《电子与电工技术》课件第7章

7.1电动机的种类和主要用途7.2三相异步电动机的结构和工作原理7.3三相异步电动机的特性7.4三相异步电动机的选择与使用小结习题

第7章电动机电机是实现电能与机械能互相转换的设备，它是发电机和电动机的总称。发电机用来把机械能转换成电能，电动机则用来把电能转换成机械能。

电动机可分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机又可分为同步电动机和异步电动机。7.1电动机的种类和主要用途7.2.1三相异步电动机的结构

三相异步电动机的外形和主要部件如图7-1所示。它主要由定子(固定部分)和转子(旋转部分)两大部分组成。7.2三相异步电动机的结构和工作原理图7-1三相异步电动机结构示意图

1．定子

定子是电动机的不转动部分，其作用是产生一个旋转磁场。

2．转子

转子是电动机的转动部分，在旋转磁场的作用下获得转动力矩，以带动生产机械一同转动。根据结构的不同，转子也可分为鼠笼式和绕线式两种。转子由转轴、转子铁芯、转子绕组、风扇等组成。图7-2(b)为转子铁芯的硅钢片。图7-2定子和转子铁芯的硅钢片图7-3三相定子绕组的接法图7-4所示是鼠笼式转子的绕组和外形。它的绕组铜条压进铁芯的槽内，两端用端环连接，像个圆筒形的鼠笼，如图7-4(a)所示。鼠笼式异步电动机结构简单，工作可靠，维护方便，是应用最广的一种电机。

图7-5所示为绕线式转子的外形。在转子铁芯槽内放置对称的三相转子绕组，三相绕组接成星形，末端接在一起，首端分别接至三个彼此绝缘的滑环上，滑环与转轴绝缘，并通过电刷与外接启动电阻等电路相接。这种转子能改善电动机的启动和调速性能。图7-4鼠笼式转子图7-5绕线式转子

7.2.2三相异步电动机的工作原理

1．转子的转动原理

图7-6(a)所示为一异步电动机的模型。在一个装有摇柄的马蹄形磁铁中，放着一个可自由转动的鼠笼转子，磁铁和转子间没有机械联系。当转动磁铁时，转子也随之作同方向转动。

异步电动机的转动原理与上述情况相似。为了方便分析，现把该模型的剖面画出，如图7-6(b)所示。图7-6异步电动机的转动原理图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。

用转差率(s)的概念来反映转子与旋转磁场转速的“异步”程度,即

(7-1)

【例7-1】

已知一台电动机的磁场同步转速n1=1000r/min，转子额定转速为nN=975r/min，

求额定负载时的转差率。

解由转差率的公式可得：图7-7三相定子绕组的分布

2．三相异步电动机的工作原理

1)旋转磁场的产生

图7-6中的异步电动机模型是依靠手动使磁场旋转，在工程上则是用多相交流电通入绕组来产生旋转磁场的。

其波形如图7-8所示。图7-8一对磁极的旋转磁场及对应波形前面讲的三相异步电动机定子绕组每相只有一个线圈，定子铁芯有6个槽，则在定子铁芯内相当于有一对N、S磁极在旋转。若把定子铁芯的槽数增加为12个，即每相绕组由两个串联的线圈构成，相当于把图7-7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7-9所示。若在U1、V1、

W1三端通三相交流电，同理，在定子铁芯内可形成两对磁极的旋转磁场，如图7-10所示。图7-9四极电动机定子绕组的结构分布接线图图7-10四极电动机的旋转磁场及对应波形

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，即电流每秒变化f1次，磁场每秒转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

(7-2)

旋转磁场的转速n1也称为同步转速，由式(7-2)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7-1所示。表7-1同步转速与磁极对数对照表

【例7-2】

有一台三相异步电动机，额定转速nN=1440r/min，电源频率f=50Hz，问此电动机的同步转速、磁极对数及额定转差率各是多少？

解因为异步电动机在额定情况下运行时，转差率很小，转子的转速略低于旋转磁场的同步转速，故可推知该电动机的同步转速为1500r/min，磁极对数p=2，额定转差率为

7.3.1转子电路各物理量的分析

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。7.3三相异步电动机的特性

1．转子的感应电动势E2

当电动机启动时，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，其感应电动势为

E20=4.44f20K2N2Φ=4.44f1K2N2Φ

(7-3)

式中：K2为转子绕组系数，与转子绕组结构有关，略小于1；

f20启动时转子绕阻的频率，与定子频率f1相等。当电动机启动并以转速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

