异步电动机地结构和工作原理

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1、word第五章 异步电动机前言：定义：异步电机也叫感应电机是一种交流旋转电机，它的转速除与电网频率有关外，还随负载而变。应用：主要作电动机使用，如：机床；水泵；家用电器；它的功率因数永远是滞后的。 5.1异步电动机的结构和工作原理 一、异步电动机的主要用途和分类1、异步电机主要用作电动机，去拖动各种生产机械。异步电动机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、巩固耐用、运行效率较高和具有适用的工作特征。 异步电动机的缺点:功率因数较差。异步电动机运行时，必须从电网里吸收落后性的无功功率，它的功率因数总是小于。2、异步电动机的种类很多，从不同角度看，有不同的分类法：1按定子相数分有单相异步

2、电动机；两相异步电动机；三相异步电动机。2按转子结构分有绕线式异步电动机；鼠笼式异步电动机。又包括单鼠笼异步电动机、双鼠笼异步电动机和深槽式异步电动机。此外，根据电机定子绕组上所加电压的大小，又有高压异步电动机、低压异步电动机之分。从其它角度看，还有高起动转矩异步电机、高转差率异步电机、高转速异步电机等等。二、异步电动机的结构1. 定子： 定子铁心：0.5mm厚硅钢片叠压而成,磁路的一局部 定子绕组：电磁线制而成,电路一局部机 座 ：铸铁或钢板焊接而成1定子铁心是电动机磁路的一局部，装在机座里。为了降低定子铁心里的铁损耗，定子铁心用用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，在硅钢片的两面还应途上绝缘漆

3、。如如下图所示为定子槽,其中(a)是开口槽，用于大、中型容量的高压异步电动机中；(b)是半开口槽，用于中型500V以下的异步电动机中；(c)是半闭口槽，用于低压小型异步电动机中。2定子绕组：高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用Y接，只有三根引出线，如图(a)所示。对中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成Y形或形，如图(b)所示。定子绕组用绝缘的铜或铝导线绕成，嵌在定子槽。3机座：主要是为了固定与支撑定子铁心。如果是端盖轴承电机，还要支撑电机的转子局部。因此，机座应有足够的机械强度和刚度。对中、小型异步电动机，通常用铸铁机座。对大型电机，一般采用钢

4、板焊接的机座，整个机座和座式轴承都固定在同一个底板上。2. 转子： 转轴:支撑转子 转子铁心：0.5mm硅钢片叠压而成,磁路一局部 转子绕组： 笼型绕组 铸铝 铜条 绕线式绕组: 电线绕制而成,Y接,滑环引出,外接电阻 1转子铁心：是电动机磁路的一局部，它用厚的硅钢片叠压而成。铁心固定在转轴或转子支架上，整个转子的外表呈圆柱形。2转子绕组：分为笼型和绕线型两类。1笼型转子：笼型绕组是一个自己短路的绕组。在转子的每个槽里放上一根导体，在铁心的两端用端环连接起来，形成一个短路的绕组。如果把转子铁心拿掉，如此可看出，剩下来的绕组形状像个松鼠笼子，如图a 所示，因此又叫鼠笼转子。导条的材料有用铜的，也

5、有用铝的。2绕线型转子：绕线型转子的槽嵌放有用绝缘导线组成的三相绕组，一般都联接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到三个滑环上，用一套电刷装置引出来，如如下图。这就可以把外接电阻串联到转子绕组回路里去，以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。与笼型转子相比拟，绕线型转子结构稍复杂，价格稍贵，因此只在要求起动电流小，起动转距大，或需平滑调速的场合使用。3. 气隙：磁路的一局部, 异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为左右。Im但易发生扫膛现象Im三、异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的铭牌上标明电机的型号、额定数据等。1、三相异步电动机的型号电机产品的

