7　电机与变压器

本章将简要介绍变压器的分类、结构、工作原理；电机的分类；交直流电机的结构、工作原理；单相电机的结构、工作原理；特种电机的种类、结构、工作原理及常规电工工具摇表的使用方法。

　7.1　变压器

变压器在日常生活中是经常用到、见到的，其形状不一、大小各异。比如：将高压线路上的高压电输送到各用电单位的设备就必须用到大型变压器，这样的变压器叫做电力变压器，通常将安装变压器及其附属设备的位置称为变电所。收音机要将220V的电压转换为5V的电压也必须通过变压器，这种变压器称为输出变压器等。不管变压器的大小、形状如何，其基本结构和工作原理都是类似的。

7.1.1　变压器的结构及组成

变压器主要包括电路和磁路两个部分。其电路部分由绕组组成，磁路部分则由铁心组成，绕组套在铁心上。铁心和套在它上面的绕组就构成了变压器的器身。除铁心与绕组外，最重要的就是油箱了。带有油箱的变压器通常是电力变压器，在一些小型电子设备中，变压器是不带油箱的。变压器的外形结构如图7.1、图7.2所示。

图7.1　油浸式变压器结构图

1—信号式温度计；2—吸湿器；3—储油柜；4—油表；S—安全气道；6—气体继电器；7—高压套管；8—低压套管；9—分接开关；10—油箱；11—铁心；12—线圈；13—放油阀门

图7.2　输出变压器的结构图

下面，简单谈谈变压器中三个主要组成部分的作用：

1）铁心

变压器的铁心包括铁心柱和铁轭两部分。被绕组包围的部分称为铁心柱，铁轭是变压器中的磁路通道。同时，铁心柱和铁轭还可作为变压器的机械部件。

由于变压器的绕组接的是交变电流，因此，变压器铁心内的磁通是交变的。为了减小铁心内的涡流和磁滞损耗，减少磁阻，铁心是用磁导率较高且相互绝缘的硅钢片叠装而成的。每一片硅钢片的厚度，在频率50Hz的变压器中约为0.35～0.5mm，而且两面均涂以绝缘漆。通信用的变压器近来也常用铁氧体或其他磁性材料作铁心。铁心的结构通常有两种基本形式：一种是心式。心式的结构简单，铁心柱被绕组包围，如图7.3所示。另一种是壳式。壳式的结构较心式的复杂，铁心包围绕组的顶部、底面和侧面，如图7.4所示。

图7.3　芯式变压器的剖面图

1—铁心柱；2—铁轭；3—高压绕组；4—低压绕组

铁心柱的截面形状，在小型变压器中常采用正方形或长方形；在容量较大的变压器中，一般采用梯形，梯形的级数越多，截面越接近圆形。

图7.4　壳式变压器的示意图

1—铁心柱；2—铁扼；3—绕组

2）绕组

绕组是变压器的电路部分。绕组由具有良好绝缘性的漆包线、纱包线或丝包线绕制而成。工作时，与电源相连接的绕组叫做原绕组（也叫初级绕组或原线圈），与负载相连接的绕组叫做副绕组（也叫次级绕组或副线圈）。有时也根据绕组所连接电网的高低进行区别，通常将接到高压电网的绕组称为高压绕组，而将接到低压电网的绕组称为低压绕组。原、副绕组线圈的匝数并不相同。

变压器中绕组的安排方式分为同心式和交叠式两类。所谓的同心式，是将高、低压绕组同心地套在铁心柱上。为可靠绝缘和方便，通常将低压绕组安装在靠近铁心柱的内层，这是因为低压线圈和铁心间的绝缘比较简单，电压较高的线圈则安装在外面，如图7.5所示。但在频率较高的线路中使用的变压器，为了减少漏磁通和分布电容，常需要把绕组的线圈做成饼形，将初、次级线圈分为若干部分，分格分层并交叉绕制，这种方式就是交叠式，如图7.6所示。

图7.5　同心式绕组示意图

图7.6　交叠式绕组示意图

1—低压绕组；2—高压绕组

绝缘是变压器制造中的主要问题，线圈和铁心之间，不同线圈之间都要绝缘良好。为了提高变压器的绝缘性能，在制造时还要进行烘烤、灌蜡、密封等去潮处理工作。

3）油箱

变压器的器身安装在装有变压器油的油箱内。变压器油既是一种绝缘介质，又是一种冷却介质。为使变压器油长期保持在良好的工作状态，常在变压器油箱上面装上圆筒形的储油柜，储油柜通过连通管与油箱相连，柜内油面的高度随着油箱内变压器油的变动而变动，储油柜使变压器油与空气的接触面积减小，从而减少油的氧化和水分的侵入。

油箱的结构和形状与变压器容量的大小有着密切的关系。变压器的容量越大，发热情况就越严重。对于3000kV·A及以上的变压器，常采用将油管做成散热器式的油箱，这种油箱称为散热器式油箱，也常采用带有风扇冷却的油箱，这种油箱称为油浸风冷式油箱等。对于20kV·A至3000kV·A之间的变压器，则采用在油箱壁上焊有散热油管以增加散热面积的形式，这种油箱称为管式油箱。对于20kV·A以下的油箱，采用平壁式油箱。

