第4章 国家规划课程-电机与拖动-三相异步电动机的基本原理

第四章异步电机〔一〕——三相异步电动机原理交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机那么不然。异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电能量转换。1异步电动机主要用作电动机，拖动各种生产机械。异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、巩固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于１。2一、三相异步电动机的工作原理与运行状态第一节三相异步电动机的工作原理及结构直流电机的工作原理：通过静止的磁场与以传导方式通入电枢绕组中的电流互相作用而产生一种恒定方向的电磁力31、旋转磁场的产生旋转磁场——一种极性和大小不变，并且以一定转速旋转的磁场。A-X、B-Y、C-Z三个线圈在空间上彼此互隔120°分布在定子铁心内圆的圆周上，构成了对称三相绕组。B相从A相后移120°、C相从B相后移120°、A相从C相后移120°AYCBZX4当三相对称绕组接上三相对称电源，就产生旋转磁场。5式中，n0为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。6二、异步电动机根本工作原理磁铁闭合线圈e方向用右手定那么确定f方向用左手定那么确定磁场旋转7三相异步电动机的定子铁心上嵌有三相对称绕组，接通三相对称电源后，在定子、转子之间的气隙内产生了以同步转速旋转的旋转磁场。

异步电动机运行的三要素：转子导条被这种旋转磁场切割，在导条内产生感生电流，磁场又对导条产生电磁力。于是转子就跟着旋转磁场旋转。(1)旋转磁场；(3)转差率(2)转子闭合；81.线圈跟着磁铁转→两者转动方向一致2.线圈比磁场转得慢异步3、三相异步电动机的转速与运行状态9设电源频率为f1，电机极对数为p，旋转磁场的转速称为同步转速为n0转子转速为n，△n=n0-n称为转差，转差表示为同步转速的百分值，称为转差率，用s表示。——同步转速

——转子异步转速10[例4-1]有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为0.267%，额定转速为求该电动机的极对数、同步转速、空载转速以及额定负载时的转差率。解额定转差率同步转速考虑此题的额定转速极对数空载转速1112状态电动机发电机电磁制动n与s关系n<ns0<s<1n>nss<0n与ns反向，n<0,s>1E1的性质反电动势电源电动势反电动势T的性质电磁驱动力矩电磁阻力矩电磁阻力矩能量转换电能→机械能原动机机械能→电能电能+机械能→内部损耗（短路）13二、三相异步电机的结构绕线转子异步电机剖面图1—转子绕组2—段盖3—轴承4—定子绕组5—转子6—定子7—集电环8—出线盒14151、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和基座三局部组成。16定子冲片和定子线圈17机座182、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。19笼型转子202〕绕线型绕组213、气隙定子与转子之间的间隙；气隙越大，功率因数越低。气隙过小，装配困难22第二节

异步电动机的铭牌数据

1异步电动机的型号电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如Y(异,yi)系列三相异步电动机表示如下：

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Y100L1—2异步电动机极数

铁心长度代号

机座中心高机座长度代号242、异步电动机的额定值额定功率——电动机在额定运行时输出的机械功率,单位kW额定电压——在额定运行状态下，电网加在定子绕组的线电压。额定电流——电动机在额定电压下使用，输出额定功率时，

定子绕组中的线电流。额定频率——我国的电网，标准频率为50Hz。额定转速——电动机在额定电压、额定频率及额定功率下的转速，单位r/min。此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法〔星形还是三角形〕、绝缘等级及允许温升等。对绕线转子异步电动机，还标明转子的额定电动势及额定电流。25第三节三相异步电动机的定子绕组按定子相数分有：单相、两相、三相绕组按槽内层数分有：单层、双层、单双混合绕组按绕组端接局部形状：同心式、交叉式、链式双层绕组又分为：单波和单叠绕组按每极每相占的槽数：整数槽和分数槽26一、交流绕组的一些根本知识和根本量1、电角度与机械角度电机圆周在几何上分成360°，这个角度称为机械角度。假设磁场在空间按正弦波分布，那么经过N、S一对磁极恰好相当于正弦曲线的一个周期。因此，一对磁极所占有的空间是360°电角度。可见，一个具有p对磁极电机，电机圆周按电角度计算就为p×360°，而机械角度总是360°。〔感应电势\电流变化一周，相应的角度为电角度〕电角度=p×机械角度272、线圈——组成交流绕组的单元是线圈。线圈是由一匝或多匝串联而成，它有两个引出线，一个称为首端，另一个称为末端。3、节距——一个线圈的两个边所跨定子圆周上的距离称为节距，用y1表示，一般用槽数计算。节距应该接近极距τ。——整距绕组，——短距绕组，——长距绕组y1284、槽距角α

