第13章 电动机

1、第第13章章 电动机电动机三相异步电动机三相异步电动机电机：机电能量的转换装置。电机：机电能量的转换装置。机电能量的转换过程是电磁场和载流导体相互作机电能量的转换过程是电磁场和载流导体相互作用的结果。用的结果。早在早在1832年法拉第发现电磁感应定律后不久，世界年法拉第发现电磁感应定律后不久，世界上就出现了第一个电机雏形。上就出现了第一个电机雏形。1866年德国工程师西门子制成发电机；年德国工程师西门子制成发电机；1870年比利年比利时人格拉姆发明了电动机，但直到爱迪生发明了电时人格拉姆发明了电动机，但直到爱迪生发明了电灯（灯（1878年最初的电灯是使用日本的竹丝，年最初的电灯是使用日本的竹丝

2、，1906年爱迪生改年爱迪生改用钨丝做灯丝，这种电灯一直沿用至今用钨丝做灯丝，这种电灯一直沿用至今 ），电机才有了工），电机才有了工业上的用途。业上的用途。经过一个多世纪的发展，电机工业已成为机械工业经过一个多世纪的发展，电机工业已成为机械工业的一部分。的一部分。以电动机为动力拖动生产机械的电力拖动方式比其它以电动机为动力拖动生产机械的电力拖动方式比其它（蒸汽、水力等）拖动方式效率高、控制简便、快速（蒸汽、水力等）拖动方式效率高、控制简便、快速性好、易于实现完善的保护，可实现远距离测量控制，性好、易于实现完善的保护，可实现远距离测量控制，便于集中管理和实现生产过程自动化。便于集中管理和实现生产

3、过程自动化。种类繁多的电动机可以满足不同类型的生产机械的要种类繁多的电动机可以满足不同类型的生产机械的要求。求。 按工作原理分：按工作原理分：电机电机变压器（静止电机）变压器（静止电机）旋转电机旋转电机直流电机直流电机交流电机交流电机同步电机同步电机异步电机异步电机作发电机作发电机作电动机作电动机电机的分类电机的分类变压器变压器 主要改变电压和电流大小；主要改变电压和电流大小；发电机发电机 把机械能转换成电能；把机械能转换成电能；电动机电动机 把电能转换成机械能；把电能转换成机械能；控制电机控制电机 作为控制系统中的执行元件。作为控制系统中的执行元件。按功能为：按功能为：按电机尺寸分按电机尺寸

4、分大型：中心高大型：中心高0.63m，功率范围，功率范围400kW以上，电以上，电压为压为3kV和和6kV。中型：中心高中型：中心高=0.3550.63m，功率范围，功率范围451250kW以上，电压为以上，电压为380V、3kV和和6kV。小型：中心高小型：中心高=0.080.315m，功率范围，功率范围0.6125kW以上，电压为以上，电压为380V。13.1 直流电动机直流电动机 直流电动机是指通以直流电流而转动的电动机。直流电动机是指通以直流电流而转动的电动机。直流电动机具有良好的起动性能、能在较宽的范围直流电动机具有良好的起动性能、能在较宽的范围内平滑调速并且易于控制。内平滑调速并且

5、易于控制。直流电动机广泛地应用于轧钢机、电力机车、无轨直流电动机广泛地应用于轧钢机、电力机车、无轨电车、机床等大型设备中，而且还用于电动自行车、电车、机床等大型设备中，而且还用于电动自行车、电动缝纫机和电动玩具中。电动缝纫机和电动玩具中。目前配备了晶闸管整流电源的直流电动机可以直接目前配备了晶闸管整流电源的直流电动机可以直接在交流电网上运行。在交流电网上运行。 直流电动机直流电动机13.1.1 直流电机的工作原理与基本结构直流电机的工作原理与基本结构 动画动画1. 直流电机的工作原理直流电机的工作原理+-2. 直流电动机的结构直流电动机的结构电机是以磁场为媒介，利用电磁感应作用实现能量电机是以

6、磁场为媒介，利用电磁感应作用实现能量转换的。转换的。在电机里，有引导磁通的磁路和引导电流的电路。在电机里，有引导磁通的磁路和引导电流的电路。在带电导体之间以及铁心之间还有绝缘物质，此外在带电导体之间以及铁心之间还有绝缘物质，此外还有既不属于磁路也不属于电路，而是构成电机整还有既不属于磁路也不属于电路，而是构成电机整体所必须的结构部分。体所必须的结构部分。 直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两大部分组成。分）两大部分组成。由直流电机的工作原理可知，其磁极和电枢绕组之由直流电机的工作原理可知，其磁极和电枢绕组之间必须有相对运动。间必须有相对

7、运动。目前的直流电机都是将电枢绕组装在转子上，而磁目前的直流电机都是将电枢绕组装在转子上，而磁极装在定子上静止不动。这样电刷就便于维护。极装在定子上静止不动。这样电刷就便于维护。 3. 直流电动机的符号直流电动机的符号直流电动机的外形图直流电动机的外形图 直流电动机的符号直流电动机的符号MM4. 直流电动机的反转直流电动机的反转 改变外接直流电源的极性改变外接直流电源的极性 永久磁铁的南极（永久磁铁的南极（S）和北极（）和北极（N）互换）互换直流电动机具有优良的调速性能，但由于直流电机的直流电动机具有优良的调速性能，但由于直流电机的机械式换向器不但结构复杂，制造费时，价格昂贵，机械式换向器不但

8、结构复杂，制造费时，价格昂贵，而且在运行中容易产生火花，此外还存在换向器机械而且在运行中容易产生火花，此外还存在换向器机械强度不高，电刷容易磨损等问题。因此在运行中需要强度不高，电刷容易磨损等问题。因此在运行中需要经常性的维护检修，并且对环境的要求也比较高，不经常性的维护检修，并且对环境的要求也比较高，不能适用于化工、矿山等周围环境中有灰尘、腐蚀性气能适用于化工、矿山等周围环境中有灰尘、腐蚀性气体和易燃、易爆气体的场所。体和易燃、易爆气体的场所。特别是换向问题的存在，使直流电动机无法做成高速特别是换向问题的存在，使直流电动机无法做成高速大容量的机组。大容量的机组。因而不能适应现代生产向高速大容

