驅(qū)動電動機(jī)課件

第3章驅(qū)動電動機(jī)3.1直流電動機(jī)3.2三相異步電動機(jī)的工作原理及特性3.3步進(jìn)電動機(jī)3.4直流伺服電動機(jī)3.5交流伺服電動機(jī)3.1直

流

電

動

機(jī)

3.1.1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理1．直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機(jī)運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風(fēng)扇等組成。圖3－1是直流電機(jī)的縱剖面圖，圖3－2是橫剖面示意圖。圖3-1直流電機(jī)的縱剖面圖

1）定子部分(1)主磁極。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成，其作用是產(chǎn)生氣隙磁場。鐵心用0.5～1.5mm厚的鋼板沖片疊壓鉚緊而成，上面套勵磁繞組的部分稱為極身，下面擴(kuò)寬的部分稱為極靴，極靴寬于極身，既可以使氣隙中磁場分布比較理想，又便于固定勵磁繞組。勵磁繞組用絕緣銅線繞制而成。勵磁繞組套在極身上，再將整個主磁極用螺釘固定在機(jī)座上。

(2)換向極。兩相鄰主磁極之間的小磁極叫換向極，也叫附加極或間極。換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的火花。換向極由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，對換向性能要求較高的直流電機(jī)，換向極鐵心可用1.0～1.5mm厚的鋼板沖制疊壓而成。換向極繞組用絕緣導(dǎo)線繞制而成，套在換向極鐵心上。整個換向極用螺釘固定于機(jī)座上。換向極的數(shù)目與主磁極相等。

(3)機(jī)座。電機(jī)定子部分的外殼稱為機(jī)座，見圖3-1中的3，一方面機(jī)座用來固定主磁極、換向極和端蓋，并對整個電機(jī)起支撐和固定作用，另一方面也是磁路的一部分，借以構(gòu)成磁極之間磁的通路，磁通通過的部分稱為磁軛。為保證機(jī)座具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和良好的導(dǎo)磁性能，一般為鑄鋼件或由鋼板焊接而成。

2）

轉(zhuǎn)子(電樞)部分

(1)電樞鐵心。電樞鐵心是主磁通磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。為了降低電機(jī)運(yùn)行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗，電樞鐵心用0.5mm厚的硅鋼片沖制的沖片疊壓而成，沖片的形狀如圖3-3所示。疊成的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組。圖3-3電樞鐵心沖片(2)電樞繞組。電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量變換的關(guān)鍵部件。它由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，線圈用高強(qiáng)度漆包線或玻璃絲包扁銅線繞成，不同線圈的線圈邊分上下兩層嵌放在電樞槽中，線圈與鐵心之間和上、下兩層線圈邊之間都必須妥善絕緣，為防止離心力將線圈邊甩出槽外，

槽口用槽楔固定。

圖3-4普通換向器

(4)轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸起轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的支撐作用，需有一定的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，一般用圓鋼加工而成。

2．直流電動機(jī)的工作原理任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)基礎(chǔ)之上的，直流電動機(jī)也是如此。直流電動機(jī)工作時電刷兩端外加直流電源，轉(zhuǎn)子上同軸連接機(jī)械負(fù)載。如圖3-5所示，電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，由直流電源把直流電能經(jīng)電刷A、B引入電機(jī)，在圖3-5（a）所示的瞬間，導(dǎo)體a的電流方向?yàn)椤?，?dǎo)體b的電流方向?yàn)?，載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用，方向由左手法則確定，a、b導(dǎo)體所受的電磁力對軸形成一個順時針方向的轉(zhuǎn)矩（電磁轉(zhuǎn)矩），當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻力矩時，電樞沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。

直流電機(jī)的電樞電勢Ｅa是指電機(jī)正負(fù)電刷間的電勢，電樞電勢可用下式表示：

（3-1）

式中，Ce為直流電機(jī)的電勢常量，與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān)，（P為電機(jī)的極對數(shù)；N為電樞的總導(dǎo)體數(shù)；a為并聯(lián)支路對數(shù)）;Φ為正、負(fù)電刷間的磁通;n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電樞繞組感應(yīng)電勢的方向，

用右手法則判定。

直流電機(jī)電樞繞組中的電流與磁通Φ相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩T是指電樞繞組中每根導(dǎo)體所受電磁轉(zhuǎn)矩的和。電磁轉(zhuǎn)矩可用下式表示：

（3-2）

式中,CT為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常量，與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有關(guān),Φ為正、負(fù)電刷間的磁通；Ia為電樞電流。

;因?yàn)?/p>

所以

（3-3）無論是發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，電磁功率均指電機(jī)通過電磁感應(yīng)原理進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的這部分功率，既可以表示為機(jī)械功率的形式，也可以表示為電功率的形式。

因此，無論是發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，電磁功率都可表示為

Pem=EaIa=TΩ

（3-4）

3.1.2直流電動機(jī)的機(jī)械特性

1．

機(jī)械特性方程式

他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程式可由電動機(jī)的基本方程式導(dǎo)出。他勵直流電動機(jī)的電路原理接線圖如圖3-6所示。

圖3-6他勵直流電動機(jī)的接線圖

根據(jù)電路圖可以列出電動機(jī)的基本方程式為電勢方程式：U=Ea+IaR電樞電勢：Ea=CeΦn電磁轉(zhuǎn)矩：T=CTΦIa式中,R=Ra+RPa，表示電樞總電阻，包括電樞電阻Ｒa和附加電阻RPa。1)理想空載點(diǎn)A（0，n0）

在方程式（3-5）中，當(dāng)T=0時，n=U/CeΦ稱為理想空載轉(zhuǎn)速n0，即

（3-6）

由公式（3-6）可見，調(diào)節(jié)電源電壓U或磁通Φ，可以改變理想空載轉(zhuǎn)速n0的大小。必須指出，電動機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速n0′比n0略低，如圖3-7所示。這是因?yàn)?，電動機(jī)在實(shí)際的空載狀態(tài)下運(yùn)行時，其輸出轉(zhuǎn)矩T2=0，但電磁轉(zhuǎn)矩T不可能為零，必須克服空載阻力轉(zhuǎn)矩T0，即T=T0，所以實(shí)際空載轉(zhuǎn)速n0′為（3-7）

2)堵轉(zhuǎn)點(diǎn)B（TK，0）圖3-7中，機(jī)械特性與橫軸的交點(diǎn)B即為堵轉(zhuǎn)點(diǎn)。在堵轉(zhuǎn)點(diǎn)，n=0，因而Ea=0。此時電樞電流Ia=U/(Ra+RPa)=IK，稱為堵轉(zhuǎn)電流。與堵轉(zhuǎn)電流相對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩TK=CTΦIK稱為堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。將公式（3-6）及（3-8）代入式（3-5），即得機(jī)械特性方程式的簡化式：（3-9）

2．固有機(jī)械特性當(dāng)他勵電動機(jī)的電源電壓U=UN，磁通Φ=ΦN，電樞回路中附加電阻RPa=0時，電動機(jī)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。固有機(jī)械特性的方程式為（3-10）

根據(jù)公式（3-10）可繪出他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性如圖3-8所示。由于Ra較小，數(shù)值最大，所以特性的斜率β最小，他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性較硬。

圖3-8他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性

3．人為機(jī)械特性1)電樞回路串接電阻時的人為機(jī)械特性

此時U=UN，Φ=ΦN，R=Ra+RPa，電樞串接電阻RPa時的人為機(jī)械特性方程式為

（3-11）

與固有機(jī)械特性相比，電樞回路串接電阻時的人為機(jī)械特性的特點(diǎn)是：①理想空載點(diǎn) 保持不變；②斜率β隨的增大而增大，使轉(zhuǎn)速降△n增大，特性變軟。如圖3-9所示是不同時的一組人為機(jī)械特性（從理想空載點(diǎn)發(fā)出的一組射線）。

圖3-9他勵直流電動機(jī)電樞回路串接電阻時的人為機(jī)械特性

2)改變電源電壓時的人為機(jī)械特性此時，電樞不串接電阻（ ），改變電源電壓時的人為機(jī)械特性方程式為：

（3-12）

注意：由于受到絕緣強(qiáng)度的限制，因此電壓只能從額定值UN向下調(diào)節(jié)。

與固有機(jī)械特性相比，改變電源電壓時的人為機(jī)械特性的特點(diǎn)是：(1)理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電源電壓U的降低而成比例降低。(2)斜率β則保持不變，特性的硬度不變。圖3-10所示是不同電壓U時的一組人為機(jī)械特性（一組平行直線）。圖3-10他勵直流電動機(jī)降壓時的人為機(jī)械特性

3)改變磁通時的人為機(jī)械特性一般他勵直流電動機(jī)在額定磁通下運(yùn)行時，電機(jī)已接近飽和。改變磁通只能在額定磁通以下進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時U=UN，電樞不串接電阻（PPa=0），減弱磁通時的人為機(jī)械特性方程式為

