电工与电子技术教案程周高教第二版D5讲解

2-2-815章电动机【课题】

三相异步电动机的根本构造与旋转磁场【教学目标】解释三相异步电动机的根本构造和旋转磁场。【教学重点】三相异步电动机的根本构造。三相异步电动机的旋转磁场。【教学难点】三相异步电动机的旋转磁场。【教学过程】【一、复习】磁路根本学问。三相沟通电的概念。【二、引入课】相当于变压器的一次绕组和二次绕组。旋转磁场是使电动机转子旋转的缘由。【三、讲授课】三相异步电动机的根本构造5.1所示为具有笼型转子的三相沟通异步电动机的构造图。图5.1 三相笼型异步电动机构造定子：由铁心和绕在铁心上的三相绕组构成，如图5.2〔a〕所示。铁心：由外表涂有绝缘漆的硅钢片叠压[如图5.2〔b〕所示]而成，其内圆周均匀分布肯定数量的槽孔，用以嵌置三相定子绕组。绕组：每相绕组分布在几个槽内,整个绕组和铁心固定在机壳上。图5.2 电动机定子定子三相绕组的六个接线端子从接线盒引出，如图5.3所示〔可接成星形或三角形。图5.3 三相异步电动机定子接线盒定子三相绕组的联结方式：①每相绕组的额定电压等于电源的相电压时，绕组应作星形联结。②每相绕组的额定电压等于电源的线电压时，绕组应作三角形联结。转子：由转子铁心和转子绕组组成。转子铁心：是由厚的硅钢片叠压而成的圆柱体，其外圆周冲有槽孔，以便嵌置转子绕组，5.4(a)所示。(b) (c)图5.4 笼型转子转子绕组依据构造分成两种形式：〔端环〕上，如图5.4(b)所示。中、小型电动机一般都将熔化的铝浇铸在转子铁心槽中，连同短路端环以及风扇叶片一次浇铸5.4(c)所示。②绕线型转子：转子的铁心槽内嵌置对称三相绕组并作星形联结。三个绕组的末端相连，各相绕组首端通过滑环和电刷引到相应的接线盒里。绕线转子型异步电动机转子的构造如图5.5所示。〔a〕示意图 〔b〕绕线转子图5.5 绕线转子异步电动机构造三相异步电动机的旋转磁场120o5.6所示)，5.7所示)。图5.7 旋转磁场的产生旋转磁场的磁极对数p与定子绕组的空间排列有关。通过适当的安排，可以制成两对、三对或更多对磁极的旋转磁场。旋转磁场转速〔同步转速〕为n 60f

rmin0 p5.1所示。表5.1 不同磁极对数旋转磁场的转速p12345300015001000750600对旋转磁场形成过程分析还可知，旋转磁场转向与通入电动机定子绕组的电流相序有关。假设要使旋转磁场反转，只需把三根电源线中的任意两根对调，旋转磁场与原来旋转方向相反。【四、小结】三相异步电动机的构造三相异步电动机定子绕组接入三相电源有两种联结方式：星形或三角形。电动机定子绕组的连接方式与外接电压有关。异步电动机旋转磁场，是在对称三相绕组通入对称三相沟通电流时产生的。旋转磁场的转速称为同步转速。n0

60fp旋转磁场方向的转变只需对调三根电源线中的任意两根。【五、习题】一、是非题：1、2、3；三、填空题：1、2；四、计算题：1；五、作图题与简答题：1。【课题】

三相异步电动机的转动原理及转差率【教学目标】解释三相异步电动机的转动原理及转差率。【教学重点】三相异步电动机的转差率。【教学难点】三相异步电动机的转动原理。【教学过程】【一、复习】三相异步电动机的旋转磁场。【二、引入课】在旋转磁场的作用下，三相异步电动机转子上产生转矩并旋转。作为异步电动机，异步程度是用转差率描述的。【三、讲授课】三相异步电动机的转动原理及转差率5.11所示。图5.11 异步电动机转动原理旋转磁场以同步转速n0生感生电动势、感生电流，用右手定则判定其方向。有电流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，用左手定则推断转子受力〔F〕的方向，如图5.11所示。电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子沿旋转磁场的方向〔顺时针方向〕旋转。异步电动机：转子转速n2

