第四章三相异步电动机..
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版第四章三相异步电动机
《电机及拖动基础》(3版) 三相异步电动机
初识交流电动机
Y系列三相异步电动机
《电机及拖动基础》(3版) 三相异步电动机
异步电动机的应用举例
三相异 步电动 机
洗衣机电机 单相异 步电动 机
Z3050钻床
吸油烟机电机
《电机及拖动基础》(3版) 三相异步电动机
第四章 三相异步电动机
异步电动机运行时，必须从电网吸取感性无功功率以 建立旋转磁场，使电网的功率因数变坏，而且运行时受电 网电压波动影响较大；另外，异步电动机的与调速性能都 要逊色于直流电动机，不过随着电力电子技术、计算机技 术及交流调速系统的发展，起动性能、调速性能等已可与 直流电动机媲美。 本章先叙述三相异步电动机的基本工作原理和基本 结构；再根据三相异步电动机与变压器的基本电磁关系 有许多相似之处，在沿用变压器的分析方法叙述异步电 动机(在本章及以后章节中，由于习惯用法，异步电动机 就是指三相异步电动机)的运行时又注意异步电动机的旋 转、机械功率和电磁转矩等特殊性。对于单相异步电动 机及同步电机，将在第六章中加以阐述。
交 流 旋 转 电 机
异步电机
与直流电机的静 止磁场不同，都
三相异步电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠等一系列优点；还 具有较高的运行效率和较好的工作特性、从空载到满载范围内接近恒速运行，能满 足各行各业大多数生产机械的传动要求。异步电动机还便于派生成各种专用、特殊 要求的形式，以适应不同生产条件的需要。
因从前图可知电流在时间上变化了ωt＝360°电角度时，即一周期， 在两极(p=1)的情况下，旋转磁场在空间也转过360°电角度，转过 的机械角也是360°，即在空间正好转过一圈。电流每秒变化f 周期， 则旋转磁场的转速 n1=f(r/s) =60f(r/min)。当(p=2）时， n1=60f/2(r/min)——见下页；p对极时， n1=60f/p(r/min)
三相异步电动机启动制动和调速
软启动器的工作原理简单，它通过软硬件方法，实时检测定子电流、 电压、功率因数或电动机的转矩值，经过计算得到一个准确的晶闸管 的移相角，使加在电动机上的电压或启动电流按某一规律变化（如斜 坡电压软启动、恒流软启动等），优化异步电动机的启动性能。软启
动器也可用PWM方式实现。
21
4.2 三相异步电动机的制动
复杂度 最简单
一般 简单 较复杂
适用性 电机小于7.5kW
任意容量，轻载 正常 ，频繁启动 大容量，大负载
15
Y
自耦变压器
3 1 k
改善结构
通过改变鼠笼式异步电动机的结构，既减小启动电流，又能获得较大 的启动转矩，即通过改变结构来改善电动机的启动性能。
1、增大转子电阻 这种电动机又称为高转差率鼠笼型异步电动机，其转子导条不用普通 的铝条，而是采用电阻率较高的铝合金（ZL-14），通过适当加大转 子导条的电阻来改善启动性能。
如同直流电动机一样，异步电动机制动的目的有两个： • 使传动系统迅速减速或停车； • 限制位能性负载的下放速度。
如果三相异步电动机的电磁转矩Te和转速n的方向相反，电动机便 处于制动状态。在制动状态下，电动机的电磁转矩起反抗旋转的作 用，为制动性转矩。
异步电动机的制动方法有：回馈制动、反接制动和能耗制动 。
n0 n s n0
n n0 (1 s)
1、直流电动机使用静差率，利用理想空载转速和转速（转速降）来
描述，它们都是转子的转速，是机械运动；
2、异步电动机使用转差率，利用旋转磁场的转速和转子的转速来描述， 同步转速非机械转速，也不是理想空载转速；
3、转差率与空载转速无关，更不能等同于转速降。
U L 3U P UL UP
第4章 三相异步电动机的基本原理
A B C
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32
三、三相单层绕组
单层绕组的每一个槽内只有一个线圈边，整个绕组 的线圈数等于总槽数的一半。用定子槽数为24，两 极电机的定子绕组为例，说明单层绕组构成。
Q1 24 12 1、计算极距 2 p 2 1 Q1 24 4 2、计算每极每相槽数 q 2m p 2 3 1
29
二、交流绕组的排列和联接 假设给定电机极数2p=4，槽数Q1=24（三相单层叠绕组）
1、极距的计算， 若2p=4，Q1=24，则 τ=6
Q1 24 6 2 p 2 2 2、节距， 单层绕组采用整矩
y 6
3、相带—— 每个极距内属于同相的槽所占有的区域称为 度。 p 360 ４、槽距角， 30 “相带”，q=Q1/(2mp)；每个相带为60°电角
C
Y
10,11,12 13,14,15 16,17,18
19,20,21 22,23,24 25,26,27 28,29,30 31,32,33 34,35,36
