三相异步电动机基本原理

1.概述电机的发展目前，不仅是在能源还是在自动控制等领域，电能的生产和转换，自动化领域的快速发展和变频技术的普遍应用都离不开电机。从19世纪60~70年代的第二次工业革命以来，电力的广泛应用是为显著，人们从蒸汽时代步入了电气时代。从法拉第电磁感应定律的基础上，一系列的电气发明相继出现。1866年，德国工程师西门子制成了发电机。1870年比利时人格拉姆发明了电动机，1882年法国学者德普乐发明了远距离送电的方法。当时，美国的著名发明家爱迪生发明了了美国的第一个火力发电厂，这也奠定了我们目前生活当中高压输电技术的基础。后来，随着工业的快速发展，人们对电机的性能要求越来越高，比如：运行可靠，体积重量小，响应快，精度高等一些要求，这也促使了电机的进一步发展成为了电机学科的另一个独立分支。电机制造的方向也在向着小型多用途电机和高效节能方向发展。在我国，电机的发展是从1917年开始至今，我国电机制造业发生了巨大的变化。特别是近十年来的发展，有了飞跃一般的进步，一些产品已经达到或接近世界先进水平，很多世界电机专家预测中国将会成为世界电动机的生产制造基地。电机的分类按工作电源种类分：如图1.1稀土永磁直流电动机铁氧体永磁直滴电动机

稀土永磁直流电动机铁氧体永磁直滴电动机

铝银钻永磁直流电动机串励直流电动机

并励直流电动机

他励直流电动机

复励直流电动机「无刷直流用翎「永强直流电动机T广直流电动机WL有刷直流电动机《按照电'源类15磁直流电动机.（永明司步电动机、〔同步电动打f磁阻同步电动机〔磁滞同步电动机（交流电动机V［里相串励电动机（交流电动机V（交流搅向罂电动机1交直濡两用电动机指斥电时机f单相异步电动机〔感应电动机〈三相异步电动机置极导步电动机图1.1按工作电源种类三相异步电动机三相异步电动机结构简单、价格便宜、坚固耐用、使用和维修方便，而且性能良好运行可靠等优点，所以在交流电力拖动系统当中三相异步交流电动机占有很大的一部分市场，尤其是在工农业生产中的应用极为广泛。2.三相异步电动机的结构三相异步电动机的结构异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2mm〜2mm。三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图2.1所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。图2.1端盖2—轴承3—机座4—定子绕组5—转子6—轴承7—端盖8—风扇9—风罩10—接线盒三相异步电动机的铭牌三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：(1)额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。Pn=6％4与3唯⑵额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。⑶额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。(4)额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速。⑸额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。3.三相异步电动机工作原理三相异步电动机的工作原理交流异步电动机的工作原理主要为旋转磁场原理，它是根据电磁感应原理工作的。磁场的产生交流异步电动机的工作原理是利用旋转磁场带动电动机中的转子来实现把电能转换成机械能的一种方式。将一个可绕轴自由转动的金属框放置在蹄形永久磁铁的两磁极之间，永久磁铁架在支架上，并装有手柄，摇动手柄可以使永久磁铁环绕金属框转动，此时，金属框也会随着磁铁的旋转而转动起来。如图3.1所示。

当手柄以顺时针运动时，从装置下面可以看到，蹄形磁铁是以逆时针方向运动，而相对于蹄形磁铁来说，金属框是以顺时针方向运动的。蹄形磁铁的N级与S级之间的磁场是由N级指向S级。当蹄形磁铁没有动作时，金属框也没有动作。而当蹄形磁铁如图运动时，金属框由于切割了蹄形磁铁的N级与S级中间的磁力线，根据右手定则可以判断电流的方向如图所示。在利用左手定则可以分析出金属框的受力分析如图所示。三相交流电产生旋转磁场现象

