三相異步電動機(jī)

1、3.1 三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)三相異步電動機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)3.1.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 三相異步電動機(jī)的種類很多，但各類三相異步電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是相同的，它們都由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖4.1所示。 圖3.1 封閉式三相籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖1軸承；2前端蓋；3轉(zhuǎn)軸；4接線盒；5吊環(huán)；6定子鐵心；7轉(zhuǎn)子；8定子繞組；9機(jī)座；10后端蓋；11風(fēng)罩；12風(fēng)扇1定子部分 定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相電動機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。（1）外殼 三相電動機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊

2、環(huán)等部件。 機(jī)座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護(hù)和固定三相電動機(jī)的定子繞組。中、小型三相電動機(jī)的機(jī)座還有兩個端蓋支承著轉(zhuǎn)子，它是三相電動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。通常，機(jī)座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。 端蓋：用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均勻地旋轉(zhuǎn)。 軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護(hù)軸承的作用。 接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護(hù)和固定繞組的引出線端子。 吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機(jī)座的上端，用來起吊、搬抬三相電動機(jī)。 （2）定子鐵心 異步電動機(jī)定子鐵心是電

3、動機(jī)磁路的一部分，由0.35mm0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖3.2所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞圈。 （a）定子鐵心 （b）定子沖片 圖3.2 定子鐵心及沖片示意圖 （3）定子繞組 定子繞組是三相電動機(jī)的電路部分，三相電動機(jī)有三相繞組，通入三相對稱電流時(shí)，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120電角度。線圈由絕緣銅導(dǎo)線或絕緣鋁導(dǎo)線繞制。中、小型三相電動機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動機(jī)

4、的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標(biāo)為U1, V1, W1 ，末端分別標(biāo)為U2, V2, W2 。這六個出線端在接線盒里的排列如圖4.3所示，可以接成星形或三角形。 （a）星形連接 （b）三角形連接 圖3.3 定子繞組的聯(lián)結(jié)2轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分（1）轉(zhuǎn)子鐵心 是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機(jī)磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。（2）轉(zhuǎn)子繞組 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)與籠形異步電動機(jī)。 繞線形繞組 與定子繞組一

5、樣也是一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)軸上的三個與轉(zhuǎn)軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉(zhuǎn)子電路中串接電阻或電動勢以改善電動機(jī)的運(yùn)行性能，見圖3.4。 1集電環(huán)；2電刷；3變阻器 圖3.4 繞線形轉(zhuǎn)子與 外加變阻器的連接 籠形繞組 在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖3.5（a）所示。也可用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖3.5（b）所示。100kW以下的異步電動機(jī)一般采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。 （a）銅排轉(zhuǎn)子 （b）鑄鋁轉(zhuǎn)子 圖3.5 籠形轉(zhuǎn)子繞組3其他部分

6、其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來通風(fēng)冷卻電動機(jī)。三相異步電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差。3.1.2 工作原理工作原理 1三相交流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場 三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因?yàn)檗D(zhuǎn)子氣隙內(nèi)有一個旋轉(zhuǎn)磁場。下面來討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。 如圖3.6所示，U1U2, V1V2, W1W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120，接成Y形。三相繞組的首端U1, V1, W1

7、接在三相對稱電源上，有三相對稱電流通過三相繞組。設(shè)電源的相序?yàn)閁, V, W, 的初相角為零，如圖4.6波形圖所示。圖3.6 三相交流電流波形圖 設(shè) 為了分析方便，假設(shè)電流為正值時(shí)，在繞組中從始端流向末端，電流為負(fù)值時(shí)，在繞組中從末端流向首端。 當(dāng) 的瞬間， =0， 為負(fù)值， 為正值，根據(jù)”右手螺旋定則”，三相電流所產(chǎn)生的磁場疊加的結(jié)果，便形成一個合成磁場，如圖3.7（a）所示，可見此時(shí)的合成磁場是一對磁極（即二極），右邊是N極，左邊是S極。 tiUsin)120sin(tiV)120sin(tiW0tUiViWi圖3.7 兩極旋轉(zhuǎn)磁場示意圖 空間120度 對稱分布的三相繞組通過三相對稱的交流

