31 三相异步电动机的工作原理及结构

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3.1 三相异步电动机的工作原理及结构3.1.1 结构三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基 本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在 定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线 盒、吊环等其他附件，如图4.1所示。

图3.1 封闭式三相笼型异步电动机结构图1—轴承；2—前端盖；3—转轴；4—接线盒；5—吊环；6—定子铁心； 7—转子；8—定子绕组；9—机座；10—后端盖；11—风罩；12—风扇

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1.定子部分定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、 定子铁心、定子绕组等部分组成。 (1)外壳 三相电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等 部件。 机座：铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电 动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承 着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座 的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。 端盖：用铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是把转子固定在定 子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。 轴承盖：也是铸铁或铸钢浇铸成型的，它的作用是固定转子， 使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。 接线盒：一般是用铸铁浇铸，其作用是保护和固定绕组的引 出线端子。 吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、 搬抬三相电动机。

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(2)定子铁心 异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由 0.35mm~0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压 而成，如图3.2所示。由于硅钢片较薄而且片与片之 间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的 铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌 放定子绕圈。

(a)定子铁心 (b)定子冲片 图3.2 定子铁心及冲片示意图

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(3)定子绕组 定子绕组是三相电动机的电路 部分，三相电动机有三相绕组，通 入三相对称电流时，就会产生旋转 磁场。三相绕组由三个彼此独立的 绕组组成，且每个绕组又由若干线 圈连接而成。每个绕组即为一相， 每个绕组在空间相差120°电角度。 线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕 制。中、小型三相电动机多采用圆 漆包线，大、中型三相电动机的定 子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线 或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌 入定子铁心槽内。定子三相绕组的 六个出线端都引至接线盒上，首端 (a)星形连接 分别标为U1, V1, W1 ,末端分别标为 (b)三角形连接 U2, V2, W2 。这六个出线端在接线盒 里的排列如图4.3所示，可以接成星 图3.3 定子绕组的联结 形或三角形。

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2.转子部分 .(1)转子铁心 是用0.5mm厚的硅钢片叠压而 成，套在转轴上，作用和定子铁心 相同，一方面作为电动机磁路的一 部分，一方面用来安放转子绕组。 (2)转子绕组 异步电动机的转子绕组分为绕 线形与笼形两种，由此分为绕线转 子异步电动机与笼形异步电动机。 ① 绕线形绕组 与定子绕组一样也是一个三相 绕组，一般接成星形，三相引出线 分别接到转轴上的三个与转轴绝缘 的集电环上，通过电刷装置与外电 1—集电环；2—电刷；3—变阻器 路相连，这就有可能在转子电路中 图3.4 绕线形转子与 串接电阻或电动势以改善电动机的 外加变阻器的连接 运行性能，见图3.4。

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② 笼形绕组 在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条 两端各用一个铜环(称为端环)把导条连接起来，称 为铜排转子，如图3.5(a)所示。也可用铸铝的方法， 把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称 为铸铝转子，如图3.5(b)所示。100kW以下的异步 电动机一般采用铸铝转子。

(a)铜排转子 (b)铸铝转子

图3.5 笼形转子绕组

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3.其他部分其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起 防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑 转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异 步电动机的定子与转子之间的空气隙，一般仅 为0.2mm~1.5mm。气隙太大，电动机运行时的 功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行 不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗 增加以及使启动性能变差。

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3.1.2 工作原理1.三相交流电机的旋转磁场 三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因 为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。 如图3.6所示，U1U2, V1V2, W1W2为三相定子绕组，在空间 彼此相隔120°,接成Y形。三相绕组的首端U1, V1, W1接在三 相对称电源上，有三相对称电流通过三相绕组。设电源的相序 为U, V, W, 的初相角为零，如图4.6波形图所示。

图3.6 三相交 流电流波形 图

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设

iU = sin ωtiV = sin(ωt 120°)

iW = sin(ωt + 120°)

为了分析方便，假设电流为 正值时，在绕组中从始端流向 末端，电流为负值时，在绕组 中从末端流向首端。 i i 当 ωt = 0° 的瞬间， U =0,V 为负值，iW 为正值，根据”右 手螺旋定则”,三相电流所产 生的磁场叠加的结果，便形成 一个合成磁场，如图3.7(a)所 示，可见此时的合成磁场是一 对磁极(即二极),右边是N极， 左边是S极。图3.7 两极旋转磁场示意图

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i

i u2π 3

iv4π 3

i w2π

i u

0三相电流波形

ω t

V2

V2 U1

V2

W1

W1 U2 U1

W1U1

U2U2 W2W2

V1V1 ωt = 4π 3

W2

V1ωt = 2π 3

Iw=Im

ωt = 0

Iv=Im

Iu=Im

空

间120度 对称分布的三相绕组通过三相对称的交流电流时， 产生的合成磁场为极对数p=1的空间旋转磁场，每电源周期旋 转一周，即两个极距； ·某相绕组中电流达到最大值时，磁极轴线恰好旋转到该相绕 组轴线上。

