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1、第14章 交流电动机,电动机是利用电磁感应原理，把电能转换为机械能的旋转装置。根据电动机所使用的电源的性质可分为直流电动机和交流电动机两大类。交流电动机又可分为同步电动机和异步电动机两种。异步电动机又有三相和单相之分。 异步电机是交流电机的一种。异步电动机是工业、农业、国防，乃至日常生活和医疗器械中应用最广泛的一种电动机，它的主要作用是驱动生产机械和生活用具。其单机容量可从几十瓦到几千千瓦。随着电气化和自动化程度的不断提高，异步电动机占有越来越重要的地位。 异步电动机有许多突出的优点，和其它各种电动机相比，它的结构简单，制造、使用和维护方便，效率较高，价格低廉。据统计，在供电系统的动力负载中，
2、约有70是异步电动机，可见它在工农业生产乃至我们日常生活中的重要性。,本章主要讨论三相异步电动机的结构及工作原理 、转矩与机械特性、起动、调速及制动、铭牌及选择，并对单相异步电动机的工作原理作简要的介绍。,14.1 三相电动机的结构及工作原理,14.1.1 三相异步电动机的基本构造,转子和定子之间有一个非常小的空气气隙将转子和定子隔离开来，根据电动机的容量的大小不同，气隙一般在0.4mm4mm 的范围内。,构成,定子,转子,固定不动的部分,旋转并拖动机械负载的部分,1. 定子,电动机定子由支撑空心定子铁心的钢制机座、定子铁心和定子绕组线圈组成。定子铁心由0.5mm厚的硅钢片叠至而成。定子铁心上
3、的插槽是用来嵌放对称三相定子绕组线圈的。,定子绕组是定子的电路部分，中小型电动机一般采用漆包线（或丝包漆包线）绕制，共分三组，分布在定子铁心槽内，它们在定子内圆周空间的排列彼此相隔120 ，构成对称的三相绕组。,2. 转子,电动机转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心由表面冲槽的硅钢片叠至一圆柱形。转子铁心装在转轴上，转轴拖动机械负载。转子、气隙和定子铁心构成了一个电动机的完整磁路。,异步电动机的转子有两种形式：鼠笼式转子和绕线式转子,鼠笼式转子是在转子铁心槽里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端环上，以构成闭合回路。抽去转子铁心，剩下的铜条及其两边的端环，其形状像个鼠笼，故称之为鼠笼
4、式电动机，为了节省铜材，现在中小容量的鼠笼式电动机是在转子铁心的槽中浇注铝液铸成笼形导体，以代替铜制笼体。,铜条,铜端环,绕线式转子同电动机的定子一样，都是在铁心的槽中嵌入三相绕组，三相绕组的一端连成Y形，三相绕组的另一端分别连接在三个铜制的集电环上，集电环固定在转轴上，三个环之间及环与转轴之间相互绝缘，在集电环上用弹簧压着炭刷与外电路连接，以便改善电动机的起动和调速特性，,一般我们把鼠笼式转子的异步电动机称为鼠笼式异步电动机；把绕线式转子的异步电动机称为绕线式异步电动机，虽然鼠笼式异步电动机同绕线式异步电动机在转子构造上有所不同，但它们的工作原理是一样的。 应当指出的是，鼠笼式异步电动机由于
5、转子结构简单，价格低廉，工作可靠，如果对电机的起动和调速没有特殊的要求，一般在实际应用中，鼠笼式异步电动机应用得最为广泛。所以在本教材中以介绍鼠笼式异步电动机为主。,14.1.2 三相异步电动机的工作原理,1. 电动机的转动原理,三相异步电动机转动的一般原理是基于法拉第电磁感应定律和载流导体在磁场中会受到电磁力的作用这两个基本因素。,N和S是一对永久磁铁的磁极，这对磁极以n0的转速按顺时针方向进行旋转，从而形成了一个转速为n0的旋转磁场。,当磁场转动时，放置在磁场当中的铜制绕组上下两根导条与旋转磁场就有了相对运动并切割旋转磁场的磁力线，于是在这两根导条上就产生了感应电动势，其方向符合发电机右手
