异步电机知识

77/77异步电机内容提要交流电机要紧包括异步电机和同步电机两大类；两类电机在结构上既具有共同之处，又各有其自身特点。共同之处在于定子铁心和绕组，不同之处在于转子结构和绕组。交流电机的共同问题包括：

(1)三相交流绕组的结构；

(2)三相交流绕组产生的磁势分析；

(3)三相交流绕组产生的感应电势分析；本篇的教学内容包括共同问题和异步电机两大块。本篇的教学顺序是：

第10章异步电机结构和交流绕组

第11章交流绕组的感应电势和磁势

第12章异步电机的分析方法

第13章异步电机的起动和调速

第14章单相异步电动机第10章异步电机的结构及交流绕组10.1异步电机的结构和额定值一、异步电机的用途和类型

★用途：异步电机要紧用作电动机，应用最广泛的一种电动机，厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。（看录像）★类型：异步电机要紧分为：鼠笼式异步电动机，绕线式异步电动机和各种操纵用电动机三大类。

（看录像）。二、异步电机的结构（看录像）★定子定子铁心（1，2，3）叠片结构，定子冲片（圆形冲片，扇形冲片），径向通风沟（风道），槽，槽型。定子绕组：成型线圈（2），散嵌线圈，单层，双层，绕组联结方法。其他部件：机座，端盖，风罩，铭牌等。问题：定子铁心什么缘故必须用硅钢片叠压而成？★转子转子铁心（1，2）：转子冲片。转子绕组：鼠笼式绕组绕线式绕组其他部件：轴，轴承，风扇等★气隙：定转子之间的间隙，专门小，0.2-1mm.对电机的性能阻碍专门大。★按结构分类：鼠笼式异步电动机：结构简单，牢固，成本低，运行性能不如绕线式。绕线式异步电动机：通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能。★冲片制造录像；线圈绕制过程录像三、异步电机的铭牌及额定值★铭牌：型号，额定值，绕组联结方式，生产厂家等。型号举例：Y132S-4,Y--异步电动机；132--机座中心高度132mm

S--短铁心；4-极数。额定值:正常运行时的要紧数据指标。绕组联结方式：△接法或者Y接法。★额定值额定电压：(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流：(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定功率：(kW),额定运行时，电动机的输出功率；额定转速：(r/min),额定运行时，电动机的转子转速；额定频率：(Hz)，规定的电源频率(50Hz)；额定效率：，额定功率因数：cos等。★额定电压，额定电流，额定功率的关系△接法：相电压=；相电流=/Y接法：相电压=/；相电流=，因此：=3cos=cos(W)10.2交流绕组内容提要有关交流绕组的几个概念交流绕组排列及连线的原则单层绕组双层绕组一、认识交流绕组（与绕组有关的几个概念）

