交流电机

电机用于将机械能转换为电能（交流和直流发电机），反之亦然（电动机）。

在所有这些案例中，本质上都利用了电磁学领域的三个主要发现：1821年安培发现的电流的机械相互作用现象、1831年法拉第发现的电磁感应现象，以及1831年对这些现象所做的理论总结。 Lenz (1834) 在他著名的感应电流方向定律中提出（事实上，Lenz 定律预测了电磁过程的能量守恒定律）。

为了将机械能转换为电能，反之亦然，有必要通过电流和磁场（磁铁或电流）创建导电电路的相对运动。

在设计用于连续运行的电机中，使用位于静止部分（定子）内的电机运动部分（交流电机的转子）的旋转运动。用于产生磁场的机器线圈称为电感器，而带有工作电流的线圈称为电枢。后两个术语也用于直流电机。

为了增加磁感应强度，机器绕组被放置在铁磁体（钢、铸铁）上。

所有电机都具有可逆性，也就是说，它们既可以用作电能发电机，也可以用作电动机。

异步电机

使用异步电机 电磁感应的表现之一......在物理课程中，它被证明如下：

在一个可以绕穿过其中心的垂直轴旋转的铜盘下方，放置了一个垂直的马蹄形磁铁，该磁铁被驱动绕同一轴旋转（不包括磁盘和磁铁之间的机械相互作用）。在这种情况下，圆盘开始以与磁铁相同的方向旋转，但速度较低。如果增加圆盘上的机械负载（例如，通过增加轴对止推轴承的摩擦力），则其转速会降低。

这种现象的物理意义很容易用电磁感应理论来解释：当磁铁旋转时，会产生旋转磁场，从而在圆盘中感应出涡流，后者的大小取决于，在其他条件相同的情况下，场与盘的相对速度。

根据楞次定律，圆盘必须沿场的方向旋转。在没有摩擦的情况下，磁盘必须获得等于磁铁速度的角速度，之后感应电动势将消失。在现实生活中，摩擦不可避免地存在，光盘变慢。其大小取决于盘所经历的机械制动力矩。

圆盘（转子）的旋转速度与磁场的旋转速度之间的差异反映在电机的名称中。

异步电动机的工作原理：

在技​​术异步电机（通常是三相）中会产生旋转磁场 多相电流在静止的定子绕组周围流动。在三相电流的频率为和定子线圈数为3p的旋转磁场使得n=f/p转/秒。

可旋转的转子位于定子腔中。旋转机构可以连接到它的轴上。在最简单的“鼠电池”电机中，转子由放置在钢制圆柱体凹槽中的纵向金属杆系统组成。电线被两个环短路。为了增加扭矩，转子的半径做得足够大。

在其他电机设计（通常是高功率电机）中，转子线形成一个开放的三相绕组。线圈的末端在转子内部短路，引线引出到安装在转子轴上并与其隔离的三个滑环。

三相变阻器使用滑动触点（电刷）连接到这些环，用于启动电机。电机转动后，变阻器被完全移除，转子变成鼠笼形（见—— 带绕线转子的异步电动机).

定子外壳上有接线板。定子绕组被引出。它们可以包括在内 星形或三角形, 取决于电源电压：在第一种情况下，电源电压可能比第二种情况高 1.73 倍。

表征转子相对于感应电动机定子磁场的相对减速度的值称为 滑倒… 它从 100%（在启动电机时）变为零（无损转子运动的理想情况）。

感应电动机的旋转方向的反转是通过向电动机供电的电网的每两个线性导体的相互切换来实现的。

鼠笼式电机在工业上应用广泛。异步电动机的优点是设计简单且没有滑动触点。

直到最近，这种电机的主要缺点是速度调节困难，因为如果为此改变定子电路的电压，那么转矩会急剧变化，但在技术上很难改变电源电流的频率。现代微处理器设备现在广泛用于控制电源电流的频率以改变电机的速度 - 变频器.

交流发电机

交流发电机是为大功率和高电压而建造的。像异步电机一样，它们有两个绕组。通常，电枢绕组位于定子外壳中。产生初级磁通量的电感器安装在转子上，并由励磁机——安装在转子轴上的小型直流发电机——供电。在大功率机器中，激励有时是由经过整流的交流电压产生的。

由于电枢绕组的不动，与在高功率下使用滑动触点相关的技术困难消失了。

下图显示了单相发电机的示意图。它的转子有八个磁极。这些绕组线圈（图中未显示）由外部电源通过施加到安装在转子轴上的滑环的直流电供电。磁极线圈的缠绕方式使得面向定子的磁极符号交替。极数必须是偶数。

