三相异步电动机工作原理.docx

三相异步电动机工作原理三相异步电动机工作原理三相电动机工作原理一引言先从字面上讲解：什么是电机。实现电能与机械能相互转换的电工设备总称电机。电机是利用电磁感应的原理实现电能与机械能的相互转换。把电能转换成机械能的设备就叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，因为它具有结构简单，坚固耐用，运行可靠，价格低廉，维护方便等优点，被广泛地用来驱动各种金属切削机床，起重机，传送带，水泵（beng）等。为了了解电动机的工作原理，我们先来看看一个有趣的实验。我们发现，当摇动磁铁时，笼形转子也跟随转动，如果反方向摇动，笼形转子的方向也会发生变化。根据这个现象似乎有如下的结论：旋转磁场可以拖动笼形转子转动。现在我们就来分析，笼形转子转动的原因。为了方便，我们取笼形转子的一个封闭曲面来说明。二基本原理图1如图所示，在磁场中放置一个闭合导体回路。现在来分析一下，当磁条以n0的速度顺时针方向旋转时，闭合导体的运动情况。当磁场顺时针旋转时，导体上下（a,b）两端切割磁力线，（以a为例）根据电磁感应的定律，在这段导体中感应出感应电动势e。在此可以等效成磁极不动，导体逆时针转动，在导体中感应出电动势。感应电动势的大小e=blv，感应电动势的方向用右手定则确定。在感应电动势e的作用下，闭合回路中产生感应电流i。（方向如图所示）载流的导体a，在磁场中受到电磁力的作用，电磁力F的大小F=Bli，电磁力的方向用左手定则确定。（左手确定F的方向如图所示）。同样的方法，在导体b中，电磁力的方向如图所示。这两个力的合力使闭合回路以中心为轴转动起来。方向为顺时针方向。用同样的分析方法，可以判定：磁场逆时针旋转的时候，闭合回路也逆时针旋转。综上所述：当磁极发生旋转的时候，闭合回路也能跟着转动。这就是笼形转子转动的原因。我们可以得出以下结论：旋转的磁场是让笼形转子转动的原因。三三相异步电动机的工作原理1.电动机的基本结构这是一个鼠笼型电动机的结构图。（1）静止的部分-定子（定子铁心，定子绕组和机座）-结合图片说明a.定子铁心：环装，内圆均匀开槽。由导磁性能很好的硅钢片叠成。-导磁部分b.定子绕组：用铜铝线或者漆包线，绕好的成型线圈，放入槽内，槽绝缘。放在定子铁心内圆槽内-导电部分c.机座：铸铁的机座起支撑的作用。用来固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度（2）转动的部分-转子（转子铁心，转子绕组和转轴）a.转子铁心：硅钢片，外圆均匀开槽。由硅钢片叠成。b.轴：钢，两边有轴承支撑c.转子绕组：根据绕组方式的不同分为：鼠笼式和绕线式-结合图片说明鼠笼式：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一根相对称短路绕组。导体端部短路形成一体。结果简单，价格低廉，工作可靠。不能改变电动机的机械特性。绕线式：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。三相，形成星形。结果复杂，价格较贵，转子外加电阻可以改变电动机的机械特性。（3）气隙：转子与定子中间不是接触的，有一定的空气间隙。-结合图片说明（4）其他：轴承，风扇，前后盖等2旋转磁场的产生（异步电动机工作的首要条件是：有一个旋转磁场且磁场的极性，大小，转速均不变。这个旋转的磁场是由定子绕组按一定规律排列而产生的。理论与实践证明：三相对称绕组通入三相对称电流后，空间能产生一个旋转磁场并且极性，大小，转速均不变。）定子绕组的缠绕方式是有一定规律的。这是一个绕组的模型图。我们这样规定：构成三相绕组，绕组在定子中安放遵循如下规律：（1）三相定子绕组头尾标准为：A-X,B-Y,C-Z（2）三相定子绕组按A-Z-B-X-C-Y的顺序放10入槽内，使之空间上互差120度。每相绕组可能不止一个线圈，每个线圈也不是一匝最简单的是：每相一个线圈，3相绕组共3个线圈6个线圈边，定子上开6个槽。这样在一个截面上，我们可以得到如下的剖面图：我们再来说下绕组中通入的电流。这是三相绕组中通入的电流电气连接图。Ia,ib,ic就是我们平时用的交流电，它具有如下特点：这是三相对称的交流电，其电压大小相等，时间上互差120度。我们知道，三相交流电的表达式为：其波形如图所示：现在我们来研究一下，当时间上互差120度，大小相等的三相交流电，通入空间上互差120度，绕组匝数相等的闭合回路中，会产生什么样的现象。我们来研究最简单的一种情况，就是3相绕组共3个线圈一砸的情况。这样我们就可以利用上面的截面图来进行分析。我们规定：电流为正值时，从每相线圈的首端（A,B,C）流入，由线圈末端（X,Y,Z）流出。电流是负值时，从每相线圈末端流入，首端流出。取以下几个特定的时刻，来分析在截面上电流的流动方向。这样我们得到以下4张图：分析过程：右手螺旋定则可以判断通电导体附近产生的磁场方向。NS（四张图都是这样分析）当三相交流电，在时间上变化一周时，在定子绕组中也会产生在空间上旋转一周的磁场。那么当交流电随时间不段变化时，定子绕组中就会随之产生空间旋转的磁场，这个旋转的磁场还具有如下特点：（1）（2）（3）（4）相当于空间有一个大小，极性，转速不变的磁极在旋转。产生一对极，开6个槽，3个线圈，跨距是1/2个圆周按A,B,C相序，磁场逆时针旋转当电流变化一个周期时，磁场也旋转一周就这样，一个旋转的磁场产生了。通入三相交流电的定子绕组，产生了一个空间旋转的磁场，由于转子的结构特点具备了在磁场中转动的条件。这样，转轴就会转动起来。-这就是电动机的工作原理。2.工作原理定子绕组在通入三相对称交流电后能产生一个大小，极性，转速均不变的旋转磁场，以N0的速度旋转-相当于模型中的大磁铁当转子导条受磁场切割，右手定则（相对运动）可知，导条中感应电动势的方向，又因为转子是闭合的，产生感应电流，左手定则（磁场力），其合力能使转子以转轴为中心旋转（速度是N）这样固定在转子铁心上的轴承就会跟着转动起来。