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1、第五章 电动机,第二节 三相异步电动机,第三节 单相异步电动机,返回主目录,第一节 直流电动机,第四节 特种电动机,第一节 直流电动机,直流电动机是将直流电能转换为机械能的一种电磁装置。,一、基本工作原理,若磁场 与导体互相垂直，且导体中通以电流，则作用于载流导体上的电磁力 为,式中， 为导体所在处的磁通密度（Wb/m2）；l为导体ab 或cd的长度（m）；i为流过导体的电流（A）；f为电磁力（N）。,图5-1,二、基本结构,1定子,（1）主磁极 由主磁极铁心和励磁绕组组成。当励磁绕组通入直流电流后，就在铁心和气隙中产生励磁磁场。,（2）换向极 由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极用以改善电机
2、换向，减小运行时电刷与换向器间产生的火花。,（3）电刷装置 由电刷、刷握、刷杆座、弹簧等组成。,（4）机座,图5-2,二、基本结构,2转子,电枢绕组 是产生感应电动势和流过电流而产生电磁转矩实现机电能量转换的重要部件。,换向器 将外部通入的直流电流转换成电枢绕组内的交流电流。,电枢铁心 是电动机主磁路的一部分。由0.5mm厚两面涂有绝缘漆的硅钢冲片叠制而成，,三、励磁方式,四、基本公式,（1）电枢电动势,式中， 是电动机电动势常数，取决于电机的结构。,电枢电动势 是由电枢导体在磁场中切割磁力线而产生的。 与每极磁通 及电动机的转速 成正比，即,(5-1),(5-1),（2）电磁转矩,电磁转矩
3、是由载流导体在磁场中受力而产生的， 与每极磁通 及电枢电流 成正比，即,(5-2),式中， 是电动机转矩常数，取决于电机的结构。,五、电压平衡方程式,（1）他(并)励直流电动机,(5-3),（2）串励直流电动机,(5-4),电枢回路总电阻,励磁绕组电阻,六、转速特性,转速特性：当电源电压和励磁电流为额定值时，电动机转速与电枢电流之间的关系称作它的转速特性。,（1）他(并)励直流电动机,（2）串励直流电动机,(5-5),(5-6),直流电动机转速特性,七、他励直流电动机的机械特性,机械特性：电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即,(5-7),电枢回路外串电阻,理想空载转速,机械
4、特性曲线斜率,图5-5,他励直流电动机的机械特性,1固有机械特性 2电枢回路串电阻 3降压 4弱磁,（一）固有机械特性,（二）人为机械特性,（1）电枢回路串电阻,（2）降压,（3） 弱磁,八、他励直流电动机的起动、反转、调速和制动,1. 起动,起动：电动机接至电源后，转速从零开始逐渐升到稳定运行转速的全部过程。,三个基本要求： 起动电流 (即起动瞬间的电枢电流)应尽量小； 起动转矩 (即起动瞬间的电磁转矩)足够大； 起动设备简单、经济、操作方便、运行可靠。,(1)全压起动,全压起动：指不采取任何限流措施，利用刀开关把静止的电枢直接投入额定电压的电网上起动。,对于他励电动机，,约为额定电流的(1
5、020)倍，,大,注意：起动前，应先建立励磁磁场，然后再起动。,n,对于串励电动机,非常大,n,全压起动的优点,操作简单、起动时间短，毋须起动设备。,全压起动的缺点,限制起动电流的方法有两种：电枢回路串变阻器；减压。,仅适于(12)kW的小功率电机,全压起动的适用范围：,(2)电枢回路串变阻器起动,为了限制起动电流，起动时常在电枢回路中串入一个起动电阻,使 足够大，在转速上升过程中应平滑均匀地切除起动电阻， 使 。通常起动电阻分成24段逐级切除。,串电阻起动：,存在问题：,措施：,(3)减压起动,为了限制起动电流，起动前将施加在电枢两端的电源电压降低。,使 足够大， ， 在转速上升过程中， 电
