第5章三相异步电动机的原理及特性课件

5.1

三相异步电动机（感应电机）的基本结构和工作原理第5章三相异步电动机（感应电机）的原理及特性（1）定子部分（静止）（2）转子部分（旋转）（3）空气隙5.1.1基本结构15.1三相异步电动机（感应电机）的基本结构和工作原理第5章图5.1三相异步电动机的结构2图5.1三相异步电动机的结构21.定子部分定子铁心定子绕组机座组成机座的主要作用是用来固定和支撑定子铁心。对于轴承装于端盖上的电动机，其机座还要支撑转子部分。定子铁心的主要作用是产生旋转磁场，是电动机磁路的一部分，装在机座里。31.定子部分定子铁心定子绕组机座组成机座的主磁通经过的磁路是：气隙定子齿定子轭气隙转子齿转子轭转子齿图5.2主磁通定子齿4主磁通经过的磁路是：气隙定子齿定子轭气隙转子为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相同的槽，如图5.3所示。图5.3定子铁心5为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相同的常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如图5.4所示。(a)开口槽高压大中型(b)半开口槽500V以下中型(c)半闭口槽低压160KW以下(1)层间绝缘；(2)槽楔；(3)扁铜线；(4)槽绝缘；(5)槽楔；(6)圆导线图5.4定子槽形6常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如（2）低压中、小容量，根据需要可接成Y形或△形。三相定子绕组的引出线常采用以下两种形式：（1）高压大、中容量，常采用Y接；∆7（2）低压中、小容量，根据需要可接成Y形或△形。2.空气隙空气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响，具体表现在：①为了减少电动机的励磁电流，提高功率因数，空气隙应尽可能的小；

②空气隙过小，将引起装配困难和运行不可靠；③从减少附加损耗以及高次谐波磁动势产生的磁通来看，空气隙稍大一点也有其有利的一面。（1）决定气隙大小的因素

（2）气隙大小与电机容量的关系

82.空气隙空气隙的大小对异步电动机的运行性能有电机容量（kW）气隙（mm）10以下10~100100~15000.20~0.450.50~0.800.85~1.50

异步电动机的空气隙比同容量同步电动机小得多，在中小型异步电动机中，空气隙大约为0.2~1.5mm。3.转子转子铁心转子绕组转轴组成绕线型笼型9电机容量（kW）气隙（mm）10以下10~100100~15（1）绕线型转子绕组图5.4绕线型转子10（1）绕线型转子绕组图5.4绕线型转子101-转子绕组2-集电环（滑环）3-电刷4-附加电阻A1A2B2B1C1C22134图5.5绕线型异步电动机接线图111-转子绕组2-集电环（滑环）3-电刷4-附加电阻A1A2B（2）笼型转子绕组图5.6笼型转子笼型转子在转子铁心的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，从而形成一个自行闭合的短路绕组。12（2）笼型转子绕组图5.6笼型转子笼型转子笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工作原理是一样的。笼型异步电动机由于构造简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，因此目前已成为生产机械中使用最广泛的一种电动机。如果把转子铁心拿掉，剩下的绕组像个松鼠笼子，因此称为笼型转子。导条的材料可以是铜，也可以是铝。13笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工5.1.2工作原理结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时会产生圆形旋转的基波气隙磁动势，以及基波气隙磁密，并顺着三相绕组中所流过电流的相序方向以同步转速n1旋转。其中，f1为定子电流频率；

p为极对数。分析：如果定子三相绕组（假设为Y接）通入三相对称正弦交流电流，其表达式为145.1.2工作原理结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时0U1U2V1V2W1W2150U1U2V1V2W1W215U1U2V2W1V1W2ωt=0°合成磁场方向向下ωt=120°顺时针旋转120°ωt=240°顺时针旋转240°016U1U2V2W1V1W2ωt=0°合成磁场方向向下ωtn1NSn<n1图5.7电动运行1.电动运行

异步电动机转子的转速n不可能达到同步转速n1，一般总是略小于n1，“异步”二字就是由此而来的。通常把异步电动机同步转速n1和转子转速n二者之差与同步转速n1的比值称为转差率，用s表示，即。17n1NSn<n1图5.7电动运行1.电动运行异步电机处于电动运行状态时的特点：（1）；（2）电磁转矩T与转速n的方向相同；（3）异步电机定子从电源吸收电功率，通过转子轴的转动输出机械功率。当时，；当

