旋转电机rotati electrical machinery

根据电磁感应及电磁力定律，进行能量转换的转动的电气机械。将机械能转换为电能的称为发电机，反之称为电动机。
旋转电机的分类如下所示。

交流电机 将机械能转换为交流电能，或将交流电能转换为机械能的电气机械。前者称为交流发电机，后者称为交流电动机。按电机转子与旋转磁场二者之间转速的关系区分，有同步电机与异步电机；按电源区分，有三相与单相之分。
同步电机 因电机的转子转速与定子的旋转磁场转速相同，称为同步，这样的电机称为同步电机。主要用为发电机，亦可用为电动机。根据转子的结构区分，有凸极式与隐极式两种(图1)。对于汽轮发电机，由于其转速较高(一般是3000转/分)，为了固定激磁绕组，且使转子平衡对称，几乎全采用隐极式转子。水轮发电机的转速较低（一般是每分钟几十至几百转），其转子采用凸极式。同步电机的定子用硅钢片叠制而成，在定子铁芯槽中嵌有定子绕组。用为发电机时，经激磁的转子被原动机拖动，以同步转速旋转，在定子绕组中产生感应电势，发电机空载时，此电势为空载电势； 当发电机带有负载时，因定子电流改变了磁场的合成磁势，也就改变了定、转子间的间隙磁通，因此定子绕组感应电势不再是空载电势，而是与发电机运行状态相对应的气隙电势。此电势与定子绕组漏阻抗电压降的差，即为发电机的端电压。当发电机的负载发生变化，为了保持其端电压不变，必须调节电机的激磁电流，在发电机的转速为同步转速时，且其端电压及负载功率因数保持不变，发电机的负载电流与激磁电流的关系，称为发电机的调整特性。在发电机的转速为同步转速时，激磁电流、负载的功率因数保持不变，发电机的端电压与负载电流的关系，称为发电机的外特性。同步电机亦可用为电动机，当电力系统功率因数较低时，电网要负担电感性无功功率，如电网中安装一部分过激状态的同步电动机，可以起到改善系统功率因数的良好作用，但一般多安装一些同步调相机。调相机不带机械负载，其额定容量根据运行在过激状态时所允许的容量而定。其用途大体有二： ❶受电端补偿。改善落后的功率因数时，采取过激运行； 为了防止电网无载充电时电压过高，应吸收落后电流，采取欠激运行。
❷中间补偿。长距离输电线路中，为了提高输电的稳定性，在线路中加装调相机，输电过程中调相机如能供给足够的无功功率，输电线路电压可保持不变，从而保证一定的输电功率，提高输电的稳定性。在火电厂与水电站联合运行时，于丰水期，火电厂的汽轮发电机不带负载，可转为调相机运行。

图1 同步电机的主要型式

异步电机 因电机的转子转速与定子的旋转磁场转速不相同，称为异步，这样的电机称为异步电机。主要用为电动机。亦可用为发电机。根据转子的结构区分，有鼠笼式与绕线式两种。小型异步机的鼠笼式转子，一般是铸铝的，容量大于100千瓦的电动机转子绕组，由插入的裸导条与端环组成。绕线式异步机转子绕组，由嵌于转子铁芯槽内的绝缘导线组成，该绕组亦为三相绕组，将该绕组的末端连接首端引出，分别连于转轴上的三个集电环（亦称滑环）上。集电环上装有三组电刷，通过它将三组变阻器串接于转子回路，以改善启动性能或用来调节转速。于启动后不需调速时，移动提刷短路装置的手柄，将电刷提起，集电环短路。定子绕组接通三相电源，在电机气隙产生旋转磁场，此磁场以同步转速旋转，切割不动的转子绕组导体，在导体中产生感应电势而通有电流，载流导体受电磁力的作用，使转子随着旋转磁场而转动，转子的转速与旋转磁场的转速不相同，二者之差称为转差，此转差与同步转速的比称为转差率。异步电动机在运行中转子所得到的电磁功率，是通过气隙由定子传来，电机空载时，转子转速接近同步转速，无机械功率输出，功率因数很低。电机于额定负载运行时，功率因数较高，电机电流也达额定值。在电机启动时，转差率得1，相当转子堵转（绕组被短路），定、转子电流很大，为额定值的5～7倍。当电动机带载时，转子所获得的电磁功率，即转换为其轴功率，使之产生相应的轴转矩，描述电动机的转矩与转速的关系曲线，称为异步电动机的机械特性(图2)，这是一条很重要的异步电动机特性曲线。此外，在额定电压及频率下，电动机的输入功率P₁、转差率s、定子电流I₁、效率η、功率因数cos与输出功率P₂的关系，称为电动机的工作特性(图3)。当三相异步电动机接入对称三相电源时，电动机从静止状态过渡到稳定运行状态，此过渡过程称为启动过程，标志异步电动机启动性能的主要指标为：启动转矩倍数及启动电流倍数。为了限制启动电流，鼠笼式异步电动机的启动方法有：星-角启动、自耦变压器启动、延边三角形启动等。绕线式异步电动机启动，为了减少启动电流，在转子绕组中串入启动电阻，如为了避免于启动过程中，因逐段切除启动电阻时的转矩冲击，可选用频敏变阻器。为了改善鼠笼式异步电动机的启动性能，而基本保持其结构简单、坚固耐用及使用、维修方便的特点，采用深槽式及双鼠笼式转子。

图2 异步电动机的机械特性

图3 异步电动机的工作特性

移相器 结构与绕线式异步电动机相同，其转轴上装有一套蜗轮蜗杆，转动蜗杆，即可使移相器转子转动一个角度。当其定子绕组接入电源后，气隙中产生旋转磁场，在定、转子绕组中各产生感应电势，它们的数值分别与各该绕组有效匝数成正比，而相位关系决定于它们之间的相对位置。因此，移相器的副边电压与原边电压维持一定比例关系，而其相位是可调的。图4为移相器接线图。

