交流异步电动机工作原理

本次课程教学要求：
1. 熟悉异步电动机的结构和主要技术
数据； 2. 重点掌握电机堵转时的电磁关系、 基本方程式、等值电路和相量图； 3.掌握绕组折算方法。
5.1三相异步电动机
5.1.1基本结构和铭牌数据
三相鼠笼异步电动机结构图
1.交流电机定子结构
定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯 内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。 机座:是用作固定与支撑定子铁芯。 定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空 间相差120°电角度、结构相同的绕组连接 而成，按一定规律嵌放在定子槽中。 绕组分类：单层绕组和双层绕组。 绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的 电机，双层短距绕组用在较大容量的电机 中。
Ey1 4.44 f1N y 1 (V )
(5-7)
4.整距分布线圈感应电动势
如果在定子内圆表面槽中均匀嵌放三个匝 数为Ny的整距线圈头尾连接，相互串联形成线 圈组，称为整距分布线圈，相邻线圈的槽距角 是 α。
整距分布线圈的基波感应电动势
整距分布线圈的基波感应电势为：
Eq1 qEy1kq1 4.44 f1qNy kq11

pn1 f1 （Hz ） 60
2.整距线匝感应电势
两导体A、X就构成了整距线匝。 它们中的感应电势总是大小相等，方向 相反。整距线匝基波感应电势为：
eT 1 eA1 eX 1
用相量表示时：
E E 2E E T1 A1 X1 A1
整距线匝基波感应电动势
整距线匝基波感应电势瞬时表达式为：
转差率
定义：
n1 n s n1
(5-2)
sN (1.5 ~ 6)%, s0 0.5%
ຫໍສະໝຸດ Baidu
举例
有一台50Hz的感应电机，其额定 转速为730r/min，空载转差率为 0.003， 试求该机的空载转速和额定负载时的 转差率。
解
1、空载转速：
n0 n1 (1 s0 ) 750(1 0.003) 747.75r / min

小型鼠笼异步电动机
4.接线图
三相异步电动机的引出线
5.1.2主要系列

国产电机型号由汉语拼音字母和阿拉伯数 字组成，大写汉语拼音字母表示电机的类 型、结构特征和使用范围，数字表示设计 序号和规格，例如：Y2 160 L 1-2
Y和YR系列
一般用途三相异步电动机应用最广的
产品是Y系列和YR系列，其中Y系列为 鼠笼式转子三相异步电动机，YR系列 为绕线式转子三相异步电动机。
4
2 Fy1 2 IN y 0.9IN y 为基波磁势最大幅值。
三次谐波磁势为：
f y3 14 2 IN y cos3 cos1t Fy 3 cos3 cos1t 3 2
4
14 2 IN y 0.3IN y Fy 3 3 2
三次谐波磁势最大幅值

重点和难点
重点： 1.三相异步电动机空载和负载运行时的基本电磁 关系，掌握基本方程式、等值电路和相量图三种 分析方法，并注意与变压器的对比，着重分析转 子转动后的情况，转子绕组折算和频率折算； 2.掌握异步电动机功率与转矩的平衡关系、电磁 转矩的表达式。 3.掌握异步电动机机械特性 难点： 转子转动时的基本电磁关系。
5.2交流电机的绕组和感应电动势
5.2.1绕组
极距是指每一磁极所占定子内圆周的
距离，即有
Z1 2p
节距y是指线圈两有效边之间的距离。
单层绕组是整距绕组，即有y=τ 每极每相槽数q是指一个磁极下一相绕 组所占有的槽数，即有： Z1 q 2 pm1
交流绕组
相带：是指一相绕组在一个磁极下连
感应电动势
导体A切割磁力线产生感应电动势大小为：
e1 b1x l v B 1m l v sin
E1m sin 1t 2E1 sin 1t
导体的基波感应电动势 最大值为： 2 E1m B 1mlv B 1m l 2 f1 2 B 1av l 2 f1 f11 2 E 1m f11 E1 2.22 f11 (V ) 2 2
3.谐波分析
对周期性变化的矩形波分布的磁势，用 傅氏级数进行谐波分析，可分解成为：
f y ( , 1t )
C cos cos t
1,3,5 1

