三相异步电动机电机原理
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• 定子铁心：是异步电机主磁通磁路的一部分
30
第一节三相异步电动机的工作原理
定子冲片——减少 旋转磁场的涡流损 耗和磁滞损耗
• 定子绕组：是异步电机定子部分的电路 • 由许多线圈按一定规律连接而成，单层或双层形式
31
第一节三相异步电动机的工作原理
• 机座：固定和支撑定子铁心
2、转子 • 异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 • 转子铁心：也是异步电机主磁通磁路的一部分。
39
[例6-1] 有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为 0.267%，额定转速为 nN 730r / min 求该电动机的极对数、同步转 速、空载转速以及额定负载时的转差率。 同步转速 考虑本题的额定转速 空载转速
ns
60 f1 60 50 3000 p p p ns 750r / min 极对数 p 4
异步电机一般都作电动机用，因为异步发电机的性能较差。 异步电动机在工农业、交通运输、国防工业以及其它各行各 业中应用非常广泛。原因就在于它和其他各种电动机比较， 具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，特 别是和直流电动机相比。但是异步电机不能经济地实现平滑 调速；必须从电网吸取滞后的励磁电流，使电网功率因数变 坏。
6
• 从两方面进行分析： • 某一个瞬间，磁场的空间分布是对称的，磁场最大值出现 的点是线圈的中心线（轴线）方向； • 从时间变化，随时间变化-----电流大小变化----磁场的大小 和方向也是变化的-----单最大值出现的点不变 • 即磁场是脉动的----称为脉振磁场 • 那么，通电线圈在该磁场中是否会产生转矩？
第五章 三相异步电动机电 机原理
1
主要内容
• 第一节 三相异步电动机的工作原理
• 第二节 三相异步电动机的电子绕组 • 第三节 三相异步电动机的定子绕组的磁动势和电动势
• 第四节 三相异步电动机的运行分析
• 第五节 三相异步电动机的参数测定
2
本章要求
• 熟练掌握三相异步电动机的工作原理与运行状态
15
iA
首端
A Z
X
iC
iB
Y C
B
第一节三相异步电动机的工作原理
• 三相电流合成磁场 • 电流方向： • “+”——首端流出、末端流入； • “-”——末端流出、首端流入。
S
N
120
• 结论：当对称三相电流通入对称三相绕组时，产生一个大 16 小不变、转速一定的旋转磁场。
第一节三相异步电动机的工作原理
第一节三相异步电动机的工作原理
旋转磁场转速ns与极对数 p 的关系
极对数 每个电流周期 磁场转过的空间角度 同步转速
( f1 50Hz )
p 1
p2
p3
p4
360
180
3000(转/分）
1500(转/分）
120
1000(转/分）
750 (转/分 ）
22
90
第一节三相异步电动机的工作原理
5.三相异步电动机的工作原理 • 在定子和转子间的气隙中建立以同 步转速ns旋转的旋转磁场； • 转子导条构成闭合回路； • 导条切割旋转磁场感应电动势； • 导条构成闭合回路有感生电流流过； • 导条在旋转磁场中、并流过感生电 流，必受到电磁力； • 所有导条的电磁力合成为电磁转矩； • 转子跟随旋转磁场旋转，转速为n， 实现机电能量转换。
• 了解三相异步电动机的结构
• 掌握三相异步电动机的铭牌数据含义 • 掌握三相异步电动机定子绕组的基本量 • 熟练掌握三相异步电动机定子磁动势的计算 • 熟练掌握三相异步电动机定子绕组电动势的计算
3
交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速 与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。 异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁 感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电 能量转换。因其转子电流是由电磁感应作用而产生的，因而 也称为感应电机。
32
第一节三相异步电动机的工作原理
• 转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两种结构。 • 鼠笼型绕组 • 绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相，笼型绕 组的各相均由单根导条组成。 • s<5%，导条中的感应电动势不大，无需对导条和铁心绝 缘。因此，笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端 的环形端环组成。 • 特点：无集电环，又无绝缘。
