电工技术电动机

电工技术电动机第一页，共八十页，编辑于2023年，星期一电机：实现机械能与电能互相转换的旋转机械电机发电机电动机：把机械能转换为电能的电机。：把电能转换为机械能的电机。电动机交流电动机直流电动机异步电动机同步电动机本章主要讨论异步电动机的结构、工作原理和特性。第二页，共八十页，编辑于2023年，星期一§7—1三相异步电动机的结构和工作原理电动机定子转子机座铁心绕组端盖铁心绕组转轴风扇笼型线型一、结构第三页，共八十页，编辑于2023年，星期一接法接线盒定子三相绕组的联接方法。通常V1W2U1W1U2V2U2U1W2V1V2W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2V1W1U1Y联结W1U1V1W2U2V2联结第四页，共八十页，编辑于2023年，星期一?二、三相异步电动机的工作原理引入：电流周围产生磁场：右手螺旋定则变化的磁场产生电流：楞次定律通电导线在磁场中受到力：左手定则第五页，共八十页，编辑于2023年，星期一（一）定子的旋转磁场

定子三相绕组通入三相交流电(星形联接)AXBYCZ1.旋转磁场的产生o第六页，共八十页，编辑于2023年，星期一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ωt=0第七页，共八十页，编辑于2023年，星期一AXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相电流合成磁

场的分布情况合成磁场方向向下合成磁场旋转60°合成磁场旋转90°600动画

to90º第八页，共八十页，编辑于2023年，星期一AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场

即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360°取决于三相电流的相序2.旋转磁场的旋转方向结论：任意调换两根电源进线，则旋转磁场反转。动画任意调换两根电源进线(电路如图)AXCZBY0to第九页，共八十页，编辑于2023年，星期一3.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第十页，共八十页，编辑于2023年，星期一

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'AXBYC第十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一极对数动画旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关C'Y'ABCXYZA'X'B'Z'0第十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一4.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0toAXYCBZAXYCBZAXYCBZ第十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一p=2时0第十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一旋转磁场转速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:第十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一（二）转子的转动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力臂r第十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一

2.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。第十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一异步电动机运行中: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。试求电动机的磁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额定转差率为第十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一

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+－++++－－－－f1f23、电动势和电流第十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一异步电动机：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5、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第二十页，共八十页，编辑于2023年，星期一6、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因为旋转磁场和转子间的相对转速为（n0-n），所以

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第二十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一7、转子感应电动势E2E2=4.44f2N2=4.44sf1N2

当转速n=0(s=1)时，f2最高，即f2=f1，且E2最大，有E20=4.44

f1N2转子静止时的感应电势即E2=

sE20

转子转动时的感应电势，与转差率有关8、转子感抗X2当转速n=0(s=1)时，f2最高，且X2最大，有X20=2

f1L2即X2=

sX20

第二十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一9、转子电流I210、转子电路的功率因数cos2转子绕组的感应电流第二十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一转子绕组的感应电流转子电路的功率因数结论：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。I2cos2s1I2,O第二十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一§7-2三相异步电动机的特性一、转矩特性

异步电动机的电磁转矩是由定子绕组产生的旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用而产生的。磁场越强，转子电流越大，则电磁转矩也越大。可以证明，三相异步电动机的电磁转矩与转子电流、定子旋转磁场的每极磁通及转子功率因数成正比。及可表示为第二十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一常数，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因第二十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一由公式可知电磁转矩的另一表达式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。第二十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、机械特性

转矩特性Ｔ＝ƒ（ｓ）曲线表示了电源电压一定时电磁转矩T与转差率s的关系。但在实际应用中，更直接需要了解的是电源电压一定时转速ｎ与电磁转矩Ｔ的关系，即ｎ=ƒ（Ｔ）曲线，这条曲线成为电动机的机械特性曲线。

根据异步电动机的转速ｎ与转差率ｓ的关系，可将Ｔ＝ƒ（ｓ）曲线变换为ｎ＝ƒ（Ｔ）曲线。第二十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一OTS根据转矩公式得特性曲线：OT动画1动画第二十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一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。第三十页，共八十页，编辑于2023年，星期一电动机在额定负载时的转矩。（1）额定转矩TN2、三个重要转矩OT额定转矩(N•m)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,则额定转矩为第三十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一（2）最大转矩Tm转子轴上机械负载转矩T2不能大于Tm，否则将造成堵转(停车)。电机带动最大负载的能力。令：求得临界转差率OTTm将sm代入转矩公式，可得第三十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一当U1