6、型号一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成。例如：Y 112S-6极数6极 短机座规格代号：中心高112mm我国生产的异步电动机种类很多，下面列出一些常见的产品系列。Y系列为小型鼠笼全封闭自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。也可用于拖动静止负载或惯性负载较大的机械，如压缩机、传送带、磨床、锤击机、粉碎机、小型起重机、运输机械等。JQ2 和JQO2系列是高起动转矩异步电动机，用在起动静止负载或惯性负载较大的机械上。JQ2 是防护式和JQO2是封闭式的。JS系列是中

7、型防护式三相鼠笼异步电动机。JR系列是防护式三相绕线式异步电动机。用在电源容量小、不能用同容量鼠笼式电动机起动的生产机械上。JSL2 和JRL2系列是中型立式水泵用的三相异步电动机，其中JSL2 是鼠笼式，JRL2是绕线式。JZ2 和JZL2系列是起重和冶金用的三相异步电动机，JZ2是鼠笼式，JZL2是绕线式。JD2 和JDO2系列是防护式和封闭式多速异步电动机。BJO2 系列是防爆式鼠笼异步电动机。JPZ系列是旁磁式制动异步电动机。JZZ系列是锥形转子制动异步电动机。JZT系列是电磁调速异步电动机。其他类型的异步电动机可参阅产品目录。 2、异步电动机的额定值：异步电动机的额定值包含如下容：1

8、额定功率 PN 电动机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位是kw。2额定电压 UN 额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。3额定电流IN 指电动机在定子绕组上加额定电压、轴上输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。4额定频率f 指我国规定工业用电的频率是50Hz。5额定转速n 指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为r/min 。6额定功率因数指电动机定子加额定负载时，定子边的功率因数。四、异步电动机的工作原理三相异步电动机定子接三相电源后，电机便形成圆形旋转磁动势，圆形旋转磁密，设其方向为逆时针转，如如下图。假设转子不转，转子鼠笼导条与旋转磁密

9、有相对运动，导条中有感应电动势e，方向由右手定如此确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向同电动势方向。这样，导条就在磁场中受力f，用左手定如此确定受力方向，如如下图。转子受力，产生转矩T，为电磁转矩，方向与旋转磁动势同方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转后，转速为n，只要nn1n1为旋转磁动势同步转速，转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时一样方向的电动势、电流与受力，电磁转矩T仍旧为逆时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T=TL情况下。5.2、异步电动机的运行分析 一、三相异步电动机运行时的电磁关系正常情况下，电机转子总是旋转的，但

10、是为了分析问题的方便，在这里我们首先从转子静止出发进展分析。1. 转差率定义： 式中n1旋转磁场的转速(同步转速) n转子的转速 当0nn1时,即0sn1时,即 0s时,电机为发电运行状态(机械能电能) 当 n1 时,电机为电磁制动运行状态(机械能和电能热能)2. 分析:(i1a的方向必与i2a的方向相反)(1) 电机运行状态:nn1 s为负e2和i2a反向(与电机比) Te反向(Te与n反方向)(制动性质),又因i2a反向i1a反向i1a与e1同方向(注e1未变) i1ae1为正输出电能(3) 电磁制动运行状态假设T1驱动转子以反方向旋转,如此切割方向同电动运行状态e1,e2,i1a,i2a

11、,Te同电机运行状态,因Te与n11与i1a反向i1a e1为负从电网吸收电功率.3、 空载运行时的磁动势和磁场1主磁通0： 作用：传递能量的媒介作用；路径：定子气隙转子气隙定子。2漏磁通： 不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用；包括：槽部漏磁通、端部漏磁通和高次谐波。二、负载运行时的磁动势和磁场1.转子电动势的频率：； 2.转子绕组的感应电动势：；3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为不变；4.转子绕组的电流：正常运行时，转子端电压U2=0，；有效值：；*结论：转子电流I2随S的增加而增加。5.转子绕组的功率因数：*结论：转子功率因数随S的增加而减小。6.转子磁动势的转速：相对转