（3-13）

圖3-11他勵直流電動機(jī)弱磁時的人為機(jī)械特性

與固有機(jī)械特性相比，減弱磁通時的人為機(jī)械特性的特點(diǎn)是：(1)理想空載點(diǎn)n0=UN／CeΦN，減弱磁通Φ，理想空載轉(zhuǎn)速n0升高。(2)斜率β與Φ2成反比，減弱磁通Φ，使斜率β增大，特性變軟。如圖3－11所示是弱磁時的一組人為機(jī)械特性（一組理想空載轉(zhuǎn)速升高，斜率變大的直線）。顯然，在實(shí)際應(yīng)用中，有時需要同時改變兩個、甚至三個參數(shù)，那么此時的人為機(jī)械特性同樣可根據(jù)特性方程式分析得到。

4．機(jī)械特性的繪制1)固有機(jī)械特性的繪制他勵直流電動機(jī)的固有機(jī)械特性是一條直線，只要求出直線上兩個點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就可繪制出固有機(jī)械特性。一般選擇理想空載點(diǎn)（T=0，n0）和額定點(diǎn)（TN，n0）。

對于理想空載點(diǎn)，只需求n0,由于

式中,UN已知，CeΦN可由額定狀態(tài)下的電勢方程式求得：

（3-14）

式中、均已知，只有為未知，可以實(shí)測，也可用下式估算得到：

（3-15）

式（3-15）是一個經(jīng)驗(yàn)公式，表示在額定負(fù)載下，電樞繞組的銅損耗占電機(jī)總損耗的1/2～2/3。這樣，按公式（3-15）估算出Ra后，代入公式（3-14），即可算出CeΦN，

因而可得理想空載點(diǎn)。

對于額定點(diǎn)，只需求：

兩點(diǎn)求出后，通過該兩點(diǎn)連線即為固有機(jī)械特性。

2）人為機(jī)械特性的繪制對于各種人為機(jī)械特性，只需要將相應(yīng)的參數(shù)代入機(jī)械特性方程式中，求出任意兩點(diǎn)（一般仍選理想空載點(diǎn)和額定負(fù)載點(diǎn)），即可繪出。下面通過例子來說明機(jī)械特性的繪制。

例3-1他勵直流電動機(jī)，PN=13kW，UN=220V，IN=68.6A，nN=1500r/min。(1)繪制固有機(jī)械特性。(2)分別繪制三種情況下的人為機(jī)械特性：①電樞回路中串入ＲPa=0.9Ω。②電源電壓降至額定電壓的一半，即U=110V。③磁通減弱為額定磁通的2/3，即

解：(1)繪制固有機(jī)械特性

估算Ra：

計算ＣeΦN：理想轉(zhuǎn)速：

額定電磁轉(zhuǎn)矩：

根據(jù)理想空載點(diǎn)（0，1620r/min）和額定運(yùn)行點(diǎn)（88.5N·m，1500r/min）繪出固有機(jī)械特性，如圖3-12所示。

圖3-12他勵直流電動機(jī)固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性的繪制

(2)繪制人為機(jī)械特性①電樞回路中串入RPa=0.9Ω。理想空載轉(zhuǎn)速不變，T=TＮ時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n1為

人為機(jī)械特性是過（0，1620r/min）和（88.5N·m，1060r/min）兩點(diǎn)的直線，如圖3-12中1所示。

②電源電壓U=110V理想空載轉(zhuǎn)速降為 時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速：

人為機(jī)械特性是過（0，810r/min）和（88.5Nm，700r/min）兩點(diǎn)的直線，如圖3-12中2所示。

③磁通減弱為Φ=2/3ΦN。理想空載轉(zhuǎn)速升為n0″:T=TN時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n3：

5.電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行條件

在生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時，電動機(jī)的機(jī)械特性與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性是同時存在的。為了分析電力拖動的運(yùn)行問題，可以把兩者畫在同一個坐標(biāo)圖上。如圖3-13所示，直線1為電動機(jī)的機(jī)械特性，直線2為負(fù)載轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性。兩條直線交于A點(diǎn)，系統(tǒng)在A點(diǎn)恒速運(yùn)行并處于平衡狀態(tài)。但系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)并不能代表系統(tǒng)在此點(diǎn)就能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3-13１－電動機(jī)的機(jī)械特性２－負(fù)載的機(jī)械特性必須注意，如果在交點(diǎn)處兩特性配合情況不好，運(yùn)行也有可能是不穩(wěn)定的。就是說，兩種特性有交點(diǎn)僅是穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，但還不充分，充分條件是：如果電力拖動系統(tǒng)原在交點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行，由于出現(xiàn)某種干擾作用（如電網(wǎng)電壓的波動、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的微小變化等），離開了平衡位置，當(dāng)干擾消除后，拖動系統(tǒng)還能回到原來的平衡位置。電力拖動系統(tǒng)如能滿足這樣的特性配合條件，

則該系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的。

圖3-14（a）表示他勵直流電動機(jī)（特性2、3）拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（特性1）。系統(tǒng)原工作在平衡點(diǎn)A處，由于某種原因，電網(wǎng)電壓向上波動，從U1升為U2，電動機(jī)的特性由2變?yōu)?，又由于瞬間轉(zhuǎn)速不變，系統(tǒng)工作點(diǎn)由A平移到B，出現(xiàn)T>TL，然后沿BC加速直到C點(diǎn)，最后又以nC恒速運(yùn)行。當(dāng)擾動消失，電壓從U2降到U1，電動機(jī)的特性由3回到2，系統(tǒng)工作點(diǎn)由C平移到D，出現(xiàn)T<TL，之后系統(tǒng)沿DA減速，直到轉(zhuǎn)速恢復(fù)到nA。可見，該系統(tǒng)在擾動消失后還能回到原來的平衡位置，所以A點(diǎn)是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。圖3-14他勵直流電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行條件

從以上分析可見，對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要得到穩(wěn)定運(yùn)行，電動機(jī)需要具有向下傾斜的機(jī)械特性。如果電動機(jī)的機(jī)械特性向上翹，就不能穩(wěn)定運(yùn)行。推廣到一般情況，如果電動機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)與負(fù)載的機(jī)械特性n=f(TL)在交點(diǎn)處的配合能滿足下列要求，則系統(tǒng)的運(yùn)行是穩(wěn)定的，否則是不穩(wěn)定的：在交點(diǎn)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速之上應(yīng)保證T<TL，而在這一轉(zhuǎn)速之下則要求T>TL。即在交點(diǎn)T＝TL處，滿足dT/dn<dTL/dn。顯然，特性這樣的配合能保證系統(tǒng)有恢復(fù)原轉(zhuǎn)速的能力。3.2三相異步電動機(jī)的工作原理及特性

3.2.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理三相異步電機(jī)是一種交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由于它具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、制造方便、價格低廉、效率高而又堅(jiān)固耐用等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在生產(chǎn)中得到了及其廣泛的應(yīng)用。但異步電動機(jī)的缺點(diǎn)是它的啟動、調(diào)速性能較差。異步電動機(jī)是靠定子繞組建立的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢與電流，因而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩而進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的。

所以,異步電動機(jī)又稱感應(yīng)電動機(jī)。

1.三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)的種類很多，并且有不同的分類方法。按轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)分類有：籠型異步電動機(jī)和繞線形異步電動機(jī)兩類?；\型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低、運(yùn)行可靠；繞線形異步電動機(jī)則可通過外串電阻來改善啟動性能并進(jìn)行調(diào)速。若按機(jī)殼的防護(hù)形式分類，則可分為防護(hù)式、封閉式和開啟式。還可按電動機(jī)的容量的大小、冷卻方式進(jìn)行分類。不論三相異步電動機(jī)的分類如何，各類異步電動機(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)子之間存在著氣隙。圖3-15所示是一臺三相鼠籠型異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖3-15三相鼠籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

1)定子（1）定子鐵心。定子鐵心是主磁路的一部分，為了增強(qiáng)導(dǎo)磁性能并減少磁滯損耗和渦流損耗，鐵心由0.5mm的硅鋼片疊壓而成。在定子鐵心內(nèi)圓上均勻的沖有一定數(shù)目的槽，用來嵌放定子繞組。定子鐵心及沖片的示意圖如圖3-16所示。槽的形狀分半閉口槽、半開口槽和開口槽等，如圖3-17所示。從提高效率和功率因數(shù)來看，半閉口槽最好，因?yàn)樗梢詼p少氣隙磁阻，使產(chǎn)生一定數(shù)量的旋轉(zhuǎn)磁場所需的勵磁電流最少。但由于繞組的絕緣和嵌線工藝比較復(fù)雜，因此只用于低壓中小型異步電動機(jī)中。對于中型異步電動機(jī)通常采用半開口槽，對于高壓中型和大型異步機(jī)，一般采用開口槽，以便于嵌線。

圖3-16定子鐵心及沖片示意圖(a)定子鐵心；(b)定子鐵心沖片

圖3-17定子鐵心槽型和繞組分布(a)半閉口槽；(b)半開口槽；(c)開口槽

（2）定子繞組。定子繞組是電動機(jī)的定子電路部分。嵌放在定子鐵心的槽內(nèi)，既可以是單層的，也可以是雙層的。三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端為U1、V1、W1，尾端分別為U2、V2、W2。為了接線方便，這六個出線端在接線板上的排列如圖3－18所示，根據(jù)需要可以連成星形和三角形。圖3-18定子繞組的連接(a)星形連接；(b)三角形連接