(7-4)

故转子感应电动势为

E2=4.44f2K2N2Φ=4.44sf1K2N2Φ=sE20(7-5)

2．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却和频率f2有关，即

X2=2πf2L2=2πsf1L2=sX20(7-6)

式中:L2为转子绕组的电感值；X20为转子静止时的感抗。

转子电流为

(7-7)式(7-7)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

(7-8)7.3.2三相异步电动机的电磁转矩

电动机的电磁转矩是由转子感应电流和旋转磁场相互作用而产生的，可以推导证明电磁转矩的大小与转子感应电流的有功分量和旋转磁场的每极磁通成正比，即

T=CTΦI2cosφ2

(7-9)

式中:CT为异步电动机的转矩系数，与电动机结构有关；Φ为旋转磁场的每极磁通，单位为Wb。电流的单位为A，所以电磁转矩的单位为N·m。

旋转磁场的磁通Φ为

(7-10)

转子电流I2为

(7-11)

将上两式及式(7-8)代入式(7-9)，可得

(7-12)图7-11三相异步电动机的转矩特性7.3.3三相异步电动机的机械特性

为了更清楚地说明转子转速与电磁转矩之间的关系，一般用n=f(T)曲线来描述异步电动机的机械特性。

根据式(7-12)和式(7-1)可画出n=f(T)的机械特性曲线，如图7-12所示。图7-12三相异步电动机的机械特性在稳定区(nm＜n＜n1)，电磁转矩与电机轴上的负载转矩保持平衡，因此电动机匀速运行。若负载转矩发生变化，则电磁转矩自动调整，最后达到新的平衡状态使电动机稳定运行。

例如，图7-13所示是一个自适应过程的曲线图，设当负载转矩为Ta

时，电机稳定运行于a点，此时电磁转矩也等于Ta，转速为na

；若负载转矩改变为Tb，由于惯性，速度不能突变，负载改变后最初的电磁转矩仍为Ta，则由于T＞TL，电机加速，工作点上移，电磁转矩减小，直到过渡过程到达b点，电磁转矩等于Tb，转速不再上升，电机便运行于b点，电机在新的转速下开始稳定运行，完成一次自适应调节过程。图7-13自适应过程曲线图

2．三个重要的转矩

1)额定转矩TN

额定转矩是指电动机在额定负载的情况下，其轴上输出的转矩。电动机的额定转矩可以通过电机铭牌上的额定功率和额定转速求得，由

P2=TΩ

得

(7-13)

2)最大转矩TM

最大转矩是指电动机所能提供的极限转矩，它是对应于临界转差率的临界转矩，可用数学方法求得。

对式(7-12)求s的导数，令其等于零，即则(7-14)

将上式代入式(7-12)，可得

(7-15)通常用最大转矩与额定转矩之比来描述电机的过载情况，这个比值称为过载系数，用λ表示，即

3)启动转矩Tst

启动转矩是指电动机刚接通电源以后，电机尚未转动起来，即转速为0时的电磁转矩。

电机的启动转矩对应图7-12中的n=0时的转矩Tst，即

(7-16)从图7-12中可以看出，启动转矩大于额定转矩，它决定了该电机的启动能力。只要电动机的启动转矩大于负载转矩，电机就可加速，沿机械特性曲线上升，越过最大转矩到达稳定运行区。显然，启动转矩越大，电机的启动能力就越强，启动所需的时间也就越短。反之，若启动转矩小于负载转矩，则电机不能启动。

异步电动机的启动能力用启动转矩与额定转矩的比值来表示，即

(7-17)

【例7-3】

已知两台异步电动机的额定功率都是10kW，但转速不同。其中n1N=2930r/min，n2N=1450r/min，如果过载系数都是2.2，求它们的额定转矩和最大转矩。

解根据式(7-13)可知第一台电机的额定转矩为

最大转矩为

T1m=2.2×32.6=71.7N·m

第二台电机的额定转矩为

最大转矩为

T2m=2.2×65.9=145N·m

3．电源电压对机械特性的影响

由式(7-15)和式(7-16)可以看出，最大转矩和启动转矩与电源电压的平方成正比，因此，电源电压的波动对机械特性的影响极大，而临界转差率却与电源电压无关，即临界转

速与电源电压也无关。因此，当电源电压升高时，Tm、Tst

增大，nm不变，机械特性曲线右移，如图7-14所示。可见，电源电压增大时，机械特性曲线变硬。为了保证电动机的安全运行，要求电源电压的波动不超过规定电压的5%。图7-14电源电压对机械特性的影响

