第五章电动机

1、笼型异步交流电动机授课内容：笼型异步交流电动机授课内容： 机座：铸钢或铸铁机座：铸钢或铸铁 转子转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。流。笼型转子笼型转子铁心：铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。由外周有槽的硅钢片叠成。 (1)转子转子 铁芯槽内放铜条，端铁芯槽内放铜条，端 部用短路环形成一体部用短路环形成一体, 或铸铝形成转子绕组。或铸铝形成转子绕组。(2) 绕线型转子绕线型转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。笼型笼型绕线型绕线型 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改结构简单、价格低廉、工作可靠

2、；不能人为改变电动机的机械特性。变电动机的机械特性。 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。外加电阻可人为改变电动机的机械特性。 120sin120sinsinm3m2m1tIitIitIi 2i U1 U2 V1 V2W1W21i3i3i1i2iitmIoU1V2W1V1W2U20n规定规定 i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。 i : “” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首端流出。 ()电流出电流出( )电流入电流入i3i1i2it mIoU1U2V2W1V1W2U1U2V2W1V1W2U1U2V

3、2W1V1W2NS0 t 60t 合成磁场方向向下合成磁场方向向下 合成磁场旋转合成磁场旋转600n60 90t 合成磁场旋转合成磁场旋转90600动画动画3i2i1ii tmIoSNSNAU1U2W2V1W1V2AU1U2W2V1W1V2分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过一个电流周期，旋转磁场在空间转过3602. .结论：结论： 任意调换两根任意调换两根电源进线，则旋转电源进线，则旋转磁场反转。磁场反转。0t 60t 任意调换两根电源进线任意调换两根电源进线(电路如图电路如图)3i U1 U2

4、W1W2V1V21i2i3i2i1i0mIi tomINSNS0t 3. .旋转磁场的极对数旋转磁场的极对数P 当三相定子绕组按当三相定子绕组按图示排列时，产生一对图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：磁极的旋转磁场，即：1p3i2i1ioimI tU1U2V2W1V1W2NS2i U1 U2 V1 V2W1W21i3i 若定子每相绕组由两个线圈串联若定子每相绕组由两个线圈串联 ，绕组的始端，绕组的始端之间互差之间互差60，将形成，将形成两对磁极的旋转磁场。两对磁极的旋转磁场。W1U1V1W1V11i2i3iU2U2U1V2V2W2W21U2U 2U2W 1W1V2V1V 2V 1U 1W

5、2W极对数极对数2p旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关2i3i1iimIt ONSNS1U2U 2U2W 1W1V2V1V 2V 1U 1W 2WW1U1V1W1V11i3i3iU2U2U1V2V2W2W2分分）转转 /( 6010fn 工频：工频：Hz501 f分分）转转 /( 30000 np=1时时NSU1V1W2U2W1V2NSU1V1W2U2W1V2NSU1V1W2U2W1V22i3i1iimIt ONSNS1U2U 2U2W 1W1V2V1V 2V 1U 1W 2WNSSN1U2U 2U2W 1W1V2V1V 2V 1U 1W 2W0t 6

6、0tp=2时时2i3i1iit mI0分分）转转/( 150026010 fn0n30)/( 6010分分转转pfn 旋转磁场转速旋转磁场转速n0与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。2p180分）转/( 50011p360分）转/( 0003极对数极对数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速Hz)50(1 f3p120分）转/( 00014p分分）转转/( 75090U1U2V2W1V1W2分分）转转/( 6010pfn BlvBliFvF0nNS 5. 2. 3 转差率转差率 旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速和电动机转

7、子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为旋转磁场的同步转速之比称为转差率。转差率。 由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转不可能达到与旋转磁场的转速相等，即磁场的转速相等，即0nn 异步电动机异步电动机如果如果:0nn 无转子电动势和转子电流无转子电动势和转子电流 转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切 割转子导条割转子导条无转矩无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。%s)91( 转子转速

8、亦可由转差率求得转子转速亦可由转差率求得0)(1nns %10000 nnns 例例1 1：一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率，电源频率 f1 1= =50 Hz。试求电动机的。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。极对数和额定负载下的转差率。解：解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：速的关系可知：n0=1000 r/min , 2.5%100%10009751000%10000 nnns变压器：变压器： 变化变化 eU1 E1= 4.44 f N1 E2= 4.44 f