实现，把电能转换为机械能的过程。（a电生磁：三相对称绕组通以三相对称电流产生旋转磁场b磁生电：旋转磁场切割转子导体产生感应电动势和感应电流c电磁力：转子在磁场力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）异步-由于旋转磁场的速度N0总是快于转轴转动的速度N，看起来他们不是同步的，所以叫做异步电动机。这就是异步电动机的工作原理。三相异步电动机结构与工作原理三相异步电动机实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。三相异步电动机的结构与工作原理1三相异步电动机的构造三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。图5-1三相电动机的结构示意图1）定子三相异步电动机的定子由三部分组成：定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组定子绕组机座2）转子三相异步电动机的转子由三部分组成：转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组有两种形式：转子转子绕组鼠笼式-鼠笼式异步电动机。绕线式-绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.21.0mm之间。2三相异步电动机的转动原理1）基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。图5-2三相异步电动机工作原理(1)演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。(2)现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。(3)结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）旋转磁场（1）产生图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。iUImsint0iIsin(t120)Vm0iIsin(t120)mWiAZiBCiCAXYB子接线图5-3三相异步电动机定当t=00时，iA0，AX绕组中无电流；iB为负，BY绕组中的电流从Y流入B1流出；iC为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。当t=1200时，iB0，BY绕组中无电流；iA为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；iC为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。当t=2400时，iC0，CZ绕组中无电流；iA为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；iB为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。CBCXXBCXBYZYAAZYAZiiAiBiCtO120240360(a)t=0(b)t=120(c)t=240图5-4旋转磁场的形成（2）旋转磁场的方向旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。3）三相异步电动机的极数与转速（1）极数（磁极对数p）三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：1200p（2）转速n三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：n060f1p（5-1）由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1表5-1pn0130002150031000475056006500（3）转差率s电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。旋转磁场的转速n0常称为同步转速。转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：sn0nn0nn0(5-2)转差率是异步电动机的一个重要的物理量。当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式(5-3)例有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：sn0nn0100%10009751000100%2.5%n1sn0（4）三相异步电动机的定子电路与转子电路三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。总结：1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：n060f1p6、转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：sn0nn0nn0转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.0150.06之间。7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。