第四章交流电动机的工作原理及特性 4.1三相异步电动机的基本结构和工作原理 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成,定子是不动的部分,转子是旋转部分, 在定子和转子之间有一定的气隙。如图41所示 ( 1一轴承盘2一扇盖 3一接线盒4一散热筋 5一定子铁心6一定子绕组 7-转轴8一转子 9一风10—罩壳 11—轴承12一机座 图41三相异步电动机的结构 1.定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成 定子铁心是磁路的一部分,它由0.5mm的硅钢片叠压而成,片与片之间是绝缘的,以 减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽,槽中安放线圈,如图42所示。硅钢 片铁心在叠压后成为一个整体,固定于机座上。 定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子 铁心上,称为三相绕组,分别用AX、BY、CZ表示,其中,A、B、C称为首端,而X、Y、 Z称为末端。三相绕组接入三相交流电源,三相绕组中的电流是定子铁心中产生旋转磁场 机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的 冷却方式采用不同的机座型式。 2.转子:转子由铁心与绕组组成。 转子铁心也是电动机磁路的一部分,由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片 冲片如图42所示。 异步电动机转子绕组多采用鼠笼式和线绕式两种形式。因此异步电动机按绕组形式的不 同分为鼠笼式异步电动机和线绕式异步电动机两种。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造 虽然不同,但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流,即产生电磁转矩
第四章 交流电动机的工作原理及特性 4．1 三相异步电动机的基本结构和工作原理 一、 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成，定子是不动的部分，转子是旋转部分， 在定子和转子之间有一定的气隙。如图 4.1 所示。 图 4.1 三相异步电动机的结构 1． 定子 定子由定子铁心、绕组以及机座组成。 定子铁心是磁路的一部分，它由 0.5mm 的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以 减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图 4.2 所示。硅钢 片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。 定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子 铁心上，称为三相绕组，分别用 AX、BY、CZ 表示，其中，A、B、C 称为首端，而 X、Y、 Z 称为末端。三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流是定子铁心中产生旋转磁场。 机座主要用于固定与支撑定子铁心。中小型异步电动机一般采用铸铁机座。根据不同的 冷却方式采用不同的机座型式。 2． 转子：转子由铁心与绕组组成。 转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。硅钢片 冲片如图 4.2 所示。 异步电动机转子绕组多采用鼠笼式和线绕式两种形式。因此异步电动机按绕组形式的不 同分为鼠笼式异步电动机和线绕式异步电动机两种。线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造 虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是产生转子电流，即产生电磁转矩
1一定了铁心 2-定了绕组 3-转了铁心 4-转了绕组 图42定子和转子的钢片 1一定子铁心2一定子绕组 2一转子铁心4一转子绕组 鼠笼式异步电动机转子绕组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 端环上而组成,如图4.3(a)所示,小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成,如图44 所示。这不仅是以铝代铜,而且制造也快。 0) (a)鼠笼式绕组(b)转子外形 图43鼠笼式转子 铝条 转了铁心 1一转子铁心2一风扇3-铸铝条 图44铝铸的鼠笼式转子 线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内,并分为三相对称绕 组,与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电 阻,用以改善启动性能与调节转速,如图45所示
