第四章异步电动机

第四章异步电动机

第一节三相异步电动机

第二节

单相异步电动机学习目的与要求了解三相异步电动机的结构组成，熟悉异步电动机的工作原理，了解铭牌数据；理解和掌握三相异步电动机机械特性的分析方法；了解单相异步电动机的结构组成及其工作原理；熟悉常用低压电器及在电路中的作用；理解电动机的起动、制动、调速等概念。作业：4-15；4-16；一.三相异步电动机的基本结构三相异步电动机定子转子三相异步电动机具有结构简单、制造成本低廉、使用和维修方便、运行可靠且效率高等优点，被广泛应用于工农业生产中的各种机床、水泵、通风机、锻压和铸造机械、传送带、起重机及家用电器、实验设备中。第一节三相异步电动机异步电动机的定子指其固定不动部分，主要包括有：机座机座是电动机的支架，通常用铸铁或铸钢制成。定子铁芯铁芯硅钢片异步电动机的定子铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成的。定子铁芯内圆冲有分布的槽。定子铁芯构成异步电动机磁路的一部分。定子绕组定子绕组是由漆包线绕制而成，嵌入到定子铁芯槽中。构成电机电路的一部分。图4-2三相异步电动机定子绕组的联结一般用45号钢制成，用来传递电磁转矩。异步电动机的转子指其旋转部分，主要部件包括：转子铁芯也是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成。在其外圆冲有均匀分布的槽，用来嵌放转子绕组。转子铁芯构成电动机磁路的又一部分。转子铁芯铁芯硅钢片转子绕组转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体。转子绕组构成电动机电路的另一部分。转轴型号

Y112M－4编号4.0kW8.8A380V1440r/minLW82dB接法

△防护等级IP4450Hz45kg标准编号工作制SIB级绝缘年

月××电机厂二、三相异步电动机的铭牌

图4-5三相异步电动机铭牌

在三相异步电动机的机座上有一块铭牌，铭牌上标出了该电动机的主要技术数据。磁极数，4表示四极机座类型（L表示长机座，M表示中机座，S表示短机座）中心高度（mm）异步电动机

Y112M—41．型号(Y112M－4）2．额定值电动机在加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组的线电流。电动机在额定状态下运行时，定子绕组所加的线电压。电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率。（1）额定功率(kW)（2）额定电压(kV或V)（3）额定电流(A)

额定功率与其他额定值之间的关系（4）额定转速(r/min)

在额定电压下，定子绕组应采用的联结方法。Y系列电动机，4kW以上者均采用三角形接法。（6）接法(△)电动机所接交流电源的频率。我国电网的频率规定为50Hz。（5）额定频率(Hz)电动机在额定状态下运行时的转速。（7）工作方式S1连续；S2短时间；S3断续。（8）绝缘等级根据绝缘材料允许的最高温度分为Y、A、E、B、F、H、C级，见表4-1，系列电动机多采用E、B级绝缘。表4-1绝缘材料耐热等级>18018015513012010590CHFBEAY等级最高允许温度/三、三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机是如何转动起来的？

设三相异步电动机模型的定子磁极是顺时针转动的。固定不动的转子绕组和旋转的定子磁场相切割而感应电动势。

转子绕组是闭合的，因此感应电动势在绕组中产生感应电流。感应电流的方向与感应电动势的方向相同。

载流的转子绕组处在磁场中，必定受到电磁力的作用。

两个电磁力的大小相等、方向相反，因此对电动机转轴形成了电磁转矩。于是转子就顺着定子磁场的方向转动起来。NS模型电机的定子磁极模型电机的转子绕组eei2FFn0电机转动的关键是：旋转的定子磁场！n用右手定则判断用左手定则判断实际三相电动机的旋转磁场是如何产生的呢？在电动机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电；AXBYCZωt0iωt=0时电流和磁场情况×A、C两相电流t=0时为正，因此首端流入、尾端流出。××B相电流t=0时为负，尾端流入、首端流出。电流入

