第7章 交流电动机,本章要点: 7.1 三相异步电动机的结构和工作原理 7.2 三相异步电动机的特性 7.3 三相异步电动机的使用 7.4 单相异步电动机,第7章 交流电动机,本章要点:通过本章的学习，应了解三相异步电动机的几个问题：（1）基本结构和工作原理，（2）转速与转矩之间的关系即机械特性，（3）起动、反转、调速及制动的基本原理和基本方法，（4）应用场合和使用方法。并了解单相异步电动机结构、原理和特点。,返回,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,实现机械能与电能互相转换的旋转机械称为电机。把机械能转换为电能的电机称为发电机；把电能转换为机械能的电机称为电动机。电动机按电源的种类可分为交流电动机和直流电动机，交流电动机又分为异步电动机和同步电动机，其中异步电动机由于结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜，是所有电动机中应用最广泛的一种。 7.1.1 三相异步电动机的结构 三相异步电动机的结构由两个基本部分组成：一是固定不动的部分，称为定子；二是旋转部分，称为转子。图7-1为三相异步电动机的外形和内部结构图。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,1.定子 定子由机座、定子铁心、定子三相绕组和端盖等组成。机座通常用铸铁制成，机座内装有由互相绝缘的硅钢片叠成的筒形铁心，铁心内圆周上有许多均匀分布的槽，槽内嵌放三相绕组，绕组与铁心间有良好的绝缘。三相绕组是定子的电路部分，中小型电动机一般采用漆包线(或丝包漆包线)绕制，共分三相，分布在定子铁心槽内，它们在定子内圆周空间的排列彼此相隔1200，构成对称的三相绕组，三相绕组共有六个出线端，通常接在置于电动机外壳上的接线盒中，三相绕组的首端接头分别用Ul、Vl、W1表示，其对应的末端接头分别用U2、V2、W2表示。三相绕组可以联接成星形或三角形，分别如图7-2（a）、（b）所示。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,2.转子 转子由转子铁心、转子绕组、转轴、风扇等组成。转子铁心为圆柱形，通常由定子铁心冲片冲下的内圆硅钢片叠成，装在转轴上，转轴上加机械负载。转子铁心与定子铁心之间有微小的空气隙，它们共同组成电动机的磁路。转子铁心外圆周上有许多均匀分布的槽，槽内安放转子绕组。 转子绕组分为鼠笼式和绕线式两种结构。鼠笼式转子绕组是由嵌在转子铁心槽内的若干条铜条组成的，两端分别焊接在两个短接的端环上。如果去掉铁心，整个转子绕组的外形就像一个鼠笼，故称鼠笼式转子。目前中小型鼠笼式异步电动机大都在转子铁心槽中浇注铝液，铸成鼠笼式绕组，并在端环上铸出许多叶片，作为冷却的风扇。鼠笼式转子的结构如图7-3所示。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,绕线式转子绕组与定子绕组相似，在转子铁心槽内嵌放对称的三相绕组，作星形联结。三个绕组的三个尾端联接在一起，三个首端分别接到装在转轴上的三个铜制集电环上。环与环之间，环与转轴之间都互相绝缘，集电环通过电刷与外电路的可变电阻器相联接，用于起动或调速，如图7-4所示。绕线式转子异步电动机由于其结构复杂，价格较高，一般只用于对起动和调速有较高要求的场合如立式车床、起重机等。 7.1.2 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机是利用定子绕组中三相交流电流所产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而产生电磁力和电磁转矩的。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,1.定子的旋转磁场 (1)旋转磁场的产生：在定子铁心的槽内按空间相隔120o安放三个相同的绕组U1U2、VlV2和WlW2(设它们作星形联接)。当定子绕组的三个首端U1、V1、W1分别与三相交流电源A、B、C接通时，在定子绕组中便有对称的三相交流电流iA、iB、iC流过：iAImsint，iBImsin（t120o）， iCImsin（t120o），若电流参考方向如图7-5（a）所示，即从首端U1、V1、W1流入，从末端U2、V2、W2流出，则三相电流的波形如图7-5（b）所示，电源电压的相序为ABC。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,在t=0时刻，iA为0，U1U2绕组此时无电流；iB为负，电流的真实方向与参考方向相反，即从末端V2流入，从首端Vl流出；iC为正，电流的真实方向与参考方向一致，即从首端W1流入，从末端W2流出，如图7-6（a）所示。将每相电流产生的磁场相加，便得出三相电流共同产生的合成磁场，这个合成磁场此刻在转子铁心内部空间的方向是自上而下，相当于是一个N极在上，S极在下的两极磁场。 用同样的方法可画出t 分别为 、 时各相电流的流向及 合成磁场的磁力线方向，如图7-6（b）、（c）所示。合成磁场各瞬时的磁通大小和分布情况都相同，但方向不相同，且向一个方向旋转。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,当正弦交流电变化一周时，合成磁场在空间也正好旋转了一周，合成磁场的磁通大小，就等于通过每相绕组的磁通最大值。 由上述分析可知，在定子绕组中分别通入在相位上互差120o的三相交流电时，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着，即所产生的合成磁场是一个旋转磁场。 (2)旋转磁场的方向： 图7-6所示的情况表明旋转磁场的旋转方向与电源的相序相同，即旋转磁场在空间的旋转方向是由电源的相序决定的，图7-6所示情况的旋转磁场是按顺时针方向旋转的。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,若把定子绕组与三相电源相联的三根导线中的任意两根对调位置，此时电源的相序仍为ABC不变，而通过三相定子绕组中电流的相序由UVW变为UWV，则旋转磁场将反向旋转（按逆时针方向旋转）。 (3)旋转磁场的极数：上述电动机每相只有一个线圈，在这种条件下所形成的旋转磁场只有一对N、S磁极(2极)。如果每相设置两个线圈，则可形成两对N、S磁极(4极)的旋转磁场，如图7-7和图7-8所示，用上面的分析方法不难证明，当电流变化一个周期时，N极变为S极再变为N极，在空间只转动了半周。定子采取不同的结构和接法还可以获得3对(6极)、4对(8极)、5对(10极)等不同极对数的旋转磁场。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,(4)旋转磁场的转速：当一对磁极的旋转磁场当电流变化一周时，旋转磁场在空间正好转过一周。对50Hz的工频交流电来说，旋转磁场每秒钟将在空间旋转50周。其转速n1=60f160503000rmin。若旋转磁场有两对磁极，则电流变化一周，旋转磁场只转过半周，比一对磁极情况下的转速慢了一半，即， n1=f130501500rmin 。 依此类推；当旋转磁场具有p对磁极时，旋转磁场转速为 n1= ，所以，旋转磁场的转速n1又称同步转速，它与 定子电流的频率f1 (即电源频率)成正比，与旋转磁场的磁极对数正反比。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,2.转子的转动原理 设某瞬间定子电流产生的旋转磁场如图7-9所示，图中N，S表示两极旋转磁场,转子中只画出两根导条。当旋转磁场以n1按顺时针方向旋转时，与静止的转子之间有着相对运动，这相当于磁场静止而转子导体朝逆时针方向切割磁力线，于是在转子导体中就会产生感应电动势E2，其方向可用右手定则来确定。由于转子电路通过短接端环(绕线转子通过外接电阻)自行闭合，所以在感应电动势作用下将产生转子电流I2。(图7-9中仅画出上、下两根导线中的电流)。通有电流I2的转子导体因处于磁场中，又会与磁场相互作用产生磁场力F，根据左手定则，便可确定转子导体所受磁场力的方向。电磁力对转轴将产生电磁转矩T，其方向与旋转磁场的方向一致，于是转子就顺着旋转磁场的方向转动起来。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,由上述分析还可知道，异步电动机的转动方向总是与旋转磁场的转向相同，如果旋转磁场反转，则转子也随着反转。因此，若要改变三相异步电动机的旋转方向，只需把定子绕组与三相电源联接的三根导线对调任意两根以改变电源的相序，即旋转磁场的转向便可。 7.1.3 转差率及其与转子各量的关系 1.转差率 同步转速n1与转子转速n之差称为转速差，转速差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即 s,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,2.转子各量与转差率的关系 从异步电动机的结构可知，定子绕组和转子绕组是两个隔离的电路，由磁路把它们联系起来，这和变压器原、副绕组之间通过磁路相互联系的情况相似，因此定子电路中的电动势、电流与转子电路中的电动势、电流之间有着与变压器相类似的关系式。 (1)定子电路的电动势E1：定子电路相当于变压器的原绕组，但每相绕组分布在不同的槽中，其中感应电动势并非同相，故每相定子绕组电动势的有效值为 E14.44K1N1f1m (7-3),7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,式中，K1为与定子结构有关的绕组系数，稍小于1；N1为每相定子绕组匝数；f1为电源频率；为旋转磁场的每极磁通，其值等于通过每相绕组的磁通最大值m。 若忽略定子绕组的电阻和漏磁通，则可认为定子电路上电动势的有效值近似等于外加电压的有效值，即 UlE14.44K1N1f1 (7-4) 可见当外加电压的大小和频率不变时，定子电路的感应电动势基本不变，旋转磁场的每极磁通也基本不变。 (2)转子频率f2：在转子静止不动的情况下，定子绕组通入三相交流电，这时n0，s1，转子绕组的频率f2与定子外接电源的频率f1相等。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,电动机运转起来以后，随着n的升高，转子导体与旋转磁场的转速差(n1n)逐渐减小，转差率s也逐渐减小，相当于转子导体静止不动，旋转磁场相对于转子的转速(n1n)逐渐降低，因此转子频率f2随之降低，且有 转子频率与转差率有关。电动机起动时，n0，s1，f2f150Hz，电动机在额定工作情况下运行时，s0.020.08，f214Hz，转子频率很低。 (3)转子电路的电动势E2：在转子静止不动的情况下，定子绕组通入三相交流电，这时n0，s1，f2f1，转子电路的感应电动势有效值为,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,E204.44K2N2f2m (7-6) 式中，K2为与转子绕组结构有关的系数，也稍小于1。 电动机运转起来以后，随着n的升高，转子导体与旋转磁场的转速差(n1n)逐渐减小，转差率s也逐渐减小，相当于转子导体静止不动，旋转磁场相对于转子的转速(n1n)逐渐降低，这时转子绕组中感应电动势的有效值也随之降低为，E24.44K2N2 sf1s E20 (7-7) 可见转子电动势的有效值与转差率有关。电动机起动时，n0，s1，转子电动势E20最高；电动机在额定工作情况下运行时，s0.020.08，转子电动势也很低。,7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,(4)转子电路的漏磁感抗X2：由于转子电路的频率f2随转差率s变化，因此感抗X22f2L2也随s而变化。当n0，s1时，f2f1，则此时的感抗最大且X202f1L2，所以 X22f2L22sf1L2s X20 (7-8) (5)转子电路的电流I2和功率因数cos 2：转子电路即有电阻R2又有漏磁感抗X2，所以，其阻抗为 由此可得转子绕组的电流为 (7-9),7.1 三相异步电动机的结构和工作原理,转子电路电流I2随转差率s的增大而增大，在n0，s1，即转子静止时，I2为最大。由于转子电路存在着感抗，因此I2与E2存在一个相位差 2，转子电路的功率因数为 (7-10) 可见，转子电路的功率因数cos 2随转差率s的增大而减