图 4.2 定子和转子的钢片 １－定子铁心 ２－定子绕组 ２－转子铁心 ４－转子绕组 鼠笼式异步电动机转子绕组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 端环上而组成，如图 4.3（ａ）所示，小型鼠笼式转子绕组多用铝离心浇铸而成，如图 4.4 所示。这不仅是以铝代铜，而且制造也快。 （ａ）鼠笼式绕组 （ｂ）转子外形 图 4.3 鼠笼式转子 １－转子铁心 ２－风扇 ３－铸铝条 图 4.4 铝铸的鼠笼式转子 线绕式异步电动机转子绕组是由线圈组成绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕 组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电 阻，用以改善启动性能与调节转速，如图 4.5 所示
转了绕组 变阻器 < 1一转子绕组2一滑环3一轴4一电刷5一变阻器 图45线绕式转子绕组与外加变阻器的连接 、三相异步电动机的工作原理 1.定子旋转磁场 为了简便起见,假设每相绕组只有一个线匝,分别嵌放在定子内圆周的6个凹槽之中 现将三相绕组的末端Ⅹ、Y、Z相连,首端A、B、C接三相交流电源。且三相绕组分别叫 做A、B、C相绕组。如图46所示。 A B B C (a)嵌放情况 (b)连接接线图 图46定子三相绕组 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端,且A相绕组的电流i作为参考 正弦量,即i的初相位为零,则三相绕组A、B、C的电流(相序为A-B-C)的瞬时值为 iA =Im sin of
１－转子绕组 ２－滑环 ３－轴 ４－电刷 ５－变阻器 图 4.5 线绕式转子绕组与外加变阻器的连接 二、三相异步电动机的工作原理 1．定子旋转磁场 为了简便起见，假设每相绕组只有一个线匝，分别嵌放在定子内圆周的 6 个凹槽之中。 现将三相绕组的末端 X、Y、Z 相连，首端 A、B、C 接三相交流电源。且三相绕组分别叫 做 A、B、C 相绕组。如图 4.6 所示。 （a）嵌放情况 （b）连接接线图 图 4.6 定子三相绕组 假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且 A 相绕组的电流iA 作为参考 正弦量，即iA 的初相位为零，则三相绕组 A、B、C 的电流（相序为 A—B—C）的瞬时值为： iA = I m sinωt
iB=/m sin(ot ic =lm sin(of--) 图47所示是这些电流随时间变化的曲线。 7/2 T/6 T/6 图47三相电流的波形图 下面分析不同时间的合成磁场。 ).【=0时: i为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从Y端流到B端: 为正,电流实际方向与正方向一致,即电流从C端流到Z端。 按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场,如图48(a)箭头所示。 (a)t=0 (b)t=T/6 c)t=T75 (d)t=T7/2 图48两极旋转磁场 2)t=时 iA为正,电流从A端流到ⅹ端; l为负,电流从Y端流到B端; 此时的合成磁场如图48(b)所示,合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转
) 3 2 m sin( B π i = I ωt − ) 3 4 m sin( C π i = I ωt − 图 4.7 所示是这些电流随时间变化的曲线。 图 4.7 三相电流的波形图 下面分析不同时间的合成磁场。 1). t = 0时： iA = 0 ； Bi 为负，电流实际方向与正方向相反，即电流从 Y 端流到 B 端； Ci 为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 C 端流到 Z 端。 按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场，如图 4.8（a）箭头所示。 图 4.8 两极旋转磁场 2). 6 T t = 时： iA 为正，电流从 A 端流到 X 端； Bi 为负，电流从 Y 端流到 B 端； iC = 0 。 此时的合成磁场如图 4.8（b）所示，合成磁场已从t = 0瞬间所在位置顺时针方向旋转
了丌/3。 3)t=时 iA为正,电流从A端流到X端; ic为负,电流从Z端流到A端。 此时的合成磁场如图48(c)所示,合成磁场已从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了 为正,电流从B端流到Y端; ic为负,电流从Z端流到A端。 此时的合成磁场如图48(d)所示。合成磁场从t=0瞬间所在位置顺时针方向旋转了x。 按以上分析可以证明:当三相电流随时间不断变化时,合成磁场也在不断旋转,故称旋 转磁场 2.旋转磁场的旋转方向 从图46和图4.7可见,A相绕组内的电流超前B相绕组内的电流2x/3,而B相绕组 内的电流又超前C相绕组内的电流2π/3,同时图48中所示旋转磁场的旋转方向为从A→B C,即向顺时针方向旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调,例如,将B,C两根线对调, 使B相与C相绕组中电流的相位对调,如图49所示,此时A相绕组内的电流超前C相绕 组内的电流2丌/3,而C相绕组内的电流又超前B相绕组内的电流2x/3,用上述同样的分 析方法可知,此时旋转磁场的旋转方向将变为A→C→B,即向逆时针方向旋转,如图4.10 所示,即与未对调前的旋转方向相