铸铝笼 型转子
铜条笼 型转子
33
• 每一根导条在同一时间的电势是否相同？
34
第一节三相异步电动机的工作原理
鼠笼型转子
35
第一节三相异步电动机的工作原理
• 绕线型绕组 • 也是一个对称三相绕组，接成星形，并接到转轴上的三个 集电环上，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。 • 特点：绕线型转子通过集电环和电刷，可以在转子回路中 接入附加电阻或其他控制装置，从而改善电机的起动性能 或调速特性。
12
第一节三相异步电动机的工作原理
交流电机的分类
•
交流电机类型——异步电机和同步电机
• • • •
同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格不变的关系 异步电机的转速与速度没有严格的对应关系。 异步电机一般都作电动机使用，应用广泛 同步电机一般作为发电机使用。
• 按电源相数：单相电机和三相电机；
13
iA
A X A' Y' X' B' Z' Z C' Y
o
极对数：
p 2
iB
iC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
C
• 结论：旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。
19
4.旋转磁场的转速 • p=1：
N
N
N
N
• 三相电流经过一个周期T，旋转磁场在空间上转过360o， 即电流变化一次，旋转磁场转过一转，因此转速ns与交流 电流频率f1的关系：
左手定则决 定电磁力和 转矩方向 右手定则决 定电动势和 电流方向
旋转磁场以ns逆时针转动 感应电动势和电流方向：N 极下流入、S极下流出 电磁力和电磁转矩方向：逆 时针 转子旋转方向：逆时针23
第一节三相异步电动机的工作原理
6.三相异步电动机的转速 • 问题：转子转速n为多大？能否与ns相同？能否超过ns ？ • 异步电动机转动的关键在于导条受到电磁力的作用 • 产生电磁力的条件—— • 导条中有电流流过 • 导条中电流来源—— • 导条中的感应电动势 • 产生感应电动势的条件—— • 导条与旋转磁场之间存在相对运动，导条切割旋转磁场 而发生电磁感应作用 • 结论：异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步 转速ns，即与旋转磁场“异步”地转动——“异步”电动机 24
•
结论：任意调换两根电源进线则旋转磁场反转，即旋转磁 17 场的旋转方向取决于三相电流的相序。
第一节三相异步电动机的工作原理
3.旋转磁场的磁极对数
iA
A
iB
iC
B
Y X Z
C
• 每相一个线圈： • 绕组的首末端之间互差180o 极对数：
p 1
t 0
18
第一节三相异步电动机的工作原理
• 每相两个线圈串联： • 绕组的首末端之间互差90
ns 60 f1 （r/m）
20
N
• p=2： • 三相电流经过一个周期 T，即电流变化一次，旋转 磁场在空间上仅转过1/2转， 因此转速ns与交流电流频率 f1的关系：
N
f1 ns （r /s） 2
N
N • 类推，对于p对磁极的旋转 磁场，电流变化一次，磁场 转过1/p转。 • 结论：旋转磁场的转速ns（同步转速）与电源频率f1、极对 数p有关。 f1 60 f1 ns （r /s） （r /min） 21 p p
异步电机分类
结构简单，坚固， 成本低，但是运行 性能不如绕线式
可以通过外串电阻 改善电机的启动和 调速性能
5
• 电机要旋转-----需要产生转矩------转矩产生的条 件是磁场与通电线圈。 • 交流电：大小是变化的、方向是变化的----幅值、 频率、相位 • 单个线圈通入单相交流电将会产生怎样的磁场？
ns (1 s0 ) 750(1 0.267%)r / min 748r / min ns 额定转差率 sN ns nN 100% 750 730 100% 2.67% nN 750
第一节三相异步电动机的工作原理
7.三相异步电动机的运行状态 • 根据转速或转差率的不同，异步电机分 别对应于三种不同的运行状态： • 电动机状态——0<n<ns或0<s<1 • 转子侧：Te与n同向，Te为驱动转矩， TeΩ>0，发出机械功率 • 定子侧：吸收电功率 • 吸收电功率发出机械功率——电动 机
第一节三相异步电动机的工作原理
• 转差——转速ns与n之差 • 结论：转差的存在是异步电动机运行的必要条件 • 转差率——转差ns-n与同步转速ns之比的百分值
ns n s 100% ns
• 转子转速n与转差率之间的关系：
n (1 s)ns
25
讨论