时，；当

时，

；当（即

n与n1的转向相反）时，。由式还可以看出18异步电机处于电动运行状态时的特点：（n1NS2.发电运行（回馈制动运行）n>n1图5.7发电运行（1）；异步电机处于发电运行状态时的特点：（2）电磁转矩T与转速n的方向相反；（3）原动机通过异步电机转子输入机械功率，借助于电磁感应，异步电机定子向电源回馈电功率（这里的电功率指有功功率，实际上电机仍需要从电源获得无功功率，以建立磁场）。19n1NS2.发电运行（回馈制动运行）n>n1图5.7发n1NS3.制动运行（电磁制动运行）n图5.8制动运行异步电机处于制动运行状态时的特点：（1）；（2）电磁转矩T与转速n的方向相反；（3）异步电机定子从电源吸收电功率（这里主要指有功功率），转子从外部吸收机械功率，两者都将变为电机内部的损耗。20n1NS3.制动运行（电磁制动运行）n图5.8制动运行5.1.3额定数据图5.9异步电动机铭牌215.1.3额定数据图5.9异步电动机铭牌21三相异步电动机的铭牌数据主要有：（1）型号（如教材P280所示）；22三相异步电动机的铭牌数据主要有：（1）型号（铁心长度代号：L；M；S

电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的类型选择有代表意义的汉字，并用该汉字的第一个拼音字母表示。例如Y系列三相异步电动机表示如下：

Y2-100L1-2异步电动机设计序号：1；2；3机座中心高(mm)极数：2；4等机座长度代号：1-长；2-短23铁心长度代号：L；M；S电机产品的型号一般采用（2）额定功率PN

：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械功率，单位为W或kW；（3）额定电压UN：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位为V；（4）额定电流IN

：指电动机在额定电压下轴端输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A；额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN之间的关系为：式中，为交流电动机的额定效率。输入功率P1为：24（2）额定功率PN：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械（5）额定频率fN

：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电动机外，国内通用的异步电动机的额定频率都是50Hz；（6）额定功率因数：指电动机额定运行时定子侧的功率因数；（7）额定转速nN

：指电动机在额定频率、额定电压下，且轴端输出额定功率时转子的转速，单位为r/min。此外，铭牌上还标明定子绕组接法、绝缘等级、防护等级、冷却方式和重量等。对于绕线型异步电动机，还要标明转子绕组接法、转子额定电压E2N（指定子绕组加额定电压，转子绕组开路时集电环间的线电压）和转子额定电流I2N（指额定运行状态下，转子绕组短路时流过的线电流）等数据。25（5）额定频率fN：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电5.2异步电动机的基本方程式和等效电路1.等效电路和基本方程式5.2.2转子旋转时的异步电动机（1）等效电路5.2.1转子不转时的异步电动机1.转子绕组开路（参见教材P118～P124）2.转子绕组短路并堵转（参见教材P124～P131）265.2异步电动机的基本方程式和等效电路1.等效电路和基本方异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子绕组折算之后得到的T形等效电路如下图（教材P136图5.19）所示。+–+–图5.10三相异步电动机旋转时T形等效电路27异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子为附加电阻。图中，为定子绕组的相电压；为定子绕组的相电流；为每相定子绕组的感应电动势；为定子绕组每相的漏阻抗；为气隙磁通的励磁电流；为励磁阻抗；为转子绕组每相漏阻抗的折算值；为转子绕组相电流的折算值；为每相转子绕组感应电动势的折算值；28为附加电阻。图中，为定子绕组的相电压；为定子绕组的相电流；为（2）基本方程式和上图所对应基本方程式为：+–+–29（2）基本方程式和上图所对应基本方程式为：+–+–292.简化等效电路+–图5.11三相异步电动机简化等效电路302.简化等效电路+–图5.11三相异步电动机简化等效电实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路算出的定、转子电流及励磁电流，与用图5.10所示T形等效电路算出的值相当接近，但对小容量异步电动机，其误差较大。设简化等效电路的励磁电流为，转子电流为。由简化等效电路图（教材P140图5.22）可以很方便地算出：31实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路5.3

异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率三相异步电动机稳定运行时，定子绕组从电源输入的电功率为式中，U1为定子绕组相电压；

I1为定子绕组相电流；

为定子侧的功率因数。

定子铜损耗pCu1为式中，R1为定子绕组每相电阻。325.3异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率电动机的铁损耗pFe（磁滞和涡流损耗）为由于PM是通过电磁感应向转子电路传送的，所以称为电磁功率。

转子绕组铜损耗pCu2为33电动机的铁损耗pFe（磁滞和涡流损耗）为电磁功率PM减去转子铜损耗pCu2即为附加电阻上的功率，这部分功率实际上就是传输到电动机转轴上的机械功率Pm。可以看出，电磁功率、转子铜损耗和机械功率之间存在一定的比例关系，即34电磁功率PM减去转子铜损耗pCu2即为附加三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩擦阻转矩，也要损耗一部分功率，这部分功率称为机械损耗，用pm表示。此外，由于异步电动机定、转子开槽和谐波磁动势的存在，还要产生一些附加损耗，用pS表示（参见参考书7第153页）。对中小型异步电动机，满载时pS可达额定输出功率的1%~3%；对于大型异步电动机，pS约为额定输出功率的0.5%。