式中v=1，3，5…为谐波系数，系数Cv为
2 Cv IN y sin v 2 2 14
基波磁势为：
2 f y1 IN y cos cos1t Fy1 cos cos1t 2
B 1av
2

B 1m
波形
感应电动势频率
在一对磁极情况下，导体A每经过一对主磁 极，其中的感应电势经历一个周期。当电机转子上 有p对主磁极，电机每旋转一圈，导体A中的基波感 应电势变化p周，则导体A中基波感应电势频率为： (5-3) 当电机的极对数p和转速n1一定时，f1频率便为 固定的数值。
eT1 ET1m sin 1t 2ET1 sin 1t
整距线匝基波感应电势有效值为：
ET 1 2EA1 2 2.22 f11 4.44 f11(5-6)
3.整距线圈感应电动势
线圈是由Ny匝线匝串联而成，即匝
数Ny整距线圈的基波感应电势瞬时
值为：
ey1 E y1m sin 1t 2 E y1 sin 1t
续所占的范围。 机械角：电机圆周空间角度为360°或 为2π弧度，称这种角度为机械角。对 于一对磁极由N→S→N变化一周相当 于360°电角度或为2π电弧度。当电机 有p对磁极时，电角度=p×机械角。 分析：每一磁极占180°电角度，三相 绕组的每相绕组在一个极下只占三分 之一，即60°相带。
第五章 三相异步电动机原理 The Principles of the Threephase Induction Machines
本章基本教学要求
1.了解异步电动机的结构。 2.理解旋转磁场的概念、圆形旋转磁势的特性和 产生条件，了解分布和短距绕组对消除高次谐波 电势的作用。 3.深入理解并掌握综合表达三相异步电动机电磁 关系的基本方程式、等值电路和相量图，转子转 动时异步电动机的运行原理，转子绕组折算和频 率折算； 4.掌握异步电动机中的功率和转矩平衡方程式， 各功率之间的相互关系，电磁转矩物理表达式； 5.掌握异步电动机的工作特性。
绕组的基波分布系数：
k q1
sin q q sin

2 2
基波分布系数含义
基波分布系数是一个小于1的 数，其含义是：分布放置的线圈要 比将各线圈集中放置在一个槽中的 基波感应电势小。可以这样认为： 把实际q个分布放置的整距线圈，看 成是集中放置的，但它们的总等效 匝数为qNykq1，而不是qNy。
2、额定转差率：
n1 n 750 730 sN 0.027 n1 750

设ηN为异步电动机的效率，额定功率：


电动机的输入功率为：
PN 3U1N I1NN cos N P U1N I1N cos N 1 3
接线： 高压异步电动机定子绕组采用Y接，只有三根 引出线。中小容量的异步电动机通常将定子三 相绕组的六个端点引出到接线板上，用户根据 铭牌数据和使用电源情况，接成Y接或Δ接。
5.2.3短距线圈感应电动势
如果线圈的节距y1<τ，则为短距线 圈，令短距线圈的节距y1=yπ，其中 0<y<1，短距线圈基波感应电势有效值：
E y1 2 E A1 sin y

