电动机转子的转向与旋转磁场相同。但转子的转速n不能与旋转磁场的转速相同，即nn０，因为，如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动了，因而转子导条就不切割磁力线，转子电动势和转子电流及电磁力和电磁转矩就不存在了。这样转子就不会继续以n０的转速旋转，因此转子转速与旋转磁场转速之间必须要有差值，这就是异步电动机名称的由来。旋转磁场的转速n０常称为同步转速。
用转速差Δn＝n０－n来表示转子转速n与同步转速n０之间的转速差，则转差率s为转速差与同步转速之比，即转差率是异步电动机的一个重要物理量，转子转速n越接近同步转速n０，转速差越小，跟随性越好，一般异步电动机的转速差很小，通常用百分数表示，一般为１％～９％。
若起动时（n＝０，s＝１）转差率最大，若同步时（n＝n０，s＝０）转差率最小。同步状态只有位能负载拖动电动机运行时才会出现。
【例3-3】有一台三相异步电动机，其额定转速n＝９７５r／min，试求电动机的极数和额定负载时的转差率sN，电源频率f１＝５０Hz。
解由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，因此可判断n０＝１０００r／min，与此对应的极对数为p＝３，因此额定负载时的转差率为。
３-２-５三相异步电动机的电路分析
由异步电动机的结构可知，定子绕组和转子绕组是两个相隔离的电路，相当于变压器的原边和副边，只是转子绕组应是短接的，如图３-２４所示。
1-定子电路
和变压器的分析一样，即由以上分析可得，转子电路中各物理量，如电动势、电流、频率、感抗及功率因数都与转差率s有关，即与转速有关，这是学习电动机时应该注意的特点。
３-２-６三相异步电动机的转矩和机械特性
1-转矩特性
转矩特性是描述电磁转矩与转差率的关系。异步电动机的电磁转矩是由定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组的电流相互作用而产生的，磁场越强转子电流越大，则电磁转矩也越大。可以证明，三相异步电动机的电磁转矩T可用下式表示式中，KT为与电动机结构有关的常数；为每极磁通。若将式中式中，K为把所有常数确定后的比例常数，这就是电动机的转矩特性T＝f（s），如图３-２５所示。
2-机械特性
异步电动机的机械特性是指转速与电磁转矩的关系，即n＝f（T），根据电动机的转速与转差率s的关系，可将T＝f（s）曲线中的s轴变换为n轴，把T轴平移到s＝１，即n＝０处，再按顺时针方向旋转９０°，便得到n＝f（T）曲线，如图３-２６所示。
3-三个重要转矩
１）额定转矩TN
额定转矩是电动机在等速运行时，电动机的电磁转矩T必须与负载转矩TZ及空载转矩T０相平衡。即T＝TZ＋T０，由于空载转矩T０很小，常可不计，所以式中，PN是电动机轴上输出的机械功率（kW），nN是电动机的额定转速（r／min），得到的额定转矩单位为N·m。
当电动机的负载转矩增加时，在最初的瞬间电动机的电磁转矩TTZ，所以它的转速开始下降，随着转速的下降，电磁转矩增加，电动机在新的稳定状态下运行，这时的转速较前为低，但是，图３-２６中曲线ab比较平坦，当负载在空载与额定负载之间变化时，电动机的转速变化不大，这种特性称为硬的机械特性，在应用中非常适用于金属的切削加工。
图３-２５三相异步电动机的转矩特性曲线T＝f（s）图３-２６三相异步电动机的机械特性曲线n＝f（T）２）最大转矩Tmax
从机械特性曲线上看，转矩有一个最大值，称为最大转矩中临界转矩，对应于最大转矩的转速差sm，可由dT当负载转矩超过最大转矩时，电动机就带不动负载了，发生了堵转（闷车）现象。闷车后电动机的电流迅速升高到额定电流的７～８倍，电动机会严重过热以至到烧坏。另外，也说明电动机最大负载转矩可以接近最大转矩，如果过载时间较短，电动机不至于马上过热，是允许的。通常用＝Tmax／TN表示电动机的过载能力，称为过载系数。
一般三相异步电动机的过载系数为１-８～２-２，在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出最大转矩。
３）起动转矩Tst
当电动机起动时（n＝０，s＝１）的转矩称为起动转矩，将s＝１代入T的公式中得出R２有关，当电源电压降低时，起动转矩会明显降低。
3-3直流电动机
３-３-１直流电动机的结构
直流电动机由定子和转子构成，如图３-２７所示。
1-定子
定子包括主磁极、换向极、机座、端盖和电刷装置等组成，如图３-２８所示。主磁极由铁心和励磁绕组组成，励磁绕组通以励磁电流产生主磁场，它可以是一对、两对或多对磁极。
换向磁极由换向磁极铁心和绕组组成，位于两主磁极之间，并与电枢串联，通以电枢电流，产生附加磁场，以改善于电动机的换向条件。减小换向器上的火花，在小功率直流电动机中不装换向磁极。
机座由铸钢或原钢板制成，用以安装主磁极和换向器等部件，并保护电动机，它既是电动机的外壳又是电动机磁路的一部分。
在机座两端各有一个端盖，端盖以中心处装有轴承，用来支持转子和转轴，端盖上还固定有电刷架，用以安装电刷。
