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第4章 三相异步电动机 4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构 4.2 交流电机的绕组 4.3 交流电机绕组的感应电动势 4.4 交流电机绕组的磁动势 4.5 三相异步电动机的空载运行 4.6 三相异步电动机的负载运行 4.7三相异步电动机的等效电路和相量图. 4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡 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。 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.1三相异步电动机的基本结构 一、定子部分: 1、定子铁心:由导磁性能很好的硅钢片叠成导磁部分。 2、定子绕组:放在定子铁心内圆槽内导电部分。 3、机座:固定定子铁心及端盖,具有较强的机械强度和刚度。 二、转子部分: 1、转子铁心:由硅钢片叠成,也是磁路的一部分。 2、转子绕组: 1)笼型转子:转子铁心的每个槽内插入一根裸 导条,形成一个多相对称短路绕组。2)绕线转子:转子绕组 为三相对称绕组,嵌放在转子铁心槽内。 三、气隙:异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允 许达到的最小值。 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 一、基本工作原理 1、电生磁:三相对称绕组通往 三相对称电流产生圆形旋转磁 场。 2、磁生电:旋转磁场切割转 子导体感应电动势和电流。 3、电磁力:转子载流(有功分 量电流)体在磁场作用下受电 磁力作用,形成电磁转矩,驱 动电动机旋转。 U2 U1 W2 V1 W1 V2 n 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 二、转差率 转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况. 转子未转动时,电机理想空载时, 作为电动机,转速在范围内变化,转差率在01范围内变。 负载越大,转速越低,转差率越大;反之,转差率越小。转差率 的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为: 正常运行时,转差率一般在0.010.06之间,即电机转速接近同步速。 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.2三相异步电动机的基本工作原理 三、异步电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态 机械能转变为电 能 电能和机械能变 成内能 电能转变为机 械能 能量关系 制动制动驱动电磁转矩 转差率 转速 外力使电机快速 旋转 外力使电机沿磁 场反方向旋转 定子绕组接对 称电源 实现 发电机电磁制动电动机状态 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.3 型号和额定值 一、型号 例: 第4章 三相异步电动机 4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构 4.1.3 型号和额定值 额定值关系有: 额定运行状态时加在 定子绕组上的线电压. 额定条件下转轴上 输出的机械功率。 在额定运行状态下流 入定子绕组的线电流. 额定运行时电 动机的转速. 二、额定值 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.1 交流绕组的基本知识 一、基本要求和分类 从设计制造和运行性能方面对交流绕组的要求: 1)三相绕组对称; 2)力求获得最大的电动势和磁动势; 3)绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦; 4)节省用铜量; 5)绕组的绝缘和机械强度可靠,散热条件好; 6)工艺简单、便于制造、安装和检修。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.1 交流绕组的基本知识 二、交流绕组的基本概念 1、极距 两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的 槽数为Z,磁极对数为p,则极距: 2、线圈节距 一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。 3、电角度 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.1 交流绕组的基本知识 二、交流绕组的基本概念 4、槽距角 相邻两个槽之间的电角度。 6、相带 每个极面下的导体平均分给各相,则每一相绕组在每个极 面下所占的范围,用电角度表示称为相带。 每一个极面下每相所占的槽数为 5、每极每相槽数 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.2 三相单层绕组 单层绕组的每个槽内只放一个线圈边,电机的线圈总数等于 定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。 一、单层链式绕组 单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成, 整个外形如长链。 链式绕组的每个线圈 节距相等并且制造方便; 线圈端部连线较短并且省 铜。主要用于q=2的4、6 、8极小型三相异步电动 机。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.2 三相单层绕组 二、单层交叉式绕组 单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成, 同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同,各线圈组的端部互 相交叉。 交叉式绕组由两大 一小线圈交叉布置。线 圈端部连线较短,有利 于节省材料,并且省铜 。广泛用于q1的且为 奇数的小型三相异步电 动机。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.2 三相单层绕组 三、单层同心式绕组 同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状 的线圈组构成。 同心式绕组端部连 线较长,适用于q=4、 6、8等偶数的2极小型 三相异步电动机。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.2 三相单层绕组 综上分析: 1)单层绕组为整距绕组;电动势波形不够理想。 2)单层绕组不适宜于大、中型电机; 3)单层绕组不存在线圈层间绝缘问题,不会在槽内发生层间或相 间绝缘击穿故障; 4)单层绕组线圈数等于槽数的一半,绕线和嵌线所费工时少、工 艺简单,广泛应用于10kW以下的异步电动机。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.3 三相双层绕组 双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边,线圈的每一个 有效边放在某一槽的上层,另一个有效边则放置在相隔为y 的另一 槽的下层。 