与旋转磁场转速n0

同方向，且n0

n。2转差率：同步转速n0

与转子转速n2

的差值与同步转速n0s nn0 202

s表示。n02电动机的异步程度：电动机在起动瞬间，n2s最小。

0，s1n2

接近于〔即转子转速〕nN

=1440 min，其同步转速n0

1500rmin，则额定转差率s【四、小结】

(n nN 0

) n0

0.04sN

0.020.06。三相异步电动机定子绕组通入三相沟通电后，会在定子绕组空间产生旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下会转动。转子的旋转方向和旋转磁场的方向是全都的，因此要想转变异步电动机的旋转方向，只要转变旋转磁场的方向即可。nn

〔同步转速〕相差的程度。2当电动机通电转子尚未转动瞬间，n

0=0s=1；当转子转速等于同步转速时，n

=ns=0。一般状况下，额定转差率sN【五、习题】

2 0 2=0.02~0.06。一、是非题：4、5、6；二、选择题：1、2；三、填空题：3。【课题】

三相异步电动机的运行特性【教学目标】知道三相异步电动机机械特性的概念。【教学重点】三相异步电动机机械特性分析。三相异步电动机机转矩与外加电压关系。【教学难点】三相异步电动机机械特性分析。【教学过程】【一、复习】外特性的概念。【二、引入课】三相异步电动机的运行时会有各种不同的状态，这些都能够在其机械特性上反映出来。另外，电动机的电磁转矩受电源电压的影响很大，这也是本节争论的重点。【三、讲授课】Tn2的关系曲线2机械特性曲线：电动机的电磁转矩Tn5.12所示。2图5.12 三相异步电动机的机械特性曲线stT为起动时对应的电磁转矩；stN额定转矩T 为电动机带额定负载时对应的电磁转矩；NmT可见：m

为电动机在运行中具有的最大转矩。〔沿曲线DCm段上升〕到最大转矩T 。而后随着转速的连续增大电磁转矩减小〔沿曲线CA段下降〕到等于负载m阻力矩时，电动机就以某一转速匀速稳定旋转。电动机在AC段工作时假设负载加重，负载阻力矩大于电磁转矩，会使电动机转速有所下降，但与此同时，电磁转矩随转速的下降而增大，从而与负载阻力矩到达的平衡，使电动机以比原来稍低的转速稳定运转。假设负载的阻力矩超过了最大电磁转矩T，没有的平衡点使电磁转矩等于负载转矩，电动m机的转速将很快下降直到停顿，处于堵转状态。堵转时电动机定子绕组的电流可到达额定值的4~7倍。ACA~C区间内，均可以找到平衡点稳定运行。过载系数〔过载力量2~2.23或更大。起动力量：电动机的起动转矩与额定转矩之比。一般比例为1.7~2.2。转矩与功率的关系电动机在额定状态下运行输出额定转矩

PTN9550nNNNTN为电动机输出额定转矩PN为电动机输出的额定功率N

为电动机的额定转速〔r/mi。电磁转矩与电源电压的关系TU的平方成正比。即TU25.13画出了几条不同电压时的机械特性曲线。图5.13 电源电压变化时的机械特性曲线假设电压下降过多，最大转矩也低于负载转矩时，则电动时机被迫停转。[例5.1] 某三相异步电动机额定功率PN

nN

1440rmin，过载力量为1.8TN

T

Tst

。假设电动机满载运行，定子绕组m20%时，电动机能否连续旋转？能否在此状态下满载起动？[解] 额定转矩起动转矩为

T N

PNn 9550NN

41440

Nm26.5Nm最大转矩为

T=1.8Tst N

=1.826.5Nm=47.7Nm2.22.226.5Nm=58.3Nmm 20%T∝U2，对应的起动转矩、最大转矩分别为 T =0.82T =0.64 47.7Nm=30.6 st stT 0.82Tm m

