交流異步電機

關(guān)于交流異步電機-1-第1頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-2-引言

本章在介紹異步電動機基本結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，從基本電磁關(guān)系出發(fā)，對三相異步電動機的功率關(guān)系及轉(zhuǎn)矩關(guān)系進行分析。采用與分析變壓器相類似的方法，先通過電磁關(guān)系建立異步電動機的基本方程，并導(dǎo)出等效電路和相量圖，然后分析異步電動機的功率、轉(zhuǎn)矩和工作特性。最后簡要介紹單相異步電動機的基本原理與應(yīng)用。第9章交流異步電機第2頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-3-9.1異步電機的結(jié)構(gòu)和運行方式9.1.1異步電動機的用途與分類

1.異步電動機的用途與直流電機一樣，異步電機也滿足電機的可逆原理。即在某一種條件下異步電機作為發(fā)電機運行，而在另一種條件下卻作為電動機運行。但是由于異步發(fā)電機的運行性能較差，因而異步電機主要用于作電動機去拖動各種生產(chǎn)機械。異步電動機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、價格低廉、運行可靠、堅固耐用、運行效率較高和具有適用的工作特性。缺點是功率因數(shù)較差，異步電動機運行時，必須從電網(wǎng)里吸收滯后性的無功功率，它的功率因數(shù)總是小于1。由于電網(wǎng)的功率因數(shù)可以用其它方法進行補償，所以這并不妨礙異步電動機的廣泛使用。第9章交流異步電機第3頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-4-

2.異步電動機的分類異步電動機的種類很多，從不同的角度考慮，有不同的分類方法。按定子相數(shù)分有：單相異步電動機；三相異步電動機。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分有：繞線轉(zhuǎn)子異步電動機；籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，其中又包括單籠型轉(zhuǎn)子異步電動機、雙籠型轉(zhuǎn)子異步電動機、深槽式異步電動機。按有無換向器分有：無換向器異步電動機；換向器異步電動機。此外，根據(jù)電機定子繞組上所加電壓大小，電動機又可分為高壓異步電動機、低壓異步電動機。從其它角度看，還有高起動轉(zhuǎn)矩異步電動機，高轉(zhuǎn)差率異步電動機，高轉(zhuǎn)速異步電動機等。第9章交流異步電機第4頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-5-第9章交流異步電機9.1.2三相異步電動機的結(jié)構(gòu)第5頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-6-1.定子

(1)定子鐵心：定子鐵心是異步電動機主磁通磁路的一部分，裝在機座里。由于電機內(nèi)部的磁場是交變的磁場。為了降低定子鐵心里的鐵損耗，定子鐵心采用0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，在硅鋼片的兩面還應(yīng)涂上絕緣漆。第9章交流異步電機第6頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-7-

(2)定子繞組：高壓大、中型容量的異步電動機三相定子繞組通常采用Y接法，只有三根引出線，如圖9-4a所示。對中、小容量的低壓異步電動機，通常把定子三相繞組的六根出線頭都引出來，根據(jù)需要可接成Y形或Δ形，如圖9-4b所示。

(3)機座：機座的作用主要是為了固定與支撐定子鐵心。第9章交流異步電機第7頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-8-

2.轉(zhuǎn)子異步電動機的轉(zhuǎn)子主要是由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸三部分組成的。

(1)轉(zhuǎn)子鐵心：轉(zhuǎn)子鐵心也是電動機主磁通磁路的一部分，它用0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。圖9-5是轉(zhuǎn)子槽形圖。第9章交流異步電機第8頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-9-

(2)轉(zhuǎn)子繞組：如果是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，則轉(zhuǎn)子繞組也是按一定規(guī)律分布的三相對稱繞組，它可以聯(lián)接成Y形或Δ形。一般小容量電動機聯(lián)接成Δ形，大、中容量電動機聯(lián)接成Y形。轉(zhuǎn)子繞組的三條引線分別接到三個滑環(huán)上，用一套電刷裝置引出來，如圖9-6所示。第9章交流異步電機第9頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-10-

