感应电机工作原理及机械特性曲线分析

1.基本原理

为了说明感应电机的工作原理，我们做如下演示实验，如图1-4-8 所示。

（1）演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，发现导体也跟着旋转。若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。

（2）现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是感应电机的基本原理。

（3）结论：欲使感应电机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

图1-4-8　感应电机原理

1—磁铁；2—闭合线圈

2.旋转磁场

（1）旋转磁场的产生。

图1-4-9 所示为最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差120°的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W 相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流，随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场，如图1-4-9 所示。

图1-4-9　三相绕组电流方向

当ωt=0°时，iA =0，AX 绕组中无电流；iB 为负，BY 绕组中的电流从Y 流入B 流出；iC 为负，CZ 绕组中的电流从C 流入Z 流出。由右手螺旋定则可得合成磁场的方向向下，如图1-4-10所示。

当ωt=60°时，iB 为负，BY 绕组中电流从Y 流入B 流出；iA 为正，AX 绕组中的电流从A 流入X 流出；iC=0，CZ 绕组中无电流。由右手螺旋定则可得合成磁场的方向顺时针旋转了60°。

当ωt=90°时，iC 为负，CZ 绕组中电流从Z 流入C 流出；iA 为正，AX 绕组中的电流从A流入X 流出；iB 为负，BY 绕组中电流从Y 流入B 流出。由右手螺旋定则可得合成磁场的方向逆时针旋转了90°。

图1-4-10　旋转磁场的产生

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断做周期性变化，产生的合成磁场也不断旋转，因此成了旋转磁场。

（2）旋转磁场的方向。

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

（3）转子转矩的产生。

三相对称绕组通过三相对称电流产生圆形旋转磁场，磁场在旋转过程中切割转子绕组。如图1-4-11 所示，逆时针旋转的定子磁场切割转子绕组，相当于转子绕组顺时针切割定子磁场，根据右手螺旋定则，转子绕组产生如图1-4-11 所示感应电流，再根据左手定则可知转子绕组在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电机旋转，受力方向为逆时针方向，如图1-4-11 所示。

（4）感应电机的极数与转速。

极数：

感应电机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即P=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即P=2。如图1-4-12 所示，AX 与A′X′是U 相上的两个串联线圈，BY 与B′Y′是V 相上的两个串联线圈，CZ 与C′Z′是W 相上的两个串联线圈，如图1-4-12 所示。(www.xing528.com)

图1-4-11　转子转矩的产生

图1-4-12　双极电机绕组电流方向

转速：

感应电机旋转磁场的转速n0 与电动机磁极对数P 有关，它们的关系是：

由式（1-4-2）可知，旋转磁场的转速n0 决定于电流频率f1 和磁场的磁极对数P。所以当三相输入的电角度改变60°时，定子旋转磁场仅旋转30°，为P=1 时的一半，如图1-4-13所示。

转差率：

电机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n 不可能达到与旋转磁场的转速n0 相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就不存在了。所以旋转磁场与转子之间存在转速差，因此又把这种电机称为异步电机，又因为这种电机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故称为感应电机。

旋转磁场的转速n0 常称为同步转速。转差率S 用来表示转子转速n 与磁场转速相差的程度的物理量。即

图1-4-13　双极电机磁场转角

转差率是感应电机的一个重要的物理量。感应电机起动时n=0，S=1；n=n0 时，S=0；额定工况下一般S=1.5%～6%。

3.机械特性

在一定的电源电压和转子电阻下，感应电机的转矩T 与转差率n 之间的关系曲线称为电机的特性曲线，如图1-4-14 所示。

（1）额定转矩TN。

额定转矩TN 是感应电机带额定负载时，转轴上的输出转矩。nN 为额定转矩时的输出转速。

（2）最大转矩Tmax。

Tmax 又称为临界转矩，是电机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电机的过载能力。

最大转矩Tmax 与额定转矩TN 之比称为电动机的过载系数，一般三相感应电机的过载系数在1.8～2.2。

在选用电机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，根据所选电机的过载系数算出电机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩，否则，就要重选电机。

（3）起动转矩Tst。

Tst 为电机起动初始瞬间的转矩，即n=0，S=1 时的转矩。

为确保电机能够带额定负载起动，必须满足：Tst＞TN，一般的感应电机Tst/TN=1～2.2。

图1-4-14　感应电机机械特性曲线