第7章 异步电动机原理

主要内容：

1、了解异步电机的基本结构；

2、掌握与异步电机有关的一些物理概念；

3、掌握异步电机的等效电路和参数测定方法；

4、掌握异步电动机的功率平衡式和转矩平衡式；

5、掌握异步电动机的机械特性和稳定运行条件；

6、了解异步电机的工作特性及其测试方法；第7章异步电动机原理2/5/20231§7.1异步电动机的结构、额定数据与工作原理§7.1.1异步电动机的主要用途和分类1、异步电动机的优缺点

优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。

缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于１。要求：了解异步电机的定子和转子的基本结构；掌握异步电机的铭牌数据和工作原理异步电机又叫感应电机。2/5/202322、异步电动机的分类（1）按定子相数分有①单相异步电动机；②两相异步电动机；③三相异步电动机。（2）按转子结构分有①绕线式异步电动机；②鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。（3）根据电机定子绕组上所加电压有①高压异步电动机；

②低压异步电动机。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。2/5/202333、异步电动机的主要用途主要做电动机使用（工业、农业、民用）；

也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。2/5/20234下面是它主要部件的拆分图。§7.1.2三相异步电动机的结构异步电动机在结构上主要也是由定子、转子、气隙组成。2/5/20235D联结Y联结A

B

CA

B

CZ

X

YZ

X

Y（2）定子铁心1、定子异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。（1）定子绕组

是电机的电路部分，绕组用带绝缘的铜导线绕制，嵌在定子槽内，绕组与槽壁间用绝缘材料隔开。接线方式见第6章。2/5/20236是电动机磁路的一部分，装在机座里。用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。当铁心直径大于1m时，用扇形硅钢片。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。2/5/20237（3）机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。2、气隙异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2—2.0mm左右。气隙越小，电机的功率因数越高，但会使电机的装配困难，运行不可靠，易发生扫膛现象。此外，为减小附加损耗以及减少高次谐波磁动势产生的磁通，气隙应该大些。2/5/20238异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。（1）转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。3、转子（2）转子绕组：分为笼型和绕线型两类。a）绕线型转子：转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上（也称为集电环），用一套电刷装置引出来。具体的槽形参见图7-5和有关资料。2/5/20239笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。如果是铝，其工艺应该用铸铝，把熔化的铝注入转子槽中，且把风扇和端环一同铸成，工艺简单，适合于中、小型电机的笼型转子。

如果是铜，其工艺是焊接。就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起。适合于大型电机的笼型转子。绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求启动电流小，启动转距大，或需平滑调速的场合使用。

b）笼型转子：2/5/202310静止部分:定子转动部分:转子气隙主要部件：定子铁芯、定子绕组、机座主要部件：转子铁芯、转子绕组、转子轴作用：通过三相电流建立旋转磁场固定和支撑定子铁芯作用：带动其他机械设备旋转。

三相异步电动机三相异步电动机的转子铁芯a）铜条转子b）铸铝转子

鼠笼型转子绕组结构示意图a）铜条转子绕组b）铸铝转子绕组2/5/202311§7.1.3异步电机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。

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全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如Y系列三相异步电动机表示如下：

Y100L12

异步电动机

极数机座中心高

机座长度代号铁心长度代号

1、型号2/5/2023122、额定值（1）额定功率PN

：指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是KW。（2）额定电压UN

：指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。（3）额定电流IN

：

指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。（4）额定频率f1

：指我国规定工业用电的频率是50Hz。（5）额定转速nN

：指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min。（6）额定功率因数：指电动机加额定负载时，定子边的功率因数。2/5/202313（1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/△”时，这种情况下，究竟是接成Y或△，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成△接。（2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时△”时，则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复△接法。对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。3、如何根据电机的铭牌进行定子接线如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论。2/5/202314定子接三相电源上，绕组中流过三相对称电流，气隙中建立基波旋转磁动势，产生基波旋转磁场，转速为同步速度:这个同步速的气隙磁场切割转子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的电流；转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，这个力矩驱动转子旋转，实现电动机的工作过程。§7.1.4异步电动机的工作原理2/5/202315§7.2三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系§7.2.1正方向的规定规定磁动势、磁通和磁密都是从定子出来而进入转子的方向为它们的正方向；把定、转子空间坐标轴的纵轴都选在A相绕组的轴线处，并假设两个轴线重合。2/5/202316

给异步电动机定子绕组通入对称的三相交流电，转子绕组开路，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生。1）幅值§7.2.2磁通及磁动势由励磁电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：1、励磁磁动势定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁电流。2/5/2023173）转速：相对于定子绕组以角频率旋转。4）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流达到正最大时，它所对应的磁动势也达到正最大。

