三相异步电动机的结构与工作原理.doc

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三相异步电动机的结构与工作原理

5.1三相异步电动机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。

电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。

把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。

它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：

（1）基本构造；

（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。

5.1.1三相异步电动机的结构与工作原理

1．三相异步电动机的构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。

图5-1三相电动机的结构示意图

1）．定子

三相异步电动机的定子由三部分组成：

定子

定子铁心

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。

定子绕组

三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。

这三相绕组可接成星形或三角形。

机座

机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组

2）．转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：

转子

转子铁心

由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。

转子绕组

转子绕组有两种形式：

鼠笼式--鼠笼式异步电动机。

绕线式--绕线式异步电动机。

转轴

转轴上加机械负载

鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。

为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。

2．三相异步电动机的转动原理

1）．基本原理

为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。

图5-2三相异步电动机工作原理

（1）．演示实验：

在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。

（2）．现象解释：

当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。

感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

（3）．结论：

欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

2）．旋转磁场

（1）．产生

图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。

并接成星形与三相电源U、V、W相联。

则三相定子绕组便通过三相对称电流：

随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场（图5-4）。

图5-3三相异步电动机定子接线

当wt=00时，，AX绕组中无电流；为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。

当wt=1200时，，BY绕组中无电流；为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。

当wt=2400时，，CZ绕组中无电流；为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。

随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

图5-4旋转磁场的形成

（2）．旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。

这时，转子的旋转方向也跟着改变。

3）．三相异步电动机的极数与转速

（1）．极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。

旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。

极数p与绕组的始端之间的空间角q的关系为：

（2）．转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

（5-1）

由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。

对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1

表5-1

p

1

2

3

4

5

6

n0

3000

1500

1000

750

600

500

（3）．转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。

也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。

转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。

即：

（5-2）

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。

转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S<1。

如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率S增大。

反之，S减小。

异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。

在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

根据式（4-2）,可以得到电动机的转速常用公式

（5-3）

例有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。

解：

由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。

显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。

因此，额定负载时的转差率为：

（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

总结：

1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；

3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；

4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；

5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

6、转差率s——用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。

即：

转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。

在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。

7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

5.1.2三相异步电机的转矩特性与机械特性

1．电磁转矩（简称转矩）

异步电动机的转矩T是由旋转磁场的每极磁通F与转子电流I2相互作用而产生的。

电磁转矩的大小与转子绕组中的电流I及旋转磁场的强弱有关。

经理论证明，它们的关系是：

（5-4）

其中 T为电磁转矩 KT为与电机结构有关的常数

F为旋转磁场每个极的磁通量I2为转子绕组电流的有效值

j2为转子电流滞后于转子电势的相位角

若考虑电源电压及电机的一些参数与电磁转矩的关系，（5-4）修正为：

（5-5）

其中 为常数 U1为定子绕组的相电压

S为转差率 R2为转子每相绕组的电阻

X20为转子静止时每相绕组的感抗

由上式可知，转矩T还与定子每相电压U1的平方成比例，所以当电源电压有所变动时，对转矩的影响很大。

此外，转矩T还受转子电阻R2的影响。

图4-15为异步电动机的转矩特性曲线。

2．机械特性曲线

图5-5三相异步电动机的机械特性曲线

在一定的电源电压U1和转子电阻R2下，电动机的转矩T与转差率n之间的关系曲线T=f（s）或转速与转矩的关系曲线n=f（T），称为电动机的机械特性曲线，它可根据式（5-4）得出，如图5-5所示。

在机械特性曲线上我们要讨论三个转矩：

1）．额定转矩TN

额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。

（5-6）

式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛·米。

当忽略电动机本身机械摩擦转矩T0时，阻转矩近似为负载转矩TL，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩TL相等，即T=TL。

额定负载时，则有TN=TL。

2）．最大转矩Tm

Tm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。

它反映了电动机的过载能力。

最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率，见图5-5（a）

最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数l，即

l=Tm/TN

一般三相异步的过载系数在1.8~2.2之间。

在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。

否则，就是重选电动机。

3）．起动转矩Tst，

Tst为电动机起动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝１时的转矩。

为确保电动机能够带额定负载起动，必须满足：

Tst>TN，一般的三相异步电动机有Tst/TN=