电气自动化专业英语

第五章的参考译文：仅供参考，不恰当的地方，请自行修改补充，欢迎通过Email（qiulk@）进行讨论和交流。

5.1 电动机发展简史

电动机已经存在很多年了。自从多年前的第一次应用以来，电动机的应用领域快速地扩大了。目前，其应用范围继续以快速增长。

托马斯.爱迪生因提出了大规模发电和传输电力而得名。他完成了由蒸汽机驱动的直流发电机的研发工作。爱迪生在电灯和发电方面的贡献引领了直流电机以及相关控制设备的发展。

大多数与电机运行相关的早期科学发现主要涉及直流系统。不久之后，交流电的发电和传输推广开来。转变到交流发电和传输的主要原因是变压器被用来提升交流电压以便于远距离传输电力。因此，变压器的发明使得发电和电力传输从直流向交流变换成为可能。目前，几乎所有的电力系统产生和传输的都是三相交流电。变压器使得由交流发电机产生的电压被升高而电流相应地被减小。这一切使得在一个降低了的电流水平上进行长距离的电力传输，减小了功率损失，而提高了系统的效率。

电机广泛应用于家用电器、工业和商业上，用于驱动机器和复杂的设备。许多机器和自动化设备需要精确控制。因此，自从早期应用于火车的直流电机以来，电机设计和复杂性已经发生了变化。电机控制方法已经成为关系机器和设备运行效率的至关重要的因素。一些创新，例如伺服控制系统和工业机器人已经引领了电机设计的新的发展方向。

我们复杂的交通系统也对电机的应用产生了影响。汽车和其它地面交通工具用电动机作为点火启动系统，用发电机作为电池充电系统。电动汽车成为最近的研究热点。飞机应用电机的方式与汽车相似，然而，在实际应用中，飞机上采用了复杂的同步电机和伺服控制电机。

5.2 电机的基本结构

旋转电机实现了电能-机械能之间的转换。发电机将机械能转换成电能，而电动机将电能转换成机械能。发电机和电动机具有相同的基本结构特点，这一点对于大多数类型的电机来说是一致的。虽然多种电机在结构上是相同的，但是，它们的功能是不同的。发电机的旋转运动由提供机械能输入的原动机提供。导体和发电机磁场之间的相对运动产生电能输出。电动机将电能施加到其绕组和磁场上，形成电磁感应作用，产生机械能或力矩。

大多数旋转电机的结构具有某种程度的相似性，多数电机具有一个静止的部件称为定子，而旋转的一组导体称之为转子。定子由轭或机壳组成，用于支撑和构成磁通的金属回路。

5.2.1磁极与绕组

旋转电机具有磁极，他们是电机定子的一个组成部分。磁极由钢片叠制而成，并且与机壳是绝缘的，在靠近转子的部分是弯曲的，用于提供低租的磁通回路。磁场绕组或磁场线圈被置于磁极周围。这些磁场线圈构成了电磁铁，用来与转子产生电磁场相互作用，从而产生感生电压或在电动机中产生力矩。

5.2.2转子结构

在电机的研究中，需要理解由电动机或发电机的旋转部分产生的电磁场，该旋转部分称为电枢或转子。一些类型的电机采用坚固的金属转子，成为为鼠笼式转子。

5.2.3滑环、开口环和电刷

为了将电能施加到旋转装置上，例如电枢，一些滑刷接触必须建立起来。滑刷接触可以是滑环，也可以是开口环。滑环由绝缘的圆柱形材料构成，其上粘贴两块分开的固态金属环，滑动电刷由碳或石墨制成，放在金属环上，在旋转过程中，向滑环施加或抽取电能。开口环换向器与滑环相似，只不过该金属环被分成两个或更多个独立的部分。作为一个基本原则/惯例，滑环用于交流电动机和发电机，而开口环用于直流电动机。开口尽可能地小，以减少碳刷的火花。滑环和开口环如图5.1所示。

5.2.4其它电机部件

在旋转电机的结构中，还用到其它几个部件。其中有电机轴，在一组轴承上进行旋转。轴承可以是滚珠轴承、滚柱轴承或轴套轴承。轴承密封通常是由毡类材料制成，用于保持轴承润滑和防止灰尘进入。转子芯通常由叠制的钢片组成，以在磁极之间提供低磁阻的磁通回路，并有利于减小涡流。内部和外部接线柱提供了传入或传出电能的途径。

5.3 电动机的结构特点

在现有的电子机械装置中，能量转换过程通常有两个重要特点。有磁场绕组，用以产生磁通密度，还有电枢绕组，产生起作用的感生电动势。在本小节中，将描述主流类型电动机的突出结构特点，揭示这些绕组的位置、并展示这些电机的基本组成部分。

5.3.1 三相感应电动机

这是一种工业上最耐用、应用最广的电动机。它的定子有高规格的钢片叠制而成，内表面开槽用于安放三相绕组。

在图5.2（a）中，三相绕组用三个线圈表示，它们之间呈120度电气角。线圈aa’表示一对磁极的所有的a相线圈。与之类似，线圈bb’表示所有的b相线圈，cc’表示所有的c相线圈。当每相线圈的一端连在一起时，如图5.2（b）所示。这种三相定子绕组的接法称为Y型连接（接法）。这样的绕组被称为三相绕组，因为在三相绕组的每一个绕组中产生的感应电压在相位上相差120度电气角—这是平衡的三相系统的一个突出特点。