9、量化发展的要求。因而不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。 5. 直流电机的优缺点直流电机的优缺点13.2 三相异步电动机三相异步电动机 三相异步电机也称感应电机。三相异步电机也称感应电机。13.2.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构和工作原理和工作原理 异步电机主要由两部分组成。固定部分称为定子，旋异步电机主要由两部分组成。固定部分称为定子，旋转部分称为转子。在定子和转子之间有一很小的间隙，转部分称为转子。在定子和转子之间有一很小的间隙，称为气隙。称为气隙。气隙用于储存磁场能，并使转子可以自由旋转。气隙用于储存磁场能，并使转子可以自由旋转。单位体积磁场储能：单位体积磁场

10、储能：22mBw 1. 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构空气的磁导率比硅钢的磁导率小得多，所以磁场能空气的磁导率比硅钢的磁导率小得多，所以磁场能量绝大部分储存在气隙中。量绝大部分储存在气隙中。当当B增加，磁场能量就储存在气隙中；增加，磁场能量就储存在气隙中；当当B减小，磁场能量将从气隙中释放来。减小，磁场能量将从气隙中释放来。单位体积磁场储能：单位体积磁场储能：22mBw 气隙的大小对异步电机的性能有很大的影响。气隙的大小对异步电机的性能有很大的影响。气隙越小，产生同样大小的旋转磁场所需的激磁电气隙越小，产生同样大小的旋转磁场所需的激磁电流也越小；流也越小；由于激磁电流基本是无

11、功电流，所以减少激磁电流由于激磁电流基本是无功电流，所以减少激磁电流就能够提高功率因数。就能够提高功率因数。为了提高电机的功率因数，气隙应尽可能地小。但为了提高电机的功率因数，气隙应尽可能地小。但气隙过小将使装配困难和运行不可靠。气隙过小将使装配困难和运行不可靠。中小型电动机的气隙一般为中小型电动机的气隙一般为0.22mm左右左右。动画动画1. 三相异步电动机的结构图三相异步电动机的结构图异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分。异步电机的定子是异步电动机固定不动的部分。 （1）定子）定子机座机座定子绕组定子绕组定子铁心定子铁心定子铁心定子铁心装在机座内，为一个内壁开槽的中空圆柱体，槽内装在机

12、座内，为一个内壁开槽的中空圆柱体，槽内嵌放定子绕组。嵌放定子绕组。定子铁心是电动机磁路的一部分。为减少铁心中的定子铁心是电动机磁路的一部分。为减少铁心中的损耗，定子铁心用损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，片厚的硅钢片叠压而成，片间有绝缘。间有绝缘。 用绝缘的铜线绕成，嵌放在定子铁心槽内，绕组与用绝缘的铜线绕成，嵌放在定子铁心槽内，绕组与槽壁用绝缘材料隔开。槽壁用绝缘材料隔开。定子绕组是电动机的电路部分，其主要作用是通过定子绕组是电动机的电路部分，其主要作用是通过电流产生旋转磁场。电流产生旋转磁场。定子绕组定子绕组定子绕组定子绕组接线盒接线盒三相定子绕组的六个引出线头。三相定子绕组的

13、六个引出线头。三相绕组的始端和末端，分别用三相绕组的始端和末端，分别用U1、V1、W1和和U2、V2、W2表示。都引到了接线盒的接线板上，可根据表示。都引到了接线盒的接线板上，可根据需要接成三角或星形接法。需要接成三角或星形接法。接线盒接线盒机座是电动机的外壳，起支撑的作用，要求有足够的机座是电动机的外壳，起支撑的作用，要求有足够的机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作机械强度和刚度，能承受运输和运行过程中的各种作用力，通常用铸铁铸成，较大容量的异步电机，一般用力，通常用铸铁铸成，较大容量的异步电机，一般采用钢板焊接机座。采用钢板焊接机座。 机座机座接线盒接线盒机座机座铭牌铭牌端盖端盖

14、吊环吊环异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。轴组成。 （2）转子）转子转子转子风扇风扇转子铁心转子铁心转子铁心转子铁心为电动机磁路的一部分，一般也由为电动机磁路的一部分，一般也由0.5mm厚厚的硅钢片叠成。的硅钢片叠成。铁心固定在电动机的转轴上，大型异步电动机的转子铁心固定在电动机的转轴上，大型异步电动机的转子铁心则套在转子支架上。铁心则套在转子支架上。 转子铁心转子铁心转轴转轴转子绕组转子绕组转子绕组转子绕组的作用是感应电动势，流过电流和产生电的作用是感应电动势，流过电流和产生电磁转矩。磁转矩。转子绕组的结构型式：鼠笼式和有绕线式两种。转子绕组

15、的结构型式：鼠笼式和有绕线式两种。根据转子的结构形式不同，异步电动机分为：根据转子的结构形式不同，异步电动机分为： 鼠笼式异步电动机：驱动各种机械，如通风机、鼠笼式异步电动机：驱动各种机械，如通风机、机床和运输机械等等。机床和运输机械等等。 绕线转子异步电动机：起动力矩大，卷扬机、水绕线转子异步电动机：起动力矩大，卷扬机、水泵和行车。泵和行车。转子绕组的外形就像一个转子绕组的外形就像一个“鼠笼鼠笼”。由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电，由于异步电动机的转子绕组不必由外界电源供电，因此可以自行闭合构成短路绕组。因此可以自行闭合构成短路绕组。鼠笼式转子鼠笼式转子绕线式转子绕组绕线式转子绕组

