小ME知識講堂：電動機是如何工作的

電動機是一種旋轉式機器，它將電能轉變為機械能，它主要包括一個用以產生磁場的電磁鐵繞組或分佈的定子繞組和一個旋轉電樞或轉子，其導線中有電流通過並受磁場的作用而使轉動，這些機器中有些類型可作電動機用，也可作發電機用。

電動機是把電能轉換成機械能的設備，它是利用通電線圈在磁場中受力轉動的現象製成，分佈於各個用戶處，電動機按使用電源不同分為直流電動機和交流電動機，電力系統中的電動機大部分是交流電機，可以是同步電機或者是非同步電機（電機定子磁場轉速與轉子旋轉轉速不保持同步速）。電動機主要由定子與轉子組成。通電導線在磁場中受力運動的方向跟電流方向和磁感線（磁場方向）方向有關。電動機工作原理是磁場對電流受力的作用，使電動機轉動。

它是將電能轉變為機械能的一種機器。通常電動機的作功部分作旋轉運動，這種電動機稱為轉子電動機；也有作直線運動的，稱為直線電動機。電動機能提供的功率範圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環境，雜訊也較小。由於它的一系列優點，所以在工農業生產、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面廣泛應用。

各種電動機中應用最廣的是交流非同步電動機（又稱感應電動機 ）。它使用方便 、運行可靠 、價格低廉、結構牢固，但功率因數較低，調速也較困難。大容量低轉速的動力機常用同步電動機（見同步電機）。同步電動機不但功率因數高，而且其轉速與負載大小無關，只決定於電網頻率。工作較穩定。在要求寬範圍調速的場合多用直流電動機。但它有換向器，結構複雜，價格昂貴，維護困難，不適於惡劣環境。20世紀70年代以後，隨著電力電子技術的發展，交流電動機的調速技術漸趨成熟，設備價格日益降低，已開始得到應用。電動機在規定工作制式（連續式、短時運行制、斷續周期運行制）下所能承擔而不至引起電機過熱的最大輸出機械功率稱為它的額定功率，使用時需注意銘牌上的規定。電動機運行時需注意使其負載的特性與電機的特性相匹配，避免出現飛車或停轉。電動機的調速方法很多，能適應不同生產機械速度變化的要求。一般電動機調速時其輸出功率會隨轉速而變化。從能量消耗的角度看，調速大致可分兩種：① 保持輸入功率不變 。通過改變調速裝置的能量消耗，調節輸出功率以調節電動機的轉速。②控制電動機輸入功率以調節電動機的轉速。

三相非同步電機工作原理

非同步電機的工作原理如下:當導體在磁場內切割磁力線時，在導體內產生感應電流，「感應電機」的名稱由此而來。

感應電流和磁場的聯合作用向電機轉子施加驅動力。 三組繞組問彼此相差120度，每一組繞組都由三相交流電源中的一相供電。

電動機使用了電流的磁效應原理，發明這一原理的的是丹麥物理學家奧斯特。

電動機的發展

1831年，美國物理學家亨利設計出最初的電子式電動機。受到亨利的啟發，一位名叫威廉·里奇的人設計並造出了一台可以轉動的電動機。里奇的這架電動機類似於我們今天在實驗室里組裝的直流電動機模型。

到了19世紀40年代，俄國科學家雅科比使電動機變得更為實用了。他用電磁鐵替代永久磁鐵進行工作。這種新型電動機當時被裝在一艘遊艇上，載著幾名乘客駛過了涅瓦河。此事引起了極大的轟動。此後，出生於克羅埃西亞的美國人特斯拉於1888年，製造出了第一台感應電動機，他在各種電動機中，算是被應用最廣的一種。感應電動機會將交流電快速輸入一組稱為「定子」的外線圈，繼而產生一個旋轉磁場。轉軸內的一組線圈則稱為「轉子」，它會被定子的旋轉磁場感應出電流，然後轉子會因電流變化而轉變成電磁鐵。

美國物理學家亨利於法拉第同時作出電磁感應的偉大發現，1830年8月，亨利在實驗中已經觀察到了電磁感應現象，這比法拉第發現電磁感應現象早一年。但是當時亨利正在集中精力製作更大的電磁鐵，沒有及時發表這一實驗成果，也沒有及時的去申請專利，失去了發明權。可是亨利從不計較個人名利，他認為知識應該為全世界人類所共享，從未與法拉第爭過發現權，仍然專心致志地獻身於科學事業。亨利的高尚品德受到世人的稱讚。所以最後，人們還是將電磁感應現象的發現歸於法拉第。特別值得一提的是，亨利實驗裝置比法拉弟感應線圈更接近於現代通用的變壓器。

單相交流電動機的旋轉原理單相交流電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。

單相電不能產生旋轉磁場.要使單相電動機能自動旋轉起來，我們可在定子中加上一個起動繞組，起動繞組與主繞組在空間上相差90度，起動繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90度，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90度的電流通入兩個在空間上相差90度的繞組，將會在空間上產生（兩相）旋轉磁場，在這個旋轉磁場作用下，轉子就能自動起動。