★线圈（绕组元件）：是构成绕组的差不多单元。绕组确实是线圈按一定规律的排列和联结。线圈能够区分为多匝线圈和单匝线圈。与线圈相关的概念包括：有效边；端部；线圈节距等（看图）★极距：沿定子铁心内圆每个磁极所占的范围用长度表示：（看图）用槽数表示：（36槽4极电机的极距为多少槽？）★电角度：转子铁心的横截面是一个圆，其几何角度为360度。从电磁角度看，一对N,S极构成一个磁场周期，即1对极为360电角度电机的机对数为p时，气隙圆周的角度数为p*360电角度。（看图）★节距一个线圈两个有效边之间所跨过的槽数称为线圈的节距。用y表示。（看图）y<τ时，线圈称为短距线圈；y=τ时，线圈称为整距线圈；y>τ时，线圈称为长距线圈。★单层绕组和双层绕组单层绕组一个槽中只放一个元件边（看图）双层绕组一个槽中放两个元件边。（看图）★槽距角，相数，每极每相槽数一个槽所占的电角度数称为槽距角，用α表示；（看图）相数用m表示，每个极域内每相所占的槽数称为每极每相槽数，用q表示。（看图）二、交流绕组的构成原则均匀原则：每个极域内的槽数（线圈数）要相等，各相绕组在每个极域内所占的槽数应相等每极槽数用极距τ表示每极每相槽数（举例）对称原则：三相绕组的结构完全一样，但在电机的圆周空间互相错开120电角度。如槽距角为α，则相邻两相错开的槽数为120/α。（举例）电势相加原则：线圈两个圈边的感应电势应该相加；线圈与线圈之间的连接也应符合这一原则。如线圈的一个边在N极下，另一个应在S极下。（举例）三、三相单层绕组★构造方法和步骤分极分相:（看图1000-1）将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向。；将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。连线圈和线圈组：（看图1000-2）将一对极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，什么缘故？）将一对极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则连相绕组：（看图1000-3）将属于同一相的p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。按照同样的方法构造其他两相。连三相绕组（看图1000-4）将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组△接法或者Y接法。★单层绕组分类等元件式整距叠绕组（看图1000-3）同心式绕组（看图1000-6）链式绕组（看图1000-7）交叉链式绕组（看图1000-8）单层绕组要紧用于小型异步电动机。四、三相双层绕组★构造方法和步骤（举例：Z1=24,2p=4,整距,m=3)分极分相:（看图1001-1）将总槽数按给定的极数均匀分开（N,S极相邻分布）并标记假设的感应电势方向；将每个极域的槽数按三相均匀分开。三相在空间错开120电角度。连线圈和线圈组：（看图1001-2）依照给定的线圈节距连线圈（上层边与下层边合一个线圈）以上层边所在槽号标记线圈编号。将同一极域内属于同一相的某两个圈边连成一个线圈（共有q个线圈，什么缘故？）将同一极域内属于同一相的q个线圈连成一个线圈组（共有多少个线圈组？）以上连接应符合电势相加原则连相绕组：（看图1001-3）将属于同一相的2p个线圈组连成一相绕组，并标记首尾端。串联与并联，电势相加原则。按照同样的方法构造其他两相。连三相绕组将三个构造好的单相绕组连成完整的三相绕组△接法或者Y接法★10kW以上的电机要紧采纳双层绕组11.1交流电机定子绕组的感应电势一、交流同步电机的模型结构同步电机的模型结构如图所示：转子上有成对磁极，定子上有三相对称交流绕组。