汽車電機(jī)及驅(qū)動(dòng)技術(shù) 課件 第6章 感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)第6章6.1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)6.1.1感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理1）給感應(yīng)電動(dòng)機(jī)對(duì)稱的三相繞組中通以對(duì)稱三相電流時(shí)，在電機(jī)氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)速為

的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。2）該磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3）轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中將流過(guò)與電動(dòng)勢(shì)同相位的短路電流。4）轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場(chǎng)中受力，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。6.1.2感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子感應(yīng)電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座3部分組成。機(jī)座主要用來(lái)支撐定子鐵心和固定端蓋，因此要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。汽車用感應(yīng)電機(jī)的機(jī)座一般采用鑄鋁制成，外殼上需要有風(fēng)冷散熱筋或者水冷通道。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和軸等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是導(dǎo)磁的主要路徑，由厚0.5mm的硅鋼片疊成，轉(zhuǎn)子鐵心固定在軸或轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子鐵心呈圓柱形，在鐵心外圓沖有均勻分布的槽。其與定子繞組的關(guān)系相當(dāng)于變壓器初級(jí)繞組與次級(jí)繞組。從電磁關(guān)系上看，感應(yīng)電機(jī)與變壓器十分相似。感應(yīng)電機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的二次繞組，因此經(jīng)常把感應(yīng)電機(jī)等效為一臺(tái)二次繞組短路的帶空氣隙的變壓器，以便于對(duì)感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行進(jìn)行分析。根據(jù)加工工藝的不同，轉(zhuǎn)子分為籠式和繞線式兩種。3.氣隙氣隙是電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙。氣隙大小對(duì)感應(yīng)電機(jī)的性能有很大的影響。氣隙大，則整體磁路的磁阻大，要建立同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就需較大的勵(lì)磁電流或永磁勵(lì)磁磁勢(shì)。勵(lì)磁電流基本上是無(wú)功電流，為降低電機(jī)的勵(lì)磁電流、提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡量小。一般氣隙長(zhǎng)度應(yīng)為機(jī)械上所容許達(dá)到的最小值，中、小型感應(yīng)電機(jī)氣隙一般為0.2~2mm。6.1.3感應(yīng)電機(jī)的參數(shù)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速ns相等，兩者之間的相對(duì)速度ns?n稱為轉(zhuǎn)差速度，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于定子磁場(chǎng)的部分用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，相當(dāng)于同步電機(jī)的勵(lì)磁。定義轉(zhuǎn)差速度與同步轉(zhuǎn)速之比為轉(zhuǎn)差率s：例1

一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)，電源頻率f1=50Hz，其額定轉(zhuǎn)速nN=975r/min。試求電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)和額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率。解：根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知：

ns=975r/min

,即極對(duì)數(shù)額定轉(zhuǎn)差率為例2Y180M－2型三相異步電動(dòng)機(jī)，△接法，

=0.89，fN=50Hz，nN=2940r/min。求額定運(yùn)行時(shí)的：(1)轉(zhuǎn)差率；(2)定子繞組的相電流；(3)輸入有功功率；(4)效率。解：(1)由型號(hào)知2p=2，即

p=1，因此

ns=3000r/min，故PN=22kW，UN=380V，IN=42.2A，

=0.02(2)由于定子三相繞組為三角形聯(lián)結(jié)，故相電流為(3)輸入有功功率(4)效率6.1.4感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)1.發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如果用原動(dòng)機(jī)將感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)制加速，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速n高于同步轉(zhuǎn)速

，此時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，且n>ns

，即s<0，磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的方向與電動(dòng)機(jī)狀態(tài)相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，為制動(dòng)性質(zhì)，此時(shí)轉(zhuǎn)子從原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率，通過(guò)電磁感應(yīng)作用由定子輸出電功率，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)堵轉(zhuǎn)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)理想空載狀態(tài)發(fā)電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n＜0n=00＜n＜

n=n>轉(zhuǎn)差率s＞1s=11＞s＞0s=0s＜02.電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向相同且轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速

，即0<s<1時(shí)，為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在該轉(zhuǎn)矩作用下轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)性質(zhì)，即與轉(zhuǎn)速方向一致。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速取決于負(fù)載的大小。3.電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)如果外力的作用使轉(zhuǎn)子逆定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)，則s>1，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電動(dòng)勢(shì)、電流及電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍與電動(dòng)狀態(tài)相同。這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向相同，但與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向相反，所以電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)，稱為電磁制動(dòng)狀態(tài)。在這種情況下從轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，從定子輸入電功率，兩部分功率一起轉(zhuǎn)換為電機(jī)內(nèi)部的損耗。6.2感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的磁動(dòng)勢(shì)和磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，將定子繞組接至對(duì)稱三相電壓，便有對(duì)稱三相電流I10在定子繞組中流過(guò)，該電流稱為空載電流。若不計(jì)諧波磁動(dòng)勢(shì)，則該定子電流建立一個(gè)基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)