=0.6458.4Nm37.4Nm满载运行时：由于负载转矩等于电磁转矩TNm速稳定运行。m

降压后能在的平衡点以的转 满载起动时：由于负载转矩等于电磁转矩T 26.5Nm N st【四、小结】电磁转矩Tn2n2

的之间的关系也称为机械特性。机械特性中，最值得留意的有三点：0s1。额定点。临界点，转速降低；另一局部是转矩减小时，转速降低。电磁转矩与电源电压的平方成正比，电动机端电压下降较多的状况下，电动机的电磁转矩会显著下降，引起电流增大，严峻时会烧毁电动机。【五、习题】一、是非题：7、8、9、10；二、选择题：3、4；三、填空题：4；四、计算题：2、3、4。【课题】

5.4 三相异步电动机铭牌【教学目标】解释三相异步电动机的铭牌和主要参数。【教学重点】三相异步电动机铭牌数据。【教学难点】铭牌数据中的额定功率、额定电压和额定电流。【教学过程】【一、复习】异步电动机工作原理。【二、引入课】有指导意义的。能够正确理解铭牌上参数的意义，是娴熟技术人员必需具备的素养之一。【三、讲授课】5.14所示。图5.14 三相异步电动机铭牌电动机型号Y1124：指国产Y系列异步电动机，中心机座高度为112m”表示中机座S”表示短机座”表示旋转磁场为四极p2。额定功率P〔4.0kW：表示电动机在额定工作状态下运行时输出的机械功率。额定电压UN380V：表示定子绕组上加的线电压。通常功率3kW4kW以上时，定子绕组作三角形联结。额定电流N〔8.8：表示电动机额定运行时定子绕组的线电流。额定转速nN1440r/mi：表示电动机在额定运行时转子的转速。防护方式IP4：表示电动机外壳防护的方式为封闭式电动机。频率〔50H：表示电动机定子绕组输入沟通电源的频率。工作制〔工作制SS2为短时运行，S3为短时重复运行。绝缘等级B级绝缘耐热性能可分为Y、A、E、B、F、H、C七个等级，如表5.2所示。目前，国产Y系列电动机一般承受B级绝缘。表5.2 绝缘材料耐热性能等级绝缘等级YAEBFHC/oC90105120130155180180此外，铭牌上标注“LW82dB”是电动机的噪声等级。除铭牌上标出的参数之外，在产品名目或电工手册中还有其他一些技术数据。例如：功率因数：指在额定负载下定子电路的功率因数。效率：指电动机在额定负载时的效率。它等于额定状态下输出功率与输入功率之比，即P PN P1N

100% P3UI cos3UI cos2N

100%温升：指在额定负载时，绕组的工作温度与环境温度的差值。N st [例5.2] 在[例5.1]中，假设U =380V，cos /I 7.0，效率0.84N st [解]3UI cosN4103UI cosN41033380I 0.82NN可得338033800.840.82

4103

NA8.8Ast st

I7I 78.8A61.6A三相异步电动机铭牌数据主要有：电动机型号、额定功率P

U

I

、额定n

N N N、防护方式、频率f、工作制、绝缘等级等。N【五、习题】二、选择题：5、6；四、计算题：5、6。【课题】

单相异步电动机【教学目标】知道单相异步电动机的构造和使用。【教学重点】电容分相式异步电动机定子电路。罩极式单相异步电动机的旋转磁场。【教学难点】罩极式异步电动机异步电动机的工作原理。【教学过程】【一、复习】旋转磁场。沟通异步电动机的工作原理。【二、引入课】特别性就表现在这方面。【三、讲授课】电容分相式单相异步电动机电容分相式异步电动机的定子电路如图5.15所示。图5.15 电容分相式单相异步电动机定子电路90的绕组U1U2、V1V2。其中U1U2I。V1V2绕组中串有电容器，称为起动绕组，流过的电流为I

