大三上电工产品学电动机

第四章交流电机4.1三相异步电动机的结构和工作原理4.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性4.3三相异步电动机的铭牌值4.4三相异步电动机的起动4.5三相异步电动机的调速4.6三相异步电动机的制动4.7三相异步电动机的选择4.1三相异步电动机的结构和工作原理4.1.1三相异步电动机的结构三相异步电动机由静止的定子和旋转的转子两部分组成，定子和转子之间由气隙分开。下为三相异步电动机结构示意图。1.定子定子由定子铁心、定子绕组、机座和端盖等组成。机座的主要作用是用来支撑电机各部件，因此应有足够的机械强度和刚度，通常用铸铁制成。

为了减少涡流和磁滞损耗，定子铁心用0.5mm厚涂有绝缘漆的硅钢片叠成，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放定子绕组，如图所示。

定子绕组分布在定子铁心的槽内，小型电动机的定子绕组通常用漆包线绕制，三相绕组在定子内圆周空间彼此相隔120°，共有六个出线端，分别引至电动机接线盒的接线柱上。

三相定子绕组可以连接成星形或三角形，如图4-3所示。其接法根据电动机的额定电压和三相电源电压而定，通常三个绕组的首端分别用U1、V1、W1表示，末端分别用U2、V2、W2表示。

图4-3三相定子绕组的接法(a)星形连接；(b)三角形连接2.转子转子由转子铁心、转子绕组、转轴和风扇等组成。转子铁心也用0.5mm厚硅钢片冲成转子冲片叠成圆柱形，压装在转轴上。其外围表面冲有凹槽，用以安放转子绕组。异步电动机按转子绕组形式不同，可分为绕线式和鼠笼式两种。绕线式转子的绕组和定子绕组一样，也是三相绕组，绕组的三个末端接在一起（Y型），三个首端分别接在转轴上三个彼此绝缘的铜制滑环上，再通过滑环上的电刷与外电路的变阻器相接，以便调节转速或改变电动机的起动性能，如图4-4所示。

图4-4绕线式转子

(a)转子；(b)等效电路

绕线式异步电动机由于其结构复杂，价位较高，所以通常用于起动性能或调速要求高的场合。鼠笼式转子绕组是在转子铁心槽内插入铜条，两端再用两个铜环焊接而成的。若把铁心拿出来，整个转子绕组外形很像一个鼠笼，故称鼠笼式转子。对于中小功率的电机，目前常用铸铝工艺把鼠笼式绕组及冷却用的风扇叶片铸在一起，如图4-5所示。虽然绕线式异步电动机与鼠笼式异步电动机的结构不同，但它们的工作原理是相同的。

图4-5鼠笼式转子

(a)铜条转子；(b)铸铝转子4.1.2工作原理三相异步电动机通入三相交流电流之后，在定子绕组中将产生旋转磁场，此旋转磁场将在闭合的转子绕组中感应出电流，从而使转子转动起来。

因此，在研究三相异步电动机的原理之前，应首先介绍旋转磁场的产生及特点。图4-6三相定子绕组的分布1.旋转磁场的产生三相异步电动机定子绕组是空间对称的三相绕组，即U1-U2、V1-V2和W1-W2，空间位置相隔120°。若将它们作星形连接，如图4-6所示，将U2、V2、W2连在一起，U1、V1、W1分别接三相对称电源的U、V、W三个端子，就有三相对称电流流入对应的定子绕组，即

iU=ImsinωtiV=Imsin(ωt-120°)iW=Imsin(ωt+120°)

其波形如图4-7所示。

图4-7一对磁极的旋转磁场及对应波形(a)ωt=0;(b)ωt=120°；(c)ωt=240°；(d)ωt=360°

由波形图可看出，在ωt=0时刻，iU=0;iV为负值，说明iV的实际电流方向与参考方向相反，即从V2流入(用表示），从V1流出（用⊙表示）；iW为正值，说明实际电流方向与iW的参考方向相同，即从W1流入(用表示)，从W2流出（用⊙表示）。