（3）

機(jī)座。

機(jī)座是電動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的組成部分，

用來支撐整個電機(jī)。

2)轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。（1）轉(zhuǎn)子鐵心。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路的一部分并且用來嵌放轉(zhuǎn)子繞組。它由厚0.5mm的硅鋼片疊壓而成，在鐵心外緣沖有一圈開口槽，外表面成圓柱形。中小型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心一般直接固定在轉(zhuǎn)軸上，而大型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心則套在轉(zhuǎn)子支架上，然后把支架固定在轉(zhuǎn)軸上。

（2）轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部分，它的作用是感應(yīng)電勢、流過電流并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。按結(jié)構(gòu)形式可分為籠型和繞線形轉(zhuǎn)子兩種。①籠型轉(zhuǎn)子?；\型轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)放入一根導(dǎo)體，在伸出鐵心的兩端分別用兩個導(dǎo)電端環(huán)把所有的導(dǎo)條連接起來，形成一個自行閉合的短路繞組。如果去掉鐵心，則剩下的繞組的形狀就像一個鼠籠，如圖3-19所示，所以稱之為籠型轉(zhuǎn)子。對于中小型異步電動機(jī)，籠型轉(zhuǎn)子繞組一般采用鑄鋁將導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)葉一次鑄出，如圖3-19（a）所示。也有用銅條焊接在兩個銅端環(huán)上的銅條籠型繞組，如圖3-19（b）所示。

圖3-19籠型轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)示意圖(a)鑄鋁轉(zhuǎn)子；(b)銅排轉(zhuǎn)子

圖3-20繞線形轉(zhuǎn)子繞組示意圖

②繞線形轉(zhuǎn)子繞組。繞線形轉(zhuǎn)子與定子繞組一樣，也是一個對稱的三相繞組。它連接成Y形后，其三根引出線分別接到軸上的三個集電環(huán)，再經(jīng)電刷引出而與外部電路接通，如圖3-20所示。所以，可以通過集電環(huán)與電刷在轉(zhuǎn)子繞組中串入附加電阻或其他的控制裝置，以便改善三相異步電動機(jī)的啟動性能及調(diào)速性能。繞線形轉(zhuǎn)子的異步電動機(jī)還裝有提刷短路裝置。當(dāng)電動機(jī)啟動完畢而不需調(diào)速時，可操作手柄將電刷提起切除全部電阻的同時使三只集電環(huán)短路起來，

其目的是減少電動機(jī)在運(yùn)行中的電刷磨損和摩擦損耗。

一般的繞線形異步電動機(jī)的外串電阻是放在電動機(jī)的非軸端而且伸出蓋外的，所以繞線形異步電動機(jī)的外形與籠型異步電動機(jī)的外形有很大的區(qū)別，看上去一頭大、一頭小，大的是電動機(jī)本身，小的是三相電阻包，且還有一個手柄外露。但在生產(chǎn)實(shí)際中,大噸位行車主鉤電動機(jī)的外串電阻可以不緊挨在電動機(jī)旁，而且不需要手柄操作，而是操作員在駕駛室中控制接觸器開關(guān)來串入或調(diào)節(jié)電阻的。

（3）轉(zhuǎn)軸。轉(zhuǎn)軸是支撐轉(zhuǎn)子鐵心和輸出轉(zhuǎn)矩的部件，它必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼車削加工而成，軸伸出端銑有鍵槽，用來固定帶輪或連軸器。3)氣隙三相異步電動機(jī)中在定、轉(zhuǎn)子之間有一氣隙，該氣隙比同容量的直流電機(jī)的氣隙小的多，一般僅為0.2～1.5mm。氣隙的大小對異步機(jī)的性能有很大的影響。氣隙大則磁阻大，要產(chǎn)生同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場就需較大的勵磁電流，由于勵磁電流基本上是無功電流，所以為了降低電機(jī)的空載電流，提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)盡量減少。但是氣隙過小時，將使裝配困難，運(yùn)行不可靠。同時高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差。一般氣隙長度應(yīng)為機(jī)械條件所容許達(dá)到的最小值。

2.異步電動機(jī)的銘牌三相異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)有:(1)額定功率PN:是指電動機(jī)在額定運(yùn)行時轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是kW。(2)額定電壓UN:是指額定運(yùn)行時電網(wǎng)加在定子繞組上的線電壓，單位是V或kV。(3)額定電流IN:是指電動機(jī)在額定電壓下，輸出額定功率時，定子繞組中的線電流，單位是A。(4)額定轉(zhuǎn)速nN:是指額定運(yùn)行時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位是轉(zhuǎn)/分（r/min）。

(5)額定頻率fN:是指電動機(jī)所接電源的頻率，單位是Hz。中國的工頻頻率為50Hz。(6)絕緣等級:絕緣等級決定了電動機(jī)的允許溫升，有時也不標(biāo)明絕緣等級而直接標(biāo)明允許溫升。(7)接法:用Y或D表示。表示在額定運(yùn)行時，定子繞組應(yīng)采用的連接方式。(8)轉(zhuǎn)子繞組開路電壓:是指定子為額定電壓，轉(zhuǎn)子繞組開路時的轉(zhuǎn)子線電壓，單位是V。(9)轉(zhuǎn)子繞組額定電流:是指定子為額定電壓，轉(zhuǎn)子繞組短路時的轉(zhuǎn)子線電流，單位是A。(8)、(9)兩項(xiàng)主要用來作為配備啟動電阻時的依據(jù)。銘牌上除了上述的額定數(shù)據(jù)外，還表明了電動機(jī)的型號。型號一般用來表示電動機(jī)的種類和幾何尺寸等。如新系列的異步電動機(jī)用字母Y表示，并用中心高表示電動機(jī)的直徑大??；鐵心長度則用S、M、L表示，S最短，L最長；電動機(jī)的保護(hù)形式由字母IP和兩個數(shù)字表示，I是International（國際）的第一個字母，P是Protection（防護(hù)）的第一個字母，IP后面的第一個數(shù)字代表第一種防護(hù)形式（防塵）的等級，第二個數(shù)字代表第二種防護(hù)形式（防水）的等級，

數(shù)字越大，表示防護(hù)的能力越強(qiáng)。

3.三相異步電動機(jī)的工作原理1)基本工作原理

圖3-21繪出了三相異步電動機(jī)工作原理的示意圖。當(dāng)三相異步電動機(jī)接到三相電源上，定子繞組中便有對稱的三相交流電流（相序?yàn)閁、V、W）通過，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場（方向如圖3-21所示，轉(zhuǎn)速n1=60f1/P）。由于啟動瞬間轉(zhuǎn)子是靜止的，因此該旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體之間有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電勢(方向由右手定則判定,如圖3-21所示)。由于轉(zhuǎn)子繞組閉合，轉(zhuǎn)子繞組中便有電流通過，該電流與旋轉(zhuǎn)磁場作用，產(chǎn)生電磁力F，形成電磁轉(zhuǎn)矩T(方向由左手定則判定)。當(dāng)電磁力矩大于轉(zhuǎn)子所受的阻力矩的時候，轉(zhuǎn)子就沿著電磁轉(zhuǎn)矩方向旋轉(zhuǎn)起來。電機(jī)把由定子輸入的電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能從軸上輸出。由圖3-21可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)向與電磁轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致。

圖3-21異步電動機(jī)的工作原理

由于異步電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向始終與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致，而旋轉(zhuǎn)磁場的方向又取決于三相電流的相序,因此要改變轉(zhuǎn)向，只需改變電流的相序即可，即任意對調(diào)電動機(jī)的兩根電源線，便可使電動機(jī)反轉(zhuǎn)。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速恒小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1。因?yàn)槿绻?dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1的時候，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間就不再有相對運(yùn)動，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體就不再切割旋轉(zhuǎn)磁場的磁通，轉(zhuǎn)子繞組中的電流及其所受的電磁力均消失。由此可見，n<n1是異步電動機(jī)工作的必要條件。異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不同，這就是異步電動機(jī)得名的原因。2)轉(zhuǎn)差率異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間必須存在轉(zhuǎn)差（n1-n），否則異步電動機(jī)就不能正常工作。轉(zhuǎn)差相對于同步轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率，常用s來表示，即

（3-16）

s是異步電動機(jī)的一個重要的運(yùn)行參數(shù)，它反映異步電動機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)。對于異步電動機(jī)，起動的瞬間，n=0，此時轉(zhuǎn)差率s=1;額定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速n1時，轉(zhuǎn)差率非常小。異步電動機(jī)的負(fù)載越大，轉(zhuǎn)速越慢，轉(zhuǎn)差率越大；反之，負(fù)載越小，轉(zhuǎn)速越快，轉(zhuǎn)差率越小。故轉(zhuǎn)差率直接反映了轉(zhuǎn)速的高低和負(fù)載的大小。

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速由下式推算：

（3-17）

3)異步電動機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電流所受的電磁力與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向之間的關(guān)系或s的數(shù)值，可以把異步電動機(jī)分為三種運(yùn)行狀態(tài)。（1）電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1的方向一致但低于同步轉(zhuǎn)速時，即n<n1,此時的s在0與1之間，即1>s>0，這時異步電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。

