第七章 异步电动机

第7章异步电动机7.1三相异步电动机的结构和工作原理7.2三相异步电动机的特性7.3三相异步电动机的使用7.4单相异步电动机和特种电动机7.1三相异步电动机的结构和工作原理实现机械能和电能互相转换的旋转机械称为电机。电机主要分为发电机和电动机。发电机主要是把机械能转换为电能。电动机把电能转换为机械能。交流电动机电动机直流电动机鼠笼式绕线式异步机同步机他励、异励、串励、复励电动机的分类

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。异步电动机单相电动机三相电动机7.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机由定子和转子构成。下面是它主要部件的拆分图。一、定子部分1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——

导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。定子由机座、定子铁心、定子绕组和端盖等组成。二、转子部分1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2、转子绕组：1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。转子由转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等组成。鼠笼式转子绕组有铜条和铸铝两种形式。铜条鼠笼式转子铁心和绕组结构示意图采用铸铝的鼠笼式转子三相绕线型转子结构图绕线式转子绕组的形式与定子绕组基本相同，3个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个始端连接在3个铜集电环上，通过电刷与外电路的可变电阻器相连接，用于起动和调速。7.1.2三相异步电动机的工作原理1.定子的旋转磁场把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。AXYCBZAXBYCZ合成磁场方向：向下同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：结论：在对称的三相绕组中通入三相电流，可以产生在空间旋转的合成磁场。各瞬时合成磁场的磁通大小和分布相同，但方向不同，其值等于通过每项绕组的磁通最大值。当电流变化一周时，旋转磁场在空间正好转过一周。旋转磁场的转速大小

一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°。则同步转速（旋转磁场的速度）为：极对数（P）的概念AXBYCZ此种接法下，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZ极对数（P）的改变C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内。形成的磁场则是两对磁极。AXBYCZ极对数C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'极对数和转速的关系三相异步电动机的同步转速极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转方向：取决于三相电流的相序。改变电机的旋转方向：换接其中两相旋转磁场的旋转方向磁铁闭合线圈2.转子的转动磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流

i（左手定则）通电导线在磁场中受力1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致结论：异步2.线圈比磁场转得慢无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果转差率的概念：异步电机运行中:转差率为旋转磁场的同步转速和电动机转速之差。即：电动机起动瞬间:（转差率最大）3.电动势和电流

1）.异步电动机中的电磁关系异步电动机转动时的电磁关系与变压器相似。定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组相当于副绕组。当3个定子绕组接上三相电源电压时，将有三相电流流过，并产生旋转磁场。这个旋转磁场不仅要在每相转子绕组中感应出电动势e2，而且要在每相定子绕组中感应出电动势e1。下图是每相定子绕组和转子绕组的电路。图中,eσ1和eσ2是定子电流和转子电流在周围形成的漏磁通产生的感应电动势。i2转、定子电路R1R2i1u1e1e

1e2e

2

2）.定子电路分析

电动机内部的旋转磁场在垂直于N、S的方向近似呈正弦分布，因此当它匀速转动时切割每相定子绕组的磁通量Φ1也将按正弦规律变化。设Φ1=Φmsinω1t。其中Φm为通过每相绕组的最大磁通量，等于磁感应强度的平均值与每极磁场面积的乘积(也就是旋转磁场每极的磁通量)。由上图可知：式中，R1为定子绕组的损耗电阻。由于磁通Φ1按正弦规律变化，因此i1，e1、eσ1也都按正弦规律变化，上式用相量表示为定子绕组的电阻R1和漏磁通Φσ1都很小，和相比可以忽略不计。所以上式说明，电源电压U1主要用来克服旋转磁场的感生电动势E1。根据法拉第电磁感应定律，旋转磁场产生的感应电动势，由此可求出其有效值为式中，N1为每相定子绕组的匝数（假设每匝情况相同），f1为旋转磁场的频率。3）三相异步电动机的转子电路