12、子速度：相对定子速度：*与相对静止。三、磁动势平衡方程1.磁动势形式：2.电流形式：四、三相感应电动机的电压方程和等效电路1、电动势平衡方程方程：的物理意义与变压器的一样，但由于气隙的存在，比变压器的小。例：一台三相异步电动机，在额定转速下运行，电源频率，试求：1转子电流频率； 2定子电流产生的旋转磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？ 3由转子电流产生的转子磁动势以什么速度切割定子？又以什么速度切割转子？2、等效电路1折算折算原如此：保持F2不变，只要使等效前后转子电流的大小和相位相等即可；等效前后转子电路的功率和损耗相等。折算方法：*附加电阻的物理意义：模拟转轴上总的机械功率；转

13、子方程为：2转子绕组折算说明：原如此和方法与变压器一样。电流折算： 电动势折算：电阻和电抗折算： 3T型等效电路折算后的根本方程组：T形等效电路 r1 X1 r2 X2rm Xm 分析：堵转：，相当于短路；空载：，相当于开路。4近似等效电路 与变压器的近似等效电路一样，但须引入一修正系数C1，对于40kW以上，可取C1=1。* 注意：异步电动机的等效电路与变压器的区别。五、 感应电动机的功率方程和转矩方程1、功率平衡和转矩平衡1功率平衡关系：能量转换：电能机械能 P1 Pem Pmec P2 pCu1 pFe pCu2 pmec+pad电源输入功率：定子铜损： 定子铁损： 电磁功率： 转子铜损

14、： 总机械功率： 输出功率： 可见： 2转矩平衡关系：，即-机械角速度rad/s；式中：Tem电磁转矩驱动；T2负载转矩制动；T0空载转矩制动；5.3 三相异步电动机的机械特性一、电磁转矩的表达式1.物理表达式：=(CT为转矩常数)说明：上式描述了电磁转矩与主磁通、转子有功电流的关系。2.参数表达式：由简化等效电路得 ：可得：*结论：与电源参数、电机参数和运行参数的关系。二、转矩-转差率特性1.转矩特性：其他参数一定， 分析：异步电动机转差率s在01之间，但实际上s在0sm临界转差率时，稳定；s在1sm之间，不稳定；，s=sm，处于临界状态。 电磁制动状态 电动机状态 发电机状态 Tem TN

15、 Tmax Tst + S=1 Sm SN0- Tmax额定转矩TN：额定负载时 *注：的单位为kW。最大电磁转矩Tmax：特点：Tmax与成正比；而Sm与无关；Tmax与转子电阻无关；而Sm与转子电阻有关；f1一定时，越大， Tmax越小。过载能力最大转矩倍数 一般为1.62.5，越大，过载能力越强。起动转矩Tst n=0, S=1，得 当转子回路电阻为：时，起动转矩达到最大电磁转矩。起动转矩倍数：，起动能力强。 JO2：1.01.8；Y：1.42.2；特殊电机：4.0以上。3、归一化转矩-转差率表达式此表达式主要用于求机械特性曲线。5.4 感应电动机的工作特性一、定义：指在额定电压和频率下

16、，电动机的转速n(s)、输出转矩T2 、定子电流I1、功率因数cos1、效率与输出功率P2之间的关系。二、转速特性 或 由Pcu2=s Pem得 s=是一条稍向下倾斜的曲线。三、输出转矩特性 异步电动机的输出转矩：是一条过原点稍向上翘的曲线。四、定子电流特性由知，空载时：，很小；负载时，P2增加，也增加，I1也增加。五、定子功率因数特性空载：很小；负载时，随，。六、效率特性根据=空载时，P2=0，=0；负载时，随着P2的增加，也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，最大；负载继续增大，铜损增加很快，反而下降。*说明：电机在额定负载附近的和较高，希望在PN附近运行。 s I1 T2 P2异