根据右手螺旋法则，可判断出转子铁心中磁力线的方向是自上而下，相当于定子内部是N极在上，S极在下的一对磁极在工作，如图4-7（a）所示。

当ωt=120°时，iU为正值，电流从U1流入(用表示)，从U2流出（用⊙表示）；iV=0；iW为负值，电流从W2流入(用表示)，从W1流出（用⊙表示）。合成磁场如图4-7（b)所示，从图可以看出，合成磁场在空间上沿顺时针方向转过了120°；当ωt=240°时，同理，合成磁场如图4-7（c)所示，从图可以看出，它又沿顺时针方向转过了120°。

ωt=360°时的磁场与ωt=0时刻相同，合成磁场沿顺时针方向又转过了120°，N、S磁极回到ωt=0时刻的位置，如图4-7（d)所示。

综上所述，当三相交流电变化一周时，合成磁场在空间上正好转过一周。若三相交流电不断变化，则产生的合成磁场在空间不断转动，形成旋转磁场。前面讲的三相异步电动机定子绕组每相只有一个线圈，定子铁心有6个槽。则在定子铁心内相当于有一对N、S磁极在旋转。若把定子铁心的槽数增加为12个，即每相绕组由两个串联的线圈构成，相当于把图4-6中的空间360°分布6槽的三相绕组压缩在180°的空间中，显然每个线圈在空间中相隔不再是120°，而是60°，如图4-8所示。若在U1、V1、W1三端通三相交流电，在定子铁心内可形成两对磁极的旋转磁场，如图4-9所示。图4-8四极电动机定子绕组的结构分布接线图

图4-9四极电动机的旋转磁场(a)ωt=0;(b)ωt=120°;(c)ωt=240°;(d)ωt=360°2.旋转磁场的转速和转向一对磁极的旋转磁场电流每交变一次，磁场就旋转一周。设电源的频率为f1，即电流每秒钟变化f1次，磁场每秒钟转f1圈，则旋转磁场的转速n1=f1(r/s)；

习惯上用每分钟的转数来表达转速，即n1=60f1(r/min)。两对磁极的旋转磁场，电流每变化f1次，旋转磁场转f1/2圈，即旋转磁场的转速为n1=60f1/2(r/min)。

以此类推，p对磁极的旋转磁场，电流每交变一次，磁场就在空间转过1/p周，因此，转速应为(4-1)

旋转磁场的转速n1也称为同步转速，由式（4-1）可知，它取决于电源频率和旋转磁场的磁极对数。我国的工频为50Hz，因此，同步转速与磁极对数的关系如表4-1所示。

表4-1同步转速与磁极对数对照表磁极对数p12345同步转速n1/(r/min)300015001000750600

旋转磁场的转向是由通入定子绕组的三相电源的相序决定的。由图4-6可知，定子绕组中电流的相序按顺序U—V—W排列，旋转磁场按顺时针方向旋转。如果将三相电源中的任意两相对调，例如V和W两相互换，则定子绕组中的电流相序为U—W—V，应用前面讲的分析方法，旋转磁场的方向也相应地改变为逆时针方向。3.转子的转动原理图4-10为三相异步电动机工作原理示意图。为简单起见，图中用一对磁极来进行分析。三相定子绕组中通入交流电后，便在空间产生旋转磁场，在旋转磁场的作用下，转子将作切割磁力线的运动而在其两端产生感应电动势，感应电动势的方向可根据右手螺旋法则来判断。

由于转子本身为一闭合电路，所以在转子绕组中将产生感应电流，称为转子电流，电流方向与电动势的方向一致，即上面流出，下面流进。图4-10三相异步电动机工作原理图

转子电流在旋转磁场中受到电磁力的作用，其方向可由左手定则来判断，上面的转子导条受到向右的力的作用，下面的转子导条受到向左的力的作用。电磁力对转子的作用称为电磁转矩。在电磁转矩的作用下，转子就沿着顺时针方向转动起来，显然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致。虽然转子的转动方向与旋转磁场的转动方向一致，但转子的转速n永远达不到旋转磁场的转速n1，即n＜n1。这是因为，若转子的转速等于旋转磁场的转速的话，则转子与磁场间不存在相对运动，即转子绕组不切割磁力线，转子电流、电磁转矩都将为零，转子根本转动不起来，因此转子的转速总是低于同步转速。