2-转子
直流电动机的转子通称电枢，如图３-２９所示。它主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器转轴和风扇等部件组成。
电枢铁心由硅钢片叠压而成，其表面有许多均匀分布的槽，用来嵌入电枢绕组，电枢绕组由许多相同的线圈组成，按一定规律嵌入电枢铁心的槽内并与换向器的两片相连。通以电流时在主磁场的作用下产生电磁转矩。
换向器又称整流子，是直流电动机的特有装置，它由许多楔形铜片组成，各片间用云母或其他垫片绝缘，外表呈圆柱形，装在转轴上，在换向器表面压着电刷，使旋转的电枢绕组与静止的外电路一直相通，以引入直流电。
3-直流电动机的分类
直流电动机的主磁场由励磁绕组中的励磁电流产生，根据不同的励磁方式，直流电动机可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机，如图３-３０所示。
此外，在小型直流电动机中也有用永久磁铁作为主磁极的，称为永磁电动机，永磁电动机可视为他励电动机的一种。
３-３-２直流电动机的工作原理
1-转动原理
如图３-３１所示为直流电动机的模型，可用它模拟其工作原理。
当直流电压加在电刷两侧时，直流电流经过电刷A换向片１，线圈abcd，换向片２和电刷B形成回路，线圈ab边和cd边在磁场中受到电磁力的作用，受力方向可由左手定则确定，电磁力将使线圈电枢按逆时针方向旋转。随着电枢的旋转，线圈的ab边从N极处转到S极处，换向片２脱离电刷B而与电刷A接触，这时流经线圈的电流方向相反，但N极下导体中电流方向始终不变，因此电磁转矩的大小和方向保持不变，所以直流电动机通电后能按一定方向连续旋转。
2-电磁转矩
直流电动机的电磁转矩是由电枢绕组通入直流电流后在磁场中受力而形成的，根据电磁力分布，每根导体所受电磁力为F＝BIL。对于给定的电动机，磁感应强度B与每极磁通成正比，导体电流I与电枢电流成正比，而导体在磁场中的有效长度L及转子半径等都是固定的，取决于电动机的结构，因此直流电动机的电磁转矩T的大小可表示为式中，CT为转矩常数，与电动机的结构有关；为每极磁通；Ia为电枢电流。
3-电枢反电动势和电流
当电枢旋转时，电枢绕组中的导体切割磁力线，因此在导体中又要产生感应电动势，其大小为Ea＝BLV，其方向由右手定则确定，该电动势的方向与电枢电流的方向相反，因此称为反电动势，其大小为式中，CE为电动势常数，与电动机的结构有关；n为电动机转速。
由此可见，直流电动机在旋转时，电枢反电动势Ea的大小与每极磁通及电动机转速n的乘积成正比，它的方向与电枢电流方向相反，所以反电动势在电路中起限制电流的作用，图３-３２所示为直流电动机的电枢电路，由基尔霍夫定律可知，电动机在运行时，基于电枢绕组的端电压Ua等于电枢电阻Ra的压降RaIa和反电动势Ea之和，即故电枢电流Ia＝（Ua－Ea）／Ra，此式说明，电枢电流Ia的大小不仅与Ua和Ra有关，而且还受到反电动势Ea的制约-当Ua和Ra一定时，Ia仅取决于Ea。
4-直流电动机的机械特性
根据式（３-２７）和式（３-２８）得出直流电动机的转速为此即是直流电动机的机械特性的一般关系为n＝f（T）。
１）他励和并励电动机的机械特性他励和并励电动机的励磁电流不受负载变化的影响，即当励磁电压一定时，为常数，这时式（３-３０）可写成CE称为理想空载转速，即T＝０时的转速C＝RaCECT２是一个很小的常数，它代表电动机随着负载加大而转速下降的斜率。故他励和并励电动机的机械特性是一条稍微下倾的直线，如图３-３３所示。并励和他励电动机的机械特性比较硬，适用于恒转速类机械。
２）串励电动机的机械特性
串励电动机的转速随着负载的增加而显着下降，这种特性称为软特性，如图３-３４所示。
这种特性适用于起重设备，但要注意不允许串励电动机在空载或轻载的情况下运行，避免造成飞车的现象，所以串励电动机与机械负载之间必须可靠连接。
３）复励电动机的机械特性
复励电动机兼有并励和串励两方面的特性，机械特性介于两者之间，如图３-３５所示。当并励绕组的作用大于串励绕组的作用时，机械特性接近于并励电动机，反之，接近于串励电动机，这种特性适用于负载变化大，需要起动转矩大的设备中，如轮船或舰艇中的锚机、舵机及电车等。
【例3-4】有一并励电动机，其额定数据如下：P２＝２２kW，U＝１１０V，n＝１０００r／min，η＝０-８４；并已知Ra＝０-０４，Rf＝２７-５。试求：（１）额定电流I，额定电枢电流Ia及额定励磁电流If；（２）损耗功率PCu，PCu及P０；（３）额定转矩T；（４）反电动势Ea。
3-4步进电动机
步进电动机是一种利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机，近年来在数字控制装置中的应用日益广泛，例如在数控机床中，将加工零件的图形、尺寸及工艺要求编制成一定符号的加工指令，打在穿孔纸带上，输入数字计算机。计算机根据给定的数据和要求进行运算，而后发出电脉冲信号。计算机每发一个脉冲，步进电动机便转过一定角度，由步进电动机通过传动装置所带动的工作台或刀架就移动一个很小距离（或转动一个很小角度），脉冲一个接一个发来，步进电动机便一步一步地转动，达到自动加工零件的目的。
