《 城市轨道交通电工电子（第2版）》（课件） 项目5 牵引电动机

项目5牵引电动机项目导读牵引电动机是用于驱动车辆动轮轴的电动机，可以将电能转换成机械能，从而为城轨列车提供牵引动力。根据电源种类的不同，牵引电动机可分为交流电动机和直流电动机。目前，城市轨道交通系统的牵引电动机，以交流电动机中的三相异步电动机使用最为广泛。本项目主要介绍三相异步电动机，包括其结构、工作原理及工作特性，并简要介绍其他常用电动机的相关知识。知识目标020103了解电动机的分类。掌握三相异步电动机的结构和工作原理。掌握三相异步电动机的电磁转矩及机械特性。0405熟悉单相异步电动机的结构和工作原理。了解直流电动机和直线电动机的结构和工作原理。能力目标0201能够拆装三相异步电动机和单相异步电动机。能够测试三相异步电动机的工作特性。思政目标020103养成执着专注、科学严谨的工匠精神。养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风。树立安全生产意识和集体责任感。CONTENTS1三相异步电动机2三相异步电动机的工作特性3其他常用电动机三相异步电动机任务5.1任务引入三相异步电动机是一种应用十分广泛的交流电动机，它采用三相正弦交流电源，将电能转化成机械能为机械设备提供动力。随着机械制造技术、自动控制技术的发展，三相异步电动机显示出非常优越的性能。三相异步电动机不仅结构简单、运行可靠，而且价格低廉、维护方便，是城市轨道交通牵引系统的核心组成部分。那么，三相异步电动机主要由哪些部分组成？其工作原理是什么呢？5.1.1三相异步电动机的结构图5-1三相异步电动机的结构三相异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，如图5-1所示。5.1.1三相异步电动机的结构定子由机座、定子铁芯和定子绕组组成。1．定子1）机座机座是三相异步电动机的外壳，起着支撑三相异步电动机的作用，一般由铸铁或铸钢制成。2）定子铁芯定子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分，内表面设有分布均匀的凹槽，凹槽可以用来放置定子绕组，如图5-2所示。图5-2定子铁芯5.1.1三相异步电动机的结构3）定子绕组定子绕组是三相异步电动机电路的一部分，由三个完全相同的绕组组成。如图5-3所示，每个绕组为一相，三个绕组在空间上相差

电角度，有星形和三角形两种连接方式。（a）星形连接（b）三角形连接图5-3定子绕组的连接方式5.1.1三相异步电动机的结构转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。2．转子1）转子铁芯转子铁芯是三相异步电动机磁路的一部分，一般固定在转轴支架上，外表面设有分布均匀的凹槽，凹槽可以用来放置转子绕组。2）转子绕组转子绕组有笼型和绕线型之分，据此，可将三相异步电动机分为笼型三相异步电动机和绕线型三相异步电动机两种。笼型绕组结构简单、制造方便、工作可靠，所以有着非常广泛的应用。笼型绕组可分为铜排绕组和铸铝绕组两种。绕线型绕组也是一个三相绕组，一般连接成星形。（a）铜排绕组

（b）铸铝绕组图5-4笼型绕组5.1.2三相异步电动机的铭牌数据如图5-5所示为Y132M-4型三相异步电动机的铭牌。该铭牌记录了三相异步电动机的型号、接法、额定功率、额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、绝缘等级、工作方式等。图5-5Y132M-4型三相异步电动机的铭牌三相异步电动机型号Y132M-4 额定功率7.5kW

额定频率50Hz额定电压380V 额定电流15.4A

接法△额定转速1440r/min 绝缘等级B 工作方式连续年月编号 ××电机厂5.1.2三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的接法有星形连接和三角形连接两种，符号分别为Y和△。2．接法额定功率是指三相异步电动机在额定工作状态下运行时，转轴输出的机械功率。3．额定功率额定电流是指三相异步电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组上的线电流。4．额定电压为适应不同的用途和工作环境，三相异步电动机会被制成不同的系列，并用不同的型号来表示。1．型号5.1.2三相异步电动机的铭牌数据额定频率是指加在三相异步电动机定子绕组上的三相正弦交流电源的允许频率，一般为50Hz。6．额定频率额定转速是指三相异步电动机在额定工作状态下运行时的转速。7．额定转速额定电流

是指三相异步电动机在额定工作状态下运行时，定子绕组上的线电流。5．额定电流5.1.2三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的工作方式有连续工作方式、短时工作方式和断续工作方式三种。9．工作方式绝缘等级是指三相异步电动机内部所用绝缘材料允许的最高温度，它决定了三相异步电动机工作时允许的最高温升。8．绝缘等级表5-1三相异步电动机允许的最高温升与绝缘等级的关系图5-6三相异步电动机工作原理的模拟实验5.1.3三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作原理可通过下面这个模拟实验进行简单说明。如图5-6所示，磁极与转子之间没有机械联系，当磁极转动时，转子随着磁极沿同一方向转动，且转子转速随着磁极转速的增大而增大。因此，三相异步电动机工作的关键是有旋转磁场。5.1.3三相异步电动机的工作原理1．旋转磁场1）旋转磁场的产生（a）