三相异步电动机转轴上输出的功率P235三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩图5.12三相异步电动机的功率流程图通过以上分析可知，三相异步电动机运行时从电源输入电功率P1到转轴上输出功率P2的传递过程为36图5.12三相异步电动机的功率流程图通过以例题5-2

一台三相异步电动机，额定功率PN=75kW，额定电压UN=380V，额定转速nN=1486r/min，定子Δ形联结。已知定子每相电阻R1=0.07796Ω，每相漏电抗X1=0.3014Ω，励磁电阻Rm=0.798Ω，励磁电抗

Xm=16.96Ω，转子每相电阻为，每相漏电抗。试用T形等效电路计算额定负载运行时：（1）定子电流；（2）输入功率；（3）电磁功率；（4）转子电流；（5）定子铜损耗；（6）铁损耗；（7）转子铜损耗；（8）机械功率。解：额定转差率为37例题5-2一台三相异步电动机，额定功率PN=75kW，额T形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：+–+–38T形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：+–+–38+–+–39+–+–39（1）定子相电流为定子线电流为+–+–40（1）定子相电流为定子线电流为+–+–40定子感应电动势为（2）输入功率为+–+–41定子感应电动势为（2）输入功率为+–+–41+–+–（3）转子电流为（4）电磁功率为42+–+–（3）转子电流为（4）电磁功率为42（5）定子铜损耗为（6）励磁电流为（7）转子铜损耗为（8）机械功率铁损耗为43（5）定子铜损耗为（6）励磁电流为（7）转子铜损耗为（8）机5.3.2三相异步电动机的转矩式中，

是电动机转轴上输出的转矩；

是机械摩擦转矩；

是附加损耗转矩；

是电动机的空载转矩。445.3.2三相异步电动机的转矩式中，

电磁转矩T与电磁功率PM的关系为式中，是同步机械角速度。式中，为一常数，称为转矩系数；为气隙每极磁通量；为转子电流；为转子功率因数。上式称为电磁转矩的物理表达式。45电磁转矩T与电磁功率PM的关系为式中，例题5-3

一台四极三相异步电动机，其额定数据为：PN=55kW，UN=380V。额定负载运行时，定子铜耗pCu1=1091W，铁耗pFe=972.5W，转子铜耗pCu2=737.2W，机械损耗pm=600W，附加损耗pS=1100W，求额定负载运行时：（1）机械功率；（2）电磁功率；（3）额定转速；（4）电磁转矩；（5）空载转矩；（6）输入功率；（7）效率。解：（1）机械功率为（2）电磁功率为46例题5-3一台四极三相异步电动机，其额定数据为：PN=5额定转差率为（3）额定转速为（4）电磁转矩为或47额定转差率为（3）额定转速为（4）电磁转矩为或47（5）空载转矩为（6）输入功率为（7）效率为48（5）空载转矩为（6）输入功率为（7）效率为485.4异步电动机的机械特性

三相异步电动机在电源电压U1、电源频率f1以及电机参数固定的条件下，其电磁转矩T与转子转速n之间的关系，定义为三相异步电动机的机械特性。1.定义（1）函数表示法2.表示方法或（2）曲线表示法

T-s曲线495.4异步电动机的机械特性三相异步电动机在电5.4.1机械特性的参数表达式

再利用三相异步电动机简化等效电路，得到转子电流有效值为505.4.1机械特性的参数表达式再利用三相异步电

因为，故有

当异步电动机的定子电压U1、电源频率f1以及电机参数、、、都为确定值时，改变转差率s，就能按上式算出对应的电磁转矩T。51因为，故有

异步电动机的T-s曲线如下图所示：T01nsn10图5.13三相异步电动机的机械特性52异步电动机的T-s曲线如下图所示：T01ns该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：（1）当0<s<1或0<n<n1时，电磁转矩T和转子的转速n都为正，这时电机处于电动运行状态；（2）当s<0或n>n1时，电磁转矩T为负，转子的转速n为正，电机处于回馈制动运行状态，即发电状态。（3）当s>1或n<0时，电磁转矩T为正，转子的转速n为负，电机处在制动运行状态。1.最大转矩Tm53该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：

