电机学第5章：感应电机的稳态分析

第五章：感应电机的稳态分析主要内容：三相感应电机的结构原理，及磁势，磁场。

感应电机的基本方程式，等效电路。

工作特性，及启动调速问题，最后介绍单相感应电机。

5-1 感应电动机的结构，原理和运行状态为了更好的理解感应电动机的工作原理，首先介绍结构。

一、感应电动机的结构主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的气隙。

1、定子：由定子铁心，定子绕组和机座三部分组成定子铁心：是主磁路的一部分，为了减少磁滞损耗和涡流损耗，铁芯由0.5mm的硅钢片叠成。

在定子铁心内圆上均匀的冲有一定槽形的槽，用来嵌放定子绕组槽形分：半闭口，半开口，开口从提高效率和功率因数来看，半闭口槽最好，因为它可以减少气隙磁阻，使产生一定数量的旋转磁场所需的励磁电流最少。

但绕组的绝缘和嵌线工艺比较复杂，因此只用于低压中小型异步电动机中。

对于中型异步电动机通常采用半开口槽。

（500伏以下）对于高压中型和大型异步机，一般采用开口槽，以便于嵌线。

定子绕组：定子铁心槽内对称的放置三相绕组，当三相绕组中通入对称三相交流电流时产生旋转磁场。

机座：用来支撑整个电机。

2、转子：由转子铁心，转子绕组，和转轴组成。

转子铁心：也是主磁路的一部分，由厚0.5mm的硅钢片叠成，在铁心外缘冲有一圈开口槽，外表面成圆柱形。

转子绕组：分笼型：一般采用铸铝，结构简单，制造方便。

应用广泛。

绕线形：转子槽内嵌有三相绕组，通过集电环和电刷与外电路接通。

这样可以在转子绕组中接入外加电阻，改善启动和调速性能。

此种结构较笼型复杂，只用于启动性能要求较高和需调速的场合。

3、气隙：在定、转子之间有一气隙，气隙大小对异步机的性能有很大的影响。

气隙大磁阻大，要产生同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流，由于激磁电流基本上是无功电流，所以为了降低电机的空载电流，提高功率因数，气隙应尽量减少。

一般气隙长度应为机械条件所容许达到的最小值。

中小型电机气隙一般为0.2-0.7二、异步电动机的工作原理。

（感应电动机的工作原理）前已讲过，当对称三相绕组中通入对称三相电流后，在空气隙中产生旋转磁场，当该磁场切割转子导体时根据电磁感应定律，导体内会产生电势。

感应电势的方向：由右手定则判定。

如图所示（由相对运动，切割与ns相反）由e产生电流方向与e相同（不考虑电势与电流的相位差）根据电磁力定律：载流导体在磁场受力的方向：由左手定则判定，如图示在电磁力F的作用下，转子顺旋转磁场方向旋转，转速为n。

e,iFn s三、异步机的运行状态。

（感应电机的运行状态）一般情况下异步机的转速n总是小于ns。

异步机之所以能够转动，关键在于转子导条与磁场之间存在相对运动，而感应电势产生电流，从而产生电磁力。

如n=ns，不存在磁场与转子之间的相对运动，在转子导条中就不感应电势，不产生转矩，电机就不能转动，所以n总是与ns异步的旋转，所以我们也称感应电动机为异步电动机。

%100⨯-=SSnnnS我们定义相对速度（n-ns）与同步速ns之比为转差率s,转差率是异步电机的一个主要参数，根据s的正负和大小可以判断电机的运行状态。

1、作为电动机的运行状态。

当转子的转向与ns相同且小于ns时（即1>s>0）为电动机运行状态，由下图知此时电磁转矩的方向与n相同，它拖动转子旋转。

2、作为发电机的运行状态。

如用一原动机拖动异步机，使异步机n>ns(即s<0)磁场切割转子导条的方向与电动机状态相反，电磁转矩方向与n相反，此时原动机的驱动转矩必须克服制动的电磁转矩使n>ns,这时转子从原动机输入机械功率，通过电磁感应由定子输出电功率，电机处于发电机状态。

3、电磁制动的运行状态如果由于外力的作用使转子逆着ns旋转，（即s>1）此时转子导条中电势电流方向仍与电动状态一样，电磁转矩的方向与n相反，所以电磁转矩为制动性质的，称为电磁制动状态。

在这种情况下，从转子输入机械功率，从定子输入电功率，两部分功率一起变为电机内部的损耗。

例6-1见p175四、额定值1、额定功率p N:指额定运行时输出的机械功率。

2、额定电压u1N:指额定运行状态下，定子绕组应加的线电压。

3、额定电流I1N:指额定运行状态下，输出额定功率时，钉子绕组中的线电流.4、额定功率f N:工频规定为50HZ5、额定转速n N:指电机在额定运行时的转速。

除此以外，有时还标明功率因数，效率，温升，定额接法绝缘等级等，对绕线式电机，还标出转子电压和转子额定电流等数据6、主要系列Y—112M—4 极数机座长度（份L, M, S ）中心高异步电机从定子相数分类：单相，三相从转子结构上分：鼠笼（普通鼠笼、深槽鼠笼、双鼠笼），绕线按机壳的不同防护方式分：开启式、防漏式、封闭式，防暴式。

按电机的容量分：小型（0.6-100千瓦）中型（100-1000千瓦）大型（1000千瓦以上）微电机。

5-2．三相感应电动机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场1→F m→Φm→E11σ→E1σ当定子接入对称三相电压u1后，定子中便流过对称三相电流I10(空载电流)产生一基波合成旋转磁场F1因空载运行时，n=ns, 所以E2=0, I2=0，所以空载运行时定子磁动势F1基本上为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm，空载时电流就近似等于激磁电流Im，考虑铁心损耗时，Im超前Bm铁心损耗角αFe，见p20页当气隙中主磁场以同步转速旋转时，Φm将在定子绕组中感应电势E1,因在相位上E1滞后Φm 90度，所以用向量表示有：Φ∙⋅-=mW K N fJ E 111144.4，Φm 为主磁通。