6、定则。,E感应电动势V； B磁感应强度T； l导条长度m； v导条切割磁力线的相对速度m/s。,可以看出，N极下的导条受力方向是朝向右，而S极下的导条受力方向是朝向左。这一对力形成一顺时针方向的转矩。,由于铜制绕组形成一个闭合回路，因此在感应电动势的作用下，绕组的上下两根导体中就出现了图示方向的感应电流。根据左手定则，上下两根导条所受电磁力的方向如图所示。,如果我们把异步电动机的鼠笼式转子放置在旋转磁场中，用鼠笼式转子代替绕组，不难想象，当磁场旋转时，在磁极经过下的每对导条都会产生这样的电磁转矩，在这些电磁转矩的作用下，转子就按顺时针方向旋转起来了。,感应式电动机转动的一般原理：虽然转子同旋转
7、磁场彼此隔离，但从上面的叙述可知，由于有了一个旋转的磁场，在转子的导条中产生了感应电流，而流过电流的导条又在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，从而使转子转动起来。,需要指出的是，转子的旋转速度n（即电动机的旋转速度）比旋转磁场的旋转速度n0（一般称同步转速）要低一些。,问题：如果磁场按逆时针方向旋转，转子也将按何方向旋转？,由于转子的旋转速度不同于，且低于旋转磁场的转速，所以我们称这种电动机为异步电动机。,思考：转子的旋转速度n比旋转磁场的旋转速度n0要低一些？,2. 旋转磁场的产生,在实际应用的异步电动机中，它的磁场是由静止的三相对称绕组通入三相对称交流电流而产生的空间旋转磁场。,通常我
8、们在三相异步电动机的定子铁心中放置三相对称绕组AX、BY和CZ，将三相绕组作星形连接，并接在三相正弦交流电源上，通入三相对称电流：,为了简化起见，设每相绕组只有一个线匝，三个绕组分别嵌放在定子铁心圆周上在空间位置上互差120对称分布的6个凹槽之中。,取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。,当t=0时，定子绕组中的电流方向如图（a）所示。这时iA=0；iB为负值，其方向与参考方向相反，即从Y端流入，在B端流出；iC为正值，其方向与参考方向一致，即从C端流入，在Z端流出。根据电流的流向，应用右
9、手螺旋定则，由iC和iB产生的合成磁场如图（a）所示，合成磁场的轴线方向是自上而下。 当t=60时，定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场的方向如图（b）所示，这时的合成磁场已在空间转过了60。 同理，可得在t=90时的三相电流的合成磁场，它比t=60时的合成磁场在空间又转过了30，如图（c）所示。,由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。这旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的。,3. 旋转磁场的转向,上图（c）所示的情况是A相电流iAIm，这时旋转磁场轴线的方向恰好与A相绕组的轴线一致。在三相电流中，电流出现正幅
10、值的顺序为ABC，因此磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。,问题：如果将同三相电源联接的三根导线中的任意两根对调位置（例如对调了B与C两相），则旋转磁场转向如何变化？,4. 旋转磁场的极数,三相电流产生的旋转磁场（p=2）,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。如果每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120空间角，则产生的旋转磁场只有一对极，即p1（磁极对数）。,四极磁场的定子绕组,每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间相差60空间角。,5. 旋转磁场的转速,三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场
11、的转速决定于磁场的极数。,转速的单位为转每分钟（r/min）。,一对极时：当电流从t=0到t=60经历了60时，磁场在空间也旋转了60。,当电流交变了一次（一个周期）时，磁场恰好在空间旋转了一转。,设电流的频率为f1，即电流每分钟交变60f1次，则旋转磁场的转速为n060f1。,当旋转磁场具有p对极时，旋转磁场的转速为：,旋转磁场的转速称为异步电动机的同步转速n0，它与旋转磁场的磁极对数p以及通入的三相对称电流的频率f1有关。,通常对于一台具体的异步电动机，f1和p都是确定的，所以磁场同步转速n0为常数。在我国，工频f150Hz。,P=1: n03000; P=2: n01500;,6. 转差
