三相异步电动机的转动原理

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p=1时
n0 60 f1
(转/分） IImm
i
iA
iB
iC
工频：f1 50 Hz
0o
t
n0 3000 (转/分）
A
NZ
Y B
CS
X
A
SZ
Y
B
C
N
X
A
NZ
Y B
CS
X
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p=2时
C
Y A
N
•Z
•
X
B
S
S
B
X
•
Baidu Nhomakorabea
Z • N C
A Y
t 0
Im i iA iB iC
t
A
YN
Z
图示排列时，产生一对磁极的旋转磁场，即：
C
SB
X
p 1
t 0
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若定子每相绕组由两个线圈串联，绕组的始端之间互差60°，将形成两对磁极的旋转磁场。
iA
A
X A'
Z' X'
iC
C' Y' Y
Z B'
C
B
iB
Y A
C
Z
X
B
B
X
Z
C
A Y
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• 下图是电流变化周期为0度时磁场与电流方向：
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• 下图是电流变化周期为90度时磁场与电流方向：
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• 下图是电流变化周期为180度时磁场与电流方向：
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• 下图是电流变化周期为270度时磁场与电流方向：
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• 把鼠笼放在有旋转磁场的定子铁芯中间，在定子芯绕组通上三相交流电产生旋转磁场，会看到鼠笼会跟着旋转磁场旋转。因为磁场旋转时，鼠笼的铜条切割磁力线产生电流，而有电流的铜条又受到磁力的作用，于是鼠笼便旋转起来。
• 下面四幅图是鼠笼随磁场旋转的动画截图，为使画面清楚，仅显示旋转磁场与鼠笼电流的方向。感生电流的方向可用右手定则判断，铜条受力方向按左手定则判断。图中标有磁力线与旋转方向，铜条端面的颜色代表电流的方向。绿色表示电流指向屏幕外，红色表示电流指向屏幕内，黄色表示无电流，电流变化用颜色变化表示。
例1：一台三相异步电动机，其额定转速
n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。
解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转
速的关系可知：n0=1000 r/min , 即 p=3
额定转差率为
s n0 n 100% 1000 975 100% 2.5%
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• 下图是笼型转子异步电动机外观图
动画
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• 三相交流异步电动机以其结构简单，密封性好，维护容易，价格低廉而广受欢迎，应用非常广泛。
• 相比直流电动机：交流异步电动机没有电刷与换向器，没有直接磨损部件，故障率与维护大大减少；电机采用密封，避免粉尘、杂质的污染，可靠性大大提高。单位重量功率比直流电机高出2倍以上，造价大大降低，交流异步电动机得到最广泛的应用。近年来在交通领域作为牵引电机也得到广泛应用。
n0
1000
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• 把转子插入定子中间，通过轴承安装在端盖上，端盖安装在机座上，装上风扇罩，一个三相交流异步电动机就组成了。接入三相交流电源后定子产生的旋转磁场就可带动笼型转子旋转。下图是笼型三相异步电动机的剖视图。
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• 机座装上端盖后，转子与定子与定子绕组都密封在机座内，能很好的防尘。定子与转子产生的热量由机座外壳散热，笼型转子上的风叶搅动机内空气使热量尽快传到外壳上，外壳上的散热片加大了散热面积。这还不够，在电机端盖外还装有风扇罩，风扇罩端部开有通风孔，风扇旋转时就像离心风机，空气从风扇罩端部进入，从风扇罩与端盖之间的空隙吹出，吹向机座上的散热片，大大加速了电机的散热。
动画1
动画2
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• 以上图片与动画中定子的三相绕组是独立的，实际应用中三相绕组是按星形接法（下图左）或三角接法（下图右），同样会产生旋转磁场。
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旋转磁场的极对数P
iA
A
Im i iA iB iC
o
ZX
iC C
Y B
iB
当三相定子绕组按
iB Im sint 120 iC Im sint 120
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• 三相交流电通过三相绕组来产生旋转磁场，三相绕组由三个嵌在电动机定子铁芯上的线圈组成，下面是一个三相交流电动机模型的定子，在定子内圆有6个嵌线槽，分别嵌有A、B 、C三相线圈，三个线圈按120度分布，黄色线框AX是A相线圈，绿色线框BY是B相线圈，红色线框CZ是C相线圈。线框的A、B、C端为线圈入端，X、Y、Z端为线圈出端。
请观看三相交流异步电动机原理模型旋转动画。
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3. 转差率
由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场
旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即
如果: n n0 n n0
异步电动机
转子与旋转磁场间没有相对运动，磁通不切
割转子导条
无转子电动势和转子电流
360
3000 (转/分）
p2
180
1500 (转/分）
p3
120
1000 (转/分）
p4
90
750 (转/分）
可见: 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。
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二.异步电动机的转动原理
2.三相异步电动机的转动原理
三相交流异步电动机也是用三相交流电产生的旋转磁场来带动电动机转子旋转的，转子不是永磁的也不是线绕电磁的，在转子铁芯上镶嵌着一个 “鼠笼”。下图是一个铜制的鼠笼，由多根铜条与两个铜端环组成，铜条与铜端环有良好的电连接。
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• 显然，鼠笼是不可能与磁场同步旋转的，只有鼠笼比磁场转的慢才有鼠笼与磁场的相对转动，才能切割磁力线感生电流，感生电流在洛伦兹力作用下推动鼠笼转子异步旋转。鼠笼与磁场转速之差称为转差，转差大则感生电流大，电流大则力大，力大则增加鼠笼转速。转差与力会形成平衡，鼠笼转速将稳定在某一转差值。
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嵌放绕组的定子铁心
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定子绕组展开图
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• 定子铁芯固定在机座上，机座外面有散热筋（散热片）帮助定子散热，机座由铸铁或铸钢铸造。下图是剖面的定子与机座图。
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无转矩
因此，转子转速与旋转磁场转速间必须要有差别。旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与
旋转磁场的同步转速之比称为转差率。
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转差率s
s

