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1、第3章 交流异步电动机 3 . 1 三相异步电动机的工作原理与结构 3 . 2 三相异步电动机的定子绕组 3 . 3 三相异步电动机定子绕组的感应电动势 3 . 4 三相异步电动机的定子磁动势 3 . 5 三相异步电动机的等值电路和相量图 3 . 6 三相异步电动机的功率和转矩 3 . 7 三相异步电动机的工作特性 3 . 8 三相异步电动机的机械特性 3 . 9 单相异步电动机 三相异步电动机是应用通电导体在磁场中产生电磁 力的原理而工作的,如图所示,外圆圈是可以转动的 圆柱形铁心, 安放了一对磁极。在磁极中间装有一 个也能够转动的圆柱形铁心,简称转子。在转子外 圆的两个槽内嵌放着一个闭合线
2、圈。 若将外圆圈上的一对磁极以速度 逆时针旋转,成为旋转磁场, 切割转 子导条。用右手定则可知: N极下导 条感应电动势方向是向内的,S极下是 向外的。 第3章 交流异步电动机 3.1 三相异步电动机的工作原理与结构 3 . 1 . 1 三相异步电动机的工作原理(1) 3 . 1 . 1 三相异步电动机的工作原理(2) 闭合线圈导条中的电流与感应电动势同方向,由左手 定则可知,N极下导条电磁力方向向左,S极下的向右, 这一对力偶产生了转轴上的电磁转矩T,其转向为逆 时针方向, 转子在电磁转矩T的作用下,就会以n的速 度沿逆时针方向旋转起来,成为电动机。 同步转速 与转子转速 之差 称为转差。转
3、差 与同步转速 之比,称为转差率,用s表示,即 s也能表示转子的转速,即 异步电动机正常运行时转差率s很小,一般在0.015 0.05之间。 3 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(1) 图3 . 2 三相笼型异步电动机的结构图 图3 .3 定子铁心与冲片 1 .轴 2 .弹簧片 3 .轴承 4 .端盖 5 .定子绕组 6 .机座 7 .定子铁心 8 .转子铁心 9 .吊环 10 .出线盒 11 .风罩 12 .风扇 13 .轴承端盖 图3 .2是一台三相笼型异步电动机的结构图。主要部件 是定子和转子。定子有定子铁心、定子绕组和机座;转 子有转子铁心、转子绕组和转轴。定子铁心是电动机主
4、磁通所经磁路的一部分,用硅钢片叠压而成 ,如图3.3。 3 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(2) 定子铁心内圆上开有槽,槽内 放置定子绕组 ,槽型 如右上 图。定子绕组是三相绕组, 六个出线头都引到接线盒 上,若铭牌标明为Y联结, 应 将三个末端的出线头 、 连接在一起,三个首端出线 头 、 、 接三相电源,如图 (a);若为D( )联结,应将 与 、 与 、 与 分别连 在一起, 三个首端 、 、 接三相电源,如图(b)。 （a）（b）（c） （a）（b） 3 . 1 . 2 组成异步电动机的主要部件(3) 转子铁心用硅钢片冲压叠装而成,转子槽形如左上图,槽内 放置转子绕组。转子绕
5、组有笼型转子绕组和绕线转子 绕组。笼型转子绕组如左下图;绕线转子绕组是对称的 三相绕组,接成星形,三根引出线分别接到三个与转轴绝 缘的铜环上,称为集电环,通过电刷装置与外电路相接, 如上右图。 （a）（b）（c） （a）（b） 3 . 1 . 3 三相异步电动机的铭牌数据 1 .额定功率 ,指电动机在额定运行时转轴上输出 的机械功率, kW; 2 .额定电压 ,指额定运行时电网加在定子绕组上 的线电压, V或kV; 3 .额定电流 ,指电动机在额定电压下,输出额定功 率时,定子绕组中的线电流, A; 与 及 之间的关 系是 4 .额定转速 ,指额定运行时电动机的转速,单位是 转/分( r/mi
6、n); 5.接法用Y或D()表示,表明定子绕组应采用的连接 方式,Y表示星形联结,D()表示三角形联结。 3.2 三相异步电动机的定子绕组 定子绕组是由许多线圈按一定规 律连接而成,线圈在槽内部分是有 效边,槽外部分是端接,如右上图。 1.如果定子圆周上有p对磁极, 则 空间电角度= p机械角度。 2.若定子内圆周有 个槽,则槽距 角为 3.每相绕组在每个磁极下占据的 槽数称为每极每相槽数q , 定子绕 组相数为 时, 4.线圈两个有效边在定子圆周上 的距离,用槽数来表示,称为线圈节 距 ,右下图中 （a）（b） 3 . 2 . 1 三相单层绕组(1) 单层绕组的每个槽里只放一个线圈边, 绕组
7、的线圈数等 于定子槽数的一半。已知 极距 ,单层绕组为整距绕组, 将定子内圆周画成平面展开图,标明槽号1 24,如 图 。 ,可将1号与7号槽中元件 边连接成一个线圈,同样将2号 与8号的连成另一个线圈, 将这两个线圈首尾串联组成一 个线圈组。同理,将13与19及 14与20串联组成另一个线圈 组。再将这两个线圈组串联为一相绕组。 3 . 2 . 1 三相单层绕组(2) 图3 . 14 单层链式绕组U相的展开图 已知 ,将2 、 7 ; 8 、 13 ; 14 、 19 ; 20 、 1各自连接起来,构成了4个线圈。 再按电流方向,把各个线圈的端部按头头、尾尾的规 律串联起来,就构成了U相绕组
