第7章感应电动机

1、第7章 感应电动机7.1 感应电动机的原理、种类及主要结构7.1.1 三相异步电动机的原理图7-1-1 三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们联接成一个整体。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速n0旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，如图7-1-1所示，根据右手定则，可以判明图中转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势都从纸面出来的。

2、因为转子上导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流通过。如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据电磁力定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。从图7-1-1可看出，转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n。如转子与生产机械联接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。7.1.2 三相异步电机的结构 和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子组成。定子与转子

3、之间有一个较小的气隙。图7-1-2表示绕线转子三相异步电动机的结构。图7-1-2 绕线转子异步电动机剖面图1-转子绕组 2-端盖 3-轴承 4-定子绕组 5-转子6-定子 7-集电环 8-出线盒 1定子 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。 （1）定子铁心 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。为了使异步电动机能产生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。对

4、于容量较大（10kW以上）的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。图7-1-3 定子铁心槽形a)开口槽 b)半开口槽 c)半闭口槽定子铁心上的槽形通常有三种：半闭口槽、半开口槽及开口槽。从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭口槽最好，如图7-1-3 c)所示。但绕组的绝缘和嵌线工艺比较复杂，所以这种槽形适用于小容量的及中型的低压异步电动机。半开口槽的槽口等于或略大于槽宽的一半，如图7-1-3 b)所示半开口槽可以嵌放成型线圈，这种槽形用于大型低压异步电动机。开口槽如图7-1-3 a)所示，用于高压异步电动机，以保证绝缘的可靠和下线方便。（2）定子绕组 定子绕组是异步电机定子部分的电

5、路，它也是由许多线圈按一定规律联接而成。能分散嵌入半闭口槽的线圈，由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成；放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁铝线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型式。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。小容量异步电动机常采用单层绕组。槽内定子绕组的导线用槽楔紧固。槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。（

6、3）机座 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。中小型异步电动机一般都采用铸铁机座，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增大散热面积。对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。2转子异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。（1）转子铁心 转子铁心也是电动机主磁通路的一部分，一般也由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子铁心的外表面成圆柱形。（2）转子绕组 转子绕组分为笼型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。1） 笼

7、型绕组 由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的，不需要由外电源对转子绕组供电，因此绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相。因此笼型绕组的各相均由单根导条组成。笼型绕组由插入转子的导条和两端的环形端环组成。如果去掉铁心，整个绕组的外形就象一个关松鼠的笼子，如图7-1-4。具有这种笼型绕组的转子，习惯上称为笼型转子。为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都采用铸铝转子如图7-1-5。这种转子的导条和端环一次铸出。对容量大于100W的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼型绕组。笼型转子上既无集电环，又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运

8、行可靠。图7-1-4 铜条笼型转子 图7-1-5 铸铝笼型转子2）绕线型绕组 它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通如图7-1-6。这种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。3气隙图7-1-6 绕线转子异步电动机示意图异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机一般为0.22mm。气隙的大小与异步电动机的性能关系极大。气隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流（与变压器中的情况一样），该电

9、流增大会使电机的功率因数变坏。然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。气隙过小，会使装配困难和运转不安全。如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。一般异步电动机的气隙以较小为宜。7.2 感应电动机转矩、额定功率、转差率的概念及其等值电路7.2.1 转差率的概念 一般情况下，异步电动机的转速不能达到同步转速n0。因为电动机转子转速达到同步转速n0，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势与电流，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。因此，异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速n0，即与旋转磁场“异步”地转动。“异步”电

10、动机由此而命名。转速n0与n之差称为“转差”。转差（n0- n）的存在是异步电机运行的必要条件。我们将转差(n0 n)表示为同步转速n0的百分值，称为转差率，用s表示，即转差率是异步电动机的一个基本参量。一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载转差率在0.5%以下，满载转差率在5以下。7.2.2 等效电路 经频率和绕组归算后的异步电机定、转子电路图，如图7-2-1所示：图7-2-1 转子绕组归算后的异步电动机的定、转子电路经频率和绕组的归算，把异步电动机的转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样，即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。图7-2-2 异步电动