7.1.2　变压器的工作原理

变压器是基于电磁感应原理工作的。

如前所述，变压器中的主要部件是一个铁心和套在铁心上的两个绕组。这两个绕组具有不同的匝数，且相互绝缘。如果把变压器的原绕组接在交流电源上，在原绕组中就有交流电流流过，交变电流将在铁心中产生交变磁通，这个变化的磁通经过闭合磁路后又同时穿过原线圈和副线圈。我们知道，交变磁通将在线圈中产生感应电动势，因此，在变压器的原线圈产生自感电动势的同时，在副线圈中也产生了互感电动势。设变压器原绕组的（与电源相接的绕组）电压、电流及电动势的向量分别为 、 及 ，匝数为N₁ ，变压器副绕组的（与负载相接的绕组）电压、电流及电动势的向量分别为 、 及 ，匝数为N₂ ，同时穿过原、副绕组的磁通（称为主磁通）为φ，将电路中的电压、电流及电动势向量的正方向按前面的惯例标示于图7.7中。

图7.7　变压器工作原理的示意图

此时，若不计原、副绕组的电阻，根据电磁感应定律，可以列出电压、电动势的瞬时方程式

从上式可以得出变压器原、副绕组中电压和电动势的瞬时值与匝数的关系

式中K——变压器的变比。

如果用有效值表示上述各式，则有

式7.4表明：在忽略漏磁通和绕组内阻的情况下，变压器原、副绕组的电压比等于原、副绕组的电动势比，也等于原、副绕组的匝数比。请同学们想一想，如果考虑绕组内阻，是否还有上述结论呢？如果不是，那么结论又将是什么？

所以，只要原、副绕组的匝数不同，那么就可以在变压器原、副绕组的两侧获得不同的电压。这就是变压器的工作原理。这时，如果在副绕组上接上负载，那么电能将通过负载转换成其他形式的能。变压器传递能量的方式，可以通过图7.8进行简单的描述

图7.8　变压器能量转换的示意图

7.1.3　变压器的种类和额定值

1）变压器的种类

变压器可以按照用途、结构、相数和冷却方式进行分类。

按用途分，变压器可分为：

（1）电力变压器　主要用于输电、配电和用电部门，它在变压器产品中占大多数；

（2）特种变压器　如整流变压器、电炉变压器、电焊变压器、试验用高压变压器和调压器；

（3）仪用互感器　如测量用电流互感器和电压互感器。

按照绕组数目分，变压器可分为：

（1）自耦变压器；

（2）双绕组变压器；

（3）三绕组变压器。

按照冷却条件分，变压器可分为：

（1）油浸变压器　变压器的铁心和绕组浸在变压器油中，油浸变压器又可分为油浸自冷和油浸强冷两类；

（2）空冷式变压器　变压器的铁心和绕组用空气冷却。

2）变压器的额定值

变压器的额定值是由变压器的制造厂商在铭牌上标出的。额定数据即铭牌数据。额定值规定的运行情况称为额定运行情况。变压器在额定情况下运行时，其技术经济指标最好，可以长期可靠地工作。

（1）变压器的型号　国家标准规定，变压器的型号由汉语拼音和几位数字组成。例如：SL－180/10表示三相油浸自冷式铝线双绕组、容量为180kV·A、高压侧电压为10kV的电力变压器；SWPO－63000/110表示三相强油水冷自耦、容量为63000kV·A、高压侧为110kV的电力变压器；SEL₁ 表示三相强油风冷铝线电力变压器、SFPSL₁ 表示三相强油风冷三线圈铝线电力变压器等。

（2）变压器的额定容量（S_N ）　是指在铭牌上所规定的额定运行状态下变压器输出能力的保证值。双绕组变压器是以每个绕组的容量表示的，三绕组变压器是以各绕组中容量最大的一个表示的。对于三相变压器，是指三相容量之和。

（3）变压器的额定电压（U_1N 、U_2N ）　原边额定电压是指制造厂规定的工作电压。副边额定电压是指当原边接上额定电压，而副边空载（开路）时的副边端电压，对于三相变压器，额定电压指线电压。

（4）变压器的额定电流（I_1N 、I_2N ）　是指额定运行时原边和副边的线电流。

对于单相变压器

对于三相变压器

（5）额定频率（f_z ）：我国规定的标准工业频率为50Hz。

【例7.1】　有一台三相油浸自冷式铝线变压器，其S_N ＝100kV·A，U_N1 /U_N2 ＝6000V/400V，试求变压器一次侧绕组及二次侧绕组的额定电流I_1N 及I_2N 。

解：由三相变压器一次侧绕组、二次侧绕组的额定电流的计算公式式7.6可得

7.2　电机

电能是现代最常用的一种能源。电机是将电能转换为其他形式的能或将其他形式的能转换为电能的装置。电机从能源转换角度分，可分为发电机和电动机两种；从所用电源的性质分，可分为直流电机和交流电机等。交流发电机是将机械能转换为电能的机械设备，电动机是把电能转换为机械能的设备。近几十年中，我国的电力工业、电机制造工业的发展十分迅速，生产技术水平也有显著提高。电机在国民经济的各个领域及人们日常生活中的应用与日俱增。大至发电厂、汽车、空调、数控机床，小至风扇、儿童玩具，电机处处可见。虽然电机的形状、大小也不尽相同，但其工作原理、基本结构却大同小异。图7.9、图7.10所示的分别是封闭式三相异步电动机和绕线型感应电动机的解剖结构图。这里，仅以三相异步电动机为例，简要介绍其结构。

