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1、第七章 异步电动机,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,第二节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性,第三节 三相异步电动机的起动,第四节 三相异步电动机的调速,第五节 三相异步电动机的制动,第六节 三相异步电动机的选择,第七节 单相异步电动机,第一节 三相异步电动机的结构和工作原理,电机是基于电磁感应原理实现机械能和电能相互转换的电磁装置。把电能转换成机械能的电机称为电动机；把机械能转换成电能的电机称为发电机。 根据电动机通入的电流是直流电流还是交流电流，电动机被分为直流电动机和交流电动机两大种类。,交流电动机中运用极为广泛三相异步电动机和单相异步电动机。 三相异步电动机结构简单，运行可靠
2、，运行效率高，维修方便，价格便宜，是工业工生产中最常用的电动机。单向异步电动机采用单相电源供电，容量较小，常用在家电产品和医疗器械中。,一、三相异步电动机的结构,三相异步 电 机,鼠笼型,绕线型,三相异步电动机按转子结构来分，可分为鼠笼型转子和绕线型转子两类异步电动机 。,图7-1 a),图7-1 b),图7-1 c),无论是鼠笼转子异步电动机还是绕线转子异步电动机，其基本结构都由静止的定子和转动的转子两部分组成，在定子与转子之间只留有很小的空气隙 。,1 . 定子 定子主要由机座、定子铁心和定子绕组组成。,定 子,机座,机座的作用是固定和支撑定子铁心，常用铸铁和铸钢制成。,定子铁心,定子铁心
3、的作用是闭合磁路和放置定子绕组。,定子绕组,定子绕组中通以三相对称电源，在电动机内形成旋转磁场。,图7-2 a) 定子铁心,图7-2 b)放入机座的定子铁心,定子铁心是一个安装在机座内的圆筒形铁心，其内环上均匀分布着凹槽，槽内放置定子绕组 。,定子绕组在定子内壁上均匀分布。这些绕组一般采用绝缘的铜线或铝线绕制而成，按照一定的规则嵌入定子铁心的凹槽，在电气接线时被分成电气参数完全一致、空间上均匀分布的三相对称绕组。每相绕组对外引出两个接线端子，共有六个接线端子被引出到电动机定子外壳的接线盒上，使用时可将三相绕组联结成星形或三角形联结。当定子绕组绕组中通以三相对称电源，可在电动机内形成旋转磁场。,
4、图7-3 定子三相对称绕组模型,2 . 转子 转子由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成。转子绕组分为笼型和绕线型两种结构。,转 子,转子铁心,转子铁心外环上均匀分布着凹槽，槽内放置转子绕组。转子铁心是电机磁路的一部分。,转子绕组,转轴,鼠笼型,绕线型,转子绕组上产生感应电动势，进行机电能量的转换。,笼型绕组是在转子铁心槽中放置导条，并将两端用短路环连接在一起制成，如图所示。小功率笼型异步电动机一般采用铸铝导条，大功率笼型电动机一般采用铜导条。,图7-4 a) 鼠笼绕组,图7-4 b) 鼠笼转子,绕线型绕组与定子绕组类似，如图7-5所示。 三个绕组的末端联结在一起，形成星形联结。三个绕组的首端接
5、到转轴的三个滑环，再通过定子部分的电刷使转子绕组与外电路连接。通过这三个滑环上的电刷可以在转子电路上串入电阻。,图7-5 绕线型转子,二、三相异步电动机的工作原理,定子绕组中通以三相对称电流，在电动机定子内部产生旋转磁场。转子绕组与旋转磁场的相对运动产生感应电动势和感应电流。感应电流再在旋转磁场的作用下产生电磁力矩，驱动转子转动。这是三相异步电动机的工作原理。,1. 定子旋转磁场,图7-6 a)为最简单的两极电动机定子绕组空间分布图，三相绕组在空间上互差120均匀分布，三相首末端分别记作A-X、B-Y和C-Z。将三相对称绕组用三个线圈来代替，并采用星形联结方式，可作出图7-6 b)所示的电路图