与变压器分析一样，把E1作为电压降来处理，引入Zm,⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=-=X J R I Z I E m m m m m 1 Zm 激磁阻抗，表征铁心磁化特性和铁耗的一个综合参数 Xm 激磁电抗，表征气隙主磁通的电抗 Rm 激磁电阻，表征铁耗的一个等效电阻Λ∝mmN f X 211Xm 正比于磁导Λm ，所以气隙越小，X m 越大，在同一定子电压下，激磁电流就越小。

除产生Φm 外，定子电流还产生仅与定子绕组铰链的；漏磁通φσ1，φσ1将在定子绕组中感应漏电势E σ1，X I J Eσσ111∙-= ，（与变压器一样，E σ1作为电压降处理）I 1：定子电流 X 1σ：定子漏电抗根据磁通通过的路径和性质的不同，将磁通分为两大类，主磁通和漏磁通。

主磁通：由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通为主磁通。

它是电机进行机电转换的媒介路径：从定子轭经定子齿，空气隙到转子齿，转子轭，再经过转子齿，空气隙，定子齿回到定子轭，形成闭和磁路。

主磁路是一个非线性磁路，受磁路饱和影响较大。

漏磁通： 定子三相电流除产生主磁通Φm 外，还产生仅与定子绕组交链不与转子绕组交链的磁通，这部分磁通成为漏磁通φσ1，这部分磁通不能转换能量。

包括三部分：槽漏磁通，端漏磁通，谐波漏磁通。

漏磁通主要通过空气而闭和，受饱和影响较小。

需指出的是：谐波漏磁通与前两种漏磁通不同，它实际上通过空气隙与转子绕组交链。

这些谐波漏磁通与基波一样在定、转子绕组中感应电势，在定子绕组中感应电势的频率为f f s Spn n p n p 1606060====γγγγγ ,f f 1=γ 所以电动势和基波电动势可以相加，将影响到定子电流。

在转子绕组中感应电动势的频率为()⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=n n n p n n p s f 60602γγγγ 而基波磁动势在转子绕组中感应电动势的频率为 ()602n n p s f -= ，f f 22≠γ感应电动势不能相加，也就不影响转子电流，从而对转子不产生有用转矩。

由此可见 谐波磁场仅影响定子电动势，所以把谐波磁场作用漏磁场来处理。

二、负载运行时的磁动势和磁场当负载运行后s n n ≠ 出现222F I E →→ 下面分析转子磁势F2的性质以及它对气隙主磁场Fm 影响。

F2也为旋转磁势。

若定子旋转磁场正向旋转C B A →→，则转子感应电动势的相序为正序，转子电流也为正序，也产生正向旋转的磁动势F2， 即F2与F1转向相同如定子旋转磁场的转速为n S ，转子转速为n ，此时定子旋转磁场以 ()n n n s ∆=-的速度切割转子，所以在转子中感应电动势的频率()126060sf n n n pn n p ss s f=-=∆=转子电流产生的磁势F2相对于转子的转速为n sn psf p f n s ∆====126060 而转子本身有以n 的速度旋转，所以转子磁势相对于定子的转速为 ()s s n n n n n n =+-=+∆ 即无论转子的实际转速为多少，转子磁势F2和定子磁势F1在空间的转速总是等于ns ，它们之间没有相对运动。

由于F1与F2相对静止，就可以把F1和F2合成起来，所以异步机负载时在气隙内产生的旋转磁场是定、转子合成磁势即 m F F F =+21 转子反应：负载时感应电动机的转子磁势对气隙磁场的影响称为转子反应。

其作用：1）使气隙磁场的大小和空间相位发生变化 2）转子磁势与主磁场相互作应，产生所需电磁转距。

由21F F F m -=可知定子磁势F1包含两个分量，一个是产生主磁通m φ的磁势m F ，另一个是抵消转子磁势作用的分量21F F l -=，因Fm 基本不变，当负载增加即F2增加时，F1也相应的增加以补偿F2（吉负载变化对钉子的影响是通过F2起作用的）L m m F F F F F 121+=-=, ()21F F L -=. 对应的L m I I I 11+=负载后定子电流中除Im 外，还有一个补偿转子磁动势的负载分量 L I 1x 2σ=0时转子磁势与气隙磁场在空间的相对位置x 2σ≠0时转子磁势与气隙磁场在空间的相对位置首先绘出气隙磁场波形，然后确定转子绕组感应电势e 2 的方向。

如 02=σx ，则 i 2 的方向与e 2相同，则由i 2 确定的F2的波形。

此时气隙磁场与转子磁动势之间的夹角90=δ 如 02≠σx ，，则i 2 滞后e 2 2ψ角，则290ψ+=δ对笼型转子见列5-2见P153页 首先绘出气隙磁场的波形B ，转子导条某一瞬间所处的磁场位置不同，感应电势大小也不同。

也按正弦波分布，如 02=σx 则电流波形与电势波形相同如上图所示，如 02≠σx 则转子导条中电流将滞后电势一2ϕ 角如下图所示，F2由转子电流产生为一阶梯波近似为正旋波。

上图为笼型转子处于二极气隙磁场的情况，笼型转子的极数与产生它的定子磁场的极数总是相同的，但定转子磁势波始终保持相对静止。

图6-12表示一台感应电动机负载时的磁场分布。

6-3三相感应电动机的磁动势，电动势方程及等效电路 一、首先分析三相感应电动机的电磁关系。