图7.9　封闭式三相电动机的结构图

1—端盖；2—轴承；3—机座：4—定子绕组；5—转子；6—轴承；7—端盖；8—风扇；9—风罩；10—接线盒

图7.10　绕线型感应电动机的结构图

1—转子；2—定子；3—集电环；4—定子绕组；5—出线盒；6—转子绕组；7—端盖；8—轴承

7.2.1　三相电动机的结构及组成

三相电动机主要由定子、转子、气隙三大部分组成。

1）定子

定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。

（1）机座　主要用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电机的机座一般用铸铁浇成，大型电机的机座多由钢板焊接而成。

（2）定子铁心　是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常将0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，用硅钢片表面的氧化层（大型电机要求涂绝缘漆）作片间绝缘。在铁心的内圆周上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组，如图7.11所示。槽形有平底、圆底等几种。图7.11的为平底槽，图7.12的为圆底槽。

（3）定子绕组　是电机的电路部分，它一般由绝缘铜导线绕制的线圈连接而成，其作用就是利用三相交流电形成的旋转磁场（关于旋转磁场的概念在下一节讲述）。通常，绕组是用高强度漆包线绕制成的各种形式的线圈，要按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口一般用竹制槽楔塞紧。槽内线圈匝间、线圈与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组，还要进行层间绝缘处理，如图7.12所示。

图7.11　平底槽定子铁心

图7.12　圆底槽定子铁心

1—槽楔；2—槽绝缘；3—层间绝缘；4—导线

（4）轴承　是定子与转子衔接的部位。轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类，滚动轴承又分为滚珠轴承（滚球轴承）和滚柱轴承，它们的结构如图7.13所示。

图7.13　轴承结构示意图

1—油环；2—轴承；3—油箱；4—油位指示器

2）转子

转子是电动机中的旋转部分，由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。

（1）转轴　由碳钢制成，两端轴颈与轴承相配合。出口端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。

（2）转子铁心　也是电动机磁路的一部分。将0.5mm厚的硅钢片叠片压成圆柱体，并紧固在转子轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。

（3）转子绕组　有鼠笼式和绕线式之分。

➊鼠笼式的转子线槽一般都与轴线不平行，其目的是为了改善电动机的起动性能。其绕组是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环分别在裸金属导条的两端把它们全部接通，即构成了鼠笼式转子绕组。

➋绕线式的转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三组线圈组成。线圈一般采用星形连接，三组线圈的尾端接在一起，首端分别接到转轴上的三个铜滑环上，线圈通过滑环、电刷与变阻器连接，构成闭合回路，如图7.14所示。

两种转子相比较，鼠笼式转子的结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用的十分广泛。绕线式转子的结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机在一定范围内调速。因此常在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械中采用。

图7.14　绕线式转子绕组

3）气隙

为了实现能量的转换，拖动负载旋转，异步电动机的定子、转子之间必须有气隙。气隙是电动机磁路中的一个重要部分，对电动机性能的影响很大。为了减少励磁电流，提高功率因数，气隙应当愈小愈好，但为减小由磁场脉振引起的附加损耗谐波漏磁，同时应使制造方便、装配容易、运行可靠，气隙又不能太小，因此须兼顾各方面的要求。中、小型异步电动机的气隙通常为0.2～1.5mm。

7.2.2　旋转磁场

无论是同步电机还是异步电机，只要在它们的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流，就会产生相对于绕组运动的旋转磁场。旋转磁场是交流电机进行能量转换的前提，也是电机赖以工作的基础。

设电机定子的三相绕组由三个线圈AX、BY、CZ组成，且三个线圈的空间位置互差120°。如图7.15所示。

图7.15　电机定子绕组的分布示意图

现在，在三相对称定子绕组中通入三相对称交流电流，各相电流的瞬时值表达式为

为了后面分析的方便，规定电流自绕组首端流入（即从A、B、C端流入），自绕组末端流出（即从X、Y、Z端流出）为正。电流自绕组末端流入，自绕组首端流出为负。用⨂表示导体中的电流是流入图面的，用⊙表示导体中的电流是流出图面的。现在，选用几个特殊相位时的磁场变化情况来解释旋转磁场的产生。

当ωt＝90°时，由式7.7可以知道，A相绕组中的电流达到最大值，i_a ＝I_m ，而B、C两相绕组中的电流都为负值且仅为最大值的一半， 。根据前面的规定，不难知道，此时，电流从A、Y、Z端流入，从X、B、C端流出。如图7.16（a）所示。根据右手螺旋定则可以判定：A－X绕组中电流产生的磁场的方向是从上到下（N极在上，S极在下），用H_A 表示，其磁极轴线与A－X绕组的中轴线重合；B－Y绕组中电流产生的磁场的方向是从右斜上指向左斜下，用H_B 表示，其磁极轴线与A－X绕组中轴线的夹角为60°；C－Z绕组中电流产生的磁场的方向是从左斜上指向右斜下，用H_C 表示，其磁极轴线与A－X绕组中轴线的夹角也为60°，如图7.16（b）所示。由此可见，三相对称电流通过三相对称绕组产生的合成磁场是两极的，且N极在上，S极在下，磁极轴线与电流为最大值的A－X相绕组的中轴线重合，合成磁动势（用ΣF表示）的方向与A－X相绕组磁动势的方向相同。

