电动机的结构和工作原理.ppt

3-7感应式电动机,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3-7三相异步交流电动机基本知识,主要内容及重难点：,一、三相异步电动机的基本结构（重点）二、三相异步电动机的工作原理（难点）三、三相异步电动机的铭牌数据（了解）四、电磁转矩和机械转矩（重点）五、特殊用途的电动机（了解）,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,导入新课：电机概述,第9章电动机,电机实现机械能与电能的相互转换。发电机将机械能转换为电能。电动机将电能转换为机械能。,直流电动机交流电动机直流发电机交流发电机,（三相和单相）（三相和单相）,电动机电机发电机,同步电动机异步电动机,（笼型和绕线型）,动力电机电机控制电机,:以高效率的能量转换为目的。:以高灵敏度、高准确度的信号转换和传递为主要目的。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,交流电动机感性认识,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,三相异步电动机的外形,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,部分额定值：UN690V，2kV11kVfN50/60HzPN200kW3000kW2p212,笼型异步电动机外形,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,部分额定值：UN400V690VfN50/60HzPN200kW2300kW2p28,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3-8三相异步电动机的基本结构,一、三相异步电动机的基本结构1.定子：指其固定不动部分，主要包括：(1)定子铁心(2)定子绕组(3)机座和端盖等2.转子：指其旋转部分，主要部件包括：(1)转子铁心(2)转子绕组(3)转轴等,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,定子铁心、定子绕组、机座和端盖等。,定子铁心的硅钢片,3-8-1定子,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,定子铁心,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,定子铁芯内圆冲有分布的槽。,定子铁芯硅钢片：异步电动机的铁芯是由0.5mm厚的硅钢片叠压制成的。,作用：嵌放绕组，提供磁路；,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,定子绕组,对称三相绕组。,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,定子绕组是由漆包线绕制而成，嵌入到定子铁芯槽中。,作用：产生旋转磁场，构成电机电路的一部分。,定子绕组,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,机座和端盖：,机座,机座是电动机的支架，通常用铸铁或铸钢制成。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,定子接线盒,星形(Y)联结,三角形()联结,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,（1）转子铁心：嵌放绕组，提供磁路。（2）转子绕组：感应出电势、电流。（分为两种类型：如下）绕线型：对称三相绕组。笼型：对称多相绕组。（3）转轴（4）风扇等。,转子铁心的硅钢片,3-8-2转子,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,转子铁芯,一般用45号钢制成，用来传递电磁转矩。,转子绕组大部分是浇铸铝笼型，大功率也有铜条制成的笼型转子导体。转子绕组构成电动机电路的另一部分。,转子绕组,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,鼠笼式异步电动机的转子,风扇,图1铜条笼型转子图2铸铝笼型转子,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,绕线式异步电动机的转子,9.1三相异步电动机的基本结构和额定值,集电环,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,由于绕线式异步电动机能采用转子绕组串电阻起动和调速，因此起动性能和调速性能均比鼠笼式异步机优越。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,播放视频讲解电动机结构,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3-7-1异步电动机旋转原理模型图,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,模型说明,e,i,蹄形磁铁,闭合线圈,人为转动,感应电流受力而旋转,感生电流,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,异步电动机原理模型图,通电导体的受力方向用“左手定则”判断,导线内感应电流方向用“右手定则”判断,人为转动,对转子的转轴形成一个顺时针方向的转矩,结论：转子的旋转方向和磁场旋转方向一致,模型示意图,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,异步电动机转动模型原理总结如下：,第6章电动机,对称定子三相绕组通入对称三相电流,旋转磁场（磁场能量）,磁感线切割转子绕组,转子绕组中产生e和i,转子绕组在磁场中受到电磁力的作用,转子旋转起来,三相交流电能,电磁转矩,相当于变压器的原边,相当于变压器的副边,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,转子旋转的原理：在旋转磁场和转子之间要有相对运动，转子导体要切割磁力线，如果n=n1,它们之间就没有相对运动了，不可能产生e,i,F,T。因此n与n1之间一定存在差异，所以叫异步电动机。,异步电动机的由来,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,下面就先来讨论异步电动机中的旋转磁场是怎样建立起来的。,模型中靠磁铁的转动来获得转子转动，它是用机械能换取机械能，没有实际意义。,注意：,磁场的旋转是电机旋转的前提！