第2章 電機與電器技術

2.1 電機學基礎

2.1.1 概述

在人類使用能源的歷史上，無論哪一種技術上的發明和應用，都不能與電的發明及應用相比擬。在電能所能達到的一切領域，都使得那里的技術發生根本性的變化。發電機產生的電能通過高壓遠距離輸電送到它所需要的地方作為動力加以應用，改變了整個社會的能源動力的結構和生產生活方式。

在電能的生產、傳輸、變換、分配和應用中，電機是主要的機電能量轉換裝置。廣義的電機包括旋轉電機、直線電機和靜止電機。旋轉電機和直線電機是根據電磁感應原理實現電能與機械能之間相互轉換的一種能量轉換裝置。靜止電機是根據電磁感應定律和磁勢平衡原理實現電壓變化與電能傳遞的一種電磁裝置，也稱為變壓器。電機的一般分類如圖2-1所示。

電機學主要研究電機的工作原理、主要結構、基礎理論、設計制造、運行特性、控制策略及試驗方法。以電路理論和電磁場理論為基礎，結合電子技術、自動控制理論和計算機技術，應用現代分析和測試技術，研究電機設計、制造及其控制等方面出現的新的理論及實際問題。發展新的品種，研究各種電機新的控制方法，實現電機的機電一體化。電機中各種電、磁、力、熱等方面的定律同時起作用，互相影響又互相制約，故分析時既有理論又有實際，且具有一定的復雜性和綜合性。

電機中所用的材料主要有以下幾種。

（1）導電材料：作為電機中的電路系統，常用紫銅或鋁。

（2）導磁材料：為了在一定的勵磁電流下產生較強的磁場，電機和變壓器的磁路都采用導磁性能良好的鐵磁材料制成，如硅鋼片、鋼板及鑄鋼。

（3）絕緣材料：作為帶電體之間及帶電體與鐵心之間的電氣隔離，常用聚酯漆、環氧樹脂、玻璃絲帶、電工紙、云母片等。

（4）結構材料：使各部分構成整體、支撐和連接其他機械，常用鑄鐵、鑄鋼、鋼板、鋁合金及工程塑料。

2.1.2 電機學的基本電磁定律

電機及許多電器都是利用電磁現象及規律制造的，電能的傳遞與機電能量轉換是利用電磁耦合作用來實現的。機電能量轉換的媒介是磁場，在工程中，通常將磁場問題簡化為磁路問題。大量的電機與電氣設備都含有線圈和鐵心。當繞在鐵心上的線圈通電后，鐵心就會被磁化而形成鐵心磁路，磁路又會影響線圈的電路。因此，電機電器技術不僅有電路問題，同時也有磁路問題。

1.電路基本定律

由電路理論我們知道，電路基本定律遵循：基爾霍夫第一定律：∑i=0和基爾霍夫第二定律：∑e=∑u。

2.磁路基本定律

磁路是由鐵心與線圈構成的讓磁通集中通過的閉合回路，如圖2-2所示的磁路可看成均勻磁路，即材料相同截面相等的磁路。該磁路中各點的磁場強度H大小相等。由物理學可知，描述磁路及磁場的基本物理量有磁感應強度B、磁場強度H、磁通量Φ及磁導率μ。下面簡要回顧磁路的基本定律。

（1）安培環路定律

在磁路中，沿任意閉合路徑，磁場強度的線積分等于與該閉合路徑交鏈的電流的代數和。即

式中N為線圈匝數。

計算電流代數和時，與繞行方向符合右手螺旋定則的電流取正號，反之取負號。

（2）磁路的基爾霍夫第一定律

（3）磁路歐姆定律

設均勻磁路長為l，磁路面積為S，則B、H與μ之間的關系為：B Φ。由安培環路定律，知，而Φ=BS=μHS=，令，則磁路歐姆定律為μ

式中，Rm與Ф成反比，反映對磁通的阻礙作用，稱為磁阻。其與磁路的幾何尺寸、磁介質的磁導率有關，單位：H-1。F=NI是產生Ф的原因，稱為磁動勢，單位：A。

式（2-3）與電路歐姆定律形式相似。但電路中的電阻是耗電能的，而磁阻Rm是不耗能的。鐵磁材料的Rm不為常數，式（2-3）用來對磁路做定性的分析，一般不用來做定量分析。

3.電磁感應定律

線圈磁鏈變化將在線圈中感應電動勢，分兩種情況：

（1）磁場相對靜止，線圈中磁通本身隨時間交變引起的感應電動勢稱為變壓器電動勢，即

規定電動勢正方向與磁通正方向符合右手螺旋法則。

（2）磁場大小恒定，導體以勻速運動切割磁力線而在導體產生切割電動勢稱為速率電動勢，即

判斷速率電動勢方向遵循右手定則。

4.電磁力定律

載流導體在磁場中受力為

受力方向由左手定則確定，在電機學中主要用于分析旋轉電機的電磁轉矩。

5.能量守恒定理

電機、變壓器在能量傳遞、轉換過程中，應符合能量守恒定律：

2.1.3 鐵磁材料性質

鑄鋼、硅鋼片、鐵及其與鈷鎳的合金、鐵氧體等鐵磁物質是一類性能特異、用途廣泛的材料，高導磁性、磁飽和性和磁滯性是鐵磁性材料的三大主要性能。

鐵磁材料具有高導磁性能，是因為其內部存在著強烈磁化過的自發磁化單元，稱為磁疇。在正常情況下，磁疇是雜亂無章地排列著，因而對外不顯示磁性。但在外磁場的作用下，磁疇沿著外磁場的方向做出有規則的排列，從而形成了一個附加磁場疊加在外磁場上。由于鐵磁材料的每個磁疇原來都是強烈磁化了的，它們所產生的附加磁場的強度，要比非鐵磁物質在同一外磁場作用下所產生的磁場強得多。非鐵磁材料的導磁系數都接近于真空的導磁系數。而鐵磁材料的導磁系數遠遠大于真空的導磁系數。因此，在同樣的電流下，鐵心線圈的磁通比空心線圈的磁通大得多。

在非鐵磁材料中，磁感應強度B與磁場強度H成正比，它們之間呈線性關系。鐵磁物質的磁化過程很復雜，一般都是通過測量磁化場的磁場強度H和磁感應強度B之間的關系來研究其磁化規律，用B=f（H）描述的關系曲線稱為磁化曲線。磁飽和性即磁性材料的磁化磁場B隨著外磁場H的增強，但并非無限制增強，而是當全部磁疇的磁場方向都轉向與外磁場一致時，它們所產生的附加磁場已接近最大值，此時即使H再增大，B的增加也很有限。即鐵磁性材料的磁化曲線是非線性的，如圖2-3所示。