，其幅值為根據(jù)磁通通過(guò)的路徑的不同，將磁通分為主磁通和漏磁通兩部分。由基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的通過(guò)氣隙并與定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組同時(shí)交鏈的磁通稱為主磁通諧波漏磁通與前兩種漏磁通不同，它實(shí)際上與定轉(zhuǎn)子繞組都交鏈，在定、轉(zhuǎn)子繞組中都產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它在定子繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與前兩種漏磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率相同，但不參與能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，所以也把它作為漏磁通處理，稱為諧波漏磁通。。從上述分析可以看出，主磁通和漏磁通的路徑和性質(zhì)截然不同。主磁通同時(shí)交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，是能量轉(zhuǎn)換的媒介，主磁路主要由定、轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙組成的一個(gè)非線性磁路，受磁路飽和程度影響較大；漏磁通主要通過(guò)空氣隙閉合，受磁路飽和程度影響很小，可視為線性磁路，這部分磁通不參與能量轉(zhuǎn)換，相當(dāng)于漏掉了。由于主磁通和漏磁通磁通路徑不一，無(wú)法合并起來(lái)計(jì)算，因此磁路計(jì)算時(shí)將它們分開各自單獨(dú)計(jì)算。6.3三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)測(cè)定6.3.1空載試驗(yàn)與勵(lì)磁參數(shù)的測(cè)定1.空載試驗(yàn)

空載試驗(yàn)的目的是測(cè)取勵(lì)磁參數(shù)，以及分離出鐵耗

和機(jī)械損耗

。試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上不帶負(fù)載，定子繞組接到額定頻率的對(duì)稱三相電源，先將電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行一段時(shí)間(約20min左右)使其機(jī)械損耗達(dá)到穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)定子端電壓從（1.1~1.2）U1N

開始逐步降低至0.3U1N為止，測(cè)7~9組數(shù)據(jù)，每次記錄電壓U1

、空載電流I10

。和空載輸入功率p10

，繪制成空載特性曲線

2.鐵耗與機(jī)械損耗的分離3.勵(lì)磁參數(shù)的確定6.3.2堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)及短路參數(shù)1.堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)時(shí)將轉(zhuǎn)子堵住不轉(zhuǎn)，即在

的情況下進(jìn)行的。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)電流很大，也稱為短路試驗(yàn)。2.堵轉(zhuǎn)參數(shù)的確定6.4功率關(guān)系、功率方程和轉(zhuǎn)矩方程6.4.1功率關(guān)系

6.4.2功率方程，6.4.3轉(zhuǎn)矩方程6.5感應(yīng)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械特性6.5.1電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式

，，6.5.2機(jī)械特性1.最大轉(zhuǎn)矩

如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于最大轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)，因此最大轉(zhuǎn)矩表征了感應(yīng)電機(jī)帶負(fù)載的能力。1）當(dāng)電機(jī)參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩與電源電壓的二次方成正比，臨界轉(zhuǎn)差率與電源電壓無(wú)關(guān)。2）當(dāng)電源電壓和頻率不變時(shí)，最大轉(zhuǎn)矩和臨界轉(zhuǎn)差率均與

成反比。3）最大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電阻無(wú)關(guān)，而臨界轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比。2.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩1）當(dāng)參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的二次方成正比。2）當(dāng)電源頻率和電壓不變時(shí)，定、轉(zhuǎn)子漏抗越大則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小。3）對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路中串入適當(dāng)電阻可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。6.5.3電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式6.6感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速6.6.1調(diào)速方法簡(jiǎn)介1.極數(shù)調(diào)速方法1）具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；2）不增加轉(zhuǎn)差損耗，效率高；3）接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低；4）有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；5）可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。

2.串級(jí)調(diào)速方法1）可將調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高。2）裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70%~90%的生產(chǎn)機(jī)械上。3）調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)。4）晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。3.繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)附加電阻，使電機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串進(jìn)的電阻越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。4.外電壓調(diào)壓調(diào)速方法1）調(diào)壓調(diào)速電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。2）調(diào)壓過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。5.電磁調(diào)速電機(jī)調(diào)速方法1）裝置結(jié)構(gòu)及控制電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便；2）調(diào)速平滑、無(wú)級(jí)調(diào)速；3）對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波影響；4）效率低。6.液力偶合器調(diào)速方法1）功率適應(yīng)范圍大，可滿足從幾十千瓦至數(shù)千千瓦不同功率的需要；2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用及維修方便、造價(jià)低；3）尺寸小、能容大；4）控制調(diào)節(jié)方便，能輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；7