令，可得

sm又称为临界转差率。其中，“+”号用于电动状态；“-”号用于发电状态；在一般情况下，的值不超过的5%，如果忽略R1的影响，sm和Tm可以近似表示为54令，可得sm又称为临最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，也叫过载能力，用km表示普通中小型三相异步电动机的过载倍数km=2.0~2.2；起重、冶金机械用的三相异步电动机的过载倍数km=2.2~2.8。55最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，2.堵转转矩（起动转矩）TS当s=1（即n=0）时的电磁转矩，称为堵转转矩，用TS表示。异步电动机堵转转矩TS与额定转矩TN之比，称为堵转转矩倍数，用kS表示堵转转矩倍数kS的大小，反映了电动机起动负载的能力。堵转转矩倍数设计得越大，电动机起动就越快，电机的成本也随之增加。562.堵转转矩（起动转矩）TS当s=1（对于Y系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩倍数kS=1.7~2.2。对于三相绕线转子异步电动机，可以通过在转子回路中串入电阻来改变堵转转矩的大小，这部分内容将在转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性中介绍。5.4.2机械特性的实用公式前面分析异步电动机的机械特性，是基于电动机参数已知这一前提条件下的。1.实用公式的表达式通过推导求得的机械特性的实用公式如下57对于Y系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩上式中的Tm和sm可以根据异步电动机产品目录中的有关数据求出。2.实用公式的证明58上式中的Tm和sm可以根据异步电动机产品目录用T除以Tm，并取正号，可得又由可得于是有59用T除以Tm，并取正号，可得又由可得于是有59将上式分子分母同乘以，并认为，可得

一般异步电动机的值在0.12~0.20范围内。若将分子分母中相对较小的都忽略不计，则可得到简化的计算公式60将上式分子分母同乘以，并认为根据电机的额定转速nN、额定功率PN和过载倍数km，求取Tm和sm的过程如下：额定转矩上式中忽略了空载转矩T0。

最大转矩

额定转差率

把TN、sN和km代入机械特性的实用公式，可得61根据电机的额定转速nN、额定功率PN和过载倍当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时，就可以把T=TL代入实用公式，求得电动机运行时的转差率s，进而得到电动机的转速。

由上式可解得3.实用公式的应用62当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时，就可如果是三相异步电动机的转差率s（或转速）已知，把它带入实用公式，可求得电动机的电磁转矩（1）实用公式形式简单，使用方便，但有一定的适用范围，即0<s<sm。（2）如果用它计算三相异步电动机的堵转转矩，则误差较大。4.关于实用公式的说明63如果是三相异步电动机的转差率s（或转速）已知例题5-4

一台三相异步电动机的额定功率PN=30kW，额定电压UN=380V，额定转速nN=980r/min，过载倍数km=2.1，求：（1）该电动机电磁转矩的实用公式；（2）当s=0.015时的电磁转矩；（3）电动机拖动200N•m负载时的转速。解：（1）额定转差率为临界转差率为64例题5-4一台三相异步电动机的额定功率PN=30kW，额额定电磁转矩为最大转矩为所以，该电动机电磁转矩实用公式为65额定电磁转矩为最大转矩为所以，该电动机电磁转矩实用公式为65（3）当T=TL=200N•m时，电动机的转差率为电动机的转速为（2）当s=0.015时，电磁转矩为66（3）当T=TL=200N•m时，电动机的转差率为电动机的转5.4.3固有机械特性和人为机械特性1.固有机械特性若三相异步电动机定子加额定电压、额定频率，定子回路不外串电阻或电抗，转子回路本身直接短路，也不另串电阻或电抗，这种情况下电动机的机械特性称为固有机械特性。三相异步电动机的固有机械特性曲线如下页图所示。675.4.3固有机械特性和人为机械特性1.固有机械特性图5.14三相异步电动机的固有机械特性曲线12H68图5.14三相异步电动机的固有机械特性曲线12H68现以正转的固有机械特性为例，介绍几个特殊点。（1）起动点Q转速n为0（s=1），其电磁转矩就是堵转转矩TS，定子电流为堵转电流IS。（2）额定工作点N转速是额定转速nN，转差率为额定转差率sN，电磁转矩为额定转矩TN，电流为额定电流IN。（3）同步速点H转速为同步转速n1（s=0），电磁转矩T为零，定子电流为励磁电流I0，转子绕组里没有电流。（4）最大电磁转矩点P和P点是电动状态时的最大电磁转矩点，点是异步发电，即回馈制动状态时的最大电磁转矩点。69现以正转的固有机械特性为例，介绍几个特殊点。2.人为机械特性T0nn1ssm0.6U10.8U1U1图5.15降低U1时的人为机械特性曲线（1）降低定子电压U1的人为机械特性

①机械特性曲线702.人为机械特性T0nn1ssm0.6U10.8U1U1图②特点（ii）最大转矩Tm以及堵转转矩TS都要随U1的降低而减小；（i）电动机的同步转速n1、最大转矩对应的转差率sm都将保持不变；（iii）拖动额定负载时，电动机不能长时间运行。

①接线图和等效电路（2）定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性71②特点（ii）最大转矩Tm以及堵转转矩TS都要随U1（b）等效电路图5.16定子回路串入电阻的接线图及等效电路M3~Rf（a）接线图RfRf72（b）等效电路图5.16定子回路串入电阻的接线图及等效电图5.17定子回路串电阻的人为机械特性曲线②机械特性曲线73图5.17定子回路串电阻的人为机械特性曲线②机械特性曲③特点