異步電動機(jī)運(yùn)行時有以下幾個特征：①n與n1同方向，且永遠(yuǎn)保持n<n1的關(guān)系，即1>s>0；②F（或T）的方向與n的方向一致，T起著驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的作用；③定子繞組的電磁功率體現(xiàn)為負(fù)值，即實(shí)際上是定子繞組從電網(wǎng)吸取電功率；轉(zhuǎn)子在拖動負(fù)載時將向負(fù)載輸出機(jī)械功率。

（2）發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。如果用原動機(jī)拖動異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，使其沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向作高速運(yùn)動，使n>n1，并且定子繞組始終保持和電網(wǎng)接通，這時s<0。電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。異步電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時有以下幾個特征：①n與n1同方向，且永遠(yuǎn)保持n>n1的關(guān)系，即s<0；②F（或T）的方向與n的方向相反，T起著阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的作用；③必須存在一高速旋轉(zhuǎn)的原動機(jī)，轉(zhuǎn)子從它那里獲取機(jī)械功率，同時定子繞組向電網(wǎng)輸出電功率。

（3）電磁制動運(yùn)行狀態(tài)。如果用一原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)子使其沿著與旋轉(zhuǎn)磁場相反的方向轉(zhuǎn)動，此時n<0，s>1，異步電機(jī)處于電磁制動狀態(tài)。異步電機(jī)運(yùn)行于電磁制動狀態(tài)時有以下幾個特征：①n與n1方向相反，s>1；②F（或T）的方向與n的方向相反，T起著阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的作用；③必須存在拖動轉(zhuǎn)子向n1的反方向轉(zhuǎn)動的原動機(jī)，轉(zhuǎn)子從它那里獲取一定的機(jī)械功率，同時定子繞組從電網(wǎng)吸取一定的電功率，這兩種功率都變成繞組的損耗使其大量發(fā)熱。

綜上所述，異步電機(jī)可以作電動機(jī)運(yùn)行，也可以作發(fā)電機(jī)和電磁制動狀態(tài)運(yùn)行。但一般作電動機(jī)運(yùn)行；異步發(fā)電機(jī)很少使用；電磁制動狀態(tài)是異步電動機(jī)完成某一生產(chǎn)過程出現(xiàn)的短時運(yùn)行狀態(tài)。例如，起重機(jī)下放重物時，為使安全、平穩(wěn)，需要限制速度，就使異步電動機(jī)短時處于電磁制動狀態(tài)。

3.2.2三相異步電動機(jī)的空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行

1.空載電流和空載磁勢三相異步電動機(jī)的定子繞組接在對稱的三相電源上，轉(zhuǎn)子軸上不帶機(jī)械負(fù)載時的運(yùn)行稱為空載運(yùn)行。異步電動機(jī)空載時，定子三相繞組中通過空載電流，三相空載電流將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁勢，稱為空載磁勢，用表示，其基波幅值為

（3-18）

異步電動機(jī)空載電流的大小約為額定電流的20％～50％異步電動機(jī)比變壓器的空載電流大的原因是異步電動機(jī)的磁路中有氣隙存在。異步電動機(jī)空載運(yùn)行時，由于軸上不帶機(jī)械負(fù)載，其轉(zhuǎn)速很高，接近同步轉(zhuǎn)速，即n≈n1，s很小。此時定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間的相對速度幾乎為0，于是轉(zhuǎn)子的感應(yīng)電勢E2≈0,轉(zhuǎn)子電流I2≈0,轉(zhuǎn)子磁勢F2≈0。所以空載時電動機(jī)的氣隙磁場完全由定子空載磁勢產(chǎn)生。空載時的定子磁勢即為勵磁磁勢，空載時的定子電流即為勵磁電流?？蛰d電流的有功分量用來供給空載損耗，包括空載時的定子銅耗、定子鐵耗和機(jī)械損耗。無功分量用來產(chǎn)生氣隙磁場，也稱為磁化電流，它是空載電流的主要部分，空載電流可寫為（3-19）

勵磁磁勢產(chǎn)生的磁通大部分同時與定子、轉(zhuǎn)子繞組交鏈，這稱為主磁通，用Φm表示，主磁通參與能量的轉(zhuǎn)換，在電動機(jī)中產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩。主磁通的磁路由定、轉(zhuǎn)子鐵心和氣隙組成，受磁路飽和的影響，為非線性磁路。此外還有一小部分磁通僅與定子繞組交鏈，稱為定子漏磁通。漏磁通不參與能量的轉(zhuǎn)換，并且主要通過空氣閉合，受磁飽和的影響較小，在一定的條件下可以看作線性磁路。

2.空載時的電壓平衡關(guān)系1)主、漏磁通的感應(yīng)電勢主磁通在定子繞組中的感應(yīng)電勢為

（3-20）

和變壓器的分析方法一樣，定子漏磁通在定子繞組中的感應(yīng)電勢可采用漏抗壓降的形式來表示，即

（3-21）

式中,X1為定子漏抗，其大小為,是指對應(yīng)于定子漏磁通的電抗值。

2)空載時的電壓平衡方程式及等效電路據(jù)以上分析的異步電動機(jī)空載時的電磁關(guān)系，可列出異步電動機(jī)定子回路電勢平衡方程式

（3-22）

和變壓器的分析一樣，可寫出：

（3-23）

式(3-22)和式(3-23)中,Z1為定子漏阻抗，Z1=r1+jX1;Zm為勵磁阻抗，Zm=rm+jXm;rm為勵磁電阻，反映鐵耗的等效電阻；Xm為勵磁電抗，與主磁通Φm對應(yīng)。因?yàn)? ,可近似認(rèn)為

由（3-22），可畫出異步電動機(jī)空載時的等值電路，如圖3-22所示。

圖3-22異步電動機(jī)空載時的等效電路3.三相異步電動機(jī)的負(fù)載運(yùn)行異步電動機(jī)負(fù)載是指定子外施對稱的三相電壓，轉(zhuǎn)子帶上機(jī)械負(fù)載時的運(yùn)行狀態(tài)。1)負(fù)載時轉(zhuǎn)子繞組的各電磁量與轉(zhuǎn)差率s的關(guān)系轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)磁場以（n1－n）相對速度切割轉(zhuǎn)子繞組，因此當(dāng)轉(zhuǎn)速n變化時，轉(zhuǎn)差率變化，那么轉(zhuǎn)子繞組的各電磁量將隨之變化。（1）轉(zhuǎn)子電勢的頻率f2。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)磁場以的速度切割轉(zhuǎn)子繞組，所以在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電勢的頻率為：

（3-24）

式中f1為電網(wǎng)頻率，為定值，所以轉(zhuǎn)子頻率與轉(zhuǎn)差率s成正比。這是異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路的一個重要特點(diǎn)。轉(zhuǎn)差率s是異步電動機(jī)中一個重要的變化量。當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)（如起動瞬間）時， ，此時轉(zhuǎn)子頻率達(dá)到最大。轉(zhuǎn)速升高時，s減小，f2也隨之減小；達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速非常接近，轉(zhuǎn)差率很小，所以轉(zhuǎn)子頻率只有幾赫茲。由于轉(zhuǎn)子的頻率隨著轉(zhuǎn)差率s的變化而變化，便引起了轉(zhuǎn)子電路中與s有關(guān)的各物理量發(fā)生變化。（2）轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢。由于轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢的頻率為f2，因此，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的感應(yīng)電勢為（3-25）

式中，表示轉(zhuǎn)子靜止時的感應(yīng)電勢。

式（3-25）表明：轉(zhuǎn)子電勢的大小與轉(zhuǎn)差率成正比。

（3）轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。轉(zhuǎn)子的漏電抗是由轉(zhuǎn)子漏磁通引起的，所以漏抗與頻率有關(guān)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的漏抗為

（3-26）

式中,X2s為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的漏電抗,X2為轉(zhuǎn)子靜止時的漏電抗,L2為轉(zhuǎn)子繞組的每相漏電感。式（3-26）表明：轉(zhuǎn)子漏抗的大小與轉(zhuǎn)差率s成正比。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，X2s隨s的減小而減小。

（4）轉(zhuǎn)子繞組的電流。異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在正常時處于短接狀態(tài)，其端電壓u２=０。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組的電勢和轉(zhuǎn)子的漏抗都隨s而變化，所以轉(zhuǎn)子電流一定也與轉(zhuǎn)差率有關(guān)，即:（3-27）

上式說明轉(zhuǎn)子電流隨著s的增大而增大。當(dāng)電機(jī)啟動的瞬間，s=1最大，轉(zhuǎn)子電流也最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，s減小，轉(zhuǎn)子電流也隨之減小。（5）轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)。轉(zhuǎn)子的每相電路都包括電阻和漏抗，是一感性電路。那么轉(zhuǎn)子電流滯后與電勢的角度φ2隨轉(zhuǎn)差率s而變化，功率因數(shù)為（3-28）

說明，轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)也與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)差率的降低而降低。

（6）轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁勢。不論是繞線形異步電動機(jī)還是鼠籠型異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子繞組都是對稱的。對繞線形異步電動機(jī)而言，轉(zhuǎn)子極對數(shù)可以通過轉(zhuǎn)子繞組的連接法做到與定子一樣；而鼠籠型異步電動機(jī)，其轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的電動勢和電流由氣隙磁場感應(yīng)而產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電流分布形成的磁極數(shù)必然等于氣隙磁場的極數(shù)。由于氣隙磁場的極數(shù)決定于定子繞組的極數(shù)，因此鼠籠型電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子繞組的極數(shù)相等，

