三相异步电动机的基本结构及运行详细分析

第九章异步电动机的基本结构和运行分析异步电动机也称感应电动机，是工农业生产中应用最为广泛的一种电机。例如，中小型轧钢设备、矿山机械、机床、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品用的加工机械，大多采用异步电动机拖动。与其他电动机相比，异步电动机具有结构简单、坚固耐用、使用方便、运行可靠、效率高、易于制造和维修、价格低廉等许多优点。但是，异步电动机的应用也有一定的限制，这主要是由其调速性能差、功率因数低而引起的。

异步电动机是一种交流电机，它可以是单相的，也可以是三相的。但它的转速和电网频率没有同步电机那样严格不变的关系。本章将分别介绍三相异步电动机的基本结构、工作原理、运行特性以及单相异步电动机的基本结构和工作原理等。

第一节异步电动机的基本结构、分类及铭牌

一、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机由固定的定子和旋转的转子两个基本部分组成，转子装在定子内腔里，借助轴承被支撑在两个端盖上。为了保证转子能在定子内自由转动，定子和转子之间必须有一间隙，称为气隙。电机的气隙是一个非常重要的参数，其大小及对称性等对电机的性能有很大影响。图9-1所示为三相鼠笼式异步电动机的组成部件。

图9-1 三相鼠笼式异步电动机的组成部件

1．定子

定子由定子三相绕组、定于铁心和机座组成。

定子三相绕组是异步电动机的电路部分，在异步电动机的运行中起着很重要的作用，是把电能转换为机械能的关键部件。定子三相绕组的结构是对称的，一般有六个出线端1U 、2U 、1V 、2V 、1W 、2W 。置于机座外侧的接线盒内，根据需要接成星形（Y ）或三角形（?），如图9一2所示，定子三相绕组的构成、连接规律及其作用将在第二节专门介绍。

图9一2 三相鼠笼式异步电动机出线端

定子铁心是异步电动机磁路的一部分，由于主磁场以同步转速相对定子旋转，为减小在铁心中引起的损耗，铁心采用0.5mm 厚的高导磁电工钢片叠成，

电工钢片两面涂有绝缘漆以减小铁心的涡流损耗。中小型异步电机定子铁心一般采用整圆的冲片叠成，大型异步电机的定子铁心一般采用肩型冲片拼成。在每个冲片内圆均匀地开槽，使叠装后的定子铁心内圆均匀地形成许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。槽的形状由电机的容量、电压及绕组的型式而定。绕组的嵌放过程在电机制造厂中称为下线。完成下线并进行浸漆处理后的铁心与绕组成为一个整体一同固定在机座内。

机座又称机壳，它的主要作用是支撑定子铁心，同时也承受整个电机负载运行时产生的反作用力，运行时由于内部损耗所产生的热量也是通过机座向外散发。中、小型电机的机座一般采用铸铁制成。大型电机因机身较大浇注不便，常用钢板焊接成型。

2．转子

异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组及转轴组成。

转子铁心也是电机磁路的一部分，也是用电工钢片叠成。与定子铁心冲片不同的是，转子铁心冲片是在冲片的外圆上开槽，叠装后的转子铁心外圆柱面上均匀地形成许多形状相同的槽，用以放置转子绕组。

转子绕组是异步电动机电路的另一部分，其作用为切割定子磁场，产生感应电势和电流，并在磁场作用下受力而使转子转动。其结构可分为鼠笼式转子绕组和绕线式转子绕组两种类型。这两种转子各自的主要特点是，鼠笼式转子：结构简单，制造方便，经济耐用；绕线式转子：结构复杂，价格贵，但转子回路可引人外加电阻来改善起动和调速性能。

鼠笼式转子绕组由置于转子槽中的导条和两端的端环构成。为节约用钢和提高生产率，小功率异步电机的导条和端环一般都是融化的铝液一次浇铸出来的；

对于大功率的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子铁心槽中，再在两端焊上端环。鼠笼式转子绕组自行闭合，不必由外界电源供电，其外形象一个鼠笼，故称鼠笼式转子，如图9-3所示。

图9-3 铸铝转子结构

（a）铸铝转子绕组；（b）铸铝转子

鼠笼式转子绕组的各相均由单根导条组成，其感应电势不大，加上导条和铁心叠片之间的接触电阻较大，所示无需专门把导条和铁心用绝缘材料分开。

绕线式转子绕组是用绝缘导线组成，嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组。三相一般为星型接法，三根引出线分别接到固定在转轴上并互相绝缘的三个集电环上，再通过安装在端盖上的电刷装置与集电环接触把电流引出来。这种转子的特点是可以通过集电环和电刷在转子回路中接入附加电阻，用以改善电动机的起动性能，或调节电动机的转速。有的绕线转子异步电动机还装有一种举刷短路装置，当电动机起动完毕而又不需要调节转速时，移动手柄使电刷被举起而与集电环脱离接触，同时使三只集电环彼此短接起来，这样可以减少电刷与集电环间的磨损和摩擦损耗，提高运行可靠性。与鼠笼式转子比较，绕线转子的缺点是结构复杂，价格较贵，运行的可靠性也较差。因此，绕线转子异步电动机只用在要求起动电流小、起动转矩大，或需要调节转速的场合，例如，用来拖动频繁起动的起重设备。