當磁化電流為交變電流使鐵磁物質被反復磁化時，在電流變化一次時，磁感應強度B隨磁場強度H而變化的關系如圖2-4所示，是一條對稱于原點的閉合曲線，稱為磁滯回線，Bm為飽和磁感應強度。由圖可見，當H已減到零值時，B并未回到零值，有剩磁Br。這種磁感應強度B滯后于磁場強度H變化的性質稱為鐵磁物質的磁滯性。為消除剩磁，必須加反向磁場Hc，稱為矯頑磁力。

由于存在磁滯現象，鐵磁材料的磁化過程是不可逆的。產生磁滯現象的原因是鐵磁材料中磁分子在磁化過程中彼此具有摩擦力而互相牽制。由此引起的損耗稱為磁滯損耗，它是導致鐵磁性材料發熱的原因之一。鐵心內部由于渦流在鐵心電阻上產生的熱能損耗稱為渦流損耗。磁滯損耗、渦流損耗統稱鐵心損耗。

對同一鐵磁材料，選擇不同的Hm反復磁化，得到不同的磁滯回線。將各條回線的頂點連接起來，所得曲線稱為基本磁化曲線。不同的鐵磁材料，其磁化曲線和磁滯回線都不一樣。

電機中常用的鐵磁材料分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料矯頑力較小，磁滯回線較窄。具有磁導率很高、易磁化、易去磁等顯著特點，一般用來制造電機、電器及變壓器等的鐵心。常用的有鑄鐵、硅鋼、坡莫合金及鐵氧體等；硬磁材料也稱永磁材料，具有較大的矯頑力，磁滯回線較寬。磁導率不太高、但一經磁化能保留很大剩磁且不易去磁，一般用來制造永久磁鐵。常用的有碳鋼、鈷鋼及鐵鎳鋁鈷合金等。此外，矩磁材料具有較小的矯頑磁力和較大的剩磁，磁滯回線接近矩形，穩定性良好。在計算機和控制系統中用作記憶元件、開關元件和邏輯元件。常用的有鎂錳鐵氧體等。

2.1.4 變壓器

1.變壓器原理

變壓器是一種靜止的電氣設備，它利用電磁感應原理，把一種電壓等級的交流電能轉換成頻率相同的另一種電壓等級的交流電能。變壓器具有變換交變電壓、變換交變電流、變換阻抗的作用。它對電能的遠距離傳輸、靈活分配和經濟安全使用具有重要的意義。同時，它在電氣領域的測試、控制和特殊用電設備上也有廣泛的應用。基本結構如圖2-5所示，兩個相互絕緣的繞組套在一個共同的鐵心上，它們之間只有磁的耦合，沒有電的聯系。電源側的線圈稱為原邊繞組或一次繞組，負載側的線圈稱為副邊繞組或二次繞組。

當原邊繞組接到交流電源時，繞組中便有交流電流流過，并在鐵心中產生與外加電壓頻率相同的磁通。這個交變磁通同時交鏈原邊繞組和副邊繞組。原、副繞組的感應電勢分別為

假定變壓器兩邊繞組的電壓和電動勢的瞬時值都按正弦規律變化，由（2-8）式可得一次、二次繞組中電壓和電動勢的有效值與匝數的關系為

式中k稱為變壓器的變比，它等于原、副繞組的匝數比，也稱電壓比。

如果忽略鐵磁損耗，根據能量守恒原理，變壓器的輸入與輸出電能相等，即U1I1=U2I2，由此可得變壓器一次、二次繞組中電壓和電流有效值的關系為

亦即

由此可見，只要改變變壓器的變比k，就能改變副邊電壓或副邊電流的大小。這就是變壓器利用電磁感應原理，將一種電壓等級的交流電源轉換成同頻率的另一種電壓等級的交流電源的基本工作原理。

2.變壓器的額定參數和型號

（1）額定電壓U1N和U2N：一次繞組的額定電壓U1N是根據變壓器的絕緣強度和允許發熱條件規定的一次繞組正常工作電壓值。二次繞組的額定電壓U2N指一次繞組加上額定電壓，分接開關位于額定分接頭時，二次繞組的空載電壓值。對三相變壓器，額定電壓指線電壓。

（2）額定電流I1N和I2N：是根據允許發熱條件而規定的繞組長期允許通過的最大電流值。對三相變壓器，額定電流指的是線電流。

（3）額定容量SN：指額定工作條件下變壓器輸出能力（視在功率）的保證值。三相變壓器的額定容量是指三相容量之和。

此外，還有額定頻率、額定效率、溫升等額定值。

變壓器型號表示一臺變壓器的結構、額定容量、電壓等級、冷卻方式等內容，型號的命名方法如圖2-6所示。例如，SL—500/10表示三相油浸自冷雙線圈鋁線，額定容量為500kVA，高壓側額定電壓為10kV級的電力變壓器；OSFPSZ—250000/220表示自耦三相強迫油循環風冷三繞組銅線有載調壓，額定容量250000kVA，高壓側額定電壓為220kV的電力變壓器。

變壓器按用途可以分為電力變壓器和特種變壓器兩大類。電力變壓器主要用于電力系統。特種變壓器根據不同系統和部門的要求，提供各種特殊電源和用途，如電爐變壓器、整流變壓器、電焊變壓器、牽引變壓器、礦用變壓器、儀用互感器、試驗用高壓變壓器和調壓變壓器等，以及用于電子信息產業的變壓器等。

3.電力變壓器

電力變壓器是電力系統中的重要電氣設備，數量眾多，變壓器有單相變壓器和三相變壓器，按其用途和安裝地點可分為升壓變壓器、降壓變壓器、聯絡變壓器、廠用變壓器和配電變壓器。常見的有雙線圈變壓器，也有少量的三線圈變壓器和自耦變壓器。有的變壓器有自動調整分接頭裝置，稱為有載調壓變壓器。變壓器的冷卻方式可分為：干式自然冷卻或風冷；油浸自然冷卻；油浸風冷，帶有吹風裝置；油浸強迫油循環冷卻，即用油泵強迫油循環，把油抽出送到冷卻器冷卻后送回油箱。中小型電力變壓器大都采用油浸自然冷卻式，變壓器油是從石油中提煉出來的絕緣油，既是絕緣介質，又是散熱媒介，通過油的對流作用把線圈及鐵心上的熱量帶到油箱表面，散發到空氣中。圖2-7是幾種電力變壓器的實物圖。

