第四章 异步电机(一)

1第四章异步电机（一）——三相异步电动机的基本原理

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。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1、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。3规定电流为正时，电流从线圈的尾端流入（“×”表示），从线圈的首端流出（“

”表示）；电流为负值时则方向相反，即首入尾出。两极旋转场示意图4磁势的大小与产生它的电流成正比用同样的方法可以证明，任何瞬时合成磁势的大小均为5合成磁势矢量总是和电流到达正最大值的那一相的磁势假定正方向重合。旋转磁势的转向由电流的相序决定，它总是从电流领先的一相绕组向电流滞后的一相绕组的方向转动。合成磁势矢量的端点轨迹是个圆，它的作用就好像空间有一对磁极在旋转。..\..\电机与拖动网页\Ac-motor.swf6如何使三相异步电动机旋转磁势反转？因为旋转磁势的转向由电流的相序决定，它总是从电流领先的一相绕组向电流滞后的一相绕组的方向转动。因此只需要调换任意两根电源进线，使定子绕组通入电流的相序改变，从而使旋转磁势反转。7电流在时间上变化了ωt＝360°电角度时，即一周期时，在两极(p=1)的情况下，旋转磁场在空间也转过360°机械角度，即在空间正好转过一圈。若电流每秒变化f1周（频率为f1），则旋转磁场的转速ns=f1(r/s)=60f1(r/min)。8式中，ns为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。9旋转磁场转速ns与极对数p的关系极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速旋转磁场转速ns与频率f1和极对数p有关。可见:10式中，ns为同步转速，单位r/min；p为极对数；f1为交流电源的频率。具有p对磁极的旋转磁场，电流变化一次，磁场转过1/p转，交流电源每秒变化f1次，旋转磁场转速为：11三相合成磁势具有以下特性：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）旋转磁势幅值不变，为各相磁势幅值的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达到最大值时，三相合成磁势的幅值，恰好在这一组绕组的轴线上。12设起动时旋转磁场方向如图为逆时针，磁场转速ns转子导体静止，与旋转磁场之间存在着相对运动，根据右手定则,转子绕组内电动势和电流方向如图：上进下出根据左手定则，载流转子导体受力，形成电磁转矩T，方向如图，驱动转子逆时针旋转。二、三相异步电动机的基本工作原理右手定则决定电流方向左手定则决定导条受力方向转子转速n总是小于旋转磁场的转速ns。所以称为异步电动机

13转差ns-n的存在是异步电动机运行的必要条件。我们将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[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本题的额定转速极对数空载转速14驱动电能转变为机械能制动机械能转变为电能制动电能和机械能转变为内能异步电动机的三种运行状态15二、三相异步电机的结构16171、定子异步动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。2定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。3定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。1机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。机座对于封闭式中小型异步电动机其机座表面有散热筋片以增加散热面积，使紧贴在机座内壁上的定子铁心中的定子铁耗和铜耗产生的热量，通过机座表面加快散发到周围空气中不使电动机过热。散热筋片18定子铁心是电动机主磁路的一部分，并要放置定子绕组。为了导磁性能良好和减少交变磁场在铁心中的铁心损耗，故采用片间绝缘的0.5mm厚的硅钢片迭压而成。为了放置定子绕组，在铁心内圆开有槽。19定子绕组三相定子绕组的联结三相绕组的六个出线端（U1、V1、W1，U2、V2、W2）都引至接线盒上。为了接线方便，这六个出线端在接线板上的排列如图所示，根据需要可联接成星形或三角形联结。定子绕组是电动机的定子电路部分，它将通过电流建立磁场，以实现机电能量转换。三相定子绕组的每相由许多线圈按一定的规律的嵌放在铁心槽内。20笼型转子转子铁心冲片转轴笼型绕组转子铁心冲片转轴转子铁心也是电动机主磁路的一部分并要放置转子绕组。它也用0.5mm厚的硅钢片迭压而成。中小型异步电动机的转子铁心一般都直接固定在转轴上。2、转子异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。21笼型绕组转子铁心冲片转轴转轴是支撑转子铁心和输出转矩的部件，它必须具有足够的刚度和强度。转轴一般用中碳钢车削加工而成，轴伸端铣有键槽，用来固定皮带轮或联轴器。22笼型转子绕组是在转子铁心的每个槽内放入一根导体，在伸出铁心的两端分别用两个导电端环把所有的导条联结起来，形成一个自行闭合的短路绕组。如果去掉铁心，剩下来的绕组形状就像一个松鼠笼子