原动机带动转子旋转，形成旋转磁场，该磁场在气隙空间能够取基波（正弦）进行研究。四极同步电机的原理演示基波磁场示意图定子绕组的有效边被旋转磁场切割，并在其中产生感应点势。四极同步电机的原理演示二、交流绕组的感应电势交流绕组的构成：导体--线圈--线圈组--一相绕组--三相绕组交流绕组示意图导体中的感应电势（看图1100-3）感应电势的波形感应电势随时刻变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。只考虑磁场基波时，感应电势为正弦波。感应电势的频率磁场转过一对极，导体中的感应电势变化一个周期；磁场旋转一周，转过p（电机的极对数）对磁极；转速为n（r/min)的电机，每秒钟转过(pn/60)对极；导体中感应电势的频率f=(pn/60)Hz.问题：四极电机，要使得导体中的感应电势为50Hz,转速应为多少？感应电势的大小看图1100-4感应电势的最大值：导体与磁场的相对速度：磁感应强度峰值和平均值之间的关系：感应电势最大值：感应电势的有效值：小结：绕组中均匀分布着许多导体，这些导体中的感应电势有效值，频率，波形均相同；然而他们的相位不相同。2、线圈中的感应电势整距线圈中的感应电势看图1100-5线圈的两个有效边处于磁场中相反的位置，其感应电势相差180电角度。整距线圈的感应电势：考虑到线圈的匝数后：短距线圈中的感应电势看图1100-6线圈的两个有效边在磁场中相距为y,其感应电势相位差不是180-β电角度。短距角：短距线圈的感应电势：短距系数：小结：短距系数小于1，故短距线圈感应电势有所损失；但短距能够削弱高次谐波（后面要讲）。3、线圈组的感应电势看图1100-7每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=3每个线圈的感应电势由两个圈边的感应电势矢量相加而成。整个线圈组的感应电势由所有属于该组的导体电势矢量相加。在该例中，该组的感应电势为三个线圈的感应电势矢量相加。矢量式对应于图1100-8分布系数：线圈组的电势：能够证明，分布系数小于1。4、一相绕组的电势单层绕组的相电势：单层绕组每对极每相q个线圈，组成一个线圈组，共p个线圈组。若p个线圈组全部并联则相电势=线圈组的电势若p个线圈组全部串联则相电势=p倍线圈组电势实际线圈组可并可串，总串联匝数相电势：双层绕组的电势双层绕组每对极每相有2q个线圈，构成两个线圈组，共2p个线圈组这2p个线圈组可并可串，总串联匝数双层绕组要考虑到短距系数绕组系数：5、三相绕组的电势三相绕组由在空间错开120电角度对称分布的三个单相绕组构成，三相相电势在时刻上相差120度。三相线电势与相电势的关系：三角形接法，线电势=相电势；星形接法，6、本节小结：正弦分布的以转速n旋转的旋转磁场，在三相对成交流绕组中会感应出三相对称交流电势。感应电势的波形同磁场波形，为正弦波感应电势的频率为f=(pn/60)Hz相电势的大小为绕组系数，，第11章交流绕组绕组的感应电势和磁势内容提要旋转磁场是交流电机工作的基础。在交流电机理论中有两种旋转磁场(1)机械旋转磁场（看图1,看图2,看图3）(2)电气旋转磁场（动画1，动画2，动画3）通过原动机拖动磁极旋转能够产生机械旋转磁场.（看图1,看图2,看图3）三相对称的交流绕组通入三相对称的交流电流时会在电机的气隙空间产生电气旋转磁场两种旋转磁场尽管产生的机理不相同，但在交流绕组中形成的电磁感应效果是一样的。交流绕组处于旋转磁场中，并切割旋转磁场，产生感应电势。以下连续两节课研究交流绕组的磁势问题单相绕组通过交流电流时产生的磁势分析三相绕组通过三相对称交流电流时产生的磁势分析

