電動機工作原理

1、第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造與工作原理一、 三相異步電動機的構(gòu)造三相異步電動機由兩個基本部分組成：定子和轉(zhuǎn)子。圖4-1表示了異步電動機的結(jié)構(gòu)。1、定子定子在空間靜止不動，主要由定子鐵心、定子繞組、機座、端蓋等部分組成。1）定子鐵心定子鐵心呈圓筒狀，裝入機座內(nèi)，它是電機主磁通磁路的一部分。為了減小鐵心損耗，它是由厚度為0.5mm、片間用絕緣漆絕緣的硅鋼片疊裝壓緊而成。硅鋼片的形狀如圖4-2所示定鐵心圓周內(nèi)表面沿軸向有均勻分布的直槽，用以嵌放定子繞組。為了增加散熱面積，當定子鐵心比較長時，沿軸線方向上每隔一定距離有一條通風溝。2）定子繞組定子繞組由在空間相差1200電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相等的

2、三相繞組組成。為了產(chǎn)生多對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，每相繞組可以由多個線圈串聯(lián)組成。每相繞組的各個導體按照一定的規(guī)律分散嵌放在定子鐵心槽內(nèi)。三相定子繞組要與交流電源相接。為此，將三相定子繞組的首、末端都引到固定在電動機外殼的接線盒上。盒內(nèi)有六個接線柱，分別標注字母U1、U2、V1、V2、W1、W2，這是我國電機生產(chǎn)廠家統(tǒng)一使用的標記。三相繞組首、末端新舊標注字母的對比如表4-1所示。表4-1三相電機三相定子繞組首、末端新舊標注字母表首端末端備注第一相繞組U1U2舊標記是D1、D4第二相繞組V1V2舊標記是D2、D5第三相繞組W1W2舊標記是D3、D6通常電機三相定子繞組的首、末端都是從機座上的接線盒內(nèi)引

3、出。圖4-3是接線盒的示意圖。根據(jù)電源電壓的不同，三相定子繞組可作星形或三角形聯(lián)結(jié)，其接線方法如圖4-4所示。例如電源的線電壓為380V，如果電動機定子的額定電壓為220V，則繞組必須接成星形；如果電動機定子的額定電壓為380V，則繞組必須接成三角形。只有這樣，才能保證各相繞組在其額定電壓下工作。我國生產(chǎn)的三相異步電動機，凡容量在4KW及以上的，其定子繞組一般為三角形接法。圖4-3是接線盒的示意圖。3）機座機座通常由鑄鐵或鑄鋼制成，是整個電機的支撐部分。為了加強散熱能力，其外表面有散熱筋。2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組組成。1）轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心是電動機主磁通磁路的一部

4、分。轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸上，可繞軸轉(zhuǎn)動。與定子鐵心一樣，轉(zhuǎn)子鐵心也是由0.5mm厚的硅鋼片沖壓而成。，如圖4-2所示。轉(zhuǎn)子外表面分布有沖槽，槽內(nèi)安放轉(zhuǎn)子繞組。2）轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組是自成閉路的短路線圈。轉(zhuǎn)子繞組不需外接電源供電，其電流是由電磁感應作用產(chǎn)生的。它有兩種結(jié)構(gòu)形式：籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。圖4-5為籠型轉(zhuǎn)子示意圖、圖4-6為繞線型轉(zhuǎn)子示意圖。（1）籠型轉(zhuǎn)子籠型轉(zhuǎn)子是在鐵心槽內(nèi)放置銅條，銅條兩端用銅制短路環(huán)焊接起來。如圖4-5（a）所示。如果將定子鐵心去掉，轉(zhuǎn)子繞組的形狀如圖4-5(b)所示，其邢如鼠籠，故稱之為籠型轉(zhuǎn)子。現(xiàn)在，中、小型籠型電動機的轉(zhuǎn)子般都采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，采用壓力澆鑄或離心澆鑄

5、的方法將轉(zhuǎn)子槽中的導體、短路環(huán)以及端部的風扇鑄造在一起，與轉(zhuǎn)子鐵心形成一個整體，如圖4-5(c)所示?；\型轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是構(gòu)造簡單、價格便宜、運行安全可靠，使用方便，成為使用最廣泛的一種電動機。（2）繞線式轉(zhuǎn)子繞線式轉(zhuǎn)子的繞組與定子繞組樣，也是三相對稱繞組，按定規(guī)律嵌放在轉(zhuǎn)子表面的沖槽內(nèi)。轉(zhuǎn)子繞組通常接成星形，其三個末端連在一起，埋設在轉(zhuǎn)子內(nèi)，而三個首端則連接到裝在轉(zhuǎn)軸一端的三個銅制滑環(huán)上。三個滑環(huán)之間，以及它們與轉(zhuǎn)軸之間都是彼此絕緣的。滑環(huán)與固定在端蓋上的電刷架內(nèi)的電刷滑動接觸。三相繞組的首端就通過這種電刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)與外部變阻器相連接，如圖4-6所示。轉(zhuǎn)動可變電阻器的手柄，可調(diào)節(jié)串入每相繞組的電