4．转子电阻对机械特性的影响

转子电阻的改变会影响电动机的临界转差率和启动转矩，而最大转矩与转子电阻无关，其中sm与R2成正比。因此，当R2增大时，sm也增大，nm降低，Tm保持不变，机械特性曲线下移，如图7-15所示。可见，转子电阻增大时，机械特性曲线变软。当R2=X2时，sm=1，这时启动转矩等于最大转矩，达最大值。利用转子电阻增大、启动转矩也增大的特性，可以在电动机启动时增加转子电阻，以提高启动转矩。绕线式异步电动机就是利用这一原理进行启动的。图7-15转子电阻对机械特性的影响7.4.1三相异步电动机的选择

异步电动机在生产中应用极广，因此，正确选用异步电动机是十分重要的。选用电动机时，应在满足生产要求的基础上，力求经济、安全、可靠。选择的主要内容包括以下几个方面。

1．种类的选择

电动机的种类的选择，应从生产工艺的具体要求来考虑，并应从技术和经济两方面进行比较后加以确定。7.4三相异步电动机的选择与使用

2．电压和转速选择

电动机的电压等级应根据车间电源电压、电机的类型及其功率来决定。Y系列电动机只有额定电压为380V这一等级，大功率异步电动机常采用3kV或6kV。

3．功率选择

电动机的功率是由生产机械所需的功率和工作方式来确定的。

1)连续工作电动机的功率选择

在负载恒定、连续工作的情况下，电动机的额定功率应等于或稍大于负载功率，如泵、通风机等。若选用的电动机额定功率小于负载功率，则电动机会出现过载现象。因此，电动机的功率应按下式来选择：

(7-18)

2)短时工作电动机的功率选择

电动机按给定时间工作，工作时间短，停机时间长，如水坝的闸门、机床的刀库等。我国规定短时工作制的标准时间有10min、30min、60min、90min四种。有专门的短时工作制的电动机，其额定功率和标准时间相对应。这种工作方式下的额定功率可用下式计算:

(7-19)

3)断续工作电动机的功率选择

断续工作方式是指电动机重复短时工作，工作时间与停歇时间交替出现。我国规定的标准断续工作周期T为10min，其中包括工作时间t1和停歇时间t2。把工作时间与工作周期的比值称为持续率，即

7.4.2三相异步电动机的使用

要正确使用电动机，必须先了解电动机的铭牌数据及操作程序。

1．铭牌数据

每台异步电动机的外壳上都有一块铭牌，上面标示着这台电动机的主要技术数据，供使用者正确选用和维护电机。表7-2为某一台异步电动机的铭牌数据。表7-2异步电动机的铭牌

1)型号

型号表示电动机的结构形式、机座号和极数。

2)额定电压UN

额定电压是电动机定子绕组应加线电压的额定值，有些异步电动机铭牌上标有220/380V，相应的接法为△/Y。

3)额定电流IN

额定电流是指电动机在额定运行时定子绕组的线电流。

4)额定转速nN

额定转速是指电动机额定运行时的转速。

5)额定频率fN

额定频率是指电动机在额定运行时的交流电源的频率，我国工频为50Hz。

6)工作方式

工作方式是指电动机的运行状态。

7)绝缘等级

绝缘等级是由电动机所用的绝缘材料决定的。按耐热程度不同，将电动机的绝缘等级分为A、E、B、F、H、C六个等级，它们允许的最高温度如表7-3所示。表7-3电动机的绝缘等级

8)温升

温升是指在规定的环境温度下，电动机各部分允许超出的最高温度。通常规定的环境温度是40℃，如果电机铭牌上的温升为70℃，则允许电机的最高温度可以是40℃+70℃=110℃。显然，电动机的温升取决于电机的绝缘材料的等级。电机在工作时，所有的损耗都会使电机发热，温度上升。在正常的额定负载范围内，电动机的温度是不会超出允许温升的，绝缘材料可保证电机在一定期限内可靠工作。如果超载，尤其是故障运行，则电机的温升将超过

允许值，电机的寿命会受到很大的影响。

2．异步电动机启动的主要问题

异步电动机接通电源，使电机的转子从静止状态到转子以一定速度稳定运行的过程称为电动机的启动过程。电动机在实际使用时，因为要经常启动和停车，所以电动机的启动问题是一个非常重要的问题。

