电机及拖动技术 项目2 异步电机4

1、项目项目2 2 三相异步电动机的运行与维护三相异步电动机的运行与维护单元单元1 1 三相异步电动机的基本知识三相异步电动机的基本知识概述概述异步电动机的用途和分类异步电动机的用途和分类 异步电动机是一种交流电机，也叫感应电机。三相异异步电动机是一种交流电机，也叫感应电机。三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。 在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱在民用

2、生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。异步电动机异步电动机直流电动机直流电动机 异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类法，常见的有：同的分类法，常见的有：按定子相数分按定子相数分：单相异步电动机单相异步电动机三相异步电动机三相异步电动机按转子结构分：按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机2.1 三相异步电动机的基本工作原理与结构2.1.1 2.1.1 三相异步电动机的基本结构三相异步电动机的基本结构下面是它主要部件的拆分图。下面是它主要

3、部件的拆分图。一、定子部分定子部分1 1、定子铁心、定子铁心导磁部分。导磁部分。 定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm0.5mm或或0.35mm0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。 2 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。导电部分

4、。 定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y Y形形或或形。形。 3 3、机座、机座 机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭

5、式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。中小型电机采用铸铁机座。大型电机一般采用钢板焊接机座。 定子绕组机 座二、转子部分1 1、转子铁心、转子铁心 转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁心材料也用心材料也用0.5mm0.5mm或或0.35mm0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固

6、定在转轴上，制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。2 2、转子绕组、转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为根据转子绕组的结构型式可分为 1 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。多相对称短路绕组。 2 2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允

7、许达到的最小值。到的最小值。三、气隙转 子转子铁心按转子结构分：按转子结构分：绕线型异步电动机绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型异步电动机鼠笼型转子鼠笼型转子铁心和绕组铁心和绕组结构示意图结构示意图三相绕线型三相绕线型转子结构图转子结构图2.1.2 2.1.2 三相异步电动机的基本工作原理三相异步电动机的基本工作原理)240cos()120cos()cos(tIitIitIimwmvmu 0t2,2,mwmvmuIiIiIi120t2,2mwmvmuIiIiIi,2,2mwmvmuIiIiIi 240t2,2,mwmvmuIiIiIi 360tNiF tFtNINiFmmuucoscos)

8、120cos()120cos(tFtNINiFmmvv)240cos()240cos(tFtNINiFmmww 1 1）三相基波合成磁场在空间为正弦分布，其轴线在空）三相基波合成磁场在空间为正弦分布，其轴线在空间是旋转的，故称旋转磁场，其幅值等于间是旋转的，故称旋转磁场，其幅值等于 ，且，且恒定不变，因此称为圆形旋转磁场；恒定不变，因此称为圆形旋转磁场；mF232 2）当某相电流达到最大值时，合成磁场的矢量也正好）当某相电流达到最大值时，合成磁场的矢量也正好转到该相的相轴上，且与该相轴方向一致；转到该相的相轴上，且与该相轴方向一致；fn601pfn601 p12 3456n0/(r/min)3

9、00015001000750600500 f = 50 Hz 时，不同极对数时的同步转速如下时，不同极对数时的同步转速如下:U2U1W2V1W1V21nn1 1、电生磁、电生磁：三相对称绕组通三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转往三相对称电流产生圆形旋转磁场。磁场。2 2、磁生电、磁生电：旋转磁场切割旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。转子导体感应电动势和电流。3 3、电磁力、电磁力：转子载流（有功转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化驱动电动机旋转，将电能转化为机械能。为机械能。

10、当转子转速当转子转速n n与旋转磁场转速与旋转磁场转速n n1 1相等时，在电动机的相等时，在电动机的转子上会产生电磁转矩转子上会产生电磁转矩T T吗？吗？NS电磁转矩的产生电磁转矩的产生 用右手定则判断转子绕用右手定则判断转子绕组中感应电流的方向组中感应电流的方向 用左手定则判断转子绕用左手定则判断转子绕组受到的电磁力的方向组受到的电磁力的方向电磁力电磁力电磁转矩电磁转矩 TT 与与 n0 同方向。同方向。11nnsn 转差率转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种运行情况。运行情况。转子未转动时转子未转动时，;s,n10 电机理想空载时

11、电机理想空载时，.s,nn01 作为电动机，转速在作为电动机，转速在10n范围内变化，转差率在范围内变化，转差率在0 0 1 1范围内变。范围内变。 负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：速为：11n = (- s)n 额定运行时，转差率一般在额定运行时，转差率一般在0.010.010.060.06之间，即电机转速接之间，即电机转速接近同步转速。近同步转速。 同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用同步转速与

