想明白了邏輯關係、一切都能迎刃而解
01
電動機的黑盒子理論
在如圖1所示的電動機黑盒模型中，我們知道，電源提供的電能會電動機轉為機械能了。那麼這個電能和機械能如何度量？對於電能，我們評價的指標一般為電壓U、電流I、功率P、功率因數cosθ（針對交流電源）；對於機械能，我們評價的指標一般為力F、力臂L、轉矩T、轉速n等。
圖1 電動機黑盒子模型
在搞不清楚黑盒子模型裡面是什麼，或者沒必要搞清楚裡面到底是什麼的情況下，我們如果只關心黑盒子的輸入量和輸出量，則問題似乎就比較容易解決。從能量裝換的角度看，將圖1裝換成圖2所示的關係，也許更容易理解電動機是什麼了？對於交流電動機，輸入為3個變量、輸出為2個變量；對於直流電動機，輸入為2個變量、輸出為2個變量。
圖2 電動機黑盒子模型（引申版）
於是，針對這個黑盒子，我們可以將電動機理解為有三個或二個進水口、兩個出水後的水池。水池進水口排進來的是電壓U、電流I、功率因數cosθ（3個變量），出水口排出的轉矩T和轉速n（2個變量）。
02
電動機的輸入功率P1
上述水池進水口排進來的是電壓U、電流I、功率因數cosθ（3個變量）能否直接相加，即類似水量那樣計算電量呢？很顯然，在電學領域，這種直接相加的關係式並不存在。電學領域，電量的計算有3個經典公式，如式（1）-（3）所示。
三相電源供電： P1=×U×I×cosθ （1）
式中：P1 —輸入功率，單位W
U —輸入線電壓，單位V
I —輸入線電流，單位A
cosθ —功率因數
單相電源供電： P1=U×I×cosθ （2）
式中：P1 —輸入功率，單位W
U —輸入電壓，單位V
I —輸入電流，單位A
cosθ —功率因數
直流電源供電： P1=U×I （3）
式中：P1 —輸入功率，單位W
U —輸入電壓，單位V
I —輸入電流，單位A
如何測量電壓U、電流I、功率因數cosθ這3個變量呢？以前採用指針式電壓表、電流表、功率表（交流不使用）進行測量。目前主要採用電參數儀直接測取。從電參數儀上可以直接讀取上述參數。電參數儀的外觀如圖3所示。
圖3 電參數儀外觀圖
注1：實際應用時，需要關注電動機的供電類型。三相、單相或者直流；
注2：實際應用時，選擇合適的儀表量程，一般情況下，電壓的量程為0-500V、電流的量程為0-5A。
對於交流供電系統，如果供電電壓超過了上述量程，則使用“電壓互感器”將測量電壓降低至儀表上可接受的電壓；如果供電電流超過了上述量程，則使用“電流互感器”將測量電流降低至儀表上可接受的電流。對於直流供電系統，供電電壓一般不會超過量程；如果電流超過了儀表量程，則使用“電流分流器+毫伏表”的方式擴大電流的量程。
注3：測試時，注意選擇電參數儀的接線方式，一定要按照接線圖的連接方式接線，不同的接線方式，測量的結果可能會不一樣（尤其是三相電源），嚴重時可能燒燬電參數儀。
注4：測試時，注意選擇合適的電參數儀精度，0.2級精度高於0.5級。
03
電動機的輸出功率P2
上述水池進水口排進出的是轉矩N·m和轉速n這兩個變量，這兩個量也不能簡單的加減，電動機的輸出功率P2與電動機轉矩T和轉速n存在式（4）所示的關係。
P2 = (T×n )÷9.55 （4）
式中：T —轉矩，單位為N·m
n —轉速，單位為r/min
注1：式（4）中的9.55為常數，小功率電動機為9.49
注2：這個公式為異步電動機的最常用的公式，一定要記住。
注3：如何測量電動機的轉矩T和轉速n
在電動機測試行業，通常通過轉矩轉速傳感器或測功機來測量轉矩和轉速信號，然後通過顯示儀表（俗稱二次儀表）來讀取，其原始圖如圖4所示。關於轉矩轉速傳感器，請務必要關注其量程的問題（最大轉矩、最高轉速）。
圖4 轉矩T和轉速n測量原理圖
04