如果是籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，則轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組大不相同，它是一個自己短路的繞組。在轉(zhuǎn)子的每個槽里放上一根導(dǎo)體，每根導(dǎo)體都比鐵心長，在鐵心的兩端用兩個端環(huán)把所有的導(dǎo)條都短路起來，形成一個自己短路的繞組。如果把轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀象一個籠子，如圖9-7所示。第9章交流異步電機第10頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-11-3.氣隙異步電動機定、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙簡稱為氣隙，它比同容量直流電動機的氣隙要小得多。在中、小型異步電動機中，氣隙一般為0.2～1.5ｍｍ左右。異步電動機的勵磁電流是由定子電源供給的。氣隙較大時，磁路的磁阻較大。若要使氣隙中的磁通達到一定的要求，則相應(yīng)的勵磁電流也就大了，從而影響電動機的功率因數(shù)。為了提高功率因數(shù)，盡量讓氣隙小些。但也不應(yīng)太小，否則，定、轉(zhuǎn)子有可能發(fā)生摩擦與碰撞。如果從減少附加損耗以及減少高次諧波磁動勢所產(chǎn)生磁通的角度來看，又希望氣隙大一點，所以設(shè)計電機時應(yīng)全盤考慮。第9章交流異步電機第11頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-12-9.1.3異步電機的運行方式為了便于分析，下面先以異步電動機為例說明異步電機的工作原理，并建立異步運行與轉(zhuǎn)差的概念，然后再討論異步電機的運行方式。

1.異步電動機的工作原理如前所述，三相異步電動機定子接三相電源后，電機內(nèi)便形成圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢及圓形旋轉(zhuǎn)磁密，由此產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e和電磁轉(zhuǎn)矩Te

。電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)磁動勢同方向，轉(zhuǎn)子便在該方向上旋轉(zhuǎn)起來。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)速為n，只要轉(zhuǎn)速小于旋轉(zhuǎn)磁動勢同步轉(zhuǎn)速（n<n1），轉(zhuǎn)子與磁場仍有相對運動，電磁轉(zhuǎn)矩Te使轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定運行在Te=TL情況下。異步電動機由電磁感應(yīng)產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，所以又稱為感應(yīng)電動機。第9章交流異步電機第12頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-13-

2.轉(zhuǎn)差率三相異步電動機只有在n≠

n1時，轉(zhuǎn)子繞組與氣隙旋轉(zhuǎn)磁密之間才有相對運動，才能在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電動勢、電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩?？梢姡惒诫妱訖C運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n總是與同步轉(zhuǎn)速n1不相等。異步的名稱就是由此而來的。通常把同步轉(zhuǎn)速n1和電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n二者之差與同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱為轉(zhuǎn)差率（也叫轉(zhuǎn)差或者滑差），用s表示，即（9-1）第9章交流異步電機第13頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-14-

雖然s是一個沒有單位的量，但它的大小能反映電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。例如：

n=0時，s=1；

n=n1時，s=0；

n>n1時，s<0。

正常運行的異步電動機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n1

，轉(zhuǎn)差率s很小，一般s=0.01～0.05。

第9章交流異步電機例9-1第14頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-15-3.異步電機的運行方式第9章交流異步電機第15頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-16-9.2異步電動機的電磁關(guān)系先對繞線轉(zhuǎn)子異步電動機進行討論，然后再將結(jié)果推廣到籠型轉(zhuǎn)子異步電動機。

第9章交流異步電機第16頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-17-9.2.1異步電動機的磁動勢

1.定子磁動勢

當三相異步電動機的定子繞組接到三相對稱交流電源時，定子繞組里就會有三相對稱電流流過，根據(jù)第8章的分析，三相對稱電流所產(chǎn)生的定子合成磁動勢是一圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢Fs，其合成基波磁動勢的幅值（9-2）第9章交流異步電機定子磁動勢Fs相對于定子以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，定子電流的頻率

第17頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-18-

2.轉(zhuǎn)子磁動勢當異步電動機定子繞組電流所產(chǎn)生的磁通Φ1在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)時，若轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，便以（n1-n）的相對轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子三相繞組，于是在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生三相對稱的感應(yīng)電動勢和電流，其頻率為（9-3）

轉(zhuǎn)子三相對稱電流也會產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢Fr，其合成基波磁動勢的幅值為（9-4）第9章交流異步電機第18頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-19-由于轉(zhuǎn)子本身相對于定子的轉(zhuǎn)速為n，轉(zhuǎn)子磁動勢Fr相對于定子的轉(zhuǎn)速為

轉(zhuǎn)子磁動勢Fr相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為第9章交流異步電機

（9-5）

（9-6）這表明定子磁動勢Fs和轉(zhuǎn)子磁動勢Fr相對于定子的轉(zhuǎn)速都是同步轉(zhuǎn)速n1，并且是同向旋轉(zhuǎn)的。

第19頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-20-3.定、轉(zhuǎn)子合成磁動勢由于定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢都以同步轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)，可以把它們按照矢量求和的方法加起來，得到一個總的合成磁動勢，如圖9-10所示。第9章交流異步電機