（i）同步转速n1保持不变；

（ii）最大转矩Tm、堵转转矩TS以及sm都随串入电阻Rf的增大而减小；

（iii）方法简单，设备投资少；（iv）电能消耗较大。（3）定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性

①接线图和等效电路74③特点（i）同步转速n1保持不变；（ii）最大转图5.18定子回路串入电抗的接线图及等效电路（b）等效电路M3~Xf（a）接线图XfXf75图5.18定子回路串入电抗的接线图及等效电路（b）等效电图5.19定子回路串电抗的人为机械特性曲线②机械特性曲线76图5.19定子回路串电抗的人为机械特性曲线②机械特性曲

（i）同步转速n1保持不变；（ii）最大转矩Tm、堵转转矩TS以及sm都随串入电抗Xf的增大而减小；（iii）比定子串电阻方法节省电能；（iv）电抗器设备成本高。③特点（4）转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性

①接线图和等效电路77（i）同步转速n1保持不变；（ii）图5.20转子回路串电阻的接线图与等效电路M3~RS(a)接线图RSRS(b)等效电路78图5.20转子回路串电阻的接线图与等效电路MRS(a)接图5.21转子回路串电阻的人为机械特性曲线T②机械特性曲线79图5.21转子回路串电阻的人为机械特性曲线T②机械特性（i）同步转速n1、最大转矩Tm保持不变；

（iii）堵转转矩TS随串入电阻的变化情况如下：

（b）当sm=

1时，可使TS等于Tm，此时

（c）当sm>1时，TS随串入电阻的增加反而减小。

（ii）sm随串入电阻的增加而增大；③特点（a）当sm<1时，堵转转矩TS随串入电阻的增加而增大；80（i）同步转速n1、最大转矩Tm保持不变；（iii）堵转5.1

三相异步电动机（感应电机）的基本结构和工作原理第5章三相异步电动机（感应电机）的原理及特性（1）定子部分（静止）（2）转子部分（旋转）（3）空气隙5.1.1基本结构815.1三相异步电动机（感应电机）的基本结构和工作原理第5章图5.1三相异步电动机的结构82图5.1三相异步电动机的结构21.定子部分定子铁心定子绕组机座组成机座的主要作用是用来固定和支撑定子铁心。对于轴承装于端盖上的电动机，其机座还要支撑转子部分。定子铁心的主要作用是产生旋转磁场，是电动机磁路的一部分，装在机座里。831.定子部分定子铁心定子绕组机座组成机座的主磁通经过的磁路是：气隙定子齿定子轭气隙转子齿转子轭转子齿图5.2主磁通定子齿84主磁通经过的磁路是：气隙定子齿定子轭气隙转子为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相同的槽，如图5.3所示。图5.3定子铁心85为安放定子绕组，定子铁心内圆上冲有若干相同的常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如图5.4所示。(a)开口槽高压大中型(b)半开口槽500V以下中型(c)半闭口槽低压160KW以下(1)层间绝缘；(2)槽楔；(3)扁铜线；(4)槽绝缘；(5)槽楔；(6)圆导线图5.4定子槽形86常用的槽形有开口槽、半开口槽以及半闭口槽，如（2）低压中、小容量，根据需要可接成Y形或△形。三相定子绕组的引出线常采用以下两种形式：（1）高压大、中容量，常采用Y接；∆87（2）低压中、小容量，根据需要可接成Y形或△形。2.空气隙空气隙的大小对异步电动机的运行性能有很大影响，具体表现在：①为了减少电动机的励磁电流，提高功率因数，空气隙应尽可能的小；

②空气隙过小，将引起装配困难和运行不可靠；③从减少附加损耗以及高次谐波磁动势产生的磁通来看，空气隙稍大一点也有其有利的一面。（1）决定气隙大小的因素

（2）气隙大小与电机容量的关系

882.空气隙空气隙的大小对异步电动机的运行性能有电机容量（kW）气隙（mm）10以下10~100100~15000.20~0.450.50~0.800.85~1.50