一定时，Tm为定值过载系数(能力)一般三相异步电动机的过载系数为工作时必须使T2

<Tm，否则电机将停转。电机严重过热而烧坏。(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。第三十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一（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=Tm

。

Tst体现了电动机带载起动的能力。

若

Tst

>T2电机能起动，否则不能起动。OTTst起动能力第三十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一3、U1和R2变化对机械特性的影响(1)

U1变化对机械特性的影响UTmTstT2TO第三十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一(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。第三十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、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TO第三十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一异步电动机的铭牌**电机厂出厂日期编号50Hz频率150kg重量1460r/min转速75oC温升30.3A电流B级绝缘等级380V电压S1工作方式15kW功率Δ接法Y160L-4型号三相异步电动机§7-3三相异步电动机铭牌数据第三十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一1.型号

磁极数(极对数p=2)例如：Y160L－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(S：短机座；M：中机座；L：长机座)第三十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一2、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有效值。三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,

及6000V等多种。第四十页，共八十页，编辑于2023年，星期一3、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。

4、功率鼠笼电机

=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，即额定功率。它不等于从电源吸取的电功率P1。第四十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一5、频率是指电动机所用交流电源的频率。定子三相绕组的联接方法。6、接法我国电力系统规定为50HZ。通常W2U2V2V1W1U1接线盒注：名牌上标有两种电压、电流的电动机应同时标明Y/两种联接法。第四十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一7、工作方式S1表示连续工作，允许在额定情况下连续长期运行。如：水泵、通风机、机床等设备所用的异步电动机。S2表示短时工作，是指电动机工作时间短、停车时间长的工作方式。如：水坝闸门的启闭、机床中尾架、横梁的移动和夹紧等。S3表示断续工作，又叫重复短时工作，是指电动机运行与停车交替的工作方式。如：吊车、起重机等。第四十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一8、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、C等几个等级，A级最低(105ºC)，C级最高(>180ºC)。11、温升电动机的温升是指允许电动机绕组温度高出周围环境温度的最大温差。注意：规定的电动机允许最高温度比其所用绝缘材料的最高允许温度为低。第四十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一§7-4三相异步电动机的使用一、起动起动问题：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

电动机的起动就是把电动机的定子绕组与电源接通，使电动机的转子由静止加速到以一定转速稳定运行的过程。第四十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一1、直接起动用开关将额定电压直接加到定子绕组上使电动机起动，就是直接启动，又称全压起动。

二、三十千瓦以下的异步电动机一般都采用直接起动。

优点是：设备简单，操作方便，起动过程短。注：只要电网的容量允许，应尽量采用直接起动。二起动方法鼠笼式电动机的起动有直接起动和降压起动第四十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一设：电机每相阻抗为2、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第四十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一Y－

起动器接线简图L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1△动触点Y动触点静触点第四十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一Y－

起动器接线简图Y起动L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1

起动UPU1+＿Ul+＿U2V1V2W1W2第四十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一Y－

起动器接线简图

工作L1L3L2FUSU1V1U2V2W1W2W1L3V2U2L2V1W2L1U1U2正常运行Ul+＿U1V1V2W1W2第五十页，共八十页，编辑于2023年，星期一(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第五十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一(2)自耦降压起动L1L3L2FUQ

Q2下合：接入自耦变压器，降压起动。

Q2上合：切除自耦变压器，全压工作。合刀闸开关QQ2

自耦降压起动适合于容量较大的或正常运行时联成Y形不能采用Y－起动的鼠笼式异步电动机。工作起动第五十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一（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L1L2L3QSFU1FU2KM第五十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一RRR滑环电刷定子转子起动时将适当的R串入转子电路中，起动后将R短路。起动电阻

3、绕线式电动机的起动•第五十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一

若R2选得适当，转子电路串电阻起动既可以降低起动电流，又可以增加起动转矩。常用于要求起动转矩较大的生产机械上。R2­ÞTst

­TO转子电路串电阻起动的特点第五十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一例1

有一Y225M—4型三相异步电动机，其额定数据如下：试求：（1）额定电流；（2）额定转差率sN；（3）额定转矩TN、最大转矩Tmax、起动转矩Tst。功率转速电压效率功率因数Ist/IN