电流出NSn0相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场，方向为：ωt0iωt=120°AXBYCZωt=120°时电流和磁场情况×××NSn0显然，电流随时间变化120°电角，电动机的气隙磁场在空间的位置也随之旋转了120°。观察电流波形图及电机示意图可看出，合成磁场的转向取决于三相电流的顺序，A→B→C正序时气隙磁场顺时针旋转。ωt0iωt=240°AXBYCZωt=240°时电流和磁场情况×××NSn0电流随时间继续变化，经历了120°电角的同时，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了120°。ωt0iωt=360°AXBYCZωt=360°时电流和磁场情况×××NSn0电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360°。可见，工程实际中，三相异步电动机定子和转子之间的气隙旋转磁场代替了模型电机定子的转动磁极。归纳：只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。AXBYCZ×××n0三相异步电动机工作原理概括

在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流产生气隙旋转磁场NS转子导体与磁场相切割感应电动势，由于闭合生成感应电流载流导体受电磁力的作用形成力偶力偶对电机转轴形成电磁转矩从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。FF

若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。四极旋转磁场转速的分析AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ

相邻线圈电流的流向一致，其合成磁场的分布情况为：ωt0iωt=0°时××××ωt=120°时AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ××××

电流变化120°，旋转磁场在空间的位置仅转过了60°；当电流变化360°时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180°。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机的1/2。三相电动机旋转磁场的转速与哪些因素有关？AXBYCZ

设电动机各相定子绕组有一个线圈，其磁极对数：AA'B'Y'C'Z'XX'BYCZ

当电动机各相定子绕组增加一倍，且每个绕组始端在空间以相差60°排列，并把相差180°的两个绕组首尾相串，组成一相绕组时，其磁极对数：SN

显然，频率不变时，电动机旋转磁场的转速取决于电动机的极对数p。

依此类推，可得电动机旋转磁场的转速与极对数之间的关系为：

电动机通常工作在50Hz的工频情况下，因此：

即：异步电动机同步转速与电源频率成正比，与电机的极对数(出厂时就已经确定)成反比。显然，改变电机的极对数，可以得到不同的转速。式中，是旋转磁场转速，亦称同步转速（r/min）；是电源频率（）；是磁极对数。有关转差率的讨论

电动机的转差速度与磁场同步转速n1之比称为转差率，用s表示：显然，电动机的转差率随着电动机转速的升高而减小。

(1)电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s=1；

(2)理想空载时，转速n≈n1，转差率s≈0；

(3)电动机运行过程中，转速0<n<n1，转差率0<s<1；转差率S是三相异步电动机的一个重要参数。它对电机的运行有着极大的影响。其大小也能反映转子转速。即受力→不受力电动机就永远转运不起来。因此，转子转速总是低于同步转速。问题与讨论

电动机的转速n能等于同步转速n1吗？分析如果二者相等，则转子与旋转磁场之间产生感应电流成为载流导体→不是载流导体就无法在磁场中n≠n1，异步！就没有了相对切割→转子不切割磁场就不能“异步”的含义是指转子的转速永远比同步转速（既旋转磁场的转速）小。

已知Y112M－4三相电动机的同步转速r/min，额定转速为1440r/min，空载时的转差率。求该电动机的磁极对数，额定转差率和空载转速。r/min例4-1解式中，是线电压，是线电流，是电动机的功率因数式中，是定子绕组及转子绕组中的铜损耗，铁心中存在的铁损耗，是在运行过程中克服机械摩擦、风的阻力等所形成的机械损耗。此式称为功率平衡方程式。１．转矩特性1）三相异步电动机在稳定运行时，电源输入的功率2）轴上输出的机械功率四、三相异步电动机的运行特性3）机械效率根据力学知识，旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积，即。4）电磁转矩式中，为电磁转矩，为输出转矩，为空载阻转矩，此式称为转矩平衡方程式。5）输出转矩故式中，为输出功率（kW）额定输出转矩为式中，是额定输出功率（kW）；是额定转速（r/min）；是额定输出转矩（N•m）。可见，功率相同的的电动机，转速低则转矩大，转速高则转矩小。(4-5)6）电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩与定子绕组上的电压和频率、转差率、转子电路参数等有着密切联系，其关系式为(4-6)