16、与定子绕组相似，也是用绝缘导线嵌与定子绕组相似，也是用绝缘导线嵌于转子铁心槽内，连接成星形接法的三相对称绕组。于转子铁心槽内，连接成星形接法的三相对称绕组。绕线式转子绕组绕线式转子绕组转子绕组转子绕组集电环（滑环）集电环（滑环）转子绕组外接变阻器转子绕组外接变阻器2. 三相异步电动机的符号三相异步电动机的符号MM三相异步鼠笼式电动机三相异步鼠笼式电动机三相异步绕线式电动机三相异步绕线式电动机3. 异步电机的基本工作原理异步电机的基本工作原理 动画动画n0右手定则：确定转右手定则：确定转子电流的方向。子电流的方向。左手定则：确定转左手定则：确定转子旋转的方向。子旋转的方向。ffn异步电动机的转速

17、总是低于同步转速，即两种转速之异步电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存在差异。异步电动机的名称也由此而来。间总是存在差异。异步电动机的名称也由此而来。规定：磁力线的方规定：磁力线的方向出定子入转子。向出定子入转子。 旋转磁场的磁力线切割转子导体而感应电动势。旋转磁场的磁力线切割转子导体而感应电动势。 由于转子绕组是短路的，所以在感应电动势的作用由于转子绕组是短路的，所以在感应电动势的作用下转子导体内便有电流流过。下转子导体内便有电流流过。 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。 由电磁力产生的电磁转矩作用在电动机的转子上，由电磁力产生的电磁转矩作

18、用在电动机的转子上，将使转子朝着旋转磁场旋转的方向转动。将使转子朝着旋转磁场旋转的方向转动。小结小结如果电动机的转轴上带有机械负载，电动机便拖动如果电动机的转轴上带有机械负载，电动机便拖动机械负载运转，输出机械功率。也就是说，电动机机械负载运转，输出机械功率。也就是说，电动机把输入的电功率转换成轴上输出的机械功率。把输入的电功率转换成轴上输出的机械功率。同步转速同步转速n0与转子转速与转子转速n之差与同步转速之差与同步转速n0的比值称的比值称为转差率（也称滑差）：为转差率（也称滑差）：%10000nnns电动机运行在额定状态时，电动机运行在额定状态时，s约为约为1.56左右；左右；在空载状态时

19、，在空载状态时，s约在约在0.5以下。以下。（1）转差率）转差率异步电动机能够旋转，实现机电能量转换的前提是异步电动机能够旋转，实现机电能量转换的前提是定子三相绕组通入三相对称的交变电流在气隙中产定子三相绕组通入三相对称的交变电流在气隙中产生旋转磁场。生旋转磁场。 （2） 旋转磁场的产生旋转磁场的产生 如果把三相对称绕组接至三相对称交流电源上，其中如果把三相对称绕组接至三相对称交流电源上，其中流过三相对称交流电流。流过三相对称交流电流。设各相交流电流的瞬时表达式为：设各相交流电流的瞬时表达式为： )240sin(2)120sin(2sin211W11V11UtIitIitIi三相对称电流三相对

20、称电流t0i1Ui1Vi1W12I将在空间将在空间对称对称分布的三相定子绕组接到三相对称电源分布的三相定子绕组接到三相对称电源上，在定子绕组中就会流过三相上，在定子绕组中就会流过三相对称对称正弦交流电流。正弦交流电流。UUiNF11U相磁势相磁势VViNF11V相磁势相磁势WWiNF11W相磁势相磁势每相绕组产生的磁势：每相绕组产生的磁势：合成磁势合成磁势F1的幅值相等。的幅值相等。三相定子绕组的合成磁势三相定子绕组的合成磁势ti1Ui1Vi1W0t1t2t3U2V1V2W1W2U1FU2V1V2W1W2U1FU2V1V2W1W2U1F气隙中的磁场：合成气隙中的磁场：合成磁势磁势F1将通过气隙

21、在将通过气隙在空间空间产生的一个幅值产生的一个幅值不变的旋转磁场。不变的旋转磁场。合成磁场的旋转方向决定于三相绕组电流的相序。合成磁场的旋转方向决定于三相绕组电流的相序。 （3）磁场的旋转方向）磁场的旋转方向 U2V1V2W1W2U1FU2V1V2W1W2U1FU2V1V2W1W2U1FNSNSNS当当U、V、W相电流达到最大值时，合成旋转磁势相电流达到最大值时，合成旋转磁势 依依次从次从U相绕组的轴线移到相绕组的轴线移到V、W相绕组的轴线上。相绕组的轴线上。 F U V W L1 S1 S2 L2 L3 异步电动机转子的转向与异步电动机转子的转向与旋转磁场的方向相同。旋转磁场的方向相同。所以

22、要改变异步电动机的所以要改变异步电动机的转动方向只需改变异步电转动方向只需改变异步电动机三相电源的相序。动机三相电源的相序。 （4）控制电动机反转）控制电动机反转（5）旋转磁场的磁极对数）旋转磁场的磁极对数 p当三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈时，当三相异步电动机的每相定子绕组只有一个线圈时，所产生的合成磁场的极数为所产生的合成磁场的极数为2（一个（一个N极、一个极、一个S极），即磁极对数极），即磁极对数p1 U2V1V2W1W2U1NS如果每相定子绕组由两个线圈串联组成如果每相定子绕组由两个线圈串联组成。4极旋转磁场极旋转磁场iU1U2U1U2U2V1V2W1W2U1U2U1V2V1

23、W2W1U2V1V2W1W2U1U2U1V2V1W2W1合成旋转磁场由二个合成旋转磁场由二个N磁极和二个磁极和二个S磁极组成，极数变磁极组成，极数变为为4，即磁极对数，即磁极对数p2 动画动画ti1Ui1Vi1W0NSNS（6）旋转磁场的转速）旋转磁场的转速同步转速同步转速n0 对于两极电机即旋转磁场的磁极对数对于两极电机即旋转磁场的磁极对数p1，当电，当电流变化一周（电角度为流变化一周（电角度为360）时，旋转磁场在空）时，旋转磁场在空间正好转动一圈（空间角度为间正好转动一圈（空间角度为360）。）。如果电流每秒变化如果电流每秒变化f1周，则旋转磁场就转动周，则旋转磁场就转动f1圈。圈。U2