8、。从图3 .14所示展开 图上看,这4个线圈形同链条,故而称为链式绕组。同 样可将V、 W相线圈连成链式。 3 . 2 . 2 三相双层绕组 图3 .15 U相绕组展开图 已知 则 ,取 画出24个槽, 槽 中的实线和虚线分别表示上层边及下层边;把1号的上 层边与6号的下层边连成1号线圈,同样把2号与7号的 对应边连成2号线圈,再把1号和2号线圈串联成一个线 圈组。同理将7、 8, 13、14及19、20号线圈分别连 接成线圈组, 最后将4个线圈组连接成一相绕组。 3.3 三相异步电动机定子绕组的感应电动势 3 . 3 . 1 导体的感应电动势(1) 图3 . 16 交流发电机模型横截面示意图
9、 图3 . 17 导体的感应电动势 图3 .16 a是发电机模型横截面示意图,图b是展开图。设 基波磁通密度为 ,导体A以速度 切割磁场产 生的感应电动势为 ,转子的转速为 时,机械角 速度为 ,若有P对极,则电角速度为 将 代换, 则有 波形如图3.17 。 （a） （b） 3 . 3 . 1 导体的感应电动势(2) 如果电机有p对磁极,转子的转速为 , 则感应电动势 变化的频率为 即 (3.12) 感应电动势的幅值为 式中 是基波磁通密度 的平均值; 是气隙基波每极磁通量 ; 是导体切割磁场的线速度; 是定子内表面的极距。 导体切割基波磁场所产生的基波电动势的有效值为 3 . 3 . 2
10、线圈的感应电动势 1.整距线匝电动势的有效值是一根导体的有效值 的两倍,即 2.由 匝串联而成的整距线圈电动势的有效值为 3.短距线圈的节距 ,线匝的两根导体相隔的(电) 角度为 其感应电动势的 相量可用右图中的 和 表示,则线匝的 电动势有效值为 有 匝的短距线圈基波电动势大小为 称为基波短距系数。 3 . 3 . 3 线圈组的感应电动势 图3 .19 分布线圈组空间位置及其连接图 图3 . 20 分布线圈组基波电动势相量图 由3个线圈组成的分布线圈组如图3.19, 对q个线圈组成 的线圈组, 有 , q个大小相等的相量相加 就组成一个正多边形,如图3.20b, , 称为基波分布系数,对短距
11、分布 线圈组有 是绕组系数 。 （a）（b）（a）（b） 3 . 3 . 4 一相绕组的感应电动势 一相绕组的感应电动势就是绕组中一条并联支路 的电动势。 对于双层绕组,一相绕组在每一个极 下有一个线圈组,如果电机有P对极,则共有2P个 线圈组,若组成b条并联支路,则每条支路由 2 p/b个线圈组串联而成。所以每相绕组电动势为 (3.22) 式中 是一条支路的串联总匝数 。 单层绕组的线圈组数是双层绕组的一半,则 3 . 3 . 5 定子绕组的谐波电动势 次谐波磁通的极对数是基波磁通极对数的 倍,在定子绕组中感应谐波电动势的频率 若 次谐波每极磁通量为 ,则每相绕组中 次谐波电动势有效值为 式
12、中 是 次谐波的绕组系数,等于 次谐波的短距系数 和分布系数 的乘积 。 3.4 三相异步电动机的定子磁动势 3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(1) 上图是两极异步电动机磁场分布示意图及展开图。任选 一条围绕线圈导体的磁路,该磁路两次穿过气隙。若 匝的线圈电流为 ,则闭合磁路的磁动势 为 ,若忽略定转子铁心的磁压降,则一个气 隙的磁动势是 ,气隙磁动势空间分布波形 为矩形波,如图b,其最大高度为 ,矩形波磁动势 瞬时值随时间的变化而作余弦变化,称为脉动磁动势。 3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(2) 在空间按矩形波规律分布的磁动势 ,可以用傅里 叶级数分解为基波和奇次余
13、弦波,如下图,基波幅值是矩 形波幅值的4/,而 次谐波幅值是基波幅值的 ,即 式中 基波磁动势是一个在空间按 余弦规律 分布,其幅 值 随时间作 余弦变化的磁动势。 3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(3) q=3的整距线圈组空间分布 及磁动势相量如右图,即 其幅值为 式中基波分布系数是 短距线圈组的磁动势等于整 距的磁动势乘以短距系数 , 磁动势幅值为 3 . 4 . 1 单相绕组产生的脉动磁动势(4) 单相绕组产生的磁动势是指单相绕组中的线圈组在每 对磁极下产生的气隙磁动势。双层绕组在每一对磁极 下有两个线圈组(匝数为 ), 一相绕组产生的基波 磁动势幅值为 (3.29) 如果电
14、动机有P对极,一相绕组就有2P个线圈组,假定 组成b条并联支路,每一条并联支路串联总匝数 就是 一相绕组串联总匝数,即 则 线圈组的电流I与绕组相电流 的关系是 代入式(3.29),得到一相绕组基波磁动势幅值为 是基波绕组系数。基波磁动势瞬时值为 3 . 4 . 2 三相绕组产生的旋转磁动势(1) 定子三相绕组的轴线相差120 (空间)电角度,绕组中三 相对称电流相位互差120 (时间)电角度。以U相为基准, 其基波磁动势的表达式为 对V相有 对W相有 利用三角函数积化和差公式, 将以上三式分别变换为 将上三式相加,后三项之和为零, 三相合成基波磁动势为 (3.34) 幅值 (3.35) 当t=0时, 其波形如图中实线所 示;当 ,即 时, 波形如图 中虚线所示。从图中看出虚线波形是实线波形沿x轴 移动了 ,这表明,三相合成基波磁动势公式表示的是 一个在空间按余弦规律分布、幅值恒定不变、随时间 而正向旋转的磁动势