转子也由开槽的铁磁性材料叠制而成，但转子绕组可以是鼠笼式的，也可以使绕线式的。后者形式和定子绕组类似。绕组的末端被引出到三个滑环，使得可以连接一个外部的三相电阻，用于实现转速控制。事实上，也是转速控制的需要，这种情况下，多考虑使用绕线式感应电机。否则，将使用鼠笼式感应电机。鼠笼式绕组只，由几根嵌入到转子槽中的铜棒组成，其两端通过铜端环相连。（在一些小尺寸电机中，用铝来做）。鼠笼式结构不仅简单、比其它绕线式电机更经济，而且更耐用。没有令人烦恼的滑环和碳刷。

在正常运行中，三相电压施加到如图5.2所示的a-b-c点（定子绕组）。磁化电流流经每一相线圈，它们合在一起产生一个具有两极的旋转磁场。旋转磁场的速度取决于磁化电流的频率和磁极的数目，其由定子绕组设计所决定。图5.2所示的是两极磁场的结构。如果模式a-c’-b-a’-c-b’只占180度机械角，而且在剩余的180度角上重复一次，那么这个电机具有四极磁场分布。对于一个P-极电机，基本的绕组模式必须在定子内表面的圆周上重复P/2次。

由定子绕组产生的旋转磁场切割转子导体从而产生感应电压。由于转子绕组由铜端环短路，那么感应电压就会产生电流，该电流反过来与磁场相互作用产生电磁力矩—这样电机就旋转起来。

因此，在前面叙述的基础上，对三相感应电机来说，显而易见，磁场绕组位于定子上，电枢绕组在转子上。另一个值得注意之处是该电机是单励的，即，电能只施加到定子绕组上。电流因电磁感应而流过转子绕组。因此，用于建立磁场的励磁电流和传输能量到电机轴负载的功率电流都流过定子绕组。正是因为这个原因，并且对于一个给定的电流额定，为了尽可能地减小励磁电流和相应地提高输出功率电流，感应电机的气隙尽机械公差允许地小。气隙的长度在小电机的0.02英寸，和高额定功率和转速电机的0.05英寸之间变化。

5.3.2同步电机

同步电机的基本结构特点如图5.3所示。定子由定子机壳、开槽的定子芯—为磁通提供低磁阻通路、和嵌入槽内的三项绕组构成。注意：图5.2（a）中的模式在这里重复了两次，表明该三相绕组是按四极电机设计的。转子要么是装有分布式绕组的圆柱形，要么是图5.3中所示的那样：几个凸出的磁极，根部绕有线圈。圆柱形转子结构只用于高速旋转的涡轮发电机上；另一方面，凸极结构只用在转速在1800转/分及其以下的同步电机上。

当同步电机用作发电机时，从原动机输入机械能，例如，蒸汽涡轮机，并以固定的速度运行。同时，转子绕组由一个直流电源供电，从而建立一个沿气隙的磁场分布。当转子静止且直流流过转子绕组时，因磁通没有切割定子线圈，所以在定子线圈中没有产生感生电压。然而，当转子全速旋转时，在定子线圈中产生感生电压，根据应用负载情况，相应的电能被施加到同步电机上。

对于同步电机来说，磁场绕组位于转子上，电枢绕组位于定子上。当同步电机用作电动机时，上述论述也是正确的。在这种模式下，交流电能施加到定子绕组，且直流电能施加到转子绕组上，给磁极提供能量，在电机轴上就能够输出机械能了。也要注意：与感应电机不同，同步电机是双励电机，也就是说，需要向转子和定子输入电能，实际上，正是这个特点使得该电机只能在一个速度下输出非零力矩—称为“同步”的由来。

对于同步电机来说，因磁化电流来自单独的电源（直流电源），所以，气隙的长度与同尺寸同额定功率的感应电机相比要大。然而，在小额定功率的情况下，同步电机比感应电机的价格高，耐用性差，因为转子必须安装滑环和电刷，以便于直流电流流过磁场绕组。

5.3.3 直流电机

直流的“电能-机械能”能量转换装置比交流型的能量转换装置复杂很多。除了磁场绕组和电枢绕组之外，还有第三个部件，用作将感生的交流电枢电压转换成直流电压。一般地，该装置是一个机械整流器，称为换向器。

直流电机的主要特征如图5.4所示。定子有不分层的铁磁性材料制成，带有突起的结构，在其上有线圈缠绕。流过该线圈的电流建立一个磁场分布沿着气隙圆周形成回路，这与同步电机转子的情形类似。因此，在直流电机种，磁场绕组位于定子上，可以推出电枢绕组在转子上。转子由叠制的钢芯组成，其上开槽用以安放电枢绕组。直流电机也有一个换向器—一组铜片，它们之间彼此绝缘，且以圆柱形式存在。碳刷以恰当的位置分布在换向器上，其作用是当电机作为电动机或发电机运行时，使直流嗲六流入或流出电枢绕组。

在图5.4中，电枢绕组被简化为一个缠绕在圆环上的线圈。这仅仅是为了示意的方便。在一个实际的绕组中，没有磁通穿过的转子芯内表面不放置导线而不会造成导线浪费。在图5.4中，电枢绕组中直接位于电刷下的那部分可以设想成没有绝缘，即，铜线是裸露的，这使得在转子旋转时，电流可以通过电刷流入和流出电枢绕组。在实际的绕组中，通过将线圈连接到每个换向片且把碳刷放在换向片上，电刷可以访问到每一个绕组。