從鐵心與繞組的相對位置看，變壓器兩大基本結構形式有心式和殼式兩種。繞組包著鐵心的叫心式變壓器、鐵心包著繞組的叫殼式變壓器。單相或三相電力變壓器多為心式，小容量的單相變壓器常制成殼式。無論殼式變壓器還是心式變壓器其電磁原理是完全相同的。

變壓器的主要組成是鐵心和繞組。鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵心分鐵心柱和鐵軛兩部分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軛連接兩個鐵心柱，其作用是使磁路閉合；繞組是變壓器的電路部分，常用絕緣銅線或鋁線繞制而成，近年來還有用鋁箔繞制的。為了使繞組便于制造和在電磁力作用下受力均勻，以及機械性能良好，一般電力變壓器都把繞組繞制成圓形。

電力變壓器多采用油浸式結構，其附件有油箱、氣體繼電器、安全氣道、分接開關和絕緣套管等，其作用是保證變壓器的安全和可靠運行。圖2-8是三相油浸式電力變壓器各部件名稱說明。

隨著環氧樹脂等新材料的出現，將變壓器采用環氧樹脂真空澆注成為一個整體，稱為干式電力變壓器。目前在35kV及以下電壓等級的配電系統，廣泛應用干式變壓器。它能適應高污穢、高溫、潮濕的環境，具有阻燃、耐燃、無公害、免維護等優點，越來越多的應用在高層建筑及商業中心、石油、化工等對防火與安全有更高要求的部門。

近年來，組合式變壓器逐漸普及。組合式變壓器將變壓器器身、高壓負荷開關、熔斷器及高低壓連線安裝在全密封的油箱內，用變壓器油作為帶電部分相間及對地的絕緣介質的一種新型配電設備。組合式變壓器具有許多優點：占地少、選址靈活、對環境適應性強，且能美化城市環境；能深入負荷中心、提高供電質量；安裝維護方便、運行可靠、投資少、工期短。它適用于城市公共配電、高層建筑、住宅小區、公園、高速公路等，還適用于油田、工礦企業及施工場所，在城鄉電網建設與改造中得到了越來越多的應用。

4.儀用互感器

儀用互感器是用于測量儀器和保護設備中的特殊變壓器，有電壓互感器和電流互感器之分。

（1）電壓互感器

電壓互感器是一種小型的降壓變壓器，實現用低量程的電壓表測量高電壓。由鐵心、一次繞組、二次繞組、接線端子和絕緣支持物等構成。一次繞組并接于電力系統一次回路中，其二次繞組并聯了測量儀表、繼電保護裝置或自動裝置的電壓線圈。由于電壓互感器是將高電壓變成低電壓，所以它的一次繞組的匝數較多，而二次繞組的匝數較少。原理接線如圖2-9所示，由圖可知：被測電壓=電壓表讀數×N1/N2。圖2-10是電壓互感器實物圖。

電壓互感器使用注意事項：電壓互感器的二次側在工作時不能短路。在正常工作時，其二次側的電流很小，近于開路狀態，當二次側短路時，其電流很大（二次側阻抗很小）將燒毀設備；電壓互感器二次繞組必須有一點接地。因為接地后，當一次和二次繞組間的絕緣損壞時，可以防止儀表和繼電器出現高電壓危及人身安全。

（2）電流互感器

電流互感器是將一次側的大電流，按比例變為適合通過儀表或繼電器使用的，額定電流為5A的變換設備。電流互感器的結構、工作原理同單相變壓器相似。它由鐵心和一、二次繞組兩個主要部分組成，一次繞組的匝數較少，一般只有一匝到幾匝，用粗導線繞制，使用時串聯在被測電路中，流過被測電流；二次繞組匝數很多，用較細的導線繞制而成。一般接電流表或功率表的電流線圈，其阻抗很小，負載近似為零。原理接線如圖2-11所示，由圖可知：被測電流=電流表讀數×N2/N1。圖2-12是幾種電流互感器實物圖。

電流互感器使用注意事項：電流互感器的二次繞組側在使用時絕對不可開路。使用過程中拆卸儀表或繼電器時，應事先將二次繞組側短路。安裝時，接線應可靠，不允許二次繞組側安裝熔絲；在二次繞組側不能安裝熔斷器、刀開關。這是因為電流互感器二次繞組匝數遠遠大于一次繞組匝數，在開路的狀態下，電流互感器相當于一臺升壓變壓器；二次繞組側必須有一端接地。防止一、二次繞組間絕緣損壞，高壓竄入二次繞組側，危及人身和設備安全。

2.1.5 直流電機

電流有交流和直流之分，因此電機也有直流電機和交流電機兩大類。直流電機是最早得到實際應用的電機，它既可做電動機又可做發電機。

法拉第（Faraday）于1821年發現了載流導體在磁場中受力的現象，即電動機的作用原理，并首次使用模型表演了這種把電能轉換為機械能的過程。1831年，他又發現了電磁感應定律。在這一基本定律的指導下，現代直流發電機的雛形很快出現了。1832年，皮克西（Pixii）利用磁鐵和線圈的相對運動，再加上一個換向裝置，制成了一臺原始型旋轉磁極式直流發電機。1833年，楞次（Lenz）證明了電機的可逆原理。1886年霍普金森兄弟（J&E Hopkinson）確立了磁路歐姆定律，1891年阿諾爾德（Arnold）建立了直流電樞繞組理論。到19世紀90年代，直流電機已經具備了現代直流電機的主要結構特點。

直流電動機具有良好的啟動性能，能在寬廣的范圍內平滑、經濟地調速，啟動轉矩大，適合對調速性能和啟動性能要求非常高的場合。例如，對于汽車用啟動電機、擋風玻璃擦拭電動機、吹風機電動機，以及電動窗用電動機等，都是直流電動機在工業自動控制中最為經濟的選擇。在大功率的驅動設備的運用中，例如，在電梯、電力機車、內燃機車、工礦機車、城市軌道交通、鋼廠軋鋼機、挖掘設備、大型起重機等驅動系統中，直流電動機有著廣泛的應用空間。

但直流電機由于存在換向器，其制造工藝復雜，生產成本高，維護較困難，可靠性差，是一種將逐漸淘汰的電機種類。隨著電力電子技術和控制技術的發展，目前，直流發電機已基本上被靜止整流裝置替代。在電力傳動領域，先進的異步電動機控制理論和新型大功率電力電子器件的結合，使得交流異步電動機的驅動系統正成為電氣傳動的發展趨勢。

目前在很多場合直流電機已被交流電機和電力電子裝置取代，但仍然有其應用場合。

1.直流電機工作原理

直流電機是將直流電能與機械能相互轉換的旋轉電機。直流電機可以作為發電機運行，也可以作為電動機運行，這一原理稱為直流電機的可逆原理。

作為電動機運行時，直流電源向電機輸送直流電能，電機將直流電能轉化為機械能，拖動生產機械運動；作為發電機運行時，電機由原動機（交流電動機、柴油機、汽油機等）拖動，電機將機械能轉化為直流電能，向負載供電。

