三相异步电动机的构造和运行原理

5.1.1　三相异步电动机的结构

如图5-1所示为一台三相异步电动机的结构图，它主要由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间是空气隙。

异步电动机的定子主要由机座、定子铁芯和定子绕组三部分组成。定子铁芯是电动机磁路的一部分，安装在机座里，如图5-2所示。为了减小涡流和磁滞损耗，定子铁芯采用相互绝缘、导磁性能良好的硅钢片叠成。在定子铁芯内圆上开有槽，槽内安放定子绕组。

机座的作用主要是为了固定与支撑定子铁芯，因此，机座应有足够的机械强度和刚度。中、小型异步电动机，通常用铸铁机座；对大型异步电动机，则采用钢板焊接的机座。

异步电动机定子绕组的结构是对称的三相绕组，采用绝缘铜（或铝）导线绕成，嵌在定子槽内，是定子的电路部分。

异步电动机的转子由转子铁芯、转子绕组和转轴3个部分组成，如图5-3所示。

转子铁芯也是电动机磁路的一部分，由相互绝缘的硅钢片叠成。在转子铁芯表面开有槽，槽内安放转子绕组，转子铁芯固定在转轴上。

转子绕组有鼠笼式和绕线式2种结构，大型电动机采用铜导条嵌在转子槽中，在铁芯的两端用2个端环把所有的导条短接，形成一个自行短路的绕组，如图5-3（a）所示。中、小型电动机一般都采用铸铝转子，把导条、端环及端环上的风叶一起铸出，如图5-3（b）所示。如果去掉转子铁芯，转子绕组便成为鼠笼形状，如图5-3（c）所示，因此而得名鼠笼式转子绕组。

绕线式转子绕组和定子绕组相似，也是三相绕组嵌在转子槽中，可以连接成星形或三角形，转子绕组的3根引线分别接到3个滑环上，用一套电刷装置引出，如图5-4所示。绕线式的特点是可以通过滑环和电刷在转子绕组中接入附加电阻，用以改善电动机的启动性能，或调节电动机的转速。但是由于它的结构复杂，通常用在启动转矩大或调速性能要求高的大、中型电动机中。

5.1.2　三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机是利用定子绕组中通入三相对称电流产生的旋转磁场与转子绕组的感应电流相互作用产生电磁转矩而使转子旋转的。因此，这里首先研究旋转磁场的产生，然后讨论转子的转动原理。

1.旋转磁场　如图5-5所示为三相定子绕组，这里用3个集中绕组U₁U₂、V₁V₂、W₁W₂来代替三相分布绕组，它们在定子表面的空间互差120°电角度安放，连接成Y形后接在三相交流电源上，三相绕组中便有三相对称电流流过。假定电流的参考方向从首端指向末端，三相电源电压相序为U-V-W，则流过三相线圈的电流分别为

i_U=I_msinωt

i_V=I_msin（ωt-120°）

i_W=I_msin（ωt+120°）

三相定子电流波形如图5-6所示。

由于电流随时间而变化，所以由电流产生的磁场的分布情况也会随时间而变化，取几个特殊点可分析不同瞬间三相电流产生的合成磁场的特点。

当ωt=0瞬间，i_UZ=0，i_V＞0，i_W＜0，如图5-7（a）所示，根据右手螺旋定则，此时三相电流所产生的合成磁场方向为水平指向右，相当于N极在左，S极在右的两极磁极。

当ωt=120°瞬间，i_UZ＞0，i_V=0，i_W＜0，如图5-7（b）所示，仍用右手螺旋定则，可判断此时由三相电流所产生的合成磁场在空间上沿顺时针转过了120°（也就是沿电源相序方向旋转了120°）。

用同样方法，可画出ωt=240°和ωt=360°时三相电流所产生的合成磁场在空间的分布，如图5-7（c）、（d）所示。而ωt=360°时电流所产生的合成磁场与ωt=0°时完全一样。可见，当三相正弦交流电变化一周时，合成磁场在空间也正好旋转了一周，其旋转方向与绕组中电流相序的方向一致。(www.xing528.com)