電動機的轉速與頻率的關係
極數是電動機的一個設計參數，電動機生產出來後，這個參數就固定了。一般為“2、4、6、8、10、16”，其中“2、4、6”最常見。
電機行業中，使用極對數P表示極數。極對數等於極數除以2。因此P的數據為1、2、3、4、5、8。
電動機的轉速n與電動機的供電電源頻率f和電動機的極對數P有關。三者的關係存在式（5）所示的關係。
n≤60f/P （5）
式中：f —供電電源頻率，單位為Hz
P —電動機極對數，電動機的設計值
關於式（5），如果電動機為同步電動機，則n=60f/P，該轉速被稱為電動機的同步轉速ns；同步電動機的極對數P與同步轉速ns的關係如表1所示。
異步電動機，則n小於且接近60f/P（約小於5%×60f/P-10%×60f/P）。對於交流異步電動機（50Hz電源供電），2極電動機對應的轉速一般為2800轉/分鐘左右；4極電動機對應的轉速一般為1400轉/分鐘左右；6極電動機對應的轉速一般為900轉/分鐘左右；8極電動機對應的轉速一般為700轉/分鐘左右；對於交流同步電動機（50Hz電源供電），2極電動機對應的轉速為3000轉/分鐘；4極電動機對應的轉速為1500轉/分鐘左右；6極電動機對應的轉速一般為1000轉/分鐘；8極電動機對應的轉為750轉/分鐘。電動機的極對數P與電動機轉速n的關係如表2所示。
表2 電動機的極對數P與電動機轉速n的關係
假如我們從某臺三相異步電動機銘牌上看到的轉速為1450r/min，我們看到這個轉速略小於1500r/min且電動機供電頻率為50Hz，則按照n≤60f/P公式，可判斷電動機的極對數為2，極數為4；假如我們從某臺三相異步電動機銘牌上看到的轉速為3550r/min，我們看到這個轉速略小於3600r/min，則按照n≤60f/P公式，可判斷電動機的極對數為1，極數為2。
05
交流電動機如何實現調速
依據n≤60f/P中電動機轉速n、供電頻率f和電動機極對數P的關係，一旦電動機確定下來了，其極對數P就固定不變（只能是1、2、3、4---），那麼供電頻率f與電動機轉速n就近似呈正比的關係，即頻率從50Hz增加至60Hz，電動機的轉速就會近似最大值原來轉速的1.2倍。這就是交流電動機的調速原理。
注：部分雙速電動機，在電機設計製造時，其極對數就進行了特殊設計，一般設計為2/4極，或4/6極，在供電頻率不變的情況下，也可實現電動機的調速的。
06
電動機的效率
電動機的效率η等於輸出功率P2與輸入功率P1的比值。電動機的效率η、輸出功率P2和輸入功率P1存在式（6）所示的關係。
η=P2/P1×100% （6）
從式（6）中我們可以知道2個事實：①效率η是計算的結果；②如果要計算效率η，則優先要得到電動機的輸入功率P1和電動機的輸出功率P2。
07
電動機的功率因數
電動機的功率因數cosθ是基於P1=×U×I×cosθ或P1=U×I×cosθ計算的結果。只要知道了電動機的輸入功率P1、電動機的電壓U和電動機的輸入電流I,則通過運算就可以得到功率因數cosθ。
注：是不是很奇怪，電參數儀明明可以讀出來功率因數，為什麼還要去計算？解釋如下：
電參數儀可以同步讀出電壓、電流、功率、頻率、功率因數，其中頻率是按照信號捕捉的方式獲取的（按照“0-最大-0-最小-0”週期變換），電壓、電流、功率和功率因數實際上是存在關聯的4個參數，只要知道了其中三個，就可以知道另外一個。由於電壓、電流、功率獲取的方法比較簡單且測量線路較少，所以一般優先測量這3個變量，然後通過計算的方法獲取功率因數。
08
電動機的空載和負載
從能量守恆的角度，我們可以知道輸入的能量（瓦×時）和輸出的能量瓦×時是守恆的。
圖3 電動機的能量守恆模型圖