转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。可借助于变压器的电磁理论进行分析。2）转向：A1—B1—C1，逆时针转向。2/5/2023182、主磁通和定子漏磁通

主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用Φ1表示定子漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，叫定子漏磁通，用表示。在不考虑磁滞、涡流的影响下，气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。包括定子绕组的槽部漏磁通、端部漏磁通和由高次谐波磁通势所产生的高次谐波磁通，2/5/202319电压变比：定子、转子每相电动势之比，用ke表示，即:§7.2.3感应电动势的相位关系：定子和转子是被同一个磁通所铰链，所以，两个感应电动势之间是同相位的。2/5/202320§7.2.5电压方程式§7.2.6等效电路§7.2.4励磁电流和变压器情况一样，励磁电流也是由I0a

和I0r两分量组成。定子漏电动势2/5/202321§7.3三相异步电动机转子堵转时的电磁关系

堵转:即堵住转子让转子不转的现象，实际上就是对转子进行了短路。§7.3.1磁通势和磁通

1、磁通势异步电动机转子被短路的情况和变压器副边短路的情况类似。转子侧磁动势的特点（以绕线式为例）

1)幅值：2/5/202322

2)转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序就应为A2—B2—C2。

3)转速：相对于转子绕组为

4）瞬间位置：当A相电流达到正的最大值时，与他相对应的磁动势也达到正的幅值。

此时的磁动势为：2/5/202323注意，变压器中的主磁通是脉振磁通，是它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布，以同步速度相对于定子在旋转，表示气隙里每极的磁通量。2、漏磁通§7.3.2定、转子回路方程是转子绕组的漏阻抗。转子相电流为:2/5/202324是转子绕组回路的功率因数角.根据定、转子磁动势合成关系，有改写成定子回路的电压方程式为：例7-2：有一台三相四极50Hz的绕线式异步电动机，转子每相电阻R2=0.02,转子不转时每相的漏电抗X2=0.08，电压变比为10，当E1=220V，求转子不转时的转子一相电动势E2，转子电流I2以及转子功率因数cosφ2。定子旋转磁动势里包含着两个分量2/5/202325要求：保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。§7.3.3转子绕组的折合（折算）根据定、转子磁通势的关系：可以写成简单的说就是转子侧的磁通势没有改变，不影响定子边。2/5/202326电流变比2/5/202327根据转子回路的电压方程式：相关量的折算2/5/202328折合前后的功率关系不变。例如转子里的铜损耗，用折合后的关系表示为：折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为：2/5/202329例7-3：一台绕线式三相异步电动机，当定子加额定电压而转子开路时，滑环上电压为260V，转子绕组为星接，不转时转子每相漏阻抗为0.06+j0.2（设定子每相漏阻抗）求：定子加额定电压，求转子不转时转子相电流

当在转子回路串入三相对称电阻，每相阻值为0.2时，计算转子每相的电流。§7.3.4基本方程式、等效电路和相量图2/5/202330§7.4三相异步电动机转子旋转时的电磁关系§7.4.1转差率同步转速n1与转子转速n之差（n1-n）称为转差，转差与同步转速n1的比值称为转差率，用s表示，即

s是一个没有量纲的数，它的大小也能反映电动机转子的转速。例如时，;时，；时s为负；电动机转子的转向与气隙旋转磁密的转向相反时，s＞1。一般：2/5/202331当异步电动机转子以转速恒速运转时，转子回路的电压方程式为（注意s下标）：§7.4.2转子电动势定转子相对转速为：此时，转子频率也叫转差频率正常运行的异步电动机，转子频率约为0.5～2.5Hz。2/5/202332转子旋转时转子绕组中感应电动势为：转子漏抗是对应转子频率时的漏电抗。它与转子不转时转子漏电抗(对应于频率Hz)的关系为：正常运行的异步电动机说明：当转子旋转时，每相感应电动势与转差率s成正比。2/5/202333§7.4.3定、转子磁动势及磁动势关系1、定于磁通势2、转子旋转磁动势1）幅值：2）转向仍为逆时针方向旋转。当转子绕组哪相电流达正最大值时，正好位于该相绕组的轴线上。3）转速4）瞬间位置2/5/202334站在定子绕组的角度上看定、转子旋转磁动势1）幅值：不变2）转向：二者的转向相对于定子都为逆时针方向旋转。3、合成磁动势

