《电机原理与维修》课件第11章

第11章三相异步电动机的基本知识及结构

11.1三相异步电动机的转动原理11.2异步电动机的类型及基本结构11.3三相异步电动机的铭牌习题11.1三相异步电动机的转动原理11.1.1异步电动机的转动原理三相异步电动机和其他类型电动机一样，也是利用通电导体在磁场中产生电磁力的原理制成的。图11-1是三相异步电动机的工作原理示意图，图中N、S为一对安装在用铁磁材料做成的圆柱形铁芯上，在两个磁极中间也装有一个能够转动的圆柱形铁芯，在铁芯外圆槽内嵌放着导体，这些导体两端各用圆环把它们短接成一整体。图11-1异步电动机工作原理示意图若将外圈以n1速度逆时针方向旋转，则外圈上的磁极也以n1速度逆时针方向旋转，形成旋转磁场。此旋转磁场逆时针方向切割转子导体，在导体中产生感应电动势。电动势的方向可以用右手定则判定。由于转子绕组是短路的，因此在感应电动势的作用下，导体中就有电流流过，此电流与感应电动势同方向。载流导体在磁场中将会产生电磁力。由左手定则判定，N极下的导体所受电磁力方向向左，S极下的则向右，这一对力偶产生了转轴上的电磁转矩T，它与旋转磁场同方向，在电磁转矩作用下，转子就会以n的速度顺着磁场方向旋转起来。这就是异步电动机的基本工作原理。当三相异步电动机接入三相交流电源时，就有三相对称电流流过三相定子绕组并在电动机的气隙中产生旋转磁场，此旋转磁场的旋转速度n1称为同步转速。由于转子转动的方向与旋转磁场的旋转方向是一致的，而且转子的转速n

始终要低于旋转磁场的旋转速度n1，如果n与n1相同，则磁场与转子导体之间就没有相对运动，因此它们之间就没有电磁关系，也就不能在转子导体中感应电动势、产生电流，也就不能形成电磁转矩。所以异步电动机的转子转速n不可能等于旋转磁场的转速n1，这就是为什么叫异步电动机的原因。11.1.2转差率旋转磁场的转速n1与转子转速n之差称为转差Δn，这个转差是异步电动机正常运行的必要条件。转差与旋转磁场的转速n1之比，称为转差率，用符号s表示，即

(11-1)转差率是决定异步电动机运行的一个重要参数，它的大小也反映了异步电动机的运行速度。在电机启动瞬间，转子转速n=0，所以转差率s=1；随着转子转速的不断上升，转差率s逐渐减小。假如所有阻力矩(包括电动机本身轴承摩擦等)全部为零，则称为电动机的理想空载。在此情况下，转子转速可以上升至理想空载转速n0，即n0=n1，此时转差率s=0。为了使异步电动机的运行效率较高，通常使它的额定转速接近于同步转速。因此额定转差率sn很小，一般在0.015～0.05之间。11.1.3异步电机的三种运行状态

1.异步电机的电动运行状态异步电机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，异步电动机的转速n总是略小于同步转速n1，以使气隙旋转磁场能够切割转子导体，在转子导体中产生感应电势和产生电流，使转子能产生足够的电磁转矩拖动转子以n的速度顺着磁场方向旋转，如图11-2(a)所示，从而把电能转化为机械能。此时，转子的转速变化范围为0＜n＜n1，转差率的变化范围为1＞s＞0。图11-2异步电机三种运行状态原理图

2.异步电机的发电机运行状态在异步电机转子不带机械负载的情况下，用一原动机拖动异步电机以大于同步转速n1的速度顺着旋转磁场的方向旋转，如图11-2(b)所示。可以看出，由于转子的转速大于旋转磁场的转速，因此转子导体切割磁场而产生的电势及电流均与图11-2(a)相反。由左手定则可知，转子导体中的电流与气隙磁场相作用而产生的电磁转矩方向也与转子转向相反，起制动作用。为了克服电磁转矩的制动作用，保证转子以n＞n1的某一转速下运转，原动机就必须不断向电机转子输入机械功率，而异步电机定子则把输入的机械功率转化为输出的电功率，即把机械能转化为电能。此时，异步电机成为发电机运行，称为异步发电机。当异步电机在发电机运行状态下运行时，转子转速恒大于同步转速，即n＞n1，由式11-1可知，发电机运行时转差率s恒为负值。

