第1章 交流异步电动机

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1.1 三相异步电动机的结构和工作原理

学习目标

1.了解三相异步电动机的结构及旋转磁场的形成。

2.了解三相异步电动机的运转原理。

3.掌握三相异步电动机的同步转速、电动机转速、转差率的概念及相互关系。

4.掌握三相异步电动机的主要铭牌数据的物理意义及相关计算。

内容提要

电机是一种能将电能和机械能相互转换的设备，其运行原理基于电磁感应原理。按照电机的功能，可分为发电机和电动机两类。发电机是将机械能转换为电能，电动机是将电能转换为机械能。电机按照不同的分类方式可分为直流电机与交流电机、同步电机与异步电机、三相电机与单相电机、笼型电机与绕线电机等。

三相交流异步电动机由三相交流电源供电，结构简单、价格低廉、使用维修方便，在工、农业及其他各个领域中都得到了广泛的使用。

一、三相交流异步电动机的结构

三相交流异步电动机虽然种类繁多，但是基本结构都是由两部分组成的，其中固定不动的部分称为定子，转动的部分称为转子，定子和转子之间有气隙。转子分为鼠笼式（笼型）和绕线式两种。如图1-1-1所示为三相鼠笼式异步电动机结构图。

1.定子

电动机的定子部分主要包括定子绕组和定子铁芯，另外还有机座、端盖等。

电动机定子绕组完全对称，根据定子绕组的额定电压和电源电压，可将定子绕组接成星形（Y）或者三角形（△）。电动机三相绕组的6个接线端分别为U1、U2、V1、V2、W1、W2，接线端一般都在机座外面的接线盒内，接线方法如图1-1-2所示。

2.转子

电动机转子部分主要包括转子绕组和转子铁芯，另外还有转轴、风扇等。

（1）鼠笼式（笼型）转子

鼠笼式转子也有两种：一种是铜条转子；另一种是铸铝转子，如图1-1-3所示。铜条转子制造复杂、价格较高，一般用于大功率电动机；铸铝转子制造相对简单、价格便宜，一般用于中、小型电动机。鼠笼式转子两端有短路铜环，使转子自成回路，无须外接电路。

（2）绕线式转子

绕线式转子的结构和定子绕组相似，也采用对称的三相绕组嵌入转子铁芯中，并固定做星形连接，三个引出端通过转轴上的集电环和外电路电阻相连接，如图1-1-4所示。外电路电阻通常是变阻器或者电抗器，也是星形连接，调节电阻器的阻值可以达到电动机调速及改善启动性能的目的。绕线式三相异步电动机通常用在对启动性能或调速有特殊要求的场合中（如起重设备、卷扬机等）。

3.气隙

电动机的定子和转子之间有一定的气隙，以保证转子可以自由转动，气隙也是磁路的一部分。气隙的大小对电动机的性能有比较大的影响。若气隙过小，则在电动机装配时会十分困难，特别是在运行时可能发生转子与定子的摩擦，导致电动机损坏；若气隙过大，则磁路磁阻增大，使电动机的励磁电流增大，电动机功率因数降低，甚至烧坏电动机。

二、三相交流异步电动机的工作原理

1.旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子绕组完全对称，且在空间位置也是对称的，因此，三相定子绕组通以三相对称交流电源时，各相定子绕组中电流也必然对称。图1-1-5所示为定子绕组空间互差120°，且为Y形接法时各相产生的磁场。

