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电机学（2） 第三篇 异步电机 第十五章 三相异步电机的基本结构和基本工作原理 第十六章 三相异步电动机的运行原理 第十八章 三相异步电动机的起动 第十九章 三相异步电动机的调速 第二十章 异步电机的其它运行方式 第二十一章 单相异步电动机 基本结构和基本工作原理 本章基本要求 1. 了解三相异步电机的基本结构、应用和分 类 2. 掌握三相异步电动机的基本工作原理 3. 掌握转差率和额定值的计算 4. 掌握异步电机的三种运行状态及其判别方 基本结构和基本工作原理 主要内容 概述 异步电机的基本结构 异步电机的工作原理和三种运行状态 异步电动机的额定值 基本结构和基本工作原理 15.1 概述 界定：异步电机是一种与同步电机相对应的交流电机。因其 转子转速与定子电流所产生的磁场转速不同，而称为异步电机。 又因其定、转子之间没有电的直接联系，是借助于定、转子之 间的电磁感应作用实现机电能量转换的，故又称为感应电机 应用：主要用作电动机，是工业生产的主要动力。应用非常广 泛。工业——风机、泵、压缩机、轧机、起重机、机床、轻工 及矿山机械；农业——水泵、脱粒机、粉碎机和农副产品加工 机械；交通——电力机车和电动汽车；日用——电扇、洗衣机、 电冰箱和各种医疗机械（单相）。 基本结构和基本工作原理 15.1 概述 优点：结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、使用 及维护方便、坚固耐用、运行效率较高和适用的工作特性。 缺点：目前还不能经济地在较大范围内实现平滑调速；需 要从电网吸收感性的无功功率，以建立磁场，因而功率因数 较差，总小于1。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 分类： 单相异步电机 按 相 数 分 异步 电机 三相异步电机 鼠笼型异步电机 按转子 结构分 绕线型异步电机 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 异步电机实物图： 单相异步电机 三相异步电机 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 异步电机实物图： 鼠笼型异步电机 绕线型异步电机 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 异步电机实物图： 鼠笼型异步电机外部视图 鼠笼型异步电机剖视图 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 结构组成 定子铁心 定子 定子绕组 机座 感应电机 气隙 转子铁心 转子 转子绕组 转轴 鼠笼型 绕线型 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 一、定子 1.定子铁心 作用—主磁路的一部分，放置定子绕组。 构成—0.5mm厚的硅钢片叠成圆柱体；内圆冲有若干均匀分布的形状相同的槽 12 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 定子槽形 半闭口槽—小型异步电机，绕组用圆导线绕成。 半开口槽—低压中型异步电机，绕组是成型线圈。 开口槽 —高压大中型异步电机，绕组是用绝缘带包扎并浸漆处理过的成 型线圈。 13 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 一、定子 2.定子绕组 作用—构成电路部分，感应电动势，通过电流，建立旋转磁场，以实现 机电能量转换。 构成—铜线圈。小型异步机采用单层；大、中型异步机采用双层短距。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 定子绕组联接方式 星形（Y）接法和三角形（△）接法 U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 U2 V2 W2 U2 V2 Y联结 D联结 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 一、定子 3.机座（机壳） 作用—固定和支撑定子铁心，承受运行中的各种作用力，散热。 构成—铸铁或钢板焊接而成。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 二、转子 1.转子铁心 作用—主磁路的一部分，放置转子绕组。 构成—0.5mm厚的硅钢片叠成，外圆周冲有若干均匀分布的形状相同的槽。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 转子槽 槽形的选择主要取决定于对运行性能和起动性能的要求。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 二、转子 1.转子绕组 作用—构成电路部分。感应电动势、流过电流和产生电磁转矩。 构成—铸铝，铜条焊接，铜绕组 。 结构型式—鼠笼型绕组和绕线型绕组。 鼠笼型转子绕组：由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成， 如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。一般为铝浇铸 的，对中大型电机为减小损耗、提高效率，往往采用铜条焊接而成。 绕线型转子绕组：三个出线端子接到固定在转轴上的三滑环上，通过电 刷引出，与外电路接通。其特点是可以在转子绕组中串入附加电阻，来 改善电机的起动性能或调节转速。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 转子绕组实物图 鼠笼型转子绕组 结构示意图 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 转子绕组实物图 绕线型转子绕组结构示意图 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 二、转子 3.转轴 作用—支撑转子铁心，输出、输入机械转矩 构成—钢 。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 二、转子 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 三、气隙 定、转子之间的间隙，也是主 磁路的组成部分。 