图4 移相器接线图

感应调压器 结构与移相器相同，其定、转子绕组之间有磁的和电的联系。原边接入电源，副边电压为调压器定、转子电势和。通过改变α角，可以得到平滑的调压，应注意的是其相位亦有变化。图5为感应调压器接线图。

图5 感应调压器接线图

单相异步电动机 种类很多，除罩极式电动机外，其余类型的单相异步电动机的定子结构，与三相异步电动机的定子相似。但它有两个绕组，一个为工作绕组或主绕组，工作中接于电源，以产生主磁场，另一个为启动绕组或副绕组，启动后转速达同步转速的75%～80%时，以离心开关将其与电源断开，也有一直接入电源而不断开的。单相异步电动机的转子与普通鼠笼式转子相同。单相异步电动机没有启动转矩，不能自己启动，为解决这个问题，采用裂相法或罩极法。
电容裂相启动单相异步电动机的启动绕组、电容C2长期接于电源上工作，这种电动机称为电容电动机。实质上是一种两相电动机，它的两个绕组在空间相差90°电角度，在气隙中产生的磁场接近于圆形旋转磁场。其功率因数、效率及过载能力均比一般单相异步电动机高。应注意于启动后，须将启动电容以离心开关切除。电容裂相单相异步电动机的接线及机械特性如图6。

图6 电容裂相单相异步电动机的接线及机械特性

1. 曲线1为无电容时的机械特性；2. 曲线2为有电容时的机械特性

罩极裂相启动单相异步电动机的定子，由硅钢片叠成凸极式(图7)，磁极上装有工作绕组。极靴上开一个小槽，罩以短路铜环，称为罩极圈，它占去全部磁极表面的三分之一。工作绕组接入单相电源，产生脉动磁通，短路环有部分磁通'穿过，磁通脉振时，感应电势并通有电流，于是被罩磁极又有由此电流产生的磁通″，被罩磁极的全部磁通与磁极未罩部分磁通₁之间形成一定的时间相位差，又因被罩与未罩部分磁极，在空间也有一定的相位差，于是合成磁场是一个具有一定推移速度的“移行磁场”，在该磁场的作用下，产生一定转矩。这种电动机结构简单，功率较小，用为小型电风扇、电唱机、录音机等。

图7 罩极式电动机结构示意

直流电机 将机械能转换为直流电能，或将直流电能转换为机械能的电气机械。前者为直流发电机，后者为直流电动机。在结构上比交流电机复杂，但比交流电机的发展要早，因最早的电源是电池的缘故。尽管结构复杂，它仍具有一定的优点，如： 调速范围广且易于平滑，调速时能耗小，过载、启动、制动转矩大，易于控制，可靠性高等。因之要求调速的场合，直流电动机得到广泛的应用。
直流电机的结构由定子和转子两部分组成，定子即磁路中静止部分及其机械支撑，包括机座、磁扼、主磁极和换向极等； 转子包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴及轴承等。电枢绕组通过电刷装置与外电路相接。
直流发电机 按其激磁方式分为他激、并激、串激及复激四种(图8)。

图8 直流发电机的激磁方式

当发电机的电枢在原动机拖动下，以额定转速反时针旋转，电枢绕组导体内感应电势，发电机有载时，其端电压为此电势与内阻压降的差。决定发电机稳定运行状况的因素有： 电机端电压、激磁电流、负载电流、电机的转速。在转速为常数时，直流发电机有以下三种特性： ❶负载电流为0时，端电压与激磁电流的关系为无载特性；
❷激磁回路电阻为常数，端电压与负载电流的关系为外特性；
❸端电压为常数时，激磁电流与负载电流的关系为调节特性。
直流发电机在不备直流电源的情况下，能独立地建立起端电压称为自激，自激建立端电压的条件为： ❶电机的磁极有剩磁；
❷激磁绕组并联于电枢两端的极性正确；
❸激磁回路的总电阻须小于该转速下的临界值。图9为直流并激发电机的接线。图10为直流并激发电机的外特性，图中曲线1为并激发电机在激磁电阻为常数时的外特性，曲线6与4分别是无载特性曲线和激磁回路电阻线，曲线2为同机在他激时的外特性，若电阻线改为5，外特性即为曲线3。当发电机负载电阻为零，稳态短路电流仅由剩磁电压产生，一般不大。对于较大的电机，由于电枢电阻很小，它仍将大于额定电流。

图9 直流并激发电机的接线

图10 直流并激发电机的外特性

直流电动机 按其激磁方式亦可分为他激、并激、串激及复激。电动机按惯例规定其物理量的正方向(图11)后，可得其转速与转矩的关系，此关系即为他激直流电动机的机械特性(图12)。当激磁绕组为串联（串激）时，因激磁电流即为负载电流，气隙磁通随电枢电流而变，在轻载时，气隙磁通很小，其转速可能大大超过额定转速，甚至可能飞车，是很危险的。在重载时，气隙磁通将达较大值，其转速降低，所以串激电动机的机械特性是软特性(图13)。复激电动机的机械特性介于他激与串激电动机机械特性之间。

图11 电动机惯例

图12 他激直流电动机机械特性

图13 串激直流电动机机械特性

直流电动机启动方法有：直接启动及电枢回路串接启动电阻两种常用方法。
直流电动机在调速方面具有良好性能，即范围广且平滑。调速方法有：❶电枢回路串接电阻；
❷改变激磁电流；
❸改变电枢端电压。