说明：

（1）三相定子绕组分别是U、V、W，1表示首端，2表示末端；定子绕组的空间对称，是指首端与首端或者末端与末端之间的对称，不能看首端和末端之间的空间位置。

（2）规定：电流为正值表示由定子绕组首端流入，末端流出；电流为负值表示从末端流入，首端流出，并用?表示电流流入，⊙表示电流流出。

·当ωt=0时，iU=0；iV为负值，即iV由末端V2流入，首端V1流出；iW为正值，即由首端W1流入，末端W2流出；合成磁场方向由上指向下。

·当ωt=90°时，iU为正值，iV和iW为负值，合成磁场的方向顺时针方向旋转90°。

·当ωt=180°时，合成磁场的方向顺时针方向旋转180°。

同样可得，当ωt=270°、ωt=360°时两个瞬间的合成磁场如图1-1-5（d）、（e）所示。

由此可见，当空间彼此相差120°的三个相同线圈通入对称三相交流电时，就能产生与电流有相同角速度随时间旋转的旋转磁场（即交流电变化一周，旋转磁场在空间也旋转一周）。

另外，如果改变电源的相序重新分析，则会发现旋转磁场的方向也发生改变。因此，旋转磁场的方向由三相交流电源的相序决定，改变相序，可以改变旋转磁场的方向，后面电动机正反转正是根据这一原理工作的（改变相序只要任意对调两相绕组即可）。

2.三相异步电动机的转动原理

图1-1-6所示为电动机定子和转子的剖面图。当三相异步电动机的三相定子绕组通入对称的三相交流电流时，就形成了旋转磁场，该磁场和静止的转子绕组间就产生了相对运动，从而使转子绕组上产生感应电流。当转子中有电流后，旋转磁场又对感应电流产生电磁力矩，从而使转子转动起来，这就是三相异步电动机的工作原理。由楞次定律和左手定则可以判定，转子绕组的转动方向和旋转磁场的方向相同，且转子的转速略低于旋转磁场的转速，这也是三相异步电动机中“异步”的含义。

3.同步转速、电动机转速和转差率

三相异步电动机的旋转磁场的转速称为同步转速，它除了和电源的频率有关以外，还与定子绕组的结构有关。图1-1-5分析的是定子绕组空间互差120°的三相定子绕组形成的具有1对磁极的旋转磁场，交流电变化一周，旋转磁场也转过一周，若电源频率为50Hz，则旋转磁场每秒转过50周，转速为n0=60f1=60×50=3000r/min。若三相异步电动机每相定子绕组由两个绕组串联组成，则定子绕组一共由6个绕组组成，每相绕组在空间相差60°，从而形成2对磁极（磁极数为4），即交流电变化一周时，磁场只转过半周，说明旋转磁场的同步转速和磁极对数成反比。同步转速计算公式如下：

式中，f1———电源频率，单位为赫兹（Hz）；

p———磁极对数，量纲为1；

n0———同步转速，单位为转/分（r/min）。

说明：因磁极总是成对出现的，故对于工频电动机来说，同步转速是一系列固定的值，即3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min等。

由电动机的转动原理可知，电动机转速略低于同步转速，两者间的差距是通过转差率来反映的。转差率是电动机的一个重要参数，定义为同步转速与电动机转速之差和同步转速的比值，即

式中，n———电动机转速，单位为转/分（r/min）；

s———转差率，量纲为1。

电动机在不同的状态下，转差率也不同。空载时，电动机转速最高，接近同步转速，转差率在0.004～0.007，常认为s≈0；电动机启动瞬间，转子转速（电动机转速）为0，转差率s=1；电动机正常运转时，0＜s＜1；电动机额定运行时，额定转差率sN在0.01～0.06之间。

三、三相交流异步电动机的铭牌

任何一台电动机在出厂前，在机座上都装有一块铝制或铜制的金属标牌，称为电动机的铭牌。铭牌上标明了该电动机的类型、性能指标、使用条件等，为正确、合理、规范的使用这台电动机提供了重要依据。现以Y112M—4型三相交流异步电动机为例，来说明各参数的含义。