Tst/TN

Tmax/TN45kw1480r/min380V92.3%0.887.01.92.2第五十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一解：（1）4~100kW的电动机通常都是380V、△联接。（2）由已知n=1480r/min，而电动机是四级的，即p=2,可知n0=1500r/min。（3）第五十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一例2

上题中：（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）在采用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TN的80%和50%时，电动机能否起动？解：（1）在U=UN时，Tst=551.8N·m>510.2N·m，所以能启动。在U‘=0.9UN时，Tst‘=0.92×551.8=447N·m<510.2N·m，所以不能起动。（2）在80%额定负载时在50%额定负载时不能起动可以起动第五十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一1、变频调速(无级调速)

f=50Hz逆变器M3~整流器f1、U1可调+–~变频调速方法恒转距调速（f1<f1N）恒功率调速（f1>f1N）频率调节范围：0.5~几百赫兹三种电气调速方法二、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。第五十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一2、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··NNSS第六十页，共八十页，编辑于2023年，星期一A1X1A2X2ii••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··A2X1X2SN第六十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一To3、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••Tso第六十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一三、制动1、能耗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

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。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。第六十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一nF转子Tn0=02、反接制动停车时，将接入电动机的三相电源线中的任意两相对调，使电动机定子产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，从而获得所需的制动转矩，使转子迅速停止转动。

M3~+-运转制动•RP第六十四页，共八十页，编辑于2023年，星期一M3~运转制动•nF转子Tn03、发电反馈制动

当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的电磁转矩作用方向发生变化，由驱动转矩变为制动转矩。电动机进入制第六十五页，共八十页，编辑于2023年，星期一动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。nF转子Tn0n>n0第六十六页，共八十页，编辑于2023年，星期一

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。一、单相异步电动机的工作原理

§7-5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。

第六十七页，共八十页，编辑于2023年，星期一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、电容分相式异步电动机

电容分相式异步电动机的定子中放置有两个绕组，一个是工作绕组A–A'，另一个是起动绕组B–B',两个绕组在空间相隔90º。起动时，B–B'绕组经电容接电源，两个绕组的电流相位相差近90º，即可获得所需的旋转磁场。第六十八页，共八十页，编辑于2023年，星期一电容分相式异步电动机iAS••ABB'•••A~iB设两相电流为两相电流正弦波形如图所示。工作绕组iBiAO起动绕组第六十九页，共八十页，编辑于2023年，星期一ABB'A'ABB'A'ABB'A'两相旋转磁场动画450900iBiAO第七十页，共八十页，编辑于2023年，星期一S•••ABB'•••iAiBA12~实现正反转的电路改变电容C的串联位置，可使单相异步电动机反转。将开关S合在位置1，电容C与B绕组串联，电流iB较iA超前近90；当将S切换到位置2，电容C与A绕组串联，电流iA

较iB

超前近90。这样就改变了旋转磁场的转向，从而实现电动机的反转。电动机转子转动起来后，利用离心力将开关S断开(S是离心开关)，使起动绕组B–B´断电。M~第七十一页，共八十页，编辑于2023年，星期一二、罩极式单相异步电机~~i12定子绕组鼠笼式转子短路环极掌(极靴)第七十二页，共八十页，编辑于2023年，星期一当电流i流过定子绕组时，产生了一部分磁通1，同时产生的另一部分磁通与短路环作用生成了磁通2。由于短路环中感应电流的阻碍作用，使得2在相位上滞后1，从而在电动机定子极掌上形成一个向短路环方向移动的磁场，使转子获得所需的起动转矩。

罩极式单相异步电动机起动转矩较小，转向不能改变，常用于电风扇、吹风机中；电容分相式单相异步电动机的起动转矩大，转向可改变，故常用于洗衣机等电器中。

优点：能在单相交流电源上使用，但它的效率、功率因数、和过载能力都较低，只生产额定功率小于1KW以下的小容量单相异步电动机。第七十三页，共八十页，编辑于2023年，星期一§7-6特种异步电动机一、力矩电动机

异步力矩电动机的结构与普通笼型异步电动机相同，但经过参数设计和结构上的改动，它的机械特性曲线近似一条陡降的直线。