转轴是整个转子部件的安装基础，又是力和机械功率的传输部件，整个转子靠轴和轴承被支撑在定子铁心内腔中。转轴一般由中碳钢或合金钢制成。

3．气隙

异步电机的气隙是很小的，中小型电机一般为0.2～2mm。气隙越大，磁阻越大，要产生同样大小的磁场，就需要较大的励磁电流。由于气隙的存在，异步电机的磁路磁阻远比变压器为大，因而异步电机的励磁电流也比变压器的大得多。变压器的励磁电流约为额定电流的3%，异步电机的励磁电流约为额定电流的30%。励磁电流是无功电流，因而励磁电流越大，

功率因数越低。为提高异步电机的功率因数，必须减少它的励磁电流，最有效的方法是尽可能缩短气隙长度。但是汽隙过小会使装配困难，还有可能使定、转子在运行时发生摩擦或碰撞，因此，气隙的最小值由制造工艺以及运行安全可靠等因素来决定。

4．其他部件

端盖：安装在机座的两端，它的材料加工方法与机座相同，一般为铸铁件。端盖上的轴承室里安装了轴承来支撑转子，以使定子和转子得到较好的同心度，保证转子在定子内膛里正常运转。端盖除了起支撑作用外，还起着保护定、转子绕组的作用。

轴承：连接转动部分与不动部分，目前都采用滚动轴承以减少摩擦。

轴承端盖：保护轴承，使轴承内的润滑油不致溢出。

风扇：冷却电动机。

二、异步电动机的分类

异步电动机按定子相数可分为三相、单相和两相异步电动机3类。除约

200W以下的电动机多做成单相异步电动机外，现代动力用电动机大多数都为三相异步电动机。两相异步电机主要用于微型控制电机。

按照转子型式，异步电机可分为鼠笼型转子和绕线型转子两大类。鼠笼转子又分为普通鼠笼转子、深槽型鼠笼转子和双鼠笼转子3种。三相绕线式异步电动机外形示意图9-4所示，三相鼠笼式异步电动机外形示意图如图9-5所示。

图9-4 三相绕线式异步电动机外形

根据机壳不同的保护方式，异步电动机可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式等。

防护式异步电动机具有防止外界杂物落入电机内的防护装置，一般在转轴上装有风扇，冷却空气进人电机内部冷却定于绕组端部及定子铁心后将热量带出来。JZ系列电动机就是鼠笼式转子防护式异步电动机JR系列电动机是绕线转子防护式异步电动机。

封闭式异步电动机的内部和外部的空气是隔开的。它的冷却是依靠装在机壳外面转轴上的风扇吹风，借机座上的散热片将电机内部发散出来的热量带走。这种电机主要用于尘埃较多的场所，例如机床上使用的电机。JOR系列及Ｙ系列电机就属于这种类型。

防爆式异步电动机为全封闭式，它将内部与外界的易燃、易爆性气体隔离。这种电机多用于有汽油、酒精、天然气、煤气等气体较多的地方，如矿井或某些化工厂等处。

图9-5 三相鼠笼式异步电动机外形

（a）开启式；（b）防护式；（c）封闭式

三、异步电动机的铭牌和额定值

每台异步电动机机壳上都装有铭牌，把它的运行额定值印刻在上面，如图9-6所示。

三相异步电动机

型号Y-112M-4 编号

4.0kW 8.8A

380kV 1440r/min LW82dB

接法 防护等级IP44 50Hz 45kg

标准编号工作制SI B级绝缘年月

电机厂

图9-6 三相异步电动机铭牌

电机按铭牌上所规定的条件运行时，就称为电机的额定运行状态。根据国家标准规定，异步电动机的额定值主要有：

P：指电动机在制造厂（铭牌）所规定额定运行状态下运行（1）额定功率

N

时，轴端输出的机械功率，单位为W或kW。

U：指电动机在额定状态下运行时，定子绕组应加的（2）定子额定电压

N

线电压，单位为V或kV。

（3）定子额定电流N I ：指电动机在额定电压下运行，输出额定功率时，流人定子绕组的电流，单位为A 。

对三相异步电动机，额定功率为：

N N N N N I U P ?ηcos 3= （9-1）

式中N η——额定运行时异步电动机的效率；

N ?cos ——额定运行时异步电动机的功率因数。

（4）额定转速N n ：指电动机在额定状态下运行时，转子的转速，单位为r/min 。

（5）额定频率 N f ：我国工频为 50HZ 。

除上述数据外，铭牌上有时还标明定子相数和绕组接法、额定运行时电机的功率因数、效率、温升或绝缘等级、定额等。对绕线转子异步电机还标出定子加额定电压、转子开路时集电环间的转子电压和转子的额定电流等数据。下面对绕组接法、温升和定额作简要说明。

绕组接法：三相异步电动机的定于绕组可接成星形或三角形，视额定电压和电源电压的配合情况而定。例如星形接法时额定电压为380V ，则改为三角形时就可用于220V 的电源上。为了满足这种改接的需要，通常把三相绕组的6个端头都引到接线板上，以便于采用两种不同接法，如图9-7所示。