1)启动电流IST

在刚启动瞬间，n=0，旋转磁场以最大的相对转速切割转子导体，这时转子绕组的感应电动势和转子电流都很大，与变压器的原理一样，定子电流也很大。

2)启动转矩MST

电动机启动时，IST虽然大，但转子电量频率高，转子感抗大，功率因数很低，因而启动转矩MST并不大，一般为额定转矩的1.0～2.4倍。异步电动机的启动转矩如果小于额定转矩，则不能满载(带额定负载)启动。足够大的启动转矩不但能使电动机在重载下启动，还能缩短启动时间。但若启动转矩过大，又会使传动机构受到冲击，容易损坏。

3．异步电动机启动方法

1)直接启动

直接启动又称为全压启动，启动时，将电机的额定电压通过刀开关或接触器直接接到电动机的定子绕组上进行启动。直接启动最简单，不需附加启动设备，启动时间短。

2)降压启动

通过启动设备将电机的额定电压降低后加到电机的定子绕组上，以限制电机的启动电流，待电机的转速上升到稳定值时，再使定子绕组承受全压，从而使电机在额定电压下稳定

运行，这种启动方法称为降压启动。常用的降压启动方法有下面三种。

(1)Y—△降压启动。

这种启动方法适用于电动机正常运行时接法为三角形的异步电动机。电动机启动时，定子绕组接成星形，启动完毕后，电动机切换为三角形。图7-16是一个Y—△降压启动控制线路，启动时，电源开关QS闭合，控制电路先使得KM2闭合，电机星形启动，定子绕组由于采用了星形结构，其每相绕组上承受的电压比正常接法时下降了1/。当电机转速上升到稳定值时，控制电路再控制KM1闭合，于是定子绕组换成三角形接法，电机开始稳定运行。

图7-16Y—△降压启动控制线路定子绕组每相阻抗为|Z|，电源电压为U1，则采用△连接直接启动时的线电流为

采用Y连接降压启动时，每相绕组的线电流为

(2)自耦变压器降压启动。

这种启动方法是指启动时，定子绕组接三相自耦变压器的低压输出端，启动完毕后，切掉自耦变压器并将定子绕组直接接上三相交流电源，使电动机在额定电压下稳定运行。图7-17为自耦变压器的降压启动线路，自耦变压器的原边接电源电压，副边接接触器KM1。当电机的转速上升到一定速度时，KM1断开，KM2闭合，切除自耦变压器，电机开始稳定运行。图7－17自耦变压器降压启动控制线路

(3)转子串电阻降压启动。

在分析转子电阻R2对机械特性的影响时知道，转子电阻增大不但会减小转子电流，从而减小定子电流(启动电流)，而且可以提高电磁转矩(启动转矩)，显然这种启动方式可以满足启动的两方面要求，应该广泛使用。但由于鼠笼式异步电动机的转子电阻是固定的，不能改变，所以鼠笼式电机不能采用此种启动方法。

图7-18为转子串电阻的启动电路图，启动时，将变阻器调到最大，电源开关闭合，转子串电阻开始启动运行。

图7-18转子串电阻启动控制线路图

【例7-4】

一台三角形连接的三相异步电动机，其额定数据如下：求：(1)额定转差率；(2)额定电流；(3)额定转矩；(4)最大转矩。

解

(1)由题意可知同步转速n0=1500r/min，故

(2)额定电流IN为

(3)额定转矩MN为

(4)最大转矩Mmax为

【例7-5】

上例的电动机采用直接启动时的启动电流和启动转矩是多少？若采用Y—△启动和自耦降压启动(接64%抽头)，则线路上的启动电流和电动机的启动转矩又是多少？

解

(1)直接启动时，

(2)Y—△启动时，星形接法的启动电流为

此时的启动转矩为

(3)自耦降压启动。

依题意，启动时电动机端电压降到电源电压的64%，故电动机的启动电流(也是自耦变压器副边的电流)为直接启动电流的0.64倍,即有：

IST′=0.64IST=0.64×487.5=312A

由于变压器电流的变换关系，变压器原边的启动电流(也是线路上的启动电流)IST″为

IST″=0.64IST′=0.64×312=199.7A

由于电动机的电磁转矩和电压的平方成正比，所以电动机降压启动时的启动转矩为

MST′=0.642MST=0.642×312=127.8N·m

4．三相异步电动机的调速

调速是指在同一负载下人为改变电动机的转速。由前面所学可知，电动机的转速为

1)变频调速

变频调速是指通过改变电源的频率从而改变电机转速。

2)变极调速

变极调速是指通过改变异步电动机定子绕组的接线以改变电动机的极对数从而实现调速的方法。鼠笼式异步电动机转子的极数能自动与定子绕组的极数相适应，所以一般鼠笼式异步电动机采用这种方法调速。异步电动机可以通过改变电动机的定子绕组接法来实现变极调速，也可以通过在定子上安装不同的定子绕组来实现调速。图7-19所示为一个4/2极双速电机的定子绕组接法及对应的单相磁场分布示意图。图7-19变极调速