24、V1V2W1W2U1NSU2V1V2W1W2U1NSU2V1V2W1W2U1NS当电机为当电机为p磁极时，旋转磁场的一对磁极在空间旋磁极时，旋转磁场的一对磁极在空间旋转的角度等于电角度的转的角度等于电角度的p分之一分之一倍。倍。对于对于4极电机，即磁极对数极电机，即磁极对数p2，当电流变化一周，当电流变化一周（电角度为（电角度为360）时，旋转磁场在空间仅转动半）时，旋转磁场在空间仅转动半圈（空间角度为圈（空间角度为180）。）。U2V1V2W1W2U1U2U1V2V1W2W1NNSNSU2V1V2W1W2U1U2U1V2V1W2W1NNSSt=0t=120旋转磁场的转速即同步转速为：旋转磁场

25、的转速即同步转速为： pfn1060（转（转/分，分，r/min） 接在工频电源上不同极数的异步电动机的同步转速接在工频电源上不同极数的异步电动机的同步转速p123456n0(r/min)3000150010007506005004. 三相异步电动机的三种运行状态三相异步电动机的三种运行状态 转差率转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量。是异步电动机运行时的一个重要物理量。根据根据s的正负和大小可以判断异步电动机工作在电动的正负和大小可以判断异步电动机工作在电动状态、发电机状态还是电磁制动状态。状态、发电机状态还是电磁制动状态。 （1）电动运行状态）电动运行状态电动运行状态电动运行状态:

26、:定子从电网吸收电功率，转子从轴定子从电网吸收电功率，转子从轴上输出机械功率。上输出机械功率。 n0ffn当异步电机转子当异步电机转子的转向与旋转磁的转向与旋转磁场的转向相同而场的转向相同而且 转 速且 转 速 n n0（0sn0 （s0）。）。异步电机的定子方由原来从电网吸收电功率改为向电异步电机的定子方由原来从电网吸收电功率改为向电网输出电功率。网输出电功率。 电磁转矩对原动电磁转矩对原动机来说为制动转机来说为制动转矩。矩。原动机要保持转原动机要保持转子继续转动，必子继续转动，必须输入机械功率。须输入机械功率。（3）电磁制动运行状态）电磁制动运行状态n0ffn用其他机械拖动用其他机械拖动异

27、步电机朝着旋异步电机朝着旋转磁场相反的方转磁场相反的方向 转 动向 转 动 n 1） 。电磁转矩对拖动电磁转矩对拖动机械来说是制动机械来说是制动转矩。转矩。电机一方面吸收拖动机械的机械功率，另一方面又从电机一方面吸收拖动机械的机械功率，另一方面又从电网吸收电功率，这两部分功率在电机内都以损耗的电网吸收电功率，这两部分功率在电机内都以损耗的方式最终转化为热能消耗掉。方式最终转化为热能消耗掉。5. 电机的可逆性原理电机的可逆性原理 一台交流电动机，当将交流电源接在定子绕组上，可一台交流电动机，当将交流电源接在定子绕组上，可以使其转轴带动生产机械运转，从而完成将输入的电以使其转轴带动生产机械运转，从

28、而完成将输入的电能转换为机械能的过程，即为交流电动机。能转换为机械能的过程，即为交流电动机。同一台交流电机在不同的外界条件下，即可作为电同一台交流电机在不同的外界条件下，即可作为电动机运行，也可作为发电机运行。这就是交流电机动机运行，也可作为发电机运行。这就是交流电机的可逆性原理。的可逆性原理。在原动机的驱动下，电机向电网输入交流电，完成将在原动机的驱动下，电机向电网输入交流电，完成将转轴上输入的机械能转换成电能的过程，而成为交流转轴上输入的机械能转换成电能的过程，而成为交流发电机。发电机。6. 机电能量的转换过程机电能量的转换过程 无论是发电机还是电动机都是通过电机中的磁场来无论是发电机还是

29、电动机都是通过电机中的磁场来实现能量转换的。我们把电机中的气隙磁场称为耦实现能量转换的。我们把电机中的气隙磁场称为耦合磁场。合磁场。交流电机（其它类型的电机也一样）本质上是一种交流电机（其它类型的电机也一样）本质上是一种能量转换元件能量转换元件。只有耦合磁场存在，发电机才能将机械能转换成电只有耦合磁场存在，发电机才能将机械能转换成电能，电动机才能将电能转换成机械能。能，电动机才能将电能转换成机械能。能量守恒定律：在能量转换过程中，能量既不会任能量守恒定律：在能量转换过程中，能量既不会任意产生也不会任意消失，只能改变其存在的形式。意产生也不会任意消失，只能改变其存在的形式。电机在进行能量形态的转

30、换过程中，其内部存在着电机在进行能量形态的转换过程中，其内部存在着四种形态：四种形态： 电能电能 机械能机械能 磁场储能磁场储能 热能。热能。电动机电动机 ：发电机发电机 ：电机（能量转换元件）的能量方程式：电机（能量转换元件）的能量方程式：电源输入的电能电源输入的电能输出的机械能输出的机械能磁场储能的增加磁场储能的增加转换成热能的损耗转换成热能的损耗输入的机械能输入的机械能输出的电能输出的电能磁场储能的增加磁场储能的增加转换成热能的损耗转换成热能的损耗电机在能量转换过程中产生的能量损耗通常有三电机在能量转换过程中产生的能量损耗通常有三种：种： 电系统内部通有电流时产生的电阻损耗；电系统内部通