12、转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s s表示，表示，即：即：根据转差率的大小和正负根据转差率的大小和正负, ,异步电机有三种运行状态异步电机有三种运行状态机械能转变为电机械能转变为电能能电能和机械能变电能和机械能变成内能成内能电能转变为机电能转变为机械能械能能量关系制动制动制动制动驱动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速外力使电机快速旋转旋转外力使电机沿磁外力使电机沿磁场反方向旋转场反方向旋转定子绕组接对定子绕组接对称电源称电源实现发电机发电机电磁制动电磁制动电动机电动机状态状态10 n n0n n10 s1s0s2.1.3 2.1.3 铭牌和额定值铭牌和额定值型号型号额定值关系有：额

13、定值关系有：3NNNNNPU I cos)VkV(UN或或额额定定电电压压额定运行状态时加在额定运行状态时加在定子绕组上的线电压定子绕组上的线电压. .)kW(PN额额定定功功率率额定条件下转轴上额定条件下转轴上输出的机械功率。输出的机械功率。)A(IN额额定定电电流流在额定运行状态下流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流入定子绕组的线电流.min)/r(nN额额定定转转速速额定运行时电额定运行时电动机的转速动机的转速.NNf额额定定效效率率额额定定频频率率额额定定功功率率因因数数Ncos 三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机的定子部分完全相

14、同。的定子部分完全相同。 对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”Y”形或形或“D”D”形。形。U1 V1 W1U1 V1 W1W2 U 2 V2W2 U2 V2D联结联结Y联结联结工作制 是对电机各种负载，包括空载、停机和断电及其持续时间和先后次序是对电机各种负载，包括空载、停机和断电及其持续时间和先后次序情况的说明。情况的说明。连续工作制（连续工作制（S1）短时工作制（短时工作制（S2）断续周期工作制（断续周期工作制（S3）额定条件下，能长时间连

15、续运行。适用于风机、水泵、纺织机等。额定条件下，能长时间连续运行。适用于风机、水泵、纺织机等。 额定条件下，在限定时间内短时运行，如额定条件下，在限定时间内短时运行，如15min、30min、60min、90min。适用于水闸闸门启闭机等。适用于水闸闸门启闭机等。 额定条件下，只能断续周期性的运行。由于频繁启动，电机的过载能额定条件下，只能断续周期性的运行。由于频繁启动，电机的过载能力强、转动惯量小、机械强度高。适用于电梯、起重机械、自动机床等。力强、转动惯量小、机械强度高。适用于电梯、起重机械、自动机床等。防护等级电机外壳防护型式有电机外壳防护型式有两种两种：第一种第一种：防止固体异物进入电

16、机内部及防止人体触及电机内的带电或运：防止固体异物进入电机内部及防止人体触及电机内的带电或运动部分的防护。动部分的防护。第二种第二种：防止水进入电机内部程度的防护：防止水进入电机内部程度的防护表示方法：表示方法：IP+两个数字两个数字数字越大，防护能力越强数字越大，防护能力越强常见的几种防护型式：常见的几种防护型式：IP11IP11（开启式）、（开启式）、 IP23IP23（防护式）、（防护式）、 IP44IP44（封闭式）（封闭式）2.2交流电机的绕组2.2.1 交流绕组的基本知识一、基本要求和分类1 1）三相绕组对称；）三相绕组对称；2 2）力求获得最大的电动势和磁动势；）力求获得最大的电

17、动势和磁动势；3 3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；4 4）节省用铜量；）节省用铜量；5 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；6 6）工艺简单、便于制造、安装和检修。）工艺简单、便于制造、安装和检修。交交流流绕绕组组的的分分类类相数相数单相绕组单相绕组多相绕组多相绕组槽内层数槽内层数单层绕组单层绕组多层绕组多层绕组每极每每极每相槽数相槽数整数槽绕组整数槽绕组分数槽绕组分数槽绕组同心式绕组、链式同心式绕组、链式绕组和交叉式绕组绕组和交叉式绕组二、交流绕组的基本概念二、交流绕组的基本概念2 2、极距、

18、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为槽数为Z Z，磁极对数为，磁极对数为p p，则极距：，则极距：Z=2 p3 3、线圈节距、线圈节距y一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。.y的的绕绕组组为为整整距距绕绕组组 1 1、电角度、电角度p电电角角度度机机械械角角度度.y的的绕绕组组为为短短距距绕绕组组 注：一个极距注：一个极距占有占有180空间电角度。空间电角度。 在电机里，我们把一对主磁极表面所占的空间距离用空间电角度在电机里，我们把一对主磁极表面所占的