气隙大小对 异步电机的性能影响很大。为 了减小主磁路的磁阻，降低励 磁电流，提高功率因数，气隙 应尽可能小。异步电机气隙长 度应为定、转子在运行中不发 生机械摩擦所允许的最小值。 中、小型异步电机中，气隙长 度一般为0.2～1.5mm。 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 三相异步电机主要部件拆分图 基本结构和基本工作原理 15.2 异步电机的基本结构 三相异步电机整体图 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 一、转动原理 概述—原理上类似于变压器，定子绕组相当于原绕组，转子绕组副绕组， 通过电磁感应关系实现机电能量转换。所不同的是变压器的磁场为脉振磁 场；异步电机气隙中的磁场为旋转磁场。 原理—定子接三相对称电源，绕组中流过三相对 称电流，气隙中建立基波旋转磁动势，产生基波旋转 磁场，转速为同步速。这个同步速的气隙磁场切割转 子绕组，产生感应电动势并在转子绕组中产生相应的 电流；转子绕组在磁场中受到电磁力矩作用，在这个 力矩驱动下，转子与磁场同方向旋转。 小结—异步电动机转子转速总是低于同步转速， 且与旋转磁场转向相同。改变相序可以改变转子转 向。 N n n1 n1 S 两极异步电动机示意图 （图中气隙磁场形象地 用N、S来表示） 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 二、转差率 背景—异步电动机的转子电动势和电流取决于旋转磁场转速 n1 与转子转速 n 之差，因此分析异步电动机转速变化时，常不直 接用转速，而用转差率来表示。 定义—同步速 n1与转子转速 n 之差与同步速之比值称为 转差率，以 表示，即 s n1 n s n1 其中 60 f1 n1 p 重要数据—空载转差率小于0.5%，满载转差率小于5% 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 三、三种运行状态 异步电机的转子可以是带负载机械，也可以是由原动机驱 动，在不同的转子外部条件下，异步电机将运行于不同的转 速和不同的转差率，对应不同的运行状态。根据转差率的正 负和大小，异步电机分别对应于电动机、发电机、电磁制动 三种不同的运行状态。 基本结构和基本工作原理 1. 电 动 机 运 行 （ 0<n<n1 或 1>s>0） 分析： N e1 i1a n1 e2 f TM i2 a 据相对运动方向，用右手定则确 定e1,e2的方向； n i2a与e2同方向，i1a与i2a相反方向 （磁势平衡）； 由左手定则确定f方向，TM方向； f S n1 TM与转子转动方向一致，驱动转 子运动，克服T2输出机械功率； 定子上：i1a与e1方向相反，电功 率e1i1a为负，表示吸收电功率。 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 三、三种运行状态 1.电动机运行（ 0<n<n1或1>s>0） 特点： 转子侧：TM与n同转向， TM为驱动转矩， TM Ω>0，发出 机械功率 定子侧：e1与i1的有功电流i1a反方向 ，e1·i1a<0，吸收电功 率 吸收电功率￫发出机械功率：电动机运行 基本结构和基本工作原理 N n1 2.发电机运行（ n>n1或s<0） 分析： e1 i1a e2 i2 a f 据相对运动方向，用右手定则确定 e1,e2的方向； i2a与e2同方向，i1a与i2a相反方向 （磁势平衡）； n TM 由左手定则确定f方向，TM方向； n1 f S TM与转子转动方向相反，阻止转子 运动，原动机克服反转矩输入机械功 率； 定子上：i1a与e1方向相同，电功率 e1i1a为正，表示输出电功率。 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 三、三种运行状态 2.发电机运行（ n>n1或s<0） 特点： 转子侧：TM与n反转向，TM为制动转矩，TMΩ<0，吸收机械 功率 定子侧：e1与i1的有功电流i1a同方向，e1·i1a>0，发出电 功率 吸收机械功率￫发出电功率：发电机 基本结构和基本工作原理 N n1 e2 f TM 3.电磁制动运行( n<0 或s>1 ) 分析： e1 i1a i2 a 据相对运动方向，用右手定则确 定e1,e2的方向； n i2a与e2同方向，i1a与i2a相反方向 （磁势平衡）； 由左手定则确定f方向，TM方向； f S n1 TM与转子转动相反，阻止转子运 动，为维持电机反转，必须输入机 械功率； 定子上：i1a与e1方向相反，电功率 e1i1a为负，表示吸收电功率，且变为 内部的热能。 基本结构和基本工作原理 15.3 工作原理和三种运行状态 三、三种运行状态 3.电磁制动运行（ n<0 或s>1 ） 特点： 转子侧：TM与n反转向，TM为制动转矩，TMΩ<0，吸收机械功 率 定子侧：e1与i1的有功电流i1a反方向，e1·i1a<0，吸收电功率 吸收电功率＋吸收机械功率￫ 转子电阻热损耗：电磁制动状态 基本结构和基本工作原理 三、三种运行状态 状 态 电动机 发电机 电磁制动 n与s 关系 E1 的 性质 T的 性质 能量 转换 n<n1 0<s<1 反电动势 n>n1 s<0 电源电动势 n与n1反向， n<0,s>1 反电动势 电磁驱动 力矩 电能→机 械能 电磁阻力矩 原动机机械能 →电能 电磁阻力矩 电能+机械能→内 部损耗（短路） 基本结构和基本工作原理 三、三种运行状态 基本结构和基本工作原理 15.4 异步电动机的额定值 额定值 1）额定功率 P（kW）指额定运行时转轴上的输出机械功率。 N 2）额定电压 U（V） 指加在绕组上的线电压； N 3）额定电流 I N（A） 指定子绕组中的线电流； 4）额定频率 f（Hz） 5）额定功率因数 功率因数； 我国工业用频率为50Hz； cos N 指电动机在额定负载时定子侧的 6）额定转速 nN（r/min） 指电机额定运行时转轴的转速； PN 3U N I N cos 3U N I N cos 基本结构和基本工作原理 15.4 异步电动机的额定值 异步电机的铭牌 铭牌：型号，额 定值，绕组联结 方式，生产厂家 等 基本结构和基本工作原理 15.4 异步电动机的额定值 额定值 • 型号：Y132S-4,Y--异步电动机；132--机座中 心高度132mm，S--短铁心；4-极数。 • 额定值:正常运行时的主要数据指标。 • 绕组联结方式：△接法或者Y接法。