12、率,定义：异步电机的转速n低于旋转磁场的同步转速n0。旋转磁场的同步转速n0与电机转速n之差（n0n），用符号Dn表示，称为转速差（简称转差）。转差与同步转速的比值叫做转差率，用s表示：,转差率s表示电动机转子转速n与旋转磁场转速n0相差的程度。转差率是异步电动机的一个重要的物理量，转子转速越接近磁场转速，则转差率越小。一般情况下，运行中的三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以转差率很小。通常不同容量的异步电动机在额定负载时的转差率约为1%9%。,例1 有一台三相异步电动机接在频率f1 = 50Hz的三相电源上，额定负载时的转速为n=1462r/min。试求该电机的极对数和转差率。,【解
13、】由于异步电动机额定转速接近而略小于同步转速，与1462r/min最接近的同步转速为n0=1500r/min，相对应的磁极对数p=2。因此，额定负载时的转差率为,14.2 三相异步电动机的转矩与机械特性,左图是三相异步电动机的每相等效电路图。和变压器相比，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。三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似。,当定子绕组接上三相电源电压时，则有三相电流通过。定子三相电流产生旋转磁场，其磁通通过定子铁心和转子铁心而闭合。这磁场不仅在转子每相绕组中要感应出电动势E2，而且在定子每相绕组中也要感应出电动势E1。此外，还有漏磁通在定子绕组和转子绕组
14、中产生漏磁电动势E1和E2。 定子和转子每相绕组的匝数分别为N1和N2。,14.2.1 定子电路,如图所示，定子每相电路的电压方程和变压器原绕组电路一样，即,R1和X1分别为定子每相绕组的电阻和漏感抗。,和变压器一样，忽略电阻和漏感抗上的压降，也可得出,和,m 通过每相绕组的磁通最大值，在数值上它等于旋转磁场的每极磁通； K1 定子绕组的分布系数； f1 定子频率。,14.2.2 转子电路,由于转子短路，转子的端电压，则转子每相电路的电压方程为：,R2和X2分别为转子电路的电阻和漏感抗。转子电路的各个物理量对电动机的性能都有影响。,1. 转子频率f2,因为旋转磁场和转子间的相对转速为（n0n）
15、，所以转子频率,可见转子频率f2与转差率s有关，也就是与转速n有关。 在n0，即s1时（电动机起动瞬间），转子与旋转磁场间的相对转速最大，转子导条被旋转磁通切割得最快。因此，这时f2最大，即f2f1。异步电动机在额定负载时，s19，则f20.54.5Hz。,2. 转子电动势E2,转子电动势e2的有效值为,在n0，即s1时，转子电动势为,由上两式可得出,可见转子电动势E2与转差率s有关。,3. 转子电抗X2,转子电抗X2与转子频率f2有关，即,在n0，即s1时，转子感抗为,由上两式可得出,可见，转子感抗X2与转差率s有关。,K2是转子绕组的分布系数。,这时f2f1，转子电动势最大。,这时f2f1
16、，转子感抗最大。,L2为转子漏电感。,当s0，即n0n0时，I20；当s很时， ， ， 即与s近似地成正比；当s接近1时， ， 常数。,4. 转子电流I2,转子每相电路的电流可其等效电路得出，即,可见转子电流I2也与转差率s有关。当s增大，即转速n降低时，转子与旋转磁场间的相对转速（n0n）增加，转子导体切割磁通的速度提高，于是E2增加，I2也增加。I2随s变化的关系可用图示的曲线表示。,5. 转子电路的功率因数,由于转子有漏磁通，相应的感抗为X2，因此,比,滞后,角。因而转子,电路的功率因数为,它也与转差率s有关。当s增大时，X2也增大，于是,增大，即,减小。,随s的变化关系也如图所示。当s很小时，,，,；当s接近于1时，,，即两者之间近似地有双曲线关系。,由上述可知，转子电路的各个物理量，如电动势、电