3.异步电机的制动状态运行在某种情况下，当转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向相反时，如图11-2(c)所示，这时转子导体切割磁场所产生的感应电势和电流与电动机状态相同，作用在转子上的电磁转矩方向也与旋转磁场的方向相同，但与转子的旋转方向相反，起阻止转子旋转的作用，故称为异步电机的制动状态运行。此时，异步电机一方面消耗原动机的机械功率，同时又从电网上吸收电功率，这与电动机运行时一样，这两部分功率均消耗在电动机内部。在制动运行时，转子的旋转方向与磁场方向相反，n为负值，转差率s必大于1。实际应用当中，异步电机绝大多数是作为电动机运行的。它结构简单、价格便宜、效率较高和运行可靠，中、小型的异步电动机在工业中应用最为广泛。异步发电机的性能由于不如同步发电机优越，仅用于特殊场合，如用于风力发电机。至于制动运行也是异步电机的一种特殊运行方式。综上所述三种运行状态，异步电机转子的转速始终与旋转磁场的转速不等，故称为异步电机。由于异步电机的转子电流是由定子励磁磁场所感应的，也把异步电机称为感应电机。11.2异步电动机的类型及基本结构11.2.1基本类型三相异步电动机的类型很多，从不同的角度看，有不同的分类方法。通常按转子绕组的结构分为鼠笼型和绕线型两种类型。鼠笼型结构简单，制造方便，成本低，运行可靠；绕线型可通过外接电阻来改善启动性能并能进行调速。若按机壳的防护形式可分为防护式、封闭式和开启式。还有按电动机的容量大小、冷却方式等分类。图11-3封闭式三相鼠笼型异步电动机的结构示意图

1.定子部分

1)定子铁芯定子铁芯是电动机主磁路的一部分，装在机座里，并要放置定子绕组。为了增强导磁性能和减少旋转磁场在定子铁芯中的涡流损耗和磁滞损耗，定子铁芯采用片间绝缘的0.5mm厚的硅钢片叠压而成。图11-4(a)、(b)为定子铁芯及冲片的示意图。当铁芯直径小于1m时，用整圆的硅钢片叠成；大于1m时，有扇型硅钢片拼装而成。为了放置定子绕组，在定子内圆开有槽，槽的形状有：开口槽、半开口槽和半封闭槽，如图11-5所示。它们分别对应放置大、中型的高压异步电动机的定子绕组、中型500V以下和小型异步电动机的定子绕组。图11-4定子铁芯与冲片图11-5定子铁芯槽型(a)开口槽；(b)半开口槽；(c)半封口槽

2)定子绕组定子绕组是电动机的定子电路部分，由它通过电流建立磁场，并感应电动势以实现机电能量转换。三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，它由三个完全相同的绕组组成，每个绕组为一相，三个绕组在空间上互差120°电角度，每相绕组的两端分别用U1-U2

，V1-V2，W1-W2表示，可以根据需要接成星形和三角形，如图11-6所示。图11-6三相异步电动机的定子绕组接线(a)星形连接；(b)三角形连接

3)机座机座的作用主要是起固定和支撑定子铁芯，对于中、小型异步电动机，一般采用铸铁机座；对于大型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。根据电动机的防护方式、冷却方式和安装方式的不同，机座的形式也不同。

2.转子部分三相异步电动机的转子部分由转子铁芯和转子绕组两部分组成。

1)转子铁芯转子铁芯的作用与定子铁芯相同，既作为电动机磁路的一部分，又用来安放转子绕组，转子铁芯也是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上。