31、有电流时产生的电阻损耗； 机械系统的风阻摩擦引起的机械损耗；机械系统的风阻摩擦引起的机械损耗； 由耦合磁场在铁心中引起的介质损耗（磁滞损由耦合磁场在铁心中引起的介质损耗（磁滞损耗和涡流损耗），即铁耗。耗和涡流损耗），即铁耗。这些损耗大都变为热能而散发。这些损耗大都变为热能而散发。为了保证电机正常运行，必须对电机进行冷却。为了保证电机正常运行，必须对电机进行冷却。如果将上述三种能量分别记入功率方程的电能、如果将上述三种能量分别记入功率方程的电能、机械能和磁场储能中。机械能和磁场储能中。能量方程可改写为：能量方程可改写为： 电动机电动机 ：输入的电能电阻损耗输入的电能电阻损耗输出的机械能机械损耗输

32、出的机械能机械损耗磁场储能的增加铁耗磁场储能的增加铁耗发电机发电机 ：输入的机械能机械损耗输入的机械能机械损耗输出的电能电阻损耗输出的电能电阻损耗磁场储能的增加铁耗磁场储能的增加铁耗能量转换元件（电机）可由电系统（电源或用电负能量转换元件（电机）可由电系统（电源或用电负载）、机械系统（原动机或生产机械）以及联系两载）、机械系统（原动机或生产机械）以及联系两者的耦合磁场组成者的耦合磁场组成 。机电能量转换的关键是耦合磁场对电系统和机械系机电能量转换的关键是耦合磁场对电系统和机械系统的作用和反作用。统的作用和反作用。电系统电系统uie耦合磁场耦合磁场T机械系统机械系统耦合磁场对电系统的作用（或反作

33、用）是通过感应电耦合磁场对电系统的作用（或反作用）是通过感应电动势表现出来的。动势表现出来的。耦合磁场对机械系统的作用（或反作用）是通过电磁耦合磁场对机械系统的作用（或反作用）是通过电磁转矩表现出来的。转矩表现出来的。 有了感应电动势，电动机才能够从电系统吸取电磁功率；有了感应电动势，电动机才能够从电系统吸取电磁功率；有了电磁转矩，电动机才能向机械系统输出机械功率。有了电磁转矩，电动机才能向机械系统输出机械功率。电系统电系统uie耦合磁场耦合磁场T机械系统机械系统输入输入电能电能电阻损耗电阻损耗产生的热量产生的热量介质损耗介质损耗产生的热量产生的热量机械损耗机械损耗产生的热量产生的热量输出输出

34、机械能机械能电动机的能量转换电动机的能量转换电系统电系统uie耦合磁场耦合磁场T机械系统机械系统输出输出电能电能电阻损耗电阻损耗产生的热量产生的热量介质损耗介质损耗产生的热量产生的热量机械损耗机械损耗产生的热量产生的热量输入输入机械能机械能发电机的能量转换发电机的能量转换有了电磁转矩，发电机才能从机械系统吸取机械功率；有了电磁转矩，发电机才能从机械系统吸取机械功率；有了感应电动势，发电机才能向电系统输出电磁功率。有了感应电动势，发电机才能向电系统输出电磁功率。说明说明为进行机电能量转换，必须要有储存能量的耦合场。为进行机电能量转换，必须要有储存能量的耦合场。耦合场既可以是磁场，也可以是电场。耦

35、合场既可以是磁场，也可以是电场。以磁场作为耦合场以磁场作为耦合场电磁式电机，是一种大电流电电磁式电机，是一种大电流电机；机；以电场作为耦合场以电场作为耦合场静电式电机，是一种高电压电静电式电机，是一种高电压电机。机。1. 单位体积内可以得到的磁场储能比电场储能要大单位体积内可以得到的磁场储能比电场储能要大得多（约为得多（约为6000倍）；倍）；2. 磁性材料和导线相对来说比较便宜。磁性材料和导线相对来说比较便宜。作为机电能量转换用的大多数旋转电机均为电磁式作为机电能量转换用的大多数旋转电机均为电磁式电机。电机。13.2.2 三相异步电动机的三相异步电动机的功率、转矩和机械特性功率、转矩和机械特

36、性异步电动机的作用：是把电能转换成机械能，它输送异步电动机的作用：是把电能转换成机械能，它输送给生产机械的量是转矩和转速。给生产机械的量是转矩和转速。在选用电动机时，总是要求电动机的转矩和转速（称在选用电动机时，总是要求电动机的转矩和转速（称为机械特性）符合生产负载的需要。为机械特性）符合生产负载的需要。电动机输出的转矩的大小受哪些因素的影响？电动机输出的转矩的大小受哪些因素的影响？如何计算电动机的转矩？如何计算电动机的转矩？转矩和转速的关系怎样？转矩和转速的关系怎样？ 1. 三相异步电动机运行时的电磁关系三相异步电动机运行时的电磁关系三相异步电动机的定子绕组接至三相交流电源之后，三相异步电动

37、机的定子绕组接至三相交流电源之后，定子三相对称绕组中就有三相对称交流电流流过，定子三相对称绕组中就有三相对称交流电流流过，它们在电机的气隙中将建立幅值恒定的旋转磁场。它们在电机的气隙中将建立幅值恒定的旋转磁场。磁场以同步转速磁场以同步转速n0旋转的同时将切割定、转子绕组，旋转的同时将切割定、转子绕组，并在定、转子绕组中感应电动势并在定、转子绕组中感应电动势 。每相定子绕组感应电动势的有效值：每相定子绕组感应电动势的有效值： m111144. 4kNfE 每相转子绕组感应电动势的有效值：每相转子绕组感应电动势的有效值： m222244. 4kNfE 异步电动机气隙中的主磁通异步电动机气隙中的主磁