直流電機在拖動系統中多用做電動機，直流電動機有較高的啟動性能和調速性能，在自動控制系統中多用做測速發電機和伺服電動機。

直流電機的直流勵磁繞組一般設置在定子上，電樞繞組嵌在轉子鐵心槽內，為了引出直流電動勢，旋轉電樞必須裝有換向器，圖2-13（a）為直流電機的模型示意圖。

當勵磁繞組流入直流電流，電機主磁極產生恒定磁場，由原動機帶動轉子旋轉，電樞導體切割主磁場產生感應電動勢，它隨時間的變化規律與氣隙磁場空間分布規律一致，因此線圈abcd內是交流電動勢，線圈電動勢隨時間規律性變化，其波形與氣隙磁通密度分布相同，通常為平頂波，然而線圈電動勢不是直接引出，而要通過換向器。電樞導體與換向片固定連接，換向片之間由絕緣體隔開，換向器隨電樞旋轉，而電刷是靜止不動的，并與外電路相連，這樣電刷接觸的換向片不斷變化。圖2-13（a）中電刷“1”總是與N極面下的導體-換向片接觸，同時電刷“2”總是與S極面下的導體-換向片接觸，根據右手定則，電刷1為“+”，電刷2為“-”，電刷極性保持不變，換向器的作用如同全波整流，電刷1、2之間的電動勢經換向后為一有較大脈動分量的直流電動勢，如圖2-13（b）所示，此即直流發電機的基本原理。

若電刷兩端接入直流電壓，轉子電樞繞組中就有電流流過，定子勵磁繞組有直流電流勵磁，則帶電電樞導體在磁場中受到電磁力的作用，產生電磁轉矩，使電樞旋轉，電磁轉矩的方向與電機轉向一致。由于電刷與換向器的作用使所有導體受力方向一致，此時直流電機作電動機運行。

2.直流電機結構

直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分及它們之間的氣隙構成，圖2-14是小型直流電機結構示意圖。

1-直流電機總成，2-后端蓋，3-通風機，4-定子總成，5-轉子（電樞）總成，6-電刷裝置，7-前端蓋

（1）定子部分

定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機座等組成。

主磁極由鐵心和勵磁繞組組成，鐵心用1～1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現，N、S極交替排列。大多數直流電機的主磁極是由勵磁繞組通直流電來建立磁場的。

換向極也由鐵心和繞組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成，換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機的換向，使電機運行時不產生火花。

電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是連接轉動和靜止之間的電路。

機座作用是固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。一般是用厚鋼板彎成筒形以后焊成或用鑄鋼件制成，兩端裝有端蓋。

（2）轉子部分

轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉軸等組成，又叫電樞。

電樞鐵心一般用0.5mm涂以絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時它又是電機主磁路的一部分。

電樞繞組由絕緣導線繞制成的線圈按一定規律連接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放在電樞鐵心表面的槽內，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產生感應電勢和電磁轉矩，是實現機電能量轉換的樞紐。

換向器由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或將刷間的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。換向器是直流電機的關鍵部件之一。

（3）氣隙

為了使電機能夠運轉，定子和轉子之間要留有一定大小的間隙，此間隙稱為氣隙，它是主磁路的一部分。

3.直流電機的勵磁方式

磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱為勵磁。直流電動機一般可分為電磁式和永磁式，電磁式電動機除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵、并勵、串勵和復勵等形式，如圖2-15所示。由于勵磁方式不同，它們的特性也不同。

他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，由于采用單獨的勵磁電源，設備較復雜。但這種電動機調速范圍很寬，多用于主機拖動中。

并勵電動機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯后由同一個直流電源供電，并勵直流電動機的機械特性較好，在負載變化時，轉速變化很小，并且轉速調節方便，調節范圍大，啟動轉矩較大。因此應用廣泛。

串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯之后接直流電源，多于負載在較大范圍內變化的和要求有較大啟動轉矩的設備中。

復勵電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯，另一個與電樞繞組并聯，兼有串勵電動機和并勵電動機的特點，所以也被廣泛應用。

在以上4種類型的直流電動機中，以并勵直流電動機和他勵直流電動機應用最為廣泛。

永磁電動機沒有勵磁繞組，直接以永久磁鐵建立磁場來使轉子轉動。這種電動機在許多小型電子產品上得到了廣泛應用。

4.直流電機的額定值及型號

為了使電機安全可靠地工作，且保持優良的運行性能，電機廠家根據國家標準及電機的設計數據，對每臺電機在運行中的電壓、電流、功率、轉速等規定了保證值，這些保證值稱為電機的額定值。

直流電機的額定值有：額定功率PN，對直流發電機來說，是指電刷端輸出的電功率，對直流電動機來說，是指軸上輸出的機械功率，單位：kW。額定電壓UN，指額定狀態下電機出線端的平均電壓值，單位：V。額定電流IN，在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流，單位：A。額定轉速nN，指額定狀態下運行時轉子的轉速，單位：r/min。直流電機的轉速等級一般在500r/min以上。特殊的直流電機轉速可以做到很低（如：每分鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上）。勵磁方式和額定勵磁電流IfN，勵磁方式指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式。額定勵磁電流指對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流，單位：A。

國產電機主要系列有：Z2系列是普通中小型直流電機；ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機，適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。其他系列的直流電機型號、技術數據可從產品目錄或相關的手冊中查到。圖2-16給出了若干直流電機示例。

2.1.6 同步電機

同步電機和異步電機同屬于交流電機，雖然這兩類電機的運行性能有很大不同，但它們在定子電樞繞組結構及旋轉磁場基本理論方面有著許多共同的地方。

同步電機與異步電機的區別是同步電機的轉子轉速n與電網頻率f之間具有固定不變的關系。如果三相交流電機的轉子轉速n與定子電流的頻率f滿足n=60f/p，這種電機就稱為同步電機。而異步電機的轉子轉速n＜60f/p。

同步電機主要用來作為發電機運行。在現代電力系統中，無論是火力發電、水力發電、或是核能發電等，幾乎全部采用同步發電機，以維持與電網頻率一致，便于電力的生產與調度，同步發電機是各類發電廠的核心設備之一。

