感应电机的结构和运行状态
电机学-第五章感应电机2
32
2. 转子回路电压方程
I2
s2
E s2
转子一相绕组的漏电动势
j 4.44 f N k j 4 . 44 f N k E 1 2 dp 2 s 2 s2 2 2 dp 2 s 2
转子漏电动势可以用负的漏抗压将表示，即
jI X E s2 2 2
转子堵转：三相感应电动机定子加三相对称低电压，转子 绕组短路，转轴被卡住不动的情况。
U 1
I1
A1
E 1
Z 1 Y1
X1
B1
A2
B1
C1
B2
n1 Z 1 Z2
A2 0
0
I2
X1
E 2
Y2
Z2 X 2
X 2 A1 A1 A2 Y 2 C2 Y C1 1
C1
A1
Y1
3 4 2 N 2 kdp 2 •幅值： F2 I2 2π 2 p
•转向：从超前相向滞后相转动。
A2 A1
n1
F 1
0
A2 B2 C2
60 f 2 60 sf1 sn1 •转速：n2 p p
C2
B1 B2
n2
C1
F 2
17
1 0 1
式中，Z1=R1+jX1为定子一相绕组的漏阻抗。 转子一相回路的电压方程式为
0 E 2
15
电磁关系示意图
16
2. 负载运行时的磁动势和磁场
转子磁动势
E 2
I2
F 2
X1
B1
B2
Z2
n1 Z 1
感应电动机结构图
感应电动机结构图
感应电动机结构图
感应电动机又称“异步电动机”。
异步电动机由固定不变的定子和旋转的转子两个基本单元构成。
定子部分主要包括定子铁芯、定子绕组、基座，转子部分主要包括转轴、转子铁芯、转子绕组（闭合导体），在定子铁芯的内圆和转子铁芯的外圆有均匀分布的槽，其作用是嵌放绕组，如图所示。
三相鼠笼式异步电动机的结构图
1、定子
定子是异步电动机固定不动的部分。
由机座、定子铁芯和定子绕组组成。
机座是电动机的外壳，起着支撑电机的作用，通常用铸铁铸成。
大机座也有用钢板拼焊起来的。
定子铁芯是电动机磁路的一部分，装在机座内部。
它是一个中空圆柱体，外壁与机座配合，内壁开槽，槽内放定子绕组。
为了减少铁芯中的损耗，定子铁芯用0．5毫米厚的硅钢片叠成。
感应电动机的原理、种类及主要结构
1感应电动机的原理、种类及主要结构7.1 感应电动机的原理、种类及主要结构7.1.1 三相异步电动机的原理三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们联接成一个整体。
当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速n 0旋转的旋转磁场。
由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，如图7-1-1所示，根据右手定则，可以判明图中转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势都从纸面出来的。
因为转子上导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流通过。
如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。
根据电磁力定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。
电磁力的方向用左手定则决定。
从图7-1-1可看出，转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。
于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n 。
如转子与生产机械联接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。
7.1.2 三相异步电机的结构和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子组成。
定子与转子之间有一个较小的气隙。
图7-1-2表示绕线转子三相异步电动机的结构。
1．定子 异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。