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38
组成线圈组
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39
第四节
三相异步电动机的定子磁动势及磁场
一、单相绕组的磁动势——脉振磁动势 （一）、整距线圈的磁动势
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16
定子冲片和定子线圈
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17
机座
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18
2、转子 异步动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
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19
笼型转子
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202）绕线型绕组山东工商学院信电学院21
3、气隙
定子与转子之间的间隙；0.2-2.5mm气隙越大，功率因数 越低。气隙过小，装配困难
第4章 三相异步电动机及控制讲解
4.4.1 三相异步电动机起动 1. 三相鼠笼式异步电动机的起动
（1）直接起动
直接起动是利用刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上 的起动方式，又叫全压起动。 优点：起动简单。 缺点：起动电流较大，而起动转矩不大，还会引起网压波动。 适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器 容量的20％；还可以用下面的经验公式来判断，若电动机的 起动电流倍数 ( Ist I N ) 满足 I st 电网容量（kV A） 3＋ I N 电动机容量（kW） 则电动机便可直接起动，否则应采用降压起动
Ist 7.0I N 7.0 30.7A 214.9A
Tst 2.0TN 2.0 147.68N m 295.36N m
Tmax 2.1TN 2.1147.68N m 310.03N m
15
第4章 汽车中的电机 2. 人为机械特性
(1)降低定子电压时的人为机械特性
图4-2 定子铁心
转子铁心是也是由 0.5mm厚的硅钢片叠 压制成，在其外圆冲 有分布的槽。 转子铁心可嵌放转子 绕组，构成电机磁路 的另一部分。
定子绕组是由铜导线绕制而成。构成 电动机电路的一部分。 机座是电动机的支架，一般用铸铁 或铸钢制成。
转子铁心冲片
铸铝笼形转子 铜条笼形转子
转子绕组大部分由浇铸铝构成，大功率 也有由由铜条制成的笼型转子导体，构 成电机电路的一部分。由转轴输出机械 能。
4.2 三相异步电动机的工作原理
4.2.1 三相异步电动机的转动原理
(1)旋转磁场的产生
i
i1
i2
i3
i1 ωt
电流流入 S N
合成磁场的轴线与U相 绕组的轴线重合 0
（1）直接起动
直接起动是利用刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压上 的起动方式，又叫全压起动。 优点：起动简单。 缺点：起动电流较大，而起动转矩不大，还会引起网压波动。 适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器 容量的20％；还可以用下面的经验公式来判断，若电动机的 起动电流倍数 ( Ist I N ) 满足 I st 电网容量（kV A） 3＋ I N 电动机容量（kW） 则电动机便可直接起动，否则应采用降压起动
Ist 7.0I N 7.0 30.7A 214.9A
Tst 2.0TN 2.0 147.68N m 295.36N m
Tmax 2.1TN 2.1147.68N m 310.03N m
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第4章 汽车中的电机 2. 人为机械特性
(1)降低定子电压时的人为机械特性
图4-2 定子铁心
转子铁心是也是由 0.5mm厚的硅钢片叠 压制成，在其外圆冲 有分布的槽。 转子铁心可嵌放转子 绕组，构成电机磁路 的另一部分。
定子绕组是由铜导线绕制而成。构成 电动机电路的一部分。 机座是电动机的支架，一般用铸铁 或铸钢制成。
转子铁心冲片
铸铝笼形转子 铜条笼形转子
转子绕组大部分由浇铸铝构成，大功率 也有由由铜条制成的笼型转子导体，构 成电机电路的一部分。由转轴输出机械 能。
4.2 三相异步电动机的工作原理
4.2.1 三相异步电动机的转动原理
(1)旋转磁场的产生
i