與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的數(shù)目無關(guān)。

異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即n<n1，所以轉(zhuǎn)子磁勢F2的旋轉(zhuǎn)方向和定子磁勢F1相同。由于轉(zhuǎn)子電流的頻率為f2=f1，因此F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為又因?yàn)檗D(zhuǎn)子本身以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，所以F2的空間轉(zhuǎn)速即相對于定子的轉(zhuǎn)速為：

2)磁勢平衡方程式由于磁勢F1與F2相對靜止，就可以把F1和F2合成起來，所以異步機(jī)負(fù)載時在氣隙內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場是定、轉(zhuǎn)子合成磁勢，即

F1＋F2＝F0

（3-29）

式中F0是氣隙中總的勵磁磁勢，它產(chǎn)生負(fù)載時的氣隙中的總旋轉(zhuǎn)磁場。此式即為異步電動機(jī)的磁勢平衡方程式。（3-29）也可寫成：

F1＝F0＋（－F2）

（3-30）

3)電勢平衡方程式帶負(fù)載時，

定子電流為，

可列出負(fù)載時的電勢平衡方程式：

（3-31）

注意：因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組自成閉路，端電壓

式(3-31)中，

是指轉(zhuǎn)子每相電流，有：

（3-32）

它是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的電勢和轉(zhuǎn)子實(shí)際的電阻及電抗來決定的，

其頻率為f2。

4.異步電動機(jī)的等效電路1)頻率折算頻率折算是指在保持整個電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的參數(shù)及物理量換算成另一種頻率的參數(shù)及物理量。我們知道，在轉(zhuǎn)子不動的時候， ，所以頻率折算就是用一個靜止的轉(zhuǎn)子來代替轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子繞組。為此，將實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)子電流：

（3-33）

分子和分母同除以轉(zhuǎn)差率s，則得

（3-34）

以上兩式的電流的數(shù)值仍是相等的，轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)角 的大小也沒有改變，但兩式的物理意義是不同的。這就說明了如果在轉(zhuǎn)子回路中串入一個電阻 ，那么轉(zhuǎn)子的電流大小及相位大小都沒有變化。這就實(shí)現(xiàn)了頻率折算。

為了便于和變壓器的等效電路對應(yīng)，將電阻分為兩部分,即r2和。第一項(xiàng)r2為轉(zhuǎn)子繞組的實(shí)際電阻,第二項(xiàng) 稱為模擬電阻，它與轉(zhuǎn)差率s有關(guān)，又稱為等效負(fù)載電阻。等效負(fù)載電阻 上消耗的電功率為 ，為整個轉(zhuǎn)子繞組的m2相等效負(fù)載電阻上的電功率，實(shí)際上相當(dāng)于電動機(jī)軸上的總機(jī)械負(fù)載功率Pm,即:

（3-35）

2)繞組折算對異步電動機(jī)進(jìn)行了頻率折算后，定轉(zhuǎn)子頻率不同而發(fā)生的問題就解決了，但是還不能把定轉(zhuǎn)子電路聯(lián)系起來，因?yàn)镋1=4.44f1N1KW1Φm，E2=4.44f1N2KW2Φm，即E1≠E2，所以還要像變壓器的處理方法一樣，進(jìn)行繞組折算，才能得出兩個電路有電的聯(lián)系的等效電路。所謂繞組折算，就是人為的用一個相數(shù)、匝數(shù)以及繞組系數(shù)和定子一樣的繞組去代替原來的轉(zhuǎn)子繞組，在折算中必須保證折算前后轉(zhuǎn)子的電磁效應(yīng)不變。折算后的轉(zhuǎn)子各量稱為折算量，加上符號“′”表示。若折算后的轉(zhuǎn)子電流為，應(yīng)保持折算前后轉(zhuǎn)子磁勢不變，所以

（3-36）

式中,ki稱為電流變比，

若折算后的轉(zhuǎn)子電勢為，因?yàn)檎鬯闱昂笾鞔磐ú蛔?，所以電勢與匝數(shù)和繞組系數(shù)成正比。即，

（3-37）

式中，稱為電勢變比，

若折算后轉(zhuǎn)子每相電阻為，因?yàn)檎鬯闱昂筠D(zhuǎn)子的銅耗不變，所以

（3-38）

若轉(zhuǎn)子折算后的每相電抗，因?yàn)檎鬯闱昂筠D(zhuǎn)子無功功率不變，所以

（3-39）

顯然，折算后轉(zhuǎn)子的每相阻抗

（3-40）

可見經(jīng)繞組折算后，轉(zhuǎn)子電勢和電壓應(yīng)乘以Ke，轉(zhuǎn)子電流應(yīng)除以Ki，轉(zhuǎn)子電阻和電抗應(yīng)乘以KiKe，則轉(zhuǎn)子電路電壓方程為：

（3-41）

3)T型等效電路經(jīng)過頻率和繞組的折算，就可將轉(zhuǎn)子和定子電路合并為一個電路來研究，上面已推出 ，于是可得異步電動機(jī)等效電路如圖3-23。折算后的定轉(zhuǎn)子電壓方程為：

折算后的定轉(zhuǎn)子電壓方程為：

（3-42）

圖3-23異步電動機(jī)T型等效電路

4)近似等效電路

“T”形等效電路是一個串并聯(lián)電路，它準(zhǔn)確地反映了異步電動機(jī)的定轉(zhuǎn)子電路的內(nèi)在聯(lián)系，但是計算和分析都比較復(fù)雜，因此在實(shí)際應(yīng)用中可簡化計算。需要注意的是，異步電動機(jī)的空載電流較大，它不能像變壓器那樣去掉勵磁支路，只能把勵磁支路移至輸入端（為了減小誤差，在前移時還需要串上定子漏阻抗，證明略），使電路簡化為單純的并聯(lián)電路，稱為近似等效電路，

如圖3-24所示。

圖3-24近似等效電路

（3-43）

3.2.3三相異步電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩平衡方程式1.功率平衡方程式異步電動機(jī)運(yùn)行時，定子從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子向拖動的機(jī)械負(fù)載輸出機(jī)械功率。電動機(jī)在能量轉(zhuǎn)換的過程中，會不可避免地產(chǎn)生各種損耗。根據(jù)能量守恒定律，輸出功率應(yīng)等于輸入功率減去各種損耗。圖3-25所示為三相異步電動機(jī)功率流程圖。

圖3-25三相異步電動機(jī)的能流圖

圖中電動機(jī)的輸入功率為定子從電網(wǎng)吸收的電功率，

即：

（3-44）

式中，U1、I1、cosφ1分別為定子相電壓、相電流和功率因數(shù)。根據(jù)等效電路可知，

在能量轉(zhuǎn)變的過程中，

由定子電流流過定子繞組造成的定子銅耗為

（3-45）

交變磁場中的鐵心損耗為

（3-46）

余下的大部分功率通過旋轉(zhuǎn)磁場的電磁作用經(jīng)過氣隙傳送到轉(zhuǎn)子，這部分功率稱為電磁功率，即

（3-47）

由等效電路可知

(3-48)

傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率中有一小部分消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，即轉(zhuǎn)子銅耗

（3-49）

因?yàn)檗D(zhuǎn)子頻率在正常運(yùn)行時僅為1～3Hz，所以鐵心的損耗可略去不計。這樣電磁功率扣去轉(zhuǎn)子銅耗后的電功率是供給等效負(fù)載電阻的，這實(shí)際就是轉(zhuǎn)子軸上的總的機(jī)械功率。

（3-50）

注意總機(jī)械功率還不是轉(zhuǎn)子輸出的機(jī)械功率，因?yàn)楫惒诫妱訖C(jī)還有軸承摩擦和風(fēng)阻造成的摩擦等機(jī)械損耗及因高次諧波和轉(zhuǎn)子鐵心中的橫向電流等引起的附加損耗，故軸上的輸出機(jī)械功率為：

(3-51)

綜上可見，

（3-52）

異步電動機(jī)的效率為：

2．轉(zhuǎn)矩方程式由動力學(xué)可知，旋轉(zhuǎn)體的機(jī)械功率等于作用在旋轉(zhuǎn)體上的轉(zhuǎn)矩與其機(jī)械角速度Ω的乘積，。那么,將式同除以轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度Ω，便可得到異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡方程式為（3-53）

即：

（3-54）

式中，電磁轉(zhuǎn)矩Ｔ為(3-55a)輸出轉(zhuǎn)矩T2為

(3-55b)空載阻力轉(zhuǎn)矩Ｔ0為

(3-55c)其中，T2和T0都是制動轉(zhuǎn)矩，它們與驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T的方向相反。只有滿足轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系時，電動機(jī)才能以一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。

例3-2有一臺Y形連結(jié)的六極三相異步電動機(jī)，PN=145kW，UN=380V，fN=50Hz。額定運(yùn)行時pCu2=3000W，pm+ps=2000W，pCu1+pFe=5000W，cosφ1=0.8。試求：①額定運(yùn)行時的電磁功率Pem、額定轉(zhuǎn)差率sN、額定效率ηN和額定電流IN。②額定運(yùn)行時的電磁轉(zhuǎn)矩T、額定轉(zhuǎn)矩TN及空載制動轉(zhuǎn)矩T0。解

