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1、4.1 三相异步电动机的工作原理和基本结构,4.2 三相交流电机的定子绕组,4.3 绕组的感应电动势,4.4 绕组的磁动势,4.5 三相异步电动机的空载运行,4.6 三相异步电动机的负载运行,4.7三相异步电动机的功率和电磁转矩,三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。,第4章 三相异步电动机,4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构,4.1.1 三相异步电动机的基本工作原理,N-S空间里装有一个能够转动的圆柱形铁心，铁心外圆槽内嵌放导体，导体两端各用一圆环将其接成一整体。使磁极以
2、n1的速度逆时针旋转，形成一个旋转磁场，转子导体就会切割磁力线而感应电动势e。用右手定则判定，转子上半部分的导体中，感应电动势的方向为，下半部分导体的感应电动势方向为。在感应电动势的作用下，导体中就有电流 i，若不计电动势与电流的相位差，则电流 i与电动势e同方向。载流导体在磁场中受到电磁力作用，由左手定则判定电磁力f 的方向。由电磁力 f 所形成的电磁转矩Te使转子以n的速度旋转，旋转方向与磁场的旋转方向相同。,一、转动原理,二、转差率,转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。,负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小
3、。电机的转速为：,额定运行时，转差率一般在0.010.06之间，即电机转速接近同步速。,同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即：,三、异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态,4.1.2 三相异步电动机的基本结构,一、定子部分,1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。,2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。,3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。,二、转子部分,1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。,2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线
4、式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。,三、气隙,按转子结构分：,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图,三相绕线型转子结构图,额定值,额定电压UN（KV或V）额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.,额定功率PN（KW）额定条件下转轴上输出的机械功率。,额定电流IN（A） 在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.,额定转速nN(r/min)额定运行时电动机的转速.,一、铭牌数据,额定功率因数cosN,额定频率fN,额定效率
5、N,4.1.3 铭牌数据及主要系列,输入功率,若是绕线转子感应电动机，则还应有： （7）转子绕组的开路电压 指转子接额定电压，转子绕组开路时的转子线电压，单位是V。 （8）转子绕组的额定电流 单位是A。 此外，铭牌上还标明绕组的相数与绕组的接法（星形还是三角形）、绝缘等级及允许温升等。 （9）型号 一般用来表示电动机的种类和几何尺寸的大小等。如新系列的异步电动机用字母Y表示，用中心高表示电动机的直径大小；铁心长度分别用S、M、L表示，电动机的防护形式由字母IP和两个数字表示，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，防护形式的数字数字越大，表示防护
6、的能力越强。,二、三相异步电动机的主要系列,Y系列 是一般用途的小型笼型电动机系列，取代了原先的JO2系列。额定电压为380V，额定频率为50Hz，功率范围为（0.55-90）kW，同步转速为（70-3000）r/min，外壳防护型式为IP44和IP23两种，B级绝缘。 JDO2系列 该系列是小型三相多速感应电动机系列。它主要用于各式机床以及起重传动设备等需要多种速度的传动装置。 JR系列 该系列是中型防护式三相绕线转子感应电动机系列，容量为（45-410）kW。 YR系列 是一种大型三相绕线子感应电动机系列，容量为（250-2500）kW，主要用于冶金工业和矿山中。,三相异步电动机的定子部分
7、在结构上和同步电动机的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成“Y”形或“”形。,接线,4.2 交流电机的定子绕组,4.2.1 交流绕组的基本要求和分类,一、三相交流绕组基本要求,1）三相绕组对称；,2）力求获得最大的电动势和磁动势；,3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；,4）节省用铜量；,5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；,6）工艺简单、便于制造、安装和检修。,二、三相交流绕组的分类,单层绕组与双层绕组相比，电气性能稍差，但槽利用率高，制造工时少，因此小容量的电动机中（PN10kW），一般都采用单层绕组。
8、,三、交流绕组的基本概念,1、极距,两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距：,2、线圈节距,一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。,3、电角度,电角度=np机械角度,4、槽距角,相邻两个槽之间的电角度：,6、相带,每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。,每一个极面下每相所占的槽数为,5、每极每相槽数,4.2.2 三相单层绕组,单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。,一、单层链式绕组,单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的
9、线圈连接而成，整个外形如长链。,链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。,二、单层交叉式绕组,单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。,交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q1的且为奇数的小型三相异步电动机。,三、单层同心式绕组,同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。,同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。,三相单层绕组的优缺点,优
10、点：（1）单层绕组为整距绕组 （2）元件少，结构简单，嵌线方便，槽内无层间绝缘 （3）广泛应用于10kW以下的异步电动机定子绕组,缺点：（1）电动势和磁动势波形较差 （2）铁损和噪声较大 （3）起动性能较差 （4）不适宜于大中型电机,4.2.3 三相双层绕组,双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y 的另一槽的下层。,双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。,双层绕组的特点：,1）线圈数等于槽数；,2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；,3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。,优点（1）可组成较多的并
11、联支路 （2）可以选择最有利的节距，使电动势和磁动势波形更接近正弦波 （3）所有线圈的形状和尺寸相同，便于实现机械化 （4）端部排列整齐机械强度高,缺点 （1）嵌线困难 （2）用铜量大,4.3 交流电机绕组的感应电动势,4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数,一、一根导体的电动势,二、整距绕组的电动势,每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的电动势:,电动势频率:,电动势大小:,电动势波形:,三、短距线圈的电动势,每个短距线圈的电动势:,称为短距系数：线圈短距时电动势比整距时打的一个折扣,4.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数,一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈
12、电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为:,若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差电角度,电动势为:,称为基波分布系数:线圈组电动势等于集中线圈组电动势打的一个折扣.,称为基波绕组系数。,4.3.3 一相绕组的基波感应电动势,一、一相绕组的基波电动势,对单层绕组：,对双层绕组：,每相绕组的电动势等于每一条并联支路的电动势。一般情况下，每条支路中所串联的几个线圈组的电动势都是大小相等，相位相同的，因此，可以直接相加。,式中N每相绕组的串联匝数。,二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响,对V次谐波：,改善电动势波形的方法:,（）采用短距绕组来削弱高次谐波,（）采用分布
13、绕组来削弱高次谐波,改善主磁极磁场的分布,改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势,3.采用接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波,4.4交流电机绕组的磁动势,4.4.1 单相绕组的磁动势,一、整距集中绕组的磁动势,一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得:,忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:,空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变化.变化频率为电流频率。,空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。,矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:,基波磁动势为:,基波磁动势最大值为:,整距绕组基波磁动
14、势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化仍然为脉动磁动势。,二、单相脉动磁动势,1、整距分布绕组的磁动势,每个绕组由q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：,2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势,双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：,3、相绕组的磁动势,每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有np对磁极，就有np条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为Ip:,单相绕组的基波磁
15、动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势。,三、单相脉动磁动势的分解,即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。,先分析,取幅值点分析,综上分析,（3）移动速度 旋转速度,小结,(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。,(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。,（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。,4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势,三相的合成磁动势：,取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相
16、序的方向作为x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：,可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。,交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相的合成磁动势。,用图解法分析不同时刻三相合成磁动势,合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电流的相。,t=0、t=120、t=240、t=360,为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规律变化，A相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：,产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。,三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质,(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。,(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电流相.,(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数,(4)当某相电流达最大值时,旋转
