第 3 篇 异步电机

1. 第3篇 异步电机

2. 第8章 异步电动机的基本工作原理和主要结构 • 8.1异步电动机的主要用途和分类 一、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。 异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。 异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于１。

3. 异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。异步电动机运行时，定子绕组接到交流电源上，转子绕组自身短路，由于电磁感应的关系，在转子绕组中产生电动势、电流，从而产生电磁转矩。所以，异步电机又叫感应电机。 二、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法： （1）按定子相数分有 ① 单相异步电动机；② 两相异步电动机； ③ 三相异步电动机。 （2）按转子结构分有 ① 绕线式异步电动机；② 鼠笼式异步电动机。后者又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。 此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。

4. 异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。异步电机也可作为异步发电机使用。单机使用时，常用于电网尚未到达的地区，又找不到同步发电机的情况，或用于风力发电等特殊场合上。在异步电动机的电力拖动中，异步电机回馈制动时，即运行在异步发电机状态。

5. 8.2 异步电动机的主要结构 异步电动机在结构上也是由定子、转子、气隙组成。

6. 一、异步电动机的定子： 异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。 1、定子铁心：是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆。下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。

7. 2、定子绕组： 高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或△形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内。

8. 3、机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子部分。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。 二、气隙： 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm左右。

9. 三、异步电动机的转子： 异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成的 。 1、转子铁心：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。 2、转子绕组：分为笼型和绕线型两类。 1）笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，则可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图（a) 所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也有用铝的。

10. 如果用的是铜料，就需要把事先做好的裸铜条插入转子铁心上的槽里，再用铜端环套在伸了两端的铜条上，最后焊在一起，如图(b)所示。如果用的是铸铝，就连同端环、风扇一次铸成，如图(c)所示 。笼型转子结构简单、制造方便、是一种经济、耐用的电机，所以应用极广。

11. 2）绕线型转子：绕线型转子的槽内嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如图所示。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。 与笼型转子相比较，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。

12. 8.3 异步电动机的铭牌数据 • 三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。 • 8.3.1 异步电动机的型号： 电机产品的型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如Y系列三相异步电动机表示如下：

13. Y 100 L 1 2 异步电动机 极数 铁心长度代号 机座中心高 机座长度代号

14. 我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。 • Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。 • JQ2 和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2 是防护式和JQO2是封闭式的。 • JS系列是中型防护式三相鼠笼异步电动机。 • JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。 • JSL2 和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2 是鼠笼式，JRL2是绕线式。

15. JZ2 和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZ2是鼠笼式，JZL2是绕线式。 • JD2 和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。 • BJO2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。 • JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。 • JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。 • JZT系列是电磁调速异步电动机。 • 其他类型的异步电动机可参阅产品目录。

16. 8.3.2 异步电动机的额定值： • 异步电动机的额定值包含下列内容： （1）额定功率 PN指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。 （2）额定电压UN指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。 （3）额定电流IN指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。 （4）额定频率f指我国规定工业用电的频率是50Hz。 （5）额定转速n 指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min 。 （6）额定功率因数 指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。

17. 8.3.3如何根据电机的铭牌进行定子的接线？ 如果电动机定子绕组有六根引出线，并已知其首、末端，分几种情况讨论。 • （1）当电动机铭牌上标明“电压380/220V，接法Y/△”时，这种情况下，究竟是接成Y或△，要看电源电压（线电压）的大小。如果电源电压为380V，则接成Y接；电源电压为220V时，则接成△接。 • （2）当电动机铭牌上标明“电压380V，接法时△”时，则只有这一种△接法。但是在电动机起动过程中，可以接成Y接，接在380V电源上，起动完毕，恢复△接法。 • 对有些高压电动机，往往定子绕组有三根引出线，只在电源电压符合电动机铭牌电压值，便可使用。

18. 8.4 异步电动机的工作原理 • 工作原理： • 三相异步电动机定子接三相电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定则确定受力方向，如图所示。

19. 转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要n＜n1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。记为异步电动机转差率：转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要n＜n1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。记为异步电动机转差率：

20. 注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。注意：在正常情况下，异步电动机的转子转速总是略低与旋转磁场的转速（同步转速）。转差率是一个表征异步电动机运行状态的一个基本参数。感应电动机的转速随负载的变化而变化。