当ωt＝90°＋60°时，由式7.7可以知道， ，i_c ＝－I_m ，线圈边A、Z、B中的电流都是流入图面的，线圈边X、C、Y中的电流都是流出图面的，因而合成磁场的磁极轴线与电流为最大值的C相绕组的中轴线重合，合成磁动势的方向与C相绕组磁动势的方向相同，如图7.16（b）所示。此时，合成磁动势的方向与图7.16（a）相比，按逆时针方向旋转了60°。这说明电流的时间相位变化60°，合成磁动势的空间位置也随着旋转了60°。

请读者按照前面所述的方法自行分析ωt＝90°＋120°、90°＋180°、90°＋240°、90°＋300°时的情形。其合成磁动势的空间位置分别如图7.16中的（c）、（d）、（e）、（f）所示。

图7.16　两极旋转磁场的产生

由图7.16可以看出，三相对称电流的时间相位变化了多大的角度，它们通过三相对称绕组所产生的合成磁动势在空间就旋转了多大的角度。当电流的时间相位ωt＝90°＋360°时，合成磁动势将回到ωt＝90°时的状态。也就是说，如果电流变化一个周期，合成磁动势将也在空间上旋转一圈。如果电流不停地变化下去，合成磁动势将会在空间中不断地旋转。这就是产生旋转磁场的基本原理。

需要说明的是，三相对称绕组在定子铁心上的分布并不像这里描述的就只有三个单匝线圈而己，而是有很多的线圈。但这些线圈都是按一定规律和要求均匀地分布在定子铁心上的，只是将这些线圈等效成三个单匝线圈罢了。如果读者想清楚地了解定子绕组的分布规律和要求，进一步弄清定子绕组的组成、绕组的磁动势及如何将多个线圈等效成三个单匝线圈，请参阅其他相关书籍，这里就不作详细介绍了。

感性认识：电机的启动与正反转

电机从接入电网开始到达到稳定运行速度的整个过程称为直流电动机的起动过程或起动。要使电机的转速从零逐步加速到稳定的运行速度，一般来说要确保电机产生足够大的起动转矩，而起动电流要限制在一定的范围内。

由于直流电机和交流电机有各种不同结构，所以直流电机和交流电机的起动方法也多种多样。这里仅以绕线式异步电动机为例，使大家对电机的起动方法建立初步的认识，对电机的正反转控制有个初步的了解。

1）电机的启动

（1）实验器材的准备　按表7.1所列清单准备好器材。

表7.1　电机的启动实验器材清单

（2）在教师指导下按起动实验图7.17所示的实物图和电路图接好线路。

图7.17　绕线式异步电动机的启动实验图

（3）先将电源电压调至最低点，合上开关S，再慢慢地从0V开始增加电压到额定电压，这时可以观察到电机的转速变化是从0转/分慢慢增加的。记录电压及测试到的转速填入表7.2中。当电压增加到额定电压时，转速会高于电机铭牌上标注的转速，此时的转速，称为空载转速。如果带额定负载运行，则当电压增加到额定电压时，转子的转速会刚好等于额定转速。此时，如果电压不变，电机将会按此速度一直运转下去。这个过程就是电机的启动过程。

表7.2　交流电机的启动参数测试

（4）思考　为什么当电机轴上不带负载时，电机的转速会高于额定转速？额定转速是不是最高转速？

在此实验中要注意，如果不降低电压，而直接将额定电压加到电机上，则由于电机没有转速，整个绕组处于短路状态，将会使电机绕组烧毁。

2）电机的正反转试验

（1）器材准备　按表7.3所列清单准备好器材。

表7.3　电机正反转实验器材清单

（2）在教师的指导下按图7.18所示的实物图和电路图接好线路。

（3）合上闸刀开关，接通电源。

（4）按下其中的一个绿色按钮，会看到电机朝一个方向旋转起来。

（5）按下红色按钮，则电机停止转动。

（6）按下另一个绿色按钮，会看到电机朝反方向旋转。

（7）请参照所连接的实验线路，思考电机的反转与什么有关？

从前面所述的旋转磁场的知识中可以知道：转子的旋转方向与电流的相序密切相关。由于按钮控制的是三相电机的定子绕组，因此，按下红色按钮时，电机将与电源断开，电机会停下来。按下一个绿色按钮时，三相电源将以一种方式接通定子绕组，电机开始旋转，按下另一个绿色按钮时，就改变了定子绕组与三相电源的连接方式，即调换了三相定子绕组与电源端的接线位置，电机会向相反的方向旋转。

