步电动机的转子由磁极、转轴、阻尼绕组、滑环、电刷等组成。其主要部件如图10-15所示。

3.直流电动机

直流电动机是机械能和直流电能互相转换的旋转装置。当用作发电机时，它将机械能转换为电能；当用作电动机时，它将电能转换为机械能。在实际应用中，比如蓄电池充电、电镀和电解实验、直流电焊以及数控车床等的使用，都能用到直流电动机。

（1）工作原理

图10-16是一台直流电动机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片（换向片）上，它们组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。

将外部直流电源加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图10-16a）所示。当电枢旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图10-16b）所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。

图10-15 同步电动机主要部件

图10-16 直流电动机的简单模型

由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电枢绕组中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多绕组，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢绕组所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。

（2）基本结构

直流电动机由定子和转子两大部分组成，其主要结构如图10-17所示。直流电动机运行时静止不动的部分称为定子。定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向器、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电动机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

图10-17 直流电动机的主要结构