21. 第9章 异步电动机的运行分析 9.1 三相异步电动机转子不转、转子绕组开路时的电磁关系 正常情况下，电机转子总是旋转的，但是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进行分析。 9.1.1 正方向的规定：

22. 9.1.2 磁通及磁动势： 1、励磁磁动势：我们给异步电动机通入对称的三相交流电时，根据我们前面所学的可知将会在气隙中会产生一个旋转的气隙磁场，这个旋转的磁场会同时切割定转子绕组，这样，在两个绕组内会产生相应的感应电动势，但是由于转子绕组是开路的所以，没有电流，即没有磁动势，由此可见，在这种情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此，定子磁动势又叫做励磁磁动势，定子电流亦叫做励磁电流。 （a） （b） （c）

23. 而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以A相为例来进行讲解。下面我们来看一下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点：而由于整个分析过程是完全对称的，所以我们在分析时仅以A相为例来进行讲解。下面我们来看一下由电流产生的旋转磁场的磁动势的特点： 1）幅值： 2）转向：逆时针转向。A1—B1—C1 3）转速：相对于定子绕组以角频率 旋转。 4）瞬间位置：正如前面所分析的，当A相电流达到正最大 时，他所对应的磁动势也达到正最大。

24. 转子不转的三相异步电机，相当于一台副边开路的三相变压器，其中定子绕组是原绕组，转子绕组是副绕组，只是在磁路中，异步电机定、转子铁心中多了一个空气隙磁路而已。 2）主磁通和漏磁通： 主磁通：同时铰链定子、转子、气隙构成闭和回路的磁通，气隙里每极主磁通量用Φ1表示 漏磁通：只铰链定子绕组就形成闭和回路，叫定子漏磁通，用 表示。

25. 如图所示：

26. 由于气隙是均匀的，励磁磁动势F0产生的主磁通Φ1所对应的气隙磁密是一个在气隙中旋转、在空间按正弦分布的磁密。用空间向量表示为 ， 的位置载其最大值处， 为是气隙磁密的最大值。气隙里每极主磁通为： 气隙磁密和励磁磁动势同方向，这是因为磁动势达到最大值时，该处的磁密也为最大。（在不考虑磁滞、涡流的影响下）

27. 9.1.3 感应电动势: 我们以知旋转磁场同时切割定转子绕组,在定转子绕组内将会产生感应电动势E1,E2,根据我们前面所学的知识可知: 定子、转子每相电动势之比叫电压变化，用ke表示，即:

28. 二、 的相位关系： 我们以知感应电动势总是滞后于产生他的磁通Φ900，而在转子不转，且转子绕组开路的情况下，定子和转子是被同一个磁通所铰链，所以，很显然，两个感应电动势之间是同相位的。 9.1.4 励磁电流： 和前面分析变压器的情况是一样的，励磁电流也是由IFe和Iμ两分量组成。

29. 有功分量IFe很小，因此 领先 一个不大的角度。在时间空间向量图上， 与 相位相同，与 相位一样， 和 领先 一个不大的角度。 9.1.5 电压方程式： 从前面的图中，我们可以得到相应的电动势平衡方程式，但是在这里需要注意的一点是：定子绕组的漏磁通在定子绕组内也会产生一个电动势，我们称之为定子漏电动势，用 表示， 所以，电压方程式为：

30. 式中Z1=R1+ j 是定子一相绕组的漏阻抗。上式用相量表示时，与三相变压器副绕组开路时的情况，完全一样。

31. 9.1.6 等值电路： 与三相变压器空载时一样，异步电动机也能找出并联或串联的等值电路。以知： 于是，电压平衡等式为

32. 作成电路图： 转子回路电压方程式：

33. 9.2 三相异步电动机转子堵转时的电磁关系 堵转:即堵住转子让转子不转的现象,实际上就是对转子进行了短路.下面,我们就来详细的分析一下,当转子被短路情况下的电机的电磁关系. 9.2.1 磁动势和磁通: 1)磁动势:异步电动机转子被短路的这种情况和变压器副边短路的情况类似.

