第四章电动机

长春工业大学

电工学教研室

第四章交流电动机返回4.1三相异步电动机的构造4.2工作原理4.3三相异步电动机的电路分析4.4转矩与机械特性4.5三相异步电动机的起动4.6铭牌数据4.7单相异步电动机目录交流电动机直流电动机鼠笼型绕线型异步机同步机他励、并励、串励、复励电动机的分类电动机：电能转换成机械能发电机：其他形式的能量转换成电能电动机的作用一、交流电动机分为异步电动机和同步电动机1）三相异步电动机：驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带等。

2）单相异步电动机：功率不大的电动工具和某些家用电器。

3）同步电动机：功率较大、不需调速、长期工作的各种生产机械（水泵、压缩机、通风机）。

二、直流电动机：均匀调速的生产机械，如：龙门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构。

优点使用电动机驱动生产机械可简化生产机械的结构、提高生产率、能实现自动控制和远距离操纵（1）基本结构（2）工作原理（3）机械特性（4）起动、制动、反转、调速的基本原理（5）应用场合和正确使用主要内容4.1三相异步电动机的构造分为两个基本部分：定子（固定部分）转子（旋转部分）转子鼠笼型绕线型转子

构成：由机座、铁心和定子绕组组成

定子机座是用铸铁或铸刚制成，铁心由互相绝缘的硅钢片叠成，内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组；对称三相绕组有的联接成星形、有的联接成三角形

作用：产生旋转磁场

返回机座定子绕组铭牌数据出线端子定子铁心定子绕组定子鼠笼式电动机构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便转子

构成：由铁心和绕组两部分构成

铁心也用硅钢片叠成，表面冲有槽，装在转轴上，轴上加机械负载；因绕组不同，可分为鼠笼式和绕线式两种，据转轴上是否有滑环区分。作用：在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。返回转轴轴承转子鼠笼型转子（圆柱状，硅钢片叠成，表面冲槽，铁心装在转轴上，轴上加负载）返回绕线型转子铁心绕组转轴转子绕组接成星形齿轮电动机的定子

（小于500kW）绞车驱动的定子

(大于500kW)牵引电动机的转子铝壳电动机

小型木工机械、台站、切割机、风机、运输、建筑、食品、家业机械的驱动。钢板壳电动机

铸铁电动机

4.2

三相异步电动机的工作原理磁铁闭合线圈演示实验通电导体在磁场中受力磁极旋转导线切割磁力线产生感应电动势导线长磁感应强度切割速度（右手定则）闭合导线产生电流i（左手定则）通电导线在磁场中受力1.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致异步2.线圈比磁场转得慢结论4.2.1旋转磁场1.旋转磁场的产生在三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组，在该三相对称绕组中通入三相对称交流电流，就可产生一“旋转磁场”代替演示实验中的磁铁AXYCBZ合成磁场方向：向下AXBYCZXBZAYCAXYCBZAXYCBZ同理分析，可得其它电流角度下的磁场方向：

定子作用：是产生旋转磁场。转子作用：是在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。可见，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着电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。2.旋转磁场的转向

在前面的分析中，通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。旋转方向取决于三相电流的相序。改变电机旋转方向的方法：换接其中两相3.旋转磁场的极数

此种接法下，绕组的始端之间相差120度空间角，合成磁场只有一对磁极，则极对数为1。即：AXYCBZ旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关AXBYCZC'Y'ABCXYZA'X'B'Z'