17、步电动机工作特性图5.5 三相异步电动机参数的测定 一、短路(堵转)实验短路试验又叫堵转试验，即把绕线式异步电机的转子绕组短路，并把转子卡住，不使其旋转，鼠笼式电机转子本身已短路。实验过程1开始,逐渐降低电压。记录定子绕组加的端电压、定子电流和定子输入功率。试验时，还应量测定子绕组每相电阻的大小。根据试验的数据，画出异步电动机的短路特性。根据测得的数据，可以算出短路阻抗、短路电阻和短路电抗。二、空载实验实验目的：测励磁阻抗、机械损耗 pm 、铁心损耗 pFe 。试验过程：转轴上不加任何负载，即电动机处于空载运行，把定子绕组接到额定频率的三相对称电源上，当电源电压为额定值时，让电动机运行一段时间

18、，使其机械损耗达到稳定值。用调压器改变加在电动机定子绕组上的电压，使其从U1开始，逐渐降低电压，直到电动机的转速发生明显的变化为止。记录电动机的端电压、空载电流、空载功率P。和转速 n ，并画成曲线。5.6 三相异步电动机的起动，制动和调速一、 三相异步电动机的起动一根本概念1.起动定义：电动机接到电源上，从静止状态到稳定运行状态的过程；2.起动电流：n=0,S=1时的电流。起动电流倍数：3.起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。4.起动电流大的原因：此时处于短路。5.起动转矩不大的原因：1减少； 使Tst不大。 2减小；6.起动要求：起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；起动转矩尽量大，以缩短

19、起动时间；起动设备简单，可靠。二鼠笼式异步电动机的起动1. 直接起动优点：设备简单，操作方便；缺点：起动电流大，须足够大的电源；适用条件：小容量电动机带轻载的情况起动。*如何判断是否能起动：起动电流；起动转矩；二者必须同时满足。kw 以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。如果电源容量不够大，可采用降压起动。即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。*适用：容量大于20kW并带轻载的情况。 定子回路串电抗器起动 ； 式中：k为电动机端电压之比，且k1。 用Y-起动适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且

20、三相绕组首尾六个端子全部引出来的电动机才能采用。 ； 自耦补偿器自耦变压器起动 ； 优点：一般有三个抽头，有不同的选者。 缺点：设备费用较高。*比拟三种起动方法的优缺点。三、绕线式异步电动机的起动转子：一般均接成Y形，正常三相绕组通过滑环短接，假设转子绕组直接短接情况下起动，与鼠笼一样， Ist大，Tst不大。在转子回路中串入多级对称电阻，起动时，随着转速的升高，逐级切除起动电阻。一般取最大加速转矩T1=(0.70.85)Tm，切换转矩T2=(1.11.2)TN。 优点：只要在转子回路串入适当的电阻，既可减少起动电流，又可增加起动转矩。适用条件：电动机在重载情况下的起动场合。频敏变阻器是一铁损

21、耗很大的三相电抗器，在起动过程中，能自动、无级的减小电阻保持转矩近似不变，使起动过程平稳、迅速。结构简单，运行可靠，维护方便，应用广泛。四 深槽和双笼感应电动机说明：主要利用集肤效应趋肤效应原理工作，即起动过程自动改变转子电阻。1、深槽式异步电动机结构：定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：槽深而窄,工作原理：同双鼠笼式异步电动机。*双笼型异步电动机的起动性能比深槽式好，但深槽式结构简单，制造本钱低。二者共同的缺点是功率因数和过载能力低。2、双鼠笼式异步电动机结构定子：与普通鼠笼电动机一样；转子：有两套鼠笼 上层笼：大，黄铜或青铜，截面小，r2上大起动笼 下层笼：小，紫铜，截面大，r2下小工作笼漏