38、通m m：等于每极的磁通量，为异步电动机气隙中的主：等于每极的磁通量，为异步电动机气隙中的主磁通。磁通。三相异步电动机主要依靠主磁通三相异步电动机主要依靠主磁通m实现定、转子之实现定、转子之间的能量传递。间的能量传递。电机各物理量的电磁关系电机各物理量的电磁关系1I11F1E11jxr mFmBm2sEs22jxr 2I2F22E1E1U以以n0旋转旋转以以n旋转旋转静止不动静止不动频率为频率为f1频率为频率为f2定、转子电流除了联合产生同时交链定、转子绕定、转子电流除了联合产生同时交链定、转子绕组的主磁通组的主磁通 外。外。 m定、转子电流还分别产生仅交链自身绕组的定、转定、转子电流还分别产

39、生仅交链自身绕组的定、转子漏磁通子漏磁通 、12在各自绕组内感应漏磁电动势在各自绕组内感应漏磁电动势 12每相定子绕组漏磁感应电动势：每相定子绕组漏磁感应电动势： 111xI jE每相转子绕组漏磁感应电动势：每相转子绕组漏磁感应电动势： 222xI jE1112Lfx定子绕组的漏电抗定子绕组的漏电抗 :2222Lfx转子绕组的漏电抗转子绕组的漏电抗: : 转子感应电动势的频率转子感应电动势的频率f2当转子以转速当转子以转速n转动时，旋转磁场与转子的相对速度：转动时，旋转磁场与转子的相对速度： nnn02转子绕组中感应电动势和电流的频率为：转子绕组中感应电动势和电流的频率为： 100022606

40、0sfpnnnnpnf注意：在当转子静止时，即注意：在当转子静止时，即s=1、f2f1。 电动机额定运行时电动机额定运行时s很小，所以转子的频率较低，约很小，所以转子的频率较低，约几赫兹。几赫兹。 转子转动时，一相转子绕组中感应的电动势转子转动时，一相转子绕组中感应的电动势20m221m222244. 444. 4sEkNsfkNfE电动机静止不动时，一相转子绕组中感应的电动势。电动机静止不动时，一相转子绕组中感应的电动势。 m2212044. 4kNfE转子的感应电动势的大小转子的感应电动势的大小 与转差率与转差率s成成正比，电动机的转差越大，转子绕组感应的电动势正比，电动机的转差越大，转子

41、绕组感应的电动势也越大。也越大。 202sEE 202122222sxLsfLfx转子绕组的漏电抗转子绕组的漏电抗: : 电动机的转差越大，转子绕组的漏电抗也越大电动机的转差越大，转子绕组的漏电抗也越大 212022Lfssxx转子绕组的漏电抗转子绕组的漏电抗: : 定、转子绕组还有电阻定、转子绕组还有电阻r1和和r2。定、转子绕组中的漏阻抗分别为：定、转子绕组中的漏阻抗分别为： 111jxrZ222jxrZ2. 异步电动机的基本关系式异步电动机的基本关系式 1）三相异步电动机的电动势平衡）三相异步电动机的电动势平衡每相定子电路的电动势平衡方程式：每相定子电路的电动势平衡方程式： )(1111

42、1111jxrIEZIEU定子绕组的电阻和漏电抗很小，定子绕组的电阻和漏电抗很小，电动机的电源电压：电动机的电源电压： m1111144. 4kNfEU)(222222jxrIZIE每相转子电路的电动势平衡方程式：每相转子电路的电动势平衡方程式：转子转子n三相异步电动机电路示意图三相异步电动机电路示意图定子定子r1jx1N1 k11U1I2Ef1r2jx2N2 k22If21E异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的耦合异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的耦合而而没有电的联系没有电的联系 。电路是静止的电路是静止的电路是旋转的电路是旋转的 定、转子绕组中感应电动势的产生；定、转子绕组中

43、感应电动势的产生； 定、转子电流相互影响；定、转子电流相互影响； 电磁转矩的产生；电磁转矩的产生； 能量的传递（从定子到转子）与转换（从能量的传递（从定子到转子）与转换（从电能变成机械能）；电能变成机械能）；都是通过旋转磁场来实现的。都是通过旋转磁场来实现的。 旋转磁场是联系定、转子各物理量的核心旋转磁场是联系定、转子各物理量的核心2） 磁动势平衡方程式磁动势平衡方程式 mRF电流电流NiF 磁动势磁动势SlR1m磁阻磁阻当在三相对称定子绕组中通入三相对称交流电流时，当在三相对称定子绕组中通入三相对称交流电流时，三相交流定子电流就在电机气隙中产生一个合成的旋三相交流定子电流就在电机气隙中产生一

44、个合成的旋转磁动势，从而建立起一个合成的旋转磁场。转磁动势，从而建立起一个合成的旋转磁场。电机的气隙虽然很小，但其磁阻很大（空气的导磁系电机的气隙虽然很小，但其磁阻很大（空气的导磁系数数0却远远小于铁磁磁路的导磁系数却远远小于铁磁磁路的导磁系数Fe）是整个电机）是整个电机磁路总磁阻的主要部分，因此电机的磁动势磁路总磁阻的主要部分，因此电机的磁动势F主要作主要作用在气隙上。用在气隙上。 当旋转磁场在转子中感应电动势和电流后，转子电流当旋转磁场在转子中感应电动势和电流后，转子电流也要在气隙中产生一个转子旋转磁动势（它与定子电也要在气隙中产生一个转子旋转磁动势（它与定子电流产生的旋转磁动势相对静止）

45、。流产生的旋转磁动势相对静止）。转子旋转磁动势的出现将影响定子电流产生的旋转磁转子旋转磁动势的出现将影响定子电流产生的旋转磁动势并使之发生变化，因为磁动势等于磁通回路所包动势并使之发生变化，因为磁动势等于磁通回路所包围电流的总和围电流的总和F=Ni，从而使定、转子绕组中的电流也，从而使定、转子绕组中的电流也发生变化。发生变化。异步电动机中的旋转磁场是由定、转子电流共同建立的。异步电动机中的旋转磁场是由定、转子电流共同建立的。由于三相定、转子电流分别产生的磁动势在空间保由于三相定、转子电流分别产生的磁动势在空间保持相对静止，且都以同步转速持相对静止，且都以同步转速n0旋转。旋转。因此可以把它们的