19、空间距离用空间电角度表示时，定为表示时，定为360360。电机只有一对主磁极，则空间电角度与机械角度。电机只有一对主磁极，则空间电角度与机械角度相等；如果电机有相等；如果电机有P P对主磁极，则对应的空间电角度为对主磁极，则对应的空间电角度为y 长距线圈（一般不用）长距线圈（一般不用） 4 4、槽距角、槽距角a相邻两个槽之间的电角度相邻两个槽之间的电角度：0360p=Z6 6、相带、相带 每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。对于三相交流电面下所占的范围，用电角度表示称为相带。对于三相交流电机，

20、即为机，即为60相带。相带。 每一个极面下每相所占的槽数为每一个极面下每相所占的槽数为5 5、每极每相槽数、每极每相槽数q2Zq =pm m- m-相数相数 P-P-极对数极对数 动画动画m m1 18 80 0Z Z3 36 60 0p p2 2m mp pz zq q0 00 06060。相带三绕组相带三绕组2极极4极极划分相带划分相带 每相绕组在每个磁极下所连续占有的电角度每相绕组在每个磁极下所连续占有的电角度qq称为绕称为绕组的相带。因为每个磁极占有的电角度为组的相带。因为每个磁极占有的电角度为180180，所以对，所以对于三相绕组而言，每相绕组在每个磁极下所占有于三相绕组而言，每相绕

21、组在每个磁极下所占有6060电角电角度。显然，每对磁极度。显然，每对磁极360360电角度可分为电角度可分为6 6个相带，若一台个相带，若一台电机有电机有p p对磁极，就可划分为对磁极，就可划分为6p6p个相带。个相带。 三相对称绕组在一对磁极中相带应按三相对称绕组在一对磁极中相带应按A-Z-B-X-C-YA-Z-B-X-C-Y的的分布规律排列。分布规律排列。A A、X X，B B、Y Y，C C、Z Z，分别为一对磁极中各，分别为一对磁极中各自一相的两个相带，相距自一相的两个相带，相距180180电角度，且电角度，且A A、B B、C C三相互三相互差差120120电角度。电角度。p p对极

22、的电机，相带的排列为一对极情况对极的电机，相带的排列为一对极情况的的p p次重复。次重复。2.2.22.2.2 三相单层绕组三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为同心式、链式和交叉式绕组。定子槽数的一半。单层绕组分为同心式、链式和交叉式绕组。绕组展开图绕组展开图 由于电动机是圆周形的，在分析讨论绕组时很不方便，所以，由于电动机是圆周形的，在分析讨论绕组时很不方便，所以，一般都采用绕组展开图的形式，分析绕组的连线规律。所谓的绕组一般都采用绕组展开图的形式，分析绕组的连线规律。所谓的绕组展开

23、图就是设想把定子展开图就是设想把定子( (或转子或转子) )沿轴向切开、沿横向拉平，再略去沿轴向切开、沿横向拉平，再略去铁心，把绕组连接规律用平面图形展示出来。铁心，把绕组连接规律用平面图形展示出来。一、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。形状的线圈组构成。 同心式绕同心式绕组端部连线较组端部连线较长，适用于长，适用于q=4q=4、6 6、8 8等等偶数的偶数的2 2极小极小型三相异步电型三相异步电动机。动机。二、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而单层链式绕组由形状、几何

24、尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。成，整个外形如长链。 链式绕组的链式绕组的每个线圈节距相每个线圈节距相等并且制造方便；等并且制造方便；线圈端部连线较线圈端部连线较短并且省铜。主短并且省铜。主要用于要用于q=2q=2的的4 4、6 6、8 8极小型三相异步极小型三相异步电动机。电动机。 绕组采用单层绕组采用单层60相带，则每个相带包含两个槽（即等相带，则每个相带包含两个槽（即等于于q），分相），分相列表如下。列表如下。 设有一台设有一台4极电动机，定子槽数极电动机，定子槽数Z=24，则极距、每极每相则极距、每极每相槽数和槽距角为别为：槽数和槽距角为别为： 相带相带 槽号槽号AZBX