同步電機還可作為電動機使用，對不要求調速的大功率生產機械，常用同步電動機來驅動，如軋鋼機、電力推進裝置、空氣壓縮機，鼓風機和泵等。

同步電動機的最大優點是通過調節勵磁電流可以方便地改變同步電動機的無功功率。過勵時從電網吸收超前無功功率，欠勵時從電網吸收滯后無功功率。

隨著電力電子技術和計算機控制技術的不斷發展，變頻調速在同步電動機的調速系統中得以實現，它沒有直流電機的機械換向器，用電子換向來代替，可以得到與直流電機同樣的性能，但容量更大、電壓和轉速更高，使同步電動機的應用場合不斷擴大。

同步電機還可以作為同步補償機使用，它實際上是一臺接于電網的空載運行的同步電動機，也稱同步調相機，向電網發出感性或容性的無功功率，用以改善電網的功率因數。

1.同步發電機工作原理

如圖2-17所示，同步電機定子上，AX、BY、CZ三相繞組結構完全相同，互相對稱，空間相隔120°電角度，轉子上有磁極。如用原動機拖動發電機轉子沿順時針方向恒速旋轉，則磁極的磁力線將依次切割定子繞組的導體，在定子導體中就會感應出交變電勢；設主極磁場的磁密沿氣隙圓周按正弦規律分布，則導體內電勢也隨時間按正弦規律變化。設A相電勢的初相位為零，則三相電勢的瞬時值為

當轉子為一對磁極時，轉子轉一周，繞組中的感應電勢正好交變一次，當電機中有p對磁極時，則轉子轉一周，繞組中的感應電勢變化p次，而轉子每分鐘轉n圈，因此電勢的頻率為f=pn/60；如果作為電動機運行，則需在定子繞組中通過三相交流電流，就會在電機里產生旋轉磁場，磁場轉速為n1=60f/p。這時轉子繞組加上直流勵磁，轉子如同是磁鐵，則轉子將在定子旋轉磁場的帶動下，沿定子磁場的旋轉方向以相同的轉速旋轉。轉子的轉速為n=n1=60f/p。

由此可見，同步電機無論作為發電機，或是作為電動機，當極對數一定時，轉子的轉速n與電網頻率f之間具有固定不變的關系，電機專業的術語就是“同步”，轉速n稱為同步轉速。我國的電力系統，規定交流電流的頻率為50Hz。因此，當電機為一對磁極時，電機轉速必定是3000r/min；電機為兩對極時，電機轉速必定是1500r/min，依次類推。

對同步電動機，若電網的頻率不變，則其轉速恒為常值而與負載的大小無關。

2.同步電機結構

同步電機按運行方式可分為發電機、電動機和調相機，已如上所述。按原動機類別可分為汽輪發電機、水輪發電機和柴油發電機等。按冷卻介質和冷卻方式可分為：空氣冷卻，空氣自然循環或風扇吹風強迫冷卻；氫氣冷卻，與空氣混合后有爆炸危險，需密封系統；水冷，水通過冷凝器及進、出水管循環；混合冷卻，例如定子用水內冷，轉子也用水內冷，鐵心用空氣冷卻，簡稱水—水—空冷卻，也有用水—水—氫或水—氫—氫冷卻的。

按結構型式分，同步電機又可分為旋轉電樞式和旋轉磁極式兩種。旋轉電樞式主要應用于小容量同步電機中；旋轉磁極式應用比較廣泛，并成為大中型同步電機的基本結構形式。旋轉磁極式同步電機又有隱極、凸極之分。

按同步電機的磁路結構，還有感應子式、爪極式、磁阻式及永磁式等多種類型，感應子式用于中頻發電機，爪極式主要用于車輛交流發電機與中頻發電機，磁阻式主要適合于驅動與控制用小功率電動機。

世界上第一臺電機就是永磁電機，但是早期的永磁材料磁性能很差，致使永磁電機體積很大，非常笨重，因而很快就為電勵磁式電機所取代。近年來，隨著稀土永磁材料的快速發展，特別是第三代稀土永磁材料釹鐵硼（NdFeB）的問世，給永磁電機的研究和開發帶來了新的活力。從20世紀80年代初開始，高性能永磁電機發展迅速，其中永磁同步電動機以其高效節能的優點而受到特別的關注。

下面重點介紹旋轉磁極式同步電機，此類電機都是由定子和轉子兩大基本部分組成的。定子部分由定子鐵心和電樞繞組組成，轉子部分由轉子鐵心、勵磁繞組、轉軸等部件組成。

（1）隱極式同步發電機結構

隱極同步電機都采用臥式結構，如圖2-18所示。轉子呈圓柱形，氣隙均勻。汽輪發電機由于轉速較高（一般都是3000r/min），為了固定勵磁繞組，大容量的電機幾乎全做成隱極式轉子。隱極式轉子從外形來看，沒有明顯凸出的磁極，但是在它的勵磁繞組里通入直流電流，轉子的周圍也會出現N極和S極的磁場。圖2-19是運行中的汽輪發電機組圖片。

定子部分：由鐵心、繞組、機座及固定這些部分的其他結構件組成。為了減少定子鐵心里的鐵損耗，鐵心一般采用0.5mm的硅鋼片疊成。定子鐵心內圓開有槽，一般都做成開口槽，便于嵌線。繞組是嵌在鐵心槽內的線圈按一定規律聯結而成，可采用三相雙層短距疊繞組。一般為避免電流太大，定子繞組采用較高電壓，如6.3V、10.5V和13.8kV等。

轉子部分：由轉子鐵心、勵磁繞組、護環、中心環、滑環及風扇等部件組成。由于轉子轉速高，考慮離心力的影響，轉子呈細長圓柱形。一般用整塊的導磁性好的高強度合金鋼鍛成，轉子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，用于嵌放勵磁繞組，不銑槽的約1/3部分形成大齒，即磁極。勵磁繞組，是由扁銅線繞成的同心式線圈。在水冷電機里，則是用空心導線繞成的。由于隱極電機轉速很高，因此勵磁繞組在槽內需用不導磁高強度的硬鋁槽楔壓緊。端部套上用高強度非磁性鋼鍛成的護環固定。勵磁繞組通過裝在轉子上的集電環與電刷裝置才能和外面的直流勵磁電源構成回路。圖2-20是汽輪發電機的定子繞組與轉子的維護安裝圖片。

（2）凸極同步發電機結構

凸極同步電機轉子有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻。分為臥式（同步電動機、補償機等）和立式（低速大容量水輪發電機）兩種結構。由水輪機帶動的同步發電機稱水輪發電機，由于水輪機的轉速較低（一般每分鐘只有幾十轉到幾百轉），因此把發電機的轉子做成凸極式的。因為凸極式的轉子，在結構上和加工工藝上都比隱極式的簡單。

