电工与电子技术基础——三相异步电动机及控制电路电子教案

6.2.2 旋转磁场

电流可以产生磁场是电磁现象的客观规 律。三相异步电动机工作时，定子绕组 接成星形或三角形，接至对称三相电源， 三相电流通过三相绕组将产生一个在空 间旋转的磁场，在它的作用下，转子产 生电磁转矩，使转子旋转。
用图解法求三相电流产生的旋转磁场。 假定电动机的定子只有六个线槽，绕有三个 绕组U1—U2，V1—V2 ，和W1—W2，如图示。 三个绕组在定子铁心槽上南分布彼此相隔 120°。
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三相异步电动机的定子绕组共有六个引线端， 分别固定在接线盒内的接线柱上，各相绕组的 始端分别用U1、V1、W1表示；末端用U2、V2、 W2表示。定子绕组的始末端在机座接线盒内的 排列次序如图示：

定子绕组有星形和三角形两种接法。若将U2、V2、 W2接在一起， U1、V1、W1 分别接到A，B，C三 相电源上，电动机为星形接法，实际接线与原理 接线如图所示。



当将电动机定子绕组的三个线圈的始端U1、V1和W1接到对称 三相电源时，绕组中有对称三相电流iA、iB、iC通过。设三相 电源的相序是A－B－C，iA的初相为零，则对称三相电流为 iA＝Imsinωt iB＝Imsin（ωt －120°） iC＝Imsin（ωt十120°） 三相电流的波形和建立旋转磁场的过程如图示。
（1）额定状态。 额定状态是电动机的电压、电流、功率和转速都 等于额定值时的状态，电动机工作在特性曲线的 N点，约在n0M段的中间附近。这时的转差率sN、 转速nN和转矩TN分别称为额定转差率、额定转速 和额定转矩。 额定状态说明了电动机的长期运行能力。因为， 若T>TN，则电流和功率都会超过额定值，电动机 处于过载状态。长期过载运行电动机的温度会超 过允许值，将会降低电动机的使用寿命，甚至会 烧毁，所以电动机不允许长期过载运行。因此， 长期运行时电动机的工作范围应在机械特性的 n0N段。

2．转子转动 由于异步电动机工作时转子绕组被短路，所以在 感应电动势的作用下产生了感应电流，感应电流与 感应电动势的方向一致。电流的大小与转子切割磁 场的速度有关，当转子静止时，旋转磁场与转子相 对切割的速率最大，感应电流也最大。 转子绕组中有F感应电流，就要受到旋转磁场电磁 力的作用，方向由左手定则判定。由图中可以看出 电磁力F的方向与旋转磁场方向一致，也为顺时针 方向。电磁力在转子上形成转矩，于是转子在电磁 转矩的作用下沿着旋转磁场的方向旋转。
例 一台四对磁极的三相异步电动机，接在工 频电源上，其转差率为0.02。求电动机的转速。 解 电动机同步速 n0=60f /p=60× 50/4 =750r／min 可知电动机转速 n＝（1一s）n0 ＝（－0.2）×750 ＝735 r／min

Q t
6.3 三相异步电动机的机械特性

异步电动机工作时，转速将随着负载转矩的增大 而下降，这是因为转子转速下降后，导致转差率

(a)
(b)

绕线式转子绕组和定子绕组相似，也为三相对称绕组。转子 的三相绕组通常接成星形，三榷绕组的始端分别接到固定在 轴上的三个铜制滑环，环与环、环与轴都彼此绝缘。在各环 上用弹簧压着碳制电刷，通过电刷使转子绕组与变阻器接通。 绕线式转子的结构如图示。绕线式转子的特点是：转子绕组 通过滑环和电刷与变阻器接通，可以改变异步电动机的起动 性能或调节电动机的转速。在正常工作情况下，转子绕组是 短路的，不接入变阻器。绕线式与鼠笼式电动机在结构上有 所不同，但工作原理是相同的。
6.1.3 其他部件

电动机的其他部件有端盖、轴承盖、轴承、 风扇、风扇罩、接线板和接线盒等。端盖用 于支撑转子并遮盖电动机内部，一般由铸铁 制成、固定在机座上。端盖中间是轴承，每 一个轴承的内外侧都有轴承盖，防止润滑油 外流和灰尘进人轴承。风扇用于冷却电动机， 一般装在转子的轴后端，外罩风扇罩，风扇 罩用螺钉固定在机座上。接线板在接线盒内， 定子绕组的引出线固定在接线板的接线柱上。
6.1.1 定子结构

