第二章异动电动机

作为电动机，转速在 0 ~ n1范围内变化，转差率在0~1范围内变。
负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。
转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转
速为：
n = ( 1 - s) n1
额定运行时，转差率一般在0.01~0.06之间，即电机转速接
近同步速。
第2章 三相异步电动机
1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动 磁场.
2 )异步电动机空载时E2 ≈ 0, I2 ≈ 0,变压器E2 ≠ 0, I2 = 0;
3 )由于存在气隙 ,异步电动机 的仅为2% ~ 10%.
I
0
%为20%
~
30%,而变压器
4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大.
5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组 系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为1.
第2章 三相异步电动机
可见
(1)单相绕组的基波磁动势为脉动,它可以分解为大小相 等、转速相同而转身相反的两个旋转磁场。
(2)反之,满足上述性质的两个旋转磁动势的合成即为脉 动磁动势。
（3）由于正方向或反方向的旋转磁动势在旋转过程中，大 小不变，两矢量顶点的轨迹为一圆形，所以这两个磁动势为 圆形旋转磁动势。
2.3交流电机绕组的感应电动势
2.3.1 线圈的感应电动势及短距系数
一、一根导体的电动势
电动势波形: e = Blv 电动势频率: f = pn
60
电动势大小: Ec1 = 2.22 fΦ1
随时间变化的波形 取决于气隙磁密在 空间的分布波形
二、整距绕组的电动势
每个整距绕组由Nc个相同和线匝组成，每个整距线圈的 电动势:
2.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构 2.2 交流电机的绕组 2.3 交流电机绕组的感应电动势 2.4 交流电机绕组的磁动势 2.5 三相异步电动机的空载运行
2.6 三相异步电动机的负载运行
2.7三相异步电动机的等效电路和相量图. 2.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡
第2章 三相异步电动机
6）工艺简单、便于制造、安装和检修。
第2章 三相异步电动机
二、交流绕组的基本概念
1、极距 τ
两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的 槽数为Z，磁极对数为p，则极距：
2、线圈节距 y
τ= Z 2p
一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。
y = τ的绕组为整距绕组 . y < τ的绕组为短距绕组 .
三、异步电机的三种运行状态 根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态
状态
实现 转速 转差率 电磁转矩 能量关系
电动机
定子绕组接对 称电源
0 < n < n1
0< s ≤1
驱动 电能转变为机
械能
电磁制动
外力使电机沿磁 场反方向旋转
n<0
s >1
制动 电能和机械能变
成内能
发电机
外力使电机快速 旋转
• V2 W1×
n1
• U1
•
×
U2
×
W2 V1
第2章 三相异步电动机
用图解法分析——不同时刻三相合成磁动势
合成磁动势的转向是从载有超前电流的相转到载有滞后电 流的相。
第2章 三相异步电动机
三相对称绕组通入三相对称电流，产生的基波合成磁 动势是一个幅值恒定不变的圆形旋转磁动势，它有以下主 要性质
额定运行状态时加在
二、额定值 定子绕组上的线电压.
额定转速nN ( r / min) 额定运行时电 动机的转速.
额定功率因数
额定频率 额定效率
fN ηN
cosϕ
N
额定值关系有： PN =
3
UN
I N cos ϕ N
η N
第2章 三相异步电动机
三、接线
三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电动机 的定子部分完全相同。
2.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
2.1.1三相异步电动机的基本结构
一、定子部分 1.定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。 2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。 3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。
二、转子部分
1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。 2、转子绕组： 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根 裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线式转子：转子绕 组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。
fc( x,t
)=
Fc1
sinωt cos π τ
x − Fc3
sinωt cos 3π τ
x + ...+
Fcν
sinωt cosνπ τ
x + ...