25、CY第一对极第一对极1，23，45，67，89，1011，12第二对极第二对极13，1415，1617，1819，2021，2223，2464242pZ2232242mpZq00030243602360Zp单层链单层链U相绕组展开图相绕组展开图 为了维持导体中的电流方向不变，导体电动势相加，为了维持导体中的电流方向不变，导体电动势相加，则圈间的联接应为则圈间的联接应为“尾尾- -尾尾”相联、相联、“头头- -头头”相联。这种相联。这种联接方式的绕组称为联接方式的绕组称为链式绕组链式绕组。 每个线圈的节距为短距每个线圈的节距为短距y=5y=5 1q1的且为奇的且为奇数数的小型三相异的小型三相异步

26、电动机步电动机。 绕组采用单层绕组采用单层60相带，则每个相带包含相带，则每个相带包含3个槽（即等于个槽（即等于q），分相），分相列表如下。列表如下。 设有一台设有一台4极电动机，定子槽数极电动机，定子槽数Z=36，则极距、每极每相则极距、每极每相槽数和槽距角为别为：槽数和槽距角为别为：94362pZ3232362mpZq00020363602360Zp 相带相带 槽号槽号AZBXCY第一对极第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36 A

27、A相绕组连相绕组连接如下：将接如下：将2-102-10，3-113-11构成两个节距构成两个节距y y1 1=8=8的大线的大线圈（双包线圈）圈（双包线圈）；1-301-30构成一个构成一个y y1 1=7=7的小线圈（单包线圈）的小线圈（单包线圈）。同理，同理，20-2820-28，21-2921-29构成两个大线圈，构成两个大线圈，19-1219-12构成一个小线圈，构成一个小线圈，形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置，如图所示。形成两对极下依次出现两大一小的交叉布置，如图所示。 为了保持导体的电流方向不变为了保持导体的电流方向不变，根据电动势相加的原则，根据电动势相加的原则，线圈之间的

28、联接规律如下：线圈之间的联接规律如下： 两个相邻的大线圈之间应按两个相邻的大线圈之间应按“头头- -尾尾”相相联联，大线圈和小线，大线圈和小线圈之间应按圈之间应按“尾尾- -尾尾”相相联联，小，小线圈与大线圈之间应按线圈与大线圈之间应按“头头- -头头”相联。相联。 这种联接方式的绕组为这种联接方式的绕组为交叉式绕组交叉式绕组。交叉式绕组不是等。交叉式绕组不是等元件绕组，线圈的平均节距小于极距。元件绕组，线圈的平均节距小于极距。 从电气性能来看，交叉式绕组仍然属于整距绕组。从电气性能来看，交叉式绕组仍然属于整距绕组。2.2.3 2.2.3 三相双层绕组三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层

29、线圈的有效边，线圈的每双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y y 的另一槽的下层。的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图双层绕组分双层叠绕组（如图2a=12a=1）和双层波绕组）和双层波绕组。线圈组线圈组（极相组）（极相组）一条并联支路一条并联支路 叠绕组中，每个线圈组中的线圈是依次串联的，不同磁极下的叠绕组中，每个线圈组中的线圈是依次串联的，不同磁极下的各线圈组视具体情况可串联也可并联。串联时各线圈组尾尾相连，各线圈组视具体情况可串联也可并联。串联时各线圈组尾尾相连，

30、首首相连。首首相连。两条并联支路两条并联支路 叠绕组线圈数等于槽数，其优点是短距时能节省端部用铜及叠绕组线圈数等于槽数，其优点是短距时能节省端部用铜及得到较多的并联支路，缺点是由于极相组间连接线较长，在极相得到较多的并联支路，缺点是由于极相组间连接线较长，在极相组较多时浪费铜材。主要用在组较多时浪费铜材。主要用在1010千瓦以上的中小型同步电机和异千瓦以上的中小型同步电机和异步电机的定子绕组中。步电机的定子绕组中。 2.32.3交流电机绕组的感应电动势交流电机绕组的感应电动势2.3.1 2.3.1 定子线圈的感应电动势及短距系数定子线圈的感应电动势及短距系数一、整距线圈的电动势一、整距线圈的电

31、动势 每个整距绕组由每个整距绕组由N Nc c个相同匝数的线圈组成。个相同匝数的线圈组成。(a)二极异步电机二极异步电机 ( b) 主极磁场在空间的分布主极磁场在空间的分布 (c)导体中感应电动势的波形导体中感应电动势的波形图图2.3.1 2.3.1 气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势气隙磁场正弦分布时导体内的感应电动势 a.导体的感应电动势导体的感应电动势设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：则： sinmBB B Bm m：磁场幅值：磁场幅值 ：离开原点的电角度：离开原点的电角度 设设00时ttEtlvBlvBBlvemmsin2sinsin1121lv