n0 n0
n

100%
转子转速亦可由转差率求得
n (1 s)n0
异步电动机运行中: s (1 ~ 9)%
鼠笼式
2.转子绕线式
铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。 (1) 鼠笼式转子
鼠笼转子
铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。或铸铝形成转子绕组。 (2) 绕线式转子
同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。
转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。
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转子
三相交流异步电动机的转子铁芯外周的许多槽是用来嵌放转子绕组，笼型感应电动机的转子绕组是笼型结构，俗称鼠笼。鼠笼由铜条或（铝条）与铜端环（铝端环）组成。但应用最广的小型异步电动机采用在转子铁芯上直接浇铸熔化的铝液形成鼠笼转子，在转子槽内直接形成铝条即绕组，并同时铸出散热的风叶，简单又结实，下图是铸有笼型绕组的转子。
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二、三相异步电动机的转动原理
1.三相交流电产生的旋转磁场
三相交流电由A、B、C三相组成，按每个交流周期360度算，每相间距120 度，下面是三相交流电波形图，黄色为A相波形，绿色为B相波形，红色为 C相波形，我国使用的三相交流电频率是50赫兹。
iA Im sint
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• 在转子转轴上装有风扇，这就是异步电动机的转动部分，见下图。
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异步电动机整机
• 在机座两端要安装端盖，端盖起着支撑转子的作用，同时密封电机。端盖中部是轴承安装孔，安装好轴承后盖上轴承盖，在电动机的后端还有风扇罩。
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• 在三个线圈通上三相交流电后，在定子铁芯中间会形成一个旋转磁场。在A相线圈端口输入的是A相电流IA ，在B相线圈端口输入的是B相电流IB，在C相线圈端口输入的是C相电流IC，在端口有箭头标明电流的方向。在定子铁芯中间有A相电流形成的黄色磁场箭头，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向；同样绿色与红色箭头分别代表B相与C相的磁场强度与方向；紫蓝色的箭头是A、B、C三相的合成磁场，其长度代表磁场强度，指向为磁场的方向。在动画中可看到三相电流的变化、三相磁场的变化及合成的旋转磁场。
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• 请观看鼠笼随磁场旋转的3D动画。
为增大导磁率，鼠笼是嵌装在转子铁芯内的，下图是一个嵌有铜制鼠笼的转子：
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• 把鼠笼转子插入定子铁芯中，组成一个三相交流异步电动机原理模型。通上三相交流电，电机就旋转了。由于转子旋转速度比旋转磁场慢，故称之为异步电动机。转子与旋转磁场旋转速度之差再与磁场旋转速度之比称为转差率，一般异步电动机运行时的转差率为2%至6%，输入三相交流电为50周时，鼠笼转子每分钟转速约2820至2940 转。
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iA
A
X A'
Z' X'
iC
C
C' Z
Y' B'
Y
B
iB
C
Y A
N
•Z
•
X
S
SB
B
X
•
Z • N C
A Y
Im i iA iB iC
0
极对数 p 2
旋转磁场的磁极对数
t 与三相绕组的排列有关
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旋转磁场的转速
旋转磁场的转速取决于磁场的极对数
0
t
30 Y
C
S
A
N
Z •B
n0
X
•
•
B• N
Z
X
S
C
A Y
t 60
n0

60 f1 2
1500
(转/分）
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旋转磁场转速n0与极对数 p 的关系
n0

60 f1 p
(转/分)
极对数
p 1
每个电流周期
同步转速
磁场转过的空间角度 ( f1 50Hz )
任务一三相异步电动的结构及转动原理
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一、三相异步电动机的结构
1.定子
铁心：由内周有槽的硅钢片叠成。
A ----X 三相绕组 B ----Y
C---- Z 机座：铸钢或铸铁
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一、三相异步电动机的结构
• 定子
• 三相交流异步电动机的定子铁芯由硅钢片叠成，在铁芯内圆有许多槽，用来嵌放定子绕组，见下图。电动机的转子铁芯也由硅钢片叠成，在铁芯外圆有许多槽，用来嵌放转子绕组，见下图中图。下图右图是转子铁心插入定子铁心示意图，定子铁芯与转子铁心之间留有气隙。