8、電流時(shí)，產(chǎn)生的合成磁場為極對數(shù)p=1的空間旋轉(zhuǎn)磁場，每電源周期旋轉(zhuǎn)一周，即兩個極距； 某相繞組中電流達(dá)到最大值時(shí)，磁極軸線恰好旋轉(zhuǎn)到該相繞組軸線上。iiuiviwiu0 t33三相電流波形U UUV VVW WW111222t =Iu=Im0U UUV VVW WW111222t =Iv=ImU UUV VVW WW111222t =Iw=Im 當(dāng) 時(shí)，即經(jīng)過1/4周期后， 由零變成正的最大值， 仍為負(fù)值， 已變成負(fù)值，如圖3.6（b）所示，這時(shí)合成磁場的方位與 時(shí)相比，已按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)過了90。 應(yīng)用同樣的方法，可以得出如下結(jié)論：當(dāng) 時(shí)，合成磁場就轉(zhuǎn)過了180，如圖3.6（c）所示；當(dāng) 時(shí)合

9、成磁場方向旋轉(zhuǎn)了300，如圖3.6（d）所示；當(dāng) 時(shí)合成磁場旋轉(zhuǎn)了360，即轉(zhuǎn)1周，如圖3.6（a）所示。 由此可見，對稱三相電流 分別通入對稱三相繞組U1U2, V1V2, W1W2中所形成的合成磁場，是一個隨時(shí)間變化的旋轉(zhuǎn)磁場。 以上分析的是電動機(jī)產(chǎn)生一對磁極時(shí)的情況，當(dāng)定子繞組連接形成的是兩對磁極時(shí)，運(yùn)用相同的方法可以分析出此時(shí)電流變化一個周期，磁場只轉(zhuǎn)動了半圈，即轉(zhuǎn)速減慢了一半。 由此類推，當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有p對極時(shí)（即磁極數(shù)為2p），交流電每變化一個周期，其旋轉(zhuǎn)磁場就在空間轉(zhuǎn)動1/p轉(zhuǎn)。因此，三相電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場每分鐘的轉(zhuǎn)速n1、定子電流頻率f及磁極對數(shù)p之間的關(guān)系是 （3-1） 90

10、tUiViWi 0t180t300t360tWVUiii,pfn601 2三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理 圖3.8為三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動原理示意圖。 三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場，其轉(zhuǎn)速 。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，且某時(shí)刻為上為北極N下為南極S，如圖3.7所示。根據(jù)右手定則，在上半部轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電動勢和電流方向由里向外，用 表示；在下半部則由外向里，用 表示。 圖3.8 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)動原理pfn601原理：定子旋轉(zhuǎn)磁場以速度n0切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感生電動勢（

11、發(fā)電機(jī)右手定則），在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中形成電流，使導(dǎo)體受電磁力作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順n0方向旋轉(zhuǎn)（電動機(jī)左手定則），并從軸上輸出一定大小的機(jī)械功率。(n不能等于n0)特點(diǎn)：電動機(jī)內(nèi)必須有一個以n0旋轉(zhuǎn)的磁場。實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的前提；電動運(yùn)行時(shí)n恒不等于n0（異步）必要條件nn0； 建立轉(zhuǎn)矩的電流由感應(yīng)產(chǎn)生。感應(yīng)名稱的來源。NSn0n異步電動機(jī)模型籠型轉(zhuǎn)子 流過電流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力作用，力F的方向可用左手定則確定，如圖3.8所示。電磁力作用于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體上，對轉(zhuǎn)軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)起來，轉(zhuǎn)速為n。 三相電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n始終不會加速到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)橹?/p>

12、有這樣，轉(zhuǎn)繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間才會有相對運(yùn)動而切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中才能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，從而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按照旋轉(zhuǎn)磁場的方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由此可見 ，且 ，是異步電動機(jī)工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。 nn11nn 3轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之差與同步轉(zhuǎn)速n1之比稱為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，即 （3-2） 轉(zhuǎn)差率是異步電動機(jī)的一個基本參數(shù)，對分析和計(jì)算異步電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及其機(jī)械特性有著重要的意義。當(dāng)異步電動機(jī)處于電動狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩 和轉(zhuǎn)速n同向。轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動時(shí)，n=0, ；當(dāng) 時(shí)， ，可知異步電動機(jī)處于電動狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率的變化范圍總在0和1之間，即0

