三相异步电动机转动原理

1.基本原理

为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如图1-6-2所示演示实验。

图1-6-2　三相异步电动机工作原理

1）演示过程

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，将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，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

3）结论

欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。

2.旋转磁场

1）产生

图1-6-3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相连。则三相定子绕组通过三相对称电流。随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中会产生旋转磁场（见图1-6-4）。

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为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出。

当ωt＝120°时，iB＝0，BY绕组中无电流；iA为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；iC为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出。

当ωt＝240°时，iC＝0，CZ绕组中无电流；iA为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；iB为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出。

图1-6-3　三相异步电动机定子接线

图1-6-4　旋转磁场的形成

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地作周期变化，产生的合成磁场也不断地旋转，因此，称为旋转磁场。

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。

3.三相异步电动机的极数与转速(www.xing528.com)

1）极数（磁极对数p）

三相异步电动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。

同理，如果要产生三对极，即p＝3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40°（＝120°/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角θ 的关系为：θ＝120°/p

2）转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

由式（1-6-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

在我国，工频f1＝50 Hz，对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0如表1-6-3所示。

表1-6-3　极对数与旋转磁场转速n0的对应关系

3）转差率s

电动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，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都不存在了。也就是说，旋转磁场与转子之间存在转速差。我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

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n0相差程度的物理量，即

转差率是异步电动机的一个重要物理量。

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n＝0，这时转差率s＝1。转子转动起来之后，n>0，（n0－n）差值减小，电动机的转差率s<1。如果转轴上的阻转矩加大，则转子转速n 降低，即异步程度加大，才能产生足够大的感受电动势和电流，产生足够大的电磁转矩，这时的转差率s 增大。反之，s 减小。异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下为0.015～0.06。

根据式（1-6-2），可以得到电动机的转速常用公式

【例6.1】有一台三相异步电动机，其额定转速 n＝975 r/min，电源频率 f＝50 Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率s。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975 r/min 最相近的同步转速为n0＝1000 r/min，与此相应的磁极对数为p＝3。因此，额定负载时的转差率为

4）三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。