了π / 3 。 3). 3 T t = 时： iA 为正，电流从 A 端流到 X 端； iB = 0 ； Ci 为负，电流从 Z 端流到 A 端。 此时的合成磁场如图 4.8(c)所示，合成磁场已从t = 0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 2π / 3 。 4). 2 T t = ： iA = 0 ； Bi 为正，电流从 B 端流到 Y 端； Ci 为负，电流从 Z 端流到 A 端。 此时的合成磁场如图 4.8(d)所示。合成磁场从t = 0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了π 。 按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时，合成磁场也在不断旋转，故称旋 转磁场。 2．旋转磁场的旋转方向 从图 4.6 和图 4.7 可见，A 相绕组内的电流超前 B 相绕组内的电流 2π / 3 ，而 B 相绕组 内的电流又超前 C 相绕组内的电流 2π / 3 ，同时图 4.8 中所示旋转磁场的旋转方向为从 A→B →C，即向顺时针方向旋转。 如果将定子绕组接至电源的三根导线中的任意两根线对调，例如，将 B，C 两根线对调， 使 B 相与 C 相绕组中电流的相位对调，如图 4.9 所示，此时 A 相绕组内的电流超前 C 相绕 组内的电流 2π / 3 ，而 C 相绕组内的电流又超前 B 相绕组内的电流 2π / 3 ，用上述同样的分 析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为 A→C→B，即向逆时针方向旋转，如图 4.10 所示，即与未对调前的旋转方向相反
Ic 图49将BC两根线对调改变绕组中的电流相序 (a)=0 (b)t=1/6 (c)|=73 (d)r=72 图410逆时针旋转的两极旋转磁场 由此可见,要改变旋转磁场的旋转方向,只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意 两根对调即可 3.旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中,旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度,用n表示。 以上讨论的旋转磁场,具有一对磁极(磁极对数用p表示)即p=1。从上述分析可以 看出,电流变化经过一个周期(变化360°电角度),旋转磁场在空间也旋转了一转(转了360° 机械角度),若电流的频率为∫,旋转磁场每分钟将旋转60f转,即 0=60f 如果把定子铁心的槽数增加1倍(12个槽),制成如图4.11所示的三相绕组,其中,每 相绕组由两个部分串联组成,再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流(图 47),便产生具有两对磁极的旋转磁场。从图412可以看出,对应于不同时刻,旋转磁场在 空间转到不同位置,此情况下电流变化半个周期,旋转磁场在空间只转过了r/2,即14转, 电流变化一个周期,旋转磁场在空间只转了1/2转
图 4.9 将 B,C 两根线对调改变绕组中的电流相序 图 4.10 逆时针旋转的两极旋转磁场 由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意 两根对调即可。 3． 旋转磁场的极数与旋转速度 在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用 n0 表示。 以上讨论的旋转磁场，具有一对磁极（磁极对数用 p 表示）即 p = 1。从上述分析可以 看出，电流变化经过一个周期（变化 0 360 电角度），旋转磁场在空间也旋转了一转（转了 0 360 机械角度），若电流的频率为 f ，旋转磁场每分钟将旋转60 f 转，即： n 60 f 0 = 如果把定子铁心的槽数增加 1 倍（12 个槽），制成如图 4.11 所示的三相绕组，其中，每 相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流（图 4.7），便产生具有两对磁极的旋转磁场。从图 4.12 可以看出，对应于不同时刻，旋转磁场在 空间转到不同位置，此情况下电流变化半个周期，旋转磁场在空间只转过了π / 2 ，即 1/4 转， 电流变化一个周期，旋转磁场在空间只转了 1/2 转