6、阻值，并可使之短路。繞線型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)比較復雜，價格也比較貴。但是由于它的轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)可以串入電阻或某種電子控制電路，使之具有較好的起動和調(diào)速特性。一般用于對起動特性要求較高的場合，如大型機床和某些起重設備上。籠型轉(zhuǎn)子與繞線式轉(zhuǎn)子只是在結(jié)構(gòu)上有所不同，它們的工作原理是一樣的。為了保證轉(zhuǎn)子能夠自由旋轉(zhuǎn)，在定子與轉(zhuǎn)子之間必須留有一定的空氣隙。中小型電動機的空氣隙約在0.21.5mm之間。氣隙的大小對異步電動機的運行有很大影響。氣隙越小，則磁路中磁阻越小，定子與轉(zhuǎn)子之間的相互感應作用就越好，可以降低電機的勵磁電流，提高電機的功率因數(shù)。但是氣隙過小，會對電機的裝配帶來困難，對定轉(zhuǎn)子的同心度要求也會很高，并

7、導致運行不可靠。二、三相異步電動機的銘牌每臺異步電動機的機座上都釘有一塊銘牌，上面標出該電動機的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，了解銘牌上數(shù)據(jù)的意義，才能正確選擇、使用和維修電動機。1、型號三相異步電動機的型號表明了電動機的類型、用途和技術(shù)特征。如Y系列的三相異步電動機Y180M2-4，其型號組成中各符號表示的意義如下。2、額定功率PN表示電動機在額定工作狀態(tài)下運行時，轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率。單位是瓦（W）或千瓦（kW）。其中UN為額定電壓，IN為額定電流，cos N為額定功率因數(shù)，N為額定效率。對于額定電壓380V的三相異步電動機，其cos NN乘積大致在0.8左右，所以根據(jù)上式，可估算出額定功率PN和額定電流

8、IN之間的大小關(guān)系：IN2 PN，式中PN單位是kW，IN單位是A。3、額定電壓UN指電動機定子繞組規(guī)定使用的線電壓，單位是伏（V）或千伏（kV）。如果銘牌上有兩個電壓值，則表示定子繞組在兩種不同接法時的線電壓。按國家標準規(guī)定，電動機的電壓等級分為220V、380V、3000V、6000V和10000V。其中3000V以上的電動機很少。4、接法指電動機在額定電壓下定子三相繞組的聯(lián)結(jié)方法。若銘牌寫，額定電壓寫380V，表明電動機額定電壓為380V時應接形。若電壓寫成380220V，接法寫丫，表明電源線電壓為380V時應接成丫形；電源線電壓為220V時應接形。我國多數(shù)地區(qū)低壓電線電壓為380V。5

9、、額定電流IN指電動機在額定情況下運行時電源輸入電動機的線電流。單位是安培（A）。如果銘牌上標有兩個電流值，表示定子繞組在兩種不同接法時的線電流。數(shù)值大的對應三角形接法，數(shù)值小的對應星形接法。6、額定頻率fN指輸入電動機交流電的頻率，單位是赫茲（Hz）。我國的工業(yè)用電頻率為50 Hz。7、額定轉(zhuǎn)速nN表示電動機在額定運行情況下的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)分（rmin）。8、絕緣等級與溫升絕緣等級表示電動機所用絕緣材料的耐熱等級。溫升表示電動機發(fā)熱時允許升高的溫度。三、三相異步電動機的工作原理三相異步電動機的工作原理是基于電磁感應的基礎上的。因此在具體討論工作原理之前，先分析討論三相異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場的概

10、念。· 旋轉(zhuǎn)磁場在三相異步電動機中，定子三相對稱繞組中通入三相對稱電流，從而在電機中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。定子三相對稱繞組是三個外形、尺寸、匝數(shù)等完全相同的繞組U1U2、V1V2、W1W2，其中U1、V1、W1分別是三個繞組的首端，U2、V2、W2則分別是三個繞組的末端。圖4-7)繞組U1U2的示意圖，另二相繞組的接法相同。同時將它們對稱地放置在圓筒狀鐵心的內(nèi)表面，如圖4-7b)所示，三個繞組在空間的位置差是120°電角度。為了簡化說明單相繞組的連接方式，如圖4-8所示，定子三相繞組接成星形。為分析方便，規(guī)定每相繞組中電流的正方向都是從首端指向末端，如圖4-8中所示。現(xiàn)將三相繞組

