交流異步電機(jī)原理與結(jié)構(gòu)(鐘幼康)

1、交流異步電機(jī)原理及結(jié)構(gòu) 北車集團(tuán)永濟(jì)電機(jī)廠 鐘幼康第一節(jié)：交流電機(jī)概術(shù) 交流異步電機(jī)是交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一種，另一種為交流同步電機(jī)。 按電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的不同，交流異步電機(jī)分為鼠籠式、繞線式和整流子式。交流同步電機(jī)分為凸極式和隱極式。 交流異步電機(jī)既可作為電動機(jī)使用也可作為發(fā)電機(jī)和電磁制動器使用。與同步電機(jī)不同，交流異步電機(jī)的定子磁場旋轉(zhuǎn)速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度不同。 當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度小于定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度，即術(shù)語轉(zhuǎn)差率為正； 當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時則相反，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度大于定子磁場旋轉(zhuǎn)速度，即轉(zhuǎn)差率為負(fù)； 當(dāng)制動機(jī)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與定子磁場旋轉(zhuǎn)方向相反，即轉(zhuǎn)差率大于1。 當(dāng)異步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)

2、磁場的速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度相等時，即轉(zhuǎn)差率為0時，由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)不出電勢將不產(chǎn)生力矩，也就不產(chǎn)生功率。 正因?yàn)檫@種電機(jī)在有功率產(chǎn)生時定子旋轉(zhuǎn)磁場速度與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度始終不一，故稱其為異步電機(jī)。第二節(jié)：交流電機(jī)的基本原理 一、同步電機(jī)的基本工作原理 以發(fā)電機(jī)為例來說明。交流電機(jī)和直流電機(jī)相同，也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間由氣隙。如圖所示定子上有A、B、C三相繞組（絕大多數(shù)交流電機(jī)為三相，故我們的講座均以定子為三相且相間在空間上彼此相差120°電角度來說）,每相繞組的匝數(shù)認(rèn)為相同。轉(zhuǎn)子磁極上裝有通入直流電的勵磁繞組，通電的勵磁繞組產(chǎn)生磁通（根據(jù)電流流向不同，產(chǎn)生N極、S極）。在電機(jī)中

3、，磁通從轉(zhuǎn)子N極流出，經(jīng)過氣隙、定子鐵芯、氣隙，進(jìn)入轉(zhuǎn)子S極而構(gòu)成閉合回路。當(dāng)用原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，旋轉(zhuǎn)的磁力線將切割定子繞組中的導(dǎo)體，從而在定子導(dǎo)體中就會感應(yīng)出交變電勢（交變是因?yàn)榇帕€是由N最大0S最大0N最大交變），故感應(yīng)的電勢也就隨著磁力線的強(qiáng)弱而出現(xiàn)高低變化。設(shè)磁極磁場的氣隙磁密沿圓周按正弦規(guī)律分布，則導(dǎo)體感應(yīng)的電勢也就隨著時間按正弦規(guī)律變化，即： 感應(yīng)電勢 eBa·l·v=Bm·l·v·Sint=Em·Sint 式中： Em=Bm·l·v 是導(dǎo)體電勢的最大值； Ba 為導(dǎo)

4、體所在處的磁密； Bm 為正弦波磁密的最大值； l 為被磁力線切割的導(dǎo)體長度； v 為磁力線切割導(dǎo)體的線速度，即轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度； =2f 為感應(yīng)的電勢的交變角頻率，其中：f為感應(yīng)的電勢頻率(單位Hz)，fp·n/60。p：轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)；n：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度 r/min。 前面所述，三相電機(jī)三相繞組在空間互差120°，則在磁力線切割時，三相繞組中感應(yīng)的電勢其幅值Em，角頻率均相等，只是在初始時間相位上，順差120°。前面的圖感應(yīng)電勢的順序?yàn)锳、B、C。 設(shè)A相初始相位角為0，則三相電勢表達(dá)式為： EAEmSint EBEmSin(t-120°) ECEmSin(

5、t-240°)將三相電勢畫在同一圖上，見圖。從電勢圖看，任何一個瞬間，三相電勢疊加值為0，現(xiàn)我們分析計算式： EA+EB+EC=EmSint+Em(SintCos120°CostSin120°)+Em(SintCos240°Cost Sin240°) =EmSint+Em(-1/2*Sint/2*Cost )+Em(-1/2* Sint+/2* Cost ) 0 所以，當(dāng)三相電機(jī)采用Y型（或稱星型）連接時從中心點(diǎn)引出的中心線上電位為0，中心線上沒有電流流過。二、異步電機(jī)的基本工作原理 異步電機(jī)定子與同步電機(jī)一樣，在圓周均布嵌放定子繞組，但轉(zhuǎn)子結(jié)

6、構(gòu)不同。同步電機(jī)轉(zhuǎn)子必須通電，且是直流電，異步電機(jī)就不同。 在鼠籠式異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子槽內(nèi)有導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端用短路環(huán)連接起來，形成一個閉合的繞組。這種轉(zhuǎn)子無需（也無法）通入電流，轉(zhuǎn)子中的電流是靠定子感應(yīng)到轉(zhuǎn)子上的電勢，在閉合的導(dǎo)體回路中形成的。 在工程中，鼠籠式轉(zhuǎn)子的閉合回路有兩種形式，一種是傳統(tǒng)的，也是一般民用電機(jī)所常用的，槽內(nèi)導(dǎo)體與兩端端環(huán)用鋁鑄為一體，由于鋁的導(dǎo)電率低，而且耐熱能力也差，所以不適用于要求結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)子電流大的場合；另一種是槽內(nèi)導(dǎo)體和兩端端環(huán)均為銅或銅合金，兩者之間用焊接方式將他們連在一起。 在繞線式異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是嵌線式的。嵌線后聯(lián)成三相，再根據(jù)需要聯(lián)