异步电动机的空气隙比同容量同步电动机小得多，在中小型异步电动机中，空气隙大约为0.2~1.5mm。3.转子转子铁心转子绕组转轴组成绕线型笼型89电机容量（kW）气隙（mm）10以下10~100100~15（1）绕线型转子绕组图5.4绕线型转子90（1）绕线型转子绕组图5.4绕线型转子101-转子绕组2-集电环（滑环）3-电刷4-附加电阻A1A2B2B1C1C22134图5.5绕线型异步电动机接线图911-转子绕组2-集电环（滑环）3-电刷4-附加电阻A1A2B（2）笼型转子绕组图5.6笼型转子笼型转子在转子铁心的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，从而形成一个自行闭合的短路绕组。92（2）笼型转子绕组图5.6笼型转子笼型转子笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工作原理是一样的。笼型异步电动机由于构造简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，因此目前已成为生产机械中使用最广泛的一种电动机。如果把转子铁心拿掉，剩下的绕组像个松鼠笼子，因此称为笼型转子。导条的材料可以是铜，也可以是铝。93笼型和绕线型只是在转子的构造上不同，它们的工5.1.2工作原理结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时会产生圆形旋转的基波气隙磁动势，以及基波气隙磁密，并顺着三相绕组中所流过电流的相序方向以同步转速n1旋转。其中，f1为定子电流频率；

p为极对数。分析：如果定子三相绕组（假设为Y接）通入三相对称正弦交流电流，其表达式为945.1.2工作原理结论：定子三相对称绕组流过三相对称电流时0U1U2V1V2W1W2950U1U2V1V2W1W215U1U2V2W1V1W2ωt=0°合成磁场方向向下ωt=120°顺时针旋转120°ωt=240°顺时针旋转240°096U1U2V2W1V1W2ωt=0°合成磁场方向向下ωtn1NSn<n1图5.7电动运行1.电动运行

异步电动机转子的转速n不可能达到同步转速n1，一般总是略小于n1，“异步”二字就是由此而来的。通常把异步电动机同步转速n1和转子转速n二者之差与同步转速n1的比值称为转差率，用s表示，即。97n1NSn<n1图5.7电动运行1.电动运行异步电机处于电动运行状态时的特点：（1）；（2）电磁转矩T与转速n的方向相同；（3）异步电机定子从电源吸收电功率，通过转子轴的转动输出机械功率。当时，；当

时，；当

时，

；当（即

n与n1的转向相反）时，。由式还可以看出98异步电机处于电动运行状态时的特点：（n1NS2.发电运行（回馈制动运行）n>n1图5.7发电运行（1）；异步电机处于发电运行状态时的特点：（2）电磁转矩T与转速n的方向相反；（3）原动机通过异步电机转子输入机械功率，借助于电磁感应，异步电机定子向电源回馈电功率（这里的电功率指有功功率，实际上电机仍需要从电源获得无功功率，以建立磁场）。99n1NS2.发电运行（回馈制动运行）n>n1图5.7发n1NS3.制动运行（电磁制动运行）n图5.8制动运行异步电机处于制动运行状态时的特点：（1）；（2）电磁转矩T与转速n的方向相反；（3）异步电机定子从电源吸收电功率（这里主要指有功功率），转子从外部吸收机械功率，两者都将变为电机内部的损耗。100n1NS3.制动运行（电磁制动运行）n图5.8制动运行5.1.3额定数据图5.9异步电动机铭牌1015.1.3额定数据图5.9异步电动机铭牌21三相异步电动机的铭牌数据主要有：（1）型号（如教材P280所示）；102三相异步电动机的铭牌数据主要有：（1）型号（铁心长度代号：L；M；S

电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的类型选择有代表意义的汉字，并用该汉字的第一个拼音字母表示。例如Y系列三相异步电动机表示如下：

Y2-100L1-2异步电动机设计序号：1；2；3机座中心高(mm)极数：2；4等机座长度代号：1-长；2-短103铁心长度代号：L；M；S电机产品的型号一般采用（2）额定功率PN

：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械功率，单位为W或kW；（3）额定电压UN：指电动机额定运行时，加在定子绕组上的线电压，单位为V；（4）额定电流IN

：指电动机在额定电压下轴端输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A；额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN之间的关系为：式中，为交流电动机的额定效率。输入功率P1为：104（2）额定功率PN：指电动机在额定运行状态时轴端输出的机械（5）额定频率fN

：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电动机外，国内通用的异步电动机的额定频率都是50Hz；（6）额定功率因数：指电动机额定运行时定子侧的功率因数；（7）额定转速nN

