探索三相交流电动机的工作过程

前面我们了解了单相交流异步电动机中电能到机械能的转化过程，那么三相交流电动机是如何实现这一转换过程的呢？下面我们深入学习三相交流电动机的转动原理，仍以三相交流异步电动机为重点探究一下这个好玩的工作过程，从学习中找到乐趣。

1.三相交流异步电动机的转动原理

三相交流异步电动机是由转子和定子两部分构成的，定子的结构是圆筒形的，套在转子的外部，电动机的转子是圆柱形的，位于定子的内部。三相交流电源加到定子绕组中，由定子绕组产生的旋转磁场使转子旋转。图4-28所示为典型三相交流异步电动机的转动原理示意图。

【资料】

三相交流异步电动机接通三相电源后，定子绕组有电流流过，产生一个转速为n₀的旋转磁场，在旋转磁场作用下，电动机转子受电磁力作用，以转速n开始旋转。这里n始终不会加速到n₀，因为只有这样，转子导体（绕组）与旋转磁场之间才会有相对运动而切割磁力线，转子导体（绕组）中才能产生感应电动机和电流，从而产生电磁转矩，使转子按照旋转磁场的方向连续旋转。定子磁场对转子的异步转矩是异步电动机工作的必要条件，“异步”的名称也由此而来。

2.三相交流异步电动机定子磁场的形成过程

三相交流异步电动机需要三相交流电源为其提供工作条件，而满足工作条件后三相交流异步电动机的转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个沿定子内圆旋转的磁场。

（1）三相交流电的相位关系

图4-28 典型三相交流异步电动机的转动原理示意图

三相交流电是指三根交流电源线同时供电的方式，这三根线供电的电压峰值和频率都是相同的，只是三线的电流和电压的相位互相差120°，在任一时刻都是按正弦波的规律变化的，如图4-29所示。

图4-29 三相交流的相位关系

（2）三相交流异步电动机旋转磁场的形成过程

三相交流异步电动机的定子绕组镶在定子铁心的槽中，定子铁心与外壳结合在一起，三相绕组在圆周上呈空间均匀分布，每一组绕组都是多圈构成的，且都是由两组对称分布的绕组构成的。

图4-30所示为三相交流异步电动机定子的结构示意图。

图4-30 三相交流异步电动机定子的结构示意图

三相交流电源变化一个周期，三相交流异步电动机的旋转磁场转过1/2转，每一相定子绕组分为两组，每组有两个绕组，相当于两个定子磁极。

图4-31所示为三相交流异步电动机旋转磁场的形成过程。

（3）三相交流异步电动机合成磁场的方向

三相交流异步电动机合成磁场是指三相绕组产生的旋转磁场的总和。当三相交流异步电动机三相绕组加入交流电源时，由于三相交流电源的相位差为120°，绕组在空间上成120°对称分布，因而可根据三相绕组的分布位置、接线方式、电流方向和时间判别合成磁场的方向。

图4-32所示为三相交流异步电动机合成磁场在不同时间段的变化过程。

（4）三相交流异步电动机的转差率

在三相交流异步电动机中，由定子线圈所形成的旋转磁场作用于转子，使转子跟随磁场旋转，转子的转速滞后于磁场，因而转速低于磁场的转速。如果其转速增加到旋转磁场的转速，则转子导体与旋转磁场间的相对运动消失，转子中的电磁转矩等于0。转子的实际转速n总是小于旋转磁场的同步转速n₀，它们之间有一个转速差，反映了转子导体切割磁感应线的快慢程度，因此常用的这个转速差n₀-n与旋转磁场同步转速n₀的比值来表示异步电动机的性能，称为转差率，通常用s表示，即

图4-31 三相交流异步电动机旋转磁场的形成过程

图4-33为三相交流异步电动机的转差率。

图4-32 三相交流异步电动机合成磁场在不同时间段的变化过程(www.xing528.com)

图4-32 三相交流异步电动机合成磁场在不同时间段的变化过程（续）

图4-33 三相交流异步电动机的转差率

电动机起动的瞬间，n=0，s=1，转差率最大；随着转速的上升，转速率减小；当n=n₀时，s=0，因此，s在0～1之间变化。在额定负载时，中小型异步电动机转差率的范围一般为0.02～0.06。

【资料】

学习完关于三相交流异步电动机的结构和原理后，这里不得不提一下同步电动机。交流同步电动机是指转动速度与供电电源频率同步的电动机，即电动机转子的转速n=60f/p（f为电源频率，p为电动机中磁极的对数）。如果磁极对数为1，电源的频率为50Hz，则电动机的转速为（60×50/1）r/min=3000r/min；如磁极对数为2，则转数为（60×50/2）r/min=1500r/min。这种电动机工作在电源频率恒定的条件下，其转速也恒定不变，与负载无关。交流同步电动机其定子绕组与异步电动机相同，电动机的转速与定子绕组所产生的旋转磁场的速度相同。

那么，交流同步电动机是如何实现同步旋转的呢？请看图4-34。如果电动机的转子是一个永磁体，它具有N、S磁极，当该转子置于定子磁场之中时，定子磁场的磁极n吸引转子磁极S，定子磁极S吸引转子磁极N。如果此时使定子磁极转动时，由于磁力的作用转子也会随之转动。

图4-34 交流同步电动机的转动原理

【资料】

如果用三相绕组通以三相电源代替永磁磁极，定子绕组在三相交流电源的作用下形成旋转磁场，定子本身不需要转动，同样可以使转子跟随磁场旋转，图4-35所示为交流同步电动机通以三相电源的转动原理。

图4-35 交流同步电动机通以三相电源的转动原理

根据上述结构和原理可见，当转子磁场和定子磁场在一条直线上时，如图4-36所示，即此时定子磁极n与转子磁极S、定子磁极s与转子磁极N在同一直线时，将会出现无起动转矩的情况，因而交流同步电动机不能自行起动。必须采取相应的措施才能使交流同步电动机自动起动。

图4-36 转子磁场和定子磁场在一条直线上的示意图

【资料】

在上面两个章节中，我们学习了几种直流电动机、交流电动机的结构和工作原理方面的知识。在电工、电子领域中，还有一种电动机称为伺服电动机，这种电动

机也具有突出的特点和功能。

伺服电动机是指自动跟踪控制系统中的电动机，它与自动控制电路系统是密不可分的，该跟踪控制系统的最大特点是具有速度反馈环路，在伺服系统中使用的电动机被称为伺服电动机，伺服电动机可以有直流电动机，交流电动机和步进电动机。

例如，图4-37所示为一种典型具有速度反馈环路的自动跟踪系统。

图4-37 具有速度反馈环路的自动跟踪系统

伺服电动机在系统中作为控制对象，应具有良好的控制性，如图4-38所示，即

•电动机转速和控制电压应具有良好的线性，电动机外加电压越高、转速越快、转速与控制电压成正比。

•电动机的供电电流与转矩应具有良好的线性，即给电动机所加的电流越大、输出转矩越大，输出转矩与所加电流成正比。

•电动机的响应速度要快，开关接通后，电动机能在很短的时间内达到额定转速。

图4-38 伺服电动机应具有的特性