• • • • 从异步机的工作原理看，对异步机的结构有何要求？ 异步机的转子如何实现闭合？ 异步机转子的电流是交流还是直流？ 对异步机转子的相数是否有要求？
36
第一节三相异步电动机的工作原理
绕线型转子
37
第一节三相异步电动机的工作原理
3、气隙 • 气隙大小对异步电动机性能的影响： • 气隙大磁阻大励磁电流大电机的功率因数变坏；
• 气隙大磁阻大减少气隙磁场谐波含量减少附加损 耗，且改善起动性能。
• 应综合考虑，一般异步电动机的气隙以较小为宜
第一节三相异步电动机的工作原理
一、三相异步电动机的工作原理与运行状态
•
直流电动机和异步电动机产生电磁转矩的区别 • 直流电动机——
静止磁场+电源导入电枢绕组的电流电磁转矩
•
•
三相异步电动机——
旋转磁场+在转子绕组中的感生电流电磁转矩
• •
三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是产生一种旋 转磁场
9
交流异步电动机的基本原理分析
• 一个磁场中放置一个线圈。 • 分析线圈要旋转的条件：
10
• 磁场旋转-----切割线圈-----线圈产生电势-----产生 电流----在磁场中产生转矩-----线圈旋转 • 旋转方向： • 旋转的速度：
11
• 因此，交流电机能够旋转的条件： • 旋转磁场+闭合的线圈 • 结果：线圈与磁场同方向旋转，速度小于磁场的 速度，同时线圈的旋转速度与负载的大小有关。
2.旋转磁场的旋转方向 • 三相电流：
iA I m sin t iB I m sin(t 120 )
Im
i iA
iB iC
o
60o
t
iC I m sin(t 240 )
• 任意调换两根电源进线（B相和C相互换） n0 60 iA 首端 A A A A A YY S YY SZ Z Y X Z iB CC CCN B N B C B B B t 60 X t 0 X iC X X
14
第一节三相异步电动机的工作原理
1.旋转磁场的产生 • 旋转磁场——极性和大小不变，且 以一定转速旋转的磁场 • 对称三相绕组——A-X、B-Y、C-Z 三个线圈分布在定子铁心内圆圆周 上，从空间上看，三相互差120° • 该绕组接上对称三相电源后通过对 称三相电流
iA I m cos t iB I m cos(t 120 ) iC I m cos(t 240 )
7
• 显然，不管通电线圈中是什么样的电流，由于磁 场是周期性变化的，所以产生的转矩是零 • 所以在该磁场中通电线圈不会旋转 • 那么磁场需要怎样处理才能产生转矩呢？
8
• 从以上分析，脉振磁场不能产生转矩的原因是产 生转矩的叠加是零，因此希望不同时间磁场最大 值出现的点是变化的，这样才可能实现转矩的叠 加不为零。 • 因此需要磁场最大值（轴线）是变化的。
26
第一节三相异步电动机的工作原理
二 三相异步电动机的结构
绕线转子异步电机剖面图 1—转子绕组 5—转子铁心 2—端盖 3—轴承 4—定子绕组 6—定子铁心 7—集电环 8—出线盒
27
第一节三相异步电动机的工作原理
28
第一节三相异步电动机的工作原理
29
第一节三相异步电动机的工作原理
1、定子 • 异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成
38
案例
• 1.单相绕组通以单相交流电，产生脉振磁场；那 么能分析脉振磁场与圆形旋转磁场之间的关系？ • 2.异步电动机有哪些运行状态？这些运行状态转 差率的取值范围多大？ • 3.异步机旋转方向改变的方法。 • 4.异步电动机定子电流估计的方式。 • 5.异步电动机负载增大时，定子电流是否发生变 化？
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第一节三相异步电动机的工作原理
定子冲片——减少 旋转磁场的涡流损 耗和磁滞损耗
• 定子绕组：是异步电机定子部分的电路 • 由许多线圈按一定规律连接而成，单层或双层形式
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第一节三相异步电动机的工作原理
• 机座：固定和支撑定子铁心
2、转子 • 异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 • 转子铁心：也是异步电机主磁通磁路的一部分。
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[例6-1] 有一台50Hz的三相异步电动机运行，空载转差率为 0.267%，额定转速为 nN 730r / min 求该电动机的极对数、同步转 速、空载转速以及额定负载时的转差率。 同步转速 考虑本题的额定转速 空载转速
ns
60 f1 60 50 3000 p p p ns 750r / min 极对数 p 4