（9-7）第20頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-21-

由此可見，當三相異步電動機轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，定、轉(zhuǎn)子磁動勢在空間是相對靜止的，只是兩者的大小及相位有所不同而已。它們的合成磁動勢將在氣隙中建立圓形旋轉(zhuǎn)磁場，與基波旋轉(zhuǎn)磁場相對應(yīng)的磁通稱為主磁通，用Φm表示氣隙每極主磁通。第9章交流異步電機第21頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-22-9.2.2異步電動機的感應(yīng)電動勢旋轉(zhuǎn)著的氣隙每極主磁通m在定、轉(zhuǎn)子繞組中分別產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，根據(jù)第8章的分析，其有效值為Es、Er

的表達式與雙繞組變壓器相似，其相位也是滯后主磁通m90電角度，所以定、轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的相量表達式為（9-8）（9-9）第9章交流異步電機第22頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-23-9.2.3異步電動機的電壓方程

1.定子電壓方程定子繞組的漏磁通在定子繞組里的感應(yīng)電動勢稱為定子漏磁電動勢，用Esσ

表示。一般來說，由于漏磁通經(jīng)過的磁路大部分是空氣，因此漏磁通本身比較小，并且由漏磁通產(chǎn)生的漏磁電動勢的大小與定子電流Is成正比。仿造第7章變壓器的方法，把定子漏磁電動勢Esσ看成是定子電流Is在定子漏電抗Xs上的壓降。并且Esσ在相位上要滯后Is90電角度，即有（9-10）第9章交流異步電機對應(yīng)的漏磁通由三相電流共同產(chǎn)生。

第23頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-24-

考慮定子繞組Rs上的電壓降為IsRs

，根據(jù)圖9-9所給出各量的正方向，可以列出定子一相回路的電壓方程式（9-11）第9章交流異步電機定子相繞組漏阻抗第24頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-25-2.轉(zhuǎn)子電壓方程同上分析可得轉(zhuǎn)子回路的電壓方程式為（9-12）

對于籠型轉(zhuǎn)子異步電動機，由于其轉(zhuǎn)子短接，Ur=0；對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，一般情況下也不外接電源，因此（9-13）第9章交流異步電機轉(zhuǎn)子相繞組漏阻抗第25頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-26-轉(zhuǎn)子靜止時轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢

根據(jù)式（9-3）和式（9-9），轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢可寫成（9-14）第9章交流異步電機第26頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-27-

可見，當轉(zhuǎn)子以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子漏電抗Xr

是個變數(shù)，它與轉(zhuǎn)差率s成正比變化。正常運行時，對異步電動機有Xr

Xr0

。第9章交流異步電機

轉(zhuǎn)子漏電抗Xr

是對應(yīng)轉(zhuǎn)子頻率f2

時的漏電抗，它與轉(zhuǎn)子靜止時的轉(zhuǎn)子漏電抗Xr0的關(guān)系為（9-15）轉(zhuǎn)子靜止時的轉(zhuǎn)子漏電抗第27頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-28-9.2.4異步電動機的等效電路

1.異步電動機的基本電磁關(guān)系根據(jù)上述分析，可以畫出如圖9-11所示的異步電動機的基本電磁關(guān)系，它表示了異步電動機負載運行時定、轉(zhuǎn)子之間電磁感應(yīng)作用的內(nèi)在聯(lián)系。第9章交流異步電機第28頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-29-

根據(jù)圖9-11，可以畫出三相異步電動機的單相等效電路，如圖9-12所示。顯然，異步電動機定、轉(zhuǎn)子繞組之間沒有電的直接聯(lián)系，只有磁路的聯(lián)系，這點和變壓器的情況相似。為了方便起見，可采用類似于變壓器的分析方法，通過折算把轉(zhuǎn)子繞組折合到定子邊，建立一個定、轉(zhuǎn)子繞組相連的等效電路。下面首先介紹定子電路的等效，再考慮轉(zhuǎn)子電路的折算。第9章交流異步電機第29頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-30-

