电工学少学时第六章

第6章电动机

第6章电动机

6.1电机概述

6.2三相异步电动机的工作原理

6.5三相异步电动机的机械特性

6.4三相异步电动机的铭牌数据

6.6三相异步电动机的起动

6.7三相异步电动机的调速

*6.8单相异步电动机

6.3三相异步电动机的基本结构

*6.9交流伺服电动机*6.10步进电动机

*6.11三相同步电动机

*6.12直流电动机

*6.13电动机的选择

电动机的分类：电动机交流电动机直流电动机三相电动机单相电动机同步电动机异步电动机他励、并励电动机串励、复励电动机6.1电机概述

电动机是将电能转换成机械能的装置。广泛应用于现代各种机械中作为驱动。 由电动机驱动的优点：减轻繁重的体力劳动；提高生产率；可实现自动控制和远距离操纵。6.3三相异步电动机的基本构造1.定子铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。A----XB----YC----Z三相绕组机座：铸钢或铸铁

转子:在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。2.转子鼠笼转子铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。(1)鼠笼式转子铁芯槽内放铜条，端部用端路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。(2)绕线式转子同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。鼠笼式绕线式鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：鼠笼式：

结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。绕线式：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。6.2三相异步电动机的转动原理一、旋转磁场AXBYCZ1.旋转磁场的产生o

定子对称三相绕组中通入对称三相电流(星形联接)o规定i:“+”首端流入，尾端流出。i:“–”尾端流入，首端流出。AYCBZX(•)电流出()电流入iA旋转磁场的产生

t=0°tiAZBXCYiA=0iB为负值iC为正值NS0°iBiCt

t=60°iAZBXCYNS60°iC

=0iB为负值iA为正值iAiBiC0

t=90°AZBXCYNS90°iA为正值iB为负值iC为负值tiiAiBiC0t=180°AZBXCYiA=0iB为正值iC为负值180°NStiiAiBiC0t=60AZBXCYNS60°t=90°AZBXCYNSt=0°AZBXCYNS90°t=180AZBXCYNS180°0°合成磁场方向向下合成磁场旋转60合成磁场旋转90空间相差120º

角的三相绕组，通入对称三相电流时，产生的是一对磁极的旋转磁场,当电流经过一个周期变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转了一周(在空间旋转的角度为360º

)。综上分析可以得出：tiiAiBiC0ABCXYZiAiC9060°0AZBXCYNS0°AZBXCYNS60°相序A-C-B-AAZBXCYNS90°iB2.旋转磁场的旋转方向改变流入三相绕组的电流相序,就能改变旋转磁场的转向;改变了旋转磁场的转向,也就改变了三相异步电动机的旋转方向。综上分析可以得出：3.旋转磁场的极对数P当三相定子绕组按图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：otAXBYCZAXYCBZ

若定子每相绕组由两个线圈串联

，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'AXBYCiAiBiCABCXYZA'B'C'X'Y'Z'60°0°t=0°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'0°SNt=60°NSAZ'BX'C'XCYA'ZB'Y'30°SN0°tiiAiBiC0tiiAiBiC090°180°t=90°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'45°SNt=180°AZ'BX'C'NSXCYA'ZB'Y'90°SN90°ABCXYZA'B'C'X'Y'Z'iAiBiC当定子每相中有两个绕组串联,且每相绕组在空间相差60º时,通入对称三相交流电后,也产生一个旋转磁场,但它是一个四极旋转磁场。当电流变化一周,旋转磁场在空间只转了半周(180º空间角),旋转速度较两极磁场慢了一半。综上分析可以得出：4.旋转磁场的转速工频：旋转磁场的转速取决于磁场的极对数p=1时0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZp=2时0旋转磁场转速n0与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。可见:二、电动机的转动原理1.转动原理AXYCBZ定子三相绕组通入三相交流电方向:顺时针

切割转子导体右手定则感应电动势E20旋转磁场感应电流I2旋转磁场左手定则电磁力FF电磁转矩TnF三、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之比称为转差率。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n不可能达到与旋转磁场的转速相等，即异步电动机如果: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，磁通不切割转子导条无转矩因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。异步电动机运行中:转子转速亦可由转差率求得转差率s例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：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：n0=1000r/min,即p=3额定转差率为三相异步电动机的电路分析

三相异步电动机的电磁关系与变压器类似。变压器：变化eU1E1=4.44fN1

E2=4.44fN2E1、E2频率相同，都等于电源频率。异步电动机每相电路i1u1e1e

1e2e

2i2+－++++－－－－f1f2一、定子电路1.旋转磁场的磁通异步电动机：旋转磁场切割导体e，

U1

E1=4.44

f1N1每极磁通旋转磁场与定子导体间的相对速度为n0，所以2.定子感应电势的频率f1感应电势的频率与磁场和导体间的相对速度有关f1=电源频率f二、转子电路1.转子感应电势频率f2∵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变化定子感应电势频率f1转子感应电势频率f2