异步电机一般都作电动机用，因为异步发电机的性能较差。 异步电动机在工农业、交通运输、国防工业以及其它各行各 业中应用非常广泛。原因就在于它和其他各种电动机比较， 具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，特 别是和直流电动机相比。但是异步电机不能经济地实现平滑 调速；必须从电网吸取滞后的励磁电流，使电网功率因数变 坏。
6
• 从两方面进行分析： • 某一个瞬间，磁场的空间分布是对称的，磁场最大值出现 的点是线圈的中心线（轴线）方向； • 从时间变化，随时间变化-----电流大小变化----磁场的大小 和方向也是变化的-----单最大值出现的点不变 • 即磁场是脉动的----称为脉振磁场 • 那么，通电线圈在该磁场中是否会产生转矩？
第五章 三相异步电动机电 机原理
1
主要内容
• 第一节 三相异步电动机的工作原理
• 第二节 三相异步电动机的电子绕组 • 第三节 三相异步电动机的定子绕组的磁动势和电动势
• 第四节 三相异步电动机的运行分析
• 第五节 三相异步电动机的参数测定
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本章要求
• 熟练掌握三相异步电动机的工作原理与运行状态
15
iA
首端
A Z
X
iC
iB
Y C
B
第一节三相异步电动机的工作原理
• 三相电流合成磁场 • 电流方向： • “+”——首端流出、末端流入； • “-”——末端流出、首端流入。
S
N
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• 结论：当对称三相电流通入对称三相绕组时，产生一个大 16 小不变、转速一定的旋转磁场。
第一节三相异步电动机的工作原理
第一节三相异步电动机的工作原理
旋转磁场转速ns与极对数 p 的关系
极对数 每个电流周期 磁场转过的空间角度 同步转速
( f1 50Hz )
p 1
p2
p3
p4
360
180
3000(转/分）
1500(转/分）
120
1000(转/分）
750 (转/分 ）
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第一节三相异步电动机的工作原理
5.三相异步电动机的工作原理 • 在定子和转子间的气隙中建立以同 步转速ns旋转的旋转磁场； • 转子导条构成闭合回路； • 导条切割旋转磁场感应电动势； • 导条构成闭合回路有感生电流流过； • 导条在旋转磁场中、并流过感生电 流，必受到电磁力； • 所有导条的电磁力合成为电磁转矩； • 转子跟随旋转磁场旋转，转速为n， 实现机电能量转换。
• 了解三相异步电动机的结构
• 掌握三相异步电动机的铭牌数据含义 • 掌握三相异步电动机定子绕组的基本量 • 熟练掌握三相异步电动机定子磁动势的计算 • 熟练掌握三相异步电动机定子绕组电动势的计算
3
交流电机有两大类：异步电机和同步电机。同步电机的转速 与交流电源频率之间存在严格的对应关系。异步电机则不然。 异步电动机定子接上交流电源后，形成旋转磁场，依靠电磁 感应作用，使转子绕组感生电流，产生电磁转矩，实现机电 能量转换。因其转子电流是由电磁感应作用而产生的，因而 也称为感应电机。
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第一节三相异步电动机的工作原理
• 转子绕组：分为鼠笼型和绕线型两种结构。 • 鼠笼型绕组 • 绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相，笼型绕 组的各相均由单根导条组成。 • s<5%，导条中的感应电动势不大，无需对导条和铁心绝 缘。因此，笼型绕组可由插入每个转子槽中的导条和两端 的环形端环组成。 • 特点：无集电环，又无绝缘。
铸铝笼 型转子
铜条笼 型转子
33
• 每一根导条在同一时间的电势是否相同？
34
第一节三相异步电动机的工作原理
鼠笼型转子
35
第一节三相异步电动机的工作原理
• 绕线型绕组 • 也是一个对称三相绕组，接成星形，并接到转轴上的三个 集电环上，再通过电刷使转子绕组与外电路接通。 • 特点：绕线型转子通过集电环和电刷，可以在转子回路中 接入附加电阻或其他控制装置，从而改善电机的起动性能 或调速特性。
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第一节三相异步电动机的工作原理
交流电机的分类
•
交流电机类型——异步电机和同步电机
• • • •
同步电机的转速与交流电源频率之间存在严格不变的关系 异步电机的转速与速度没有严格的对应关系。 异步电机一般都作电动机使用，应用广泛 同步电机一般作为发电机使用。
• 按电源相数：单相电机和三相电机；
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iA