2)转子绕组转子绕组的作用是产生感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。根据转子绕组结构的不同分为鼠笼型和绕线型转子两种。

(1)鼠笼型转子。在转子铁芯的每一个槽内用铝水浇铸填满，冷却后就成为转子导条，并且在浇铸时将导条、端环和风扇叶片一次铸成，故称为铸铝转子，如图11-7(a)所示。若除去转子铁芯，则剩下导条和端环，其形状像老鼠笼子，故称为鼠笼型转子，如图11-7(b)所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。

(2)绕线型转子。图11-8(a)所示为绕线型转子，与定子绕组一样，它也是对称三相绕组。绕线型转子一般接成星形，三根引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，如图11-8(b)所示。它可以把附加电阻接到转子绕组回路中去，以改善电动机的运行性能。图11-7鼠笼型转子绕组图11-8绕线型转子绕组(a)外形图；(b)接线图

3.其他部分其他部分包括端盖、轴承和风扇等。端盖对电动机起防护作用并用于安装轴承。轴承用于支撑转子轴。风扇用来通风冷却。11.3三相异步电动机的铭牌每一台三相异步电动机的机座上都有一块铭牌，标注有电动机的型号、额定值、绕组接线方式、防护等级等，如表11-1所示。

1.型号异步电动机的型号一般由汉语拼音的大写字母和阿拉伯数字组成，主要表征电动机的种类、规格和用途等。具体含义如下所示：

2.额定参数异步电动机在铭牌上标注的额定值主要有下列几项：

(1)额定功率PN。指电动机在额定运行时转轴上输出的机械功率，单位是kW。

(2)额定电压UN。指额定运行时电网加在定子绕组上的线电压，单位是V或kV。

(3)额定电流IN。指电动机在额定电压下，输出额定功率时，输入定子绕组中的线电流，单位是A。

(4)额定转速nN。指额定运行时电动机的转速，单位是转/分(r/min)。

(5)额定频率fN。指电动机所接电源的频率，单位是Hz。我国的工频频率为50Hz。

3.防护等级电动机的防护等级用字母IP和两个数字表示，I是International(国际)的第一个字母，P是Protection(防护)的第一个字母，IP后面的第一个数字代表第一种防护形式(防尘)的等级，第二个数字代表第二种防护形式(防水)的等级，数字越大，表明防护的能力越强。

4.接法用Y或△表示。表示在额定运行时，定子绕组应采用的连接方式，Y表示星形连接，△表示三角形连接。

5.绝缘等级绝缘等级决定了电动机的允许温升，有时也不标明绝缘等级而直接标明允许温升。

6.工作方式电动机的工作方式与电动机允许的温升有关，分三种情况：

(1)连续运行。依据电动机铭牌规定的参数，长期连续运行，其各部分的温升不会超过允许值。

(2)短时运行。依据电动机铭牌规定的参数，由实际冷态开始，在规定的持续时间内运行，才可保证电动机不超过允许温升值。

(3)周期运行。依据电动机铭牌规定的参数，电动机按照周期性方式工作，每个周期包括额定负载时间和停机或空载时间。额定负载时间与周期时间之比称为负载持续率。标准的负载持续率为15%、25%、40%及60%。每个周期为10min。习题

11-1简述异步电动机的工作原理，并解释“异步”的意义。

11-2什么叫转差率？异步电动机的额定转差率一般是多少？启动瞬时的转差率是多少？转差率等于零对应什么情况，这在实际中存在吗？

11-3异步电机有哪三种运行状态?对应的转差率范围各是多少?

11-4三相异步电动机的主要结构有那几部分？分别起什么作用？

11-5为什么异步电动机的定、转子铁芯要用导磁性能良好的硅钢片制成？空气隙为什么必须很小？

11-6异步电动机的额定电压、额定电流、额定功率的定义是什么？

11-7三相异步电动机铭牌上标注