三相异步电动机的定子主要由机座和装在机座内的圆筒形铁心 及铁心上的定子线圈绕组构成。机座一般是由铸铁或铸钢制成， 在机座内装有定子铁心，铁心是由互相绝缘的硅钢片叠成。铁 心的内圆周表面冲有均匀的平行槽，在槽中放置了对称三相绕 组。图（a），（b），（c）分别为未装绕组和装有绕组的三 相异步电动机的定子及定子硅钢片的形状
当电源频率为50 Hz时，对于不同磁极对数的电 动机其旋转磁场的同步转速为 p＝1 n0 =60×50/1＝3000 r／min p ＝2 n0 =60×50/2＝1500 r／min p＝3 n0 =60×50/3= 1000 r／min p ＝4 n0 =60×50/4= 750r／mln 由此可见，三相电动机磁极对数越多，其同步转 速就越低。电动机旋转磁场的旋转方向由三相交 流电的相序决定，若要改变旋转磁场方向，只要 改变通入电动机的三相电流相序即可。

由实验可知，电磁力的方向既与电流方向垂直也与 磁场的方向垂直。三者之间的关系可以用左手定则表 示。如图示，将左手的手掌伸平，使大拇指与其他四 指垂直，让手掌迎向磁场方向，四指指电流方向，大 拇指所指的方向就是电磁力的方向。 由左手定则还可知，若要改变导体所受电磁力的方 向，只要改变导体电流方向或者改变磁场方向即可。 电动机和某些测量仪表就是利用电磁力的原理制成。
6.2 三相异步电动机的工作原理
6.2.1 磁场对电流的作用 6.2.2 旋转磁场 6.2.3 电动机转子旋转原理
6.2.1 磁场对电流的作用
通常将带有电流的导体叫做载流导体。当载流导体 处于磁场中时要受到电磁力的作用，使导体向一定 方向运动。 实验证明：电磁力的大小与磁场的磁感应强度B， 导体中的电流I及导体在磁场中的有效长度l成正比： 在均匀磁场中，当导体与磁场E相垂直时，电磁力的 大小为 F＝BIl 在式中，当B的单位为韦伯（Wb）、Ⅰ的单位为安 培（A）、l的单位为米（m）时，电磁力F的单位是 牛顿（N）。载流导体在磁场中所受电磁力的大小还 与磁场和导体的相互位置有关，可以证明：当磁场 与导体垂直时电磁力最大，平行时电磁力最小。
鼠笼式转子的铁心槽内放置有粗铜条，铜条的两端 用短路环焊接起来，形状像一个圆筒形捕鼠的笼子， 因此叫做鼠笼式转子，如图a。 目前，100 kW以下的鼠笼式电动机通常采用铸铝 式，即把铝熔化后浇注到转子铁心槽内，同时将转 子端部的短路环和冷却电机的风扇也一起用铝铸成， 如图b，这种方法既简单又节省铜材。

为了适应各种工作环境的需要，异步电动机的外壳 可以制成开启式、封闭式、防护式、防爆式等不同 形式。图示为防护式电动机。其外壳有遮盖装置， 可以防水滴、铁削或其他杂物落人电动机内部。防 护式电动机常用在水泵和鼓风机上。封闭式电动机 完全封闭，内部与外部隔离，能防止灰尘、铁削、 水滴或其他飞扬物侵入电动机内部。它除与防护式 电动机有相同的用途外，还适用于灰尘多和水土飞 溅的地方，如磨床、铣床，车床和球磨机等。

例 一台四极三相异步电动机，转子实际转速为 1440 r／min，电源频率为50 Hz。求这台电动 机的转差率。 解 四极为二对磁极，电动机的磁极对数p＝2， 其同步速 n0=60f /p=60× 50/2＝1500 r／min 转差率 s =（n0 – n）/ n0 =(1500－1440)/1500 ＝0.04
6.1 三相异步电动机的基本结构
6.1.1 定子结构
6.1.2 转子结构
6.1.3 其他部件

三相异步电动机主要由定子（固定部分）和转子 （转动部分）两个基本部分组成。定子和转子彼此 由空气隙隔开，为了增强磁场，空气隙尽可能的小， 一般为0.3～1.5mm，电动机的容量越大，空气隙就 越大。图示为三相鼠笼式异步电动机的结构图。