7、成Y或。繞線式轉(zhuǎn)子中通入的電流為三相交流電。 當(dāng)定子繞組加上對稱的三相交流電后，定子三相繞組中就有對稱的三相電流通過，它們聯(lián)合產(chǎn)生一個定子旋轉(zhuǎn)磁場（如圖所示）這個旋轉(zhuǎn)磁場將以與輸入的電源頻率成正比的速度n1（稱為同步轉(zhuǎn)速）旋轉(zhuǎn)，則它的磁力線切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而感應(yīng)電勢（左右手法則）。在該電勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)便有電流通過，電流的有功分量與電勢同相位。于是，由電磁力定律可知，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到電磁力f，在該電磁力的作用下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。這時，如果在轉(zhuǎn)子軸上加上機(jī)械負(fù)載，電動機(jī)就拖動機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功率。也就是說，電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)變成了機(jī)械

8、能。 換向器式電機(jī)是繞線式轉(zhuǎn)子的特殊型式。它的轉(zhuǎn)子也需要嵌線，嵌完線后聯(lián)在換向器上。這是一種特殊用途的異步電動機(jī)。我們在此不作分析。第三節(jié)：交流電機(jī)繞組及電勢形成 不論直流電機(jī)還是交流電機(jī)，在交流電機(jī)中不論是同步電機(jī)還是異步電機(jī)都需要有繞組。電機(jī)繞組是電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動機(jī)和機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機(jī)的核心元件。 本節(jié)我們講交流電機(jī)的繞組及電勢形成 對交流繞組要求：1、在有限導(dǎo)體數(shù)下，獲得較大的基波電勢。 基波：感應(yīng)電勢波的頻率與電源波的頻率相等的波。由于定轉(zhuǎn)子均有槽，制造過程中電機(jī)氣隙也不可能完全相等，所以在感應(yīng)的電勢中，獲得的波形不只有與電源頻率相等的電勢波，還有比此頻率較高次的波，但由于

9、這些高次諧波不產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩（或功率），只會產(chǎn)生脈振轉(zhuǎn)矩和使電機(jī)發(fā)熱等有害作用，故應(yīng)抑制這些波。2、三相繞組的基波應(yīng)對稱，并且阻抗要求相等。 如上所述，只有基波能產(chǎn)生有用的轉(zhuǎn)矩（或功率），所以要求對基波對稱才能產(chǎn)生對稱、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩（或功率）。3、電勢和磁勢波形力求接近正弦。 如上所述，其他波不產(chǎn)生有用轉(zhuǎn)矩。 4、用銅量少，絕緣性能和機(jī)械強(qiáng)度可靠。 用銅少有利于降低成本，性能可靠是使用的必然要求。交流電機(jī)的繞組形式很多，最主要的是雙層、每極每相整數(shù)槽、短距疊繞組。 雙層：一個鐵芯槽中有上下二層。二層線圈不屬于同一繞組。 每極每相槽數(shù)：將一臺電樞的槽數(shù)分成每極下的槽數(shù)，再分成每相下的槽數(shù)， 表達(dá)式

10、為：qZ1/（2·P·m） q：每極每相槽數(shù) Z1：定子槽數(shù) P：電機(jī)極對數(shù)，2P為極數(shù)。 m：繞組相數(shù) 因?yàn)槊繕O每相槽數(shù)在電機(jī)設(shè)計中是一個很重要的參數(shù)，所以此數(shù)比較關(guān)鍵。希望此數(shù)為整數(shù)，不但使設(shè)計方便，對嵌線也很有利。 短距：根據(jù)繞組嵌放在定子鐵芯槽內(nèi)的位置，分為長距、整距和短距。將兩個槽內(nèi)的繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢幅值相同，電位角差180°（即正好反向）的兩槽稱為整距；繞組上下層間槽距差小于整距的稱為短距繞組；大于整距槽數(shù)的稱為長距。由于在有多個繞組串聯(lián)的情況下，整距存在一定問題。長距與短距作用相同，但長距用銅量大，故一般電機(jī)用短距。 疊繞組：繞組的一種形式。這種繞組

11、制造和存放比較方便，通常采用。對于雙層繞組還有波繞組，對于單層有等元件式繞組、交叉式繞組和同心式繞組等等。 繞組電勢的產(chǎn)生： 在發(fā)電機(jī)中，當(dāng)磁場旋轉(zhuǎn)切割定子繞組時，就在各定子繞組中感應(yīng)出電勢。將各電勢用矢量表示（矢量：既有幅值又帶有方向性的一個量）畫成槽電勢星形圖如下。（下圖為36槽，2對極電機(jī)） 下面介紹空間角度和電角度的概念空間角度：嵌放繞組的沖片，相鄰槽間所形成的幾何角度； 電角度：幾何上相鄰的二個槽，感應(yīng)出的電勢的角度差。 對于本例電機(jī)，每槽之間在空間上相差360°/36=10 °；而在電氣上，由于每對極為360°電角度， 2對極就為2×360&

