电机原理及拖动（第4版）课件：异步电机原理

《电机原理及拖动》

第4版异步电动机原理第—节异步电动机的用途、结构及基本原理第二节交流电机的绕组及其感应电动势第三节交流电机绕组的磁动势第四节转子不转时的三相异步电动机第五节转子转动时的三相异步电动机第六节笼型转子的极数、相数、匝数和绕组系数第七节三相异步电动机的功率与转矩第八节三相异步电动机的参数测定第九节三相异步电动机的工作特性第—节异步电动机的用途、结构及基本原理一、异步电动机的用途

交流电机根据电机转子速度与旋转磁场速度是否相同分为同步电机和异步电机两类。

同步电机主要用作发电机，同步电动机过去主要用于少数不调速的大、中型生产机械，如空压机、球磨机等；

异步电机主要用作电动机，应用领域涉及各行各业，例如，在工业应用中，它可以拖动风机、矿山机械等；在农业应用中，可以拖动水泵、脱粒机、粉碎机以及其他农副产品的加工机械等。异步电动机的主要优点为：结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。缺点是异步电动机直接起动时转矩不大，以及运行时必须从电网里吸收感性的无功功率，它的功率因数总是小于1。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构异步电动机的型式和种类较多，从不同角度看，有不同的分类法。异步电动机定子相数单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机（应用最广）转子结构绕线型异步电动机笼型异步电动机单鼠笼异步电动机双鼠笼异步电动机深槽异步电动机5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。1.定子部分三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（1）外壳

：三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承、接线盒及吊环等部件。机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。通常，机座的外表面要求散热性能好，所以一般都铸有散热筋，以扩大散热面积。端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子封装在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。1.定子部分三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。轴承：端盖上装有轴承，用以支撑转子轴。常用的轴承有滚珠轴承、油膜轴承、空气轴承、磁悬浮轴承等。接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬电机。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。1.定子部分三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（2）定子铁心异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图5-2所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆开有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕组绕圈。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。1.定子部分（2）定子绕组定子绕组是电动机的电路部分，三相电动机有三相对称绕组，三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制而成，按一定规律嵌入定子铁心槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1、V1和W1，末端分别标为U2、V2和W2。可以接成星形或三角形。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。2.转子部分三相电动机的转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。（1）转子铁心转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上。作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。（2）转子绕组异步电动机的转子绕组分为绕线型和笼型两种，由此分为绕线型异步电动机和笼型异步电动机。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。2.转子部分三相电动机的转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。绕线型绕组与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，一般接成星形。三相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，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。2.转子部分三相电动机的转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。笼型型绕组在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为环）把导条连接起来，称为铜条转子。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子。笼型转子上没有集电环，结构简单、制造方便，运行可靠。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构

异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，它们都由定子、转子和气隙三部分组成。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。3.气隙三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2～1.5mm。气隙太大，磁阻也越大，产生同样的旋转磁场需要的励磁电流也越大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难和运转不安全。4.其他部分其他部分包括冷却电机的风扇、监控电机温度的传感器等。5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的结构5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的工作原理，就是通过在电动机气隙圆周上产生一个旋转磁场，转子绕组自身短路且处于旋转磁场内，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩拖动转子旋转。所以，异步电机又叫感应电机。1.旋转磁场的产生所谓旋转磁场，就是一种极性和大小不变且以一定转速旋转的磁场。根据理论分析和实践证明，在对称多相绕组中流过对称多相电流时会产生圆形旋转磁场。（1）一对磁极情况先分析三相绕组每相仅由一个线圈组成的情况，如图所示，U1-U2、V1-V2、W1-W2三个线圈空间彼此互隔120°，分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。(图5-6）5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理（1）一对磁极情况与交流电流频率

与交流电流频率

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理（1）一对磁极情况当三相对称绕组通入三相对称电流，各相电流的瞬时表达式为

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理（2）两对磁极情况

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理（2）两对磁极情况

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理2.三相异步电动机的工作原理异步电动机运行示意图(图5-8)n1：定子旋转磁场的转向相对定子磁场的旋转，转子导体切割磁力线的方向与n1相反；感应电势与感应电流的方向基本同向，电流稍滞后；（右手）转子受力，即转子旋转方向。（左手）5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理