i1
i2
i3
i1 ωt
电流流入 S N
合成磁场的轴线与U相 绕组的轴线重合 0
三相异步电动机的起动、调速和制动
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
起动电阻
定子
转子
R
R R
•
电刷
滑环
起动时将适当的R 串入转子电路中，起动后将R 短路。
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
1）、转子串电阻起动
一、三相异步电动机的起动 3、绕线式电动机转子电路串电阻起动
2）、转子串频敏变阻器起动
Z
W1
V2 V1
U2
起动
正常运行
降压起动时的电流 为直接起动时的 1
3
I lY 1 I l 3
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 (2) Y－ 起动
U V W QS1 FU
U1 V1
W1 △ (运行) QS2
U2 V 2
W2
Y(起动)
Y-△起动线路图
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 (2) Y－ 起动
M 3~
直接起动线路
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动
能否直接起动的经验公式：
I st 3 供电 变压 器容 量 ( KVA) IN 4 4 电动 机容 量KW ) (
一、三相异步电动机的起动 2、降压起动 其目的就是要减小起动电流， 但同时也限制了起动转矩，因此 只适用于轻载或空载情况下起动。
注意： 反接制动时，定子旋转磁场与转子的相对转速很大。
即切割磁力线的速度很大，造成 I 2 ，引起 I 1 。
为限制电流，在制动时要在定子或转子中串电阻。
三、三相异步电动机的制动 4.发电反馈制动 当电动机转子的转速大于旋转磁场的转速时，旋转磁场产生的 电磁转距作用方向发生变化，由驱动转距变为制动转距。电动机进 入制动状态，同时将外力作用于转子的能量转换成电能回送给电网。
三相异步电动机的组成
三相异步电动机的组成第一章: 介绍1.1 引言三相异步电动机是现代工业中最常用的电动机之一，它具有结构简单、效率高和可靠性强的特点。
本文将详细介绍三相异步电动机的组成及其工作原理。
1.2 三相异步电动机的定义三相异步电动机，又称为交流异步电动机，是一种以交流电作为能源的电动机。
它由定子和转子两部分组成，其中定子通过定子绕组产生磁场，转子通过电磁感应的原理实现转动。
第二章: 组成及工作原理2.1 定子定子是三相异步电动机的主要部分之一，它由定子铁心和定子绕组组成。
定子铁心是由硅钢片叠压而成，其目的是减小铁心损耗和交流电磁损耗。
定子绕组则是由若干个线圈组成，这些线圈通过定子槽固定在定子铁心上。
定子绕组接通三相交流电源后，产生旋转磁场。
2.2 转子转子是三相异步电动机的另一个重要部分，它由转子铁心和滑环组成。
转子铁心也是由硅钢片叠压制成，其目的是减小转子损耗和铁心损耗。
转子铁心的表面有若干槽，这些槽用来安装滑环。
滑环是一个圆盘状的金属部件，其中心有一个孔用于连接传动轴，外侧有若干个金属环，用来与刷子接触并传递电流。
2.3 刷子与刷架刷子和刷架是三相异步电动机的致动部分，它们连接电源和转子。
刷架是一个固定在电机端盖上的金属结构，其主要功能是固定刷子。
刷子则是通过弹簧与刷架接触，并与滑环表面保持一定压力。
当转子旋转时，刷子与滑环之间会产生摩擦，从而传递电流。
2.4 冷却系统冷却系统是为了保证三相异步电动机正常工作而设计的。
电动机在工作时会产生一定的热量，如果不及时散热，可能会损坏电机。
因此，冷却系统通过循环冷却剂来降低电动机的温度。
常见的冷却系统有自然冷却和强制冷却两种方式。
第三章: 工作原理3.1 基本原理三相异步电动机的工作原理基于电磁感应的理论。
当定子绕组通电后，产生的旋转磁场会感应转子内的电动势，从而使转子产生电流。
由于转子的电流与定子磁场之间存在差异，产生的电磁力会使转子旋转。
3.2 同步速度与转差三相异步电动机的转速与交流电源的频率和极对数有关。
第四节三相异步电动机的功率与电磁转矩
式中
U1——相电压； I1——相电流； R1——相定子绕组电阻；Rm—T=T2+T0
三、电磁转矩
1. 物理表达式
T=CTΦmI2 cosφ2
2. 参数表达式 （1）旋转磁场对定子绕组的作用
E1=4.44k1N1f1Φ m
U1≈E1=4.44k1N1f1Φ m
第四节 三相异步电动机的功率与电磁转矩
1．理解三相异步电动机功率的转换过程。 2. 掌握三相异步电动机的功率平衡方程式、转矩平衡方程 式以及电磁转矩的表达式。
一、三相异步电动机的功率
1．功率转换过程
功率传递的变化过程
2．功率平衡方程式
P1=Pem+Pcu1+PFe Pem = PΩ+PCu2
PΩ= P2+Pω+Ps