12、#176;720 °，所以每槽所占的電角度為720 °/36 =20 °。在研究繞組電勢時，是用繞組所在的電角度表示而不用空間角度表示。單個繞組感應(yīng)的電勢為： Ey1=4.44·c·Ky1·f·1 c： 單個線圈的匝數(shù)； Ky1： 短距系數(shù)； f： 電源頻率； 1： 每極磁通由多個繞組串聯(lián)成相后，相電勢為： E=4.44··K1·f·1 ： 每相繞組串聯(lián)的總匝數(shù) K1= Ky1 ·K q1 ，稱為繞組系數(shù) 其中Ky1如上所述，Kq1為繞組分布系數(shù)。 從相電勢的表達(dá)式看，感應(yīng)電

13、勢的值與串聯(lián)的繞組匝數(shù)、反映繞組嵌放情況的繞組系數(shù)、電源頻率、每極磁通成正比。 當(dāng)電機(jī)的輸入電源確定后，電機(jī)內(nèi)部反映電負(fù)荷的繞組匝數(shù)與反映磁負(fù)荷的每極磁通間成反比。電機(jī)每相繞組串聯(lián)匝數(shù)多，內(nèi)部磁通就小，每相繞組串聯(lián)匝數(shù)少，內(nèi)部磁通就大。所以，一臺電機(jī)既要結(jié)構(gòu)小重量輕經(jīng)濟(jì)性好，又要有好的運(yùn)行性能，必須合理選擇繞組匝數(shù)，使電機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到完美配合。第四節(jié) 異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)一、 異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 如前所述，異步電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子和兩端端蓋組成。異步電機(jī)分為鼠籠式、繞線式和換向器式，鼠籠式最為通用。(一)異步電機(jī)的定子 定子主要由三部分組成：定子鐵芯、定子機(jī)座和定子線圈。但

14、是在有些場合（比如作為機(jī)車牽引電機(jī)的異步電機(jī)），定子沒有專門獨(dú)立的機(jī)座。定子機(jī)座和定子鐵芯合為一體。 機(jī)座的主要作用是固定和支撐，因此要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。機(jī)座一般采用鑄件，也有用鋼板焊接的結(jié)構(gòu)。采用鑄件時，鐵芯緊貼機(jī)座內(nèi)側(cè)。鐵芯上的熱由機(jī)座散發(fā)，為此在機(jī)座外表鑄有散熱筋以增加散熱面積。鑄造用材料一般為球墨鑄鐵（QT）。對于較大功率的電機(jī)，一般采用焊接機(jī)座，焊接機(jī)座在外罩內(nèi)部焊有筋板、鐵芯與筋板配合。筋板間隙為通風(fēng)槽，鐵芯上的熱不是通過機(jī)座傳導(dǎo)散出，而是通過循環(huán)風(fēng)散出。 定子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分和嵌放繞組的地方。為了減少旋轉(zhuǎn)磁場在鐵芯中的損耗，定子鐵芯一般采用導(dǎo)磁性能良好和鐵損小的薄軟

15、磁材料（一般用0.5厚冷軋硅鋼片）疊壓而成。沖片疊壓后兩端加壓圈，用扣片扣緊或用拉板點(diǎn)焊拉緊。當(dāng)鐵芯較長時，為防止鐵芯中部因散熱不暢而發(fā)熱，在鐵芯軸向上設(shè)置若干個徑向通風(fēng)槽。 定子線圈：用銅導(dǎo)體或鋁導(dǎo)體制成。一個線圈一般有多匝繞制而成，若用成形硬導(dǎo)體繞制，則有時在匝間還墊放絕緣，對于軟的散繞組一般沒有匝間絕緣。線圈成好形后再繞包對地絕緣。（二）異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子： 由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。 轉(zhuǎn)子鐵芯中間有轉(zhuǎn)軸，軸上套有轉(zhuǎn)子壓板和轉(zhuǎn)子沖片。轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，也需要用導(dǎo)磁性好和損耗低的軟磁材料，所以異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子沖片均用定子沖片的內(nèi)圓的材料制成。 轉(zhuǎn)子繞組有鼠籠式和繞線式兩種，鼠籠式有導(dǎo)

16、體-端環(huán)焊接式和整體鑄鋁式。繞線式轉(zhuǎn)子與定子相似在槽內(nèi)嵌放繞組，將繞組連成三相。 異步電機(jī)中還有一個重要區(qū)域（這里說是區(qū)域而非部件）就是氣隙。氣隙是電機(jī)定子內(nèi)徑與轉(zhuǎn)子外徑間形成的圓環(huán)區(qū)域。這個區(qū)域的大?。ɑ驓庀兜拇笮。﹄姍C(jī)產(chǎn)生極大的影響。電機(jī)的各項(xiàng)性能均與氣隙大小有關(guān)，設(shè)計時是一個重要參數(shù)。（三）其它部件：組成異步電機(jī)的部件還有軸承、端蓋等。軸承在電機(jī)中也是一個重要的部件，各種運(yùn)行環(huán)境需要各種特性的軸承。對于運(yùn)行于高速的場合，一般負(fù)荷不會太大，則需要使用窄系列的圓柱軸承或球軸承等；對于使用于轉(zhuǎn)速要求不太高，但負(fù)荷較大的場合，則需要使用寬系列圓柱軸承，甚至需要使用雙列滾子軸承。對于對電氣要求