图3.3如图3.3所示，有三个角度相差120°的绕组，它们分别是U、V、W,它们的首端为4、匕、W1，末端为U2、V2、亚2。三个绕组的尾端U2、V2、W2相互连接在一起，这种接法称为星形接法，还有三角形接法就是把三个绕组的首尾相接。此时，将三相交流电从三相绕组的首端通入，会发现在绕组当中的小磁针会随之旋转。图2.4图3.4所示为电动机绕组在定子铁心当中的示意图，将U1、V1、W1接入三相电，U2、V2、W2相互连接则构成了星形接法。三角形接法则是将U2与V1、V2与W1、W2与U1分别相连接，连接点上引出引线，接入三相交流电即可构成三角形接法。按照此接法接线后，通入三相交流电，在铁心当中就会产生了一种无形的旋转磁场。三相交流电产生旋转磁场分析图3.5图3.5所示为某一时刻通入三相交流电的波形图和三相交流电所产生的合成磁场图。分析：①当⑴t=0时，iu=0,iW为正，所以电流从W1流入，W2流出。iV为负，所以电流从V2流入，V1流出。磁场如图3.5（a）所示，W1和V2为电流流入端，V1和W2为电流流出端，根据右手螺旋定则可以判断出形成的磁场的方向U1端为N，U2端为S。②当⑴t=2/3n时，iV=0，iU为正，所以电流从U1流入，U2流出。Iw为负，所以电流从W2流入，W1流出。磁场如图3.5（b）所示，U1和W2为电流流入端，W1和U2为电流流出端，根据右手螺旋定则可以判断出形成的磁场的方向V1端为N，V2端为S。③当⑴t=4/3n时，iw=0，iv为正，所以电流从V1流入，V2流出。IU为负，所以电流从U2流入，U1流出。磁场如图3.5（c）所示，V1和U2为电流流入端，U1和V2为电流流出端，根据右手螺旋定则可以判断出形成的磁场的方向W1端为N，W2端为S。④当⑴t=2n时，iU=0，iW为正，所以电流从W1流入，W2流出。iV为负，所以电流从V2流入，V1流出。磁场如图3.5（d）所示，W1和V2为电流流入端，V1和W2为电流流出端，根据右手螺旋定则可以判断出形成的磁场的方向U1端为N，U2端为S。通过三相交流电的一个周期的分析，可以看出电动机定子绕组通入三相交流电后会产生旋转磁场。图3.5为2个磁极的定子绕组，当三相交流电一个周期完成后，定子绕组产生的旋转磁场旋转一圈。但是在实际当中，很多电机使用的是很多对磁极，可以在定子上增加定子绕组增加磁极的个数，如图3.6所示㈤,图3.64个磁极的定子绕组多个磁极的定子绕组分析方法与2个磁极的分析方法一样。三相异步电动机的转速旋转磁场的转速当定子通入三相交流电时，铁心中的空间产生旋转磁场，，这个旋转磁场的速度成为“同步转速”，用n1表示，单位是r/min。同步转速的大小是由三相交流电源的频率和磁极对数决定。如一对磁极的电动机，电流变化一个周期则旋转磁场就会旋转一圈，两对磁极的电动机，电流变化一个周期则旋转磁场就会旋转半圈。两对磁极的电动机磁场如图3.7所示。MXI小图3.7两对磁极旋转磁场我国的三相交流电的工频是50Hz(每秒完成50个周期变化)，则一对磁极的旋转速度应为n1=60f，单位为r/min，所以n1=60*50=3000r/min。那么两对磁极的旋转速度为n1=60*50/2=1500r/min。所以旋转磁场的同步转速n1为n1=60f/P(r/min)其中f——电流的频率；P——定子绕组的磁极对数转子的转速转子的转速一般用n表示，根据前面分析的三相异步电动机的原理可知转子是由于旋转磁场的拖动而运行的。所以分析可知，n<n1，也就是说转子的转速是小于旋转磁场的转速的，转子通过切割旋转磁场的磁力线，从而产生感生电流，才能受到磁力矩的作用。如果当n=n1时，在正常情况下n不会等于n1，如果等于的情况下，说明转子相对于旋转磁场来说没有运动，所以也不会切割磁力线，不会产生感生电流，也就不会有磁力矩，在这种情况下，转子会在中轴的摩擦力等因素减慢转子的速度，使得转子的速度保持在旋转磁场的速度一下，这就是为