：指电动机在额定频率、额定电压下，且轴端输出额定功率时转子的转速，单位为r/min。此外，铭牌上还标明定子绕组接法、绝缘等级、防护等级、冷却方式和重量等。对于绕线型异步电动机，还要标明转子绕组接法、转子额定电压E2N（指定子绕组加额定电压，转子绕组开路时集电环间的线电压）和转子额定电流I2N（指额定运行状态下，转子绕组短路时流过的线电流）等数据。105（5）额定频率fN：我国规定电网的频率为50Hz，除出口电5.2异步电动机的基本方程式和等效电路1.等效电路和基本方程式5.2.2转子旋转时的异步电动机（1）等效电路5.2.1转子不转时的异步电动机1.转子绕组开路（参见教材P118～P124）2.转子绕组短路并堵转（参见教材P124～P131）1065.2异步电动机的基本方程式和等效电路1.等效电路和基本方异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子绕组折算之后得到的T形等效电路如下图（教材P136图5.19）所示。+–+–图5.10三相异步电动机旋转时T形等效电路107异步电动机转子旋转情况下，经过转子频率、转子为附加电阻。图中，为定子绕组的相电压；为定子绕组的相电流；为每相定子绕组的感应电动势；为定子绕组每相的漏阻抗；为气隙磁通的励磁电流；为励磁阻抗；为转子绕组每相漏阻抗的折算值；为转子绕组相电流的折算值；为每相转子绕组感应电动势的折算值；108为附加电阻。图中，为定子绕组的相电压；为定子绕组的相电流；为（2）基本方程式和上图所对应基本方程式为：+–+–109（2）基本方程式和上图所对应基本方程式为：+–+–292.简化等效电路+–图5.11三相异步电动机简化等效电路1102.简化等效电路+–图5.11三相异步电动机简化等效电实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路算出的定、转子电流及励磁电流，与用图5.10所示T形等效电路算出的值相当接近，但对小容量异步电动机，其误差较大。设简化等效电路的励磁电流为，转子电流为。由简化等效电路图（教材P140图5.22）可以很方便地算出：111实际应用表明，对于大中型电机，用简化等效电路5.3

异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率三相异步电动机稳定运行时，定子绕组从电源输入的电功率为式中，U1为定子绕组相电压；

I1为定子绕组相电流；

为定子侧的功率因数。

定子铜损耗pCu1为式中，R1为定子绕组每相电阻。1125.3异步电动机的功率和转矩5.3.1三相异步电动机的功率电动机的铁损耗pFe（磁滞和涡流损耗）为由于PM是通过电磁感应向转子电路传送的，所以称为电磁功率。

转子绕组铜损耗pCu2为113电动机的铁损耗pFe（磁滞和涡流损耗）为电磁功率PM减去转子铜损耗pCu2即为附加电阻上的功率，这部分功率实际上就是传输到电动机转轴上的机械功率Pm。可以看出，电磁功率、转子铜损耗和机械功率之间存在一定的比例关系，即114电磁功率PM减去转子铜损耗pCu2即为附加三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩擦阻转矩，也要损耗一部分功率，这部分功率称为机械损耗，用pm表示。此外，由于异步电动机定、转子开槽和谐波磁动势的存在，还要产生一些附加损耗，用pS表示（参见参考书7第153页）。对中小型异步电动机，满载时pS可达额定输出功率的1%~3%；对于大型异步电动机，pS约为额定输出功率的0.5%。

三相异步电动机转轴上输出的功率P2115三相异步电动机运行时，存在着轴承以及风扇等摩图5.12三相异步电动机的功率流程图通过以上分析可知，三相异步电动机运行时从电源输入电功率P1到转轴上输出功率P2的传递过程为116图5.12三相异步电动机的功率流程图通过以例题5-2

一台三相异步电动机，额定功率PN=75kW，额定电压UN=380V，额定转速nN=1486r/min，定子Δ形联结。已知定子每相电阻R1=0.07796Ω，每相漏电抗X1=0.3014Ω，励磁电阻Rm=0.798Ω，励磁电抗

Xm=16.96Ω，转子每相电阻为，每相漏电抗。试用T形等效电路计算额定负载运行时：（1）定子电流；（2）输入功率；（3）电磁功率；（4）转子电流；（5）定子铜损耗；（6）铁损耗；（7）转子铜损耗；（8）机械功率。解：额定转差率为117例题5-2一台三相异步电动机，额定功率PN=75kW，额T形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：+–+–118T形等效电路各部分阻抗的计算过程如下：+–+–38+–+–119+–+–39（1）定子相电流为定子线电流为+–+–120（1）定子相电流为定子线电流为+–+–40定子感应电动势为（2）输入功率为+–+–121定子感应电动势为（2）输入功率为+–+–41+–+–（3）转子电流为（4）电磁功率为122+–+–（3）转子电流为（4）电磁功率为42（5）定子铜损耗为（6）励磁电流为（7）转子铜损耗为（8）机械功率铁损耗为123（5）定子铜损耗为（6）励磁电流为（7）转子铜损耗为（8）机5.3.2三相异步电动机的转矩式中，

是电动机转轴上输出的转矩；

是机械摩擦转矩；

是附加损耗转矩；

是电动机的空载转矩。1245.3.2三相异步电动机的转矩式中，

电磁转矩T与电磁功率PM的关系为式中，是同步机械角速度。式中，为一常数，称为转矩系数；为气隙每极磁通量；为转子电流；为转子功率因数。上式称为电磁转矩的物理表达式。125电磁转矩T与电磁功率PM的关系为式中，例题5-3

