单相鼠笼式异步电动机的工作原理.docx

单相鼠笼式异步电动机的工作原理

　　问：单相鼠笼式异步电动机是怎样工作的？
　　答：单相鼠笼式异步动机由单相电源供电，它直接接到220伏单相交流电源上就能工作，但要采取一定的措施，否则启动不起来。我们日常生活用的一些家用电器，如空调器、电冰箱、洗衣机、电扇等广泛应用着单相异步电动机。
　　单相异步电动机根据其启动方法或运行方法的不同，可分为单相电容运行电动机；单相电容启动电动机；单相罩极式电动机等。下面分别介绍。单相异步电动机容量一般较小，运行性能较差。

(a)接线图 (b)电流相量图
　图1 单相电容运行异步电动机原理图
　　图1是单相电容运行异步电动机工作原理图。单相电容式异步电动机的定子铁芯上嵌放两套绕组：主绕组U1—U2（主绕组又称工作绕组）和副绕组Z1—Z2（副绕组又称启动绕组）。两套绕组在空间的位置上互差90度电角度。在启动绕Z1—Z2中串入一个电容器C后再与工作绕组并联，然后接到单相电源上。设流过启动绕组Z1－Z2的电流为iz,流过工作绕组U1—U2的电流以为iu,当接上电源后，流过两套绕组的电流iz与iu在相位上相差90度，如图2所示。
　　设电动机两个绕组接上交流电源后，电流为正值时，电流从绕组的头端进去尾端出来；电流为负值时，电流从绕组的尾端进去头端出来。

　　从图2可看到：在t＝0瞬间，iz=0，绕组Z1—Z2中无电流流过；而这瞬时iu为负值，绕组U1—U2中电流由U2进Ul出。用右手定则可判断，此时电动机中会产生如图2所示磁场，其合成磁场方向向下。
　　从图2可看到：在ωt=π/2瞬间，iu＝0，绕组U1—U2中无电流流过；这瞬间iz为负值，绕组Z1-Z2中电流从Z2进Z1出。此时电动机内磁场分布如图2所示，其合成磁场方向较t=0时刻顺时针方向旋转了一定角度。
　　依此类推，可看到单相鼠笼式异步电动机中iz与iu两个电流在单相异步电动机中产生的合成磁场也是旋转磁场，如图2所示。
　　单相鼠笼式异步电动机转子也是鼠笼式转子，即转子绕组是两端由短路环连接的鼠笼条。鼠笼条反方向切割旋转磁场，产生感应电动势和感应电流。在旋转磁场作用下，受电磁力使转子转动。只要改变工作绕组或启动绕组的首端、尾端与电源的接线，就可改变旋转磁场旋转方向，控制电动机的正反转。