22、磁通分布情况：由于缝隙的存在，下上，即x2下x2上。运行原理起动时，s=1，f2最大，转子漏抗x2大，电流分布取决于x2，x2下x2上，转子电流集中于上笼趋肤效应-起动笼起主要作用，又r2上大Tst；正常运行：sN=0.010.06，很小f2S很小x2很小电流取决于r2，r2下小电流分布在下笼，此时漏抗x2小，Tem优缺点 优点：较大的Tst和较小Ist；缺点：漏抗较大，其功率因数、最大转矩和过载能力较普通的笼型电动机小。二、三相异步电动机的制动当电磁转矩和转速的方向相反时，电动机处于制动状态，根据转矩和转速的不同情况，又可分为：回馈制动、反接制动、到拉反转与能耗制动等。1、能耗制动：三相异步

23、电动机处于电动运行状态的转速为n ,如果突然切断三相交流电源，同时把直流电通入它的定子绕组，结果，电源切换后的瞬间，三相异步电动机形成了一个不旋转的空间固定磁动势，它相对于旋转的转子来说变成了一个旋转磁动势,旋转方向为顺时针，转速大小为n 。转子绕组如此感应电动势，产生电流；进而转子受到电磁转矩T 。显然T与n反方向，电动机处于制动运行状态，T为制动性的阻转矩。转速n0时，磁通势与转子相对静止，T0，减速过程才完全终止。系统原来贮存的动能主要被电动机转换为电能消耗在转子回路中，故称之为能耗制动。2、反接制动：处于正向电动运行的三相绕线式异步电动机，当改变三相电源的相序时，电动机便进入了反接制动

24、过程。反接制动过程中，电动机电源相序为负序，b图为拖动对抗性恒转矩负载，反接制动的同时转子回路串入较大电阻时的反接制动机械特性。电动机的运行点从 ABC ，到C点后，可以准确停车。如果电动机拖动负载转矩较小的对抗性恒转矩或拖动位能性恒转矩负载运行，如果进展反接制动停车，如此必须在降速到n 0时切断电源并停车，否如此电动机将会反向起动。三相异步电动机反接制动停车比能耗制动停车速度快，但能量损失较大。一些频繁正、反转的生产机械，为了迅速改变转向，提高生产率，经常采用反接制动停车接着反向起动的方法。3、倒拉反转运行:拖动位能性恒转矩负载运行的三相绕线式异步电动机，假设在转子回路串入一定值的电阻，电动

25、机转速可以降低。如果所串的电阻超过某一数值如此会使电动机反转，称之为倒拉反转制动运行状态。倒拉反转制动运行是转差率s1的一种稳态，其功率关系与反接制动过程一样，电磁功率 0，机械功率0。但是倒拉反转运行时负载向电动机送入的机械功率是靠着负载贮存的位能的减少，是位能性负载倒过来拉着电动机反转。4、回馈制动运行：回馈制动运行分为正向回馈制动运行和反向回馈制动运行。1正向回馈制动运行：通过将一局部机械能转换为电能并回馈回电源的现象。电动机运行在第II象限B-C段机械特性上时，n0,T0。转子边送过来的电磁功率，除了定子绕组上铜耗外，其余的回馈给电源了。这时的三相异步电动机实际上是一台发电机。2反向回

26、馈制动运行：当三相异步电动机拖动位能性恒转矩负载，电源为负相序A、 C、 B时，电动机运行于第IV象限，如图中的B点，电磁转矩T0，转速 n0,称为反向回馈制动运行。起重机高速下放重物时，经常采用反向回馈制动运行方式。假设负载大小不变，转子回路串入电阻后，转速绝对值加大，如图中的C点；串入电阻越大，转速绝对值越高。反向回馈制动运行时，电动机是一台发电机，它把从负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，然后回送给电网。从节能的观点看问题，反向回馈制动下放重物比能耗制动下放重物要好。三、三相异步电动机的调速1.异步电动机特点：结构简单，价格廉价，运行可靠，维护方便。2.转速公式：3.调速方法：变极