四象限运行s=0：理想空载s<0：再生发电制动s>1：反接制动0<s<1：电动5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理4．三相异步电动机的铭牌数据

三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间的关系为:

5.1异步电动机的用途、结构及基本原理二、三相异步电动机的基本工作原理4．三相异步电动机的铭牌数据第二节交流电机的绕组及其感应电动势一、交流电机绕组的基本知识和概念1．电角度与机械角度2.绕组元件组成绕组的基本单元是绕组元件，它由一匝或多匝线圈组成，它有两个引出端，一个叫首端，一个叫末端。5.2交流电机的绕组及其感应电动势一、交流电机绕组的基本知识和概念3．极距

4．节距

5．槽距角

6．每极每相槽数

5.2交流电机的绕组及其感应电动势二、导体电动势1．导体电动势的频率

2.导体电动势的波形

注:B是空间位置或空间电角度α的函数,而导体电动势eU1是ωt的函数.SNBαeU1ωt5.2交流电机的绕组及其感应电动势二、导体电动势3．导体基波电动势的有效值导体电势幅值（只看基波，谐波不用考虑）eu1=E1msinωtE1m=B1mlv=B1ml·2pτn1/60Bav=B1m·2/πΦm=BavlτE1m=πΦm·f1有效值：

比较：变压器电势（4.44Nf1·Φm）

线圈=2个有效导体边

5.2交流电机的绕组及其感应电动势三、元件电动势1．整距元件的电动势SN.U1U2U1U2EU1.EU2.EU1.EU2.EU1U2匝电动势的有效值是导体电动势有效值的2倍：

EU1U2=2EU1=4.44fΦm而一个绕组元件由Ny个线匝串联组成,则一个整距元件的电动势为：

Eτ=4.44NyfΦm

5.2交流电机的绕组及其感应电动势三、元件电动势2．短距元件的电动势N.U1SU2ββEU1U2EU1EU2EU2γEU1γEU1U2γγβU1处于N极中心下时，另一边U2不是正好在S极下中心线下，而是离开一个小的角度。5.2交流电机的绕组及其感应电动势三、元件电动势2．短距元件的电动势节距y用空间电角度β表示有:短节距线匝电动势式中2EU1为整距时的匝电动势,ky=sin(y/τ)×900称为短距系数.如元件匝数为Ny,则它的基波电动势有效值为γ次谐波磁场在线匝中产生的感应电动势为因kyγ可能很小,甚至为零(如β=120,γ=3),故EU1U2γ=0。5.2交流电机的绕组及其感应电动势四、元件组电动势N⊙⊕⊕⊕⊙⊙S1231/2/3/nN1231/2/3/αEy1Ey2Ey3ΣEααEy1Ey2Ey3把相邻的几个元件串联成元件组，元件组中元件的电动势有效值相同，但相位不同。(图5-17)（图5-18）5.2交流电机的绕组及其感应电动势四、元件组电动势5.2交流电机的绕组及其感应电动势例5.1一台异步电机定子三相绕组的数据为槽数Z=18，极数2p=2,元件组串联元件数q=3,元件节距y=7(1~8槽下线)，试求绕组的ky1、kp1、kw1、ky5、kp5、kw5。5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组单层:每个槽内只放一个元件边.三相对称绕组:把电机绕组均分成三部分,在三相绕组中感应电动势幅值相等、相位互差120度。举例说明：假定有一台电机，定子槽数Z=16，极数为2P=4，问题是元件怎样组成，又怎样把它们联成三相对称绕组。5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组槽电势星（槽电势向量星形图）研究元件在电空间的向量图的目的：利用槽电势星分析、设计绕组。依据：各槽导体（或元件边）感应的电动势幅值相等，相临两槽电动势的相位差等于两槽之间所夹槽距角，依次画出所有槽中导体的电动势相量图正好形成对称星形图。步骤一：求参数步骤二：画槽电势星步骤三：分相带步骤四：画一相绕组展开图5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势五、三相单层对称绕组5.2交流电机的绕组及其感应电动势六、三相双层对称绕组