11、机T型等效电路等效电路如图7-2-2所示，叫做异步电机的T形等效电路。在电路中，r1、x1为定子绕组的电阻和漏抗，r2、x2为归算过的转子绕组的电阻和漏抗；rm代表与定子铁心损耗相对应的等效电阻；xm代表与主磁通相对应的铁心电路的励磁电抗。 异步电动机的T型等效电路以电路形式综合了异步电机的电磁过程，因此它必然反映异步电机的各种运行情况。下面我们从T形等效电路去看几种异步电动机典型的运行情况。1异步电动机的空载运行 异步电动机空载时，转子转速与同步转速非常接近，因此转差率s0。T形等效电路中代表机械负载的附加电阻 ，转子电路相当于开路情况，这时定子电路的电流Im滞后于外加电压U1的相位差接近9

12、0°，所以异步电机空载运行时，功率因数是滞后的，而且很低。2异步电动机在额定负载下运行 异步电动机带有额定负载时，转差率sN大约为5%左右，这时归算过的转子电路中的总电阻 为归算前的转子电阻r2的20倍左右，这使归算过的转子电路基本上成为电阻性的。因此定子的功率因数能达到0.80.85。由负载时定子漏阻抗压降I1×Z1的影响不大，E1和相应的主磁通比空载时略小。3异步电动机起动时的情况 这里所说的“起动”，实际上为转子堵转状态。异步电动机堵转时，n=0，则s=1，代表机械负载的附加电阻（1-s）r2/s等于零，相当于电路呈短路状态。所以起动电流（即堵转电流）很大，而功率因数

13、也较低。4异步发电机运行 异步电机作发电机运行时，转子转速超过同步转速，而处于nn0的范围，s处于-s0的范围，转差率进入负值。此时代表机械功率的附加电阻（1-s）r2/s是一个负电阻，与之相应的机械功率也是负的。即这时是输入机械功率，每相功率输入分配如下：即：转子机械功率输入转子铜耗传给定子的功率。5异步电机作电磁制动状态运行 异步电动机处于电磁制动状态，转子反旋转磁场旋转，即转差率s1，产生的机械功率也是负的，即在这种情况下，异步电机是吸收机械功率，这时由定子送到转子的电磁功率以及轴上吸收的机械功率，都供给了转子的铜损耗。这种既吸收机械功率而又吸收电功率的运行情况，对机械运动起制动作用，所

14、以称为电磁制动情况。7.3 功率转换过程与转矩异步电动机的功率流程图和能量转换关系如图7-3-1。图7-3-1 异步电动机的功率图a)功率关系 b)能量转换关系根据如上的功率流程图，异步机各种功率与转矩计算公式如下：其中： U1定子相电压；T2电动机输出的机械转矩；I1定子相电流；T mec机械损耗转矩；定子功率因数角；T d附加损耗转矩； 转子功率因数角；T 0空载转矩。m1定子相数；1旋转磁场电角速度；Pem电磁功率；机械角速度；Pmec机械功率；T em电磁转矩Pcu2转子铜耗；P1转入功率。7.4 感应电动机的三种运行状态与判断方法：如图7-4-1所示：图7-4-1 异步电机的三种运行

15、状态a)电磁制动状态 b)电动机状态 c)发电机状态7.5 感应电动机的运行特性运行特性一般是指电机在额定电压和额定频率下运行时，转子转速n、电磁转矩Tem、功率因数 、效率和定子电流I1等随输出功率P2而变化的关系。图7-5-1中以标么值示出一般用途异步电动机典型的运行特性曲线。从图中可以看出： （1）异步电动机从空载到满载范围运行时，转子转速稍有下降，基本不变。（2）轻负载时，功率因数及效率很低，而当负载增加到一定值（例如50额定值）以上时， 及变化很少。（3）电磁转矩Tem及定子电流I1随负载增大而增大。7.6 感应电动机的起动特性图7-5-1 运行特性曲线 电动机的起动包括从接通电源到