以上分析可见，定子三相对称绕组中通入三相对称电流时所产生的磁场是一个旋转磁场，旋转磁场方向由电源的相序决定。若改变电源的相序，旋转磁场的旋转方向也随之改变。

以上得到的旋转磁场是一对极，记为p=1。此时，当定子电流变化一个周期，旋转磁场在空间位置上也正好旋转一周。若电流频率f₁=50Hz，旋转磁场转速n₁为

n₁=60f₁=3000r/min

如果定子三相对称绕组包含6组线圈（仍然用6个单匝线圈表示），它们是U₁U₂、U′1U′2，V₁V₂、V′1V′2，W₁W₂、W′1W′2，如图5-8所示。每个线圈的两个圈边分布在定子铁芯内圆上相隔90°的槽中，U₁和U′1两个圈边的位置则相隔180°，V₁和V′1及W₁和W′1的相对位置也是如此。各线圈的对应边，例如U₁、V₁、W₁，U′1、V′1、W′1等，则依次相隔60°。每相绕组由两个线圈串联而成，如图5-9所示。

当上述绕组按星形连接并从电源流入三相电流，所产生的旋转磁场是一个四极旋转磁场。用分析两极旋转磁场相似的方法，可得

这种情况表明，按一定规律改变定子绕组的分布和连接，可得到极对数不同的旋转磁场，它的转速同极对数p的关系为

式中，f₁为电源的频率；p为磁极的极对数。

可见，旋转磁场的转速决定于电源频率f₁和磁极的极对数p。由于电源的频率是工频50Hz，对已制成的电动机来说极对数p也是固定的，所以磁场转速n₁是一个常数，被称做为同步转速。表5-1列出了在f₁=50Hz时，异步电动机不同极对数下旋转磁场的同步转速。

表5-1　异步电动机不同极对数下的同步转速

图5-7中，旋转磁场按顺时针方向旋转，这是因为电流的相序为U→V→W，而绕组在铁芯内圆上按U、V、W顺序排列正好为顺时针方向。如果绕组的排列顺序不变，但把定子绕组V、W两相同电源连接的导线对调一下，使绕组中电流的相序改为U→W→V，再用上面的方法加以分析，可以发现，旋转磁场的转向将变为逆时针方向。可见，旋转磁场的转向取决于定子绕组中电流的相序：从电流相序在前的绕组，转向电流相序在后的绕组。

2.转子的转动原理　图5-10所示为两极异步电动机转子的转动原理。当异步电动机定子通入三相交流电流后，产生的旋转磁场以n₁的恒定速度旋转，其磁力线经过气隙切割转子表面的导体，根据电磁感应定律，由右手螺旋定则判定，转子导体中产生一切割电势。

由于转子绕组不论是鼠笼式还是绕线式都是自行闭合的，因此转子绕组中有电流流通，电流的方向与感应电动势的方向相同。转子载流导体与定子旋转磁场的相互作用使转子导体受到电磁力F，电磁力F的方向由左手定则判定。由电磁力产生电磁转矩，带动转子以n速转动起来，其转动方向与旋转磁场的旋转方向相同。

电动机转子的转向虽与旋转磁场方向一致，但转速n不可能达到同步转速n₁，即n＜n₁。因为，若两者相等，转子与旋转磁场间就没有相对运动，转子导体不能切割磁力线，则不能感应转子电动势，产生转子电流、电磁力及电磁转矩，转子也不可能保持以n₁速度继续转动。因此转子转速必须与旋转磁场的同步转速有一定的差值，异步电动机就是因此而得名的。由于转子电流是感应产生的，所以，异步电动机又称为感应式电动机。

转子转速n与旋转磁场转速n₁间的转差为

Δn=n₁-n

两转速的相差程度通常用转差率s来表示，即

转差率s是异步电动机的一个重要物理量。在正常运行情况下，异步电动机的转子转速n接近于同步转速n₁，转差率s很小，一般转差率s=0.01～0.06。

【例5-1】一台4对极的三相异步电动机，电源频率f₁=50Hz，额定转速n_N=735r/min，试求电动机带额定负载时的转差率s_N。

解：已知n_N=735r/min,p=4，f₁=50Hz，可求得

由于异步电动机的额定转速很接近但略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有固定的数值，因此确定一台异步电动机的同步转速n₁，可选与该电动机的额定转速最相近的那一个n₁。