（1）定子铁心 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。
为了使异步电动机能产图7-1-1 三相异步电动机的工作原理 图7-1-2 绕线转子异步电动机剖面图1-转子绕组 2-端盖 3-轴承 4-定子绕组 5-转子6-定子 7-集电环 8-出线盒2生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm 厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。
交流感应电动机的主要结构
交流感应电动机的主要结构
交流感应电动机是一种常见的电动机类型，被广泛应用于家庭电器、工业设备以及交通工具等领域。
它的主要结构包括转子、定子、绕组和外壳。
1. 转子：交流感应电动机的转子是由铁芯和绕组组成的。
铁芯通常由硅钢片叠压而成，以减少磁损耗。
绕组则由导电材料制成，通常采用铜线。
转子的主要作用是产生旋转力矩，驱动机械装置运转。
2. 定子：定子是交流感应电动机的固定部分，由铁芯和绕组构成。
定子铁芯同样由硅钢片叠压而成，以降低铁损耗。
绕组则由定子线圈组成，线圈一般为三相绕组，通过外部供电的交流电产生旋转磁场，进而驱动转子旋转。
3. 绕组：交流感应电动机的绕组主要由转子绕组和定子绕组组成。
转子绕组位于转子上，定子绕组位于定子上。
绕组通过导电材料制成，通常采用铜线。
绕组在电机运行时通过电流产生磁场，进而与定子和转子之间的磁场相互作用，从而产生旋转力矩。
4. 外壳：交流感应电动机的外壳通常由金属材料制成，用于保护内部结构并提供机械支撑。
外壳也有助于散热，以确保电机在运行过程中保持正常温度。
同时，外壳还起到减震和噪音降低的作用。
综上所述，交流感应电动机的主要结构包括转子、定子、绕组和外壳。
这些部件相互作用，通过电流和磁场产生旋转力矩，从而实现电动机的正常运转。
交流感应电动机的优点包括结构简单、可靠性高、效率较高，因此在各个领域得到广泛应用。
电机学4感应电机
I2
sE 2 R2 jsX 2
E2 R2 / s jX 2
E2 R2 jX 2 (1 s ) R2 / s
I ( R jX ) I (1 s ) R 即 E 2 2 2 2 2 2 s 1 s 则:( ) R2 ——模拟机械功率输出的等效电阻 s
R k e k i R2
' 2
X
' 2
k e k i X 2
e i
结论：绕组折算时，转子电势和电压乘 k e ，转子电 流除 k i ，转子电阻和漏抗乘 k k 。
归算后的基本方程式组为：
U 1 E1 I1 ( R1＋ jI1 X 1 ) ' I ' (1 s ) R I ' ( R jX ) E2 2 2 2 2 2 s E I Z E '
转子感应电势和电流的频率为转差频率： f 2 sf 1 则转子每相感应电势为： E 2 s 4.44 sf 1 N 2 k w 2 m sE 2 ( E 2 4.44 f1 N 2 k w 2 m )
转子每相漏抗为：
X 2s 2f 2 L2 sX 2 ( X 2 2f1 L2 )
（2）短路运行： n 0
等效电路参数的名称和物理意义：
R1 ——定子绕组的电阻； ——定子绕组的漏抗，三相定子电流联合产生 X 1 的漏磁场在一相电路中引起的电抗； ' R 2 ——折算到定子侧转子绕组的电阻； ' ——折算到定子侧转子绕组的漏抗，转子多相 X 2 电流联合产生的漏磁场在一相电路中引 起的电抗； Rm ——激磁电阻，代表铁损的等效电阻； X m ——激磁电抗，与主磁通对应的电抗； 1 s ' ——折算定子侧转子侧的负载模拟电阻，模拟 R2 s 轴上总的机械功率输出；
电机学-感应电机
注意：时间相量与空间矢量之 间的夹角没有物理意义。
A 相相轴 A 相时轴
Bm
Fm Im B ns
X
n
m Z
Fe A
C
Y
三相感应电动机空载时的时空相-矢量图
第四章 感应电机
4.2.2 三相感应电动机的负载运行
第四章 感应电机
感应电动机负载运行时的转子频率
• 负载运行时，感应电动机的转子以转速n旋转，低于同步
第四章 感应电机
空载运行的定义： 定子接到电压为U1、频率为f1的三相对称电源，电机轴上没 有任何机械负载。