17、比較高的場合，有時還需要使用絕緣軸承。二、異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài) 在概述中，我們已經(jīng)講過，根據(jù)轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，異步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)，我們用轉(zhuǎn)差率S來表述： S（n1-n2）/n1 n1：定子旋轉(zhuǎn)磁場速度，或稱電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 n2：轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的速度（一）當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時：定子旋轉(zhuǎn)磁場牽動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 起動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2 0，則S（n1-0）/ n11； 當(dāng)理論空載時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相等 S（n1-n2）/n10； 所以，在電動機(jī)狀態(tài)時。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率0 S 1（因?yàn)镾=0不可能）（二）當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時：轉(zhuǎn)子在外界原動力的拖動下旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中感應(yīng)出電勢。感應(yīng)電勢頻率折合的速度低于

18、原動機(jī)速度， 即n1 n2，S（n1-n2）/n1 0。（三）當(dāng)電磁制動器運(yùn)行時：在電動機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時若先將供電電源降為零，再將三相中其中二相進(jìn)行對換，再加上電源時，原電動機(jī)就成為了一個電磁制動器。這時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向相反， 即S（n1-n2）/n11。 所以以轉(zhuǎn)差率為數(shù)軸，異步電機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)為三、異步電機(jī)的等值電路 異步電動機(jī)說通俗一點(diǎn)是一臺旋轉(zhuǎn)的變壓器，將異步電機(jī)與變壓器的基本方程式比較如下：  異步電機(jī) 變壓器定子電壓 轉(zhuǎn)子感應(yīng)電壓（折合到定子邊） 總電流 感應(yīng)電勢 由上表可知：兩者只有代表機(jī)械負(fù)載的電阻不一樣，異步電機(jī)為一個純電阻(1-S)/S 

19、3;r2 ，變壓器是一個表示副邊負(fù)載的阻抗ZL(由電阻和電抗疊加)。其它相同。 公式中字母上頭“·”表示該量是一個矢量，具有方向性。 異步電動機(jī)折合成等效電路可以有幾種形式，一種為“T”形，一種為“”形。 “T”形等效電路如下    上圖中：Z1=R1+X1 代表定子本身的阻抗； Zm=Rm+Xm 代表勵磁阻抗 Z2X2+Rs 代表轉(zhuǎn)子折合到定子側(cè)的阻抗 Rs(1-S)/S ·r2 代表輸出負(fù)載折合到定子側(cè)的電阻 “”形等效電路圖如下： 有了等效電路，在分析的電機(jī)電磁、機(jī)械負(fù)載等各項(xiàng)性能時，就變成分析一個電路，而電路中的各個量都可以通過試驗(yàn)來獲得，顯得非

20、常簡單。 四、異步電機(jī)的工作特性（一）轉(zhuǎn)矩特性 由上述“”形等效電路可知 式中，11+Z1/Zm是一個復(fù)變量，是一個校正系數(shù)。經(jīng)過一系列計算，得電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為 由此可知，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電源外施電壓、電源頻率有關(guān)，與電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，還與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率（即負(fù)載大?。┯嘘P(guān)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在固定電壓、固定頻率的工業(yè)電網(wǎng)中時，對于一臺制成的電機(jī)，電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)已定，這樣，電磁轉(zhuǎn)矩僅與負(fù)載大小即轉(zhuǎn)差率S有關(guān)。Mem與S的關(guān)系曲線為 由圖可知： 對應(yīng)于電動機(jī)狀態(tài)和發(fā)電機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)矩曲線是近似對稱的，對稱點(diǎn)為S=0，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)。 電磁轉(zhuǎn)矩有一個峰值，不論當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行，負(fù)載都不能

21、大于此峰值。若大于此峰值，電機(jī)運(yùn)行將出現(xiàn)顛覆，即自動改變運(yùn)行狀態(tài)，這是非常危險的。 注意：這是在工業(yè)電網(wǎng)下電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩特性，是一種自然的、不控制特性。我們機(jī)車上運(yùn)行的電機(jī)，是在受控狀態(tài)下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩特性與此有很大不同。我們將在后面講述。 上面說過，電磁轉(zhuǎn)矩有一峰值。下列我們來計算一下峰值發(fā)生點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率Sm和峰值Mmax的大小。 用數(shù)學(xué)方法，將轉(zhuǎn)矩Mem對S求dMem/ds，并令其為0，則 由此可知，發(fā)生轉(zhuǎn)矩峰值的轉(zhuǎn)差率有2個。這與曲線吻合，“+”點(diǎn)發(fā)生在電動機(jī)狀態(tài)?！啊秉c(diǎn)發(fā)生在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。由此知，產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差值 Sm僅與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，與外施電源無關(guān)。 在Sm點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩Mem達(dá)到最

22、大Mmax 與Sm一樣，“+”代表電動機(jī)，“”代表發(fā)電機(jī)。由于分母中r1前帶有“±”，故發(fā)電機(jī)時分母稍小些，轉(zhuǎn)矩最大值較電動機(jī)時稍大些。從Mmax的表達(dá)式知： 電磁轉(zhuǎn)矩最大值與外施電壓U有關(guān)，且與U2成正比。因此當(dāng)電源電壓過低，使Mmax小于負(fù)載要求的最大扭矩時，將發(fā)生停車故障。 電磁轉(zhuǎn)矩最大值與轉(zhuǎn)子電阻r2 無關(guān)。但因?yàn)镾m與r2成正比。所以增加r2 （對繞線式轉(zhuǎn)子可串入電阻）可使Sm增大。使Mmax發(fā)生的位置出現(xiàn)移動。有時通過控制可利用這一特點(diǎn)，使電機(jī)滿足使用需求。 一般異步電機(jī)中r1（x1+x2 ），(“”表示遠(yuǎn)小于，則在Mmax公式中忽略r1后，Mmax與x1+x2 成反比，