电机的启动方法和正反转控制方法当然远不止这一种，比如说：绕线式异步电机还有转子串电阻起动，转子串频敏电阻器起动，星三角形起动，电阻降压或电抗降压起动，鼠笼式异步电机还有自耦补偿起动等。电机的正反转控制除了上面所述的，还有接触器互锁的正反转控制方法、星三角形变换的正反转控制方法等。由于受到条件限制，这里就不再对这些起动方法和正反转控制方法一一阐述了，请有兴趣的读者查阅相关资料以作深入了解。

图7.18　三相异步电机的正反转实验图

7.2.3　电机的工作原理

前面已述，电机可分为直流电机和交流电机，也可分为电动机和发电机。在这里，只分析直流电动机和绕线式交流异步电动机的工作原理。直流发电机和交流发电机都是基于电磁感应原理工作的，这里就不一一讲述，请读者自行分析。

1）直流电动机的工作原理

要知道直流电动机的工作原理，必须先清楚直流电机的构造。图7.19是一台直流电动机的剖面图。它主要有四个部分：

（1）主磁极　它是空间固定的永久磁铁，主要用来产生磁场。

（2）电枢绕组　所谓的电枢绕组，实际上就是由导体组成的线圈，它是电动机的电路部分。

（3）换向器　它是连接电枢绕组与电刷的重要部件，由一片一片的换向片组成，其作用就是使电流“换向”。

（4）电刷　它的作用是将转动的电枢电路和外电路接通并保持与换向器的滑动接触，电刷的位置在空间上是不动的。

图7.19　直流电动机的剖面图

1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁

作为电动机，它应将电能转化为机械能，故轴上所接的是生产机械。将图4.3中的电流表换成直流电源即是直流电动机模型。图中两根导体ab和cd组成了电枢绕组。图7.20是直流电动机原理图。

图7.20　直流电动机的原理图

在图7.20中，导体ab处于N极下，通过ab导体的电流的方向是从外向内的，用⨂表示，导体Cd处于S极下，通过Cd导体的电流的方向是从内向外的，用⊙表示。由于通电导体在磁场中受到电磁力，根据左手定则，导体ab、cd所受的电磁力的方向均是逆时针方向，因此能使电枢按逆时针方向旋转。当转过180°时，由于电刷能及时改变导体中电流的方向，因此，导体cd仍处于N极下，其中的电流方向为⨂，而导体ab仍处于S极下，其中的电流方向为⊙，导体ab、cd所受的电磁力的方向仍然是逆时针方向，随着电枢的旋转，虽然供给电机的是直流电，但因为电刷的作用，导体ab、cd中电流的方向不断改变，所以导体所受的电磁力的方向却没有随电流方向的改变而改变，故可以使电枢朝一个方向连续旋转，从而通过轴带动生产机械。这就是直流电动机的工作原理。

2）绕线式交流异步电动机的工作原理

我们已经知道，三相定子绕组通入三相交流电流时，绕组中会流过三相对称电流，这时在电机的气隙圆周上就产生了一个旋转磁场。由于绕线式交流异步电动机的转子上安放着一组对称交流绕组，因此当这个磁场旋转时，转子绕组中将也会产生感生电动势。如图7.21所示。

图7.21　异步电动机原理示意图

假定磁场旋转的方向是顺时针，当转到图7.21所示的位置时，根据右手定则可知，转子上半部导体的感生电动势的方向是⊙，而下半部导体的感生电动势的方向则为⨂。因为转子绕组是闭合的（严格来说是短路的），所以在转子绕组中就有电流流过。在大多数导体中转子电流的方向与电势的方向是一致的，根据左手定则可知，这些载流导体在磁场中受到的总电磁力将是顺时针方向，它使电机的转子旋转，转子旋转的方向与旋转磁场的方向一致。当电机的电磁力与负载的阻碍力在某一个转速下平衡时，电机就在这一转速下稳定运行。电动机在正常工作状态下工作时，转子的转速总要比旋转磁场的转速低一些。这是因为，如果转子的转速某一时刻等于旋转磁场的转速，则磁场与转子导体之间就没有相对运动，导体也就不再切割磁场，那么转子绕组中就没有感生电动势产生，也就没有感生电流，当然也就不会受到电磁力的作用，从而也无从谈“旋转”了。所以，异步电动机中转子的转速总是小于旋转磁场的转速，这也就是“异步电动机”名称的由来。

7.2.4　特殊电机

随着科学技术的不断迅猛发展，工业、农业、国防建设中，已经开始广泛使用自动控制系统和装置。这些自动控制系统是将机械和电气结合紧密的系统，系统中需要用到大量的各类元件，而特殊电机就是其中最重要的元件之一。所谓特殊电机就是在普通电机的基础上发展起来的有特殊用途的电机，也称为控制电机。由于体积小巧，重量轻，因此还将这类电机称为“微电机”。

一般旋转电机的主要作用是完成能量的转换，所以，对它们的要求也往往偏重于较高的起动和运行转矩，以便具有较高的带负载能力。特殊电机的主要作用是完成信号的传递与转换，所以，对它们的要求是：运行可靠、响应迅速、精确度高。特殊电机与一般旋转电机在电磁转换过程和它们所遵循的基本电磁规律方面并没有本质的区别。

特殊电机视其作用和功能可分为很多种，如伺服电动机、测速发电机、自整角机、步进电动机、平面电机、磁滞电动机等。下面仅以伺服电动机和测速发电机为例，简要介绍特殊电机的某些“特殊”性能和“特殊”功能。