正是由于转子转速与同步转速间存在一定的差值，故将这种电动机称为异步电动机。又因为异步电动机是以电磁感应原理为工作基础的，所以异步电动机又称为感应电动机。为了更清楚地分析异步电动机的工作过程，需要引入转差率s这个参数：(4-2)

转差率是用来表示转子转速与同步转速之差的相对程度的一个物理量，其中n1-n为转速差。

当定子绕组接通电源的瞬间，转子转速n=0，此时s=1，转差率最大；

稳定运行以后，电机的转速n比较接近同步转速n1，此时s很小，额定转差率约为0.01~0.08左右；

空载时，转子转速可以很接近同步转速，即s≈0，但s=0的情况在实际运行时是不存在的。［例4-1］

一台三相异步电动机，其极对数是2，电源频率为工频，若转差率s=0.02，该电机的转速是多少？

［解］

首先求同步转速因为所以

n=n1(1-s)=1500×(1-0.02)=1470r/min4.2三相异步电动机的电磁转矩和机械特性由异步电动机的结构可知，异步电动机的定子和转子是两个相互独立的电路，它们之间没有电的直接联系，只有磁的联系。这与变压器非常相似，定子绕组相当于变压器的原边，转子绕组相当于变压器的副边，因此，电动机的运行情况可以用与变压器相似的方法进行分析。下面首先介绍一些与异步电动机相关的参数。1.定子电路的电动势当异步电动机的定子绕组接通三相电源后，定子绕组因切割磁力线而感应电动势，其有效值为

E1=4.44f1K1N1Φ(4-3)

式中,f1为三相电源频率；K1为定子绕组系数，与定子绕组结构有关，略小于1；N1为定子每相绕组的匝数；Φ为旋转磁场的每极磁通，通常指忽略漏磁后每极主磁通的最大值Φm。

在忽略定子绕组本身的阻抗压降及漏磁通之后，可认为感应电动势与外加电压的有效值近似相等，即U1≈E1，因此有（4-4）

上式说明旋转磁场的磁通量与外加电压的有效值成正比，若外加电压不变，则每极主磁通的最大值为一定值。2.转子的感应电动势E2

当电动机起动时，转速n=0，转差率s=1。此时转子不动，转子绕组相当于变压器的副边，其感应电动势可用式（4-4）来求得

E20=4.44f20K2N2Φ=4.44f1K2N2Φ(4-5)

式中,K2为转子绕组系数，与转子绕组结构有关，略小于1；f20为起动时转子绕阻的频率，与定子频率f1相等。

当电机起动并以转速n旋转时，旋转磁场与转子的转速差(n1-n)=sn1不断减小，旋转磁场相对转子的旋转速度下降了s倍，此时的转子感应电频率比转子静止的情况下减慢，应为（4-6）故转子感应电动势为

E2=4.44f2K2N2Φ=4.44sf1K2N2Φ=sE20(4-7)

由于转差率小于1，所以转子感应电动势在起动时E20值最大。当电动机稳定运行以后，转差率s很小，转子频率f2很低，转子感应电动势E2也就很低。3.转子电流I2

转子绕组的阻抗Z2=R2+jX2，其中R2是转子绕组本身的电阻，固定不变；X2和频率f2有关，即

X2=2πf2L2=2πsf1L2=sX20(4-8)

式中，L2为转子绕组电感值；X20为转子静止时的感抗。转子电流为(4-9)

式（4-9）说明转子电流I2与转差率s有关，转子电流I2随转差率s的增大而增加。由于转子电路中有感抗存在，所以电流I2比感应电动势E2要滞后相位角φ2，转子电路的功率因数为

式(4-10)表明，cosφ2随s的增大而减小。当转子不动时，功率因数最低。(4-10)4. 定子电流I1

定子电流和转子