2.定子等效電路如果將定子感應(yīng)電動勢看作是勵磁電流If

在勵磁電路上的壓降，則（9-16）第9章交流異步電機勵磁阻抗

勵磁電阻表征鐵心損耗勵磁電抗

表征主磁通作用第30頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-31-根據(jù)式（9-11），定子電壓平衡方程式可寫成（9-17）這樣，可得到圖9-13所示的定子側(cè)的等效電路。第9章交流異步電機第31頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-32-

2.轉(zhuǎn)子等效電路如果把實際電機的轉(zhuǎn)子抽出，換上一個“新轉(zhuǎn)子”，它的繞組相數(shù)、每相串聯(lián)總匝數(shù)及繞組系數(shù)都分別和定子繞組的一樣，并且所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢Fr保持不變。這樣，雖然換成了新轉(zhuǎn)子，但并不影響定子邊及定、轉(zhuǎn)子的合成磁場，同時保持功率守恒關(guān)系，這就是進行繞組折算的基本依據(jù)。設(shè)新轉(zhuǎn)子每相繞組的感應(yīng)電動勢為E’r0、電流為I’r

、轉(zhuǎn)子漏阻抗為Z’r=R’r+jX’r。第9章交流異步電機第32頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-33-

（1）電壓比ke

定子感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子靜止感應(yīng)電動勢之比，即（9-18）

如果把轉(zhuǎn)子原來的N2kW2看成和定子邊的N1kW1一樣，這樣，轉(zhuǎn)子繞組中每相的感應(yīng)電動勢便為E’r0

，且有E’r0=Es=keEr

，用相量形式表示為（9-19）第9章交流異步電機第33頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-34-

（2）電流比ki

折算前后轉(zhuǎn)子電流與之比。根據(jù)式（9-7），定、轉(zhuǎn)子磁動勢的合成關(guān)系為認為合成磁動勢Fsr是由勵磁電流If

產(chǎn)生的，這樣上式可以寫成第9章交流異步電機（9-20）（9-21）令第34頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-35-這里我們稱折算前后轉(zhuǎn)子電流Ir與I’r之比為電流比，用ki

表示（9-22）

上式是在假定電機的定子和轉(zhuǎn)子繞組均為三相的條件下推導(dǎo)的。實際上，只有繞線式三相異步電動機轉(zhuǎn)子繞組是三相，籠式異步電動機轉(zhuǎn)子繞組一般不是三相，而是m2相。為不失一般性，還可設(shè)異步電動機定子繞組是m1相，這樣，折算前后轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系就變成上式可簡化為第9章交流異步電機（9-23）第35頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-36-由此，可得異步電動機的電流比（9-24）

本來異步電動機定、轉(zhuǎn)子繞組之間沒有電的直接聯(lián)系，只存在磁動勢的平衡關(guān)系，經(jīng)過上述變換，復(fù)雜的相數(shù)、匝數(shù)和繞組因數(shù)被消除，剩下的只是定、轉(zhuǎn)子電流之間的簡單關(guān)系了。

第9章交流異步電機第36頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-37-

（3）頻率換算當異步電動機轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n恒速運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子回路的電壓方程為如果將此方程式折合到定子繞組，則應(yīng)有（9-25）

由于，而，E’r

與Es不僅在數(shù)值上不相等，在頻率上也不一致，故仍不能使異步電動機形成統(tǒng)一的等效電路，其主要問題就在于轉(zhuǎn)子電壓方程式中轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢和漏電抗的值與轉(zhuǎn)子頻率有關(guān)。如果進一步將轉(zhuǎn)子繞組進行頻率的換算，即用定子頻率f1替代轉(zhuǎn)子頻率f2，則上述問題便可得到解決。第9章交流異步電機第37頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-38-

因為f2=sf1

，所以只有當s=1（轉(zhuǎn)子不動）時，才有f2=f1。因此，轉(zhuǎn)子繞組頻率的換算實際上是用一個假想的靜止的轉(zhuǎn)子代替實際的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子，換算的原則仍然是要保持折合前后的磁動勢及功率關(guān)系不變。要保證折合前后轉(zhuǎn)子磁動勢不變，也就必需保證換算前后轉(zhuǎn)子電流的大小和相位均不變。由式（9-25）可得（9-26）上式表明，所謂頻率的換算，可用E’r0和X’r0分別取代E’r

和X’r

，這時為保證轉(zhuǎn)子中電流的大小和相位均不變，就必須用轉(zhuǎn)子電阻用R’r/s取代R’r

。此時功率因數(shù)也保持不變。第9章交流異步電機第38頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-39-