3)变转差率调速

在绕线式异步电动机中，可以通过改变转子电阻来改变转差率，从而改变电机的速度。如图7-20所示，设负载转矩TL不变，转子电阻R2增大，电动机的转差率s增大，转速下降，工作点下移，机械特性变软。当平滑调节转子电阻时，可以实现无极调速，但调速范围较小，且要消耗电能，一般用于起重设备上。图7-20变转差率调速

5．三相异步电动机的制动

三相异步电动机脱离电源之后，由于惯性，电动机要经过一定的时间后才会慢慢停下来，但有些生产机械要求能迅速而准确地停车，那么就要求对电动机进行制动控制。电动机的制动方法可以分为两大类：机械制动和电气制动。机械制动一般利用电磁抱闸的方法来实现；电气制动一般有能耗制动、反接制动和回馈发电制动三种方法。

1)能耗制动

图7-21所示为能耗制动原理接线图。当电动机电源的双投开关断开交流电源并向下投时，电动机接至直流电源上，直流电流通入定子绕组产生恒定不动的磁场，而转子导体因惯性转动切割磁力线产生感应电流，并产生制动转矩(其方向如图示)。制动转矩的大小与直流电流的大小有关，制动时应用的直流电流一般为电动机额定电流的0.5～1倍。图7-21能耗制动示意图

2)反接制动

反接制动是指制动时，改变定子绕组任意两相的相序，使得电动机的旋转磁场换向，反向磁场与原来惯性旋转的转子之间相互作用，产生一个与转子转向相反的电磁转矩，迫使电动机的转速迅速下降，当转速接近零时，切断电机的电源，如图7-22所示。显然，反接制动比能耗制动所用的时间要短。图7-22反接制动示意图

3)回馈发电制动

回馈发电制动是指在电动机转向不变的情况下，由于某种原因，使得电动机的转速大于同步转速，比如在起重机械下放重物、电动机车下坡时，都会出现这种情况，这时重物拖动转子，转速大于同步转速，转子相对于旋转磁场改变运动方向，转子感应电动势及转子电流也反向，于是转子受到制动力矩，使得重物匀速下降。此过程中电动机将势能转换为电能回馈给电网，所以称为回馈发电制动。

(1)电动机是将电能转换成机械能的旋转机械，主要由定子和转子构成。三相异步电动机按其结构可以分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机两种。

(2)三相异步电动机的工作原理是定子绕组通入三相电源之后，在电机定子中产生旋转磁场，转子绕组切割旋转磁场的磁力线，并在闭合的转子回路中产生感应电流，产生感应电流的转子在旋转磁场中受到作用力，产生电磁转矩，带动转子旋转。转子的转向取决于旋转磁场的方向，旋转磁场的方向受制于电源的相序。小结旋转磁场的转速又称为同步转速，同步转速n1与电源频率和磁极对数有关，计算公式为n1=60f1/p。电机转子的转速n小于同步转速n1，所以称为异步电动机，转差率为

三相异步电动机定子端电压的有效值U1≈E1=4.44f1K1N1Φ，当外加电压U1不变时，旋转磁场的磁通Φ基本不变。与变压器原理相同，定子电流受制于转子电流。转子感应电动势的有效值E2=4.44f2K2N2Φ=sE20，转子电流为

功率因数为

三相异步电动机的电磁转矩为

(3)异步电动机的转矩特性和机械特性表达式分别为T=f(s)和n=f(T)。机械特性曲线分稳定区和不稳定区。电动机正常运行时，工作点在稳定区。电动机的转子电阻和电源电压都会影响电动机的机械特性。

电动机有三个重要的转矩：

额定转矩

最大转矩

启动转矩

异步电动机的额定电压和额定电流是指定子上的线电压和线电流，额定功率是指轴上输出的功率。

(4)异步电动机有直接启动和降压启动两种启动方法。直接启动时，启动电流太大，所以对于大容量的异步电动机应该采用降压启动。一般鼠笼式异步电动机多采用Y-△、自耦变压器启动；绕线式异步电动机多采用转子串电阻启动。(5)异步电动机的调速方法有变