IA
IB
F1
IC
n≈ns，s ≈0 I2 ≈0，F2 ≈ 0 F1 ≈Fm
第四章 感应电机
主磁通与漏磁通
空载磁通 主磁通Φm 定子漏磁通Φ1σ
主磁通：基波旋转磁势产 生的，与定、转子绕组相 交链的磁通。
•接法：星形或三角形 •作用：电路部分
U1 V1 W1
U1
V1
W1
U1
V1
W1
W2 U2 V2
W2
U2
V2
W2
U2
V2
定子绕组形式
散嵌绕组
成型绕组
第四章 感应电机
感应电机转子
转子：转子铁芯，转子绕组，转轴 • 转子铁芯：硅钢片叠压而成，外圆开槽， • 作用：磁路的一部分；用来安放转子绕组。
转子铁心
ns是发电机和电动机状态的分界点
第四章 感应电机
电磁制动运行状态
n<0
N
+
ns fe Te n fe
S
外力拖着与转子反着磁场方向旋转
旋转磁场相对转子的旋转方向为 逆时针
感应电机参数测定和运行特性课件
随着转子电路的电阻减小，启动 电流逐渐增大，转速也逐渐增大 。
在启动过程中，感应电机的启动 转矩逐渐增大，直到达到最大值 。
电机负载特性
01
感应电机在不同负载下的转速、电流、功率等 的变化情况称为负载特性。
03
在负载转矩达到最大值时，感应电机的电流和功率 也达到最大值。
感。
极对数的测定
通过使用转速计等测量 仪器，测量电机的转速
，以确定极对数。
电机参数的实验设备
01 02 03
万用表：用于测量绕组电阻。 LCR测量仪：用于测量电感。 转速计：用于测量电机转速。
02
感应电机运行特性分析
电机运行特性概述
负载特性是指电机在不同负载下 的转速、电流、功率等的变化情 况。
在调速过程中，感应电机的电流可能 会增加，这取决于负载的情况。
03
感应电机优化设计
电机优化设计概述
优化设计的目的
提高电机的效率、功率因数、起动转 矩等性能指标，同时降低谐波损耗和 噪声。
优化设计的主要内容
确定电机的主要尺寸和参数，选择合 适的材料和制造工艺，进行电磁设计 和结构设计等。
电机结构优化设计
绕组电阻
绕组电阻是指电机绕组之间的电 阻值，它与电机的热性能和能耗 密切相关。
极对数
极对数是指电机转子与定子磁场 之间的夹角，它与电机的转速和 扭矩密切相关。
电机参数的测定方法
绕组电阻的测定
通过使用万用表等测量 仪器，测量电机绕组的 电阻值，以确定绕组电
阻。
电感的测定
通过使用LCR测量仪等 测量仪器，测量电机绕 组的电感值，以确定电
感应电机的运行特性包括启动特 性、负载特性和调速特性等。
交流感应电动机的结构
交流感应电动机的结构一、交流感应电动机的结构组成1. 定子交流感应电动机的定子由绕组、铁芯和端盖组成。
绕组是由绝缘线圈绕在定子铁芯槽中形成的，通常采用三相对称结构，能够提高电机的工作效率和负载能力。
铁芯是由硅钢片组成，可以有效减小电磁损耗和铁心噪声。
端盖则固定在定子两端，起到支撑和固定定子的作用。
2. 转子交流感应电动机的转子则由定子上感应出的感应电流在铁芯内形成的磁场驱动旋转。
转子主要由导体和铁芯两部分组成，导体采用铝、铜等导电材料，铁芯为一圆筒形结构，由多个导体隔开。
3. 末端盖末端盖固定在转子两端，起到支撑和固定转子的作用。
通常采用铝合金、铸铁等材料制成，具有较好的耐腐蚀性和强度。
4. 轴承和轴轴承和轴是支撑转子旋转的重要部件，主要由轴承座、轴承和轴组成。
轴承座安装在外壳内，轴承安装在轴承座内，轴则从轴承中心穿过，接驳转子两端。
5. 风扇和冷却器交流感应电动机的风扇和冷却器主要起到散热作用，能够有效降低电机的温度和保障电机的稳定运行。
风扇通常安装在转子端盖上，通过转动产生风流吹散电机内部的热量，冷却器则可以将电机内部的油液、冷却水等物质循环冷却，以降低电机的温度。
二、交流感应电动机的工作原理交流感应电动机的工作原理是基于法拉第电磁感应定律和洛伦兹力的作用而实现的。
当交变电压通过定子绕组时，会在定子中形成旋转磁场，这个磁场会感应到转子中的导体上，从而在导体中形成感应电流，这个感应电流会在导体上形成磁场，产生一个旋转磁场，与定子旋转磁场相互作用，驱动转子旋转，从而带动负载实现电能转换。
在电机运行过程中，电机会不断消耗电能，产生热量，需要通过散热、冷却等方式有效降低温度，保证电机的稳定运行。