9、N2 11 444Nf.U i1u1e1e 1e2e 2i2+f1f2异步电动机：异步电动机：旋转磁场切割导体旋转磁场切割导体 e， U1 E1= 4.44 f 1N1 每极磁通每极磁通111444Nf.U 1U 旋转磁场与定子导体间的相对速度为旋转磁场与定子导体间的相对速度为 n0 ，所以，所以16001pnf 感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f 1= 电源频率电源频率 f定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子定子导体与旋转磁场间的相对速度固定，而转子导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同而导体与旋转磁场间的相对速度随转子的转速不同

10、而变化变化 定子感应电势频率定子感应电势频率 f 1 转子感应电势频率转子感应电势频率 f 2 1000026060fspnnnnpnnf 旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同 E20= 4.44 f 1N2 即即E2= s E20 2122222LfsLfX X20= 2 f1L 2即即X2= sX20 222222XREI 2202220)(sXRsE )(0002nnIs 2202220max21XREIs 220222222222)( cossXRRXRR 202SXRs 很很小小时时1cos2 202XRss 较较大大时时s1cos2 22

11、02220222222)( XREXREIss 2202222)(cosXRRs 变变化化曲曲线线随随、SI cos22 )(2 Isn)cos(2 sn 结论：结论：转子转动时，转转子转动时，转 子电路中的各量均与转子电路中的各量均与转 差率差率 s有关，即与转速有关，即与转速 n有关。有关。I2cos 2s1I2,2cos O22Tcos IKT 常数，与电常数，与电机结构有关机结构有关旋转磁场旋转磁场每极磁通每极磁通转子电流转子电流转子电路的转子电路的功率因数功率因数ilBF 22cos, , IT 21220222)(UsXRsRKT 22 cos IKTT 22022202)( XR

12、EIss 2202222)(cosXRRs mNfU11144.4 由前面分析知：由前面分析知：21220222)(UsXRsRKT 21U型型maxTmSNSOTS曲曲线线)(sfT 曲曲线线)(Tfn 根据转矩公式根据转矩公式22022212)(sXRUsRKT 得特性曲线：得特性曲线：NnmaxTstTOnTNT0nstT1NTNnNT)/()(9550NNN分分转转千千瓦瓦nPT OnT0n(N m) 如某普通机床的主轴电机如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型型) 的额定功的额定功率为率为7.5kw, 额定转速为额定转速为1440r/min, 则额定转矩为则额定转矩为nPnPT95

13、50602 m.N7 .4914405 .795509550NNN nPT21220222UsXRsRKT)(2021max2XUKT 0dd ST令：令：求得求得202mXRss 临界转差率临界转差率On0nTmax将将sm代入转矩公式，可得代入转矩公式，可得 max121max, )1(TUUT2021max2 XUKT NmaxTT 一般三相异步电动机的过载系数为一般三相异步电动机的过载系数为2 .28 .1 12 II(2) sm与与 R2 有关，有关， R2 sm n 。绕线。绕线型型电电机改变转子附加电阻机改变转子附加电阻R 2 可实现调速。可实现调速。 22022212)(sXR

14、UsRKT 22022212stXRURKT 电动机起动时的转矩。电动机起动时的转矩。起动时起动时n= 0 时时，s =1 st121st, ) 1 (TUUT(2) Tst与与 R2 有关，有关， 适当使适当使 R2 Tst 。对绕线式型。对绕线式型 电机改变转子附加电阻电机改变转子附加电阻 R 2 , 可使可使Tst =Tmax 。体现了电动机带体现了电动机带载起动的能力。载起动的能力。 0nOnTNststTTK 起动能力起动能力T2 sT2 TT =T2n T T 2达到新的平衡达到新的平衡T20nnTOnU Tm U UTst 22022212stXRURKT 2021m2XUKT

15、202mXRs 0nNUT2nTOstTTOn0nR2 Tst n maxT2T22022212stXRURKT 2021m2XUKT 202mXRs 不同场合应选用不不同场合应选用不同的电机。如金属切同的电机。如金属切削，选硬特性电机；削，选硬特性电机；重载起动则选软特性重载起动则选软特性电机。电机。stTTOn0nR2 Tst n maxT2T5.5 三相异步电动机的起动三相异步电动机的起动5. 5. 1 起动性能起动性能 起动问题：起动问题：起动电流大，起动转矩小。起动电流大，起动转矩小。 一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的一般中小型笼型电机起动电流为额定电流的5 7 倍倍; 电动机