16、电动机达到额定转速的全部过程。对异步电动机的起动，需要考虑的主要因素是最初起动转矩和起动电流。具有不同绕组类型转子的电动机，如一般单笼、深槽单笼、双笼或绕线型电动机具有不同的起动特性。电动机的最初起动转矩和最小转矩都必须高于被拖动机械特性才能顺利起动。在起动过程中，起动电流很大，满压起动时约为额定电流的57倍。因此电动机必须有足够大的起动转矩，使电动机能尽快地加速到满转速以缩短起动时间，避免由于时间过长导致电机绕组过热。另一方面，在电动机起动时，由于电流过大常将使电源电压降低，影响同一电源上其他设备的供电。因此，在电动机起动转矩满足需要的条件下，要求尽可能降低其起动电流。为了降低起动电流或避免

17、电机起动时对负载的过大冲击，对笼型电动机常采用降低电压起动的方法。对起动特别困难的场合，需要采用绕线型电动机。采用在绕线线型转子电路中串接电阻的方法，可以得到最高的起动转矩、最低的起动电流和较平滑的起动特性。当然也可以采用软起动和变频起动等先进的起动方法。7.7 感应电动机常用启动方法 1笼型电动机的起动方法笼型电动机的起动方法有全压起动和降压起动两种。在电源容量足够大时，应优先采用全压起动。当电动机功率较大而电源容量又相对较小需要降低其起动电流，而且是轻载起动时，可采用降压起动。常用的降压起动方法有星三角（Y）起动、电抗降压起动、自耦变压器起动和延边三角形起动等。也可以采用软起动和变频起动等

18、先进的起动方法。2绕线型转子电动机的起动方法绕线型转子电动机起动时，在其转子回路中接入变阻器以减小起动电流，同时也提高起动转矩。在起动过程中，随电动机转速的上升，逐渐减小变阻器的阻值，最后完全扣除。常用的变阻器有起动变阻器和频敏变阻器两种。7.8 感应电动机常用调速方法异步电动机可以通过改变极对数p、转差率s和频率f三种办法来改变转速，也可以与其他变速装置如齿轮变速器等配套使用。 1变极变速 利用改变定子绕组线圈间的连接，使电动机改变极数达到变速的目的。这种变速方法主要用于笼型转子电动机。 2改变转差率调速根据不同的调节方法有下面几种。a.调压调速 异步电动机在不同的定子电压下有不同的转矩转差

19、曲线，亦即有不同的转矩转速曲线，如图7-8-1所示。在相同的负载转矩下，调节定子电压可以得到不同的转差率及不同的转速（即电动机稳定运行在转矩曲线的a、b、c点上）。调压调速方法就是利用这种特性通过自耦变压器等调节定子电压进行调速的。这种调速方法多用于具有高电阻转子绕组的笼型转子电动机和串接有变阻器的绕线型转子电动机。图7-8-1 在不同电压下具有高电阻转子电动机的转矩转速曲线b.调节转子电阻调速 这种调速方法是在绕线转子绕组电路中串接调节变阻器，改变调节变阻器的阻值就可达到调速目的。从图7-8-1中可以看出：当负载转矩为TN时，串接不同的转子电阻可使电动机分别稳定运行在转矩曲线的a、b、c、d

20、点上，以得到不同的转速。但此时一部分功率消耗在调节变阻器内，使运行效率降低。 c.在次级电路中引入附加电动势进行调速 这种调速方法是在次级绕组电路中，引入一个与其电动势有相同频率的调节电动势，以改变电动机的转差率来进行调速的。d.串级调速 串级调速是在绕线型转子电动机上，利用可控硅装置，将转子电路内转差电压经整流和逆变后，使转子部分功率反馈到电网上去。调节可控硅的逆变角以控制反馈能量即可实现调速。当调速范围在12以下，可控硅装置需反馈的功率不大于额定功率的一半时比较经济。这种调速方法适用于要求调速范围小于12的中、大功率电动机。3变频调速改变频率可以调节电动机同步转速。随着电源频率的变化，电机