1）伺服电动机

伺服电动机在自动控制系统中作为执行元件，把输入的电压信号变换成转轴的角位移或角速度输出，所以又称为执行电动机。输入的电压信号又称为控制信号或控制电压，可以通过改变伺服电动机的控制电压来改变其转速或转向。

伺服电动机的种类很多，用途十分广泛。但在自动控制系统中对它们有一些最基本的要求，即应具有宽广的调速范围；其机械特性和调节特性应为线性；无自转现象；应有快速响应的特点等。

伺服电动机按其使用的电源性质的不同，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类。按伺服电动机的形状和结构分，又可分为盘形电枢直流电动机、空心杯电枢直流电动机、无槽电枢直流电动机、高电阻率导条的鼠笼转子交流伺服电动机、非磁性空心杯转子交流伺服电动机、铁磁性空心转子交流伺服电动机等。这里仅介绍交流伺服电动机的控制原理。

交流伺服电动机为两相异步电动机，其两相定子绕组在空间相距90°电角度。定子绕组中的一相为励磁绕组（也称为起动绕组），运行时接在电压为U_f 的交流电源上；另一相为控制绕组（也称为工作绕组），用来输入控制电压U_c 。电压U_c 与U_f 同频率。如图7.22所示。

图7.22　交流伺服电机的原理图

图7.23　非磁性空心杯转子结构图

1—外定子铁心；2—杯形转子；3—内定子铁心；4—转轴；5—轴承；6—定子绕组

常用的交流伺服电动机转子的结构有两种形式：一种为笼型转子，这种转子的结构同普通笼型感应电动机一样。另一种为非磁性空心杯转子，其结构形式如图7.23所示。电动机中除了有和一般的感应电动机一样的定子外，还有一个内定子。内定子是由硅钢片叠成的圆柱体，通常内定子上无绕组，只是代替笼型转子的铁心作为磁路的一部分。在内外定子之间有一个细长的、装在转轴上的杯形转子，杯形转子通常由非磁性材料铝或铜制成，壁厚0.3mm左右。

杯形转子可以在内外定子间的气隙中自由旋转，电动机依靠杯形转子内感应的涡流与气隙磁场作用而产生电磁转矩。杯形转子交流伺服电动机的优点是转动惯量小，摩擦转矩小，因此快速响应好，运转平滑，无抖动现象。

如果只在励磁绕组中通入电流，而工作绕组中无控制信号，此时所产生的磁动势是交变脉振磁动势，它可分解为两个旋转方向相反、大小相等的旋转磁动势，其中，正向旋转磁场产生拖动转矩F_＋ ，对转子起拖动作用，而负向旋转磁场产生制动转矩F_－ ，对转子起制动作用。每个旋转磁动势与转子相作用，都相当于一台三相异步电动机。因此，一台交流伺服电动机可以看成两台同轴连接的三相异步电动机。这两台三相异步电动机磁动势的旋转方向相反。如图7.24（a）、（b）所示。

图7.24　一台交流伺服电动机等效成两台同轴连接的三相异步电机

由于正向旋转磁动势和反向旋转磁动势的幅值相等，所以当转子不动时，它们产生的旋转磁场对转子来说是大小相等、转向相反的。这两个旋转磁场在转子中感应出两个大小相等、相位相反的电动势和电流，感应电流与磁场作用产生的两个电磁转矩大小相等、方向相反，因而其合成转矩等于零。可见，当只有一个励磁绕组时，单相异步电动机没有起动转矩。

为解决起动问题，应该设法消除或削弱反向旋转磁动势，从而消除或削弱反向电磁转矩。其方法是：当交流伺服电机在系统中运行时，将工作绕组接到电源上。此时，流入的励磁电流i_f 和工作电流i_g 是不对称的，电动机内部便建立起椭圆形旋转磁场。一个椭圆形旋转磁场同样可以分解为两个速度相等、转向相反的圆形旋转磁场，但它们的大小不等，因此，转子上的两个电磁转矩也大小不等，但方向相反，则合成转矩不为零，这样转子就会按正转磁场的方向转动起来。

为使伺服电动机按控制要求旋转起来，克服“自转”现象，使控制性能良好，可以增大转子的电阻；改变控制绕组上所加的控制电压的大小（称为幅值控制）；改变控制绕组上所加的控制电压与励磁电压之间的相位角（称为相位控制）；改变控制绕组上所加的控制电压的大小和它与励磁电压之间的相位角（称为幅－相控制或电容移相控制）等。

2）测速发电机

测速发电机是一种能准确、快速反映转速的信号元件，其作用原理是：将输入的机械转速变换成电压信号输出。自动控制系统对测速发电机的要求是：测速发电机的输出电压与转速应保持严格的线性关系；稳定性能好，即不随外界条件的改变而发生变化；电机的转动惯量小，以保证反应的迅速；电机的灵敏度要高，即测速发电机的输出电压对转速的变化反应灵敏等。