,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3-7-2三相异步电动机的旋转磁场,实际的异步电动机中的旋转磁场是利用三相交流电通过固定在定子上的三相对称绕组来获得的。,旋转磁场的作用就是相当于模型中的蹄形磁铁转动时产生的磁场。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,电流流出,电流流入,4、定子三相绕组中电流的标注方法,一.定子绕组的放置方式,1、先以每相绕组中只有一个绕组的简单电路来说明,定子铁芯,定子绕组,2、三相对称绕组每相绕组由一个线圈组成,3、设三相电流的参考方向为从绕组的首端指向尾端,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,对称的三相电流通入对称的三相绕组中，它们的合成磁场、合成磁通就是一个旋转磁场！,这个结论怎么得到的呢？,选定电流的几个特殊值加以分析，就能得出结论了！,5、以三相绕组结成Y型为例来讨论,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,UVW,i1=Imsinti2=Imsin(t120O)i3=Imsin(t120O),i1i2i3,t=0O时i1=0i20(尾端流入、首端流出）i30（首端流入、尾端流出）,NS,二、旋转磁场的产生,相邻线圈电流流向一致，在气隙中生成合成磁场，方向如上所示：,i的参考方向:首端指向尾端,电流流入,电流流出,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,t=0O时i1=0，i20，i30,NS,t=120O时i10，i2=0，i30,9.2三相异步电动机的工作原理,显然，电流随时间变化120电角，电动机的气隙磁场在空间的位置也随之旋转了120。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,NS,t=240O时i10，i20，i3=0,t=360O时i1=0，i20，i30,NS,9.2三相异步电动机的工作原理,电流随时间变化一周，电动机的气隙磁场在空间的位置也顺时针旋转了360。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,快速浏览-i的一个周期内不同时间段旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,不同时间旋转磁场的位置,t=0o,t=30o,t=60o,t=90o,t=120o,t=150o,t=180o,t=210o,t=240o,t=270o,t=300o,t=330o,t=360o,9.2三相异步电动机的工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,9.2三相异步电动机的工作原理,当P=1时，结论:i变化一周旋转磁场转一圈。,旋转磁场的作用就是相当于模型中的蹄形磁铁转动时产生的磁场。,只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间、空间、位置不断变化的旋转磁场。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,t=360,t=360时电流和磁场情况,N,S,n0,结论：,可见，工程实际中，三相异步电动机定子和转子之间的气隙旋转磁场代替了模型电机定子的转动磁极。,归纳：,只要三相异步机的对称三相定子绕组中通入对称三相交流电，就会在定子和转子之间的气隙中产生一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,河南工业大学电气工程学院,n,三、运行原理,见下图：,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,电动机转动（运行）的原理,（一）、基本工作原理,1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。,2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。（转子导体是闭合，该图为剖面图。）,3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,n0,（二）三相异步电动机工作原理概括,在电动机对称三相定子绕组中通入对称三相交流电流,产生气隙旋转磁场,转子导体与磁场相切割感应电动势，由于闭合生成感应电流,载流导体受电磁力的作用形成力偶,力偶对电机转轴形成电磁转矩,从而使固定不动的转子顺着旋转磁场的方向转动起来。,F,F,若要改变电动机的旋转方向，只需任调通入定子绕组中两相电流的相序即可。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,i变化一周对50Hz的工频交流电来说i每秒钟变化50周对50Hz的工频交流电来说i每分钟变化(5060)周,旋转磁场转一圈旋转磁场每秒钟转50圈旋转磁场每分钟转3000圈,四、旋转磁场的转速n1,同步转速,n1=60f1能否得到不同转速的旋转磁场呢？用什么方法呢？,由以上两极（磁极对数p=1）旋转磁场的分析可知:,1、旋转磁场的转速n1的大小,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,经过分析和实验，得到旋转磁场的转速n1不仅和电源频率f有关，还和磁极对数p有关。,以上分析的是两极（磁极对数p=1）的旋转磁场，怎么增加旋转磁场的磁极对数呢？,如果三相对称绕组中每项绕组是有两个线圈组成，就可形成4极旋转磁场。P=2,自行分析，不做讨论！,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,四极旋转磁场转速的分析,相邻线圈电流的流向一致，其合成磁场的分布情况为：,t=0时,t=120时,电流变化120，旋转磁场在空间的位置仅转过了60；当电流变化360时，四极电动机的旋转磁场才能旋转180。显然，四极旋转磁场的转速是二极电机的1/2。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,依此类推，可得电动机旋转磁场的转速与极对数之间的关系为：,电动机通常工作在50Hz的工频情况下，因此：,即：异步电动机旋转磁场的转速与电源频率成正比，与电机的极对数(出厂时就已经确定)成反比。显然，改变电机的极对数，可以得到不同的转速。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,U(i1)V(i2)W(i3)由超前相转向滞后相。即由通入三相绕组中的电流的相序决定的。