6.2.3 电动机转子旋转原理
1．转子中的感应电动势 三相异步电动机是利用旋转磁场和电磁感应原理工作。设 某一瞬间三相交流电在定子绕组中合成的旋转磁场如图示 此时旋转磁场以同步转速n0顺时针旋转。转子与旋转磁场 产生相对运动，转子绕组切割磁场，在转子绕组中产生感 应电动势。
感应电动势的方向由右手定则确定，可假定转子 绕组向逆时针方向运动切割磁场。伸出右手， 掌心迎向旋转磁场的N极，大拇指与四指垂直， 大拇指指向转子绕切割磁场的方向，四指所指 的方向即为感应电动势的方向。由图可知，在 中性线oo′以上的转子绕组中，感应电动势方向 是垂直纸面向外，在oo′以下的转子绕组中，感 应电动势的方向是垂直纸面向里的。

转子的转速必须小于旋转磁场的同步转速，如 果转子的转速与旋转磁场的同步转速相等，则 转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因此转 子不再切割磁场，不能产生感应电动势和电流， 转子在磁场中也就不会受到电磁力的作用，没 有产生电磁转矩，转子不能转动。所以转子的 转速一定要小于旋转磁场的同步速，两个转速 不能同步，因此将这种电动机叫做异步电动机。 由于异步电动机原理是建立在电磁感应基础上 的，所以也称之为感应式电动机
中等职业学校教学用书（电子技术专业）
电工与电子技术基础（第2版）
电子教案
主 编 刘莲青 王连起
第6章 三相异步电动机及控制电路
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机的工作原理 三相异步电动机的机械特性 三相异步电动机的启动与反转 三相异步电动机的运行与维护 三相异步电动机的铭牌参数 三相异步电动机的直接起动实验 三相异步电动机的正反转控制实验

如果将U1接W2，V1接U2，W1接Ⅴ2，然后分别 接到三相电源上，电动机就是三角形接法，如 图示
6.1.2 转子结构

三相异步电动机的转子根据构造上的不同，分 为鼠笼式和绕线式两种型式。转子铁心也是由 互相绝缘的硅钢片叠成圆柱形，其表面冲有均 匀分布的平行槽，用来嵌放转子绕组。转子硅 钢片的形状如图示。
若用n表示电动机的转速，则同步速n0与转子转速n 之差叫做转差，转差与同步速的比值称为转差率，用 s表示，即 s＝（n0 – n）/ n0 因此转子转速 n＝（1一s）n0 转差率表示了转子与旋转磁场之间相对运动速度的大 小，它是分析异步电动机工作情况的重要参数。当电 动机接通电源起动瞬间， n0＝0，s＝1；当电动机转 速接近同步速时， n≈ n0 ，s≈0。显然，转差率越小， 转子转的越快；反之，转差率越大，转子转的越慢。 电动机在正常运行时， n0 > n>0，0＜s<1。




由图可以看出，对于三相绕组形成的一对磁极旋转磁场，电 流变化一个周期，旋转彦场在空间旋转一周。即旋转磁场每 秒钟的转速等于交流电的频率f，如果用n0表示旋转磁场每分 钟的转速，则 n0 ＝60f 对于两对磁极的电动机，电流变化一周，旋转磁场只转过一 对磁极的位置，磁场在空间只转了半周，所以旋转磁场的转 速为60f / 2 。 依次类推．当电动机有p对磁极时，旋转磁场的转速与电流 频率和磁极对数的关系为 n0 ＝60f /p 其中n0表示旋转磁场每分钟的转速与交流电频率成正比；与 电动机定子绕组的磁极对数成反比，通常将n0 称为同步转速。
增大，在转子中产生较大的感应电流及转差率
增大，在转子中产生较大的感应电流及相 应的电磁转矩，与外负载转矩的增大相平 衡。当电动机定子电压和频率保持不变时， 三相异步电动机的转速n与电磁转矩T之间 的关系称为机械特性。

通过实验可以得到如图示三相异步电动机的机 械特性曲线。机械特性曲线上的N、M、S三个 特殊的工作点代表了三相异步电动机的三个重 要工作状态。

为了改善散热条件，电动机的外壳上制有散热 片：防爆式电动机有严密的封闭结构，外壳具 有较强的机械强度。一旦有爆炸性气体侵人电 动机内部而发生爆炸时，电动机外壳能承受爆 炸时的压力，火花不会窜出外面而引起外界气 体爆炸。凡是有爆炸性气体的工作场所，如矿 山、化工车间及石油运输和冶炼等场所，都必 须采用防爆式电动机。