基波磁动势为:
fc1(
x,t
)
=
Fc1
sinωt cos π τ
x
基波磁动势最大值为:
Fc1
=
4 π
×
2 2
Nc Ic
=
0.9 Nc Ic
整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴 线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉动磁 动势。
n > n1
s<0
制动 机械能转变为电
能
第2章 三相异步电动机
2.1.3 型号和额定值
一、型号 例:
第2章 三相异步电动机
第2章 三相异步电动机
额定电流 I N ( A )
在额定运行状态下流
入定子绕组的线电流.
额定功率 PN ( kW )
额定电压 U N ( kV或 V )
额定条件下转轴上 输出的机械功率。
第2章 三相异步电动机
2.6三相异步电动机的负载运行
2.6.1 负载运行时的电磁关系
U&1(三相系统) I&1 ( 三相系统) F1 I&2 ( 多相系统 ) F2
Φ& 1σ
F0
Φ& 0
Φ& 2σ
R1I&1 E&1σ E&1
E& 2s E& 2σ
R2I&2
第2章 三相异步电动机
分析可知:
1 )电机不转时 短路状态 ;
sin(ωt
−
π τ
x )+
1 2 Fp1
sin(ωt +
π τ
x)
fV 1
=
Fp1
sin(ωt
−
2π 3
)cos(π τ
x−
2π 3
)=
1 2 Fp1
sin(ωt
−π τ
x )+
1 2 Fp1
sin(ωt
+π τ
x−
4π 3
)
fW 1
=
Fp1
sin(ωt +
2π 3
)cos(π τ
x+
2π 3
)=
(1)幅值是单相脉动磁动势最大幅值的3/2倍。
(2)转向由电流相序决定,从载有超前电流相转到载有滞后电 流相.
(3)转速决定于电流的频率和电机的磁极对数（eg.P124）
n1
=
60 f p
(4)当某相电流达最大值时,旋转磁动势的波幅位置刚好转到该
相绕组的轴线位置上
产生圆形旋转磁动势的条件：一是三相或多相对称绕组；二
,n = 0,s = 1,1 − s s
R
' 2
= 0,总机械功率为零
,电机处于
2 )理想空载时 ,n ≈ 电机相当于开路 ;
n0
第2章 三相异步电动机
2.4.2 三相绕组基波合成磁动势——旋转磁动势
交流电机三相对称绕组, 通入三相对称电流，磁动势是三相
的合成磁动势。
取U相绕组轴线位置作为空间坐标原点、以相序的方向作为
x的参考方向、U相电流为零时作为时间起点，则三相基波磁动
势为：
fU1
=
Fp1
sinωt
cosπ τ
x
=
1 2 Fp1
1 2
Fp1
sin(ωt
−
π τ
x )+
1 2
Fp1
sin(ωt
+
π τ
x+
4π 3
)
三相的合成磁动势：
f1(x,t) =
3 2
F p1sin(
ω
t-
π τ
x)
=
F1 sin( ω
t-
π τ
x)
可见：三相合成磁动势也是一个圆形旋转磁动势。
第2章 三相异步电动机
为了分析旋转磁动势的旋转方向，设三相对称电流按余弦规 律变化，U 相电流最大时为计时点，电流取首进尾出为正，电 流波形和各时刻旋转磁动势的位置如图所示：
三相绕线型 转子结构图
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第2章 三相异步电动机
第2章 三相异步电动机
2.1.2 三相异步电动机的基本工作原理
一、转动原理
1、电生磁：三相对称绕组通
往三相对称电流产生圆形旋转 磁场。
2、磁生电：旋转磁场切割转
子导体感应电动势和电流。
3、电磁力：转子载流（有功
分量电流）体在磁场作用下受 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。
• V2 W1×
•
n1 •
•
•n
×
U1
×
•
×
×
×
U2
W2 V1
第2章 三相异步电动机
二、转差率
同步转速与转子转速之差与同步转速的比值称为转差率，用
s表示，即：
s = n1 − n
n1
转差率是异步电机的一个基本物理量，它反映电机的各种
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运行情况。
转子未转动时，n = 0 , s = 1 ; 电机理想空载时，n ≈ n1 , s ≈ 0.