三相鼠笼式异步电动机的工作原理（一）

　　图1 三相交流电波形图

　　t＝0 　　t＝T／6 　　t＝T／3 　　t＝T／2

　　编者按 应广大读者的要求，报纸从本期开始将陆续刊登进网作业电工考试的相关实用技术内容，方便读者提高实战技能。
　　图2 磁场方向的变化情况
　　撰文 陆荣华
　　问：三相鼠笼式异步电动机内旋转磁场产生的原因？
　　答：鼠笼式异步电动机结构简单、制造容易、成本低、运行维护方便，它被广泛地应用在工农业生产中，作为电力拖动的原动机。它的缺点是调速性能差，启动力矩较小，因此在一些要求平滑调速和启动力矩很大的场合常用其他类型电动机来完成。
　　在三相鼠笼式电动机的定子槽中嵌有空间互差120度的三相绕组。当三相绕组接上对称的三相电源时，在电动机内会产生一个旋转磁场。在旋转磁场作用下，转子鼠笼条中就会产生感应电动势和感应电流（因为鼠笼条两端由短路环连接，形成了闭合电路）。这时鼠笼条在磁场中会受到力的作用，通过分析可知，电动机转子在这些力的作用下，便转动起来。现在先分析三相定子绕组通上对称三相交流电后，产生旋转磁场的原理。
　　设电动机三相绕组接成星形接线，接上对称三相交流电源后，电流为正值时，电流从绕组的头端进去尾端出来；电流为负值时，电流从绕组的尾端进去头端出来。
　　现在假定通入三相绕组的对称三相交流电的波形如图1所示，则电动机三相绕组电流通入情况如图2所示。
　　从图2(a)可看到：在t＝0瞬间，iu=0，绕组U1—U2中无电流流过；而这瞬时iv为负值，绕组V1—V2中电流由V2进Vl出；这瞬时iw为正值，绕组W1—W2中电流由W1进W2出。用右手定则可判断，此时电动机中会产生如图2(a)所示磁场，其合成磁场方向向上。
　　从图2(b)可看到：在t=T／6瞬间，iw＝0，绕组W1—W2中无电流流过；这瞬间iv为负值，绕组V1—V2中电流从V2进V1出；这瞬时iu为正值，绕组U1—U2中电流由U1进U2出。此时电动机内磁场分布如图2(b)所示，其合成磁场方向较t=0时刻顺时针方向旋转了一定角度。
　　从图2(c)可看到：在t=T／3瞬间，此时iv=0，绕组Vl—V2中无电流通过；这瞬时iu为正值，绕组U1—U2中的电流从U1进U2出；这瞬时iw为负值，绕组Wl—W2中电流从W2进W1出。这时电动机内磁场情况如图2(C)所示，其合成磁场方向又较t=T／6时刻顺时针转过了一定角度。
　　从图2(d)可看到：t=T／2瞬间iu又等于零，此时U1—U2绕组中无电流通过，而此时iv为正值，绕组V1—V2中电流从V1进V2出；iw为负值，绕组W1—W2中电流从W2进W1出。此时电动机内磁场分布情况如图2(d)所示，其合成磁场方向又较t＝T／3瞬间顺时针转过了一定角度。
　　分析显示，三相定子绕组通过对称三相交流电后，在电动机内会产生一个顺时针方向旋转的磁场。假如通过的三相交流电相序不变，而将定子绕组的三个头U1、V1、W1与交流电源连接时，调换一个头，则可通过同样分析得知，电动机内产生的旋转磁场方向将改变，变为逆时针方向旋转。旋转磁场的旋转速度称为同步转速，常用n1表示。

三相鼠笼异步电动机的工作原理

一、鼠笼式转子的转动原理
      三相异步电动机是利用旋转磁场工作的，其工作原理可通过以下演示实验来直观地了解。    
    演示实验如图3-12所示，一个装有手柄的蹄形磁铁以轴座o1为支撑自由转动；在蹄形磁铁两磁极之间有一个鼠笼转子，鼠笼转子以轴座o2为支撑自由转动；轴座o1和轴座o2在同一条轴线上。蹄形磁铁和鼠笼转子之间没有摩擦力和机械连动关系，二者均可各自独立自由转动或保持静止。当摇动手柄使蹄形磁铁顺时针方向旋转时，磁场的磁感线就切割鼠笼转子上的铜条，相当于转子铜条逆时针方向切割磁感线，闭合的铜条中就会产生感生电流，其方向可用右手定则判定，如图 3-13所示。由于感生电流处在蹄形磁铁的磁场中，因此铜条要受到磁场力f的作用而使转子转动, 磁场力f的方向可根据左手定则判定，从判定的结果可知转子转动方向与蹄形磁铁旋转方向一致。手柄摇得快，转子转得也快；手柄摇得慢，转子转得也慢。同理，让蹄形磁铁逆时针方向旋转时，转子也随之按逆时针方向旋转。在上述演示过程中，是由蹄形磁铁旋转产生的旋转磁场使鼠笼转子转动的，而在实际的异步电动机中,并没有永久磁铁旋转，其旋转磁场是如何产生的呢? 以下讨论三相异步电动机定子绕组产生旋转磁场的具体过程。 二、旋转磁场的产生 