由于水輪發電機是立式的結構，轉子部分必須支撐在一個推力軸承上，推力軸承要承擔整

個機組轉動部分的重量和水的壓力，這些向下的壓力有時達幾百噸，甚至上千噸重，因此大容量水輪發電機，必須很好地解決推力軸承的結構和工藝，以及推力軸承安放的位置等問題。從推力軸承安放的位置，立式水輪發電機可以分為懸吊式和傘式兩種不同的結構。懸吊式是指推力軸承裝在轉子上邊的機架上，整個轉子是以一種懸吊狀態轉動。傘式是指推力軸承裝在轉子下邊的機架上，整個轉子是以一種被托架著的狀態轉動。

凸極同步電機定子部分與隱極同步電機或感應電機基本相似。大容量的水輪發電機，由于定子直徑太大，通常把它分成幾瓣，分別制造后，再運到電站拼裝成一整體。

水輪發電機的轉子部分是由磁軛、磁極、勵磁繞組、轉子支架、轉軸等組成。立式同步電機由于轉速低，因此極數多，要求轉動慣量大。所以轉子特點是直徑大、長度短。磁極由厚1～1.5mm的鋼板沖成磁極沖片，用鉚釘裝成一體，磁極上套裝有勵磁繞組。磁極上套有勵磁繞組，磁極的極靴上還有阻尼繞組。阻尼繞組是由插入極靴阻尼槽內的裸銅條和端部銅環焊接而成，形成一個短接的回路。磁極固定在磁軛上，磁軛常用整塊鋼板或鑄鋼做成。

圖2-21是運行中的水輪發電機組，圖2-22是三峽水電站水輪發電機轉子正在吊裝。

3.同步電機的勵磁方式

勵磁系統是給同步電機勵磁繞組供電的裝置，是同步電機的重要組成部分，發電機勵磁系統的技術性能及可靠性，對供電質量、繼電保護及機組的啟動、安全穩定運行有重大影響。勵磁系統的最基本功用是產生可以任意控制其大小的直流電流，稱為勵磁電流，以維持發電機電壓在給定水平。

勵磁系統主要作用有：

（1）發電機在運行中，隨著負荷的增減和負荷性質的變化，其端電壓和無功功率也隨之變動，發電機在單機運行時，調節勵磁電流可以改變發電機的端電壓。與電網并聯運行的發電機，調節勵磁電流還可以改變發電機的無功功率。

（2）當電力系統發生事故而使發電機端電壓下降時，對發電機進行強行勵磁，可以提高繼電保護動作的可靠性，有助于發電機并列運行的穩定性。

（3）在發電機因突然甩負荷而引起端電壓升高時，對發電機進行強行減磁，以限制過電壓。

勵磁系統的勵磁方式有：

（1）直流勵磁機勵磁。勵磁繞組由小型直流發電機供電。

（2）三次諧波勵磁。在輸出380V的三相四線制小型發電機組中，勵磁線圈所需電壓只要26V左右就能滿足需要。這個電壓就是由三次諧波提供的。它是通過在發電機定子鐵心槽中埋設的輔助繞組而產生的，再經橋式整流送給勵磁電路。

（3）靜止整流器勵磁。交流主、副勵磁機裝在發電機大軸上，副勵磁機經晶閘管整流供主勵磁機勵磁，在機外有專門的整流柜，對旋轉交流主勵磁機輸出的交流電流經整流后再通過滑環和電刷送入轉子勵磁繞組。交流副勵磁機可以是永磁機或是具有自勵恒壓裝置的交流發電機。

（4）旋轉整流器勵磁。主勵磁機是旋轉電樞式三相同步發電機，旋轉電樞的交流電流經與主軸一起旋轉的硅整流器整流后，直接送到主發電機的轉子勵磁繞組。交流主勵磁機的勵磁電流由同軸的交流副勵磁機經靜止的晶閘管整流器整流后供給。由于這種勵磁系統取消了集電環和電刷裝置，故又稱為無刷勵磁系統。

（5）自并勵可控硅靜止勵磁。勵磁系統由以下幾部分構成：勵磁變壓器、可控硅整流裝置、勵磁調節器、滅磁及過電壓保護裝置、初勵裝置，如圖2-23所示。這類勵磁方式的勵磁電源常取自發電機機端，發電機的勵磁由接在機端的勵磁變壓器經可控硅整流后供給，由勵磁調節器改變可控硅的控制角來進行勵磁調節。多用于20世紀70年代以后的水電機組，以及20世紀90年代以后的大中小型火電機組，是性能良好的勵磁系統。

4.同步電機額定值及型號

同步電機銘牌上的額定值主要有如下幾個。

① 額定容量SN或額定功率PN：指輸出功率的保證值。對同步發電機來說，額定容量SN是指出線端的額定視在功率，一般以kVA或MVA為單位。而額定功率PN是指發電機發出的有功功率，單位為kW或MW。對同步電動機PN是指軸上輸出的機械功率，單位為kW或MW；對同步調相機則用出線端的額定無功功率來表示其容量，單位是kVar或MVar。

② 額定電壓UN：是指額定運行時加在定子的三相線電壓，單位為V或kV。

③ 額定電流IN：是指額定運行時流過定子的線電流，單位為A。

④ 額定功率因數cosφN：指電機額定運行時的功率因數。

⑤ 額定頻率fN：我國標準工頻為50Hz。

還有額定轉速nN：單位為r/min；額定勵磁電壓UfN，單位為V；額定勵磁電流IfN，單位為A；額定溫升。

同步電機的主要系列有：TF—三相同步發電機，其中T—同步、F—發電機；QFQ、QFN、QFS—不同冷卻方式的同步發電機，其中QF—汽輪發電機，第三個字母表示冷卻方式：Q—氫外冷、N—氫內冷、S—雙水內冷。例如，QFN—100—2表示容量為100MW的兩極的氫內冷汽輪發電機。TS—三相同步水輪發電機，其中T—同步、S—水輪。例如，TS1264/160—48表示三相同步水輪發電機，定子鐵心外徑為1264cm，鐵心長160cm，極數為48，即額定轉速nN=125r/min。TD—三相同步電動機，其中D—電動機。TT—三相同步調相機，第二個“T”表示調相機。

2.1.7 異步電機

異步電機也是一種交流旋轉電機，基于氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩而實現機電能量轉換。與同步電機不同的是，異步電機在正常工作時，轉子的轉速與定子旋轉磁場的轉速必須保持一定的差異，故稱為異步電機。異步電機主要作為電動機使用，但也可作為發電機和電磁制動器使用。異步電機用做發電機，主要用于風力發電。

異步電動機品種規格繁多，其在所有的電動機中應用最為廣泛，需求量最大；目前，在電力傳動中大約有90%的機械使用交流異步電動機，其用電量約占總電力負荷的一半以上。圖2-24是幾種異步電機的實物圖。