Y112M—4型三相交流异步电动机的铭牌

1.型号

电动机的型号是表明电动机品种形式的代号，由品种代号、规格代号及特殊代号组成，具体含义如下。

2.额定电压UN

额定电压是指电动机在额定状态下运行时，定子绕组所接三相交流电源的线电压。

3.额定电流IN

额定电流是指电动机在额定状态下运行时输电线路的线电流。

4.额定功率PN

额定功率是指电动机在额定状态下运行时，其轴上输出的机械功率。

电动机的额定功率不是电动机的输入电功率，即电源提供的功率。电动机工作时，输入的电功率在电动机内部有铜损（绕组的直流电阻的损耗）和铁损（涡流和磁滞损耗）及转轴在转动时的机械损耗等，因此，输出的功率均小于输入功率，所以电动机的效率也是电动机的一个重要参数。应注意，电动机的输入功率大小不是由输入的电源电压来确定的，而是取决于转轴上的负载转矩，即输出功率的大小。

例如，Y112M—4型电动机输入功率为

输出功率为P2=PN=4kW

效率为

一般来说，鼠笼式异步电动机额定运行时的效率在72%～93%之间。

5.额定频率

额定频率表明了电动机正常工作时的工作频率，我国的电动机一般只能在50Hz的交流电源上使用。

6.额定转速nN

额定转速是指电动机额定运行时的转速。

7.接法

电动机正常工作时，其定子绕组均要获得额定电压。电动机实际使用时，可以根据电动机的铭牌数据知道电动机定子绕组的额定电压，从而再根据实际电源电压来确定电动机的Y形或△形接法，以保证电动机能正常工作。例如，由Y112M—4型电动机的铭牌数据可知其额定电压为380V，电动机为△形接法，因此可以知道电动机定子绕组的额定电压为380V，所以当电源线电压为380V时应接成△形，否则电动机不能正常工作。若电动机的额定电压为380V，接法为Y形，则可知电动机定子绕组的额定电压为220V，所以当电源线电压为380V时，将电动机接成Y形，而电源线电压为220V时则应接成△形，这两种接法电动机均能正常工作。

8.工作方式

电动机的工作方式是指电动机在铭牌数据的额定值下工作而不致于损坏（如温度过高）的工作形式。电动机的工作方式有连续、短时和断续三种。

9.绝缘等级

绝缘等级是指电动机所用的绝缘材料按它的允许耐热程度而规定的等级，分别为A级， 105℃；E级，120℃；B级，130℃；F级，155℃；H级，180℃等。

10.功率因数

功率因数是指电动机从电网吸收的有功功率与视在功率的比值。视在功率一定时，功率因数越高，有功功率越大，电动机对电能的利用率越高。

三相异步电动机的功率因数一般较低，额定负载时约为0.7～0.9，而轻载或空载时则更低。因此，在选择电动机容量时，应根据负载的需求选择合适的容量。若电动机容量过大，则会出现“大马拉小车”现象，电动机功率因数低，电源利用率不高。

11.温升

电动机运行时将电能转变为机械能，但是不可避免的有一部分电能会转变为热能而消耗掉，同时使电动机温度升高。电动机产生的热能和其散发的热能相平衡时，电动机温度达到稳定。在稳定状态下，电动机温度与环境温度之差称为电动机的温升。环境温度通常规定为40℃。

例题解析

【例1-1-1】某工频三相异步电动机额定转速为1470r/min，则该电动机为几极电动机？额定转差率为多少？若电动机空载转差率为0.006，则电动机空载转速为多少？

【要点解析】对于工频电动机，其同步转速为一系列固定的值，且电动机转速略低于同步转速；电动机在不同状态转速和转差率下均不同。

【解】因为nN=1470r/min

所以n0=1500r/min（不会是3000r/min）

所以

故该电动机为4极异步电动机。

所以额定转差率为

空载转速为

n=（1-s）n0=（1-0.006）×1500=1491r/min

【例1-1-2】已知Y120M—6型三相异步电动机的部分参数：PN=10kW，UN=380/220V，接法Y/△，f=50Hz，sN=0.03，cosφ=0.8，η=0.75。求：（1）电动机的同步转速与额定转速；（2）电动机额定电流；（3）电动机的损耗功率。