13、s1。一般情況下，額定運(yùn)行時(shí)=1%5%。11nnnsemT111nnnsnn 1011nnns3.1.3 主要系列 在三相電動機(jī)的外殼上，釘有一塊牌子，叫銘牌。銘牌上注明這臺三相電動機(jī)的主要技術(shù)數(shù)據(jù)，是選擇、安裝、使用和修理（包括重繞組）三相電動機(jī)的重要依據(jù)，銘牌的主要內(nèi)容如下。 1型號型號 國產(chǎn)中小型三相電動機(jī)型號的系列為Y系列，是按國際電工委員會IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三相異步電動機(jī)，它是以電機(jī)中心高度為依據(jù)編制型號譜的，如 Y-200L2-6 中、小型三相異步電動機(jī)的機(jī)座號與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表4.1和表4.2。 異步電動機(jī)中心高度200mm6極2號鐵心長機(jī)座（M中機(jī)座）（S短機(jī)

14、座） Y-200L2-6 異步電動機(jī)中心高度200mm6極2號鐵心長機(jī)座（M中機(jī)座）（S短機(jī)座） 中、小型三相異步電動機(jī)的機(jī)座號與定子鐵心外徑及中心高度的關(guān)系見表3.1和表3.2。 表3.1 小型異步三相電動機(jī) 表3.2 中型異步三相電動機(jī)機(jī) 座 號1112131415定子鐵心外徑（mm）560650740850990中心高度（mm）375450500560620機(jī) 座 號123456789定子鐵心外徑（mm）120145167210245280327368423中心高度（mm）90100112132160180225250280 2額定功率額定功率 額定功率是指在滿載運(yùn)行時(shí)三相電動機(jī)軸上所輸

15、出的額定機(jī)械功率，用表示，以千瓦（kW）或瓦（W）為單位。 3額定電壓額定電壓 額定電壓是指接到電動機(jī)繞組上的線電壓，用UN表示。三相電動機(jī)要求所接的電源電壓值的變動一般不應(yīng)超過額定電壓的5%。電壓過高，電動機(jī)容易燒毀；電壓過低，電動機(jī)難以啟動，即使啟動后電動機(jī)也可能帶不動負(fù)載，容易燒壞。 4額定電流額定電流 額定電流是指三相電動機(jī)在額定電源電壓下，輸出額定功率時(shí)，流入定子繞組的線電流，用IN表示，以安（A）為單位。若超過額定電流過載運(yùn)行，三相電動機(jī)就會過熱乃至燒毀。三相異步電動機(jī)的額定功率與其他額定數(shù)據(jù)之間有如下關(guān)系式 （3-3）式中 額定功率因數(shù) 額定效率NNNNNIUPcos3NcosN

16、 5額定頻率額定頻率 額定頻率是指電動機(jī)所接的交流電源每秒鐘內(nèi)周期變化的次數(shù)，用fN表示。我國規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)電源頻率為50Hz。 6額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速表示三相電動機(jī)在額定工作情況下運(yùn)行時(shí)每分鐘的轉(zhuǎn)速，用nN表示，一般是略小于對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速n1。如n1=1 500r/min，則nN =1 440r/min。 7絕緣等級絕緣等級 絕緣等級是指三相電動機(jī)所采用的絕緣材料的耐熱能力，它表明三相電動機(jī)允許的最高工作溫度。三相電動機(jī)的絕緣等級和最高允許溫度參見表8.1。 8定額定額 定額是指三相電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即允許連續(xù)使用的時(shí)間，分為連續(xù)、短時(shí)、周期斷續(xù)三種。（1）連續(xù) 連續(xù)工作狀態(tài)是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很長，電動機(jī)的溫升可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫升的工作方式。（2）短時(shí) 短時(shí)工作狀態(tài)是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動機(jī)的溫升達(dá)不到穩(wěn)態(tài)溫升；停機(jī)時(shí)間很長，使電動機(jī)的溫升可以降到零的工作方式。（3）周期斷續(xù) 周期斷續(xù)工作狀態(tài)是指電動機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行時(shí)間很短，使電動機(jī)的溫升