①

求Pem、sN、ηN和IN。

②求T、TN和T0。由于是六極電動機(jī)，因此同步速n1=1000r/min。

3.2.4三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性1．三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩有三種表達(dá)式，分別為物理表達(dá)式、參數(shù)表達(dá)式和實(shí)用表達(dá)式，現(xiàn)分別介紹如下。1)電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達(dá)式轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流I2與旋轉(zhuǎn)磁場的主磁通Φm相互作用，因而產(chǎn)生了電磁力，所有導(dǎo)條上的電磁力的作用方向是一致的，因而對轉(zhuǎn)子形成了電磁轉(zhuǎn)矩。那么電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流I2和主磁通Φm有什么關(guān)系呢？現(xiàn)分析如下：三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的基本公式 同步角速度為

電磁功率

轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電勢

由以上四個式子可得異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

即

（3-56）

式中,CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，顯然

例3-3三相鼠籠型異步電動機(jī)在直接啟動時，啟動電流大而啟動轉(zhuǎn)矩卻不大，這是為什么？

解三相鼠籠型異步電動機(jī)在直接啟動時，s=1，啟動電流 ，因此有極大的啟動電流。但由于此時f2=f1，X2′比r2′大得多，因此 角相當(dāng)大，所以轉(zhuǎn)子電流的有功分量I2′cosφ2并不很大；又由于啟動時定子漏阻抗壓降很大，因此在電源電壓一定的情況下，E1減小，E1大約減小為U1的一半，即主磁通Φm約為正常運(yùn)行時的一半。因以上兩點(diǎn)原因，所以啟動轉(zhuǎn)矩不大。2)電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式由于轉(zhuǎn)子電流的大小與電動機(jī)運(yùn)行情況（以s來表示）直接相關(guān)，因此電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率之間就有其確定的關(guān)系。因?yàn)槿喈惒诫妱訖C(jī)電磁功率 ,所以根據(jù)三相異步電動機(jī)的簡化等效電路，可得轉(zhuǎn)子電流為將以上兩式代入電磁轉(zhuǎn)矩的基本公式T=Pem／Ω1，求得電磁轉(zhuǎn)矩T為

（3-57）

該式反映了三相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與電源相電壓U1、電源頻率f1、電動機(jī)的參數(shù)（r1、r2′、X1、X2′、P、m1）和轉(zhuǎn)差率s之間的關(guān)系，所以稱為電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式。由式（3-57）可知，當(dāng)電源相電壓U1、電源頻率f1、電動機(jī)的參數(shù)不變時，電磁轉(zhuǎn)矩T僅是轉(zhuǎn)差率s的單值函數(shù)。對應(yīng)于不同的s，則有不同的T。將這些數(shù)據(jù)繪成曲線，就是T=f（s）曲線，也稱T-s曲線，如圖3-26所示。圖3-26三相異步電動機(jī)的T-s曲線

對T-s曲線的形狀定性解釋如下：（1）電動狀態(tài)(0＜s＜1)。當(dāng)s=0時,r2′/s→∞,I２′=0，T=0。從物理概念來看，這時轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定、轉(zhuǎn)子間的電磁感應(yīng)消失了，轉(zhuǎn)子電勢及電流等于零，因而電磁轉(zhuǎn)矩也等于零。當(dāng)s從零增大時，由于最初階段s仍接近于零，因此r2′／s比r1及X1+X2′大得多，因此在電磁轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達(dá)式中r1及X1+X2′可忽略不計，可得到電磁轉(zhuǎn)矩正比于轉(zhuǎn)差率，即T∝s，隨s增大，T也增大。當(dāng)s繼續(xù)增大至較大時，r2′／s≈r2′，此時定、轉(zhuǎn)子漏抗X1+X2′比定、轉(zhuǎn)子電阻r1+r2′大得多，所以X1+X2′成為阻抗中的主要部分。忽略參數(shù)表達(dá)式分母中的r1+(r2′／s)項(xiàng)，可得到電磁轉(zhuǎn)矩反比于轉(zhuǎn)差率，即T∝1／s，隨s增大，T減小。當(dāng)s增大到1時，T減小到Tst，Tst被稱為啟動轉(zhuǎn)矩。由以上分析可得，異步電機(jī)在電動運(yùn)行狀態(tài)的T-s曲線如圖3-26所示的s在0～1之間的那一段。

由圖3-26可看出，三相異步電動機(jī)的T-s曲線有三個特殊點(diǎn)。現(xiàn)分別解釋如下：①同步運(yùn)行點(diǎn):在坐標(biāo)原點(diǎn)，即s=0，T=0這一點(diǎn)。此時電動機(jī)不進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。②最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn):根據(jù)數(shù)學(xué)知識，在電動運(yùn)行狀態(tài)的T-s曲線上，隨著s的增大，電磁轉(zhuǎn)矩T從正比于s到反比于s，中間必有一分界點(diǎn)，此點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩最大為Tmax，是最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨界轉(zhuǎn)差率sm。因?yàn)樽畲筠D(zhuǎn)矩點(diǎn)是函數(shù)T=f（s）的極值點(diǎn)，所以為了求出Tmax，可以用高等數(shù)學(xué)中求最大值的方法求得。即令dT／ds=0，

求得臨界轉(zhuǎn)差率sm為

（3-58）

把sm代入式（3-57）得最大轉(zhuǎn)矩Tmax為

（3-59）

從式（3-58）、（3-59）可以得出：·當(dāng)電源頻率f1及電動機(jī)參數(shù)不變的情況下，最大轉(zhuǎn)矩Ｔmax與U21成正比，而臨界轉(zhuǎn)差率sm與U1無關(guān)?！ぎ?dāng)U1、f1及其他參數(shù)不變而僅改變轉(zhuǎn)子回路電阻時，Ｔmax不變，而臨界轉(zhuǎn)差率sm與轉(zhuǎn)子回路的電阻成正比。·當(dāng)U1、f1及其他參數(shù)不變而僅改變定、轉(zhuǎn)子漏抗（X1+X2′）時，Tmax和sm都近似與（X1+X2′）成反比。·當(dāng)U1不變時，最大轉(zhuǎn)矩Tmax與f21成反比。最大電磁轉(zhuǎn)矩對電動機(jī)來說具有重要意義。當(dāng)電動機(jī)短時超負(fù)荷運(yùn)行時，只要軸上總的阻力矩T2+T0不大于電動機(jī)的Tmax，則電動機(jī)總是可以穩(wěn)定運(yùn)行下去的。如果T2+T0＞Tmax，則電動機(jī)就要停轉(zhuǎn)，可見Tmax的大小標(biāo)志著電動機(jī)過載能力的強(qiáng)弱。我們稱最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩TN之比為最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)（或過載能力），用λm表示，

即

是異步電動機(jī)的一個重要性能指標(biāo)，它表明了電動機(jī)短時過載的極限。一般電機(jī)的=1.8～2.5；供起重和冶金機(jī)械用的異步電動機(jī)的λm=2.7～3.7。

③啟動點(diǎn):當(dāng)s=1時，電磁轉(zhuǎn)矩為啟動轉(zhuǎn)矩Tst，此點(diǎn)為啟動點(diǎn)。將s=1代入式（3-57）得啟動轉(zhuǎn)矩Tst為

（3-60）

從式（3-60）可以看到啟動轉(zhuǎn)矩Ｔst有如下特點(diǎn)：·在電源頻率f1及電動機(jī)參數(shù)不變的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩Ｔst與U12正比。·當(dāng)U1、f1及其他參數(shù)不變時，在一定范圍內(nèi)，增大轉(zhuǎn)子回路電阻，Ｔst增大。利用此特點(diǎn)，可在繞線形異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中外串電阻來增加啟動轉(zhuǎn)矩Ｔst。如果我們想在啟動時得到最大轉(zhuǎn)矩，則應(yīng)使sm=1，即必須在轉(zhuǎn)子回路中串入啟動電阻rst，并使其滿足如下關(guān)系：·當(dāng)U1、f1及其他參數(shù)不變時，則定、轉(zhuǎn)子總漏抗X1+X2′增加時，Tst減少。除了最大轉(zhuǎn)矩Tmax之外，異步電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩Tst也是重要的運(yùn)行性能指標(biāo)。啟動轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)啟動越容易，啟動過程越短，意味著有好的啟動性。通常以啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Kst來表示這一特性。所謂啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù),是指在額定電壓、額定頻率及電機(jī)固有參數(shù)的條件下的啟動轉(zhuǎn)矩Tst與額定轉(zhuǎn)矩TN的比值，即一般的籠型異步電動機(jī)的Kst=1.0～2.0，對于起重和冶金機(jī)械用的異步電動機(jī)的Kst=2.8～4.0。（2）發(fā)電狀態(tài)（S＜0）。如果電機(jī)的轉(zhuǎn)子受外力拖動，使轉(zhuǎn)子加速到n＞n1，這時轉(zhuǎn)差率變?yōu)樨?fù)值，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的方向與電動狀態(tài)時相反，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)的電勢和電流方向均改變，它受到的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變，即T＜0，是制動性質(zhì)的；又因?yàn)殡姶殴β室沧優(yōu)樨?fù)值，說明電機(jī)向電網(wǎng)輸入電功率，故電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。忽略r1，由式（3-57）可見s＜0時的T—s曲線與電動狀態(tài)時的曲線是關(guān)于原點(diǎn)對稱的，如圖3-26所示。（3）制動狀態(tài)（s＞1）。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)向與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反時，轉(zhuǎn)差率s＞1，這有兩種情況。①.磁場反向（n1＜0，n＞0）＞1，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的方向與電動狀態(tài)時相反，即T＜0，是制動性質(zhì)的。②.轉(zhuǎn)子反向（n1＞0，n＜0）＞1，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的方向與電動狀態(tài)時相同，即T＞0，但由于n＜0，T仍是制動性質(zhì)?？梢姡?dāng)轉(zhuǎn)差率s＞1，電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，起制動作用，此時電動機(jī)處于制動狀態(tài)。在s＞1時，轉(zhuǎn)子電流頻率較大，漏抗較大，由式（3-57）可見，電磁轉(zhuǎn)矩T隨轉(zhuǎn)差率s的增大而減小，所以制動狀態(tài)的T—s曲線是電動狀態(tài)T—s曲線的延伸。