式中，是定子绕组电压；是交流电源的频率；是转子绕组每相的电阻；是电动机静止不动时转子绕组每相的感抗；是电动机结构常数；是转差率。对于某台电动机而言，当定子绕组上的电压及频率一定时，转子电路等参数均为常数。此时，电动机的电磁转矩仅与转差率有关。常用T与S间的关系曲线（转矩特性曲线）来描述转矩与转差率之间的相互关系。图4-10转矩特性曲线由图看出：当时，，随着增大，也开始增大，达到最大值以后，随增大而减小。

有两台三相异步电动机，额定功率均为10kW，其中一台额定转速为980r/min，另一台为1430r/min。试求它们在额定状态下的输出转矩。N·m≈66.78N·mN·m≈97.45N·m由式（4-5）可得例4-2解

把图4-10顺时针转并把换成，变成图4-11所示的与之间的关系曲线，该曲线称为机械特性曲线。图4-11机械特性曲线2．机械特性

n0T额定工作点NnNTNTstTM（1）起动转矩Tst（2）最大转矩起动能力过载能力（系数）nm（3）临界转速

nm临界转速和临界转差率

最大转矩所对应的转速和转差率分别称为临界转速和临界转差率当R2=X20

时，S=Sm=1（起动时），则可使最大转矩出现在起动瞬间。应用

起重设备中广泛采用的绕线转子异步电动机就是利用了这一特点，保证电动机有足够大的起动转矩来提升重。

该段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。该段曲线表明：当负载转矩增大时，电磁转矩增大，电动机转速略有下降。

机械特性曲线可分为稳定运行区AB段和非稳定运行区BC段两部分。该段曲线表明：当负载转矩增大到超过电动机最大转矩时，电动机转速将急剧下降，直到停转。（2）非稳定运行区（BC段）（1）稳定运行区（AB段）n0TNnNTNTstTMnmABC稳定运行区比较平坦，即随着负载转矩的变化，电动机转速变化很小，因此其机械特性为硬特性。

若定子绕组增加一倍，且每个绕组在空间以相差60°的角度排列，并把相差180°的两个绕组首尾相串，组成一相绕组，则可构成四极（P=2）电动机。问题3：电动机一但过载，会很快停转。停转时，会发生什么？问题2.若电动机所拖动的负载阻力矩大于最大转矩，会怎样？电动机将因拖不动负载而被迫停转。

电动机电流很大，若时间过长，则会烧坏电动机。检验学习结果问题1.怎样产生两对磁极?

一台三相异步电动机的=380V，=20A，=10kW，0.84，1460r/min，1.8，2.2，试求额定转矩，起动转矩，最大转矩，额定效率。

据式（4-5）

据式（4-7）

据式（4-8）

例4-3解故W≈11.06kW输入功率为2.2×65.41N·m≈143.90N·m1.8×65.41N·m≈117.74N·mN·m≈65.451N·m1）电动机所产生的电磁转矩与电源电压的平方成正比，因此电源电压的波动对电动机的转矩影响很大。结合式（4-6）、式（4-9），得出结论：2）最大转矩与转子电阻无关，因此适当调整可改变机械特性，而最大转矩不变。

3）起动设备简单、经济、操作方便、运行可靠。1．起动电动机起动的三个基本要求：

1）起动电流应尽量小；

2）起动转矩足够大；五、三相异步电动机的起动、反转、调速和制动（1）三相笼型异步电动机的起动1）全压起动

一般10kＷ以下的电动机可采用全压起动。优点：操作简单；缺点：起动电流较大，通常是额定电流的4~7倍，这么大的起动电流将使线路电压下降，严重时影响同一电网上的其它负载正常工作。2）减压起动

减压起动可减小起动电流，但由于起动转矩随电压的平方而降低，因此也大大减小了起动转矩，因此减压起动仅适用于在空载或轻载情况下起动的电动机。

·定子绕组串电阻或电抗减压起动

·Y/△减压起动

·自耦变压器减压起动

如果三相异步电动机不满足直接起动条件，就要采取降压起动的措施，以减小起动电流给电网和设备带来的不利因素。定子绕组串电阻或电抗减压起动

图4-12笼型异步电动机定子串电阻减压起动线路图缺点:

只适合轻载起动，且起动时电能损耗大。优点:

起动平稳，运行可靠，设备简单。这种起动方式，其起动电流和起动转矩只有直接起动时的1/3。Y/△减压起动缺点：只适用于正常运行时定子绕组为△联结的电动机，而且只能轻载起动。优点：设备简单，成本低，运行可靠；手柄上打，定子绕组Δ形运行手柄下打，定子绕组成Y形起动QS1L3V2L2L1QS2FUV1U1U2W1W2V1U1W1W2U2V2适用范围三相异步电动机Y-Δ起动器闭合电源开关，为电机通电做好准备

自耦变压器减压起动缺点：设备成本较高，不能频繁起动。优点：起动转矩较其他方法大，而且可灵活选择自耦变压器的抽头以得到合适的起动电流和起动转矩。运行时上打与电机直通起动时下打通过自耦变压器降压QS1L3V1L2L1QS2FUU1W1V1U1W1L2L1L3三相自耦变压器闭合电源开关，为电机通电做好准备

适用于容量较大的电动机或不能用Y-Δ降压起动的鼠笼式三相异步电动机。异步电动机的转动方向是和旋转磁场的方向一致的，因此改变旋转磁场的旋转方向，即可改变电动机的转动方向。而改变旋转磁场的旋转方向，只须把三相异步电动机的任意两根电源线对调即可。

在一定的负载下，人为地改变电动机的转速以满足生产机械的工作速度称为调速。2．反转

3．调速M~3ABC(1)改变极对数p，

变极调速

；由式可知，异步电动机的调速通过三种形式可实现：三相异步电动机的转速公式：(2)改变转差率s，

改变转差率s调速；(3)改变电源频率f1，

变频调速。

目前，第三种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源，通常由整流器、逆变器等组成。4．制动

通过改变电动机电气参数使其产生一个与转向相反的电磁转矩。电气制动包括能耗制动、反接制动和回馈制动。利用机械装置使电动机在切断电源后停转。机械制动电气制动

电机断电后由于机械惯性总要经过一段时间才能停下来。为了提高生产效率及安全，采用一定的方法让高速运转的电动机迅速停转，就是所谓的制动。(1)能耗制动n0=0

当电动机三相定子绕组与交流电源断开后，把直流电通入两相绕组，产生固定不动的磁场n0。

电动机由于惯性仍在运转，转子导体切割固定磁场产生感应电流。

载流导体在磁场中又会受到与转子惯性方向相反的电磁力作用，由此使电动机迅速停转。

能耗制动常用于生产机械中的各种机床制动。M~3R＋－NS×·FFn优点：制动平稳，快速停车，且只吸取少量的直流励磁电能，制动经济。(2)反接制动把与电源相接的三根火线中的任意两根对调，使旋转磁场改变方向，从而产生制动转矩的方法。在电动机的定子绕组中通入对称三相交流电，电动机顺时针转动。

改变通入定子绕组中电流的相序，旋转磁场反向，转子受到与惯性旋转方向相反的电磁力，使电机迅速停转。反接制动适用于中型车床和铣床的主轴制动。M~3ABC特点：比能耗制动更加强烈，制动更快，适用于使反抗性负载快速停车或反转。n0NS×·FF(3)再生发电制动起重机快速下放重物，使重物拖动转子出现n>n0情况时，电动机处于发电状态，此时在转子导体中感应电流，感应电流的方向与原电流方向相反，因此产生的电磁转矩方向也相反，这种制动称为再生发电制动。n>n0缺点：耗能大，经济性差。优点：适用于低速下放重物，安全性好何谓起动？如何判断三相异步电动机能否直接起动

？你会做吗？三相异步电动机在满载和空载两种情况下起动，起动电流和起动转矩是否一样

？一台380V、Y接的鼠笼式异步机，能否采用Y-Δ起动？为什么

？检验学习结果鼠笼式三相异步电动机的降压起动方法有哪几种？调速和制动方法又有哪几种？4.单相异步电动机简介实验室、家庭及办公场所通常是单相供电，因此实验室的很多仪器、各种电动小型工具、家用洗衣机、电冰箱、电风扇等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下。电容运转单相机洗衣机电动机电风扇电动机制冷压缩机单相异步电动机产品图三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？单相异步电动机的定子磁场单相机定子单相机转子ωt0i在定子绕组中通入单相交流电×××电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值，如图示：相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。NS电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负，如图：×××SN相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置