      设将定子三相绕组联成如图 3-14(a)所示的星形接法，三相绕组的首端u1、v1、w1分别与三相交流电的相线a、b、c相连接，三相绕组中通过的三相对称交流电流如图 3-14(b)所示。为了讨论方便,选定交流电在正半周时，电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。图3-15是定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场的示意图。当ωt=0时，a相电流为零；b相电流为负值，电流由v2端流进，v1端流出；c相电流为正，电流从w1端流进，w2端流出，根据右手螺旋法则，可以判定出此时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向，如图3-15(a)所示。 当ωt=90o时，此时a相电流为正，电流由u1端流入，u2端流出； b相为负，电流由v2端流进，v1端流出；c相为负，电流从w2端流入，w1端流出，这一时刻合成磁场的方向如图3-15(b)所示，磁场方向已顺时针方向在空间转过了90o。同理，可分别得出ωt=180o、ωt=270o和ωt=360o时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向，分别如图3-15(c)、(d)、(a)所示, ωt=36oo时与ωt=0o时的合成磁场方向相同。
      由此可见，电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。 从上述分析可知,三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场,是随电流的交变而在空间旋转的磁场。这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。

二、旋转磁场的转速
 磁场的旋转速度又称同步转速，它与三相电流的频率和磁极对数p有关。图3-15所示的定子绕组，它在任一时刻合成的磁场只有一对磁极(磁极对数p=1)，即只有两个磁极，对只有一对磁极的旋转磁场而言,三相电流变化一周,合成磁场也随之旋转一周，如果是50hz的交流电，旋转磁场的同步转速就是50转/秒或 3000转/分，在工程技术中，常用转/分（r/min）来表示转速。如果定子绕组合成的磁场有两对磁极(磁极对数p=2)，即有四个磁极，可以证明，电流变化一个周期，合成磁场在空间旋转180o，由此可以推广得出：p对磁极旋转磁场每分钟的同步转速为                                    (3-10) 工频50hz时，对应于不同磁极对数p，其旋转磁场的同步转速见表3-1。
p

1
2
3
4
5
6
no(r/min)
3000
1500
1000
750
600
500
当磁极对数一定时，如果改变交流电的频率，则可改变旋转磁场的同步转速，这就是变频调速的基本原理。 表3-1 三相异步电动机旋转磁场的同步转速( 50hz)

 必须指出，转子的转动方向虽然与旋转磁场的转动方向相同，但转子转速n不可能达到旋转磁场的同步转速no ，因为如果两者相等,则转子与旋转磁场之间就不存在相对运动，因而转子导体就不能切割磁感线，转子上也就不再产生感生电流及电磁转矩，可见，鼠笼转子的转速与旋转磁场的同步转速之间必须存在差值而不能同步，这也正是异步电动机名称的由来。在电动机通电的瞬间，定子旋转磁场的转速可以同时达到同步转速，但是，转子却是静止的，两者之间的转速差最大，此时转子产生的感生电流也最大，电路输入给电动机的电流也是最大，往往可以达到电动机额定电流的几倍到十几倍，对电动机和电网的冲击比较大。因此，对较大功率的电动机，不能直接加额定电压起动，需要采用降压起动的方式减小起动电流，待转子的转速接近额定转速时，再改换为额定电压正常运行；或采用连续调压的方式从低压开始起动，随转子的转速增大而逐渐把电压调到额定电压。如果要改变当前旋转磁场的旋转方向，只要任意对调二根相线与定子绕组的连接，便可改变定子三相绕组中三相交流电的相序，实现反向转动，请读者自己分析。四、三相异步电动机的铭牌

 每台电动机的机壳上都有一块铭牌,上面标明该电动机的规格、性能及使用条件,它是我们正确使用电动机的依据。这里对铭牌上主要的技术参数介绍如下。 1.型号  为了适应不同用途和工作环境需要，三相异步电动机制成不同系列和型号，不同型号的电动机的机座长度、中心高度、转速等技术参数不相同，使用或选购时应注意型号或根据需要查阅相应产品目录和技术手册。 2.功率  电动机在铭牌规定的运行条件下，正常工作时的输出功率(kw)。 3.电压  电动机定子绕组的额定线电压(v)。 4.电流  电动机在额定工作状况下运行时流入定子绕组的线电流(a)。 5.转速  电动机在额定工作状况下运行时转子每分钟的转数(r/min)。     6.接法  电动机的接线盒有六个接线端子，如图3-16所示，标有u1和u2；v1和v2；w1和w2，分别是定子内三相绕组的首末端。如果铭牌上标明是“y”接法，接线端子应按图6-16(a)的接法连接； 如果铭牌上标明是“△”接法，接线端子应按图6-16(b)的接法连接；需要改变转子当前的转向时，只要把电动机的三根电源线中的任意两根对调一下,就能改变电动机的转向。
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