電機拆卸前應做哪些詳細檢查和試驗？

（1）在拆卸前，要用壓縮空氣吹凈電機表面灰塵，並將表面污垢擦拭乾凈。

（2）選擇電機解體的工作地點，清理現場環境。

（3）熟悉電機結構特點和檢修技術要求。

（4）準備好解體所需工具（包括專用工具）和設備。

（5）為了進一步了解電機運行中的缺陷，有條件時可在拆卸前做一次檢查試驗。為此，將電機帶上負載試轉，詳細檢查電機各部分溫度、聲音、振動等情況，並測試電壓、電流、轉速等，然後再斷開負載，單獨做一次空載檢查試驗，測出空載電流和空載損耗，做好記錄。

（6）切斷電源，拆除電機外部接線，做好記錄。

（7）選用合適電壓的兆歐表測試電機絕緣電阻。為了跟上次檢修時所測的絕緣電阻值相比較以判斷電機絕緣變化趨勢和絕緣狀態，應將不同溫度下測出的絕緣電阻值換算到同一溫度，一般換算至75℃。

（8）測試吸收比K。當吸收比大於1.33時，表明電機絕緣不曾受潮或受潮程度不嚴重。為了跟以前數據進行比較，同樣要將任意溫度下測得的吸收比換算到同一溫度。

電動機的種類

1.按工作電源分類：根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。

2.按結構及工作原理分類：電動機按結構及工作原理可分為直流電動機，非同步電動機和同步電動機。

同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。

非同步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相非同步電動機、單相非同步電動機和罩極非同步電動機等。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。

直流電動機按結構及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。有刷直流電動機可分為永磁直流電動機和電磁直流電動機。電磁直流電動機又分為串勵直流電動機、並勵直流電動機、他勵直流電動機和復勵直流電動機。永磁直流電動機又分為稀土永磁直流電動機、鐵氧體永磁直流電動機和鋁鎳鈷永磁直流電動機。

3.按起動與運行方式分類：電動機按起動與運行方式可分為電容起動式單相非同步電動機、電容運轉式單相非同步電動機、電容起動運轉式單相非同步電動機和分相式單相非同步電動機。

4.按用途分類：電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。

驅動用電動機又分為電動工具（包括鑽孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴孔等工具）用電動機、家電（包括洗衣機、電風扇、電冰箱、空調器、錄音機、錄像機、影碟機、吸塵器、照相機、電吹風、電動剃鬚刀等）用電動機及其它通用小型機械設備（包括各種小型機床、小型機械、醫療器械、電子儀器等）用電動機。控制用電動機又分為步進電動機和伺服電動機等。

5.按轉子的結構分類：電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機（舊標準稱為鼠籠型非同步電動機）和繞線轉子感應電動機（舊標準稱為繞線型非同步電動機）。

6.按運轉速度分類：電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恆速電動機、調速電動機。

ａ.低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。

ｂ.調速電動機除可分為有級恆速電動機、無級恆速電動機、有級變速電動機和無極變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。

伺服電動機

用作自動控制裝置中執行元件的微特電機。又稱執行電動機。其功能是將電信號轉換成轉軸的角位移或角速度。

伺服電動機分交、直流兩類。交流伺服電動機的工作原理與交流感應電動機相同。在定子上有兩個相空間位移90°電角度的勵磁繞組Wf和控制繞組WcoWf接一恆定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達到控制電動機運行的目的。交流伺服電動機具有運行穩定、可控性好、響應快速、靈敏度高以及機械特性和調節特性的非線性度指標嚴格（要求分別小於10％～15％和小於15％～25％）等特點。直流伺服電動機的工作原理與一般直流電動機相同。

電動機轉速n為n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j式中E為電樞反電動勢；K為常數；j為每極磁通；Ua，Ia為電樞電壓和電樞電流；Ra為電樞電阻。改變Ua或改變φ，均可控制直流伺服電動機的轉速，但一般採用控制電樞電壓的方法。在永磁式直流伺服電動機中，勵磁繞組被永久磁鐵所取代，磁通φ恆定。

直流伺服電動機具有良好的線性調節特性及快速的時間響應。

伺服電動機一般分為直流伺服和交流伺服，對於直流伺服馬達優點是：

優點：精確的速度控制，轉矩速度特性很硬，原理簡單、使用方便，價格優勢；

缺點：電刷換向，速度限制，附加阻力，產生磨損微粒（對於無塵室）。

對於交流伺服馬達

優點：良好的速度控制特性，在整個速度區內可實現平滑控制，幾乎無振蕩；高效率，90%以上，不發熱；高速控制；高精確位置控制（取決於何種編碼器）；額定運行區域內，實現恆力矩；低噪音；沒有電刷的磨損，免維護；不產生磨損顆粒、沒有火花，適用於無塵間、易暴環境慣量低；

缺點：控制較複雜，驅動器參數需要現場調整PID參數整定，需要更多的連線

直流伺服電動機的應用

直流伺服電機的特性較交流伺服電機硬。通常應用於功率稍大的系統中，如隨動系統中的位置控制等。

交流伺服電動機的應用

交流伺服電機的輸出功率一般為0.1-100W，電源頻率分50Hz、400Hz等多種。它的應用很廣泛，如用在各種自動控制、自動記錄等系統中。

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