23、即Mmax與定轉(zhuǎn)子漏抗和成反比。了解這點(diǎn)對電機(jī)設(shè)計很重要，要想使電機(jī)有大的Mmax，則應(yīng)盡可能使漏抗設(shè)計得小一些。 從公式看，Mmax正比于電機(jī)極對數(shù)P，反比于電源頻率f1。這可以這樣理解，對于極對數(shù)P：一對極產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)矩，電機(jī)中有多對極當(dāng)然會產(chǎn)生多倍的組合轉(zhuǎn)矩。對于頻率f：因?yàn)閒代表轉(zhuǎn)速。一定功率的電機(jī)轉(zhuǎn)矩當(dāng)然與轉(zhuǎn)速是成反比的。 再次強(qiáng)調(diào)，這是運(yùn)行在工業(yè)電網(wǎng)下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性。這個特性對于牽引機(jī)車的牽引電動機(jī)是極不適用的。牽引電動機(jī)一般要求在機(jī)車起動時有最大的轉(zhuǎn)矩，因?yàn)榭朔熊嚨撵o摩擦力所需的轉(zhuǎn)矩大于克服運(yùn)行期間的動摩擦力所需轉(zhuǎn)矩。 一臺電機(jī)要可靠帶動負(fù)載必須：有長時承載能力；能快速起動；可承

24、受短時一定量的突增負(fù)載。幾個述語 ： 額定轉(zhuǎn)矩我們把具有電機(jī)長時承載能力的轉(zhuǎn)矩叫額定轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩必須大于或 等于所需帶負(fù)載的制動力矩。起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)描述電機(jī)起動能力的系數(shù)，就是電機(jī)所能發(fā)揮的起動轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩之比。電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)越大，表明電機(jī)的起動能力越強(qiáng)，起動越快速。最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)描述電機(jī)過載能力的系數(shù)，就是電機(jī)所能發(fā)揮的最大轉(zhuǎn)矩與電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩之比。電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)越大，電機(jī)抗突增負(fù)載能力越強(qiáng)。 （二）轉(zhuǎn)差率特性 分析知：轉(zhuǎn)差率S與轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2、電磁功率Pem的關(guān)系為：SPcu2 / Pem。空載時，轉(zhuǎn)子電流很小，轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2也就很小，故S0。隨著負(fù)載增加，Pcu2以轉(zhuǎn)子電流I2平

25、方的比例增加，而Pem以I2一次方增加，所以S為上翹的曲線。正常運(yùn)行時S=0.010.05。簡單理解為：負(fù)載為0時，轉(zhuǎn)子與定子近似同步，隨著負(fù)載增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必然減慢。（三）效率特性效率1- 效率隨輸出功率變化的曲線是一條先上升后下降的曲線，上升速度較快。當(dāng)可變損耗（定子銅耗+轉(zhuǎn)子銅耗+附加損耗）與不變損耗（機(jī)械損耗+鐵耗）相等時達(dá)到最大。隨著負(fù)載繼續(xù)增加，效率略有下降。 反映異步電機(jī)工作特性的還有功率因素特性、定子電流特性等，不一一而講。五、異步電動機(jī)的起動和調(diào)速（一）異步電動機(jī)的起動 與直流電動機(jī)一樣，異步電動機(jī)的起動也要求： 起動力矩倍數(shù)大；起動電流?。黄饎訒r間短。 要求起動力矩大，是因

26、為起動時一般所帶的負(fù)載處于靜止?fàn)顟B(tài)，而克服靜摩擦要比克服動摩擦提供更大的力。 要求起動電流小，是為了從設(shè)備和自身考慮：其一，短時電流大就要求自身和配套的設(shè)備（電纜、開關(guān)等）都滿足短時發(fā)熱要求，否則就要加大。其二，短時電流大，在供電系統(tǒng)中壓降增大，當(dāng)電網(wǎng)較小時，可能會使同網(wǎng)中運(yùn)行的其它電氣設(shè)備不能正常工作，甚至停機(jī)。 要求起動時間短，是希望盡快進(jìn)入正常工作狀態(tài)。 但是異步電機(jī)的特性正好與此相反，它在起動時電流大但起動轉(zhuǎn)矩卻不大，這從等效電路的電流方程式、轉(zhuǎn)矩方程式和電磁轉(zhuǎn)矩曲線是可看出，鼠籠式轉(zhuǎn)子，方程式中的各個參數(shù)不能改變，只能通過外部調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)，所以異步電動機(jī)的起動需采取一定措施。 對于其他