例3-4一臺三相繞線形異步電動機(jī)，定子繞組Y接法，UN=380V，fN=50Hz，nN=957r/min。r1=r2′=1.53Ω，X1=3.12Ω，X2′=4.25Ω，不計T0。試求：①額定電磁轉(zhuǎn)矩。②臨界轉(zhuǎn)差率，最大電磁轉(zhuǎn)矩及過載能力。③欲使啟動時產(chǎn)生最大啟動轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)子回路應(yīng)串電阻的大?。ㄕ鬯阒担?。

解由于nN與n1非常接近，因此由nN=957r/min可確定n1=1000r/min，電機(jī)的極對數(shù)P=3，則①額定電磁轉(zhuǎn)矩

②

臨界轉(zhuǎn)差率，

最大電磁轉(zhuǎn)矩及過載能力。

（3）欲使起動時產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)在轉(zhuǎn)子回路串入的電阻

3)電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式電磁轉(zhuǎn)矩的參數(shù)表達(dá)式清楚地表示了電磁轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率、參數(shù)之間的關(guān)系，但在實(shí)際應(yīng)用中，用式（3-57）來進(jìn)行計算比較麻煩，而且在電機(jī)手冊和產(chǎn)品目錄中往往只給出額定功率PN、額定轉(zhuǎn)速nN、過載能力λN等，而不給出電動機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。因此需要將式（3-57）進(jìn)行簡化，得出電磁轉(zhuǎn)矩的實(shí)用表達(dá)式為

（3-61）

上式中Tmax及sN可用下述方法求出:忽略T0，將T≈TN，s=sN，Tmax及sN代入式（3-61），可得:因?yàn)閟m＞sN，

所以上式中應(yīng)取“+”號，于是有：

實(shí)際中使用實(shí)用表達(dá)式時，先根據(jù)已知數(shù)據(jù)計算出Tmax和sm，再把它們代入式（3-61），

即可求不同s值時的電磁轉(zhuǎn)矩T了。

在0＜s＜sm的線性段上，可認(rèn)為s/sm<<sm／s，則式（3－61)變?yōu)椋?-63）

以上三種異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，適用場合有所不同。一般物理表達(dá)式適用于定性分析T與ΦN和I2′cosφ2之間的關(guān)系；參數(shù)表達(dá)式可分析參數(shù)的變化對電動機(jī)運(yùn)行性能的影響；實(shí)用表達(dá)式適用于工程計算。2.三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性與直流電動機(jī)相同，三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性也是指其轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系即n=f（T）。上節(jié)我們分析了T—s曲線，但在拖動系統(tǒng)中常用機(jī)械特性n—T即n=f（T）來分析電動機(jī)的電力拖動問題，機(jī)械特性曲線可由T—s曲線變換得到，如圖3-27所示。圖3-27三相異步電動機(jī)的機(jī)械特性曲線

1)固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性是指異步電動機(jī)在額定電壓和額定頻率下，電動機(jī)按規(guī)定的接線方法接線，定、轉(zhuǎn)子回路中不外接電阻（電抗或電容）時所獲得的機(jī)械特性曲線n=f（T）。三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性可以通過計算定性的繪出，固有機(jī)械特性的繪制方法可有下面例題說明。例3-5有一臺Y連接的四極三相異步電動機(jī)，已知PN=55kW，nN=1470r/min，UN=380V，IN=103A，λm=2.3。試點(diǎn)繪此異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線。

解

由電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)用表達(dá)式可得：

根據(jù)表達(dá)式可得到不同s或n時的T值，列表如下：根據(jù)表中數(shù)據(jù)，便可繪制出電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖3-28所示。但應(yīng)該指出，用這種方法繪制的機(jī)械特性曲線，其非線性段與實(shí)際有一定的誤差。

圖3-28三相異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性

異步電動機(jī)的固有機(jī)械特性也可通過以下三個特殊點(diǎn)定量繪制出:a．同步點(diǎn)D（0，n1）：要確定同步點(diǎn)，只需要確定同步轉(zhuǎn)速n1=60f1／P。b．最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)B（Tmax，nm）：Tmaxn1可由式（3-59）確定，nm=(1-sm)n1可由式（3-58）確定。c．啟動點(diǎn)A（Tst，0）：啟動轉(zhuǎn)矩Tst由式（3－60）確定。在實(shí)際應(yīng)用中，只要確定出啟動點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、同步點(diǎn)這三個特殊點(diǎn)，過這三個特殊點(diǎn)作圓滑的曲線，即可定性繪制出固有機(jī)械特性。2)人為機(jī)械特性所謂人為機(jī)械特性就是改變異步電動機(jī)的任何一個或多個參數(shù)（U1、f1、定子極對數(shù)P、定、轉(zhuǎn)子回路的電阻及電抗等），就可得到不同的機(jī)械特性，這些機(jī)械特性統(tǒng)稱為人為機(jī)械特性。下面主要介紹三相異步電動機(jī)幾種常用的人為機(jī)械特性。（1）降低定子端電壓的人為機(jī)械特性。如果異步電動機(jī)的其他條件都與固有特性時一樣，僅降低定子相電壓所得到的人為機(jī)械特性，稱為降壓人為機(jī)械特性。降低定子端電壓后由于：

①同步轉(zhuǎn)速n1不變，即不同U1下的人為機(jī)械特性都通過固有機(jī)械特性的同步點(diǎn)；②最大電磁轉(zhuǎn)矩隨U21成比例下降，但跟固有機(jī)械特性時一樣；③起動轉(zhuǎn)矩也隨U21成比例下降。由以上分析，可得降低定子端電壓后的起動點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、同步點(diǎn)，即可得降壓人為機(jī)械特性如圖3-29所示。圖3-29異步電動機(jī)降壓時的人為機(jī)械特性

由圖3-29可知，降壓后的人為機(jī)械特性，其線性段的斜率變大，即特性變軟；降壓后電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和過載能力均顯著地下降。這在實(shí)際應(yīng)用中必須注意?，F(xiàn)分析一下降低電網(wǎng)電壓對電動機(jī)運(yùn)行的影響：設(shè)電動機(jī)原在額定情況下運(yùn)行(A點(diǎn))，此時電動機(jī)U1=U1N，I1=I1N，n=nN，T=TN。如果電網(wǎng)電壓由于某種原因降低，負(fù)載保持額定值不變時，電動機(jī)就不能連續(xù)長期運(yùn)行，否則勢必會影響電機(jī)壽命甚至可能導(dǎo)致電機(jī)燒壞。其原因是：當(dāng)U1降低時，瞬間轉(zhuǎn)速nN不變，電動機(jī)電流I1及I2′將下降，T下降，電動機(jī)開始減速，s增大，電流因sE2增大而回升。在T回升到T=TN以前，電動機(jī)繼續(xù)減速，直到T=TN（B點(diǎn)），系統(tǒng)又達(dá)到新的平衡狀態(tài)。由于U1下降前后，電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，根據(jù)下式：得

（3-64）

式中 、 ——U1降低后的轉(zhuǎn)差率、轉(zhuǎn)子電流的折算值。

在式（3-64）中，由于則即U1降低后電動機(jī)電流將大于額定值，電動機(jī)如長期連續(xù)運(yùn)行，最終溫升將超過允許值，導(dǎo)致縮短電機(jī)壽命，甚至燒壞電機(jī)的后果。從圖3-29中還可以看到，如果電壓下降太多，使最大轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)將堵轉(zhuǎn)。

(2)轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)對稱三相電阻的人為機(jī)械特性。對于繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機(jī)，如果其他條件與固有特性時一樣，僅在轉(zhuǎn)子回路串入對稱三相電阻RP如圖3-30（a）所示，則所得人為機(jī)械特性簡稱為轉(zhuǎn)子串電阻人為機(jī)械特性。由于此時:①同步轉(zhuǎn)速不變，即不同RP的人為機(jī)械特性都通過固有機(jī)械特性的理想空載點(diǎn)（同步點(diǎn)）。②轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻后的最大轉(zhuǎn)矩Tmax的大小不變，但臨界轉(zhuǎn)差率sm′隨RP增大而增大（或nm′隨RP的增大而減?。?。因此可得人為機(jī)械特性如圖3-30（b）所示。圖3-30轉(zhuǎn)子回路串聯(lián)對稱三相電阻的人為機(jī)械特性(a)