旋转磁场的旋转方向决定了电动机的转动方向。电动机怎样改变转向呢？只需要改变旋转磁场的方向即可。怎样改变旋转磁场n1的方向?只需要调换任意两项绕组与电源的连线，就可改变通入三相绕组中的电流的相序，例如：原来：A(i1)B(i2)C(i3)后来：C(i1)B(i2)A(i3),此为电机正反转的原理,2、旋转磁场n1的的方向（转向）,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3.旋转磁场如何改变方向？（电动机的转向改变问题）,电动机转向与旋转磁场的转向相同。,顺时针方向旋转,怎样改变转子的转向?,3,M3,3,M3,逆时针方向旋转,旋转方向？,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,注意：,转子旋转方向与磁场旋转方向相同，但转速总是低于磁场转速！定义磁场转速为同步转速，用表示n1；转子转速为n,则转差率转差率是电机一个重要参数，其值范围0S1,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,五、有关转差率的讨论,电动机的转差速度与磁场转速n0之比称为转差率，用s表示：,显然，电动机的转差率随着电动机转速的升高而减小。,(1)电动机起动瞬间，电动机转速n=0，转差率s=1；,(2)电动机理想空载时，转速nn0，转差率s0；,(3)电动机运行过程中，转速0nn0，转差率0sTL，电动机就会加速运行；若TTN动力小于阻力电机稳定运行状态被破坏转速n下降转差率s上升转子电路感应电动势增加电流I2增大定子电流I1随之增大电磁转矩T增大至T当T=TL时电动机转速重新稳定在n上，此时nn。特性曲线的N点向右移。,显然，把转矩特性曲线旋转90后即可得到机械特性曲线。,额定转速,最大电磁转矩,起动电磁转矩,分析,电机稳定运行在TL=TN。当负载减少时，TLn。沿特性曲线左移。,N,N,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,4、三相异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机型号Y132M-4功率7.5KW频率50Hz电压380V电流15.4A接法转速1440r/min绝缘等级B工作方式连续标准编号工作制S1B级绝缘年月编号电机厂,Y表示异步机，132(mm)表示机座中心高；M代表中机座(L长机座、S短机座)，-4代表4极电机。,额定功率指的是电动机输出的机械功率。,额定电压、电流均指电动机额定运行情况下的定子线电压、线电流的数值。,额定转速指的是电动机转子的转速n。,三相异步电动机的定子绕组有两种接法：Y形和形。,三相定子绕组由机壳外面的接线盒引出，如图示：,Y形接线,形接线,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3-10三相异步电动机的控制,见另一课件,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,一、.单相异步电动机简介,实验室、家庭及办公场所通常是单相供电，因此实验室的很多仪器、各种电动小型工具、家用洗衣机、电冰箱、电风扇等，都采用单相异步电动机。单相异步机采用鼠笼式转子结构，一般容量多在0.75KW以下（小功率）。,电容运转单相机,洗衣机电动机,电风扇电动机,制冷压缩机,单相异步电动机产品图,三相异步电动机只所以能够转动，是因为它的定子绕组通入对称三相交流电后产生的旋转磁场。那么，单相异步电动机通入单相交流电后，产生的是一个什么样的磁场呢？,3-11.单相异步电动机,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,二、单相异步电动机的定子磁场,单相机定子,单相机转子,在定子绕组中通入单相交流电,电流正半周，线圈导体中通过的电流始终为正值，如图示：,相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,电流的负半周，线圈导体中通过的电流方向始终为负，如图：,相邻导体中电流方向相同，电流的合成磁场方向一致。,合成磁场随时间大小不断变化，但磁场轴线的位置始终不变。,结论：显然，单相异步电动机的定子磁场是一个大小和方向随时间不断变化、但磁场轴线位置始终不变的脉动磁场。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,单相异步电动机脉动磁场的分析,脉动磁场可以分解为两个大小相等、转速相同、转向相反的旋转磁场B1和B2。,顺时针方向旋转的磁场B1对转子产生顺时针方向的电磁转矩；逆时针方向旋转的磁场B2对转子产生逆时针方向的电磁转矩。由于在任何时刻这两个电磁转矩都大小相等、方向相反，所以单向异步机的转子不会自行起动，也就是说单相异步电动机的起动转矩为零。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,如何使单相异步电动机旋转起来呢？,为何电容分相法可让单相异步机转动？,电容分相式异步电动机的定子有两个,绕组：一个是工作绕组；另一个是起动绕组，两个绕,组在空间对称嵌放。起动绕阻与电容C串联，使起动,绕组电流i2和工作绕组电流i1产生90的相位差，即：,加入起动绕组后，和工作绕组并联连接于单相交流电源上。这时两绕组中的电流磁场为：,可见，单相电动机定子两绕组的合成磁场也是一个随时间空间位置不断变化的旋转磁场。单相电动机也因之可以自行起动了。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,启动时开关K闭合，使两绕组电流相位差约为90，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断，而电机仍按原方向继续转动。,其工作原理,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,3、罩极式单相电机,定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。,图中电机的转动方向：顺时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。,大连理工大学电气工程系,LFChun制作,拓展：三相异步电动机的单相运行,三相异步电动机在运行过程中，若其中一相和电源断开，则变成单相运行。此时和单相电机一样，电机仍会按原来方向运转。但若负载不变，三相供电变为单相供电，电流将变大，导致电机过热。使用中要特别注意这种现象；三相异步电动机若在启动前有一相断电，和单相电机一样将不能启动。此时只能听到嗡嗡声，长时间启动不了，也会过热，必须赶快排除故障。,大连理工大学电气工程系,LFChu