6、源电压必须不断升高至额定电压，使电动机进入稳定运行状态。,用晶闸管整流装置自动控制起动电压,措施：,存在问题：,方法：,减压起动：,2.反转,反转原理 根据公式 可知：电磁转矩的方向取决于磁通方向和电枢电流方向，只要改变其中一个参数的方向，即可改变电动机转向。,电动机反转的方法 一是改变励磁电流方向；二是改变电枢电压极性。,3.调速,调速:在一定的负载下，人为地改变电动机的转速以满足生产机械的工作速度称为调速 。,调速,机械调速：改变传动机构速比的方法调速，称为机械调速,电气调速：改变电动机电气参数而改变生产机械的速度，称为电气调速。,(5-7),方法：,电枢回路串电阻调速,降压调速,弱磁调速
7、,图5-7 他励直流电动机电枢回路串电阻调速的机械特性,图5-8 他励直流电动机降压调速的机械特性,图5-9 他励直流电动机弱磁调速的机械特性,（四）制动,制动,机械制动,电气制动,利用机械装置使电动机在切断电源后停转,通过改变电动机电气参数使其产生一个与转向相反的电磁转矩。,能耗制动,反接制动,回馈制动,系统把电动机的动能转变成电能消耗在电枢回路电阻上，因此称为能耗制动。,能耗制动原理：制动瞬间，由于系统惯性很大，转速n的大小和方向来不及改变，因此电动势Ea大小和方向也不改变，从而使电枢电流 Ia 方向与制动前相反，结果使电磁转矩T 方向改变，成为一与转向相反的制动转矩，使电动机迅速停转。,
8、图5-10 他励直流电动机能耗制动,图5-11 笼型三相异步电动机,轴承盖,端盖,接线盒,散热筋,转轴,转子,风扇,罩壳,轴承,机座,第二节 三相异步电动机,一、三相异步电动机的基本结构,（3）机座,定子绕组组成一个在空间依次相差 电角度的三相对称绕组，其首端分别为 、 、 ，末端分 、 、 ，可接成星形或三角形，如 图5-12 所示。主要产生旋转磁场。,1定子,电动机主磁路的一部分，有良好的导磁性能。 为了减小铁心损耗，采用0.5mm厚硅钢冲片叠成圆筒形，并压装在机座内。在定子铁心内圆上冲有均匀分布的槽，用于嵌放三相定子绕组。,（2）定子绕组,（1）定子铁心,固定和支撑作用。,图5-12 三
9、相异步电动机定子绕组的联结,星形接法,三角形接法,2转子,电动机的转子电路部分，其作用是感应电动势、流过电流并产生电磁转矩。,（3）转子绕组,支撑转子铁心和输出电动机的机械转矩。,（2）转轴,电动机主磁路的一部分，也用0.5mm厚且相互绝缘的硅钢片叠压成圆柱体，中间压装转轴，外圆上冲有均匀分布的槽，用以放置转子绕组。,（1）转子铁心,图5- 13 笼型转子,铜条笼型转子,铸铝笼型转子,图5-14 绕线式转子,三相转子绕组,转轴,集电环,电刷,电刷外接线,二、三相异步电动机的铭牌,图5-15 三相异步电动机铭牌,在三相异步电动机的机座上有一块铭牌，铭牌上标出了该电动机的主要技术数据。,磁极数，4
10、表示四极 机座类型（L表示长机座，M表示中 机 座，S表示短机座） 中心高度（mm） 异步电动机,Y 112 M 4,1型号(Y112M4）,2额定值,电动机在加额定电压、输出额定功率时，流入定子绕组的 线电流。,电动机在额定状态下运行时，定子绕组所加的线电压。,电动机在额定工作状态下运行时，轴上输出的机械功率。,式中， 为额定效率， 为额定功率因数。,（1）额定功率 (kW),（2）额定电压 (kV或V),（3）额定电流 (A),额定功率与其他额定值之间的关系,（4）额定转速 (r/min),在额定电压下，定子绕组应采用的联结方法。 Y系列电动机，4kW以上者均采用三角形接法。,（6）接法(