與其他類型的電動機相比，異步電動機的主要優點是結構簡單、成本較低、制造、使用和維護方便，運行可靠、效率高；缺點是運行中需從電源吸收無功功率建立磁場，使電力系統功率因數降低；與直流電動機相比，不能平滑調速、調速范圍窄，調速性能較差。

異步電機有較高的運行效率和良好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。異步電動機主要廣泛應用于驅動機床、水泵、鼓風機、壓縮機、起重卷揚設備、礦山機械、輕工機械、農副產品加工機械等大多數工農生產機械，以及家用電器和醫療器械等。

在異步電動機中較為常見的是單相異步電動機和三相異步電動機，其中三相異步電動機是異步電動機的主體。而單相異步電動機一般用于三相電源不便于使用的地方，大部分是微型和小容量的電機，在家用電器、電動工具、醫用器械中應用比較多，例如電扇、電冰箱、空調、吸塵器、電鉆等。

1.異步電機工作原理

以鼠籠式三相異步電動機為例，當定子三相對稱繞組通過三相對稱交流電流后，它們在電動機內部聯合產生一個定子旋轉磁場，如圖2-25所示。這個旋轉磁場將以與輸入的電源頻率f成正比的同步轉速n1=60f/p旋轉，則它的磁力線切割轉子繞組而產生感應電勢。在該電勢的作用下，閉合的轉子繞組內便有電流通過，電流的有功分量與電勢同相位。于是，由電磁力定律可知，轉子感應電流與旋轉磁場作用形成電磁力，在該電磁力的作用下，電動機轉子就以轉速n旋轉，其轉向與旋轉磁場的方向相同。這時，如果在轉子軸上加上機械負載TL，電動機就拖動機械負載旋轉，輸出機械功率。轉子旋轉后，轉速為n，只要轉速小于旋轉磁場同步轉速（n＜n1），轉子與磁場仍有相對運動，電磁轉矩Te使轉子繼續旋轉，穩定運行在Te=TL情形下。異步電機由電磁感應產生電磁轉矩，所以又稱為感應電機。

在電動機狀態下，異步電機轉子的轉動方向是與旋轉磁場的轉動方向是一致的。若讓轉子反方向旋轉，只要改變旋轉磁場的旋轉方向即可，而旋轉磁場的旋轉方向由流過三相繞組的電流的相序確定。因此，將三相電源線的任意兩個端子對調，就可以方便地達到目的。

三相異步電動機只有在n≠n1時，轉子繞組與氣隙旋轉磁場之間才有相對運動，才能在轉子繞組中感應電動勢、電流，產生電磁轉矩。

通常把同步轉速n1和電動機轉子轉速n二者之差與同步轉速n1的比值稱為轉差率，也稱轉差或者滑差，用s表示，即

雖然s是一個沒有量綱的量，但它的大小能體現電機轉子的轉速。例如：n=0時，s=1；n=n1時，s=0；n＞n1時s為負。正常運行的異步電動機，轉子轉速n接近同步轉速n1，轉差率s很小，一般s=0.01～0.05。

當異步電機處于電動機狀態時，0＜n＜n1，0＜s＜1。由上所述，電機從電網吸收電功率，經過氣隙的耦合作用從軸上輸出機械功率。

當異步電機處于發電機狀態時，n＞n1，s＜0。此時，原動機拖動轉子以轉速n（＞n1）旋轉。磁場轉速慢，轉子導體與磁場間存在相對運動，切割磁力線產生感應電動勢，進而產生電流。電機從軸上吸收機械功率，經過氣隙耦合再向電網輸出電功率。

當異步電機處于電磁制動狀態時，n＜0，s＞1。在電動機狀態運行時若先將供電電源降為零，再將三相中其中二相進行對換，再加上電源時，原電動機就成為了一個電磁制動器。

這時，轉子轉向與定子旋轉磁場轉向相反，轉子逆著磁場方向旋轉，此時電機既從電網吸收電功率又從軸上吸收機械功率，它們都消耗在電機內部變成損耗。

2.異步電機的結構

按電機轉子結構形式的不同，交流異步電機主要分為鼠籠式、繞線式。圖2-26是一臺鼠籠式三相異步電動機的結構圖，它主要是由定子和轉子兩大部分組成，定子與轉子之間有一個較小的空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機座、風扇等部件。

異步電機定子與同步電機一樣，在圓周均布嵌放定子繞組，但轉子結構有所不同。同步電機轉子勵磁繞組必須通電，且是直流電，異步電機就有所不同。

（1）定子部分

包括鐵心、定子繞組、機座等，如圖2-27所示。

定子鐵心是電機磁路的一部分，并起固定定子繞組的作用。為了增強導磁能力和減小鐵耗，定子鐵心常選用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，片間涂上絕緣漆。定子鐵心內圓均勻沖出許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。

定子繞組是異步電動機的電路部分，其材料主要采用紫銅。小型異步電動機常采用三相單層繞組，大中型異步電動機常采用三相雙層短距疊繞組形式，三相繞組的6個出線端子均接在機座側面的接線板上，可根據需要將三相繞組接成Y形或△形。

機座是電動機的外殼，支撐電機各部件，并通過機座的底腳將電機安裝固定。全封閉式電機的定子鐵心緊貼機座內壁，故機座外殼上的散熱筋是電機的主要散熱面。中小型電機采用鑄鐵機座，大型電機一般采用鋼板焊接機座。

（2）轉子部分

異步電動機的轉子主要是由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸三部分組成的。根據轉子繞組的結構形式有鼠籠式轉子和繞線式轉子之分，如圖2-28所示。

轉子鐵心也是電機磁路的組成部分，并用來固定轉子繞組。鐵心材料用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，通常用沖制定子鐵心沖片剩余下來的內圓部分制作。轉子鐵心固定在轉軸上，其外圓上開有槽，用來嵌放轉子繞組。

在鼠籠式異步電機中，轉子繞組是一個自己短路的繞組。轉子槽內有導體，導體兩端用短路環連接起來，形成一個閉合的繞組。這種轉子無須也無法通入電流，轉子中的電流是靠定子感應到轉子上的電勢，在閉合的導體回路中形成的。在工程中，鼠籠式轉子的閉合回路有兩種形式，一種是一般電機所常用的，槽內導體與兩端端環用鋁鑄為一體，由于鋁的導電率低，而且耐熱能力也差，所以不適用于要求結構緊湊，轉子電流大的場合；另一種是槽內導體和兩端端環均為銅或銅合金，兩者之間用焊接方式連在一起。