34. 现在,转子被短路,所以,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势,下面我们就来详细的进行分析.现在,转子被短路,所以,当在定子绕组内通入三相对称电流后,产生的沿逆时针方向旋转的磁场,不仅在定子绕组内产生磁动势,在转子绕组内也会产生磁动势,下面我们就来详细的进行分析. 一、转子侧磁动势的特点： 在三相对称的转子 绕组里流过三相对称电流 时，产生的转子空间旋转磁动势 的特点： 1）幅值： 2）转向：假设气隙旋转磁密是逆时针方向旋转，在转子绕组内感应产生的电动势及电流的相序

35. 就应为A2—B2—C2。 3）转速：相对于转子绕组为 注意：现在定转子被同一个磁通所铰链，所以，产生的电流的频率是相等的。 4）瞬间位置： 当A相电流达到正的最大值时，与他相对应的磁动势也达到正的幅值。 与副边短路的三相变压器一样，当异步电机转子绕组短路时，定子边电流不再是 ，用 表示。由定子电流产生的气隙空间旋转磁动势用 表示，叫定子旋转磁动势。定子旋转磁动势的特点与转子绕组开路时一样，仅幅值不同。

36. 转于绕组短路的三相异步电机，作用在磁路上的磁动势有两个：一为定子旋转磁动势 ；一为转子旋转磁动势。由于它们的旋转方向相同，转速又相等，只是一前一后地旋转着，我们称它们为同步旋转。 既然它们是同步旋转，又作用在同一个磁路上，把它们按向量的关系加起来，得到合成的磁动势仍用 表示。即:

37. 这个合成的旋转磁动势 ，才是产生气隙每极主磁通 的磁动势。主磁通 在定、转子相绕组里感应电动势 和 2）漏磁通： 在这种情况下,除了定子侧的漏磁通外,转子侧有电流也要产生漏磁通,表现为 注意，变压器中的主磁通是脉振磁通， 是它的最大振幅。在异步电动机中，气隙里主磁通的却是旋转磁通，它对应的磁密波沿气隙圆周方向是正弦分布，以同步速相对于定子在旋转， 表示气隙里每极的磁通量。

38. 9.2.3 定转子回路方程: 根据前面的分析可知: 式中: 是转子绕组的漏阻抗. 转子相电流为:

39. 式中 是转子绕组回路的功率因数角. 显然，上式中的转子侧的感应电动势和电流、电抗等的频率都是 ，转子电流在相位上滞后与电动势 时间电角度。 根据定、转子磁动势合成关系，有 改写成

40. 从上面的分析我们可以看出，当转子侧电流不为零时，他也会产生一个磁动势，而此时定子侧的磁动势此时变成了 ， • 这就可以认为定子旋转磁动势里包含着两个分量：一个分量是大小等于 ，而方向与 相反，用 表示。它的作用是抵消转子旋转磁动势对主磁通的影响；另一个分量就是励磁磁动势 。它是用来产生气隙旋转磁密的。由于这种情况下定子磁动势已变为 了，定子绕组里的电流也就变为 了。

41. 定子回路的电压方程式为： • 9.2.3 转子绕组的折合（折算）： 从前面的分析我们可以看出，分别对定转子进行分析太过麻烦，异步电动机定、转子之间没有电路上的联结，只有磁路的联系，这点和变压器的情况相类似 ，所以在这里我们仍采用折算的方法，把转子折算到定子侧，用一个新转子，它的相数、每相串联匝数以及绕组系数都分别和定子的一样（三相、 ）

42. 但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。但是关键的一点是：要保证转子侧在折算前后对整个磁场的影响不能发生改变，即折算前后转子的总视在功率、有功功率、转子的铜耗和漏磁场储能均保持不变。简单的说就是转子侧的磁动势没有改变，不影响定子边。 根据定、转子磁通势的关系： 可以写成

43. 令 • 这样可得

44. 简化为： 而折算前后的电流的关系为：

45. 电流变比 • 式中 是转子绕组的相数，只有绕线式三相异步电动机转子绕组是三相，鼠笼式异步电动机转子绕组一般不是三相，而是相。 经过折算，从表面上看，好像定、转子之间真的在电路上有了联系。

46. 这样，我们就可以对相关的量进行折算。 于是转子回路的电压方程式 ：

47. 于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为：于是折合后转子漏阻抗与折合前转子漏阻抗的关系为： • 折合前后的功率关系不变。例如转子里的铜损耗，用折合后的关系表示为：

48. 折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为折合前后的无功功率也不变。例如转子漏抗上的无功功率，用折合后的关系式表示为 • 即折算后的量我们全部用“´”来表示.

49. 9.2.4基本方程式、等值电路和相量图： 整理可的基本方程式：