27、電機(jī)，采用降壓起動可降低電流，但同時卻使起動轉(zhuǎn)矩降低更快，所以這種方式只適用于起動時負(fù)載小而正常運(yùn)轉(zhuǎn)時載荷大的場合，如風(fēng)機(jī)、離心泵等。 從曲線看，若能改變Sm的值，使Sm1，則起動轉(zhuǎn)矩將接近最大轉(zhuǎn)矩，從Sm的表達(dá)式知，只要改變r2，就可實(shí)現(xiàn)這個愿望。繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)可以做到這點(diǎn)。起動時在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻，使Sm1，從而獲得大的起動轉(zhuǎn)矩。起動后切除此電阻，電機(jī)又回到正常狀態(tài)。所以對于要求滿載起動的場合可用繞線式異步電機(jī)。 實(shí)際上，由于定子繞組的分布，定、轉(zhuǎn)子槽的存在和制造過程中的不完全對稱，在電機(jī)繞組中存在著高于基波的高次諧波，這些諧波相互間作用將產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩。附加轉(zhuǎn)矩是有害的轉(zhuǎn)矩，它使基波轉(zhuǎn)矩

28、產(chǎn)生脈振，使電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。特別是當(dāng)附加轉(zhuǎn)矩疊加在起動點(diǎn)且與基波轉(zhuǎn)矩正好反向時，有可能使電機(jī)起動出現(xiàn)困難。工程上采用合理的繞組短距嵌放、斜槽，增大氣隙、選擇合理定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)的配合來克服這種現(xiàn)象的發(fā)生。（二）異步電動機(jī)的調(diào)速從公式S（n1-n2）/n1可推出，n2（1-S）n160f 1（1-S）/P，由此可知在電機(jī)制成后，S是由負(fù)載決定的。若要改變S則應(yīng)改變定子回路或轉(zhuǎn)子回路中的電阻或阻抗。由于改變S同時會改變電磁轉(zhuǎn)矩，所以不能有較大的變化。改變電機(jī)極對數(shù)P也可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但是是有級的。 所以要實(shí)現(xiàn)平滑、寬范圍的調(diào)速只有通過調(diào)頻。第五節(jié) 異步牽引電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)一、異步牽引電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

29、機(jī)車用異步牽引電動機(jī)和普通民用電機(jī)一樣也主要由定子、轉(zhuǎn)子和兩端端蓋組成。 牽引電動機(jī)安裝在機(jī)車的轉(zhuǎn)向架上，通過齒輪與輪對相連。由于機(jī)車受線路界限的限制和自身重心的限制，機(jī)車輪徑有限，牽引電動機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架的輪軸上，其整機(jī)外徑受限；由于受二條鋼軌間距的限制，牽引電動機(jī)的軸向長度受限制；由于受二條鋼軌可承載能力的限制，機(jī)車軸重，即每條輪軸壓在二條鋼軌上的重量受限。綜合上述幾條，使機(jī)車用牽引電機(jī)的外形和重量受到很大限制。但是，中國鐵路卻要求機(jī)車多拉快跑，這就要求牽引電機(jī)有大的功率和高速能力。所以，機(jī)車用牽引電機(jī)較普通民用電機(jī)有以下主要區(qū)別：（一）電機(jī)單位體積和單位重量下功率大1.為滿足尺寸要求，在設(shè)

30、計中必須取高的電磁參數(shù)。要在高的電磁參數(shù)下運(yùn)行，必須用高耐熱等級的絕緣材料，高性能的硅鋼片和高強(qiáng)度的轉(zhuǎn)軸材料等；選用高的加工精度要求；在制造中采用數(shù)控加工和真空壓力浸漆等精細(xì)的工藝。例如：普通民用電機(jī)一般選用的絕緣材料耐熱等級為B級，高點(diǎn)的為F級，而目前國內(nèi)牽引電機(jī)所用的絕緣材料耐熱等級至少為H級,已大量采用200級。有報道說，國外已有采用220級的耐熱等級的絕緣材料。一般民用電機(jī)設(shè)計壽命可到20-30年，牽引電機(jī)一般壽命約為10年。牽引電機(jī)就是這樣選用高性能的材料和短的壽命期限來換取有限空間下的大功率。絕緣耐熱等級絕緣材料有二項(xiàng)性能指標(biāo)，一項(xiàng)為耐電壓指標(biāo)，就是我們普通所說的絕緣能力，另有一項(xiàng)

31、很重要的指標(biāo)就是耐熱指標(biāo)。按照國標(biāo)規(guī)定，絕緣耐熱等級分有A、E、B、F、H、200六級，各等級絕緣材料可長期工作的溫度分別為：105、120、130、155、180、200。各個耐熱等級表明，電機(jī)可以在此溫度下在長時運(yùn)行。如：某普通民用電機(jī)耐熱等級為B級，這就是說，該電機(jī)可在繞組溫度為130下長時運(yùn)行。但是，對于機(jī)車用牽引電機(jī)來說，考核指標(biāo)卻有所不同，如：某機(jī)車用牽引電機(jī)耐熱等級為H級，該電機(jī)所允許的繞組溫度長時運(yùn)行不是180，而是220，因?yàn)樵诿裼秒姍C(jī)中的繞組允許溫度在牽引電機(jī)改變?yōu)槔@組允許繞組溫升，而允許溫升與允許溫度差一個允許環(huán)境溫度。在機(jī)車電機(jī)中，一般環(huán)境溫度以40為考核依據(jù)。2.前面