3）转速：转子旋转磁动势相对于定子绕组的转速为：

可见，转子磁动势和定子磁动势的转速在空间总是等于同步转速，始终保持相对静止，即定、转子磁势之间没有相对运动！所以：合成的总磁动势，仍用来表示。即2/5/202335例7-4，7-5：有一台三相异步电动机，定子绕组接到频率为f1=50Hz的三相对称电源上，已知它运行在额定转速为960r/min，求1、该电动机的极对数2、额定转差率3、额定转速运行时，转子电动势的频率f24、假设转子的转向与Bδ的转向相同，转速n分别为950r/min，1000r/min，1040r/min和0时的转差率5、转子的转向与Bδ的转向相反，转速为500r/min时的转差率2/5/202336转子旋转磁动势相对于定子的转速永远为同步转速,与转子电流的频率无关,所以只要保持转子旋转磁动势的大小不变，至于电流的频率是多少无所谓。为了便于分析，对频率进行折算，转子回路方程为:§7.4.4转子绕组频率的折合转子电路的功率因数角为：2/5/202337这两个有效值相等的电流对应电路图中下图所示由此可见,频率折算是用一个静止的电阻为R2/s的等效转子去代替电阻为R2的实际旋转的转子,等效转子将与实际转子具有相同的转子磁动势.

转子电路的频率折算：就是把转子旋转时实际频率为f2的电路，变成了转子不转，频率为f1的电路。2/5/202338把上式得到的电阻的形式再进行变形，可以分解成很明显和转子不转时相比，转子侧多了一个电阻。再考虑把转子绕组的相数、匝数以及绕组系数都折合到定子边，转子回路的电压方程式则变为：2/5/202339当异步电动机转子电路进行了频率折合后，转子旋转磁通势的幅值可写成:这样一来，定、转子旋转磁动势的关系，又可写:再考虑转子绕组的相数、匝数折合，为:2/5/202340相应的等效电路:§7.4.5基本方程式、等效电路和时空相矢量图从等效电路图上可以看出，转子电路中多了一个表征机械负载的等效电阻，而在这个电阻上消耗的电功率在数值上刚好和转子旋转时的机械功率相等。2/5/202341当异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转差率s很小，/s趋于∝，电流可认为等于零,这时定子电流就是励磁电流,电动机的功率因数很低。当电动机运行于额定负载时，转差率约为的20倍左右，等值电路里转子边呈电阻性，功率因数COS较高。这时定子边的功率因数COS也比较高，可达0.8～0.85.根据上述五个基本方程式可画出的异步电动机时间空间相量图。2/5/202342要求：熟练列出异步电机的功率平衡方程式和转矩平衡方程式熟练掌握各种损耗的特点；掌握一些简单的计算；§7.5.1功率关系功率平衡关系异步电动机从电源获取电功率，即输入功率：§7.5三相异步电动机的功率与转矩2/5/202343定子铜损耗为:定子回路的铁耗：转子铜损耗为:总的机械功率为：电磁功率为:电磁功率也可以表示为:2/5/202344异步电动机运行时电磁功率、转子回路铜损耗和机械功率三者之间的定量关系是：所以整个功率传递过程中的功率关系为P1PMP2pcu1pFepcu2pm+ps

Pm2/5/202345§7.5.2转矩关系旋转电机的机械功率等于电机的转矩与它的机械角速度乘积。异步电动机输出功率为：电磁转矩的两种计算公式：2/5/202346

例7.7,7.8

：一台三相绕线式异步电动机，PN=100KW，U1N=380V，f1=50HZ，nN=950r/min,额定转速运行时，机械损耗为1KW，忽略附加损耗，求额定负载下的:

额定转差率；电磁功率；转子铜耗；电磁转矩；输出转矩；空载转矩P2372/5/202347§7.5.2电磁转矩的物理表达式CTj为电机转矩系数。2/5/202348要求：熟练掌握异步电机的机械特性，并能根据机械特性对电机的运行进行分析，掌握几个特殊的工作点和实用计算公式。掌握异步电机的稳定运行

三相异步电动机的机械特性：指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩T与转速n（或转差率s）之间的函数关系。可用曲线来表示，称为异步电机的机械特性曲线或T-s曲线。§7.6三相异步电动机的机械特性2/5/202349根据等效电路图可得，根据§7.6.1机械特性的参数表达式代入上述公式得：固定相电压、频率、及阻抗等参数，画成曲线便为T－s曲线。2/5/202350固有机械特性：三相异步电动机在电压、频率均为额定值不变，定、转子回路不串入任何电路元件时的机械特性，如图。（1）在0≤S≤1，即0