21、的磁通、转矩、效率、功率因数等在一般情况下都要发生变化。为此，在调频的同时，必须调节电压，以保证电动机在任何频率下都具有恒定的气隙磁通，从而得到恒转矩的调速特性。变频电源可由可控硅变频装置或变频机组提供。4其它调速和变速电动机如电磁调速电动机、摆线针轮减速电动机和齿轮减速电动机等。7.9 转子电阻对感应电动机转动性能的影响 由感应电动机的分析理论知道，发生最大电磁转矩的转差率 （7-9-1）而最大电磁转矩下 (7-9-2) 起动电磁转矩Tst的计算公式为： (7-9-3) 在绕线转子电动机的转子的转子电路内，三相分别串联同样大小的电阻R2，由式(7-9-2)式(7-9-2)和式(7-9-3)等

22、可见，此时n0不变，Tm也不变；Sm则随 的增大而增大。Tst之值也将改变，一开始随R2的增大而增加一直增大到Rst时，Tst=Tm，如R继续增大，Tst将开始减小（见图7-9-1）。图7-9-1 转子串联对称电阻时的人为机械特性7.10 电机的发热过程、绝缘系统、允许温升及其确定冷却方式等 1发热、绝缘与温升：决定电动机功率时，要考虑电动机的发热，允许过载与起动能力等三方面的因素，一般情况下，以发热问题最为重要。电动机的发热，是由于在实现能量变换过程中在电动机内部产生损耗并变成热量使电动机的温度升高。在电动机中，耐热最差的最绕组的绝缘材料，不同等级的绝缘材料，其最高允许温度是不同的。电动机中

23、常用的绝缘材料可有五种等级：（1）A级绝缘 包括经过绝缘浸渍处理的棉纱、丝、纸等；普通漆包线的绝缘漆，最高允许温度为105。（2）E级绝缘 包括高强度漆包线的绝缘；环氧树脂；三醋酸纤维薄膜、聚脂薄膜及青壳纸；纤维填料塑料，最高允许温度为120。（3）B级绝缘 包括由云母、玻璃纤维、石棉等制成的材料，用有机材料粘合或浸渍；矿物填料塑料，最高允许温度为130。（4）F级绝缘 包括与B级绝缘相同的材料，但粘合剂及浸渍漆不同，最高允许温度为155。（5）H级绝缘 包括与B级绝缘相同的材料，但用耐温180的硅有机树脂粘合或浸渍；硅有机橡胶；无机填料塑料，最高允许温度为180。目前的趋势是日益广泛地使用高

24、允许温度等级的绝缘材料，如F、H级绝缘材料，这样，可以在一定的输出功率下使电动机的重量与体积大为降低。当电动机温度不超过所用绝缘材料的最高允许温度时，绝缘材料的寿命较长，可达20年以上；反之，如温度超过上述最高允许温度，则绝缘材料老化、变脆，缩短了电动机的寿命，严重情况下，绝缘材料将碳化、变质、失去绝缘性能，从而使电动机烧坏。由此可见，绝缘材料的最高允许温度是一台电动机带负载能力的限度，而电动机的额定功率就是代表这一限度。电动机铭牌上所标的额定功率即指如环境温度（或冷却介质温度）为40，电动机带动额定负载（指负载功率为额定值）长期连续工作，温度逐渐升高趋于稳定后，最高温度可达到绝缘材料允许的极

25、限。上述环境温度40是我国规定的标准（我国旧系列电动机，如J、Z系列电动机，标准的环境温度曾规定为35）。既然电动机的额定功率是对应于环境温度为标准值40的功率，则当环境温度低于40时，电动机可带动高于额定值的负载；反之，当环境温度高于40时，所带负载应适当降低，以保证两种情况下电动机最终都达到绝缘材料最高允许温度。必须指出，在研究电动机发热时，常把电动机温度与周围环境温度之差称为“温升”。显然，使用不同的绝缘材料的电动机，其最高允许温升是不同的。电动机铭牌上所标的温 升是指所用绝缘材料的最高允许温度与40之差，或称为额定温升。电机温升典型曲线如图7-10-1所示。由温升曲线可见，发热过程开始