16、的起动转矩为额定转矩的电动机的起动转矩为额定转矩的(1.02.2)倍。倍。大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作大电流使电网电压降低，影响邻近负载的工作频繁起动时造成热量积累，使电机过热频繁起动时造成热量积累，使电机过热后果：后果：原因：原因：起动：起动： n = 0，s =1, 接通电源。接通电源。起动时起动时 ，n = 0，转子导体切割磁力线速度很大，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子感应电势转子电流转子电流定子电流定子电流 二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。直接起动。星形星形-三角形三角形(Y ) 换接起动换接起动自耦降压起

17、动自耦降压起动(3) 转子串电阻起动转子串电阻起动以下介绍降压起动和转子串电阻起动。以下介绍降压起动和转子串电阻起动。ZUIll3:Y 星星形形联联结结时时ZUIll3 三三角角形形联联结结时时：Z31Y llII31YlIZlU+U1U2V1V1W1W2 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1动触点动触点Y动触点动触点静触点静触点L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1UPU1+Ul+U2V1V2W1W2 工作工作L1L3L2FUU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L

18、1U1 lIlU+ZU1U2V1V2W1W2lUU31P (a) 仅适用于正常运行为三角形联结的电机。仅适用于正常运行为三角形联结的电机。 )(2StUT (b) Y 起动起动 ststTIY 换接起动适合于空载或轻载起动的场合换接起动适合于空载或轻载起动的场合SYtst31TT ZlU+U1U2V1V1W1W2lU+ZU1U2V1V2W1W2L1L3L2FUQQ2 12220220)(st2IIRXREI滑环滑环电刷电刷定子定子转子转子起动电阻起动电阻 RstRstRstR2 Tst 22022212stXRURKT 22RR stTTOn0nmaxT2R2R stT M3M3A284923

19、0880380310453. (1)NNN3N2Ncos310 UPI 一台一台Y225M-4型的三相异步电型的三相异步电 动机，定子动机，定子绕组绕组型联结，其额定数据为：型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V， N=92.3%，cos N=0.88， Ist/IN=7.0, Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：，求： (2) 由由nN=1480r/min，可知，可知 p=2 （四极电动机）（四极电动机）minr 15000/n 013. 015001480150000N nnns (3)mN 429014804595509550NN2

20、N .nPTmN 9638429022)(NNmaxmax .TTTTmN 8551429091)(NNstst .TTTT 在在上例中上例中(1)如果负载转矩为如果负载转矩为 510.2Nm, 试试问在问在U=UN和和U =0.9UN两种情况下电动机能否起两种情况下电动机能否起动？（动？（2）采用）采用Y- 换接起动时，求起动电流和换接起动时，求起动电流和起动转矩。起动转矩。 又当负载转矩为起动转矩的又当负载转矩为起动转矩的80%和和50%时，电动机能否起动？时，电动机能否起动？ (1) Tst = 551.8Nm 510.2 N. m mN2510mN 4478551902st .T (2

21、) Ist =7IN=7 84.2=589.4 AA519645983131st stY.II 在在U = 0.9UN 时时132329183%8042909183%80NstY .TT121459183%5042909183%50NstY .TT起动起动mN918385513131ststY .TT(3) 对对例例1中的电动机采用自耦变压器降压起中的电动机采用自耦变压器降压起动动, 起动时加到电动机上的电压为额定电压的起动时加到电动机上的电压为额定电压的64%，求这时的线路起动电流求这时的线路起动电流 Ist 和电动机的起动转矩和电动机的起动转矩Tst 。设电动机的起动电压为设电动机的起动电

22、压为U，电动机的起动，电动机的起动电流为电流为Ist stNst640640I.ZU.ZUI 依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，依据变压器的一次、二次侧电压电流关系，可求得线路起动电流可求得线路起动电流Ist。64. 0Nstst UUIIA424145890.64 6406406406402st2ststst.I.I.I.I 2 UT 又又22Nstst640 .UUTT mN 226 8551640640 2st2st .T.Tst2stIxI st2stTxT pfsnsn106011 f=50HzM3 +变频调速方法变频调速方法恒转距调速（恒转距调速（f1f1N）变频调速方法可实现

23、无级平滑调速变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。能优异，因而正获得越来越广泛的应用。U11U21U12U22iiP=2U11U12U21U22NNSSU11U21U12U22iiP=1 采用变极调速方法的电动机称作双速电机，采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。等机床上。U11U12U21U22SNTn0no22RR2R2R( 变转差率调速是绕线型电动机特有的一种调变转差率调