≤

n≤n1的范围内，特性在第Ⅰ象限，电磁转矩T和转速n都为正，从正方向规定判断，T与n同方向，n与n1同方向。电动机工作在电动状态。§7.6.2固有机械特性1、固有机械特性曲线具有以下特点：2/5/202351（3）在s＞1范围内，n＜O，特性在第Ⅳ象限，T＞0，也是一种制动状态。（2）在s＜0范围内，n＞n1，特性在第Ⅱ象限，电磁转矩为负值，是制动性转矩，电磁功率也是负值，是发电状态，机械特性在S＜0和s＞0两个范围内近似对称。在第Ⅰ象限电动状态的特性上，B点为额定运行点，其电磁转矩与转速均为额定值。A点，T=0,为理想空载运行点。C点是电磁转矩最大点。D点n=0，转矩为TS，是启动点（见图）。2/5/2023522、最大电磁转矩令最大转矩对应的转差率称为临界转差率为得最大电磁转矩，上式可以简化为机械特性具有对称性。最大转矩倍数：最大电磁转矩与额定电磁转矩的比值，又称过载倍数，用λ表示为一般λ为1.6～2.2,起重、冶金用的λ

为2.2～2.8。2/5/2023533、堵转转矩（启动转矩）堵转转矩：电动机启动时，n=0，s=1的电磁转矩。电动机启动时，只有TS大于(1.1～1.2)倍的负载转矩才可顺利启动。一般异步电动机启动转矩倍数kT=0.8～2.0。

启动转矩倍数：启动转矩与额定转矩的比值，用kT表示2/5/2023544、稳定运行问题

从三相异步电动机机械特性上看，当0＜s＜sm，机械特性下斜，拖动恒转矩负载和泵类负载运行时均能稳定运行。当sm＜s＜1，机械特性上翘，拖动恒转矩负载不能稳定运行。拖动泵类负载时，满足T=TL处的条件，即可以稳定运行。但是由于这时候转速低，转差率大，转子电动势E2S=SE2比正常运行时大很多，造成转子电流、定子电流均很大，不能长期运行。因此三相异步电动机应长期稳定运行在0＜s＜SN范围内。2/5/202355例7-9：一台三相笼型异步电动机，UN=380V,Y接，p=3，f1=50HZ，nN=975r/min，电机参数为r1=2.08Ω,x1=3.12Ω，转子电阻和电抗的折算值为1.53Ω和4.25Ω。求：额定电磁转矩最大电磁转矩及过载倍数临界转差率堵转转矩及堵转转矩倍数P2412/5/202356§7.6.3人为机械特性1、降低定子端电压的人为机械特性2/5/2023572、定子回路串接三相对称电阻的人为机械特性在其它量不变的条件下,定子回路串入三相对称电阻，不影响同步转速n1，最大电磁转矩Tm、堵转转矩Ts和临界转差率sm都随串入电阻的增大而减小。中右图所示。0sn11.0RR0Tn3、定子回路串接三相对称电抗的人为机械特性定子回路串入三相对称电抗的人为机械特性与串电阻的相似，同步转速n1不变，最大电磁转矩Tm、堵转转矩Ts和临界转差率sm都随串入电抗的增大而减小。只是串电抗不消耗有功功率，而串电阻消耗有功功率。2/5/202358同步转速n1不变，最大电磁转矩Tm不变，临界转差率sm随串入电阻的增大而增大。

4、转子回路串入三相对称电阻的人为机械特性若再增加电枢电阻，则sm>1,Ts<Tm。可见，转子回路串电阻增大堵转转矩，并非电阻越大越好，而应有个限度。从图看出，转子回路稍串入一些电阻，可以增大起动转矩，串的电阻合适时，可使2/5/202359§7.6.4机械特性的实用公式

代入上式,于是上式变为:1、实用公式2/5/202360若其中sm大约在0.1～0.2范围内，上式中，在任何s值时，都有这就是三相异步电动机机械特性的实用公式。在实际应用中，忽略空载转矩，近似认为TN=T2N

。过载能力λ可从产品目录中查到，故Tm=λTN

便可确定。2、如何使用实用公式2/5/202361临界转差率sm的计算用额定工作点的sN和TN其代入上式若使用实用公式时，不知道额定工作点数据，而是在人为机械特性上运行，这时可用如下公式：2/5/202362§7.7异步电动机的工作特性异步电动机的工作特性：指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量（转速、定子电流、电磁转矩、功率因数及效率等）随输出功率变化的关系曲线。1、转差率特性s=f(P2)随着负载功率的增加，电磁功率增加，转子电流需要增大，故转差率随输出功率增大而增大。转差率sP2§7.7.1工作特性的分析空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。2、定子电流特性I1＝f（P2）2/5/2023633、定子边功率因数空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转