三相异步电机工作原理

4.1.2 三相异步电动机的基本工作原理
一、转动原理
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，将电能转化 为机械能。
• V2
W1

•
n1 •
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:
Hdl i Nci
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:
fc

1 2
Nci

1 2
Nc Ic
sint

Fcm
第4章 三相异步电动机
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
三相 单层 绕组 的优 缺点
元件少，结构简 单，嵌线方便， 槽内无层间绝缘
优点
单层绕组为 整距绕组
第4章 三相异步电动机
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。
可组成较 多的并联 支路
可以选择最有利的节
距，使电动势和磁动
优 势波形更接近正弦波 点
所有线圈的形状 和尺寸相同，便 于实现机械化
端部排列整齐 机械强度高
对V次谐波： pν
νp
τν
1τ ν
nν n αν να
fν

pν nν 60
νf
k y

sin( y 900
)
sin q
kq

2
q sin
2
E p 4.44 fNky kq
第4章 三相异步电动机
改善电动势波形的方法:
１．改善主磁极磁场的分布
２．改善交流绕组的构成，削弱谐波电动势
缺点
嵌线 困难
用铜 量大
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
电动势波形: e Blv 电动势频率: f pn
60
电动势大小: Ec1 2.22 fΦ1
随时间变化的波形 取决于气隙磁密在 空间的分布波形
二、整距绕组的电动势
二、额定值 定子绕组上的线电压.
额定转速nN ( r / min) 额定运行时电 动机的转速.
额定功率因数cos
额 额定 定效 频率 率fNN
N
额定值关系有： PN 3 UN INcosN ηN
第4章 三相异步电动机
三、接线
三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机 的定子部分完全相同。
sint cos
x
...
基波磁动势为:
fc1(
x,t
)

Fc1
sint
cos
x
基波磁动势最大值为:
42
Fc1 2 Nc Ic 0.9 Nc Ic
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
第4章 三相异步电动机
按转子结构分： 鼠笼型异步电动机 绕线型异步电动机
继续
继续
第4章 三相异步电动机
右图是一台三相鼠笼型异步电 动机的外形图。
下面是它主要部件的拆分图。
第4章 三相异步电动机
鼠笼型转子 铁心和绕组 结构示意图
三相绕线型 转子结构图
返回
第4章 三相异步电动机
第4章 三相异步电动机
x

1 2
Fp1
作为电动机，转速在 0 ~ n1范围内变化，转差率在0~1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：
n = ( 1 - s) n1
额定运行时，转差率一般在0.01~0.06之间，即电机转速接
近同步速。
第4章 三相异步电动机
6）工艺简单、便于制造、安装和检修。
第4章 三相异步电动机
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 y
= Z
2p
一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。
y 的绕组为整距绕组. y 的绕组为短距绕组.
•
•n

U1

•



U2
W2 V1
第4章 三相异步电动机
二、转差率
同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用s
表示，即：
s n1 n
Байду номын сангаас
n1
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，n 0, s 1;电机理想空载时，n n1 , s 0.
4.3.3 一相绕组的基波感应电动势
一、一相绕组的基波电动势 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
E p1 = 4.44 fNkw1 1
对单层绕组： N = pqNc 2a
对双层绕组： N = 2 pqNc 2a
第4章 三相异步电动机
二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响
第4章 三相异步电动机
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q>1的且 为奇数的小型三相 异步电动机。
每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的 电动势:
E y1(y ) Nc Et1 4.44 fNc 1
第4章 三相异步电动机
三、短距线圈的电动势 每个短距线圈的电动势:
E y1( y ) 4.44 fNcΦ1k y1
ky1

E y1(yτ) E y1(yτ)

sin(
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α,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：
Fq1 qFc1kq1 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：
3、电角度
电角度 p 机械角度
第4章 三相异步电动机
4、槽距角 a
相邻两个槽之间的电角度：
= p 3600
Z
5、每极每相槽数 q
每一个极面下每相所占的槽数为
6、相带
q= Z 2 pm
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。
第4章 三相异步电动机
f p1(x, t)
Fp1
sin
t
cos

x 0.9
Nk w1 p
Ip
sint cos
x
单相绕组的基波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
三、单相脉动磁动势的分解
f p1(x,t)
Fp1
sint cos
y τ
900
)
称为短距系数：
线圈短距时电动势 比整距时打的一个 折扣．
第4章 三相异步电动机
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:
Eq1(q=1 ) = 4.44 fqNck y1 1
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α电角度,电动势为:
（１）采用短距绕组来削弱高次谐波
让k y 0尽可能小.
采
y
用y
4 5




1
时
,
k
y
时,k y5 0, E

p5
0

,E
0
p
0
（２）采用分布绕组来削弱高次谐波
让kq 尽可能小 ３．采用Ｙ接线消除线电动势中的三及其倍数的奇次谐波
第4章 三相异步电动机
4.4交流电机绕组的磁动势
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。
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
状态
实现
转速 转差率 电磁转矩 能量关系
电动机
定子绕组接对 称电源
0 < n < n1
0 s 1
驱动 电能转变为机
械能
电磁制动
外力使电机沿磁 场反方向旋转
n<0
s 1
制动 电能和机械能变
成内能
发电机
外力使电机快速 旋转
n > n1
Eq1( q1 ) 4.44 fqNck y1kq1 1 4.44 fqNckw1 1
kq1
=
Eq1(q>1) Eq1(q=1)
=
sin qa 2
qsin a
2
称为基波分布系数:
线圈组电动势等于集 中线圈组电动势打的 一个折扣.
kw1 = k y1kq1
称为基波绕组 系数。
第4章 三相异步电动机
广泛应用于10kW以下 的异步电动机定子绕组
电动势和磁动 势波形较差
缺点
铁损和噪 声较大
起动性 能较差
不适宜于大 中型电机
第4章 三相异步电动机
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）。
Fp1 2 Fq1k y1 0.9( 2 qNc ) k y1kq1Ic
第4章 三相异步电动机
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:
s0
制动 机械能转变为电
能
第4章 三相异步电动机
4.1.3 型号和额定值
一、型号 例:
第4章 三相异步电动机
第4章 三相异步电动机
额定电流I N ( A )
在额定运行状态下流
入定子绕组的线电流.
额定功率PN ( kW )
额定电压U N ( kV或V )
额定条件下转轴上 输出的机械功率。
额定运行状态时加在
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）鼠笼式转子：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）绕线式转子：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
对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组 的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成“Y”形或“D”形。
U1
V1
W1
W2 U 2
V2
Y联结
U1
V1
W1
W2
U2
V2
D联结
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
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；
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
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。
第4章 三相异步电动机
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。
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
sint
空间分布为矩形波,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
矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:
fc (
x,t
)
Fc1
sint cos
x Fc3
sint cos
3
x
... Fc