24、速是绕线型电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。提升、起重设备中。nnTLTLs sTs2R2Ro制动方法制动方法机械制动机械制动电气制动电气制动能耗制动能耗制动反接制动反接制动发电反馈制动发电反馈制动 在断开三相电源的同时，给电动机其中两相在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的旋转的转子作用，产生了与转子

25、旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子转子T n0=0 停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。子迅速停止转动。 运转运转制动制动运转运转nFT n0 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生变化，由旋转磁场产生的电磁转距作用方向发生

26、变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进入制动状态，驱动转距变为制动转距。电动机进入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。电网。nF转子转子T n0n n0 磁极数磁极数( 极对数极对数 p = 2 )例如：例如： Y 132 M4 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座长度代号机座中心高（机座中心高（mm）三相异步电动机三相异步电动机教材表教材表8.8.1中列出了各种电动机的系列代号。中列出了各种电动机的系列代号。异步电动机产品名称代号异步电动机产品名称代号。通常。通常联结联结电

27、机容量电机容量Y3kW 联联结结电电机机容容量量 kW4U2U1W2V1V2W1W2U2V2V1W1U1接线盒接线盒W1V1W2V2接电源接电源W1V1W2V2接电源接电源例如：例如：380/220V、Y/ 是指线电压为是指线电压为 380V 时时 采用采用 Y联结联结；线电压为；线电压为 220V 时采用时采用 联结联结。 表示星形表示星形联结联结下电机的线电流为下电机的线电流为 6.73A；三角形；三角形联结联结下线电下线电流为流为 11.64A。两种接法下相电流均为。两种接法下相电流均为 6.73A。12PP cos3NN1IUP 鼠笼电机鼠笼电机 =7293电动机在额定运行时定子绕组的

28、电动机在额定运行时定子绕组的额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率械功率 P2，它不等于从电源吸取的电功率，它不等于从电源吸取的电功率 P1。PN 三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为时约为 0.7 0.9。空载时功率因数很低，只有。空载时功率因数很低，只有 0.2 0.3。额定负载时，功率因数最高。额定负载时，功率因数最高。 电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cos O 0N0Nnnns 额额定定转转差差率率指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，

29、分指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为为A、E、B、F、H五级，五级，A级最低级最低(105C)，H级最高级最高(180C)。 功率选得过大不经济，功率选得过小电动机功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。容易因过载而损坏。1. 对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。大于生产机械的功率。2. 对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。的功率。 一般应用场合应尽可能选用笼型电动机。一般应用

30、场合应尽可能选用笼型电动机。只有在需要调速、不能采用笼型电动机的场只有在需要调速、不能采用笼型电动机的场合才选用绕线型电动机。合才选用绕线型电动机。 根据工作环境的条件选择不同的结构型式，根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式电动机。如开启式、防护式、封闭式电动机。 根据电动机的类型、功率以及使用地点的电根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。源电压来决定。 Y系列笼型电动机的额定电压只有系列笼型电动机的额定电压只有380V一个一个等级。大功率电动机才采用等级。大功率电动机才采用3000V和和6000V。转子一般用笼转子一般用笼型型定子定子定子定子绕组绕组转

31、子转子AA NS 定子绕组产生的脉动磁场定子绕组产生的脉动磁场 ，可用，可用正、反两个正、反两个旋转磁场合成来等效。即旋转磁场合成来等效。即- + - m= + -=m21 t O + - - + + - 02 s121 ss合成转矩合成转矩s01 s22 s21 s1T起动转矩起动转矩为零为零2T正正转转转转反反 .F鼠笼式转子鼠笼式转子导条及电流导条及电流AA型型iAABBA iBMtIi sinAmA )90sin(BmB tIi 正弦波形如图所示。正弦波形如图所示。iBiAmIit O 45t 0 t ABBAo0 t ABBA 90t 0 t ABBA两相旋转磁场两相旋转磁场动画动画450900iBiAmIit O 将开关将开关S合在位置合在位置1，电容，电容C与与B绕组串联，电流绕组串联，电流 iB较较iA超前近超前近90 ；当；当将将S切换到位置切换到位置2，电容，电容C与与A绕组串联，电流绕组串联，电流iA 较较iB 超超前近前近90 。这样就改变了旋转磁。这样就改变了旋转磁场的转向，从而实现电动机的场的转向，从而实现电动机的反转。反转。 电动机转子转动起来后，利用电动机转子转动起来后，利用离心力将开关离心力将开关S断开断开(S是离心开是离心开关关)，使起动绕组，使起动绕组BB 断电。断电。ABBiAiBA 12实现正反转