——相邻槽之间的电角度称为槽距角若Q1为定子槽数，p为极对数，则槽距角5、每极每相槽数q——每一极每相绕组所占槽数，用符号q表示29二、交流绕组的排列和联接假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24〔三相单层叠绕组〕1、极距的计算，若2p=4，Q1=24，则

τ=62、节距，单层绕组采用整矩3、相带——每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为“相带〞，q=Q1/(2mp)；每个相带为60°电角度。４、槽距角，302、线圈中的电流方向计算完极距后，再要弄清线圈绕组中的电流方向，进而弄清由此电流所产生的磁动势。31三相绕组排列和联接的一般方法为:①计算极距；②计算每极每相槽数；③划分相带；④组成线圈组；⑤按极性对电流方向的要求分别构成各相绕组。3、确定相带和画定子槽的展开图ABC32三、三相单层绕组单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组的线圈数等于总槽数的一半。用定子槽数为24，两极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。1、计算极距2、计算每极每相槽数3、划分相带19,20,21,2215,16,17,1811,12,13,147,8,9,103,4,5,623,24,1,2第一对极YCXBZA相带槽号334、组成线圈组34四、三相双层绕组双层绕组的每个槽内都有上下两个线圈边，每个线圈的一个边放在某一个槽的上层，另一边放在相隔节距y1的另一个槽的下层。整个绕组的线圈数等于槽数。以下用3相4极36槽的双层叠绕组为例，说明3相双层绕组的排列和联接。1、计算极距2、选择节距3、计算每极每相槽数４、计算槽距角3534,35,3631,32,3328,29,3025,26,2722,23,2419,20,21第二对极16,17,1813,14,1510,11,127,8,94,5,61,2,3第一对极YCXBZA相带槽号按每极每相槽数划分相带36画展开图3734,35,3631,32,3328,29,3025,26,2722,23,2419,20,21第二对极16,17,1813,14,1510,11,127,8,94,5,61,2,3第一对极YCXBZA相带槽号按每极每相槽数划分相带38组成线圈组39第四节三相异步电动机的定子磁动势及磁场一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势〔一〕、整距线圈的磁动势40由于电流时交变的，所以线圈中通以交流电流41整距线圈所形成的磁动势在任何瞬时，空间的分布总是一个矩形波。这种从空间上看位置固定，从时间上看大小在正负最大值之间变化的磁动势，称为脉振磁动势。42四极整距线圈的磁动势同理，对于4极电机，其磁势如以下图，脉振频率同电源频率，但是矩形增多了一倍。43应用傅氏级数对矩形波进行分解。矩形波中含有1，3，5，…等奇次谐波，又对称于纵轴。4445〔二〕、线圈组的磁动势1、整距线圈的线圈组磁动势A1A3A2X3X1X2F1F3F2F1F2FO整矩线圈组的磁动势分布46线圈组的合成基波磁动势为基波磁动势的分布因数4748[例4-2]