27、调速；变频调速；改变转差率 S调速。4.调速性能：调速围；调速的稳定性；调速的平滑性；调速的经济性。一变极调速根本思路：可以采用两套绕组，但为了提高材料的利用率，一般采用单绕组变极，即通过改变一套绕组的连接方式而得到不同极对数的磁动势，以实现变极调速。1. 变极原理 S N S N a1 x1 a2 x2 A X 2p=4 N S a1 x1 a2 x2 A X 2p=22.变极绕组的连接方法： YY(2pp)；顺串Y反串Y2pp；YY(2pp)。说明：变极前后，三相绕组的相序发生改变，为保证电动机的转向不变，须对调定子两相绕组的出线端。 设定子绕组相电压为，相电流为，如此输出功率为变极前后两

28、种极对数下，、不变，并近似认为，如此得：YYY(2pp)；Y接时绕组相电流为：I；YY接时绕组相电流为：2I；如此变极前后电磁转矩之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒转矩负载变极调速。YY(2pp)； 同步角速度之比：接相电压为：，相电流为：I；YY接相电压为：，相电流为：2I，如此两种极对数下输出功率之比为：结论：此种变极连接方法适用于恒功率负载变极调速。*说明：变极调速方法简单、运行可靠、机械特性较硬，但只能实现有极调速。单绕组三速电机绕组接法已经相当复杂，故变极调速不适宜超过三种速度。二变频调速 异步电动机的转速：；当转差率S变化不大时，n近似正比于频率，可见改变电源频率就可改变异步电

29、动机的转速。单调频，不变，电机得不到充分利用；磁路过饱和，励磁电流，pFe保持不变，调同时，调，不变。 电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有，如此，假设令电压随频率作正比变化：，如此 主磁通不变，电机饱和程度不变，电机过载能力也不变。电机在恒转矩变频调速前后性能都保持不变。 电机变频调速前后它的电磁功率相等，即，如此 1假设主磁通不变：2假设过载能力不变：，主磁通发生变化；*优点：调速围广，平滑性好。*缺点：价格比拟贵。三转子回路串电阻调速-属于改变转差率调速 Sm改变串电阻前后保持转子电流不变，如此有：；电磁转矩为：保持不变，即属于恒转矩调速。优点：简单、可靠、价格廉价；缺点

30、：效率低。为抑制这一缺点，可采用串级调速。四改变定子端电压调速-属于改变转差率调速 Sm不变适应于：泵与风机类负载；缺点：电动机效率低，温升高。*电磁调速异步电动机-滑差电动机 一种交流恒转矩无级调速电动机，结构简单，运行可靠，维修方便，调速围广，起动转矩大，已被广泛应用。5.7 单相异步电动机一、结构：定子为单相绕组有起动和工作绕组；转子为鼠笼式。二、工作原理单相交流绕组通入单相交流电流产生脉动磁动势，其可分解为F+、F-，建立起正转和反转磁场+、-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T+、T-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T。设电动机转速为n，如此

31、对正转磁场而言，转差率s+为 s+ =s对反转磁场而言，转差率s-为s- =2-s*单相异步电动机的T=f(s)曲线：*单相异步电动机的特点：转子静止时，合成转矩为0，即单相异步电动机无起动转矩。当s1时，T0，且T无固定方向，取决于s的正负。由于反向转矩的作用，合成转矩减小，过载能力低。三、起动方法 电容起动电动机：转向：由起动绕组转向工作绕组； 电容运转电动机：实为两相异步电动机； 电阻起动电动机：起动转矩小，只适用于比拟容易起动的场合。结构特点：凸极定子，工作绕组为集中绕组，极靴外表的处开槽，小极局部罩短路环即为罩极绕组；工作特点：电动机起动转矩很小，只适用于小型风扇、电动模具与电唱机中，容量一般在3040瓦以下；转向：由未罩局部转向被罩局部。*小结：分相电动机可通过改变并联到单相电源的两绕组的任一个的首、末端，即可改变其转向。30 / 30