32、BEm-有效值有效值b.b.导体感应电动势的频率导体感应电动势的频率 若若p=1 p=1 ，电角度，电角度= =机械角度机械角度 ，磁场转一周感应电势交变一次，磁场转一周感应电势交变一次，设磁场每分钟转设磁场每分钟转n n1 1转（即每秒转转（即每秒转n n1 1/60/60转），于是导体中电势交变转），于是导体中电势交变的频率应为：的频率应为： )(601ZHnf 若电机为若电机为P P对极，则磁场每旋转一周，导体中感应电势对极，则磁场每旋转一周，导体中感应电势将交变将交变P P次，此时电势频率为：次，此时电势频率为：) )( (H H6 60 0P Pn nf fZ Z1 1在我国，工业用

33、电的标准频率为在我国，工业用电的标准频率为50Hz50Hz，所以，所以 min/30001rpn c.导体感应电动势有效值导体感应电动势有效值fnPDnRnRv26026060211111122. 222)2(222fflBflBffBlEavmm：一极下磁通量：一极下磁通量 11122. 2fE ：平均磁密：平均磁密avmavBBB221lvBEmtEtlvBemsin2sin11 ，则线圈的一根导体位于，则线圈的一根导体位于N N极下最大磁密处时，极下最大磁密处时，另一根导体恰好处于另一根导体恰好处于S S极下的最大磁密处。所以两导体感应电势极下的最大磁密处。所以两导体感应电势瞬时值总是大

34、小相等，方向相反，设线圈匝数瞬时值总是大小相等，方向相反，设线圈匝数N NC C=1=1，则整距线，则整距线圈的电势为圈的电势为d.整距线圈的感应电动势整距线圈的感应电动势1y （a） 整距与短距线圈整距与短距线圈 （b）整距线圈的感应电动势）整距线圈的感应电动势 （c）短距线圈的感应电动势）短距线圈的感应电动势图图2.3.2 2.3.2 整距和短距线圈的感应电动势整距和短距线圈的感应电动势1111144.42fEEEEC 若线圈有若线圈有N NC C匝，则匝，则 1144. 4CCfNE二、短距线圈的感应电动势二、短距线圈的感应电动势01180y)(11111EEEEEC 01190siny

35、ky基波电动势短距系数基波电动势短距系数，线圈短距时电动，线圈短距时电动势比整距时减小的倍数势比整距时减小的倍数 y y1 1,线圈两导体的电动势相位差小于线圈两导体的电动势相位差小于180180，电角度为电角度为 由向量图可得，线圈采用短距时的感应电动势为：由向量图可得，线圈采用短距时的感应电动势为： 0111190sin22sin2yEEEC11444yCKNf.2.3.2 2.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数线圈组的感应电动势及分布系数 一组线圈由一组线圈由q q个线圈组成个线圈组成, ,若若q q个线圈为集中绕组时个线圈为集中绕组时, ,各线圈各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组

36、电动势为电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为: :11114.44q (q= )cyE=fqN k 若若q q个线圈为分布绕组个线圈为分布绕组, ,放在放在q q个槽内个槽内, ,各线圈电动势大小相各线圈电动势大小相同同, ,相位相差相位相差电角度电角度, ,电动势为电动势为: :111114 444 4411()cyqcE.fqN k k.fqN kqqw称为称为基波电动势分布基波电动势分布系数系数:指分布线圈组指分布线圈组电动势比集中线圈组电动势比集中线圈组电动势减小的倍数电动势减小的倍数.称为称为基波电动基波电动势绕组系数。势绕组系数。111wyqk= k k2 2q qs si i

37、n n2 2q qs si in nE EE Ek k1 1) )q q1 1( (q q1 1) )q q1 1( (q qq q1 12.3.3 2.3.3 单相绕组的基波感应电动势单相绕组的基波感应电动势 一绕组有一绕组有2a2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势，一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势，一、一相绕组的基波电动势1111144. 4wpkNfE对单层绕组：对单层绕组：c c1 1N Na ap pq qN N对双层绕组：对双层绕组：c c1 1N Na a2pq2pqN N为单

38、层绕组每相串联的总匝数为单层绕组每相串联的总匝数 为双层绕组每相串联的总匝数为双层绕组每相串联的总匝数 二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响 绕组中除了感应有基波电动势外，同时也感应有高次谐波电动绕组中除了感应有基波电动势外，同时也感应有高次谐波电动势。高次谐波电动势对电动势的大小的影响一般不是很大，主要是势。高次谐波电动势对电动势的大小的影响一般不是很大，主要是影响电动势的波形，影响电动势的波形，而采用短距绕组可以消除一部分高次谐波电动而采用短距绕组可以消除一部分高次谐波电动势。势。 右图右图表示采用短距绕表示采用短距绕组消除组消除5 5次谐波磁场在线次谐波磁场在线圈两个有效边中感应的圈