旋转磁场在转子每相绕组中感应出的电动势为其有效值为式中，f2为转子电动势e2或转子电流i2相对于旋转磁场的频率.因为旋转磁场和转子间的相对转速为n0-n在n=0，即S=1时，转子电动势为为转子最大电动势可见转子电动势E2与转差率S有关。和定子电流一样，转子电流也要产生漏磁通，从而在转子每相绕组中还要产生漏磁电动势。因此，对于转子每相电路，有如用复数表示，则为

式中，R2和X2——转子每相绕组的电阻和漏磁感抗在n=0，即S=1时，转子感抗为为转子最大感抗可见转子感抗X2与转差率S有关。

转子每相电路的电流为

可见转子电流I2也与转差率S有关。当S增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速增加，转子导体被磁力线切割的速度提高，于是E2增加，I2也增加。结论：转子转动时，转子电路中的各量均与转差率

s有关，即与转速n有关。7.2三相异步电动机的特性7.2.1转矩特性常数每极磁通转子电流转子电路的将其中参数代入：得到转矩公式7.2.2机械特性在异步电动机中，转速n=(1-S)n0，为了符合习惯画法，可将曲线换成转速与转矩之间的关系曲线，即称为异步电动机的机械特性。根据

三相异步电动机的固有机械特性曲线如图所示。OT异步电动机自动适应机械负载的变化OT额定工作点稳定区不稳定区三相异步电动机的机械特性曲线1、稳定区和不稳定区以最大转矩为界，机械特性分为两个区，上边为稳定运行区，下边为不稳定运行区。三个重要转矩.额定转矩：电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率

时，电机转轴上输出的转矩。(1)（牛顿•米）如果电机将会因带不动负载而停转。.最大转矩：(2)电机带动最大负载的能力。求解过载系数：三相异步机工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转。致使注意：（1）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）电机严重过热.起动转矩：(3)电机起动时的转矩。其中则体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。和电压的关系结论：3、U1和R2变化对机械特性的影响和转子电阻的关系R2的

改变

：鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。

令：得：结论：机械特性的软硬硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。硬特性（R2小）软特性（R2大）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。三、运行特性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。T2sT2>TT=T2nT

T´2达到新的平衡T2常用特性段TO7.3三相异步电动机的使用7.3.1三相异步电动机的铭牌和技术数据1.型号Y132M－42.额定功率：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：其中鼠笼电机=72－93％3.频率：电动机所接交流电源的频率。4.额定电压：

定子绕组在指定接法下应加的线电压.5.额定电流：

定子绕组在指定接法下的线电流。6.联接方式：Y/接法：

Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ接线盒：转差率7.转速:电机轴上的转速（n)。如：n=1440转/分额定负载时一般为0.7~0.9，空载时功率因数很低约为0.2~0.3。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。8.功率因数(cos1)：P2PNcos1一、类型的选择一般应用场合应尽可能选用鼠笼式电动机。只有在需要调速、不能采用鼠笼式电动机的场合才选用绕线式电动机。

7.3.2

三相异步电动机的选择

在只有单相交流电源或需要功率较小的场合，可采用单相异步电动机。

在有特殊要求的场合，可选用特种异步电动机。二、容量（额定功率）的选择功率选得过大不经济，功率选得过小电动机容易因过载而损坏。1.对于连续运行的电动机，所选功率应等于或略大于生产机械的功率。2.对于短时工作的电动机，允许在运行中有短暂的过载，故所选功率可等于或略小于生产机械的功率。3、对于断续工作的电动机，应考虑其负载的持续率，同一型号的电动机，负载持续率越小，其额定功率越大。