在圖3所示的電動機能量守恆模型中，輸入的能量（電能P1）恆等於輸出的能量（機械能P2+內部損耗能量Po）。這個輸入和輸出的能量關係可用式（7）所示的關係式來表達。
P1=P2+Po （7）
結合式（6）所示的電動機的效率η，我們可以得出這樣的結論：電動機內部損耗的能量Po越小，電動機的效率η越高。
我們能觀察到一種現象，單獨一臺電動機（不帶任何負載），連接到導線後且正常通電後，電動機會轉動，此時，電動機的轉速接近額定轉速，電動機不對外提供轉矩，則電動機的轉矩T=0，根據P2 = (T×n )÷9.55，電動機輸出功率P2=0。
電動機這種運行的狀態即為空載狀態。在這種狀態下，電動機輸入的功率P1全部轉化為電動機的內耗功率。即 P1=Po。電動機的內耗功率Po都比較小，一般為電動機額定功率的5%-20%左右（電動機越大、比例越小）。由於空載狀態下的輸入功率P1和內耗功率Po相等，則電動機的輸入功率P1也約等於額定功率的5%-20%左右。電動機的輸入功率按照P1=×U×I×cosθ或P1=U×I×cosθ計算，其中輸入電壓U（輸入電壓U與供電電源有關）基本保持不變，cosθ一般為0.1-0.2之間（電動機內部電感產生影響），如果控制狀態下的輸入功率P1為額定功率的5%-20%，那麼電動機輸入電流I將會是電動機額定電流的10%-20%左右。
注：假設某臺三相異步電動機的額定功率為370W，電動機的額定電流為1.0A，則電動機的空載輸入功率約為74W（按20%計算）、輸入電流約為0.2A（按20%計算）、功率因數約為0.20。
如果電動機連接了風機、水泵、空壓機等負載設備。在電動機轉矩T的驅動下，這些負載設備開始工作，由於電動機有了轉矩T和轉速n，依據P2 = (T×n )÷9.55，電動機輸出功率P2將不再為0。此時電動機的狀態為負載狀態。
如果電動機輸出功率P2增加至電動機的設計值（電動機銘牌標明的額定功率值，不如1.1kW），此時電動機的工作狀態為額定負載狀態。
電動機空載和負載參數及特性對比關係如下表所示。
09
電動機的起動過程曲線
在有關電動機的實際應用中，我們會碰到2種場景，吸塵器吸地時，一般是先起動吸塵器電機，然後失去吸地（電動機處於負載狀態）。電動機未吸地之前的運行狀態，我們稱其為“空載狀態”。使用電風扇時，風葉和空氣就是實際負載，這時電動機起動是處於“負載”工作狀態。這2種場景分別對應著電動機起動中出現的2種起動狀態，分別為“空載起動”、“負載起動”。那麼電動機的啟動過程是怎麼樣？有些參數會發生變化呢？
1）起動過程中的電壓、電流、功率、頻率、和功率因數的變化？
電壓：只要供電容量足夠，電動機的輸入電壓與供電電源的電壓一致，基本保持不變；
頻率：不變
電流：在起動階段，電流為負載電流的5-7倍。
【如何理解負載電流】
負載電流是與負載有關的一個概念性 的電流值，分為三個狀態研究：
①空載狀態，此時電動機沒有負載，但電動機依然有輸入電流，此時的負載電流等於輸入電流。例如電動機的額定電流為1.2A，則空載電流約為0.2×1.2A=0.24A，此時可定義這個0.24A的電流為負載電流，那麼電動機的起動電流為5×0.24A-7×0.24A之間；
②額定負載狀態，此時電動機帶有額定負載，電動機的輸入電流等於電動機的額定電流，測試的負載電流默認等於額定電流。例如電動機的額定電流為1.2A，此時可定義這個1.2A的電流為負載電流，那麼電動機的起動電流為5×1.2A-7×1.2A之間；
③負載狀態，此時電動機帶有一定程度的負載，電動機的輸入電流等於介於空載電流與額定負載電流之間，測試的負載電流默認等於這個中間的電流。例如電動機的額定電流為1.2A，假定電動機在穩態時的輸入電流為0.8A，此時可定義這個0.8A的電流為負載電流，那麼電動機的起動電流為5×0.8A-7×0.8A之間。