39、两个有效边中感应的电动势大小相等、方向电动势大小相等、方向相反，沿线圈回路，两相反，沿线圈回路，两个电动势正好相加。个电动势正好相加。采用短距绕组消除5次谐波电动势 对三相绕组，不论采用星形联接还是采用三角形联接，对三相绕组，不论采用星形联接还是采用三角形联接，线电压中都不存在线电压中都不存在3 3次或次或3 3的倍数次谐波。因此在选择线圈节的倍数次谐波。因此在选择线圈节距时，距时，主要考虑削弱主要考虑削弱5 5次和次和7 7次谐波电动势次谐波电动势，通常采用，通常采用 左右，这时左右，这时5 5次和次和7 7次谐波电动势约只有整距时的次谐波电动势约只有整距时的1/41/4 左右，左右，至于更

40、高次谐波电动势，由于幅值很小，影响已不大。至于更高次谐波电动势，由于幅值很小，影响已不大。156y采用分布绕组，同样可以起到削弱高次谐波的作用。采用分布绕组，同样可以起到削弱高次谐波的作用。 通过计算（通过计算（P104P104）可知，）可知，q q增加时，基波的分布因数减小增加时，基波的分布因数减小不多，而谐波的分布因数却显著减小。但是随着不多，而谐波的分布因数却显著减小。但是随着q q的增大，电的增大，电动机的槽数也增多，使电动机的成本提高。事实上，当地时间动机的槽数也增多，使电动机的成本提高。事实上，当地时间q q6 6时，高次谐波分布因数的下降已不太显著，因些一般交流时，高次谐波分布因

41、数的下降已不太显著，因些一般交流电动机的每极每相槽数电动机的每极每相槽数q q均在均在2-62-6之间，小型感应电动机的之间，小型感应电动机的q q一一般为般为2-42-4。改善电动势波形的方法改善电动势波形的方法: :（）（）采用短距绕组来削弱高次谐波采用短距绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波（）采用分布绕组来削弱高次谐波改善主磁极磁场的分布改善主磁极磁场的分布改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势2.4交流电机绕组的磁动势2.4.1 2.4.1 单相绕组的磁动势单相绕组的磁动势一、整距线圈的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机一台两极气隙均匀的交流

42、电机, ,一一个整距线圈通入交流电流个整距线圈通入交流电流, ,线圈磁动势线圈磁动势在某瞬间的分布如图在某瞬间的分布如图, ,由全电流定律得由全电流定律得: :iNiHdlc 忽略铁心磁阻忽略铁心磁阻, ,磁动势完全降落在两个气隙上磁动势完全降落在两个气隙上. .每个气隙每个气隙的磁动势为的磁动势为: : 因组成一相绕组的基本单元是线圈，所以在分析单相绕因组成一相绕组的基本单元是线圈，所以在分析单相绕组产生的磁势时，我们先从分析一个线圈的磁势入手，进而组产生的磁势时，我们先从分析一个线圈的磁势入手，进而分析一个线圈组的磁势，最后推出一相绕组产生的磁势。分析一个线圈组的磁势，最后推出一相绕组产生

43、的磁势。 空间分布为空间分布为矩形波矩形波, ,随时间按随时间按正弦规律正弦规律变化变化. .变化变化频率为电频率为电流频率流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动脉动磁动势，磁动势，对应的磁场称为对应的磁场称为脉振磁场脉振磁场。2322)(22-2)(xiNxfxiNxfcccccc当当tttcmsinFsinIN22sinIN21iN21fcmcccc矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: :133( , )sincossincos.sincos.ccccfx tFtxFtxF

44、tx基波磁动势为基波磁动势为: :1420 92cccccFN I. N I 11( , )sincosccfx tFtx基波磁动势最大值为基波磁动势最大值为: : 整距绕组基波磁动势在整距绕组基波磁动势在空间空间按按余弦余弦分布，幅值位于绕组轴线，分布，幅值位于绕组轴线，空间空间每一点每一点的磁动势大小按的磁动势大小按正弦正弦规律变化规律变化仍然为仍然为脉动磁动势脉动磁动势。二、单相脉动磁动势1 1、整距分布绕组的磁动势、整距分布绕组的磁动势w1cc1q1ycc1y1q1pk)I(qN0.92kk)I(qN0.92kF2F 每个绕组由每个绕组由q q 个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开个