11.2交流电机定子单相绕组的磁势一、整距集中绕组的磁势一个整距线圈在异步电机中产生的磁势示意图磁力线穿过转子铁心，定子铁心和两个气隙相关于气隙而言，由于铁心磁导率极大，其上消耗的磁势降能够忽略不计线圈在一个气隙上施加的磁势为：假如通过线圈的电流为正弦波：则矩形波的高度也将按整弦变化。整距集中绕组产生的磁势是一个位置固定，幅值随时刻按整弦变化的矩形脉振磁势。脉振磁势能够表示为：脉振磁势的幅值：二、矩形波脉振磁势的分解按照富立叶级数分解的方法能够把矩形波分解为基波和一系列谐波；依照高等数学的理论，基波幅值为：高次谐波的幅值为：本书以后的分析只考虑基波基波在空间按正弦分布；在时刻上，任何一个位置的次势都按正弦变化。因此基波是一个整弦分布的正弦脉振磁势。其表达式为：三、整距分布绕组的磁势由q个线圈构成的线圈组，由于线圈与线圈之间错开一个槽距角，称为分布绕组。(看图1100-11）单个线圈产生矩形脉振磁势，取其基波为正弦脉振磁势；q个正弦脉振磁势在空间依次错开一个槽距角。线圈组的磁势等于q个线圈磁势在空间的叠加，其叠加方法类似于感应电势的叠加。(看图1100-111）结论：线圈组的磁势为：绕组的分布系数：三、双层短距绕组的磁势在分析磁场分布式时，双层整距绕组能够等效为两个整距单层绕组。（看图1100-12）两个等效单层绕组在空间分布上错开一定的角度，那个角度等于短距角。（看图1100-13）双层短距绕组的磁势等于错开一个短距角的两个单层绕组的磁势在空间叠加。（看图1100-14）双层短距绕组的磁势为：绕组的短距系数：四、单相绕组磁势的统一表达式为了统一表示相绕组的磁势，引入每相电流I,每相串联匝数N1等概念。，统一公式：单相绕组产生的基波磁势仍然是正弦脉振磁势，磁势幅值位置与绕组轴线重合，时刻上按正弦规律脉振。单相绕组基波磁势表达式：11.3三相基波旋转磁势一、单相正弦脉振磁势的分解设A相绕组通过电流：其基波磁势为：依照三角公式：最高点的运行轨迹为：，即最高点的位置随时刻以角速度ω运动。曲线上其他点的轨迹具有类似的结论。（看图1100-15）(看正弦行波动画）可见，该波是一个旋转波，在气隙空间以角度速ω旋转，转速为结论，单相正弦脉动磁势能够分解为两个转向相反的旋转磁势。(看动画）二、三相基波磁势合成旋转磁势三相对称电流：三相对称电流通过三相对称绕组时各自产生的磁势：三相合成磁势为：结论：三相对称交流绕组通过三相对称电流时将产生旋转磁势。三、关于旋转磁势的进一步讨论单相绕组产生的基波脉振磁势能够分解为两个向相反方向旋转的圆形旋转磁势。（看动画）三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时，三个反向旋转磁势在空间错开120电角度相互抵消，三个正向旋转磁势在空间同相位，合成一个圆形旋转磁势。（看动画）圆形旋转磁势的幅值为：圆形旋转磁势的转速为：旋转磁势的转向:由带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。（看图分析）当某相电流达到最大值时，旋转磁势的波幅刚好转到该线绕组的轴线上。改变旋转磁场转向的方法：调换任意两相电源线（改变相序）同步转速的概念：电源频率f=50Hz,旋转磁势的转速为某些固定值，如二极电机为3000r/min;这些固定的转速叫同步转速。三相交流绕组绕组同步三相对称交流电流产生旋转磁势动画演示（二极动画，四极动画）。11.4异步电机中的主磁通，漏磁通，和漏电抗摘要旋转磁势在电机内部会产生磁通，依照磁通的流通路径和性质将其分为主磁通和漏磁通。一、主磁通基波旋转磁场产生的通过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫主磁通。转子绕组切割主磁通并在产生感应电流；感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。（看图1100-17）二、漏磁通定子绕组的漏磁通槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。（看图1100-18）端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。（看图1100-19）谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通可不能产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示：其中称为漏电抗。转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势：三、阻碍漏电抗电小的因素漏电抗对电机的性能有专门大的阻碍。电抗公式：电流频率，绕阻匝数，漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的要紧因素。比如，槽口宽在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。第12章异步电机的分析方法内容提要前面两章要紧介绍了一下内容：异步电机的结构；三相对称交流绕组的结构，三相交流绕组中的感应电势，三相对称交流绕组通过三相对称交流电流时产生圆形旋转磁场。本章在掌握以上内容的基础上具体分析有关异步电动机的如下内容：工作原理等效电路功率平衡转矩平衡机械特性工作特性