2
4.44 f1 N y 1 sin y

2
4.44 f1 N y k y11
绕组基波短距系数：
k y1 sin y

2.转子结构
转子铁芯： 一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是 磁路的一部分。 转子绕组： 是用作产生感应电势、并产生电磁转矩 它分鼠笼式和绕线式两种。 气隙： 中、小容量的电动机气隙一般在0.2~1.5 mm范围。
转子
鼠笼转子
鼠笼转子
绕线转子
提刷装置
3.铭牌数据
主要铭牌数据1
(1)额定功率PN：指电动机在额定运行 时，轴上输出的机械功率，单位：W 或kW； (2)额定电压U1N：指电动机额定运行时， 加在定子绕组上的线电压，单位：V； (3)额定电流I1N：指电动机在定子绕组 上加额定电压、轴上输出额定功率时 定子绕组中的线电流，单位：A；
Ev 4.44 f v N1kwv v
kwv kqv k yv
为υ次谐波绕组系数
课后复习要点：
1 .交流绕组类型、基本术语、联结规律 2. 分布、短距和绕组系数的含义及表达式 3.绕组感应电势的计算 思考题：P178 5-1、5-2 作业：P178 5-6（3）（4） 预习：旋转磁动势
五次谐波和高次谐波
五次谐波磁势为：
f y5
14 2 IN y cos5 cos1t Fy 5 cos5 cos1t 5 2

5.3交流电机绕组的磁动势
5.3.1单相脉振磁场 1.整距集中绕组的磁动势 由于空气隙的磁阻远远大于定、转子铁芯中的磁 阻，可认为磁势全部降落在两个气隙上，即作用在每 个空气隙的磁势为全部磁势的一半（iNy/2）磁动势波 形为矩形波。
1 N i ( ) y 2 2 2 f ( ) 1 N i ( 3 ) y 2 2 2

2
基波短距系数含义
基波短距系数，它是一个小于1 的数，其含义是：短距线圈要比整 距线圈的基波感应电势小。可以这 样认为：把实际的短距线圈看成是 整距线圈，则它等效匝数为Nyky1， 而不是Ny。
5.2.4一相绕组感应电动势
单层绕组：采用分布整距形式
每相绕组串联匝数为
pqNy ： N1 a
主要铭牌数据2
(4)额定频率f1N：我国规定电网工频为 50Hz； (5)额定转速nN：指电动机在定子额定 电压、额定频率下，轴上输出额定功 率时的转子转速，单位：r/min； (6)额定功率因数cosφN：指电动机在额 定运行时定子侧的功率因数。
主要铭牌数据3
铭牌上还标有绝缘等级、温升、工作 方式、连接方法等，对绕线式异步电动机 还标有转子绕组的额定电压和额定电流。 (7)转子绕组额定电压U2N：指定子绕组加 额定电压、转子绕组开路时，滑环间的线 电压，单位：V； (8)转子额定电流I2N：指电动机额定运行、 转子短路状态下，滑环之间流过的线电流， 单位：A。
整距集中绕组的磁动势
2.磁动势的空间谐波
矩形波磁动势用傅立叶级数分解得：
N yi 4 1 1 f ( ) (cos cos3 cos5 ) 2 3 5
3.单相绕组基波脉振磁动势 设AX中通入交流电为： i 2I cos1t
则每极磁势表达式为：
f (，t ) 2 N yi 4 1 1 (cos cos3 cos5 ) cost 2 3 5
绕组采用分布、短距后虽削弱些基 波感应电势，但可使各次谐波电势大大 削弱，使绕组感应电势接近正弦波。 三相交流绕组Y接或Δ接时，由于 三次谐波以及三的倍数次谐波电势在时 间相位上同相，故三相线电势中无三次 或三的倍数次谐波。
谐波感应电动势
设v为谐波次数，则谐波感应电 f v v f1 势频率为： 每相绕组v次感应电势有效值：
单层绕组
双层绕组
5.2.2 交流绕组的感应电势
1.一根导体感应电势 设定子内表面槽中嵌放导体A，有效长 度为l(m)，转子只有一对磁极，它由原动机 拖动以恒定转速n1(r/min)逆时针旋转，沿气 隙圆周方向分布的基波磁密波形，大小为：
b 1 B 1m sin
式中Bδ1m为基波气隙磁密幅值。
每相的基波感应电势有效值为：
E1 4.44 f1N1kq11
双层绕组
双层绕组：采用短距分布形式 每相绕组串联匝数为：
N1 a 每相的基波感应电势有效值为：
2 pqNy
E1 4.44 f1 N1kw11

kw1 kq1 k y1
为基波绕组系数。
绕组的谐波感应电动势