（b）图5-7三相对称绕组的星形连接及其电流波形图5.1.3三相异步电动机的工作原理图5-8旋转磁场详细内容见教材5.1.3三相异步电动机的工作原理2）旋转磁场的转速5.1.3三相异步电动机的工作原理2．三相异步电动机的转动原理图5-10转子转动原理图如图5-10所示。图中，N、S为旋转磁场的两极，转子用两根导条作示意。通电导条在旋转磁场中将会受到电磁力F的作用，具体方向可用左手定则判断。在电磁力的作用下，转子沿顺时针方向旋转。5.1.3三相异步电动机的工作原理3．转差率5.1.3三相异步电动机的工作原理例题解任务实施----拆装笼型三相异步电动机任务准备实验器材准备：拉马、活动扳手、木锤、钢套筒、螺丝刀、毛刷各1个，常用电工工具1套，笼型三相异步电动机1台，油盘1个，润滑脂若干。实施步骤1．拆卸笼型三相异步电动机2．装配笼型三相异步电动机详细步骤见教材老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表5-2中。表5-2笼型三相异步电动机的拆装评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确使用拆装工具，否则每错1处扣5分30分

3实施结果拆装操作正确，否则每错1处扣5分40分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

三相异步电动机的工作特性任务5.2任务引入运送乘客的电动扶梯一般使用三相异步电动机来驱动。当电动扶梯载客量较少时，三相异步电动机正常运行；当电动扶梯载客量较多甚至超出限定人数时，三相异步电动机会降低转速，甚至发生停转。也就是说，三相异步电动机会在负载增大时，自行调节转速，以适应负载的变化。那么，三相异步电动机为什么会自行调节转速？能够使三相异步电动机稳定运行的转速是多少呢？5.2.1三相异步电动机的电磁转矩电磁转矩是三相异步电动机的旋转磁场中各极磁通与转子电流相互作用，而在转子上形成的旋转力矩。1．定子、转子电路的物理量1）定子电动势5.2.1三相异步电动机的电磁转矩2）转子频率5.2.1三相异步电动机的电磁转矩3）转子电动势5.2.1三相异步电动机的电磁转矩4）转子感抗5.2.1三相异步电动机的电磁转矩5）转子电流5.2.1三相异步电动机的电磁转矩6）转子功率因数图5-11转子电流和转子功率因数的变化规律5.2.1三相异步电动机的电磁转矩2．电磁转矩公式5.2.2三相异步电动机的机械特性（a）转矩特性曲线（b）机械特性曲线图5-12三相异步电动机的特性曲线5.2.2三相异步电动机的机械特性1．三个重要转矩1）额定转矩5.2.2三相异步电动机的机械特性2）最大转矩5.2.2三相异步电动机的机械特性图5-13三相异步电动机的机械特性曲线5.2.2三相异步电动机的机械特性3）启动转矩5.2.2三相异步电动机的机械特性2．三相异步电动机的运行分析如图ab段可称为稳定运行区。在bc段，三相异步电动机无法保持稳定的运行状态，因此bc段可称为非稳定运行区。同时，由于ab段比较平坦，电磁转矩变化时产生的转速变化很小，这种特性称为硬的机械特性。5.2.2三相异步电动机的机械特性例题5.2.2三相异步电动机的机械特性解任务实施----测试三相异步电动机的工作特性任务准备实验器材准备：万用表1块，功率表2块，交流电流表3块，三相异步电动机1台，三相调压器1台，涡流测功机1台，低压断路器（QF）1个，导线若干。实施步骤1．空载实验（1）根据图5-14所示电路，将各类实验器材连接起来。（2）将三相调压器调到零位后，闭合QF。（3）逐渐提高电压至额定电压，使三相异步电动机正向运行。（4）使电压保持在额定电压几分钟之后，将电压逐渐升高到1.2倍额定电压，并在三相异步电动机运行稳定后逐渐降低电压，直至定子绕组的电流明显增大。（5）在降压过程中，均匀地选取8个电压值，测量、记录。图5-14三相异步电动机的测试电路实施步骤2．短路实验（1）根据图5-14所示电路，将各类实验器材连接起来，并将三相异步电动机的转子固定。（2）将三相调压器调到零位后，闭合QF。（3）逐渐提高电压，使定子绕组的电流稳定在1.2倍额定电流后，再逐渐降低电压，使定子绕组的电流降至0.3倍额定电流。（4）在降压过程中，均匀地选取8个电流值，测量其对应的短路电压和短路功率，计算三相异步电动机的功率因数，并将测试结果和计算结果填入表5-4中。实施步骤3．负载实验（1）根据图5-14所示电路，将各类实验器材连接起来，并将三相异步电动机与涡流测功机同轴相连。（2）将三相调压器调到零位后，闭合QF。（3）逐渐提高电压至额定电压，使三相异步电动机正向运行。（4）调节涡流测功机的负载，使定子绕组的电流稳定在1.25倍额定电流。（5）逐渐减小负载直至空载，在此过程中均匀地选取8个电流值，测量其对应的输入电压、输入功率，计算三相异步电动机的功率因数，并将测试结果和计算结果填入表5-5中。老师根据学生的实际表现情况进行评分，并将评分结果填入表5-6中。表5-6三相异步电动机工作特性的测试评分表任务评价序号内容评分标准分值得分1总体表现遵守课堂纪律和实训规定，服从老师管理，主动思考并积极参与讨论，否则酌情扣分20分