将每相绕组分成两段，按右下图放入定子槽内，绕组的始端之间相差60度空间角，形成的磁场则是两对磁极。极对数p=1，每相一个绕组，绕组始端之间相差120°空间角。p=2，每相两个绕组顺串，绕组始端之间相差120°/2=60°空间角。p=3，每相三个绕组顺串，绕组始端之间相差120°/3=40°空间角。……p=n，每相n个绕组顺串，绕组始端之间相差120°/n空间角。4.旋转磁场的转速旋转磁场的转速决定于磁场的极数，在一对极的情况下，当电流交变一次时，磁场恰好在空间旋转了一周。AXYCBZAXYCBZAXYCBZ三相异步电动机的同步转速极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速5.电动机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转距转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电动势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果转子和旋转磁场之间转速差的存在，是异步电动机转动的必要条件。4.2.2转子转动原理当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在气隙中产生旋转磁场。设旋转磁场顺时针旋转，转子导体逆时针方向切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，其方向可根据右手定则判断（假定磁场不动，导体以相反的方向切割磁力线）。由于转子电路为闭合电路，在感应电动势的作用下，产生了感应电流由于载流导体在磁场中要受到力的作用，因此，可以用左手定则确定转子导体所受电磁力的方向如图所示。这些电磁力对转轴形成一电磁转矩，其作用方向同旋转磁场的旋转方向一致。异步电机运行中:转差率表征转子转速比同步转速落后程度的物理量。电动机起动瞬间:（转差率最大）4.2.3转差率思考题说明三相异步电动机在何种情况下其转差率为下列数值:

(1)s=1;(2)0<s<1;(3)s=0;(4)s<0。

（1）电动机在起动时；（2）电动机异步旋转时；（3）电动机在同步旋转时；（4）电动机的转速超过同步转速时；例：有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min。试求电动机的级数和额定负载时的转差率。电源频率f1=50Hz。解：=1000r/minp=3三相异步电动机的“电－磁”关系

4.3三相异步电动机的电路分析：漏磁通产生的感应电动势。：主磁通产生的感应电动势。e1e2、e

1e

2、

定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般短接）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。定子、转子电路i2i1u1e1e

1e2e

2

三相异步电动机的“电－磁”关系设：则：4.3.1.定子电路定子、转子电路i2i1u1e1e

1e2e

24.3.2.转子电路i2i1u1e1e

1e2e

2取决于转子和旋转磁场的相对速度（1）转子频率起动瞬间：n=0，即s=1时，频率最大。正常运行：n>0，s<1，所以，转子频率与转差率s有关，即与转速n有关。n=0，即s=1时，转子电动势最大。（2）转子电动势所以，转子电动势与转差率有关。（3）转子感抗在n=0，即s=1时，转子感抗最大。所以，转子感抗与转差率有关。其中

（4）转子电流所以，转子电流与转差率s有关。在n=0，即s=1时，，常数

n增大，s减小，，，近似与s成正比。（5）转子功率因数

所以，转子功率因素与转差率s有关。小结：思考1下列叙述是否正确？问：异步电动机的转子电路中，感应电动势和电流的频率是随转速而改变的，转速越高，则频率越高；转速越低，则频率越低。答：错误。转速越高，则转差率越低；转子感应电动势和电流频率越低，反之则越高。4.4.1电磁转矩

：

转子中各载流导体在旋转磁场的作用下,受到电磁力所形成的转距之总和，称为电磁转矩。常数每极磁通转子电流转子电路的4.4电磁转矩与机械特性

其中：代入可得是电动机定子相电压有效值。为常数4.4.2机械特性曲线根据转矩公式n10n0T得特性曲线：一定的电源电压和转子电阻之下（1）起动转矩电机起动时的转矩。n0Tn其中则体现了电动机带载起动的能力。若电机能起动，否则将起动不了。n0Tn额定转矩：电机在额定电压下，以额定转速运行，输出额定功率

时，电机转轴上输出的转矩。(2)（牛顿•米）nN如果电机将会因带不动负载而停转。最大转矩：(3)电机带动最大负载的能力。n0Tn求解过载系数：三相异步机工作时，一定令负载转矩，否则电机将停转，出现闷车现象。致使（1）三相异步机的和电压的平方成正比，所以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。（2）电机严重过热注意

电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。常用特性段n0nT自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械的重要特点。（如：柴油机当负载增加时，必须由操作者加大油门，才能带动新的负载。）直至新的平衡。此过程中，时，电源提供的功率自动增加。电动机的自适应负载能力结论：和电压的关系R2的