在繞線式異步電機中，轉子繞組與定子繞組相似，也是嵌線式的。嵌線后連成三相，再根據需要連成Y形或△形。一般小容量電動機連接成△形，大、中容量電動機連接成Y形。轉子繞組的三條引線分別接到轉子軸上的三個彼此絕緣的集電環上，用一套電刷裝置引出來，轉子繞組通過集電環和電刷與外電路可變電阻相連接后短接形成閉合回路，如圖2-29所示。通過可變電阻可改變轉子回路結構參數，從而改變電動機的運行性能。

（3）氣隙

異步電動機的氣隙是均勻的。大小為機械條件所能允許達到的最小值。它比同容量直流電動機的氣隙要小得多。在中、小型異步電動機中，氣隙一般為0.2～2mm左右。

3.異步電動機銘牌數據

異步電動機銘牌數據主要包括以下幾個。型號：用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數。以Y132M-4為例：Y—異步電動機，132—機座中心高（mm），M—機座長度代號（S短、M中、L長），4—磁極數（極對數p=2）。異步電動機的系列有80多種，例如：Y—異步電動機，YR—繞線轉子異步電動機，YK—大型高速（快速）異步電動機，YL—籠型轉子立式異步電動機，YHT—換向器調速異步電動機，YDY—單相電容啟動異步電動機等。額定功率PN：是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率，單位：kW。額定電壓UN：定子繞組在指定接線形式下應加的線電壓，單位：V。額定電流IN：定子繞組在指定線形式下的線電流，單位：A。額定頻率fN：我國標準工頻為50Hz。額定轉速nN：額定工況下的轉子轉速，單位：r/min。繞組聯結方式：△接法或者Y接法。

另外還有額定運行時的效率ηN和額定運行時的功率因數cosφN等，鼠籠電機的效率ηN一般在72%～93%。額定負載時的功率因數最大，一般為0.7～0.9，空載時功率因數很低，約為0.2～0.3。在實際應用中應注意電動機的節電降耗，選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現象。

2.1.8 微特電機

微特電機通常指的是性能、用途或原理等與常規電機不同，且體積和輸出功率較小的微型電機和特種精密電機，全稱微型特種電機。其外徑通常不大于130mm，輸出功率從數百mW到數百W，一般小于735W（1馬力）。但在較大的控制系統中，有些微特電機的體積和輸出功率都已突破了這個范圍，有的特種電機的功率達到10kW左右。

1914年，巴拿馬運河首先用自整角電機系統控制水閘。同年，美國開始生產1/20～1/200馬力D型直流電動機系列，并在自動控制系統中得到應用。20世紀40年代前后，微特電機在自動控制系統和軍事裝備中推廣，先后出現自整角電機、旋轉變壓器、伺服電動機和測速發電機系列。20世紀60年代起，相繼出現了無刷直流電動機、步進電動機、力矩電動機、直線電機和多極角度傳感器等。20世紀70年代，一些不同于電磁感應原理的新型微特電機，如壓電電動機、霍爾電機、光電電機等，向實用化推進。20世紀80年代以來，微特電機與專用集成電路、控制器、驅動器等集成，組成組件或系統，顯著擴展了微特電機的范圍和功能，成為各種控制系統中重要的基礎元件。

微特電機的主要特點：①普通電機的主要任務是轉換能量，微特電機在自動控制系統中只起一個元件的作用，主要任務是完成信號的傳遞與轉換；②特殊的使用環境，如：地上、水下、海洋、太空，高溫、低溫、潮濕、沖擊、振動、輻射等，要在各種惡劣的環境條件下仍能準確、可靠地工作；③要求體積小、重量輕、耗電少。

微特電機大體上可分為驅動用微特電機和控制用微特電機，前者用來驅動各種機構、儀表及家用電器等。后者在自動控制系統中起傳遞、變換和執行控制信號的作用。表2-1是驅動用微特電機的分類，表2-2是控制用微特電機的分類。

圖2-30是直線電機實物圖，圖2-31是超聲波電機實物圖。

圖2-32是伺服電機實物圖，圖2-33是測速發電機實物圖。

圖2-34是旋轉變壓器實物圖，圖2-35是自整角機實物圖，圖2-36是步進電機實物圖。

微特電機品種多達5000余種，規格繁雜，廣泛應用于軍事裝備、航空航天、電子產品、工業自動控制、家用電器、辦公自動化、交通運輸、通信、電動工具、儀器儀表、電動玩具等方面，主要用戶分布在視聽、辦公自動化、電動車（含汽車）、家電和空調等領域。

例如，微特電機是汽車上的關鍵零部件之一，配置的微特電機越多，汽車采用電機驅動控制代替機械控制的部位越多，汽車的電控自動化程度越高，駕駛操控汽車就更方便，一輛轎車應用微電機可達40臺左右，豪華型轎車甚至會配備上百臺微電機。

汽車用微特電機主要分布于汽車的發動機、底盤、車身三大部位及附件中，并將逐步成為汽車的動力系統。

汽車發動機部件上的應用：主要是在汽車啟動機、電噴控制系統、發動機水箱散熱器及發電機中的應用。除交流發電機外，這些部件中應用多臺直流電動機。

汽車底盤車架上的應用：主要是在汽車電子懸架控制系統、電動助力轉向裝置、汽車穩定性控制系統、汽車巡行控制系統、防抱死控制系統及驅動動力控制系統的應用。其中廣泛應用永磁式直流電動機或永磁式步進電動機。

汽車車身部件上的應用：主要是在中央門鎖裝置、電動后視鏡、自動升降天線、電動天窗、自動前燈、電動汽車坐椅調整器、電動玻璃升降器、電動刮水器、空調系統、電動電子車速里程表等的應用。其中普遍應用永磁式直流電動機和永磁式步進電動機。

我國是微特電機生產大國，總產量約占世界總產量的60%以上，預計“十二五”期末我國微特電機年產量將達100億臺。

面對節能減排的壓力，高效節能、靜音舒適、無害無污染、高出力省材料、安全可靠的微特電機在家用電器、電動車輛和汽車領域的發展前景十分廣闊。

隨著電子信息產品向高性能、小型化、薄型化發展，為了適應微特電機與信息網絡相結合，片狀化、輕量化、小型化、高速化、高精度、高性能的微特電機將在視聽攝錄、計算機、手機、復印機等設備中占有重要地位。

機器人等高新技術產業的規模不斷擴大，迫切需要高精度、高性能、高效率、高可靠、高出力、一體化、智能化、低轉速、大力矩等高技術含量的微特電機。風力發電系統、微電子機械系統、混合動力汽車和電動汽車驅動系統等領域需要研制先進的特種電機系統實現高效能量轉換。