2。适中选择电容器C的容量，可使两个绕1组中的电流相位差为90，这样在空间上互成90的两相绕组通入互差90的两相沟通电，便产生了5.16所示。图5.16 互差90的两相电流的旋转磁场在旋转磁场的作用下，电动机的转子就会沿旋转磁场方向旋转。的角度，也可以产生旋转磁场。罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机定子铁心做成凸极式，转子仍为笼型，如图5.17所示。图5.17 罩极式单相异步电动机罩极：定子磁极上开一个槽，在较小磁极上套一个短路铜环。磁极绕通入单相沟通电，铁心中便产生交变磁通，铜环中产生感应电流。由楞次定律可知，感应磁通总是从未罩局部向罩极移动，似乎磁场在旋转，从而获得起动转矩。5.18所示。5.18 罩极式单相异步电动机的旋转磁场罩极式单相异步电动机不能转变转向〔磁场总是从未罩局部向罩极移动式单相异步电动机的起动转矩小。【四、小结】罩极式单相异步电动机：在凸极式转子磁极上开槽，并在较小磁极上套一个短路铜环，在交变磁通作用下，短路铜环中感应电流阻挡原磁通的变化，使其滞后。从磁极端面上看，相当于磁通从未罩局部向罩极局部移动，从而获得起动转矩。【五、习题】一、是非题：11、12、13、14；二、选择题：8、9；三、填空题：5；五、作图题：4、5。【课题】

同步电动机【教学目标】知道同步电动机的构造与用途。【教学重点】三一样步电动机构造与运转。反响式同步电动机。永磁式同步电动机。【教学难点】反响式同步电动机。永磁式同步电动机。【教学过程】【一、复习】异步电动机工作原理。磁铁材料的磁化。【二、引入课】机和微型同步电动机两类。微型同步电动机在生产和生活中的应用是很广泛的。【三、讲授课】三一样步电动机的构造及运转原理三一样步电动机构造：定子与三相异步电动机的定子构造完全一样，通入三相沟通电后，产生旋转磁场。转子与异步电动机不同，它通常在凸出的磁极上装有直流励磁绕组，如图5.19所示。〔a〕外形图 〔b〕构造示意图图5.19 三一样步电动机动转子以同步转速旋转。5.20为三一样步电动机的运转原理图。图5.20 三一样步电动机运转原理三一样步电动机起动方式：异步起动，同步运转。即转子边沿安装很多类似笼型异步电动机5.21所示。图5.21 三一样步电动机转子笼型导条起动时使转子先异步起动，当转子转速接近同步转速时，再通入直流励磁电流，旋转磁场就会马上吸住转子同步运转。三一样步电动机运行的特点：恒速性：负载的阻转矩不超过允许值，转速总是等于同步转速。功率因数可调性：通过对转子励磁电流的调整来转变电动机本身的功率因数。①准励磁状：cos1电动机呈电阻性，相当于纯阻性负载；②欠励磁状态：减小励磁电流，可使电动机呈感性，相当于感性负载；③过励磁状态：增大励磁电流，可使电动机呈容性，相当于容性负载。作为同步补偿机使用，使其空载运行，向电网输送无功电流，提高功率因数。微型同步电动机反响式同步电动机转子是用软磁材料做成凸极式，转子异步起动，当转子转速接近同步转速时，转子被旋转磁场磁5.22〔a〕所示。不重合，如图5.22〔b〕所示。而磁力线总是力图沿磁阻最小的路径通过，于是便有迫使转子纵轴向旋转磁场轴线重合的转矩〔即磁阻转矩〕产生，最终转子在磁阻转矩的作用下与旋转磁场同步旋转。外形 (b)转子被磁化 〔c〕磁感线被扭曲图5.22 反响式同步电动机磁滞式同步电动机转子中间开槽使得沿不同方向的磁阻不同，在定子旋转磁场的作用下，将产生肯定的磁阻转矩。另外，硬磁材料制成的转子，具有较强的磁滞效应，又将产生磁滞转矩，如图5.23所示。图〔a〕为开头θ后，转子上已被磁化的磁性并未消逝，表现为旋转磁场与转子磁极轴线之间将消灭空间位置的夹角θ，即磁滞角。磁滞角使气隙FFn