转子感应电势频率f2旋转磁场切割定子导体和转子导体的速度不同

方法：任意调换电源的两根进线，电动机反转。电动机正转电动机反转电源~UVWM3~UVW电源~M3~2.电磁转矩的方向电磁转矩的方向与旋转磁场的转向一致转子旋转的方向与旋转磁场的转向相同。3.电磁转矩的大小

T

∝，I2cos2

T=CTmI2cos2T=KTsR2U1f1[R2＋(sX2)

2]

22常数，与电机结构有关旋转磁场每极磁通转子电流转子电路的功率因数由公式可知电磁转矩公式1.T与定子每相绕组电压成正比。U1T2.当电源电压U1一定时，T是s的函数。3.R2

的大小对T有影响。绕线式异步电动机可外接电阻来改变转子电阻R2，从而改变转距。三、转矩平衡

空载转矩：T0输出转矩：T2=T－T0

T负载转矩：TL当T2=TL稳定运行当T2>TL加速运行当T2<TL减速运行电磁转矩空载转矩电动机在满载运行或半载运行时，空载转矩可忽略不计电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。此过程中，n、sE2,I2

I1电源提供的功率自动增加。TLsT2＜TLTL=T2nT

达到新的平衡电动机只有

T2=TL，才能稳定运行

T=T2=TL三功率关系

P2=P1－P输入的电功率:P1=√3U1I1cos1输出的机械功率:P2=T22πn60=T2功率损耗:

P

=PCu+PFe+PMe电动机的效率:η=P2/P1100%例6.2.1某三相异步电动机，极对数

p=2，定子绕组三角形联结，接于50HZ、380V的三相电源上工作，当负载转矩TL=91N.m时，测得I1L=30A,P1=16KW,n=1470r/min,求该电动机带此负载运行时的s、P2、ŋ

和λ60f1η=P2/P1=14/16=87.5%n0

=2=1500

r/min=1500-14701500=0.022πn60=T2

P2

2×3.1460=×91×1470W=14KWλ=P1√3U1LI1L=0.81解6.4三相异步电动机铭牌数据1.型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y132M－4

用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。机座长度代号机座中心高（mm）三相异步电动机异步电动机产品名称代号产品名称异步电动机绕线式异步电动机防爆型异步电动机高起动转矩异步电动机新代号汉字意义老代号Y异异绕异爆异起YRYBYQJ、JOJR、JROJB、JBOJQ、JQO2.接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结3.电压例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时采用Y联结；线电压为220V时采用

联结。说明：一般规定，电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5%。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。电动机在额定运行时定子绕组上应加的线电压值。三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。4.电流例如：Y/6.73/11.64A

表示星形联结下电机的线电流为6.73A；三角形联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。

5.功率与效率鼠笼电机

=72~93％电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车”的现象。6.功率因数PN三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7~0.9。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。7.额定转速电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。P2cosO如：n

N=1440转/分sN=0.048.绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105ºC)，H级最高(180ºC)。例1：电动机的额定功率是指输出功率，还是输入功率？额定电压是指线电压，还是相电压？额定电流是指定子绕组的线电流，还是相电流？功率因数的角是定子相电流与相电压间的相位差，还是线电压与线电流间的相位差？

[例6.4.1]Y180M-2型三相异步电动机，PN=22kW，UN=380V，三角形联结，IN=42.2A，N=0.89,fN=50Hz、nN

=2940r/min。求额定状态下运行时的：(1)转差率;(2)定子绕组的相电流;(3)输入有功功率;(4)效率。[解]

(1)由型号知该电动机的2p＝2，即p＝1，(2)定子三相绕组为三角形联结==0.023000－29403000n0－nNn0sN=IN3=A=24.36A42.23I1P=(4)效率(3)输入有功功率P1N=3UN

IN

N=3×380×42.2×0.89W=24.8kWPNP1NN

=100%=100%

=89%2224.8固有特性人为特性

在额定电压、额定频率，转子电路不外串参数时在改变电压、频率及转子电路参数时n=f(T)T=f(s)

转矩特性三相异步机的T与s之间的关系机械特性三相异步机n与T之间的关系T=f(s)n=f(T)T=f(s)n=f(T)6.5三相异步电动机的机械特性一、固有特性OTOTS1O转矩特性机械特性MMSSNN电动机在额定负载时的转矩。1.额定转矩TN三个重要转矩OT额定转矩(N•m)