广° (a)嵌放情况(b)接线图 图4l1产生四极旋转磁场的字子绕组 图412四极旋转磁场 由此可知,当旋转磁场具有两对磁极(p=2)时,其旋转速度仅为一对磁极时的 即每分钟60f/p转。依次类推,当有p对磁极时,其转速为 所以,旋转磁场的旋转速度no与电流的频率成正比而与磁级对数成反比,因为标准工 业频率(即电流频率)为50Hz,因此,对应于p=1、2、3、4时,同步转速分别为3000rmin 1500r/min、1000r/min和750r/min 4.工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用 如图4.13所示为异步电动机的工作原理示意图,假设定子只有一对磁极,转子只有一 匝绕组。图中,红色部分为定子,定子上的阴影部分为旋转磁场;黄色部分为转子部分,转 子上的两个小圆圈为转子绕组
(a) 嵌放情况 (b)接线图 图 4.11 产生四极旋转磁场的字子绕组 图 4.12 四极旋转磁场 由此可知，当旋转磁场具有两对磁极（ p = 2 ）时，其旋转速度仅为一对磁极时的一半， 即每分钟60 f / p 转。依次类推，当有 p 对磁极时，其转速为： p f n 60 0 = 所以，旋转磁场的旋转速度 n0 与电流的频率成正比而与磁级对数成反比，因为标准工 业频率（即电流频率）为 50Hz，因此，对应于 p = 1、2、3、4时，同步转速分别为 3000r/min、 1500 r/min、1000 r/min 和 750 r/min。 4．工作原理 三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。 如图 4.13 所示为异步电动机的工作原理示意图，假设定子只有一对磁极，转子只有一 匝绕组。图中，红色部分为定子，定子上的阴影部分为旋转磁场；黄色部分为转子部分，转 子上的两个小圆圈为转子绕组
图413三相异步电动机工作原理图 在旋转磁场的作用下,转子导体切割磁力线(其方向与旋转磁场的旋转方向相反),因 而在导体内产生感应电动势e从而产生感应电流i。根据安培电磁力定律,转子电流与旋转 磁场相互作用产生电磁力F(其方向用左手定则决定),这力在转子的轴上形成电磁转矩 且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同,转子受此转矩的作用,按旋转磁场的旋转方向 旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速,用n表示 5.差率S 由工作原理可知:转子的转速(电动机的转速)n恒比旋转磁场的旋转速度(同步速度) n要小。因为如果两种速度相等时,转子和旋转磁场没有相对运动,转子导体不切割磁力 线,因此,不能产生电磁转矩,转子将不能继续旋转。因此,转子与旋转磁场之间的转速差 是保证转子转速的主要因素,也是异步电动机的由来。 定义:转速差(m0-n)与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率,用S表示,即 S 转差率S是分析异步电动机运行特性的主要参数。 4.2三相异步电动机的额定参数 、三相异步电动机定子绕组的接法 1.两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在大电动机的接线盒的接线柱上,一般按图414所示 的方法排列。按照我国电工专业标准规定,定子绕组出线端的首端为D、D2、D3,末端为
图 4.13 三相异步电动机工作原理图 在旋转磁场的作用下，转子导体切割磁力线（其方向与旋转磁场的旋转方向相反），因 而在导体内产生感应电动势e 从而产生感应电流i 。根据安培电磁力定律，转子电流与旋转 磁场相互作用产生电磁力 F （其方向用左手定则决定），这力在转子的轴上形成电磁转矩， 且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同，转子受此转矩的作用，按旋转磁场的旋转方向 旋转起来。转子的旋转速度称为电动机的转速，用 n 表示。 5． 差率 S 由工作原理可知：转子的转速（电动机的转速）n 恒比旋转磁场的旋转速度（同步速度） n0 要小。因为如果两种速度相等时，转子和旋转磁场没有相对运动，转子导体不切割磁力 线，因此，不能产生电磁转矩，转子将不能继续旋转。因此，转子与旋转磁场之间的转速差 是保证转子转速的主要因素，也是异步电动机的由来。 定义：转速差( ) n0 − n 与同步转速 n0 的比值称为异步电动机的转差率，用 S 表示，即 0 0 n n n S − = 转差率 S 是分析异步电动机运行特性的主要参数。 4．2 三相异步电动机的额定参数 一、 三相异步电动机定子绕组的接法 1．两种接法 定子绕组的首端和末端通常都接在大电动机的接线盒的接线柱上，一般按图 4.14 所示 的方法排列。按照我国电工专业标准规定，定子绕组出线端的首端为 D1、D2、D3，末端为 D4、D5、D6
D6 D4 D5 图414出线端的排列 三相电动机的定子绕组有星形(Y型)和三角形(△形)两种不同的接法,如图415 LI L2 L3 D4 D5 (a)星形接法 (b)三角形接法 图415三相交流电动机的两种接法 2.线电压与相电压 线电压:两相绕组首端之间的电压,用U1表示; 相电压:一相绕组首、尾之间的电压,用U相表示。 对于星形接法,U1=√3相;对于三角形接法,U1=U相 3.线电流与相电流 线电流:电网的供电电流,用l1表示 相电流:每相绕组的电流,用I和表示。 对于星形接法,1=1相;对于三角形接法,1=√3相 4.电动机的输入功率 B=√3lU1coso 额定参数