12.1异步电动机的工作原理作为电动机运行是异步电机最要紧的运行方式。一、异步电动机是如何转动起来的异步电动机定子上有三相对称的交流绕组；（示意图，模型图）三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；（动画1，动画2）转子绕组的导体处于旋转磁场中；（照片，鼠笼转子照片，示意图）转子导体切割磁力线，并产生感应电势，推断感应电势方向。转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。（鼠笼转子照片）感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，推断电磁力的方向。电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。（动画）依照以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。二、转差，转差率（什么缘故叫异步电动机？）切割磁力线是产生转子感应电流和电磁转矩的必要条件。转子必须与旋转磁场保持一定的速度差，才可能切割磁力线。旋转磁场的转速用n1表示，称为同步转速；转子的实际转速用n表示，转差Δn=n1-n。转差率：转差率是异步电动机的一个差不多变量，在分析异步电动机运行时有着重要的地位。起动瞬间，n=0,s=1理想空载运行时：n=n1,s=0作为电动机运行时，s的范围在01之间。转差率一般专门小，如s=0.03。制动运行时，电磁转矩方向与转速方向相反，即n1与n反向，s>1发电运行时，n高于同步转速n1,s<0.依照转差率能够区分异步电动机运行状态：（看图1200-1）三、电势平衡方程式1、定子绕组电势平衡方程式定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：主电势（感应电势）：定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。定子绕组感应电势的有效值：漏磁电势（漏抗压降）定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。漏抗压将：电阻压降：定子电势平衡方程式：2、转子绕组的电势及电流转子绕组的感应电势转子绕组切割主磁通的转速主磁通以同步速度旋转转子以转速n旋转转子绕组导体切割主磁通的相对转速为(n1-n)=sn1转子绕组中感应电势的频率：公式：结论：由于s专门小，转子感应电势频率专门低。0.5-3Hz转子感应电势的有效值公式：感应电势与转差率正比。对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。对笼型转子来讲，由于每个导条中电流相位均不一样，因此，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即1/2。注意转子不动时（s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。转子绕组的阻抗由于转子绕组是闭合的，因此有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。漏抗公式：。漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。考虑到转子绕组的相电阻后：转子绕组中的电流转子绕组短路，转子电压为0，感应电势全部加在转子阻抗上转子回路方程：转子电流：，讨论：转子电流随s的变化。(看图1200-2)四、异步电动机的磁势平衡1、定子绕组的磁势大小（有效值）转速：2、转子绕组磁势大小：转速：转子电流的频率转子电流产生的旋转磁势的转速：转子磁势的绝对转速（相关于不动的定子）结论：转子绕组的磁势与定子绕组的磁势转速相同，在空间相对静止。3、磁势平衡方程式激磁电流和激磁磁势产生主磁通所需要的电流称为激磁电流；对应的磁势称为激磁磁势：激磁磁势近似不变由电势方程式：；电源电压不变，阻抗压降专门小，电势近似不变；由公式：，近似不变；可见，激磁磁势和激磁电流几乎不变。空载运行时，激磁磁势全部由定子磁势提供，即：=负载运行时，转子绕组中有电流流过，产生一个同步旋转磁势，为了保持不变，定子磁势除了提供激磁磁势外，还必须抵消转子磁势的阻碍，即：异步电动机的磁势平衡方程：结论：空载运行时，转子电流为0，定子电流等于激磁电流；负载时，定子电流随负载增大而增大。12.2异步电动机的等效电路等效电路法是分析异步电动机的重要手段。在异步电动机中，作等效电路遇到的两大障碍是：(1)定转子电路的频率不相同；(2)定转子边的相数，匝数，绕组系数等不相等。因此,首先研究异步电动机的频率折算和绕组折算的问题。一、频率折算（用静止的转子代替旋转的转子）转差率为s的异步电动机转子电路频率：转子静止时s=1；则转子频率等于定子频率。频率折算后，希望磁势平衡不变，即转子电流不变:将上式略作变化：，此是能够理解为：转子不动，转子电阻为的异步电动机的转子电流，此电流和转子以转差率s旋转的，转子电阻为的异步电动机转子电流相等。由以上原理能够得出频率折算的方法：给转子绕组电阻中，计入一个附加电阻，即能够把原来旋转的转子看成静止的转子。（看图1200-3）进一步讨论：不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依旧维持。静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，因此多了一个电阻功率。分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。二、绕组折算用绕组（）等效替代绕组（）代替的原则是：磁势平衡不变功率平衡不变电流折算：依照磁势不变：，得到：电势折算：磁通应不变：，得到：阻抗折算：功率不变：，得到：，对漏电抗有同样的结论。折算后转子电路方程式：三、等效电路激磁回路：折算后的磁势方程式：通过频率折算和绕组折算后异步电动机的方程式：等效电路：（T形等效电路，看图1200-4）在异步电动机分析中具有重要地位。简化等效电路：（看图1200-5）四、相量图异步电动机的相量图类似于变压器相量图。从转子电路方程动身能够一步一步作出异步电机相量图。（看动画）12.3异步电动机的功率平衡和转矩平衡关系功率变换和传递是电动机的要紧功用。一、功率平衡方程式，电机效率结合等效电路分析异步电动机功率流向。（等效电路：1200-4）异步电动机从电源猎取电功率，即输入功率：此一功率首先通过定子绕组，产生定子铜耗：由此功率产生的旋转磁场掠过定转子铁心，产生铁耗：定子铁心与旋转磁场相对转速为n1较大，故铁耗要紧为定子铁耗：转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小，故转子铁耗能够忽略不计。剩余功率将通过气隙磁场感应到转子绕组，此一功率称为电磁功率：电磁功率首先提供转子铜耗：剩余的电磁功率全部转化为机械功率：机械功率一部分克服机械损耗和附加损耗：其余功率为输出的机械功率：异步电动机的功率平衡方程式：功率流程