一台四极三相异步电动机，其额定数据为：PN=55kW，UN=380V。额定负载运行时，定子铜耗pCu1=1091W，铁耗pFe=972.5W，转子铜耗pCu2=737.2W，机械损耗pm=600W，附加损耗pS=1100W，求额定负载运行时：（1）机械功率；（2）电磁功率；（3）额定转速；（4）电磁转矩；（5）空载转矩；（6）输入功率；（7）效率。解：（1）机械功率为（2）电磁功率为126例题5-3一台四极三相异步电动机，其额定数据为：PN=5额定转差率为（3）额定转速为（4）电磁转矩为或127额定转差率为（3）额定转速为（4）电磁转矩为或47（5）空载转矩为（6）输入功率为（7）效率为128（5）空载转矩为（6）输入功率为（7）效率为485.4异步电动机的机械特性

三相异步电动机在电源电压U1、电源频率f1以及电机参数固定的条件下，其电磁转矩T与转子转速n之间的关系，定义为三相异步电动机的机械特性。1.定义（1）函数表示法2.表示方法或（2）曲线表示法

T-s曲线1295.4异步电动机的机械特性三相异步电动机在电5.4.1机械特性的参数表达式

再利用三相异步电动机简化等效电路，得到转子电流有效值为1305.4.1机械特性的参数表达式再利用三相异步电

因为，故有

当异步电动机的定子电压U1、电源频率f1以及电机参数、、、都为确定值时，改变转差率s，就能按上式算出对应的电磁转矩T。131因为，故有

异步电动机的T-s曲线如下图所示：T01nsn10图5.13三相异步电动机的机械特性132异步电动机的T-s曲线如下图所示：T01ns该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：（1）当0<s<1或0<n<n1时，电磁转矩T和转子的转速n都为正，这时电机处于电动运行状态；（2）当s<0或n>n1时，电磁转矩T为负，转子的转速n为正，电机处于回馈制动运行状态，即发电状态。（3）当s>1或n<0时，电磁转矩T为正，转子的转速n为负，电机处在制动运行状态。1.最大转矩Tm133该曲线可以反映电动机所处的不同运行状态：

令，可得

sm又称为临界转差率。其中，“+”号用于电动状态；“-”号用于发电状态；在一般情况下，的值不超过的5%，如果忽略R1的影响，sm和Tm可以近似表示为134令，可得sm又称为临最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，也叫过载能力，用km表示普通中小型三相异步电动机的过载倍数km=2.0~2.2；起重、冶金机械用的三相异步电动机的过载倍数km=2.2~2.8。135最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为过载倍数，2.堵转转矩（起动转矩）TS当s=1（即n=0）时的电磁转矩，称为堵转转矩，用TS表示。异步电动机堵转转矩TS与额定转矩TN之比，称为堵转转矩倍数，用kS表示堵转转矩倍数kS的大小，反映了电动机起动负载的能力。堵转转矩倍数设计得越大，电动机起动就越快，电机的成本也随之增加。1362.堵转转矩（起动转矩）TS当s=1（对于Y系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩倍数kS=1.7~2.2。对于三相绕线转子异步电动机，可以通过在转子回路中串入电阻来改变堵转转矩的大小，这部分内容将在转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性中介绍。5.4.2机械特性的实用公式前面分析异步电动机的机械特性，是基于电动机参数已知这一前提条件下的。1.实用公式的表达式通过推导求得的机械特性的实用公式如下137对于Y系列小型笼型三相异步电动机，其堵转转矩上式中的Tm和sm可以根据异步电动机产品目录中的有关数据求出。2.实用公式的证明138上式中的Tm和sm可以根据异步电动机产品目录用T除以Tm，并取正号，可得又由可得于是有139用T除以Tm，并取正号，可得又由可得于是有59将上式分子分母同乘以，并认为，可得

一般异步电动机的值在0.12~0.20范围内。若将分子分母中相对较小的都忽略不计，则可得到简化的计算公式140将上式分子分母同乘以，并认为根据电机的额定转速nN、额定功率PN和过载倍数km，求取Tm和sm的过程如下：额定转矩上式中忽略了空载转矩T0。

最大转矩

额定转差率

把TN、sN和km代入机械特性的实用公式，可得141根据电机的额定转速nN、额定功率PN和过载倍当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时，就可以把T=TL代入实用公式，求得电动机运行时的转差率s，进而得到电动机的转速。

由上式可解得3.实用公式的应用142当三相异步电动机拖动负载转矩TL已知时，就可如果是三相异步电动机的转差率s（或转速）已知，把它带入实用公式，可求得电动机的电磁转矩（1）实用公式形式简单，使用方便，但有一定的适用范围，即0<s<sm。（2）如果用它计算三相异步电动机的堵转转矩，则误差较大。4.关于实用公式的说明143如果是三相异步电动机的转差率s（或转速）已知例题5-4

一台三相异步电动机的额定功率PN=30kW，额定电压UN=38