46、矢量相加而得合成磁动势因此可以把它们的矢量相加而得合成磁动势 ：21mFFF整个电磁过程处于一个平衡、稳定状态，达到磁势平衡。整个电磁过程处于一个平衡、稳定状态，达到磁势平衡。 就在气隙中建立以同步转速旋转的旋转磁场，其就在气隙中建立以同步转速旋转的旋转磁场，其磁通量为磁通量为 mFm主磁通主磁通 在定、转子绕组中分别感应出电动势在定、转子绕组中分别感应出电动势 和和 。 m1E2E这时定子在外施电压这时定子在外施电压 和内部电动势和内部电动势 作用下产作用下产生电流生电流 ，而转子在，而转子在 的作用下产生的作用下产生 。1U1E1I2E2I转子对定子的作用都是由磁动势转子对定子的作用都是由

47、磁动势 引起的。引起的。 2F如果增大电动机转轴所带的机械负载，必然引起转如果增大电动机转轴所带的机械负载，必然引起转速降低；速降低；于是转子与旋转磁场的相对运动加大，则转子感应于是转子与旋转磁场的相对运动加大，则转子感应的电动势和电流也增大。的电动势和电流也增大。由于转子电流增大转子磁动势也增大，从而破坏了由于转子电流增大转子磁动势也增大，从而破坏了原来的磁动势平衡。为保持主磁通不变，势必增加原来的磁动势平衡。为保持主磁通不变，势必增加定子电流产生的磁势。定子电流产生的磁势。 LFFF1m1定子电流产生的磁势定子电流产生的磁势 可分解成两个分量：可分解成两个分量： 1F激磁分量激磁分量 mI

48、激磁磁动势激磁磁动势 mF气隙旋转磁气隙旋转磁场场 m负载分量负载分量 1LI21LFF抵消转子磁动势对抵消转子磁动势对旋转磁场的影响旋转磁场的影响 mF为了保证为了保证 不变不变 以维持磁通以维持磁通 不变不变 m自动增大自动增大 1LF1I定子向电网吸收的定子向电网吸收的电流自动增大电流自动增大 电动机机械负载的变化引起的转子电流的变化，会立电动机机械负载的变化引起的转子电流的变化，会立即引起电动机的定子电流的变化，从而调节输入的电即引起电动机的定子电流的变化，从而调节输入的电功率以满足机械负载对电动机输出机械功率的需要。功率以满足机械负载对电动机输出机械功率的需要。 3）三相异步电动机的

49、功率平衡）三相异步电动机的功率平衡 )(admmec2Cu2TmecFe1Cu11TppPPpPPppPPP1P2pCu1pFe1pCu2pm+ padPTPmec4）三相异步电动机的转矩平衡）三相异步电动机的转矩平衡 当异步电动机带动负载运转时，其转子上作用着三当异步电动机带动负载运转时，其转子上作用着三个转矩：个转矩： 电磁转矩电磁转矩T：由转子电流和主磁通相互作用引起：由转子电流和主磁通相互作用引起电磁力所产生的；电磁力所产生的； 空载制动转矩空载制动转矩T0：由电动机的机械损耗：由电动机的机械损耗pm和附加和附加损耗损耗pad引起的；引起的； 负载制动转矩负载制动转矩T2：转子拖动的机

50、械负载反作用在：转子拖动的机械负载反作用在转子上的力矩。转子上的力矩。 转子获得的机械功率为：转子获得的机械功率为： TPmec当转子以机械角速度当转子以机械角速度 （弧度（弧度/秒，秒，rad/s）旋）旋转时，作用在转子上的三个转矩便产生或者吸收功率。转时，作用在转子上的三个转矩便产生或者吸收功率。 602 n电动机稳定运行时，转矩平衡方程式：电动机稳定运行时，转矩平衡方程式： 02TTT02mecTTTP电动机所获得的总得机械功率电动机所获得的总得机械功率Pmec全部用于克服制动全部用于克服制动转矩消耗掉。转矩消耗掉。22TP 克服空载制动转矩克服空载制动转矩T0所消耗的功率就是电动机消耗

51、的所消耗的功率就是电动机消耗的机械损耗机械损耗pm和附加损耗和附加损耗pad; ;克服负载制动转矩克服负载制动转矩T2所消耗的功率就是电动机转轴上所消耗的功率就是电动机转轴上输出的机械功率为：输出的机械功率为： 由于电动机的机械损耗由于电动机的机械损耗pm和附加损耗和附加损耗pad很小，很小， 异步电动机的电磁转矩为：异步电动机的电磁转矩为： adm2mecppPPTnPnPT229550602（牛顿（牛顿米，米，Nm） P2为异步电动机输出的机械功率，单位为千瓦（为异步电动机输出的机械功率，单位为千瓦（kW） n为电动机的转速，单位（转为电动机的转速，单位（转/分，分，r/min） 例例：

52、有两台功率都为有两台功率都为PN的的=7.5kW三相异步电动机三相异步电动机UN=380V 、nN=962r/min一台，另一台一台，另一台UN=380V、 nN=1450r/min ，求两台电动机的额定转矩。，求两台电动机的额定转矩。 解：第一台：解：第一台： mN 45.749625 . 795509550NNNnPT第二台：第二台： mN 44914505795509550NNN.nPT3. 三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩 异步电动机产生的电磁转矩可直接由电磁力定律异步电动机产生的电磁转矩可直接由电磁力定律 ,通过通过计算转子上各导条所受的力得到。计算转子上各导条所受的