电枢绕组位于定子外壳中。它的长工作“有源”线垂直于绘图平面，在图中用圆圈显示，当转子旋转时，它们与磁感应线交叉。

圆圈表示感应电场方向的瞬时分布。沿着定子正面延伸的连接线用实线表示，背面用虚线表示。 K 线夹用于将外部电路连接到定子绕组。转子的旋转方向由箭头指示。

如果你在心里沿着夹具 K 之间的半径切割机器并将其变成一个平面，那么定子绕组和转子磁极的相对位置（侧面和平面）将用示意图描绘：

考虑到该图，我们确保所有有源线（穿过电感器的两极）彼此串联，并且将其中感应的 EMF 相加。所有 EMF 的相位显然是相同的。在转子旋转一整圈期间，每根导线（因此在外电路中）将获得四个完整的电流变化周期。

如果一台电机有p对极，转子每秒钟旋转n圈，那么电机接收到的交流电的频率为f = pn hz。

由于网络中 EMF 的频率必须恒定，转子的旋转速度也必须恒定。要获得技术频率 (50 Hz) 的 EMF，如果转子极数足够大，则可以使用相对较慢的旋转。

为了获得三相电流，三个独立的绕组放置在定子体内。它们中的每一个都相对于其他两个偏移了电感器相邻（相反）极之间的弧距的三分之一。

很容易验证，当电感器旋转时，在相位（时间上）偏移 120° 的线圈中感应出 EMF。线圈的末端从机器上拆下，可以星形或三角形连接。

在发电机中，磁场和导体的相对速度由转子的直径、转子每秒的转数和极对数决定。

如果发电机由水流驱动（水力发电机），则通常采用慢速旋转。要获得所需的电流频率，就必须增加极数，而这又需要增加转子的直径。

由于一些技术原因 强大的氢气发生器 它们通常有一个垂直轴，位于水轮机上方，从而使它们旋转。

蒸汽涡轮发电机——涡轮发电机通常是高速的。为了减少机械力，它们具有较小的直径和相应较少的极数。许多技术考虑要求生产具有水平轴的涡轮发电机。

如果发电机由内燃机驱动，则称为柴油发电机，因为柴油机通常用作消耗较便宜燃料的发动机。

发电机可逆性，同步电机

如果从外部电源向发电机的定子绕组施加交流电压，则电感​​器的磁极将与定子中产生的电流的磁场相互作用，并且来自相同方向的扭矩将起作用在所有极点上。

如果转子以这样的速度旋转，即在交流电周期的一半之后不久，电感器的下一极（与第一极符号相反）将安装在所考虑的定子绕组导线下方，然后符号它与改变方向的电流之间的相互作用力将保持不变。

在这些条件下，转子在扭矩的持续影响下将继续运动并能够驱动任何机构。由于网络消耗的能量，克服转子运动的阻力将发生，并且 发电机将变成电动机.

然而，应该注意的是，连续运动只有在严格定义的旋转速度下才有可能，因为在偏离它的情况下，加速力矩将部分作用在转子的每个磁极上，在转子的两个导体之间移动定子，部分时间停止。

因此，必须严格确定电机的旋转速度——换极的时间必须与电流的半周期重合，这就是为什么这种电机被称为 同步地.

如果在转子静止的定子绕组上施加交流电压，那么，尽管在电流的第一个半周期内转子的所有磁极都受到同号转矩的作用，但由于惯性，转子将没有时间移动。在接下来的半个周期中，所有转子磁极的转矩符号将变为相反的。

结果，转子会振动但无法旋转。因此，同步电动机必须先绕线，即达到正常转数，然后才能接通定子绕组中的电流。

同步电机的开发是通过机械方法（低功率）和特殊电气设备（高功率）进行的。

对于较小的负载变化，电机转速会自动改变以适应新的负载。因此，随着电机轴上负载的增加，转子会立即减速。因此，线电压与定子绕组中电感器感应的相反感应电动势之间的相移发生变化。

此外，电枢反应使电感器退磁，因此定子电流增加，电感器的扭矩增加，电机开始再次同步旋转，克服增加的负载。负载减少会发生类似的过程。

随着负载的剧烈波动，电机的这种适应性可能会不足，其速度会发生明显变化，“失步”并最终停止，同时定子中感应的感应电动势消失，其中的电流增加急剧地。因此，必须避免负载的急剧波动。要停止电机，显然必须先断开定子电路，然后再断开电抗器；启动发动机时，必须遵守相反的操作顺序。

同步电机最常用于驱动以恒定速度运行的机构。以下是同步电动机的优缺点及启动方法： 同步电机及其应用

教育影片 - “同步电机”，由教育视觉教具厂于 1966 年制作。您可以在这里观看：幻灯片《同步电机》