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从定子通过气隙传送到转子的电磁功率：
功率方程为：
其中
图5-18表示相应的功率图。
二、转矩方程和电磁转矩 转矩方程
电磁转矩
例题
返回
5.5 感应电动机参数的测定
一、空载试验
1. 试验目的: 确定电动机的激磁参数、铁耗和机械损耗。
空载特性曲线
2. 铁耗和机械损耗分离
2 P10 3I10 R1
二、最大转矩和起动转矩
1. 最大转矩
2. 起动转矩
3. 讨论
感应电机的最大转矩与电源电压的平方成正比，与定、转 子漏抗之和近似成反比； 最大转矩的大小与转子电阻值无关，临界转差率则与转子
电阻成正比：转子电阻增大时，临界转差率增大，但最大
转矩保持不变，此时Ｔｅ－ｓ曲线的最大值将向左偏移,如 图5-26所示； 起动转矩随转子电阻值的增加而增加，直到达到最大转矩 为止。
3.负载时的磁动势方程 转子反应的两个作用合在一起，体现了通过电磁感 应作用，实现机电能量转换的机理。由此可以进一 步导出负载时的磁动势方程：
→
图5-11示出了负载时定、转子磁动势间的关系，以 及定子电流与激磁电流和转子电流的关系。
返回
5.3 三相感应电动机的电压方程和等效电路
一、电压方程
1. 定子电压方程
（6）电磁转矩和输出转矩
[例5·4] 一台四极、 380V 、三角形联结的感应电动机，其
参数为 Ｒ 1=4.47Ω ， Ｒ ´2 = 3.18Ω ， X1σ= 6.7Ω ，
X´2σ= 9.85Ω，Xｍ= 188Ω, Ｒm忽略不计。试求该电 动机的最大转矩Ｔmax及临界转差ｓｍ，起动电流Ist 及起动转矩Ｔst。
pFe
O
pΩ
U
2 1
返回
5.5
感应电动机参数的测定
参数计算
激磁电阻 空载电抗
激磁电抗
二、堵转试验
1.试验目的：确定感应电动机的漏阻抗。 I1k , P1k
R1
X 1
X2
Rm
R2
Xm
短路特性
U1
等效电路
2. 参数计算
返回
5.6
感应电动机的转矩—转差率曲线
一、转矩—转差率特性
转矩—转差率特性曲线 如图5－25 所示。
根据上式即可画出感应电动机的T形等效电路，如图 5-15 所示。图5-16表示与基本方程相对应的相量图 。
4. 近似等效电路
由此即可画出Γ形近似等效电路，如图5-17所示。
返回
5.4
感应电动机的功率方程和转矩方程
一、功率方程，电磁功率和转换功率
感应电动机从电源输入的电功率： 消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗： 消耗于定子铁心变为铁耗：
5.1
磁动 势和磁场
第五章
感应电机
5.3
三相感 应电动机的电 压方程和等效 电路
5.4 5.5
感应电 动机的功率方 程和转矩方程
感应 电动机参 数的测定
5.6 感应动机
的转矩—转差率曲线
5.8 感应电动机的工作特性
本章主要研究定、转子间靠电磁感应作用，在转
0
0
0
返回
100
cos 1
Te TN
0.1
80
0.8
%
60
0.6
40
0.4
Te , cos 1 TN
20
0.2
0 2 4
0
P2 / kW
TN
6
8
10
12
感应电动机的 Te , , cos 1 f ( P2 )
返回
[例5—1]
有一台50Hz的感应电动机，其额定转速nN＝ 730r／min，试求该机的额定转差率
2. 转子电压方程
定子 I 1
1
F1
(E jI X ) E 1σ 1σ 1 1σ
Fm
转子 I 2s
F2
m
E 1
E 1s jI 2s X 2σs )
定子绕 组内 转子绕 组内
2σ
(E E 2σs 2σs
图5-12表示电压方程相应的定、转子的耦合电路图
Pe
P
P2
pCu1
pFe
pCu2
pΩ pΔ
感应电动机的功率图
返回
转矩—转差率特性曲线
返回
300 250 200
4 R2
3 R2
Tmax
2 R2
1 R2
150 100
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
50 0 1.0
4 3 2 1 R2 R2 R2 R2
0.8
0.6
流特性。电磁转矩、功率因数和效率特性如图5-29所示。