電路圖；

(b)

機(jī)械特性

(3)定子回路串接對稱電抗（或電阻）時的人為機(jī)械特性。對于籠型異步電動機(jī)，可以在定子回路中串入對稱的三相電抗XP，如圖3-31（a）所示，由前面的分析可知，此時，n1不變，Tmax、sm及Tst均隨XP的增加而下降，所得人為機(jī)械特性如圖3-31（b）所示。定子回路串接對稱電抗一般用于籠型異步電動機(jī)的降壓啟動，以限制電動機(jī)的啟動電流。圖3-31異步電動機(jī)定子串接對稱電抗器時的人為機(jī)械特性(a)

電路圖；

(b)

機(jī)械特性

3.三相異步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域如圖3-32所示，臨界轉(zhuǎn)差率sm或臨界轉(zhuǎn)速nm是三相異步電動機(jī)機(jī)械特性的“穩(wěn)定”區(qū)域和“不穩(wěn)定”區(qū)域的分界點(diǎn)。即從同步點(diǎn)到最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，因?yàn)闄C(jī)械特性曲線具有下降特性，所以負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性與電動機(jī)的交點(diǎn)處均滿足dT／dn＜dTL／dn，是穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域；從最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)到啟動點(diǎn)，因機(jī)械特性是上升特性，對于恒功率和恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載均因與電動機(jī)機(jī)械特性的交點(diǎn)處具有dT／dn＜dTL／dn，而不能穩(wěn)定運(yùn)行，只是對通風(fēng)機(jī)型負(fù)載滿足穩(wěn)定運(yùn)行的條件可以穩(wěn)定運(yùn)行。圖3-32中的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性曲線1與電動機(jī)的機(jī)械特性的交點(diǎn)A是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，B交點(diǎn)是不穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)；通風(fēng)機(jī)型負(fù)載2與電動機(jī)的機(jī)械特性的交點(diǎn)C是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，但轉(zhuǎn)速太低，損耗大，對通風(fēng)機(jī)工作并不理想。因此三相異步電動機(jī)的理想穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域?yàn)閚1＞n＞nm。圖3-32三相異步電動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域

3.3步

進(jìn)

電

動

機(jī)

3.3.1步進(jìn)電動機(jī)的分類按步進(jìn)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可分為快速步進(jìn)電動機(jī)和功率步進(jìn)電動機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電動機(jī)連續(xù)工作頻率高，而輸出轉(zhuǎn)矩小。功率步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較大，數(shù)控機(jī)床一般采用功率步進(jìn)電動機(jī)。

按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作原理步進(jìn)電機(jī)分為可變磁阻式、永磁式和混合式三種基本類型?？勺兇抛枋讲竭M(jìn)電機(jī)又稱為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，它的工作原理是由改變電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之間的電磁引力來改變定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，這種電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、步距角小。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。與反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)相比，相同體積的永磁式步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩大，步距角也大?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)和永磁式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用永久磁鐵提高電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，細(xì)密的極齒來減小步距角，是目前數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用最多的步進(jìn)電動機(jī)。

按勵磁組數(shù)可分為兩相、三相、四相、五相、六相甚至八相步進(jìn)電動機(jī)。從電流的極性上可分為單極性和雙極性步進(jìn)電機(jī)。

從運(yùn)動的形式上可分為旋轉(zhuǎn)、

直線、

平面步進(jìn)電機(jī)。

3.3.2步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn)(1)步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個數(shù)成嚴(yán)格的比例關(guān)系，無累積誤差，控制輸入步進(jìn)電動機(jī)的脈沖個數(shù)就能控制位移量。(2)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比，通過控制脈沖頻率可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。(3)當(dāng)停止送入脈沖時，只要維持繞組內(nèi)電流不變，電動機(jī)軸可以保持在某固定位置上，不需要機(jī)械制動裝置。(4)改變繞組的通電順序即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。(5)步進(jìn)電動機(jī)存在齒間相鄰誤差，

但是不會產(chǎn)生累積誤差。

3.3.3步進(jìn)電動機(jī)工作原理及特性1．工作原理步進(jìn)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子和定子組成，其中轉(zhuǎn)子上有繞組，根據(jù)繞組的數(shù)量分為二相、三相和五相等步進(jìn)電動機(jī)。各繞組按一定的順序通以直流電，則電機(jī)按預(yù)定的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和定子上均布有齒，繞組中的電流每變化一個周期，

轉(zhuǎn)子和定子的相對位置變化一個齒。

以三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為例，按控制其繞組通電的方式，可分為三相三拍（通電順序?yàn)椋篈，B，C，A，…）和三相六拍（通電順序?yàn)椋篈，AB，B，BC，C，CA，A，…）兩種。若定子齒數(shù)為24,則每一拍電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度（步距角）為（三相三拍）

或

（三相六拍）

式中：β：步距角，Z2：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m：周期的拍數(shù)。

實(shí)際使用的步進(jìn)電動機(jī)，一般都要求有較小的步距角。因此步距角越小它所達(dá)到的位置精度越高。步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速計算公式為

式中,n為轉(zhuǎn)速（r/min）,f為控制脈沖頻率，即每秒輸入步進(jìn)電動機(jī)的脈沖數(shù)，θ為用度數(shù)表示的步距角。圖3-33是一兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。定子與反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的相似，均布8個磁極，A1、A2、A3、A4為A相，B1、B2、B3、B4為B相。同相磁極的線圈串聯(lián)構(gòu)成一相控制繞組，并使A1、A3與A2、A4極性相反，B1、B3與B2、B4極性相反。每個定子磁極上均有三個齒，齒間夾角12°。轉(zhuǎn)子上沒有繞組，均布30個齒，齒間夾角也為12°，轉(zhuǎn)子鐵芯分成兩段，中間夾有環(huán)形永磁體，充磁方向?yàn)檩S向。兩段轉(zhuǎn)子鐵芯長度相同，它們相對位置沿圓周方向相互錯開1/2齒距(60)。即兩段鐵芯的齒與槽相對。圖3-33兩相混合式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖

若以轉(zhuǎn)子左段鐵心作參考，當(dāng)A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊時，則有A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對，B1、B3極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒1/4齒距，B2、B4極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒3／4齒距；在轉(zhuǎn)子右段鐵心，則A1、A3極上的齒與轉(zhuǎn)子槽相對，A2、A4極上的齒與轉(zhuǎn)子齒對齊，B1、B3極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子3/4齒距，B2、B4極上的齒沿順時針方向超前轉(zhuǎn)子齒1／4齒距，如圖3-34所示。圖3-34磁極上的齒與左右段轉(zhuǎn)子齒的相對位置

由于永磁體的作用，左段轉(zhuǎn)子齒為N極性，右段轉(zhuǎn)子齒為S極性。若A相通以正向電流，假定A1、A3極為S極性，A2、A4極為N極性，則A1、A3極的齒與左段轉(zhuǎn)子齒相吸引，A2、A4極的齒與左段轉(zhuǎn)子齒相排斥，同理，A1、A3極的齒與右段轉(zhuǎn)子齒相斥，而A2、A4極的齒與右段轉(zhuǎn)子齒相吸引，最后轉(zhuǎn)子停留在左段轉(zhuǎn)子齒與A1、A3極的齒相對齊的位置上。磁路的走向如圖3-41中箭頭所示的方向，即從永磁體N極出發(fā)，沿軸向穿過轉(zhuǎn)子左段，徑向從轉(zhuǎn)子齒經(jīng)氣隙至右段轉(zhuǎn)子齒，沿右段轉(zhuǎn)至軸向至永磁體的S極。若B相能通以正向電流，斷開A相，B1、B3極為S極性，B2、B4極為N極性，此時B1、B3極的定子齒與左段轉(zhuǎn)子齒相吸引，B2、B4極的定子齒與左段轉(zhuǎn)子齒排斥，轉(zhuǎn)子將沿順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距(即3°)；依次斷開B相，A相通以負(fù)電流，A2、A4極為S極性，A1、A3極為N極性，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距，停留在A2、A4磁極的定子齒與左段轉(zhuǎn)子齒對齊的位置；再斷開A相，B相通以負(fù)流，B2、B4為S極性，B1、B3為N極性，轉(zhuǎn)子將順時針方向轉(zhuǎn)過1/4齒距，達(dá)到B2、B4極的定子齒與左段轉(zhuǎn)子齒對齊的位置。若以+A－-B－-A－+B－+A電流順序通電，步進(jìn)電動機(jī)將變成逆時針方向旋轉(zhuǎn)。上述步進(jìn)電動機(jī)的通電循環(huán)周期為4拍，故可獲得步距角為

式中：β：步距角，Z2：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，m：周期的拍數(shù)。若以-B+A—+A+B—-A+B—-A-B—-B+A(四拍通電方式)或-B+A—+A—+A+B—+B—-A+B