32、說過，異步電機(jī)定子有有機(jī)座式和無機(jī)座二種不同形式。為滿足重量要求，在機(jī)車用牽引電機(jī)設(shè)計中，均采用無專門機(jī)座的輕量化結(jié)構(gòu)，定子鐵心用鐵心沖片和二端壓圈通過中間拉板焊接；通過選擇合適的極數(shù)來控制電機(jī)重量。 3.為滿足高的電磁參數(shù)要求，機(jī)車用牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)子都采用由專用銅合金的導(dǎo)條和專用銅合金的端環(huán)焊接而成的鼠籠，銅較鋁導(dǎo)電率高且耐溫高，在有限的結(jié)構(gòu)尺寸內(nèi)可承載更大的轉(zhuǎn)子電流；導(dǎo)磁材料都用高牌號的冷軋硅鋼片；（二）電機(jī)結(jié)構(gòu)要成熟可靠； 因?yàn)闄C(jī)車運(yùn)行在二條鋼軌的鐵路線上，電機(jī)的損壞有可能使整臺機(jī)車損壞，造成鐵路運(yùn)輸中斷，為此，機(jī)車用牽引電動機(jī)必須要有成熟可靠的結(jié)構(gòu)。為滿足此要求，在設(shè)計中應(yīng)充分參考國內(nèi)、

33、國際上具有成熟制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的電機(jī)結(jié)構(gòu)。（三）電機(jī)外形要適應(yīng)機(jī)車裝車要求機(jī)車用牽引電動機(jī)安裝在轉(zhuǎn)向架的輪軸上，首先要滿足吊掛要求，要根據(jù)不同的機(jī)車設(shè)計成不同的吊掛形式；其次，要滿足車輪下其它尺寸的要求；其三，因?yàn)闋恳姍C(jī)裝在機(jī)車底下，保養(yǎng)和檢查都很困難，因此電機(jī)在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)考慮保養(yǎng)和檢查的方便。關(guān)于牽引電動機(jī)的吊掛形式，國內(nèi)外基本相同。都有滑抱式、滾抱式、全懸式和架承式?；綘恳姍C(jī)適用于運(yùn)行速度較低的貨運(yùn)機(jī)車，全懸式牽引電機(jī)適用于運(yùn)行速度較高的客運(yùn)機(jī)車，架承式牽引電機(jī)目前只在運(yùn)行速度較高的客運(yùn)動車上。滾抱式牽引電機(jī)在貨運(yùn)機(jī)車和客運(yùn)機(jī)車都有應(yīng)用。二異步牽引電動機(jī)的工作特點(diǎn)（一）工作環(huán)境差牽引

34、電動機(jī)的工作條件十分惡劣：負(fù)載變化大，沖擊和振動嚴(yán)重，惡劣的風(fēng)沙、雨雪氣候、酸堿性氣體影響侵蝕。要在過彎道、過道岔這樣的沖擊和振動狀態(tài)下運(yùn)行；還要能適應(yīng)沿海多雨潮濕、內(nèi)地干燥風(fēng)沙的環(huán)境。（二）多電機(jī)同時工作通常，一臺機(jī)車上裝有多臺電機(jī)，多臺電機(jī)同時作功驅(qū)動機(jī)車前進(jìn)。理論上說，這些電機(jī)所輸出的扭矩是相等的，但實(shí)際機(jī)車中這是不可能實(shí)現(xiàn)的。機(jī)車本身布置時的軸重不等、牽引時的軸重轉(zhuǎn)移、機(jī)車機(jī)車輪徑的差異、電機(jī)制造中的特性差異、逆變器輸出的差異，特別時當(dāng)一臺逆變器控制多臺電機(jī)的架控時機(jī)車時，都會使裝在同臺機(jī)車上的牽引電動機(jī)出現(xiàn)不一樣的輸出特性。電機(jī)間牽引特性差異較大時，將造成整車特性的變壞，直至對電機(jī)造

35、成破壞性的危害。所以，牽引電機(jī)要有匹配性，即裝在同臺機(jī)車上的牽引電機(jī)要盡困難發(fā)揮相同的輸出特性。（三）供電電源不同在機(jī)車總體控制和逆變器供電下，應(yīng)滿足機(jī)車電傳動系統(tǒng)對牽引電動機(jī)的要求；與普通民用電機(jī)在恒頻恒壓下運(yùn)行不同，現(xiàn)機(jī)車用異步牽引電動機(jī)，都是在PWM波供電下運(yùn)行，機(jī)車在運(yùn)行中，供給電機(jī)的電源是一個可變頻和可變壓的電源。PWM波具有大量的非正弦諧波和尖峰脈沖。這些非正弦諧波和尖峰脈沖，不但使電機(jī)的功率因數(shù)降低、電機(jī)損耗加大、繞組溫升增加，而且使電機(jī)的絕緣性能受到極大的破壞，還會造成電機(jī)軸承的電蝕。為滿足此要求，在設(shè)計中需采用專用電磁設(shè)計軟件對電機(jī)電磁性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，用大型商用分析軟件對機(jī)

36、械結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，用可承受較大諧波和尖峰脈沖的耐電暈的絕緣材料對繞組進(jìn)行處理；在制造中采用電磁線復(fù)合熔敷、定子整體真空壓力浸漆、轉(zhuǎn)子整體感應(yīng)焊接等工藝。（四）采用強(qiáng)迫通風(fēng) 牽引電機(jī)由于受空間尺寸和重量的限制，電機(jī)單位體積功率和單位重量下功率都大，這樣電機(jī)的電磁負(fù)荷大，發(fā)熱比普通民用電機(jī)大得多，雖然牽引電機(jī)取高耐熱等級的絕緣材料，允許的溫升比普通民用電機(jī)大許多，但還遠(yuǎn)滿足不力散熱的要求，所以，一般牽引電機(jī)都采用強(qiáng)迫通風(fēng)，以便在相同的時間內(nèi)帶走多的熱量。三異步牽引電動機(jī)與普通民用異步電機(jī)的差別 異步牽引電動機(jī)與普通民用異步電機(jī)有很大差異，大致有以下幾項(xiàng)：差異1：由于普通民用異步電機(jī)是由恒頻恒壓