6、。,图7-6 a) 定子绕组的空间分布,图7-6 b）定子绕组的电路图,在三个线圈中通以三相对称电流，在图7-6b）的参考方向下，电流表达式为： 三相对称电流波形如图7-7所示。,图7-7 三相对称电流波形,当 时， ， ， ，如图7-8a）所示。根据右手螺旋定则，此时三相对称电流产生的合成磁场方向水平指向左方，形成两极磁场，定子的N极在右方（X处）、S极在左方（A处）。,图7-8 a),当 时， ， ， ，如图7-8b）所示。根据右手螺旋定则，此时三相对称电流产生的合成磁场方向水平指向左方，形成两极磁场，定子的N极在右方（X处）、S极在左方（A处）。,图7-8 b),(1)两极电动机的旋转磁
7、场,当 时， ， ， ， 如图7-8c）所示。根据右手螺旋定则，此时三相对称电流产生的合成磁场方向水平指向左方，形成两极磁场，定子的N极在右方（X处）、S极在左方（A处）。,图7-8 c),当 时， ， ， ，如图7-8d）所示。根据右手螺旋定则，此时三相对称电流产生的合成磁场方向水平指向左方，形成两极磁场，定子的N极在右方（X处）、S极在左方（A处）。,图7-8 d),图7-8 a),图7-8 b),图7-8 c),图7-8 d),可见，当三相电流完成半个周期的变化时，合成磁场也完成了半周的旋转。如果三相电流完成一个周期的电角度变化，合成磁场在空间上也会相应地完成一周机械旋转角度。 显然，如
8、果这个两极电动机的定子被通入50Hz的三相交流电源，旋转磁场的转速就为每秒50转或者说每分钟3000转。,该合成磁场就是两极电动机的旋转磁场。旋转方向由A相到B相再旋转到C相，与通电电流相序一致 。,当 时， ， ， ，根据右手螺旋定则，此时可以判断时合成磁场的如图如图7-9a）所示，形成四极磁场，两个N极在X/、X处，两个S极在A、A/处。,图7-9 a),当 时， ， ， ，可以判断合成磁场在空间上逆时针旋转了。如图7-9b）所示，定子磁场的两个N极转到C/、C处，两个S极转到Z、Z/处。,图7-9 b),(2)四极电动机的旋转磁场,当 时， ， ， ，如图7-9c）所示，可以判断合成磁场
9、在空间上逆时针又旋转过。如图7-9c）所示，定子磁场的两个N极转到Y/、Y处，两个S极转到B、B/处。,图7-9 c),当 时， ， ， ，可以判断合成磁场在空间上再逆时针旋转。如图7-9d）所示，定子磁场的两个N极转到A、A/处，两个S极转到X、X/处。,图7-9 d),图7-9 a),图7-9 b),图7-9 c),图7-9 d),可见，在四极异步电动机中，当三相电流完成1/2周期的变化时，合成磁场只完成了1/4周的旋转。如果三相电流完成一个周期的电角度变化，合成磁场在空间上只会完成机械旋转角度（转过一对磁极）。,显然，如果这个四极电机的定子被接入50Hz的三相交流电源，旋转磁场的转速为每
10、50/2=25转，或者说每分钟1500转。 旋转方向仍然与两极电动机一样，由A相到B相再旋转到C相，与通电电流相序一致。,(3)旋转磁场的性质,式中f1 是定子绕组通入的三相电源频率；p 是电动机的磁极对数。对于两极电动机p=1，对于四极电动机p=2。,通过对两极和四极电动机的旋转磁场分析，可以获得关于异步电动机定子旋转磁场性质的一般结论： 当（时间上）三相对称的电流被通入（空间上）三相对称的绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。 旋转磁场的旋转速度为,旋转磁场的转速被称为异步电动机的同步转速n0 ，单位为( r/min )。各种磁极对数异步电动机的在工频电源下
11、的同步转速如表7-1所示。,表7-1 异步电动机的同步转速,2转子转动原理磁场,图7-11 异步电动机的工作原理,根据右手定则，可以判断转子导体中的感应电动势方向如图7-11中的“ ”和“ ”所示，由于转子绕组是一个闭合回路，就形成了电流，电流方向与感应电动势的方向一致。,(1) 转子绕组在旋转磁场中的感应电流磁场 定子绕组中通以三相对称电流，产生同步转速为的旋转磁场。旋转磁场与转子之间存在着相对运动，转子表面的导体就会切割旋转磁场的磁力线。,（2）转子感应电流受力与转子运动性质 转子绕组中的电流在磁场中会受到电磁力的作用，根据左手定则，可以判断受力方向图7-11中所示。电磁力会产生电磁转矩矩