11、的首端U1、V1、W1分別接到對稱三相電源上，由于三個繞組完全相同，故產(chǎn)生對稱三相電流，電流波形如圖4-9所示。繞組流經(jīng)電流，就會產(chǎn)生磁場。對稱三相交流電流通過三相繞組建立的合成磁場是一個什么樣的磁場呢?下面我們通過圖解法進行分析。我們選擇t0°、60°、90°、180°等幾個瞬時，根據(jù)該瞬時各相電流的真實方向，對三相電流所產(chǎn)生的合成磁場進行分析、綜合，并推導出該合成磁場隨時間變化的規(guī)律。首先分析t0°瞬間合成磁場的分布情況。據(jù)電流波形圖4-9知，此時iU0，iV是負值，表明V相電流的真實方向與原假定正方向相反，是從末端V2流向首端V1，在圖4

12、-10(a)中V1端電流方向用“”表示，V2端電流方向用“”表示。W相電流此時為正值，iW的真實方向與原假定正方向一致，是從首端W1流向末端W2。在圖4-10(a)中，W1端電流方向用“”表示，W2端電流方向用“”表示。根據(jù)以上三相繞組中電流的真實方向，可以用右手螺旋定則判定合成磁場的方向如圖4-10(a)所示。磁力線方向由鐵心內(nèi)表面上方穿入、下方穿出，鐵心上部相當于N極，下部是S極。這是一個兩極磁場。磁場的軸線與U1U2繞組的空間方位一致，處于垂直位置圖4-10(b)所示是t60°瞬時的情況。此時iU為正值，iV為負值，iW0。根據(jù)三相繞組中電流的真實方向可判定合成磁通的方向如圖4

13、-10(b)所示。這時仍為一個兩極磁場，但磁場軸線與W相繞組的空間方位一致。與前一情況比較，磁場沿圓周順時針方向轉(zhuǎn)過60°。圖4-10(c)是t90°瞬時的情況，此時iU為正值，iV、iW均為負值。根據(jù)三相繞組中電流的真實方向，判定合成磁通的分布亦如圖示。可見該兩極磁場較t0時沿圓周順時針方向總計轉(zhuǎn)過了90°。圖4-10(d)所示是t180°瞬時的情況，采用同樣的辦法可以判定合成磁通的磁力線方向自鐵心內(nèi)圓周表面下方穿入、上方穿出。鐵心下部是N極、上部是S極。可見該二極磁場軸線雖然仍與U1U2繞組空間方位重合，但較t0時，已沿圓周內(nèi)表面在空間總計轉(zhuǎn)過了18

14、0°。通過以上幾個特殊瞬時，對三相繞組合成磁場的分析，不難推斷出，在三相繞組中通入的交流電流變化一個周期時，產(chǎn)生的合成磁場沿圓周鐵心內(nèi)表面的空間旋轉(zhuǎn)一周。通過分析，可知：1、在對稱三相繞組中通入對稱三相電流后，所產(chǎn)生的合成磁場是隨電流交變而在空間旋轉(zhuǎn)的磁場，即為旋轉(zhuǎn)磁場。2、旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速同步轉(zhuǎn)速根據(jù)以上的分析可知，對2極電機，三相電流中電流變化一個周期，其2極旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周。同樣的分析方法可知，4極(p2)電機當交流電流變化一個周期時，其4極合成磁場(p2)將在空間轉(zhuǎn)過半個圓周。與兩極旋轉(zhuǎn)磁場(p1)比較，轉(zhuǎn)速減慢了一半。依此類推，有p對磁極的異步電機，其旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1

15、為                                  （4-1）n1又稱電機的同步轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（rpm）?？梢?，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1與電源頻率f1成正比，與磁極對數(shù)p成反比。我國的工頻f1為50Hz，若p1，則n13000rpm； 若p2，則n115

16、00rpm,依次類推。如表4-2所示。為與異步電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度相區(qū)分，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又稱之為電機的同步轉(zhuǎn)速。表4-2同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)對應表（f1=50Hz）極對數(shù)p123456同步轉(zhuǎn)速n1(rpm)300015001000750600500最后還要指出的是只要有多個繞組，它們在空間有位置差，并通入在時間上有相位差的多相電流，那么它們共同產(chǎn)生的合成磁場就是一個在空間旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。3、旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是由通入三相繞組的三相電流的相序決定的。在分析2極旋轉(zhuǎn)磁場時， U1U2繞組電流首先達到正最大值，其次是V1V2繞組的電流、再次是W1W2繞組的電流達到正最大值。即定子繞組三相