三、额定电压的选择Y系列鼠笼电动机的额定电压只有380V一个等级。大功率电动机才采用3000V和6000V。单相电动机都选用额定电压为220V。根据电动机的类型、功率以及使用地点的电源电压来决定。四、额定转速的选择由可知，额定功率相同的电动机，额定转速越高，则额定转矩越小；由可知，转矩与电流和磁通的乘机成正比，而电流和磁通又大体上决定了电动机所用的导线和铁心的重量。所以转速高的电动机体积小，价格低。同时必须全面考虑电动机和传动机构各方面因素，确定最合适的额定转速。五、结构的选择根据工作环境的条件选择不同的结构型式，如开启式、防护式、封闭式和防爆式电动机。开启式：在结构上无特殊防护装置，通风散热好，价格便宜，适合干燥无灰尘的场所。防护式：一般可防雨、防溅及防止杂物掉入电机内部，但不能防尘防潮。适用于灰尘不多且较干燥的场所。封闭式：外壳严密封闭，适用于潮湿、多尘或含有酸性气体的场所。防爆式：整个电机（包含接线端）全部蜜蜂，适用于有爆炸性气体的场所，例如在石油、化工企业及矿井中。7.3.3起动起动电流：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍。定子电流原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流大电流使电网电压降低影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累电机过热影响：三相异步机的起动方法：(1).直接起动。(2).减压起动。Y－起动自耦降压起动(3).转子串电阻起动。1．直接起动直接起动是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上的起动方式，又叫全压起动。优点：起动简单。缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20％。2.Y－起动：正常运行AZBYXC

起动ABCXYZ设：电机每相阻抗为AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP'（2）Y－起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。所以降压起动适合于空载或轻载起动的场合Y－起动。自耦降压起动：利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。（3）软起动软起动是指，起动时通过软起动器（一种晶闸管调压装置）使电压从某一较低值逐渐上升至额定值，起动后再用旁路接触器KM使电动机投入正常运行。图FU1中是普通熔断器，而FU2是快速熔断器，保护软起动器用的。M3~软起动器L1L2L3QSFU1FU2KM3.转子串电阻起动定子RRR线绕式转子起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。（1）（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动力矩。7.3.4调速调速是指在电动机负载不变的情况下人为地改变电动机的转速。三种电气调速方法1、变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~频率调节范围：0.5~几百赫兹2、变极调速(有级调速)

变频调速方法可实现无级平滑调速,调速性能优异，因而正获得越来越广泛的应用。A1X1A2X2iiP=2··A1A2X1X2··NNSSA1X1A2X2ii••P=1采用变极调速方法的电动机称作双速电机，由于调速时其转速呈跳跃性变化，因而只用在对调速性能要求不高的场合，如铣床、镗床、磨床等机床上。A1··A2X1X2SNTo3、变转差率调速

(无级调速)

变转差率调速是绕线式电动机特有的一种调速方法。其优点是调速平滑、设备简单投资少，缺点是能耗较大。这种调速方式广泛应用于各种提升、起重设备中。nn'••TLTLs

´s••Tso7.3.5反转和制动方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。1、反转正转反转ABCM3~电源ABCM3~电源

2、制动制动方法机械制动电气制动能耗制动反接制动发电反馈制动当电动机的定子绕组断电后，转子及拖动系统因惯性作用，总要经过一段时间才能停转，为此需要对电动机进行制动。机械制动：抱闸：加机械抱闸；M3~M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧M3~抱闸电磁铁制动轮弹簧1）、能耗制动

在断开三相电源的同时，给电动机其中两相绕组通入直流电流，直流电流形成的固定磁场与旋转的转子作用，产生了与转子旋转方向相反的转距（制动转距），使转子迅速停止转动。nF转子Tn0=0M3~+-运转制动•RP

2）.反接制动：停车时，将电动机接电源的意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。即切割磁力线的速度很大，造成，引起。注意：M3~运转制动•nF转子Tn07.4单相异步电动机和特种异步电动机7.5.1单相异步电动机使用单相交流电源的异步电动机称为单相异步电动机。

单相异步电动机主要应用于电动工具、洗衣机、电冰箱、空调、电风扇等小功率电器中。单相异步电动机的定子中放置单相绕组,转子一般用鼠笼式。特点在于定子绕组通入的是单相交流电，所产生的是一个位置固定不变，而大小和方向随时间作正弦变化的脉动磁场。若不采取措施，将无法获得所需的起动转矩。必须再加一个与此脉动磁场频率相同、相位不同、在空间相差一个角度的另一脉动磁场与其合成。为了获得所需的起动转矩，单相异步电动机的定子进行了特殊设计。常用的单相异步电动机有电容分相式异步电动机和罩极式异步电动机。他们都采用鼠笼式转子，但定子结构不同。一、电容分相式异步