注：電動機的負載越大，則電動機的負載電流就越大，則電動機的起動電流也就越大。電流大了，對供電電網的容量要求就高。
功率：由於電壓基本保持不變，功率因數影響很小，則輸入功率與輸入電流的變化規律類似，電機行業，關注更多的是電流
功率因數：基本上保持不變。
2）起動時間大概是多少？
一般情況下為1-10秒。電動機越大、起動越慢；電動機極數越大，起動越慢。
3）起動電流的變化規律
起動過程中，起動電流呈現“先平後降”的趨勢。且起動電流是負載電流的5-7倍。起動電流特性曲線見圖4所示。
圖4 電動機電流起動特性曲線
4）起動轉矩的變化規律
電機行業很少關注轉矩與時間、轉速與時間的關係曲線，因為在很短的時間內捕捉轉矩和轉速信號沒有太大的意義。但由於轉矩和轉速的乘積再除以9.55就能得到電動機的輸出功率。這個輸出功率必須與驅動設備或系統的輸入功率相匹配、否則電動機有可能帶不動被驅動的設備，出現“小馬拉大車”的現象。
電動機（異步電動機）的起動過程中，起動轉矩和起動轉速呈現“先降後升、中間出現最小轉矩和最大轉矩”的趨勢。起動轉矩轉速（額定負載）特性曲線見圖5所示。從圖中我們可以看到4個特徵點，分別為堵轉轉矩點、最小轉矩點、最大轉矩點和額定轉矩點。堵轉轉矩點、最小轉矩點、最大轉矩點轉矩的大小分別為約等於額定轉矩的1.8、1.2、2.5。
圖5 電動機起動(額定負載）特性曲線
對於不同的負載類型及負載大小，電動機的轉矩轉速特性也存在與電動機電流起動曲線相一致的結論。參照圖6所示的T-n曲線示意圖，我們可以得出如下幾個結論：
①不同負載條件下，電動機的轉矩轉速曲線類似；
②隨著電動機負載的減少，轉速（橫座標）基本保持不變，轉矩（縱座標）呈現下降的趨勢；
③堵轉轉矩點、最小轉矩點、最大轉矩點和對應負載點轉矩點的位置相對於轉矩維度出現了較大的變化，相對於轉速維度，基本上不變；
④堵轉轉矩點、最小轉矩點、最大轉矩點轉矩的大小相對於負載轉矩的倍數出現了微小的變化。
圖6 不同負載下的電動機轉矩轉速特性曲線
10
電動機的發熱過程
電動機的發熱是指電動機在一定的負載條件下，電動機達到熱平衡後電動機各關鍵零部件最終得到的溫度或溫升。零部件主要為進風口、出風口、鐵芯、接線盒、接線板、電源引接線、電動機繞組等。
溫度和溫升是兩個不同的概念。溫度是儀器最終顯示的數值。比如熱電偶讀出來的數值為120.1℃、37.0℃；溫升是一個差值，是在某一個溫度的基礎上增加的數量，其單位為K（注：注意是大寫的K），例如電動機接線板的原始溫度為15.0℃，電動機經過了一段時間後，測得的接線板的溫度為25.0℃，則測試結束後接線板的溫度為25.0℃，溫升為25.0℃-15.0℃=10.0K
圖7 電動機溫升特性曲線
電動機的發熱過程中，在環境溫度不變的情況下，電動機監測點的溫度為先緩慢上升，達到一定的程度後然後處於平穩的狀態，這種平衡狀態被稱之為“熱平衡狀態”。電動機溫升特性曲線如圖7所示。
實際應用中，為了縮短試驗的週期，標準規定“電動機溫升在1小時內部變化2K”級認為達到了“熱平衡狀態”。
11
電動機的正常運行和異常運行
電動機正常運行的狀態是指電動機在額定電壓、額定電流、額定輸入功率、額定功率因數、額定頻率、額定轉矩、額定轉速、額定功率狀態下運行的電動機。一旦確定了電動機的3個輸入額定參數和2個輸出額定參數，即可確定電動機的額定狀態。
電動機的異常工作狀態與電動機的2個輸入變量和2個輸出變量有關。對於輸入電壓，異常狀態為過欠壓和欠電壓；對於輸入電流，異常狀態為過電流；對於輸出轉矩，異常狀態為過轉矩；對於輸出轉速，異常狀態為超速。
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