12、，方向与旋转磁场转向一致。 该电磁转矩矩将驱动转子随着旋转磁场方向转动。这就是异步电动机的工作原理。,3转差率与三相异步电动机的 转速公式,在一般情况下，转子转速小于旋转磁场的同步转速。因为只有这两者之间存在速度差，转子和磁场之间才会存在相对运动，才能产生感应电动势、感应电流和电磁转矩。所以，转子转速与旋转磁场转速之间的差值是必然存在的，即转子的速度与旋转磁场两者无法同步运转，这也是被称之为异步电动机的原因。由于转子电流是由于电磁感应而产生，所以也称为感应电动机。,同步转速n与转子转速 n0 的差值被称为转差 n。,n转差与同步转速n0 的比值被定义为转差率s。,s 反映了转子转速 n 与同步
13、转速 n0 之间的相差程度，是异步电动机的重要参变量。采用表示电动机的实际转速，有,在正常运行的情况下，异步电动机的转速n 略小于同步转速 n0 ，所以转差率 s 很小。空载时转差率 s 在0.005以下，满载时在0.05左右。,例7-1 一台额定转速 nN=1460r/min的三相异步电动机，试求额定负载运行时的转差率。 解 由于一般情况下电动机的转速 n 略小于同步转速 n0，可知此电动机的同步转速,三三相异步电动机的铭牌,每一部电动机的外壳上都有一个铭牌，说明这部电动机的型号和主要参数等。如图7-12所示。,图7-12 电动机的铭牌举例,1.型号,电动机的型号一般由产品代号、规格代号和工
14、作环境代号三部分组成。 异步电动机的产品代号和汉语意义如表7-2所示。,表7-2 异步电动机的产品代号,规格代号是指电动机的中心高、机座号和极数。 例如型号为Y100L2-4的电动机，其中的汉语拼音字母Y表示异步电动机，数字100表示电机的中心高为100毫米，英文字母L表示电机的机座属于长号机座（M表示中号机座，S表示短号机座），数字2表示电机铁芯的长度号，数字4表示电机的磁极数。异步电动机的型号很多，可参阅产品目录。 特殊工作环境代号用字母表示。如TH湿热带用，TA干热带用，G高原用，W户外用，F化工防腐用。,2额定功率PN,额定功率是指电动机在额定状态运行时，电动机转轴向外输出的机械功率，
15、单位为千瓦（kW）。,3额定电压UN,额定电压是指电动机在额定状态运行时，外加在定子绕组上的线电压，单位为伏（V）。,4额定电流IN,额定电流是指电动机在额定电压下运行，轴上输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为安（A）。,三相异步电动机的额定功率与额定电压、电流之间的关系是：,5额定转速nN,额定转速指电动机在额定状态下运行时，转子的转速，单位为（r/min）。,6额定频率fN,我国电网的频率为50Hz，所以电动机的额定频率是50Hz 。,7接法,指定子绕组的联结方式，有星形和三角形两种联结，标示分别为Y、两种。为了接线方便，三相绕组的六个端头引至接线盒中，三相绕组的首端标识为U1、V1、W1，三相绕组的末端标识为U2、V2、W2。接线方法如图7-13所示。,图7-13 定子绕组的接线方法,8工作方式,根据负载持续时间的不同，电动机的工作方式分为“连续”、“短时”和“断续”三种工作制。,9绝缘等级,电动机在运行时发热所容许的最高温度决定于电动机所用的绝缘材料的耐热程度，称为绝缘等级。电动机通常有五种绝缘等级，分别如表7-3所示。若工作温度高于绝缘等级所规定的最高温度，会加速绝缘材料的老化，影响电动机的使用寿命。,表7-3 绝缘等级,10功率因数 cos,电动机是感性负载，功率因数指感性功率因数， 是指各相定子相电流滞后于定子相电压的角度