的结构示意图如图３-３６所示是反应式步进电动机的结构示意图。它的定子具有均匀分布的６个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一相，绕组的接法如图３-３６所示。假定转子具有均匀分布的４个齿。下面介绍单三拍、六拍及双三拍三种工作方式的基本原理。
３-４-１单三拍
设A相首先通电（B，C两相不通电），产生A－A轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时A、A极就成为电磁铁的N、S极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐A、A极的位置，如图３-３７（a）所示；接着B相通电（A、C两相不通电），转子便顺时针方向转过３０°，它的齿和B、B极对齐，如图３-３７（b）所示，随后C相通电（A，B两相不通电），转子又顺时针方向转过３０°，它的齿和C、C极对齐，如图３-３７（c）所示。不难理解，当脉冲信号一个一个发来，如果按的顺序轮流通电，则电机转子便顺时针方向一步一步地转动。每一步的转角为３０°（称为步距角）。电流换接３次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角（转子４个齿时为９０°）。如果按的顺序通电，则电机转子便逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。
３-４-２六拍
（１）设A相首先通电，转子齿和定子A、A极对齐，如图３-３８（a）所示；然后A相继续通电的情况下接B相，这时定子B、B极对转子齿２、４有磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是A、A极继续拉住齿１、３。因此，转子转到两个磁拉力平衡时为止，这时转子的位置，如图３-３８（b）所示，即转子从图（a）的位置顺时针方向转过了１５°。
（２）接着A相断电，B相继续通电。这时转子齿２、４和定子B、B极对齐，如图３-３８（c）所示，转子从图（b）的位置又转过了１５°。
（３）而后接通C相，B相仍然继续通电，这时转子又转过了１５°，其位置如图３-３８（d）所示。这样，如果按AA、BBB、CCC、AA的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角为１５°。电流换接６次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按AA、CCC、BBB、AA的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动，这种通电方式称为六拍方式。
３-４-３双三拍
如果每次都是两相通电，即按A、BB、CC、AA、B的顺序通电，则称为双三拍方式。从图３-３８（b）和图３-３８（d）可见，步距角也是３０°。
由上述可知，采用单三拍方式和双三拍方式时，转子走三步前进了一个齿距角，每走一步前进了三分之一齿距角；采用六拍方式时，转子走六步前进了一个齿距角，每走一步前进了六分之一齿距角。因此步距角可用下式计算＝３６０。
进电动机的结构
极以外，在每个极面上还有５个和转子齿一样的小齿，步进电动机的结构如图３-３９所示。
由上面介绍可以看出，步进电动机具有结构简单、维护方便、精确度高、起动灵敏、停车准确等性能。此外，步进电动机的转速决定于脉冲频率，并与频率同步。
根据指令输入的电脉冲不能直接用来控制步进电动机，必须采用脉冲分配器先将电脉冲按通电工作方式进行分配，而后经脉冲放大器放大到具有足够的功率，才能驱动电动机工作，即其中，脉冲分配器和脉冲放大器称为步进电动机的驱动电源，电动机带动的负载，例如机床工作台（由丝杆传动）。
3-5三相异步电动机的控制
三相异步电动机的控制包括起动、制动、反转和调速４个控制过程，每个过程都有一定的要求，下面分别简要介绍。
３-５-１电动机的起动控制
1-起动控制
电动机的起动控制就是把电动机的定子绕组与电源接通，使电动机的转速由静止（n＝０，s＝１）加速到额定转速的过程。
在电动机起动的瞬间，其转速n＝０，转差率s＝１，转子电流达到最大值，这时定子电流也达到最大值。一般为电动机额定电流的４～７倍，这样大的起动电流在短时间内会使线路上造成较大的电压降落，而使负载的端电压降低，影响邻近负载的正常工作，如使日光灯熄灭等。因此，电动机起动的主要缺点是起动电流过大。一般采用一些适当的起动方法，以限制起动电流。
直接起动
2-起动方法
鼠笼式异步电动机的起动方法有直接起动和降压起动两种。
１）直接起动
直接起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，这种方法称为直接起动或称全压起动，如图３-４０所示。