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iV i 当 ωt = 90° 时，即经过1/4周期后，U 由零变成正的最大值， i 仍为负值，W 已变成负值，如图3.6(b)所示，这时合成磁场的 方位与 ωt = 0° 时相比，已按逆时针方向转过了90°。 应用同样的方法，可以得出如下结论：当 ωt = 180° 时，合成磁 场就转过了180°,如图3.6(c)所示；当 ωt = 300° 时合成磁场方 ° 向旋转了300°,如图3.6(d)所示；当ωt = 360时合成磁场旋转了 360°,即转1周，如图3.6(a)所示。 由此可见，对称三相电流 i , i , i 分别通入对称三相绕组 U1U2, V1V2, W1W2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋 转磁场。 以上分析的是电动机产生一对磁极时的情况，当定子绕组 连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电 流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。 由此类推，当旋转磁场具有p对极时(即磁极数为2p),交 流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此， 三相电动机定子旋转磁场每分钟的转速n1 、定子电流频率f及磁 极对数p之间的关系是 60 f n1 = (3-1) pU V W

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2.三相电动机的转动原理 . 图3.8为三相异步电动机转动 原理示意图。 三相交流电通入定子绕组后， 便形成了一个旋转磁场，其转 60 f 速 n = p 。旋转磁场的磁力线被 转子导体切割，根据电磁感应原 理，转子导体产生感应电动势。 转子绕组是闭合的，则转子导体 有电流流过。设旋转磁场按顺时 针方向旋转，且某时刻为上为北 极N下为南极S,如图3.7所示。根 据右手定则，在上半部转子导体 的电动势和电流方向由里向外， 用⊙表示；在下半部则由外向里， 图3.8 三相电动机的转动原理 用⊕表示。1

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原理：定子旋转磁场以速度n0切 割转子导体感生电动势(发电机 右手定则),在转子导体中形成 电流，使导体受电磁力作用形成 电磁转矩，推动转子以转速n顺n0 方向旋转(电动机左手定则), 并从轴上输出一定大小的机械功 率。(n不能等于n0) 特点：·电动机内必须有一个以 n0旋转的磁场。-实现能量转 换的前提；电动运行时n恒不等 于n0(异步)-必要条件n<n0; 建立转矩的电流由感应产生。 -感应名称的来源。

N n n0笼型转子

S异步电动机模型

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流过电流的转子导体在磁场中要受到电磁 力作用，力F的方向可用左手定则确定，如图 3.8所示。电磁力作用于转子导体上，对转轴形 成电磁转矩，使转子

按照旋转磁场的方向旋转 起来，转速为n。 三相电动机的转子转速n始终不会加速到 旋转磁场的转速n1。因为只有这样，转绕组与 旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线， 转子绕组导体中才能产生感应电动势和电流， 从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方 向继续旋转。由此可见 n 1 ≠ n ,且 n < n 1 ,是 异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称 也由此而来。

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3.转差率 . 旋转磁场转速n1 与转子转速n之差与同步转 速n1之比称为异步电动机的转差率s,即 n1 n s = (3-2) n1 转差率是异步电动机的一个基本参数，对分 析和计算异步电动机的运行状态及其机械特性有 着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行 时，电磁转矩 Tem和转速n同向。转子尚未转动时， n n n n n =n s = ,可知异步电动 =0 s = ;当 =1 n=0, 时， n n 机处于电动状态时，转差率的变化范围总在0和1 之间，即 0 < s < 1 。一般情况下，额定运行时 =1%~5%。1

1

1

1

1

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3.1.3 主要系列在三相电动机的外壳上，钉有一块牌子，叫铭牌。 铭牌上注明这台三相电动机的主要技术数据，是选择、 安装、使用和修理(包括重绕组)三相电动机的重要依 据，铭牌的主要内容如下。 1.型号 . 国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列，是按 国际电工委员会IEC标准设计生产的三相异步电动机， 它是以电机中心高度为依据编制型号谱的，如Y-200L2-66极 异步电动机 中心高度200mm 长机座(M——中机座) (S——短机座) 2号铁心

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Y-200L2-6

6极 2号铁心 异步电动机 中心高度200mm 长机座(M——中机座) (S——短机座)

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中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁心外径及中心 高度的关系见表3.1和表3.2。表3.1 小型异步三相电动机机 座 号 1 120 2 145 3 167 4 210 5 245 6 280 7 327 8 368 9 423

定子铁心外 径(mm) 中心高度 (mm)

90

100

112

132

160

180

225

250

280

表3.2 中型异步三相电动机机 座 号 11 12 13 14 15

定子铁心外 径(mm)

560

650

740

850

990

中心高度 (mm)

375

450

500

560

620

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2.额定功率 . 额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率， 用表示，以千瓦(kW)或瓦(W)为单位。 3.额定电压 . 额定电压是指接到电动机绕组上的线电压，用UN表示。三相电动机要求所 接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的±5%。电压过高，电动机容易 烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易 烧坏。 4.额定电流 . 额定电流是指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕 组的线电流，用IN表示，以安(A)为单位

。若超过额定电流过载运行，三相 电动机就会过热乃至烧毁。 三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式 (3-3) 式中 cos ——额定功率因数 PN = 3U N I N cos Nη N η N ——额定效率N

5.额定频率 . 额定频率是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数，用fN表示。 我国规定标准电源频率为50Hz。

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