图 4.14 出线端的排列 三相电动机的定子绕组有星形（Y 型）和三角形（△形）两种不同的接法，如图 4.15 所示。 （a）星形接法 (b) 三角形接法 图 4.15 三相交流电动机的两种接法 2．线电压与相电压 线电压：两相绕组首端之间的电压，用U1 表示； 相电压：一相绕组首、尾之间的电压，用U相 表示。 对于星形接法，U1 = 3U相 ；对于三角形接法，U1 = U相 。 3．线电流与相电流 线电流：电网的供电电流，用 1I 表示； 相电流：每相绕组的电流，用 I相 表示。 对于星形接法， I1 = I相 ；对于三角形接法， I1 = 3I相 。 4． 电动机的输入功率 P1 = 3I1U1 cosϕ 二、 额定参数
电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时,称为电动机的额定运行,通常用额定值来表 示其运行条件,这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。使用电动机时,必须看懂铭牌。 (1)额定功率PN:在额定运行情况下,电动机轴上输出的机械功率 输出功率的一般表达式为:P2=m1 其中:n为效率 P为输入功率 P为输出功率 输出功率和输出转矩的关系为:T2=9.552=Km2cosg,l2为转子电流。 (2)额定电压UN:在额定运行情况下,定子绕组端应加的线电压值。如标有两种电 压值(例如220/380V),这表明定子绕组采用△/Y连接时应加的线电压值。即: 三角形接法时,定子绕组应接220V的电源电压 星形接法时,定子绕组应接~380的电源电压 (3)额定频率∫:在额定运行情况下,定子外加电压的频率(∫=50Hz)。 (4)额定电流lN:在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时,定子的线电流值。 如标有两种电流值(例如10.35/59A),则对应于定子绕组为△/Y连接的线电流值 (5)额定转速nN:在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时,电动机的转 速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率SN。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。 (1)额定功率因数cos叭N:在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时,定 子相电流与相电压之间相位差的余弦。 (2)额定效率小:在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时,电动机输出 机械功率与输入电功率之比,其表达式为 UNIN COS P (3)额定负载转矩TN:电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩 (4)线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值 定子绕组连线方法的选用
电动机在制造工厂所拟定的情况下工作时，称为电动机的额定运行，通常用额定值来表 示其运行条件，这些数据大部分都标明在电动机的铭牌上。使用电动机时，必须看懂铭牌。 （1）额定功率 PN ：在额定运行情况下，电动机轴上输出的机械功率。 PN =η N P1N 输出功率的一般表达式为： P2 = ηP1 其中：η 为效率； P1为输入功率 P2 为输出功率 输出功率和输出转矩的关系为： 9.55 mΦ 2 cosϕ 2 2 K I n P T = = , 2I 为转子电流。 （2）额定电压U N ：在额定运行情况下，定子绕组端应加的线电压值。如标有两种电 压值（例如 220/380V），这表明定子绕组采用∆ /Y 连接时应加的线电压值。即： 三角形接法时，定子绕组应接~220V 的电源电压 星形接法时，定子绕组应接~380 的电源电压。 （3）额定频率 f ：在额定运行情况下，定子外加电压的频率（ f = 50 Hz）。 （4）额定电流 I N ：在额定频率、额定电压和轴上输出额定功率时，定子的线电流值。 如标有两种电流值（例如 10.35/5.9A），则对应于定子绕组为∆ /Y 连接的线电流值。 （5）额定转速 nN ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机的转 速。与此转速相对应的转差率称为额定转差率 S N 。 一般不标在电动机铭牌上的几个额定值如下。 （1）额定功率因数cosϕ N ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，定 子相电流与相电压之间相位差的余弦。 （2）额定效率η N ：在额定频率、额定电压和电动机轴上输出额定功率时，电动机输出 机械功率与输入电功率之比，其表达式为 100% 3 N N cos N N N = × ϕ η U I P （3）额定负载转矩TN ：电动机在额定转速下输出额定功率时轴上的负载载矩。 （4）线绕式异步电动机转子静止时的滑环电压和转子的额定电流。 通常手册上给出的数据就是电动机的额定值。 三、定子绕组连线方法的选用