改变

：鼠笼式电机转子导条的金属材料不同，线绕式电机外接电阻不同。问:鼠笼式如何改变起动转矩?令：得：和转子电阻关系结论：硬特性：负载变化时，转速变化不大，运行特性好。软特性：负载增加转速下降较快，但起动转矩大，起动特性好。硬特性（R2小）软特性（R2大）不同场合应选用不同的电机。如金属切削，选硬特性电机；重载起动则选软特性电机。机械特性的软硬分析1：三相异步电动机在额定电压下运行，当负载转矩突然增大10%时，电动机下列参数变化情况。答:4.5三相异步电动机的使用1.起动电流：中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5~7倍。定子电流原因：起动时，转子导条切割磁力线速度很大。转子感应电势转子电流大电流使线路损耗增加，负载电压降低影响其他负载工作频繁起动时造成热量积累电机过热影响7.5.1三相异步电动机的起动2.起动转矩：起动转矩小，它与额定转矩之比值约为1.0~2.2。原因：起动电流虽较大，但转子功率因数很低。起动转矩小不能满载下起动。所以，应提高。过大，传动机构受冲击而损坏，所以，应减小。一般，先空载起动后，再带负载。所以，异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大。为了减小起动电流，必须采用适当的起动方法。3.三相异步机的起动方法：（1）直接起动20~30千瓦以下的异步电动机一般采用直接起动。（2）降压起动Y－起动自耦降压起动（3）转子串电阻起动（绕线型电动机）。以下介绍Y－起动和转子串电阻起动。（鼠笼型电动机）4、Y－起动：正常运行AZBYXC

起动ABCXYZ设：电机每相阻抗为AZBYXC正常运行UPABCXYZ起动UP'（2）Y－起动应注意的问题：（1）仅适用于正常接法为三角形接法的电机。所以只适合于空载或轻载起动的场合Y－起动。Y-Δ换接起动：在起动时将定子绕组连接成星形，通电后电动机运转，当转速升高到接近额定转速时再换接成三角形。适用范围：正常运行时定子绕组是三角形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。优点：起动电流为全压起动时的1／3。缺点：起动转矩均为全压起动时的1／3。自耦降压起动：利用三相自耦变压器将电动机在起动过程中的端电压降低，以达到减小起动电流的目的。自耦变压器备有40％、60％、80％等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。5、转子串电阻起动定子RRR线绕式转子起动时将适当的R串入转子绕组中，起动后将R短路。转子串电阻起动的特点：适于转子为线绕式的电动机起动。（1）（2）R2选的适当，转子串电阻既可以降低起动电流，又可以增加起动力矩。方法：和电源相接的任意两相互换，就可实现反转。4.5.2三相异步电动机的正、反转正转反转ABCM3~电源ABCM3~电源4.5.3三相异步电动机的调速三种：改变电源频率；鼠笼型

改变极对数；鼠笼型

改变转差率。绕线型调速：指在同一负载下，能得到不同的转速。1.改变极对数有级调速。调速方法：顺串联：1,2,3接电源，4,5,6空p=2低速反并联Y：4,5,6接电源，1,2,3接一点p=1高速2.改变转差率

无级调速STU1一定实现调速3.改变电源频率(变频调速)无级调速变频调速装置可变此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。两种调速方法：1）恒转矩调速（）

保持不变和近似不变如果，转速调低时不变磁路饱和，励磁电流和铁损增加，电机过热。注意2）恒功率调速（）保持不变和都减小转速增大，转矩减小，功率近似不变。注意如果，转速调高时不变超过额定电压是不允许的。

制动方法：机械制动、反接制动、能耗制动和发电反馈制动。1.机械制动

加机械抱闸；

4.5.4三相异步电动机的制动制动：电动机断电后，采用措施使其迅速停下来。

2.反接制动停车时，将电动机接电源的任意两相反接，使电动机由原来的旋转方向反过来，以达制动的目的；注意：反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。即切割磁力线的速度很大，造成转子电流增大，引起定子电流增大。为限制电流，在制动时要在定子（鼠笼型）或转子（绕线型）中串电阻。n=0时，应及时断开电源，以防止反转。M3~+-运行制动nF转子3.能耗制动：停车时，断开交流电源，接至直流电源上，产生制动转矩；制动转矩的大小与直流电流的大小有关。直流电流的大小一般为电动机额定电流的0.5~1倍。