测速发电机可按图7.25进行分类。

图7.25　测速发电机的分类

下面仅就常用的交流测速发电机作简要介绍。

在自动控制系统中，目前应用的交流测速发电机主要是空心杯形转子异步测速发电机。其结构与杯形转子伺服电动机相似。定子的两相绕组在空间位置上严格保持90°电角度，其中一相作为励磁绕组，外施稳频稳压的交流电源励磁；另一相作为输出绕组，其两端的电压即是测速发电机的输出电压U₂ ，如图7.26所示。

图7.26　交流测速发电机结构示意图

当电机的励磁绕组外施电压U₁ 时，有电流I₁ 流过绕组，在电机的气隙中沿励磁绕组轴线产生一频率为f的脉动磁通φ₁ 。

转子不动时，d轴的脉振磁通只能在空心杯转子中感应出变压器电动势，由于转子是闭合的，这一变压器电动势将产生转子电流，此电流产生的磁通与励磁绕组产生的磁通在同一轴线上，将阻碍φ₁ 的变化，所以合成磁通仍为沿d轴的磁通φ_d ，而输出绕组的轴线和励磁绕组的轴线在空间位置上相差90°电角度，它与d轴的磁通没有耦合关系，故不产生感应电动势，输出电压为零。

转子转动后，转子绕组中除了感应有变压器电动势外，同时因转子导体切割磁通φ_d ，而在转子绕组中感应有一旋转电动势E_rq ，其有效值为：

E_rq ＝C_q φ_d n　　　　（式7.8）

式中，C_q ——比例常数。

由于按φ_d 按频率f交变，所以E_rq 也将按频率f交变。在其作用下，转子中将有电流I_rq ，按给定的转子转动方向，用右手定则可判定杯型转子中电流I_rq 的方向。由I_rq 所产生的磁通φ_q 也是交变的，φ_q 的大小与I_rq 也就是与E_rq 的大小成正比。即

φ_q ＝KE_rq 　　　（式7.9）

式中，K——比例常数。

而φ_q 的轴线则与输出绕组的轴线（d轴）重合，由于φ_q 作用在q轴上，因而在定子的输出绕组中感应出变压器电动势，其频率仍为f，而有效值为

E₂ ＝4.44fN₂ K_W2 φ_q 　　　　　（式7.10）

式中，N₂ K_w2 是输出绕组的有效匝数，对一定的电机来说，其值为一个固定常数。

因为：φ_q 正比于E_rq ，且E_rq 正比于n，因此，输出电动势有效值E₂ 可写成：

E₂ ＝C₁ n　　　　　　（式7.11）

式中，C₁ ——比例常数。

综上所述，输出绕组感应出的电动势E₂ 与转速n成正比，由这个电动势产生输出电压U₂ ，若转子的转动方向相反，则转子中的旋转电动势E_rq ，电流I_rq 及其产生的磁通φ_q 的相位均随之相反，因而输出电压的相位也会相反。这样，异步测速发电机就能将转速信号转变成电压信号，实现测速的目的。

7.3　基本测量工具——兆欧表

7.3.1　兆欧表的结构及原理

兆欧表俗称摇表，也称为绝缘摇表或麦格表。如图7.27所示。兆欧表主要用来测量电气设备的绝缘电阻，如电动机、电器线路的绝缘电阻，判断设备或线路有无漏电、绝缘损坏或短路现象。

兆欧表的主要组成部分是一个磁电式流比计和一只作为测量电源的手摇高压直流发电机，兆欧表的线路如图7.28所示。

兆欧表的工作原理如图7.29所示。与兆欧表表针相连的有两个线圈，一个同表内的附加电阻R_f 串联，另一个和被测电阻R串联，然后一起接到手摇发电机上。当摇动发电机时，两个线圈中同时有电流通过，在两个线圈上产生方向相反的两个转矩，表针就随着两个转矩的合成转矩的大小而偏转某一角度，这个偏转角度决定于两个电流的比值，因附加电阻是不变的，所以电流值仅取决于待测电阻的大小。

图7.27　兆欧表的外形

图7.28　兆欧表的线路图

图7.29　兆欧表的工作原理图

兆欧表测得的是额定电压作用下的绝缘电阻阻值。万用表虽然也能测得数千欧的绝缘阻值，但它所测得的绝缘阻值，只能作为参考，因为万用表所使用的电池的电压较低，绝缘物质在电压较低时不易击穿，而一般被测量的电气设备，均要接在较高的工作电压上，为此，只能采用兆欧表来测量。一般还规定在测量额定电压在500V以上的电气设备的绝缘电阻时，必须选用1000～2500V兆欧表。测量500V以下电压的电气设备，则选用500V的摇表为宜。

7.3.2　兆欧表的使用

能否正确使用兆欧表，是正确进行测量的关键，在使用兆欧表时，应该注意以下几点：

（1）正确选择电压和测量范围。兆欧表的电压等级应根据被测电气设备的额定电压而定。一般测量50V以下的用电器的绝缘电阻，可选用250V兆欧表；检查50～380V的设备的绝缘情况，可选用500V兆欧表。500V以下的的电气设备，其兆欧表应选用读数从零开始的，否则不易测量。因为在一般情况下，电气设备无故障时，由于绝缘受潮，其绝缘电阻在0.5MΩ以上时，就能对电气设备通电试测，若选用读数从1MΩ开始的兆欧表，则对小于1MΩ的绝缘电阻将无法读数。