53、力得到。 异步电动机上总的电磁转矩为：异步电动机上总的电磁转矩为： 22mcosICTTCT （包含了力臂）（包含了力臂）是与电动机的结构有关的常是与电动机的结构有关的常数称为电动机转矩常数数称为电动机转矩常数 。公式表明：公式表明：三相异步电动机的电磁转矩是由气隙中的三相异步电动机的电磁转矩是由气隙中的旋转磁场旋转磁场m与转子电流的有功分量与转子电流的有功分量 相互作相互作用产生的用产生的。22cosI22cosI式中三项式中三项T、m和和 符合左手定则。符合左手定则。异步电动机的工作原理也是建立在电磁感应定律和异步电动机的工作原理也是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础之上。电磁力定律基础之

54、上。人们就是利用电磁感应定律和电磁力定律所描述人们就是利用电磁感应定律和电磁力定律所描述的客观规律而设计和制造出各种电机来为人类服的客观规律而设计和制造出各种电机来为人类服务。务。由转子电路的电动势平衡方程式：由转子电路的电动势平衡方程式： )(222222jxrIZIE转子每相电流的有效值：转子每相电流的有效值： 22022202202220222222)()(xsrEsxrsExrEI由于转子电路显感性，所以转子电流由于转子电路显感性，所以转子电流 滞后滞后 2I2E转子电路的功率因数为：转子电路的功率因数为：220222222222)(cossxrrxrr异步电动机转子的电流及功率因数异

55、步电动机转子的电流及功率因数与转差率与转差率s的关系的关系0sI22coss=122022202)(xsrEI2202222)(cossxrr在电动机刚起动时转差在电动机刚起动时转差s=1最大，最大，转子电路的转子电路的 漏抗漏抗 最大，所以转子电路的功率因数最大，所以转子电路的功率因数也也最小。因此，在电动机起动时，虽然转子电流较最小。因此，在电动机起动时，虽然转子电流较大，但起动时转矩大，但起动时转矩 并不大。并不大。 22mcosICTT202sxx0sI22coss=1在电机起动时（在电机起动时（s=1 ），要采取限流措施，更要要采取限流措施，更要避免在电机运行时发生避免在电机运行时发

56、生堵转现象，否则会由于堵转现象，否则会由于电流过大，使电机温升电流过大，使电机温升增加，损坏电机绝缘，增加，损坏电机绝缘，使电机烧坏。使电机烧坏。 随着转速的升高转差随着转速的升高转差s较小时，转子频率较小时，转子频率f2较低，则较低，则转子电路的漏抗转子电路的漏抗 较小，所以转子电路的功较小，所以转子电路的功率因数较大。率因数较大。202sxx0sI22coss=122022202)(xsrEI2202222)(cossxrrm1111144. 4kNfEU22mcosICTT电磁转矩的另一个表达式：电磁转矩的另一个表达式： 220222122222212)()(sxrUsrKxrEsrKT

57、重要的结论：当电源频率和电动机参数不变时，三相重要的结论：当电源频率和电动机参数不变时，三相异步电动机的电磁转矩不仅与电动机的转差率异步电动机的电磁转矩不仅与电动机的转差率s有关，有关，还还与每相定子电压与每相定子电压U1的平方成正比。的平方成正比。 m2212044. 4kNfE4. 三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的机械特性 异步电动机的机械特性是描述电机拖动系统（由异步异步电动机的机械特性是描述电机拖动系统（由异步电动机和生产机械所组成）的各种运行状态的有效工电动机和生产机械所组成）的各种运行状态的有效工具。具。)(Tfn )(Tfs 异步电动机的机械特性是指当电动机的电源电压异步

58、电动机的机械特性是指当电动机的电源电压和频率不变时，电动机转速和频率不变时，电动机转速n与电磁转矩与电磁转矩T之间的之间的关系：关系：22022212)(sxrUsrKTT0n1sn00机械特性曲线机械特性曲线额定工作点额定工作点N额定转矩额定转矩TN额定转速额定转速nN 额定转差额定转差sNNNN9550nPT（牛顿（牛顿米，米，Nm） T1 0s n0 n0恒转矩负载恒转矩负载TNN sN nN起动点起动点A和起动转矩和起动转矩Tst 起动点起动点A：指电动机：指电动机已投入电网，但尚未已投入电网，但尚未开始转动时的工作状开始转动时的工作状态。态。电动机产生的电磁转电动机产生的电磁转矩称为

59、（最初）起动矩称为（最初）起动转矩转矩Tst。Tst是表征电动机运行性能的重要指标之一。如果是表征电动机运行性能的重要指标之一。如果Tst太小，在一定负载下电动机可能不能起动起来，因太小，在一定负载下电动机可能不能起动起来，因而不能满足生产机械的要求。而不能满足生产机械的要求。1 0s n0 n0TstAT22022212)(sxrUsrKTn=0或或s=1 ：22022212st)(xrUrKT当电源频率和电动机参数不变时，起动转矩当电源频率和电动机参数不变时，起动转矩Tst与电与电源电压源电压U1的平方成正比。的平方成正比。电网电压的下降，将对异步电动机拖动装置的起动电网电压的下降，将对异

60、步电动机拖动装置的起动性能产生严重影响。性能产生严重影响。 起动转矩倍数起动转矩倍数NstTT（最初）起动转矩倍数（最初）起动转矩倍数 来来表示起动转矩表示起动转矩. . 通常用通常用 一般，鼠笼异步电动机的（最初）起动转矩倍数为一般，鼠笼异步电动机的（最初）起动转矩倍数为1.02.0。 电动机不产生电磁转矩，而电动机却以同步转速高电动机不产生电磁转矩，而电动机却以同步转速高速运行，这种运行状态只能是一种理想情况，称为速运行，这种运行状态只能是一种理想情况，称为理想运行状态。理想运行状态。 理想空载点理想空载点D1 0s n0 n0DT临界点临界点B和最大转矩和最大转矩Tmax 电磁转矩为最大