一台四极三相异步电动机，定子槽数为36，计算其基波和5次、7次谐波磁动势的分布因数。解

计算每相每极槽数q和α值基波分布因数五次谐波分布因数七次谐波分布因数492、短距线圈的线圈组磁动势短距线圈节距缩短的角度50同理，对于v

次谐波式中称为谐波磁动势的节距因数式中称为基波磁动势的节距因数基波绕组因素51〔三〕、相绕组的磁动势绕组由集中的改为分布的，基波合成磁动势幅值应该打一个折扣kq1；线圈由整距改为短距的基波合成磁动势幅值应该打一个折扣ky1；因此，由短距线圈组成的分布绕组的基波合成磁动势幅值等于具有相同匝数的整距集中绕组的基波合成磁动势幅值乘以系数kw1=kq1ky1，称为基波绕组因数。对于v次谐波

kwv=kqvkyv极数为p，每极每相槽数为q，如果每个线圈匝数为Ny，那么一相匝数为2qNyN=2qNy523）、单相绕组脉振磁动势中的基波磁动势幅值为；而v次谐波磁动势幅值为：；谐波次数越高，幅值越小。对于单相绕组磁动势，可以归纳以下几点：1〕、单相绕组的磁动势是一种空间位置上固定、幅值随时间变化的脉振磁动势。2〕、单相绕组的基波磁动势幅值的位置与绕组的轴线相重合。53二、三相绕组的磁动势–旋转磁动势取A相绕组的轴线处作为空间坐标的原点，并且以正相序方向作为x的正方向，同时选择A相电流到达最大值的瞬间为时间的起始点，那么三相的基波磁动势为：基波磁势空间分布规律基波磁势时间分布规律54利用三角公式将三相基波磁势相加，得出三相绕组的基波合成磁动势式中55三相绕组合成磁动势是一个大小不变、旋转的行波，可以按以下方法确定其转速。对于波幅这一点，其幅值恒为F1，由公式可知，当时，有：说明，在与时间起始点相隔t1时，可以在与空间坐标原点相距x1的地方找到F1这个幅值。56当时间t增大以后，要使x必须增大，即波幅这一点必须离开原点。离开的距离假设为x，则有：把空间角度对时间t求导，可得波幅这一点的旋转角速度。从角速度可得转速ns(r/min)，因为，则57可以得出结论，当某相电流到达最大值，旋转磁动势的幅值就将转到该相绕组的轴线处。58如果电流是正序的，那么磁动势波旋转方向是从A相转向B相，再转向C相。如果电流是负序的，那么磁动势波旋转方向是从A相转向C相，再转向B相。因此，如果要改变三相异步电动机磁场的旋转方向，只要改变定子电流的相序，把定子绕组三个出线端的任意两个〔例如B端和C端〕对调即可。从而可得出59从上式可以看出，一个正弦分布的幅值为FΦ1,的脉振磁势波可以分解为两个幅值相等、转速相同、转向相反的旋转磁动势波，其幅值均为FΦ1/2，转速均为同步转速。三相基波合成磁动势具有以下特性：1）是一个旋转磁动势，转速均为同步转速，旋转方向决定于电流的相序。2〕幅值F1不变，为各相脉振磁势幅值的1.5倍，旋转幅值轨迹是一个圆。3〕三相电流中任意一相电流瞬时值到达最大值时，三相基波合成磁动势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。6061需要指出,m相对称绕组中通以m相对称电流时，所形成的m相合成磁动势也是圆形旋转磁动势，其幅值为各相脉振磁动势幅值的m/2，其转速仍为同步转速。用同样方法可以分析各次谐波磁动势。当v=6K-1,(K=1、2、3、…)〔即：v=5、11、…〕，谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相反；当v=6K+1,(K=1、2、3、…)〔即：v=7、13、…〕，谐波合成磁动势的旋转方向与基波合成磁动势的方向相同；谐波合成磁动势的转速为n0v=n0/v；当v=6K-3,(K=1、2、3、…)〔即：v=3、9、…〕，谐波合成磁动势等于零。62三次谐波表达式为：三、三相异步电动机的定子磁场当对称三相绕组接通对称三相电源后，在气隙内建立一种以同步转速旋转的磁场。它是异步电动机的主磁场。异步电动机中的谐波磁场作为漏磁场来处理。63第五节三相异步电动机定子绕组的电动势一、线圈的感应电动势气隙磁密分布讨论定子绕组内感应电动势时，气隙磁场切割定子绕组可以看成以下图中所示的转子旋转，在定子绕组中所感应产生的电动势。64假设转子转速用电角度ω来表示，那么时间