26、时，由于温升较小，散发出去的热量较小，大部分热量被电动机吸收，因而温升增长较快；其后，随着温度的升高，散发的热量不断增长，而电动机发出热量则由于负载不变而维持不变，电动机吸收的热量不断减少，温升曲线趋于平缓；最后，发热量与散热量相等，电动机的温度不再升高，温升达到稳定值w。图7-10-1 电动机发热过程的温升曲线1Q0 2Q0 总结电机发热过程各参数与输出功率PN的关系的：由上式可见，对同样尺寸的电动机，欲使其额定功率PN提高，可由下列三方面入手。1）提高额定效率N，即相当于采取措施降低电动机损耗。2）提高散热系数A，用加大空气流通速度与散热表面积可使散热加快，因此电动机中广泛采用风扇（自带风

27、扇的自扇冷式及另外配备通风机的他扇冷式）和带散热筋的机壳，在结构形式上，同样尺寸的开启式电动机，其额定功率比封闭的大，因前者的散热条件较好，其散热系数比后者的大。3）提高绝缘材料的允许温升w，这可从采用等级较高的绝缘材料达到要求。 2电动机的冷却过程电动机的冷却可能有两种情况。其一是负载减小，电动机损耗功率P（或热流量）下降时；其二是电动机自电网断开，不再工作，电动机的P或变为零。电动机冷却过程的温升曲线变化规律方程式的形式与发热过程相似，其中Q为冷却开始时的温升，而w为由降低负载后的P或所决定的稳定温升，显然wQ，这一情况在图7-18上用曲线1表示。当电动机自电网断开时，P0，则w0方程式变

28、为：Qe-t/T在图7-10-2上用曲线2表示电动机脱离电源的冷却过程的f(t)曲线。必须注意，电动机脱离电网时的冷却时间常数T与电动机通电时的时间常数T不同。这是因为，当电动机由电网断开后，电动机停转，在采用自扇冷式的电动机上，风扇不转，散热系数下降为A，使时间常数增大为TC/A，T可达23T。在采用他扇冷式时，则TT。图7-10-2 电动机冷却过程的f(t)曲线1负载减小时 2电动机脱离电网由图7-10-2可见，在电动机冷却时，发热减小或没有了，原来储存在电动机中的热量逐渐散出，使电动机温升下降。冷却开始时，电动机的温升大，散热量大，温升下降快；随着温升的不断下降，散热量愈来愈下，温升下降

29、变得平缓，最后趋于w或w0。7.11 感应电动机拖动形式及各自的特点 1感应电动机的电动：即正常的电动机运行与反向电动机运行 2感应电动机的制动根据被拖动机械的需要，有时有对异步电动机进行制动的要求。例如在切断电源后要求电动机很快停止转动，要求电动机降低转速或维持其转速使不致过速（吊车电动在重物下降时）。异步电动机的制动方法有：1）发电制动（再生制动） 当转子转速在外加转矩作用下大于同步转速时，电机处于发电机状态，产生制动转矩，从而对外加转矩起制动作用。例如起重机等一类机械在负载高速降落时利用发电制动作用限制下降速度。此时如需要制动停止状态，还需要用其它制动方法配合使用。2）反接制动 短时改变电动机的相序，使旋转磁场反向，从而使电动机产生的转矩和负载惯性转矩方向相反，因而起制动使用。这种方法较简单可靠，但由于反接制动时的振动和冲击力较大，所以一般不适用于精密度要求较高的精密机床等设备。3）动力制动（能耗制动） 当电动机与交流电源断开后，立即将直流电源加在定子绕组上，于是在气隙中产生一个静止磁场，此时在转子绕组中即产生感应电动势和电流，因而消耗动能产生制动作用。这种制动方法通常用在非逆转的传动系统和停转后才允许反转的可逆传动系统上。4）机械制动 通常所称机械制动主要是指电磁机械制动。在切割电动