17、電流的相序是UVW。這時旋轉(zhuǎn)磁場的方向在空間是從U 相繞組V相繞組W相繞組，按順時針方向旋轉(zhuǎn)。反之，我們?nèi)舾淖內(nèi)嗬@組通電的順序，例如將V、W相繞組與電源的連線進行對調(diào)，則此時W相繞組通以電流iV，V相繞組通以電流iW，即通入三相繞組的電流相序改變?yōu)閁WV。按上述方法進行分析，可以判斷這時的旋轉(zhuǎn)磁場是按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的。在圖4-11中只選取了t0及t60°兩個瞬時為例進行了分析。表明旋轉(zhuǎn)磁場在空間按逆時針方向轉(zhuǎn)過了60°。改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向有重要的實用意義。因為異步電動機電動狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向是與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相一致的。所以工程上常采用對調(diào)兩根電源線實現(xiàn)對異步電動機的反轉(zhuǎn)

18、控制。2、三相異步電動機的基本工作原理如圖4-12所示，三相異步電動機定子的三相繞組通入三相對稱電流，產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。根據(jù)電磁感應定律，轉(zhuǎn)子導體受到旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割，就會在導體中產(chǎn)生感應電動勢。根據(jù)右手定則，可判斷出轉(zhuǎn)子導體感應電動勢的方向。圖4-15中標出順時針方向旋轉(zhuǎn)磁場以及感應電動勢的方向。需要注意的是，此時是磁極(場)在運動。用相對運動的觀點，可以認為磁極不動，轉(zhuǎn)子導體沿著與磁極運動方向相反的方向運動。根據(jù)以上分析，可以判定位于N極下的導電轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生的感應電動勢的方向是離開紙面指向外面的，用“”表示。而S極下導電轉(zhuǎn)子導體中感應電動勢的方向是指

19、向紙面的，用“”表示。由于轉(zhuǎn)子是一個閉合線圈，它已構(gòu)成電流的閉合通路，故在感應電動勢的作用下，在導體中產(chǎn)生了感應電流。若忽略轉(zhuǎn)子導體中感應電動勢與感應電流之間的相位差，則可認為感應電流與感應電動勢具有相同方向。根據(jù)電磁力定律，當在磁場中與磁力線垂直方向上存在載流導體時，將受到電磁力的作用，電磁力的方向由左手定則確定。據(jù)此，可確定N極下的轉(zhuǎn)子導體將受到向右方向的電磁力F。S極下的導體將受到向左方向的電磁力F。電磁力將產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，以n轉(zhuǎn)速克服阻力轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速一旦等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，則二者之間就沒有相對運動了，

20、當然也就不可能產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。因而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速必然要小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即二者的轉(zhuǎn)速之間有差異，所以這種類型的電動機稱為“異步”電動機。又因為其轉(zhuǎn)子導體的電流是由于電磁感應作用產(chǎn)生的，所以又稱為“感應”電動機。四、 轉(zhuǎn)差率顯然，對異步電動機轉(zhuǎn)子導體中產(chǎn)生感應電動勢、感應電流以及轉(zhuǎn)矩，起決定作用的是磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速二者之差，即磁場切割轉(zhuǎn)子導體的速度。為了衡量異步電動機磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差異程度，引出了轉(zhuǎn)差率的概念。設旋轉(zhuǎn)磁場相對于靜止空間的轉(zhuǎn)速用n1表示，該轉(zhuǎn)速又叫同步轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子相對于靜止空間的轉(zhuǎn)速用n表示。則旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速是nnln，這個轉(zhuǎn)速差n與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動

21、機的轉(zhuǎn)差率，用S表示。                            （4-2）轉(zhuǎn)差率是分析和表示異步電動機性能的一個重要物理量。當旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速nl開始旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子則因機械慣性尚未轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的瞬間轉(zhuǎn)速n0，這時轉(zhuǎn)差率S1。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來之后，n>0，(nln)差值減小，電動機的轉(zhuǎn)差率S<1。如果轉(zhuǎn)軸上的阻轉(zhuǎn)矩加大，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n降低，即異步程度加大，才能產(chǎn)生足夠大的感應電動勢和電流，產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩，這時的轉(zhuǎn)差率S增大。反之，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸上的阻轉(zhuǎn)矩減小，則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n升高，S減小。在理想情況下，轉(zhuǎn)軸上的阻轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，即n=n1，S0。這表明，異步電動機的轉(zhuǎn)差率