感应电机是三相交流异步电机

感应电机又称为三相交流异步电机,如图4-2-1所示。它利用电磁感应的工作原理,即转子置于旋转磁场中,在旋转磁场的作用下,获得一个转动力矩,使转子转动。转子是可转动的导体,通常多呈鼠笼状,感应电机的笼型导体是将棒状的导体排布在圆周上,在端部通过圆环短路。

图4-2-1

1.感应电机的基本结构

感应电机的基本结构与无刷直流电机的结构比较类似,由转子总成和定子两大部分组成,在定子和转子之间存在0.25～2 mm的间隙,定子是电机的静止部分,由机座、定子铁芯和定子绕组3个部分组成;转子是电机的旋转部分,由转子铁芯、转子绕组和转轴等组成。其基本结构如图4-2-2所示。

图4-2-2

图4-2-3

(1)定子

定子也称电枢,是静止不动的部分,其功用是产生感应电动势,主要由定子铁芯和定子绕组构成,如图4-2-3所示。

图4-2-4

①定子铁芯:定子铁芯是电机磁路的一部分,其上放置定子绕组。一般由厚度0.35～0.5 mm的硅钢片叠压而成。硅钢片的内圆冲有均匀分布的槽,可以安放定子绕组,结构如图4-2-4所示。②定子绕组:定子绕组是电机的电路部分,通入三相交流电,产生旋转磁场。它由3个在空间互隔120°、绕组由U、V、W三组构成相分布绕组,对称排列、结构完全相同的绕组连接而成,其结构如图4-2-5所示。定子绕组的频率相同、幅值相等、相位互差120°。三相定子绕组的接法有星形(Y)接法和三角形(△)接法两种,如图4-2-6所示。

图4-2-5

图4-2-6

③机座:一般由铁或铝铸造而成,它的作用是固定定子铁芯和定子绕组,并以两个端盖支撑转子,同时起保护整台电动机的电磁部分和散发电机运行中产生的热量,为了增强散热性,在外表面加有散热筋,其结构如图4-2-7所示。

图4-2-7

(2)转子

转子是旋转产生动能的部分,其功用是通过旋转产生磁场,它由转子铁芯、转子绕组以及转轴组成,如图4-2-8所示。

图4-2-8

①转子铁芯:由硅钢片叠压而成,嵌套在转轴上,作用与定子铁芯相同,也是磁路的一部分,即铁芯本身用作导磁,外圆上均布的槽用于安放转子绕组,如图4-2-9所示。

图4-2-9

②转子绕组:形成闭合回路的短路线圈,不需要外接电源供电,作为切割定子磁场,产生感应电动势和电流,并在旋转磁场的作用下受力使转子转动。根据构造的不同转子绕组可分为绕线式转子绕组和鼠笼式转子绕组两种类型。

绕线式转子绕组:绕线式转子绕组和定子绕组一样做成三相对称绕组,经过适当的排列和组合,嵌入并固定在转子铁芯槽内,使三组绕圈接成星形连接,3个引出线分别接到固定的转轴上的3个铜滑环上。在各个环上,分别放置着固定不动的电刷,通过电刷与滑环的接触,使转子绕组与外加变阻器接通,启动电机,如图4-2-10所示。

图4-2-10

鼠笼式转子绕组:如果将定子铁芯去掉,转子绕组的形状如鼠笼,称为笼型转子。中、小型鼠笼式电机的转子一般都采用铸铝转子,采用压力浇铸或离心浇铸的方法将转子槽中的导体、短路环以及端部的风扇铸造在起,与转子铁芯形成一个整体,如图4-2-11所示。

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图4-2-11

鼠笼式转子绕组的优点是结构简单、价格较低,运行安全可靠、使用方便等。它的结构是转子铁芯的槽沟内插入铜条,在铜条两端焊接两个铜环,如图4-2-12所示。

图4-2-12

三相鼠笼式异步电机的功率容量覆盖面很广,从零点几瓦到几千瓦。它可以采用空气冷却或液体冷却方式,冷却自由度高、对环境的适应性好,并且能够实现再生制动。

③转轴:用以传递转矩及支撑转子的质量。一般由中碳钢或合金钢制成。

2.基本原理

①旋转磁场的产生。当对称三相绕组通入对称三相交流电源时,三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势(定子旋转磁动势)并产生旋转磁场,磁场线切割转子绕组,根据电磁感应原理,转子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用使转子绕组中产生感应电动势和感应电流,转子绕组在磁场中受到电磁力的作用,即产生电磁转矩,使转子旋转起来,转子输出机械能量,带动机械负载旋转起来,其原理如图4-2-13所示。

图4-2-13

②电生磁。三相对称绕组通入三相对称电流产生圆形旋转磁场,如图4-2-14所示。

图4-2-14

③磁生电。旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。

④电磁力。转子载流(有功分量电流)体在磁场作用下受电磁力作用,形成电磁转矩,驱动电动机旋转,将电能转化为机械能。

感应电动势的方向可以用右手定则判断。转子绕组是闭合的,会有感应电流产生,此时转子绕组在磁场中会受到电磁力的作用,力的方向可由左手定则判断。转子绕组闭合回路两边受到两个相反方向的电磁力的作用,会产生电磁转矩,使转子绕组转动,转动方向和旋转磁场的方向一致。

3.异步原理

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n1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、转子电流以及转矩就不存在了。由于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n0相差的程度的物理量,即

转速是指感应电机旋转磁场的转速n1与电动机磁极对数p有关,旋转磁场的转速n1取决于电流频率f和磁场的极数p。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,有

启动时:　　　　n=0,S=1。

理想空载时:　　n=n1,S=0。

正常运行时:　　0＜n＜n1,1＞S＞0。

额定运行时:　　Sn=0.01～0.09。

4.电机速度、转向和驱动与制动状态的控制

(1)电机转速调节

电机转速调节方式有变极调速、变频调速、变转差率调速3种,但改变通入定子三相绕组中的三相交流电的频率可以改变旋转磁场的旋转速度,从而改变电机的转速,实现变频调速是较为实用的技术。

(2)电机转向调节

电机转向调节可以改变通入定子三相绕组中的三相交流电的相序,可以改变旋转磁场的旋转方向,从而改变电机的转向。

(3)电机运行状态控制

当0＜n＜n1,1＞S＞0时,电机处于电动机运行状态,为驱动状态。当转子转速增加n,或降低同步转速n1,n＞n1,S＜0时,电机处于发电机运行状态,为再生制动状态。