45、线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角槽距角,绕组的基波磁动势为绕组的基波磁动势为q q个线圈基波磁动势的空间矢量个线圈基波磁动势的空间矢量和：和：1111q1c1q9 . 0kqFFqcqcckqFkNqI2 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计入绕组短距的影响：势的相量和，用短距系数计入绕组短距的影响：k kq1q1-基波磁动势的分布系数，表示采用分布绕组使基波磁基波磁动势的分布系数，表示采用分布绕组使基波磁 通势减小的倍数通势

46、减小的倍数k kw1w1-基波磁动势的绕组系数基波磁动势的绕组系数k ky1y1-短距系数短距系数3 3、单相绕组的磁动势、单相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p p对磁极，就有对磁极，就有p p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为每相电流为I Ip p: :xcostsinIpNk.xcostsinFt)(x,fp1wpp9011 单相绕组的基波磁动势是在

47、空间按余弦规律分布，单相绕组的基波磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势脉动磁动势。p1w1IpNk9 . 0Fp三、单相脉动磁动势的分解1111111122ppp+-ppf (x,t) F sincosxF sin(x)F sin(x)= f (x,t)+ f (x,t)pttt(1)(1)单相绕组的基波磁动势为脉动磁动势单相绕组的基波磁动势为脉动磁动势, ,它可以分解为大它可以分解为大小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。小相等、转速相同而转向相反的两个旋转磁场。(2)(2)反之反之, ,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即

48、为脉动满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动势。磁动势。(3)(3)由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为圆形旋转磁动势。形旋转磁动势。2.4.2 2.4.2 三相绕组基波合成磁动势三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势旋转磁动势三相的合成磁动势：三相的合成磁动势： 取取U U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x x的参考方向、的参考方向、U U相电流为零时作为时间起点，则

49、三相基波磁动相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动势为：势为：)xtsin(F)xtsin(F)xcos()tsin(Ff)xtsin(F)xtsin(F)xcos()tsin(Ff)xtsin(F)xtsin(FxcostsinFfpppWpppVpppU342121323234212132322121111111111111 11132pf (x,t) =Fsin(t-x) = F sin(t-x)可见：三相合成磁动势也是一个可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组交流电机三相对称绕组, , 通入三相对称电流，磁动势是三通入三相对称电流，磁动势是三

50、相的合成磁动势。相的合成磁动势。x1F 产生圆形旋转磁动势的条件：产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二是一是三相或多相对称绕组；二是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形旋转磁动势。磁动势。 三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主要性质(1)(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/23/2倍。倍。(2)(2)转速决定于

51、电流的频率和电机的磁极对数转速决定于电流的频率和电机的磁极对数pfn601pmIkFFpN35.123w11(4)(4)旋转磁场的位置：当某相电流达到最大值时，旋转磁动势的幅旋转磁场的位置：当某相电流达到最大值时，旋转磁动势的幅值恰好转到该相绕组的轴线上。值恰好转到该相绕组的轴线上。 (3)(3)旋转磁动势的转向与电流相序一致，由载有超前电流相转向载有旋转磁动势的转向与电流相序一致，由载有超前电流相转向载有滞后电流相；滞后电流相；2.5.1 2.5.1 空载运行时的电磁关系空载运行时的电磁关系2.5三相异步电动机的空载运行一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的

52、为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕组，主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心其路径为：定子铁心气隙气隙转子转子铁心铁心气隙气隙定子铁心。主磁通起定子铁心。主磁通起传递能量的作用。传递能量的作用。 除了主磁通以外的磁通称为漏除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。和高次谐波磁通。四极感应电机主磁通分布图四极感应电机主磁通分布图槽漏磁通和端部漏磁通槽漏磁通和端部漏磁通注：由于铁磁材料存在饱和现象，主磁通与建立它的电流之间呈注：由于铁磁材料存

53、在饱和现象，主磁通与建立它的电流之间呈非非线性线性的关系；漏磁通的磁路一般无饱和现象，与电流保持的关系；漏磁通的磁路一般无饱和现象，与电流保持线性线性关系。关系。主磁通起传递能量的媒介作用主磁通起传递能量的媒介作用，参与机电能量转换；漏磁通只在电，参与机电能量转换；漏磁通只在电路中产生感应电动势，路中产生感应电动势，起漏抗压降的作用起漏抗压降的作用，不参与机电能量转换。不参与机电能量转换。二、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。.I,I:I,ar0000功功分分量量损损耗耗的的有有另另一一个个是是用用来来供供给给铁铁心心的的