5.2交流电机的绕组及其感应电动势六、三相双层对称绕组双层绕组特点：所有线圈尺寸相同，有利于绕制，端部排列整齐，有利于散热。各线圈组可以串联也可以并联，每相线圈组数等于磁极数。最大可能并联支路数amax等于磁极数，即amax=2p。通过采用适当的短距，可以改善电动势和磁动势的波形。双层绕组主要应用在中、大型交流电机中。主要缺点在于：嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10kW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。5.2交流电机的绕组及其感应电动势六、三相双层对称绕组双层绕组特点：所有线圈尺寸相同，有利于绕制，端部排列整齐，有利于散热。各线圈组可以串联也可以并联，每相线圈组数等于磁极数。最大可能并联支路数amax等于磁极数，即amax=2p。通过采用适当的短距，可以改善电动势和磁动势的波形。双层绕组主要应用在中、大型交流电机中。主要缺点在于：嵌线较困难，特别是一台电机的最后几个线圈；线圈组间连线较多，极数多时耗铜量较大。一般10kW以上的中、小型同步电机和异步电机及大型同步电机的定子绕组采用双层叠绕组。5.2交流电机的绕组及其感应电动势七、三相对称绕组的相电动势和线电动势三相对称单层绕组的电动势为三相对称双层绕组的相电动势为若三相对称绕组为Y联结（星形联结），则其线电动势为若三相对称绕组为D联结（三角联结），则其线电动势为第三节交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势为了简化分析过程，我们作出下列假设：绕组中的电流随时间按正弦规律变化（实际上就是只考虑绕组中的基波电流）；槽内电流集中在槽中心处；转子呈圆柱形，气隙均匀；铁心不饱和，铁心中磁压降可忽略不计（即认为磁动势全部降落在气隙上）。线圈是构成绕组的最基本单位，所以磁动势的分析首先从线圈开始。由于整距线圈的磁动势比短距线圈磁动势简单，因此我们先来分析整距线圈的磁动势。5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势

假设线圈中通入直流电流后所产生的磁场分布的特点：磁力线沿定子圆周均匀分布。（用数值计算方法得到）5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势将（a）予以展开，可得到图（b）所示的磁动势波形图。从图中可以看到，整距线圈的磁动势在空间中的分布为一矩形波，其最大幅值为Nci/2。当线圈中的电流随时间按正弦规律变化时，矩形波的幅值也随时间按照正弦规律变化。5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势若把横坐标由电角度α换成距离x,显然α=(π/τ)x，则：α-为气隙上某点到坐标原点的空间电角度，X为该点到原点的距离按弧长计算。矩形波表达式:5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势Fcm为脉振磁动势的最大值由此看来，这个磁动势既和空间位置有关，又和时间有关。我们把这种空间位置不变，而幅值随时间变化的磁动势叫做脉振磁动势。若线圈流过的电流为则气隙中的磁动势为：5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势磁动势的空间谐波：空间位置的函数（图5-24）单相绕组的脉振磁势依据磁动势傅立叶分解表达式，只考虑基波（分布、短距消谐作用）：5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势考虑短距、分布图（5-25）：波幅在U1U2绕组轴线上；波结在U1、U2点；f=f1（绕组电流）5.3交流电机绕组的磁动势一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势分解为行波方程（图5-26）：两个分别在电机气隙圆周上向前和反向的圆形旋转磁动势。

5.3交流电机绕组的磁动势二、三相绕组的磁动势——圆形旋转磁动势

利用三角公式对脉振磁动势分解可得三相绕组的合成基波磁动势为5.3交流电机绕组的磁动势二、三相绕组的磁动势——圆形旋转磁动势

5.3交流电机绕组的磁动势三、磁动势的空间矢量表示法脉振磁动势的空间矢量

5.3交流电机绕组的磁动势三、磁动势的空间矢量表示法旋转磁动势的空间矢量空间旋转矢量的表示方法把一个沿空间正弦分布并以恒定的速度向前旋转的磁动势，称为旋转磁动势。如：