2实际操作正确连接电路，正确使用仪器、仪表，否则每错1处扣10分20分

3实施结果表5-3、表5-4、表5-5中的测试结果、计算结果正确，否则每错1处扣5分50分

4安全文明作业严格执行安全操作规程，否则每错1处扣5分；不得损坏仪器、仪表，否则扣10分10分

总分

其他常用电动机任务5.3任务引入除三相异步电动机外，单相异步电动机也有着非常广泛的应用。例如，电风扇、电冰箱、洗衣机、排风扇等常用的家电设备，车床、小型钻床、潜水泵、电磨等用于工农业生产的设备，录音机、打字机、医疗器械等设备，都使用单相异步电动机驱动。那么，单相异步电动机的结构和工作原理是什么？除单相异步电动机外，实际工作中还有哪些常用电动机呢？单相异步电动机是一种由单相正弦交流电源供电的感应电动机，具有容量小、结构简单、成本低、运行可靠、维修方便等特点。5.3.1单相异步电动机单相异步电动机接通电源后，在定子绕组中会产生单相正弦交流电流，如图5-15（a）所示。电流在正半周时，定子产生的磁场如图5-15（b）所示；电流在负半周时，定子产生的磁场如图5-15（c）所示。这样的磁场称为脉动磁场。（a）

（b）

（c）图5-15单相异步电动机的电流与磁场5.3.1单相异步电动机1．分相式单相异步电动机图5-16电容分相式单相异步电动机的电路如图5-16所示为电容分相式单相异步电动机的电路。它包含工作绕组和启动绕组两个定子绕组。其中，工作绕组的电阻小，匝数多，电感大；启动绕组的电阻大，匝数少，电感小。启动绕组与电容串联，与工作绕组相差电角度。在接通电源后，启动绕组电流的相位与工作绕组电流的相位相差，也就是所谓的分相。5.3.1单相异步电动机2．罩极式单相异步电动机图5-17罩极式单相异步电动机的结构如图5-17所示为罩极式单相异步电动机的结构，其定子多做成凸极式，在磁极一侧开一小槽，其中装有短路铜环（称为罩极）。罩极式单相异步电动机结构简单，工作可靠，但启动转矩较小，常用于对启动转矩要求不高的设备，如风扇等。5.3.2直流电动机1．直流电动机的结构如图5-18所示，直流电动机主要由定子和转子两大部分组成。图5-18直流电动机的基本结构直流电动机的定子主要由励磁绕组、机座、主磁极、换向磁极、电刷等组成。其中，机座既可起到支撑作用，又可起到导磁作用；主磁极可以用来产生主磁场；换向磁极又称附加磁极，可以用来产生附加磁极；电刷可以用来连接电枢绕组和外电路。直流电动机的转子主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇组成。5.3.2直流电动机2．直流电动机的工作原理如图5-19所示，直流电动机的磁极固定不动，线圈abcd可在磁场内绕中心轴旋转。在外加直流电源的作用下，线圈abcd在磁场中受到电磁转矩的作用，其方向可通过左手定则判断。（a）（b）图5-19直流电动机的工作原理图5.3.2直流电动机3．直流电动机的类型根据励磁绕组与电枢绕组接线方式（即励磁方式）的不同，直流电动机可分为他励、并励、串励和复励四种类型。如图5-20所示为直流电动机的励磁方式。（a）他励（b）并励（c）串励（d）复励图5-20直流电动机的励磁方式5.3.3直线电动机将做旋转运动的异步电动机沿径向剖开，并将圆周展开成直线，便可得到扁平型直线电动机，如图5-21所示。其中，由定子演变而来的一侧称为一次侧，由转子演变而来的一侧称为二次侧。1．直线电动机的分类与结构直线电动机是直接将电能转变成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换装置的动力输出装置，它具有结构简单、运行可靠、效率高、精度高等特点。1扁平型直线电动机图5-21扁平型直线电动机的演变原理5.3.3直线电动机将扁平型直线电动机沿着与直线运动相垂直的方向卷成筒型，即可得到圆筒型直线电动机，如图5-22所示。2圆筒型直线电动机图5-22圆筒型直线电动机的演变原理5.3.3直线电动机圆盘型直线电动机的二次侧为圆盘形状，且能够绕圆心自由转动；一次侧在二次侧靠外边缘的平面上，向圆盘提供切向力，使其旋转，如图5-23所示。3圆盘型直线电动机图5-23圆盘型直线电动机5.3.3直线电动机当直线电动机的一次侧与正弦交流电源相连时，气隙中会产生行波磁