（2）旋转磁场对转子绕组的作用
1）转子绕组感应电动势及电流的频率
p(n1 n) p(n1 n)n1 f2 sf1 60 60n1
2）转子绕组感应电动势的大小
E2=4.44k2N2f2Φm=4.44k2N2sf1Φm=sE20 E20=4.44k2N2f1Φm
3）转子的电抗和阻抗
X2=2πf2L2
（3）转子电流和功率因数
I2 E2 Z2 sE20
2 R2 (sX 20 )2
2 2 2 Z 2 R2 X2 R2 ( sX 20 ) 2
（4）转矩的参数表达式
CsR2U12 T 2 2 f1 R ( sX ) 20 1
电工电子技术第4章三相异步电动机
37
T
临界转差率sm
讨论
Tmax
（1）Tmax与电源电压U1的平方成正比，但sm（临界转 速nm ）与U1无关 n a 过载系数
U K 2 X 20
Tmax
2 1
R2 sm X 20
TN
nm
0.8U1
U1
b
过载系数是表示电动机稳定运 行的重要数据,同时也表示了 电动机容许的短时过载运行能 0 力
U U1 U
iU
U1
V W
W1
iV iW
V1
V W
iV W1
iW
V1
相序U-V-W
相序U-W-V
改变电动机的旋转方向
12
（三）旋转磁场的转速 同步转速n1---r／min（每分钟的转数）
以上分析的是二极旋转磁场（磁极对数 p=1），交流电 变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周
交流电频率f1=50Hz，则 同步转速 n1 =50×60=3000r／min。
36
3.最大电磁转矩Tmax 最大电磁转矩Tmax 机械特性临界点所对应的电磁转矩, 又称临界转矩，所对应的转差率称为临界转差率sm Tmax是在一定的电源电压U1 下电动机能够提供的最大电 磁转矩 最大电磁转矩Tmax
n a
nm
b
Tmax
U K 2 X 20ห้องสมุดไป่ตู้
R2 sm X 20
2 1
0
c
Tm
n=n1 Sm
0
S
理想空载 ①以最大电磁转矩Tm对应的转差率Sm为界,分为具有不 同特性的两段 稳定运行区 0b段 非稳定运行区 ba段
（ 0＜S＜Sm ） （ S＞Sm ） 特性 T ∝S 特性 S↑→T↓
T
临界转差率sm
讨论
Tmax
（1）Tmax与电源电压U1的平方成正比，但sm（临界转 速nm ）与U1无关 n a 过载系数
U K 2 X 20
Tmax
2 1
R2 sm X 20
TN
nm
0.8U1
U1
b
过载系数是表示电动机稳定运 行的重要数据,同时也表示了 电动机容许的短时过载运行能 0 力
U U1 U
iU
U1
V W
W1
iV iW
V1
V W
iV W1
iW
V1
相序U-V-W
相序U-W-V
改变电动机的旋转方向
12
（三）旋转磁场的转速 同步转速n1---r／min（每分钟的转数）
以上分析的是二极旋转磁场（磁极对数 p=1），交流电 变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周
交流电频率f1=50Hz，则 同步转速 n1 =50×60=3000r／min。
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3.最大电磁转矩Tmax 最大电磁转矩Tmax 机械特性临界点所对应的电磁转矩, 又称临界转矩，所对应的转差率称为临界转差率sm Tmax是在一定的电源电压U1 下电动机能够提供的最大电 磁转矩 最大电磁转矩Tmax
n a
nm
b
Tmax
U K 2 X 20ห้องสมุดไป่ตู้
R2 sm X 20
2 1
0
c
Tm
n=n1 Sm
0
S
理想空载 ①以最大电磁转矩Tm对应的转差率Sm为界,分为具有不 同特性的两段 稳定运行区 0b段 非稳定运行区 ba段
（ 0＜S＜Sm ） （ S＞Sm ） 特性 T ∝S 特性 S↑→T↓
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U1 W2
V1 U2
W1 V2
U1 W2
V1 U2
W1 V2
Y联结
D联结
第4章 三相异步电动机
4.2交流电机的绕组
4.2.1 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； 6）工艺简单、便于制造、安装和检修。
n > n1
s0
制动 机械能转变为电 能
第4章 三相异步电动机
4.1.3 型号和额定值 一、型号 例:
第4章 三相异步电动机
第4章 三相异步电动机
额定电流 IN ( A )
在额定运行状态下流 入定子绕组的线电流. 额定电压 U N ( kV或V ) 额定功率 PN ( kW ) 额定运行状态时加在 额定条件下转轴上 二、额定值 定子绕组上的线电压. 输出的机械功率。
第4章 三相异步电动机