例：如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型)的额定功率为7.5kw,额定转速为1440r/min,则额定转矩为N2.最大转矩Tmax电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率OTTmax将sm代入转矩公式，可得转子轴上机械负载转矩TL不能大于Tmax，否则将造成堵转(停车)。过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使TL

<Tmax，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。

电动机的最大过载可以接近最大转矩。如果过载时间较短，电动机不至于长时间过热，是允许的。因此，最大转矩也表示电动机短时容许过载能力。电动机的额定转矩TN比Tmax要小，两者之比为过载系数

转子轴上机械负载转矩TL不能大于Tmax，否则电动机就带不动负载了，发生闷车现象。闷车后，电动机的电流马上升高六七倍，电动机严重过热，以致烧坏。当U1一定时，Tmax为定值注意：三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。(2)sm与R2有关，R2smn。绕线式电机改变转子附加电阻R´2可实现调速。3.起动转矩Tst电动机起动时的转矩。起动时n=0时，s=1(2)Tst与R2有关，适当使R2Tst。对绕线式电机改变转子附加电阻R´2,可使Tst=Tmax

。OTTst

TS体现了电动机直接起动的能力。若TS>TL电动机能起动，否则将起动不了。起动转矩倍数:Y系列：KS=1.6～2.2KC=5.5～7.0起动电流:MNSTNsN1TSTMsMTOsTS

TNKS=IS

INKC=4.电动机的运行分析电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载）。此过程中，n、sE2,I2

I1电源提供的功率自动增加。TLsTL>T2TL=T2nT

T´2达到新的平衡T2常用特性段TO[例6.5.1]某三相异步电动机，额定功率PN=45kW，额定转速nN=2970r/min，KM=2.2，KS=2.0。若TL=200N·m，试问能否带此负载：(1)长期运行;(2)短期运行;(3)直接起动。[解](1)电动机的额定转矩由于TN<TL，故不能带此负载长期运行。

TN==×N·m=145N·m60

2PNnN60

2×3.1445×1032970(2)电动机的最大转矩TM=KMTN=2.2×145N·m=319N·m由于TM>TL，故可以带此负载短时运行。

(3)电动机的起动转矩由于TS>TL，故可以带此负载直接运行。

TS=KSTN=2.0×145N·m=290N·m二.人为特性(1)

U1变化对机械特性的影响UTmTstT2TO(2)R2变化对机械特性的影响TOR2Tstn硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。(2)R2变化对机械特性的影响

不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。TOR2Tstn硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加时转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。6.6三相异步电动机的起动一、起动性能起动问题：起动电流大，起动转矩小。

一般中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍;电动机的起动转矩为额定转矩的(1.0~2.2)倍。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，使电机过热后果：原因：起动：

n=0，s=1,接通电源。起动时，n=0，转子导体切割磁力线速度很大，转子感应电势转子电流定子电流

二、笼型异步电动机的起动1.直接起动(全压起动)

(a)小容量的电动机；(b)电源容量足够大时。规定：7.5kW以下直接起动7.5kW以上，且电源容量能满足起动电流倍数≤3+1

4IS

INKC=电源容量(kV·A)电机功率(kW)(2)降压起动：星形-三角形(Y－)换接起动自耦降压起动（适用于鼠笼式电动机）(3)转子串电阻起动（适用于绕线式电动机）以下介绍降压起动和转子串电阻起动。1.降压起动(1)Y－换接起动

降压起动时的电流为直接起动时的+－

起动U1U2V1V1W1W2+－正常运行U1U2V1V2W1W2设：电机每相阻抗为Y－起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点Y－起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2Y－起动器接线简图工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2(a)仅适用于正常运行为三角形联结的电机。

(b)Y－起动Y－换接起动适合于空载或轻载起动的场合Y-换接起动应注意的问题正常运行UlU1W2V2W1+＿U2V1UP

起动+＿Ul+＿U1W2V2W1U2V1例1:1)解:

一台Y225M-4型的三相异步电动机，定子绕组△型联结，其额定数据为：P2N=45kW,nN=1480r/min，UN=380V，N=92.3%，cosN=0.88，Ist/IN=7.0,Tst/TN=1.9，Tmax/TN=2.2，求：

1)额定电流IN?2)额定转差率sN?3)额定转矩

TN、最大转矩Tmax、和起动转矩TN。

2）由nN=1480r/min，可知p=2（四极电动机）3）解：在上例中(1)如果负载转矩为510.2N•m,试问在U=UN和U´=0.9UN两种情况下电动机能否起动？（2）采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，电动机能否起动？(1)在U=UN时

Tst=551.8N•m>510.2N.m不能起动(2)Ist=7IN=784.2=589.4A

在U´=0.9UN时能起动例2:在80%额定负载时不能起动在50%额定负载时可以起动(3)(2)自耦降压起动L1L3L2FUQQ2下合：接入自耦变压器，降压