【要点解析】电动机型号中最后的数字表示磁极数，不是磁极对数；电动机的额定功率不是输入电功率而是输出的机械功率，电动机工作时有铜损、铁损和机械损耗等；电动机的额定电流是指线电流，且不同连接时有不同的额定值。

【解】（1）由电动机的型号可知磁极对数p=3

同步转速为

额定转速为

nN=（1-sN）n0=（1-0.03）×1000=970r/min

（2）电动机的输入电功率为

不同连接时额定电流为

（3）电动机损耗功率为

△P=P1-PN=13.33kW-10kW=3.3kW

巩固练习

一、单项选择题

1.三相笼型异步电动机从结构上看，具有的特点是（ ）。

A.它们的定子绕组必须是铸铝构成

B.它们的定子内装有三相对称绕组

C.它们的定子绕组不闭合，由铜环和电刷将其闭合

D.它们的转子绕组不闭合，由铜环和电刷将其闭合

2.三相异步电动机旋转磁场的旋转方向决定于交流电的（ ）。

A.大小 B.频率 C.相位 D.相序

3.对于异步电动机的同步转速，下列说法正确的是（ ）。

A.与电网电压频率成之比 B.与转子转速相同

C.与转子电流频率相同 D.与转差率有关

4.转差率是异步电动机的一个参数，在电动机正常工作时，其值为（ ）。

A.s=1 B.s＞1 C.s＜0 D.0＜s＜1

5.三相电动机定子铁芯的材料类型应选用（ ）。

A.矩磁性材料 B.铜或铝等导电材料

C.软磁性材料 D.钢板

6.三相异步电动机正常运行时，电动机转速（ ）。

A.大于同步转速 B.小于同步转速

C.等于同步转速 D.均有可能

7.三相异步电动机铭牌上标注的额定功率正确含义是（ ）。

A.电动机额定状态时，输出的机械功率

B.电动机从电网吸收的功率

C.电动机的视在功率

D.电动机输入功率的平均值

8.旋转磁场的转速与磁极对数有关，以4极电动机为例，交流电变化一个周期时，其磁场在空间旋转了（ ）周。

A.2 B.4 C.1/2 D.1/4

二、判断题

9.三相异步电动机的定子铁芯采用硅钢片叠制而成主要是为了减轻电动机的重量。（ ）

10.旋转磁场的转速与交流电的频率成正比。（ ）

11.电动机的三相对称绕组是指结构相同、空间位置也完全相同的三相绕组。（ ）

12.三相异步电动机的定子与转子绕组之间不仅处于同一磁路，而且两绕组间有电的联系。（ ）

13.无论电源电压如何，异步电动机定子绕组一旦接成Y形或△形，就无法改变了。（ ）

14.异步电动机的“异步”是指电动机的转速比旋转磁场的转速略低。（ ）

三、填空题

15.三相异步电动机是根据_______原理工作的，是将_______转变为_______的设备。

16.三相异步电动机从结构上讲主要由_______和_______两部分组成。

17.三相异步电动机型号Y114M—6中，Y表示_______，6表示_______，M表示_______。

18.电动机处于额定工作状态时的功率因数比空载或轻载时要_______，效率比空载或轻载时要_______。

19.一台50Hz的三相异步电动机额定转速为720r/min，空载转差率为0.28%，则该电动机的极数为_______，空载转速为_______，额定转差率为_______。

四、简答题

20.简述三相异步电动机工作原理，并说明异步的含义。

五、计算题

21.一台三相异步电动机，额定转速为1470r/min，当空载转差率为0.005时，它的同步转速为多少？它有几个磁极？其空载转速是多少？额定转差率为多少？

22.一台三相异步电动机额定电压为220/380V，额定功率为30kW，额定效率为0.88，额定功率因数为0.85，求电动机额定工作时的损耗功率和电流。