笼型绕组转子铁心冲片转轴23中小型三相异步电动机，笼型转子一般采用铸铝，将导条、端环和风叶一次铸出；也有用铜条焊接在两个铜端环上的铜条笼型绕组。在生产实际中笼型导条是斜的，以改善笼型电动机的起动性能242）绕线型绕组可以通过集电环与电刷而在转子回路中串入外接的附加电阻或其它控制装置，以便改善三相异步电动机的起动性能及调速性能。与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，接到转轴上三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。25绕线转子照片263、气隙

三相异步电动机气隙，比同容量直流电动机的气隙要小得多，中小型异步电动机一般仅为0.2～1.5mm。气隙的大小对三相异步电动机的性能影响极大。气隙大，则磁阻大，由电网提供的励磁电流大，使电动机运行时的功率因数降低。但是气隙过小时，将使装配困难；运行不可靠，易发生”扫膛”。27第三节三相异步电动机的定子绕组一、交流绕组的一些基本知识和基本量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。一对磁极由N-S-N变化一周，相应的用360°电角度表示。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°

。电角度是根据导体中电势完成一个完整的周期变化来定义的。它的一个周期可以在空间360度完成，也可以在空间180度或者90度完成,这和电动机定子绕组布置成几对磁级有关。电角度=p×机械角度28极对数每个电流周期磁场转过的空间角度同步转速29线圈2、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。线圈的直线部分放在槽里，因它切割气隙磁场产生感应电动势，故称有效边，露在槽外的前后端连接线，称为端部，它不切割气隙磁场，仅起连接有效边的作用。303、极距τ

每一磁极所占定子内圆周的距离称为极距，极距有两种表示法：

1）用圆周长表示，单位为米或厘米；

若Q1为定子槽数

2）用槽数表示，单位为槽/极；314、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。——整距绕组，——短距绕组，——长距绕组如图所示线圈，若它的一个边放在第1槽，另一个边放在第10个槽，则节距y＝9，为了使线圈电动势最大或接近最大，线圈的节距应等于或近于极距。326、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表示电机定子槽数为Q1，在每一极距下的槽均匀地被三相绕组所占有，则每极每相槽数为（m——相数）33属于每相的槽，不集中在一起，而是将它们按极距对称均匀的分组，每个极距内有一个组，每个极距内属于同相的槽所占有的区域，用电角度表示，称为相带。7、相带由于每极每相所占的槽数为q，而槽间角为α

，

对于三相绕组

，一个相带所占的电角度为：34二、交流绕组的排列和联接假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24，分析其定子绕组构成1、计算极距和节距2、每极每相槽数三相单层绕组35

AZBXCY第一对极1、23、45、67、89、1011、12第二对极13、1415、1617、1819、2021、2223、243、确定相带先画24根垂直线表示定子Q1=24个槽和槽中的线圈边，并且按1、2……顺序编号；据q=2即相邻2个槽组成一个相带，二对极共有12个相带364、画定子槽展开图相绕组的一种联接方法同一相绕组，相邻一个极距的线圈边须通过相反电流37三相双层绕组

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。38

感应电势随时间变化的波形和磁感应强度在空间的分布波形相一致。只考虑基波磁场时，感应电势为正弦波。第五节三相异步电动机定子绕组的电动势39一单根导体的感应电势

导体感应电势最大值：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：40整距线圈中的感应电势二、线圈的感应电势

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。

单匝整距线圈的感应电势：

考虑到线圈的匝数Ny后：单根导体感应电势的有效值：每个线圈的感应电势由两个线圈边的感应电势矢量相加而成。41

线圈的两个有效边在磁场中相距为y1,短距线圈中的感应电势

短距线圈的感应电势：

短距系数小于1，故短距线圈感应电势有所损失；但短距可以削弱高次谐波.y1

线圈的两个有效边感应电势相差小于180电角度。42

每对极下属于同一相的q个线圈，构成一个线圈组。图中q=2

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。

三线圈组中的感应电势43

线圈组的电势：

分布系数：如果q个线圈集中在一个槽内（集中绕组），则每个线圈中的感应电势是同相位的，即Eq=qEy1；然而q个线圈分布在不同的槽内（分布绕组），相邻两线圈感应电势相差一个槽距角а，分布绕组的合成电势比集中绕组要小，用分布系数加以考虑。44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。实际线圈组可并可串，总串联匝数

相电势：四一相绕组中的感应电势为绕组系数：4546

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，总串联匝数为绕组系数：双层绕组的相电势47

一相绕组电势的大小为

绕组系数（短距系数）（分布系数）B1m——气隙磁通密度幅值L——定子铁心长度τ——极距q——每相每极槽数α——槽距角p——极对数Ny——线圈匝数48[例4-3]一台四极三相异步电动机的定子绕组为双层