引入旋转算子：和

脉振磁势的分解：5.3交流电机绕组的磁动势三、磁动势的空间矢量表示法三相磁动势的合成：磁动势与产生它的电流成正比，比例系数与匝数、绕组系数、极对数等有关。交流调速课：“电流空间矢量”概念，实质是与之对应磁动势空间矢量。

第四节转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机1．物理情况气隙圆周上只有一个由定子绕组电流（定子磁动势）建立的旋转磁场。这与变压器空载情况相似，此时定子电流只是励磁电流。（注意：这时只能说与变压器空载状态相似，而不能说这就是异步电动机的空载状态，因为异步电动机的负载是轴头输出的的机械负载，它的空载状态是指转子绕组已经闭合，电动机已经正常旋转，只是它的轴上没带机械负载。）由于三相对称，所以只讨论一相即可。转子绕组的相电势注：转子不转f1=f2=f1异步电动机的电动势比5.4转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机定子漏电动势：定子电阻压降：转子开路时：转子无电流转子开路时电磁关系转子开路电压5.4转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机2.等效电路、方程式与相量图1.等效电路2.相量图与变压器空载时相同.3.方程式I0I05.4转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机主磁通和激磁阻抗Zm激磁阻抗，它是表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数。Xm激磁电抗，表征气隙主磁通的电抗。Rm激磁电阻，表征铁耗的一个等效电阻。5.4转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机F为空间旋转矢量，为绕组所链磁动势时间相量二者的关系：是F在相绕组轴线上的投影。物理意义：绕组上产生的感应电动势是由链磁动势产生的。这时与E1、E2的大小和相位关系符合e=-N（dφ/dt）公式。为与链磁动势对应的链磁通。φF//F/U1U25.4转子不转时的三相异步电动机一、转子开路的三相异步电动机

异步电动机开路时的漏阻抗压降较大，可达额定电压的2%~5%，而变压器的漏阻抗压降一般不超过额定电压的0.5%。（图5-32）5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机1．磁势平衡关系堵转：转子短路；轴上外力堵住n=0

。定、转子间有能量传递，但不转换成机械功率。着重分析磁势平衡关系。电磁状况转子磁势（n=0）转子绕组感应电势频率

5.4转子不转时的三相异步电动机（2）磁势平衡关系二、转子堵转的三相异步电动机

5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机定子侧转子侧2.物理情况5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机2.物理情况电压方程式磁动势方程式等效电路5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机3．转子绕组的折算电动势折算定、转子电流比定、转子相数比，绕线型m1=m2电流的折算按折算前后保持转子磁动势不变原则进行5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机3．转子绕组的折算阻抗的折算折算前后功率不应变化的原则。5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机4．方程式、等效电路和相量图基本方程式：等效电路图：注：如外加额定电压，电流很大，可能烧坏电机。5.4转子不转时的三相异步电动机二、转子堵转的三相异步电动机4．方程式、等效电路和相量图相量图：动图5-35第五节转子转动时的三相异步电动机1．物理情况转子频率

同步旋转；转子通直流（固定磁极）转子电势E20是转子不转时的电动势。1．物理情况

5.5转子转动时的三相异步电动机2．磁势平衡关系合成磁势：电机理想空载：电机负载：

5.5转子转动时的三相异步电动机证明：定、转子磁势相对静止相对于转子转速：相对于定子转速：相对于定子转速：与相对静止（同速、同向）。

5.5转子转动时的三相异步电动机5.5转子转动时的三相异步电动机分析：“恒压系统”概念实际情况：与变压器极为相似。3．转子频率折算5.5转子转动时的三相异步电动机问题：两侧频率不同解决：要把频率f2折算成f1。实质：在磁场不变的情况下，用一个不转的假想转子（f1）来代替真实转子（f2）。要求：折算前、后转子磁势（F2）的转速、转向、幅值与空间相位都保持不变。3．转子频率折算5.5转子转动时的三相异步电动机4．转子绕组折算、方程式、等效电路和相量图5.5转子转动时的三相异步电动机4．转子绕组折算、方程式、等效电路和相量图5.5转子转动时的三相异步电动机4．转子绕组折算、方程式、等效电路和相量图5.5转子转动时的三相异步电动机4．转子绕组折算、方程式、等效电路和相量图