Ft

Ft

可形成磁滞转矩，使转子沿旋转磁场方向旋转，如图5.23所示。所以，磁滞式同步电动机是受磁滞转矩和磁阻转矩共同作用而旋转的。〔a〕 〔b〕 〔c〕图5.23 磁滞式同步电动机转矩形成原理永磁式同步电动机场后，转子永久磁场将产生与旋转磁场一样的磁极数，因而被定子旋转磁场拖入同步运转。【四、小结】同步电动机的功率因数可以调整。三一样步电动机定子构造和异步电动机一样。同步电动机的转子有两种类型：凸极式转子的磁极突出；隐极式转子的外层为圆柱形而磁极外形并不明显。微型同步电动机按转子形式不同分为反响式、磁滞式和永磁式同步电动机。【五、习题】一、是非题：5；二、选择题：7；五、作图题：6。【课题】

直流电动机【教学目标】知道直流电动机的构造和用途。【教学重点】直流电动机的励磁方式。直流电动机的机械特性。【教学难点】直流电动机的转动原理。【教学过程】【一、复习】沟通电动机的转动原理。【二、引入课】直流电动机构造较沟通电动机简单得多，但其在运行性能上有很多优点是沟通电动机临时没有的。本节内容偏多，主要讲教学重点，其他问题一带而过。【三、讲授课】直流电动机的构造及转动原理5.24所示为直流电动机构造示意图。图中：

图5.24 直流电动机构造示意图N、S为直流电动机定子主磁极，主磁极上绕有励磁绕组。线圈abcd装在可转动的圆柱形铁心上，合称电枢,线圈称为电枢绕组。与电枢绕组两端相连的是两个彼此绝缘的圆弧形铜片，即换向片。电刷AB紧压在换向片上并与外加直流电源相通。直流电动机的励磁方式按励磁绕组与电枢绕组连接方式的不同,直流电动机可分为他励、并励、串励、复励四种。电5.25所示。〔a〕他励 〔b〕并励 〔c〕串励 〔d〕复励图5.25 直流电动机的励磁方式四种励磁的直流电动机的机械特性曲线分别如图5.26所示。图5.26 直流电动机的机械特性他励和并励直流电动机具有硬机械特性。当负载增大时转速略有下降，但变化不大。串励电动机具有软机械特性。当负载增大时转速大幅下降。但当负载很轻或接近空载时，转速将很高。复励电动机具有的机械特性曲线介于以上两种电动机机械特性曲线之间，适用于起动转矩较大，转速变化不大的负载。【四、小结】为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必需转变成电动机内部的交变电直流电动机定子由主磁极、换向磁极、机座和端盖组成。直流电动机转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器和风扇等组成。直流电动机的励磁方式他励电动机的励磁电流由另外直流电源供给。并励电动机的电枢绕组和励磁绕组是并联关系，是同一电源供电。串励电动机的电枢电流就是励磁电流。复励电动机分积复励和差复励之分，积复励就是电动机既有并励，又有串励，并且两个励磁的作用是相互加强的；差复励是两个励磁的作用相互削减。【五、习题】一、是非题：16、17、18；五、作图题：3、7、8。【课题】

掌握电机【教学目标】知道掌握电机的构造和用途。【教学重点】步进电动机构造