对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕 组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活 地接成“Y”形或“D”形。
U1
V1
W1
W2 U 2
V2
Y联结
U1
V1
W1
W2
U2
V2
D联结
第2章 三相异步电动机
2.2交流电机的绕组
2.2.1 交流绕组的基本知识
一、基本要求和分类
1）三相绕组对称； 2）力求获得最大的电动势和磁动势； 3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦； 4）节省用铜量； 5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；
是三相或多相对称电流。两个条件有一个不满足，即产生椭圆形 旋转磁动势。
第2章 三相异步电动机
2.5三相异步电动机的空载运行
一、主、漏磁通的分布 为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的
磁通分为主磁通和漏磁通。 主磁通同时交链定、转子绕
组，其路径为：定子铁心→气隙→ 转子铁心→气隙→定子铁心。主磁 通起传递能量的作用。
Ey1(y=τ ) = Nc Et1 = 4.44 fNc Φ1
第2章 三相异步电动机
2.4交流电机绕组的磁动势
2.4.1 单相绕组的磁动势
一、整距集中绕组的磁动势
一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距 绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分 布如图,由全电流定律得:
∫ Hdl = ∑ i = N c i
第2章 三相异步电动机
三、电磁关系
U&1( 三相系 )
I&0 ( 三相系统 )
F0 ( 三相合成 )
Φ& 0
E& 1 E& 2 ≈ 0
Φ& 1σ
I&E0&R1σ1
可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。
第2章 三相异步电动机
尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是 有差别的：
除了主磁通以外的磁通称为漏 磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通 和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗 压降作用。
第2章 三相异步电动机
二、空载电流和空载磁动势
异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。
与产功变生分压主量器磁I&0a一通. 样Φ&0,的异无步功电分动量机I&空0r 载,另电一流个I&是0由用两来部供分给组铁成心:损一耗是的用有来
忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两
个气隙上.每个气隙的磁动势为:
fc
=
1 2
Nci
=
1 2
NcIc
sin ωt
=
Fcm
sin ωt
空间分布为矩形波,随时间按正弦规律变
化.变化频率为电流频率。
空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁
动势。
第2章 三相异步电动机
矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:
三、气隙 异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到
的最小值。
第2章 三相异步电动机
第2章 三相异步电动机
按转子结构分： 鼠笼型异步电动机 绕线型异步电动机
继续
继续
第2章 三相异步电动机
右图是一台三相鼠笼型异步电 动机的外形图。
下面是它主要部件的拆分图。
第2章 三相异步电动机
鼠笼型转子 铁心和绕组 结构示意图
即:
I&0 = I&0r + I&0a .
由于 I0r >> I0a ,所以 I0基本为一无功性质电流 ,即I0 ≈ I0r . 三相空载电流 I&0产生的旋转磁动势为空 载磁动势F0 ,基波幅值为
F0
=
m1 2
× 0.9×
N 1kw 1 p
I0
空载运行时 ,转子转速很高 ,接近同步速 ,定、 转子之间相对速度几 乎为零， 于是E& 2 ≈ 0， I&2 ≈ 0， F ≈ 0.
3、电角度
电角度 = p× 机械角度
第2章 三相异步电动机
4、槽距角 a
相邻两个槽之间的电角度：
α = p× 3600 Z
5、每极每相槽数 q
每一个极面下每相所占的槽数为
6、相带
q= Z 2 pm
每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极 面下所占的范围，用电角度表示称为相带。
第2章 三相异步电动机
第2章 三相异步电动机
三相异步电动机是交流电机的一种。 交流电机主要分为同步电机和异步电机两大类。 电机转子的转速与定子电流的频率之间保持严格不变的关系
—同步电机 同步电机主要用于发电机。如发电厂中的同步发电机，是电 力系统中产生电能的设备。
第2章 三相异步电动机
三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简 单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广 泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。