A X A' Y' X' B' Z' Z C' Y
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极对数：
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iB
iC
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
B
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• 结论：旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列规则有关。
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4.旋转磁场的转速 • p=1：
N
N
N
N
• 三相电流经过一个周期T，旋转磁场在空间上转过360o， 即电流变化一次，旋转磁场转过一转，因此转速ns与交流 电流频率f1的关系：
左手定则决 定电磁力和 转矩方向 右手定则决 定电动势和 电流方向
旋转磁场以ns逆时针转动 感应电动势和电流方向：N 极下流入、S极下流出 电磁力和电磁转矩方向：逆 时针 转子旋转方向：逆时针23
第一节三相异步电动机的工作原理
6.三相异步电动机的转速 • 问题：转子转速n为多大？能否与ns相同？能否超过ns ？ • 异步电动机转动的关键在于导条受到电磁力的作用 • 产生电磁力的条件—— • 导条中有电流流过 • 导条中电流来源—— • 导条中的感应电动势 • 产生感应电动势的条件—— • 导条与旋转磁场之间存在相对运动，导条切割旋转磁场 而发生电磁感应作用 • 结论：异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步 转速ns，即与旋转磁场“异步”地转动——“异步”电动机 24
•
结论：任意调换两根电源进线则旋转磁场反转，即旋转磁 17 场的旋转方向取决于三相电流的相序。
第一节三相异步电动机的工作原理
3.旋转磁场的磁极对数
iA
A
iB
iC
B
Y X Z
C
• 每相一个线圈： • 绕组的首末端之间互差180o 极对数：
p 1
t 0
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第一节三相异步电动机的工作原理
• 每相两个线圈串联： • 绕组的首末端之间互差90
ns 60 f1 （r/m）
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N
• p=2： • 三相电流经过一个周期 T，即电流变化一次，旋转 磁场在空间上仅转过1/2转， 因此转速ns与交流电流频率 f1的关系：
N
f1 ns （r /s） 2
N
N • 类推，对于p对磁极的旋转 磁场，电流变化一次，磁场 转过1/p转。 • 结论：旋转磁场的转速ns（同步转速）与电源频率f1、极对 数p有关。 f1 60 f1 ns （r /s） （r /min） 21 p p
异步电机分类
结构简单，坚固， 成本低，但是运行 性能不如绕线式
可以通过外串电阻 改善电机的启动和 调速性能
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• 电机要旋转-----需要产生转矩------转矩产生的条 件是磁场与通电线圈。 • 交流电：大小是变化的、方向是变化的----幅值、 频率、相位 • 单个线圈通入单相交流电将会产生怎样的磁场？
ns (1 s0 ) 750(1 0.267%)r / min 748r / min ns 额定转差率 sN ns nN 100% 750 730 100% 2.67% nN 750
第一节三相异步电动机的工作原理
7.三相异步电动机的运行状态 • 根据转速或转差率的不同，异步电机分 别对应于三种不同的运行状态： • 电动机状态——0<n<ns或0<s<1 • 转子侧：Te与n同向，Te为驱动转矩， TeΩ>0，发出机械功率 • 定子侧：吸收电功率 • 吸收电功率发出机械功率——电动 机
第一节三相异步电动机的工作原理
• 转差——转速ns与n之差 • 结论：转差的存在是异步电动机运行的必要条件 • 转差率——转差ns-n与同步转速ns之比的百分值
ns n s 100% ns
• 转子转速n与转差率之间的关系：
n (1 s)ns
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讨论
• • • • 从异步机的工作原理看，对异步机的结构有何要求？ 异步机的转子如何实现闭合？ 异步机转子的电流是交流还是直流？ 对异步机转子的相数是否有要求？