4.发电反馈制动：

当电机转子的转速超过旋转磁场的同步转速，便会产生制动转矩。nFno例如：起重机快速下放重物时。多速电动机从高速调到低速的过程中。1.型号Y132M－4磁极数(极对数p=2)同步转速1500转/分转差率4.8名牌数据2.转速:电机轴上的转速（n)。如：n=1440转/分Y：三相异步电动机132：机座中心高（132mm）M：机座长度代号，M-中机座；S-短机座，L-长机座。3.联接方式：Y/接法：Y接法：

接法：ABCZXYABCZXYABCXYZAZBYXCABCXYZ指定子三相绕组的接法接线盒4.电压：

定子绕组在指定接法下应加的线电压.说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的5％。线电压AZBYXC线电压ABCXYZ例：380/220Y/是指：线电压为380V时采用Y接法；当线电压为220V时采用接法。5.额定电流：定子绕组在指定接法下的线电流。如：表示三角接法下，电机的线电流为11.2A，相电流为6.48A；星形接法时线、相电流均为6.48A。6.额定功率：

额定功率指电机在额定运行时轴上输出的功率（），不等于从电源吸收的功率（）。两者的关系为：其中鼠笼电机=72－93％额定负载时一般为0.7~0.9，空载时功率因数很低约为0.2~0.3。额定负载时，功率因数最大。注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。7.功率因数(cos)：P2PN此外还有绝缘等级等参数，不一一介绍。cos例1：Y225M-4型三相异步电动机的额定技术数据如下：功率转速电压效率功率因数Ist/INTst/TNTmax/TN45kW1480r/min380V92.3%0.8871.92.2电源频率50Hz。试求:(1)额定转差率sN;(2)额定电流IN;(3)额定转矩TN;(4)起动电流Ist;(5)起动转矩Tst;(6)最大转矩Tmax;解:(1)额定转差率sNn0=1500r/minp=2sN=(n0-n)/n0=(1500-1480)/1500=0.013(2)额定电流IN(3)额定转矩TN(4)起动电流Ist(5)起动转矩Tst(6)最大转矩Tmax例2：在上题中:(1)如果负载转矩为510.2N.m,试问在U=UN和U’=0.9UN两种情况下电动机能否起动？(2)采用Y-换接起动时，求起动电流和起动转矩。又当负载转矩为额定转矩的80%和50%时，电动机能否起动？解:(1)在U=UN时，，所以能起动。在U’=0.9UN时，，所以不能起动。（2）在80%额定转矩时：不能起动在50%额定转矩时：可以起动例3：某电动机的额定功率为15kW，额定转速为970r/min，频率为50Hz，最大转矩为295.36N.m。试求电动机的过载系数。解:过载系数：电压波动对电动机的影响4.10单相异步电动机一、单相异步电动机的工作原理结构：定子放单相绕组（也称工作绕组，其中通入单相交流电）；转子一般用鼠笼式。定子转子定子绕组定子中通入单相交流电后，形成脉动磁场。其磁感应强度按正弦分布，且随时间按正弦变化。在单相异步电动机的定子绕组通入单相交流电，电动机内产生一个大小及方向随时间沿定子绕组轴线方向变化的磁场，称为脉动磁场。....F转子导条及电流当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋定则和左手定则，可知转子导条左、右受力大小相等方向相反，所以没有起动转矩。二、电容分相式异步电动机1、分相

在电机的定子中放置一个起动绕组B，与工作绕组在空间相隔90°，起动绕组B与电容器串联，使两个绕组中的电流在相位上近于相差90°，这就是分相。由这两相电流也能产生旋转磁场。ABAB2、电容分相式起动~KDCABA:工作绕组B：启动绕组K：离心开关启动时