54、无无功功分分量量产产生生主主磁磁通通一一是是用用来来由由两两部部分分组组成成异异步步电电动动机机空空载载电电流流与与变变压压器器一一样样基基波波幅幅值值为为载载磁磁动动势势产产生生的的旋旋转转磁磁动动势势为为空空三三相相空空载载电电流流,FI000IpkNmF1w1100.92.IIIar000:即即.F，I，E，、,00022 于于是是乎乎为为零零转转子子之之间间相相对对速速度度几几定定接接近近同同步步速速转转子子转转速速很很高高空空载载运运行行时时.II,I,IIrar00000 即即基基本本为为一一无无功功性性质质电电流流所所以以由由于于三、电磁关系10RI)(I三三相相系系统统0)(F

55、三三相相合合成成01E011E02 E4.5.2 4.5.2 空载运行时的电压平衡方程空载运行时的电压平衡方程一、感应电动势与变压器一样与变压器一样, ,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势01w111kNf4.44jE101XI jE)(1 三相系统U 引入漏电抗来表征漏磁通引入漏电抗来表征漏磁通对电路的电磁效应。对电路的电磁效应。X X1 1为定子为定子漏电抗，漏电抗，X X1 1 =2f =2f1 1L L1 1，L L1 1为定为定子漏电感。子漏电感。二、电压平衡方程与等效电路 与变压器与变压器一样，根据基一样，根据基尔霍夫电压定尔霍夫电压定律，可列出空

56、律，可列出空载时定子每相载时定子每相电压方程式：电压方程式：0111010110111IZEXI jRIERIEEU 同样也有：同样也有：100mmmE = - I (R + jX)= - I Z 根据上两式，可以作出空载时根据上两式，可以作出空载时等效电路。等效电路。Z1-定子绕组的漏阻抗，定子绕组的漏阻抗，Z1=R1+jX1。励磁阻抗励磁阻抗 尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：有差别的：1 1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场磁场.3 3

57、）由于存在气隙）由于存在气隙, ,异步电动机漏抗较变压器的大异步电动机漏抗较变压器的大. .4)4)异步电动机通常采用短距和分布绕组异步电动机通常采用短距和分布绕组, ,计算时需考虑绕组计算时需考虑绕组系数系数, ,变压器则为整距集中绕组变压器则为整距集中绕组, ,可认为绕组系数为可认为绕组系数为1.1.2 2）异步电动机空载时）异步电动机空载时 ，变压器，变压器 。0, 022IE0, 022IE2.6.1 2.6.1 负载运行时的电磁关系负载运行时的电磁关系2.6三相异步电动机的负载运行11IR11E22IR22E)(1三相系统U)(I三三相相系系统统1)(I多多相相系系统统21F2F0F

58、01EsE22.6.2 2.6.2 转子绕组各电磁量转子绕组各电磁量一、转子电动势的频率 感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度, ,故转子电动势的频率为故转子电动势的频率为: :转子不转时,.ff,s ,n1210 理想空载时,.f,s ,nn0021 二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势转子旋转时的感应电动势: :02222444wskNf.E 转子不转时的感应电动势转子不转时的感应电动势: :02212444wkNf.E 二者关系为二者关系为: :22sE= sE1 11 11 11 11 12 2sfsf6060pnpnn

59、 nn nn n6060n)n)p(np(nf f三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率成正比电抗与频率成正比, ,转子旋转时转子漏电抗转子旋转时转子漏电抗: :2222LfXs二者关系二者关系: :22sX= sX .转子绕组的漏阻抗转子绕组的漏阻抗: :2222jsXRjXRZ2ss四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组转子绕组为闭合绕组, ,转子电流为转子电流为222222222jsXREsjXREZEIssss转子不转时转子漏电抗转子不转时转子漏电抗: :212L2fX 当转速降低时当转速降低时, ,转差率增大转差率增大, ,转子电流也增大转子电流也增大. .五、转子绕组的功率因数 转子功率因数

60、与转差率有关转子功率因数与转差率有关, ,当转差率增大时当转差率增大时, ,转子功率因转子功率因数则减小。数则减小。六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势. .22222902IpkN.mFw 1)1)幅值幅值2)2)转向转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同, ,转子旋转磁转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致动势的方向与转子电流相序一致. .3)3)转速转速 转子旋转磁动势相对定子的速度为同步转速转子旋转磁动势相对定子的速度为同步转速n n1 1 可见可见, ,无论转子转