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第一节三相异步电动机的工作原理
绕线型转子
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第一节三相异步电动机的工作原理
3、气隙 • 气隙大小对异步电动机性能的影响： • 气隙大磁阻大励磁电流大电机的功率因数变坏；
• 气隙大磁阻大减少气隙磁场谐波含量减少附加损 耗，且改善起动性能。
• 应综合考虑，一般异步电动机的气隙以较小为宜
第一节三相异步电动机的工作原理
一、三相异步电动机的工作原理与运行状态
•
直流电动机和异步电动机产生电磁转矩的区别 • 直流电动机——
静止磁场+电源导入电枢绕组的电流电磁转矩
•
•
三相异步电动机——
旋转磁场+在转子绕组中的感生电流电磁转矩
• •
三相异步电动机中实现机电能量转换的前提是产生一种旋 转磁场
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交流异步电动机的基本原理分析
• 一个磁场中放置一个线圈。 • 分析线圈要旋转的条件：
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• 磁场旋转-----切割线圈-----线圈产生电势-----产生 电流----在磁场中产生转矩-----线圈旋转 • 旋转方向： • 旋转的速度：
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• 因此，交流电机能够旋转的条件： • 旋转磁场+闭合的线圈 • 结果：线圈与磁场同方向旋转，速度小于磁场的 速度，同时线圈的旋转速度与负载的大小有关。
2.旋转磁场的旋转方向 • 三相电流：
iA I m sin t iB I m sin(t 120 )
Im
i iA
iB iC
o
60o
t
iC I m sin(t 240 )
• 任意调换两根电源进线（B相和C相互换） n0 60 iA 首端 A A A A A YY S YY SZ Z Y X Z iB CC CCN B N B C B B B t 60 X t 0 X iC X X
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第一节三相异步电动机的工作原理
1.旋转磁场的产生 • 旋转磁场——极性和大小不变，且 以一定转速旋转的磁场 • 对称三相绕组——A-X、B-Y、C-Z 三个线圈分布在定子铁心内圆圆周 上，从空间上看，三相互差120° • 该绕组接上对称三相电源后通过对 称三相电流
iA I m cos t iB I m cos(t 120 ) iC I m cos(t 240 )
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• 显然，不管通电线圈中是什么样的电流，由于磁 场是周期性变化的，所以产生的转矩是零 • 所以在该磁场中通电线圈不会旋转 • 那么磁场需要怎样处理才能产生转矩呢？
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• 从以上分析，脉振磁场不能产生转矩的原因是产 生转矩的叠加是零，因此希望不同时间磁场最大 值出现的点是变化的，这样才可能实现转矩的叠 加不为零。 • 因此需要磁场最大值（轴线）是变化的。
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第一节三相异步电动机的工作原理
二 三相异步电动机的结构
绕线转子异步电机剖面图 1—转子绕组 5—转子铁心 2—端盖 3—轴承 4—定子绕组 6—定子铁心 7—集电环 8—出线盒
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第一节三相异步电动机的工作原理
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第一节三相异步电动机的工作原理
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第一节三相异步电动机的工作原理
1、定子 • 异步电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成
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案例
• 1.单相绕组通以单相交流电，产生脉振磁场；那 么能分析脉振磁场与圆形旋转磁场之间的关系？ • 2.异步电动机有哪些运行状态？这些运行状态转 差率的取值范围多大？ • 3.异步机旋转方向改变的方法。 • 4.异步电动机定子电流估计的方式。 • 5.异步电动机负载增大时，定子电流是否发生变 化？