双层绕组分双层叠绕组(如图2a=1)和双层波绕组(略)。 第4章 三相异步电动机 4.2交流电机的绕组 4.2.3 三相双层绕组 双层绕组的特点: 1)线圈数等于槽数; 2)线圈数组数等于极数,也等于最大并联支路数; 3)每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。 4)双层绕组的节距可以改变,可以选择合适的节距来改善电 动势或磁动势的波形,技术性能优于单层绕组。一般稍大容量 的电机均采用双层绕组。 第4章 三相异步电动机 4.3交流电机绕组的感应电动势 4.3.1 线圈的感应电动势及短距系数 一、一根导体的电动势 电动势频率: 电动势大小: 二、整距绕组的电动势 每个整距线匝的电动势: 每个整距线圈的电动势: 三、短距线圈的电动势 每个短距线匝的电动势: 基波短距系数: 第4章 三相异步电动机 4.3交流电机绕组的感应电动势 4.3.2 线圈组的感应电动势及分布系数 一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势 大小相等、相位相同,线圈组电动势为: 若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位 相差电角度,电动势为: 基波分布系数 基波绕组系数: 第4章 三相异步电动机 4.3交流电机绕组的感应电动势 4.3.3 一相绕组的基波感应电动势 一绕组有2a条支路,一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相 绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势 一、一相绕组的基波电动势 对单层绕组: 对双层绕组: 第4章 三相异步电动机 4.3交流电机绕组的感应电动势 4.3.3 一相绕组的基波感应电动势 二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响 对V次谐波: 1.采用短距绕组 例如 改善电动势波形的方法: 2.采用分布绕组 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 一、整距集中绕组的磁动势 一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组 通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如 图,由全电流定律得: 忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气 隙上.每个气隙的磁动势为: 空间分布为矩形波如图,随时间按正弦规 律变化.变化频率为电流频率。 空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 一、整距集中绕组的磁动势 矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波: 基波磁动势为: 基波磁动势最大值为: 整距绕组基波磁动势在空间按余弦 分布,幅值位于绕组轴线,空间每 一点的磁动势大小按正弦规律变化 仍然为脉动磁动势。 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 二、单相脉动磁动势 1、整距分布绕组的磁动势 每个绕组由q 个线圈串联构成,依次在定子圆周空间错开槽距角 ,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和: 2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势 双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的 相量和,用短距系数计及绕组短距的影响: 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 二、单相脉动磁动势 3、相绕组的磁动势 每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁 极,就有p条并联的对称分支磁路,所以一相绕组的基波磁动势 就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势,若每相电流 为Ip: 单相绕组的磁动势是在空间按余弦规律分布,幅值大小随时 间按正弦规律变化的脉动磁动势。 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 三、单相脉动磁动势的分解 即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。 先分析 取幅值点分析 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 三、单相脉动磁动势的分解 综上分析: 第4章 三相异步电动机 4.4交流电机绕组的磁动势 4.4.1 单相绕组的磁动势 三、单相脉动磁动势的分解 可见: (1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相等、转 速相同而转身相反的两个旋转磁场。 (2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉动磁动 势. 第4章 三相异步电动机 4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势 三相的合成磁动势: 4.4交流电机绕组的磁动势 取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为x的参 考方向、U相电流为零时作为时间起点,则三相基波磁动势为: 可见:三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。 交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流,磁动势是三相 的合成磁动势。 第4章 三相异步电动机 4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势 4.4交流电机绕组的磁动势 为了分析旋转磁动势的旋转方向,设三相对称电流按余弦规律变 化,U 相电流最大时为计时点,电流取首进尾出为正,电流波形 和各时刻旋转磁动势的位置如图所示: U2 U1 W2 V1 W1 V2 第4章 三相异步电动机 4.4.2 三相绕组基波合成磁动势旋转磁动势 4.4交流电机绕组的磁动势 总述,三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁动势, 其性质为: 1)幅值为单相磁动势幅值的1.5倍。 2)转速为同步速: 3)转向:由电流相序决定,或者说由载有超前电流相转向载有 滞后相。 4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势幅值恰好在该相绕组的 轴线位置上。 产生圆形旋转磁动势的条件:一是三相或多相对称绕组;二 是三相或多相对称电流。两个条
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