4.1.2 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。
n1
V2
W1
2、磁生电：旋转磁场切割
转子导体感应电动势和电流。
U1
n
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。
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 电动机
定子绕组接对 称电源
电磁制动
外力使电机沿磁 场反方向旋转
发电机
外力使电机快速 旋转
实现 转速 转差率 电磁转矩 能量关系
0 < n < n1
0 s 1
驱动 电能转变为机 械能
n<0 s 1
制动 电能和机械能变 成内能
第4章 三相异步电动机
第4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4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4章 三相异步电动机
鼠笼型转子 铁心和绕组 结构示意图
三相绕线型 转子结构图
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第4Байду номын сангаас 三相异步电动机
电角度 p 机械角度
第4章 三相异步电动机
4、槽距角 a 相邻两个槽之间的电角度：
第4章 三相异步电动机
二、交流绕组的基本概念
1、极距 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： Z = 2p 2、线圈节距 y 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 的绕组为整距绕组 . y 的绕组为短距绕组
3、电角度
第4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。 4.1 三相异步电动机的基本工作原理和结构 4.2 交流电机的绕组
4.3 交流电机绕组的感应电动势
4.4 交流电机绕组的磁动势
额定转速 nN ( r / min) 额定运行时电 动机的转速.
额定功率因数 cosN 额定频率 fN 额定效率 N
额定值关系有： PN 3 U N I N cos N ηN
第4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。 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。
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4章 三相异步电动机
W2 V1
U2
第4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： n1 n s 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 运行情况。
n n1 , s 0. n 0 , s 1; 电机理想空载时， 转子未转动时，
4.5 三相异步电动机的空载运行 4.6 三相异步电动机的负载运行
4.7三相异步电动机的等效电路和相量图. 4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡
第4章 三相异步电动机
基本要求：
1.熟练掌握三相异步电动机的基本工作原理、转差率的概念及异步电机的三种运行状态； 2.了解三相异步电动机的基本结构； 3.掌握异步电动机型号和额定值； 4.理解交流电机绕组的几个名词术语，会做单层整矩叠绕组、单层链式、单层同心式、单 层交叉式和双层叠绕组展开图； 5. 掌握交流电机绕组的感应电动势，掌握短矩系数和分布系数的物理意义及改善电动势 波形的方法； 6.掌握单相脉动磁动势的幅值计算方法及性质； 7.熟练掌握三相绕组合成磁动势的幅值计算方法及基本性质； 8.掌握异步电动机和负载运行时的物理情况，熟练掌握转子绕组的各电磁量及电动势、磁 动势平衡关系； 9.能熟练应用基本方程、等效电路和相量图来分析异步电动机的运行情况，掌握频率折算 的物理本质及附加电阻的物理意义； 10.能根据等效电路导出异步电动机的功率平衡关系，画出功率流程图，掌握转矩平衡关 系； 11.了解三相异步电动机的工作特性； 12.了解三相异步电动机的参数测定方法。
第4章 三相异步电动机
4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构
4.1.1三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。 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。