37、的電源供電，在一定負(fù)載下在一點(diǎn)上運(yùn)行，而異步牽引電動機(jī)是由變頻變壓的逆變電源供電，在一定負(fù)載下仍在一定范圍內(nèi)運(yùn)行；差異2：普通異步電機(jī)性能僅與電機(jī)本身參數(shù)有關(guān)，異步牽引電機(jī)性能不但與電機(jī)本身參數(shù)有關(guān)，還可通過電源的控制實(shí)現(xiàn)。差異3：系統(tǒng)對普通異步電機(jī)提供的僅是一個恒頻恒壓的電源，系統(tǒng)對異步牽引電機(jī)提供的是一個依運(yùn)行性能要求控制出來的變頻變壓的電源。差異4：普通異步電機(jī)是屬于技術(shù)成熟的傳統(tǒng)產(chǎn)品，異步牽引電機(jī)是近年來的新型產(chǎn)品，運(yùn)行對他的要求到現(xiàn)在還未完全清楚，還在不斷成熟過程中；差異5：普通異步電機(jī)的設(shè)計可以不依賴于系統(tǒng)，異步牽引電機(jī)的設(shè)計必須涉及控制策略與負(fù)載性質(zhì)； 第六節(jié) 異步牽引電動機(jī)的性

38、能參數(shù)和工作曲線一、異步牽引電動機(jī)的電磁參數(shù)1. 異步牽引電動機(jī)的銘牌參數(shù)型號 額定功率 kW額定電壓 V 額定電流 A額定頻率 Hz額定轉(zhuǎn)速 r/min額定轉(zhuǎn)矩： N·m起動轉(zhuǎn)矩： N·m最高電壓: V最大恒功轉(zhuǎn)速： r/min基波功率因數(shù) 極數(shù) 接線方式 Y（或）工作制 連續(xù)S1絕緣等級： 200級額定效率 %通風(fēng)量： m3/min， 靜風(fēng)壓Pa重量： kg 2.表征異步牽引電動機(jī)性能的電磁參數(shù)電參數(shù)一般有以下幾項(xiàng)：定子電負(fù)載、定子電密、導(dǎo)條電密、端環(huán)電密、發(fā)熱因數(shù)磁參數(shù)一般有以下幾項(xiàng)：定子齒磁密、轉(zhuǎn)子齒磁密、定子軛磁密、轉(zhuǎn)子軛磁密、氣隙磁密、磁化電流、二、異步牽引電動

39、機(jī)的工作曲線1：電機(jī)效率與電源頻率的關(guān)系 =f (f );2：電機(jī)功率因素與電源頻率的關(guān)系 COS=f (f ); 3：電機(jī)線電壓與電源頻率的關(guān)系 U=f (f );4：定子電流與電源頻率的關(guān)系 I=f (f );5：電機(jī)輸出功率與電源頻率的關(guān)系 P2=f (f );6：電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電源頻率的關(guān)系 T=f (f ); 7：電機(jī)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與電源頻率的關(guān)系 Tm=f (f );8：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差率與電源頻率的關(guān)系 S=f (f );23第七節(jié) 永濟(jì)電機(jī)廠引進(jìn)的異步牽引電機(jī)介紹永濟(jì)電機(jī)廠在本次鐵路裝備技術(shù)引進(jìn)中，共引進(jìn)了五家公司的六中異步牽引電動機(jī)和一種牽引同步主發(fā)電機(jī)。具體見下表：序號項(xiàng)目名稱原電機(jī)型號永濟(jì)

40、電機(jī)型號裝用機(jī)車電機(jī)安裝方式現(xiàn)配屬段1大連-東芝電力機(jī)車Sea-107YJ85AHXD3滾抱江岸、南京東2大連-EMD內(nèi)燃機(jī)車A2938YJ116A滾抱3大同-阿爾斯通電力機(jī)車6FRA4567BYJ90AHXD2滾抱4長客-阿爾斯通動車6FJA3257AYJ87ACRH5體懸式多段5四方-日立動車HS34531-06RBYJ92ACRH2架懸式多段6唐山-西門子動車各電機(jī)性能參數(shù)如下：序號電機(jī)型號額定功率kW額定電壓V額定電流A額定轉(zhuǎn)速r/min額定轉(zhuǎn)矩N.m起動轉(zhuǎn)矩N.m恒工最大轉(zhuǎn)速極數(shù)強(qiáng)迫 通風(fēng)量m3/min電機(jī)重量kg1YJ85A1250215039013658806118522662491.826002YJ87A5682089.3211.21177461152663638654.616103YJ90A127521506201499812411389276868426604YJ92A3002000106414069261204204405YJ116A752139029355710135349047220766西門子5612750135410013055900436750各型電機(jī)分述如下一、YJ85A異步牽引電機(jī)YJ85A電機(jī)是引進(jìn)日本東芝公司的圖紙和制造技術(shù)，進(jìn)行國產(chǎn)化的電機(jī)，該電機(jī)東芝公司原型號為Sea-107，是專為本次中國出口而設(shè)計。電機(jī)裝用