（2）选用兆欧表的外接导线时，应选用单根多股铜导线，不能用双股绝缘线，绝缘强度要在500V以上，否则会影响测量的精确度。

（3）测量电气设备的绝缘电阻时，测量前必须先断开设备的电源，并验明无电。如果是电容器或较长的电缆线路应先进行放电再测量。

（4）兆欧表在使用时必须远离强磁场，并且平放。摇动摇表时，应切勿使表受震动。

（5）在测量前，兆欧表应先作一次开路试验，然后再做一次短路实验，表针在前次实验中应指到处“无穷大”处；而后次能摆到“0”处，这表明兆欧表的工作状态正常，可测电气设备。

（6）测量时，应清洁被测电气设备的各表面，以免引起接触电阻大，使测量结果不准。

（7）在测电容器的绝缘电阻时须注意，电容器的耐压必须大于兆欧表发出的电压值。测完电容后，应先取下摇表线再停止摇动摇把，以防已充电的电容向摇表放电损坏仪表。测完的电容要用电阻使其放电。

（8）兆欧表在测量时，需注意将摇表上的“L”端子通入电气设备的带电体一端，而标有“E”接地的端子应接配电设备的外壳或接电动机外壳或接地线，如图7.30所示。在测量电缆的绝缘电阻时，除把兆欧表“接地”、电气设备接地外，另一端接线路后，还需再将电缆芯之间的内层绝缘物接“保护环”，以消除因表面漏电引起读数误差，如图7.31所示。

图7.30　用兆欧表测量线路对地绝缘

图7.31　兆欧表测电缆时示意图

（9）若遇天气潮湿或降雨后空气湿度较大时，应使用“保护环”消除绝缘物表面的泄流，避免被测物的绝缘电阻比实际值低。

（10）使用兆欧表测试完毕后应对电气设备进行一次放电。

（11）使用兆欧表时，要保持一定的转速，按兆欧表的规定一般为120转/分，允许±20％的变动，在一分钟后取一稳定读数。测量时不要用手触摸被测物及兆欧表的接线柱，以防触电。

（12）摇动兆欧表的手柄，应先慢再逐渐加快，待调速器发生滑动后，保持转速稳定不变。如果被测电气设备短路，表针摆动到“0”时，应停止摇动手柄，以免兆欧表因过流而发热烧坏。

（13）兆欧表在不使用时应放于固定柜橱内，周围温度不宜太冷太热，切忌放于污秽、潮湿的地面上，并避免置于含侵蚀作用的气体附近，以免兆欧表内部的线圈、导流片等零件发生受潮、生锈、腐蚀等现象。

（14）应尽量避免剧烈、长期的震动，造成表头轴尖变秃或破裂，影响指示。

（15）禁止在雷电时或邻近有带高压导体的设备时用兆欧表进行测量，只有在设备不带电又不可能受其他电源感应而带电时才能进行测量。

本章小结

（1）变压器主要是由铁心、绕组、油箱三个部分组成的。其中，铁心是磁路的通路，绕组是电路的通路，油箱主要起散热作用。变压器是基于电磁感应原理工作的。

（2）变压器的变比K是一个很重要的参数，变比K的计算公式为：

（3）三相电动机主要由定子、转子和气隙三大部分组成。定子是电机的固定部分，其中的定子绕组是电机的电路部分，它一般由线圈连接而成，作用是利用三相交流电形成旋转磁场。转子是电动机中的旋转部分，它主要用来带动负载。根据转子结构的不同，转子绕组有鼠笼式和绕线式之分。气隙保证转子可以自由的旋转，也是电动机磁路的一个重要部分。

（4）旋转磁场是电机得以正常工作的前提。旋转磁场的旋转方向与定子的三相绕组中三相交流电流的相序密切相关。

（5）交流伺服电机、交流测速发电机的工作原理和结构与单相异步电机大同小异。都有两个绕组，一个是励磁绕组，一个是工作绕组。在电机启动时，两个绕组都必须通电工作，才能使电机正常运转。

（6）兆欧表也称摇表，其主要作用是用来测量电气设备的绝缘电阻。其主要组成部分是一个磁电式流比计和一只作为测量电源的手摇高压直流发电机。使用兆欧表时，应注意操作规范，以免误读数据和发生意外。

习　题

7.1　简述变压器的工作原理。

7.2　绕制一台220V/110V的降压变压器时，能否将原绕组绕2匝，副绕组绕1匝？为什么？

7.3　变压器的变比是指空载时的原、副绕组的电动势比，还是指负载时的电压比？变压器负载时的副边电压是否一定比额定电压低？为什么？

7.4　交流电动机由哪些关键部分组成？各自的作用是什么？

7.5　试述旋转磁场产生的基本原理。

7.6　测速发电机是如何工作的？根据你的分析，你认为在测速发电机中影响测速精度的因素有哪些？

7.7　电机的主要组成部分是什么？各有什么作用？

7.8　异步电动机的“异步”是怎么样体现的？

7.9　单相异步电机的绕组有哪几种？各有什么作用？

7.10　试思考电动机不带负载运行时，其转速会高于额定转速的道理。