11、),电动机所接交流电源的频率。我国电网的频率规定为50Hz。,（5）额定频率 (Hz),电动机在额定状态下运行时的转速。,（7）工作方式 S1连续；S2短时间；S3断续。 （8）绝缘等级 根据绝缘材料允许的最高温度分为Y、A、 E、B、F、H、C级，见表4-1，系列电动机多采用E、B级 绝缘。,三、三相异步电动机的基本工作原理,在三相定子绕组中流过三相对称交流电流，其波形如图5-17。,图5-16 两极定子绕组结构示意图,1旋转磁场的产生,结构 示意图,接线 原理图,据电流的参考方向（首端流入） 和波形图判断电流的实际方向,电流为负时，实际电流从线圈末端流进，首端流出。,电流为正时，实际电流从
12、线圈首端流进，末端流出；,图5-18 两极旋转磁场示意图,放大,还原,对于 对磁极电动机，旋转磁场的转速,3) 对于两极（即磁极对数 =1）电动机，旋转磁场转速,旋转磁场的特点,1）定子三相绕组的合成磁场为旋转磁场。,2）旋转磁场的转向决定于三相电流的相序。若要改变旋转磁 场转向，只须将三相电源进线中的任意两相对调即可。,(5-9),式中， 是旋转磁场转速，亦称同步转速（r/min）； 是电源频率（ ）； 是磁极对数。,图5-19 三相异步电动机旋转原理图,2旋转原理,结论：转子的转向和旋转磁场的转向一致。若改变旋转磁 场的转向，则可改变转子的转向。,旋转磁场与转子导体间有相对运动,感应电动势
13、,右手定则,感应电流,左手定则,电磁力,电磁转矩,因为，如果转子的转速 达到同步转速 ，则转子导体将不再切割磁力线，因而感应电动势、感应电流和电磁场转矩均为零，转子将减速，因此，转子转速总是低于同步转速。,“异步”的含义是指转子的转速 永远比同步转速 （既旋 转磁场的转速）小。,异步电动机的“异步”的含义,感应电机,旋转磁场的同步转速 与转子转速 之差称为转差。 转差与同步转速 之比称为转差率 ，用 表示，即,转差率,转差率 是三相异步电动机的一个重要参数。它对电机的运行有着极大的影响。其大小也能反映转子转速。即,(5-10),若定子绕组增加一倍，且每个绕组在空间以相差 的角度排列，并把相差
14、的两个绕组首尾相串，组成一相绕组，则可构成四极（ =2）电动机。,电动机起动瞬间，转子转速 ，转差率 =1；理 想空载时，转子转速 ，转差率 ；因此，电动机在电动状态下运行时，转差率 =01。,答案1,已知Y112M4三相电动机的同步转速 r/min，额定转速为1440r/min，空载时的转差率 。 求该电动机的磁极对数 ， 额定转差率 和空载转速 。,r/min,例5-1,解,式中， 是线电压， 是线电流， 是电动机的功率因数,四、基本方程,式中， 是定子绕组及转子绕组中的铜损耗， 铁心中存 在的铁损耗， 是在运行过程中克服机械摩擦、风的阻力等 所形成的机械损耗。此式称为功率平衡方程式 。,
15、功率平衡方程,1） 三相异步电动机在稳定运行时，电源输入的功率,2）轴上输出的机械功率,3）机械效率,根据力学知识，旋转体的机械功率等于作用在旋转体上的转矩与它的机械角速度的乘积，即 。,额定输出转矩为,式中， 是额定输出功率（kW）； 是额定转速（r/min）； 是额定输出转矩（Nm）。,(5-13),2、转矩平衡方程,式中， 为电磁转矩， 为输出转矩， 为空载阻转矩 ，此式称为转矩平衡方程式 。,输出转矩,故,式中， 为输出功率（kW）,有两台三相异步电动机，额定功率均为10kW，其中一台额定转速为980r/min，另一台为1430r/min。试求它们在额定状态下的输出转矩。,Nm66.78 Nm,Nm97.45 Nm,由式（5-13）可得,例5-2,解,三相异