由于感应电动机的效率和功率因数都在额定负载附近达到最 大值，因此选用电动机时应使电动机的容量与负载相匹配， 以使电动机经济、合理和安全地使用。
二、工作特性的求取
1. 直接负载法
先用空载试验测出电动机的铁耗、机械损耗和定子电阻，
再进行负载试验求取工作特性。
返回
转子磁动势波F2 气隙磁场Bm 转子
e2 i2
n Te
转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置
转子磁动势波F2 气隙磁场Bm 转子
e2 i2
n Te
返回
F1
) Bm ( m
F2
X
ns
B F I1 m
ns
Z
a
' I 2
I m
n
C
90 2
A
x
' I 2
Y
F2
2.由参数算出电动机的主要运行数据
在参数已知的情况下，给定转差率，利用等效电路求出 工作特性。
返回
笼型绕组
导条
端环
返回
风叶 铁心 绕组 轴承 滑环
返回
返回
Fm
B
Bm
Z
nsX
C
αFe
A
n
Y
感应电动机的空载磁动势和磁场
返回
感应电机中主磁通所经过的磁路
返回
槽漏磁
端部漏磁
返回
定转子磁动势之间的速度关系
将在定子绕组中感应漏磁电动 定子漏磁通 1
。把E 作为负漏抗压降来处理，可得 势E 1 1
二、负载运行时的转子磁动势和磁动势方程
1. 转子磁动势
当电动机带上负载时，转子感应电动势和电流 的频率 f2 应为
转子电流产生的旋转磁动势 F2 相对于转子的 转速为n2：
转子本身又以转速n在旋转，因此从定子侧观察 时，F2在空间的转速应为
将在定子 气隙中的主磁场以同步转速旋转时，主磁通 m
每相绕组中感生电动势 E 1
若主磁路的磁化曲线用一条线性化的磁化曲 线来代替，则主磁通将与激磁电流成正比；
与 于是可认为 I E m 1
之间具有下列关系：
3. 定子漏磁通和漏抗 定子漏磁通又可分为槽漏磁、端部漏磁和谐波 漏磁等三部分，槽漏磁和端部漏磁如图5-8a和b 所示。
解：
s = (ns-nN) /ns = 750-730/750=0.02667
[例5-2]
有一台50HZ、三相、四极的感应电动机转子的转 差率s=5%，试求： （1）转子电流的频率； （2）转子磁动势相对于转子的转速；
（3）转子磁动势在空间的转速。
解 (1)转子电流的频率
f2 = sf1 =0.05×50=2.5Hz
(2)转子磁动势相对于转子的转速
n2=60f2/p=(60×2.5)/2=75r/min
(3) 转子磁动势在空间的转速
n2 + n = n2+ns(1-s)=1500r/min
例[5—3]
已知一台三相四极的笼型感应电动机，额定功率
PN＝l0kW，额定电压UN＝380V(三角形联结)，定
子每相电阻R1=1.33Ω,漏抗X1σ＝2.43Ω，转子电阻的 归算值R´2=1.12Ω，漏抗归算值X´2σ=4.4Ω，激磁阻
定、转子磁动势的空间矢量图和定、转子电流相量图
返回
R1
X1
n
sX 2
R2
U 1
f1
I 1
sE 2
f2
I 2s
感应电动机定、转子耦合电路图
返回
R1
X 1σ
n0
X 2σ
R2
U 1
I 1
E 2
I 2 1 s R2 s
m1 , N1kw1 f1
m2 , N 2 kw2 f1
返回
5.2 三相感应电动机的磁动势和磁场
一、空载运行时的磁动势和磁场
1.空载运行时的磁动势
空载运行时， 定子磁动势基本上就是产生气隙主磁 场的激磁磁动势，定子电流就近似等于激磁电流。 计及铁心损耗时，磁场在空间滞后于磁动势以铁心
损耗角，如图5-6所示。
2. 主磁通和激磁阻抗
主磁通是通过气隙并同时与定、转子绕组相交链的磁通， 它经过的磁路(称为主磁路)包括气隙、定子齿、定子轭、 转子齿、转子轭等五部分．如图5-7所示。
三、机械特性 (转矩-转速特性)
工程中将感应电动机的转速随电磁转矩的变
化曲线成为机械特性。
电动机机械特性与负载机械特性的交点称为
电动机的运行点。
两者之间的关系如图5-27所示。
例题
返回
5.7
感应电动机的工作特性
一、工作特性
在额定电压和额定频率下，电动机的转速、电磁转矩、定子 电流、功率因数、效率与输出功率的关系曲线称为感应电动 机的工作特性。 图5-28表示一台10kW的三相感应电动机的转速特性和定子电