按照功率守恒原則，折算前后轉(zhuǎn)子繞組的有功功率（損耗）應(yīng)不變，即所以折算后轉(zhuǎn)子繞組的每相電阻第9章交流異步電機

另外，折算前后轉(zhuǎn)子繞組的無功功率也應(yīng)不變，即所以折算后轉(zhuǎn)子繞組的每相漏電抗（9-27）（9-28）阻抗比阻抗比第39頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-40-

由于R’r/s與R’r

之間的差值為，這又表明，為了等效地將旋轉(zhuǎn)著的轉(zhuǎn)子折算成不動的轉(zhuǎn)子，就必需在轉(zhuǎn)子回路中串入一個實際上并不存在的虛擬電阻。這個虛擬電阻的損耗，實質(zhì)上表征了異步電動機的機械功率。

最終，在式（9-25）的基礎(chǔ)上，經(jīng)頻率換算后轉(zhuǎn)子回路的電壓平衡方程為

第9章交流異步電機（9-29）這樣，就得到了圖9-13所示的轉(zhuǎn)子側(cè)的等效電路。第40頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-41-9.2.5異步電動機的基本方程式和相量圖經(jīng)過繞組折算和頻率換算，異步電動機轉(zhuǎn)子繞組的相數(shù)、每相串聯(lián)總匝數(shù)、繞組因數(shù)和頻率都折合成與定子繞組一樣，定、轉(zhuǎn)子基本方程式為（9-30）第9章交流異步電機第41頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-42-

以上5個方程式與圖9-13所示的T形等效電路是對應(yīng)的，其相應(yīng)的相量圖如圖9-14所示。異步電動機的基本方程式、等效電路和相量圖都是分析異步電動機工作特性的有效方法。第9章交流異步電機第42頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-43-第9章交流異步電機例9-2第43頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-44-9.3異步電動機的功率與轉(zhuǎn)矩異步電動機的機電能量轉(zhuǎn)換過程和直流電動機相似，其不同之處在于異步電動機的氣隙磁場基本上與負載無關(guān)，故無電樞反應(yīng)。因此，異步電動機由定子繞組輸入電功率，并產(chǎn)生電磁功率，然后經(jīng)由氣隙送給轉(zhuǎn)子，扣除一些損耗以后，在轉(zhuǎn)軸上輸出。在機電能量轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地要產(chǎn)生一些損耗，其種類和性質(zhì)也和直流電動機相似。9.3.1功率關(guān)系當三相異步電動機以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運行時，從電源輸入的功率為（9-31）定子銅耗為（9-32）第9章交流異步電機第44頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-45-

正常運行情況下的異步電動機，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速，所以氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子鐵心的相對轉(zhuǎn)速很小。再加上轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心同樣是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓成，轉(zhuǎn)子鐵損耗很小，可以忽略不計，因此異步電動機的鐵損耗可近似認為只有定子鐵損耗，即

從圖9-13所示的等效電路看出，傳輸給轉(zhuǎn)子回路的電磁功率Pem等于轉(zhuǎn)子回路全部電阻上的損耗，即（9-33）電磁功率也可表示為（9-34）（9-35）第9章交流異步電機第45頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-46-

轉(zhuǎn)子繞組中的銅損耗為

電磁功率Pem減去轉(zhuǎn)子繞組中的銅損耗就是等效電阻上的電功率。這部分電功率應(yīng)該是傳輸給電機軸上的機械功率，用Pm表示。它是轉(zhuǎn)子繞組中電流與氣隙旋轉(zhuǎn)磁密共同作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，帶動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)所對應(yīng)功率。（9-36）（9-37）

電動機在運行時，會產(chǎn)生軸承以及風(fēng)阻等摩擦阻轉(zhuǎn)矩，這也要損耗一部分功率，把這部分功率叫做機械損耗，用Δpm

表示。第9章交流異步電機第46頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-47-

在異步電動機中，除了上述各部分損耗外，由于定、轉(zhuǎn)子開了槽和定、轉(zhuǎn)子磁動勢中含有諧波磁動勢，還要產(chǎn)生一些附加損耗，用Δpadd表示。Δpadd一般不易計算，往往根據(jù)經(jīng)驗估算，在大型異步電動機中，約為輸出額定功率的0.5%；而在小型異步電動機中，滿載時，可達輸出額定功率的（1~3）%或更大些。轉(zhuǎn)子的機械功率Pm減去機械損耗Δpm和附加損耗Δpadd，才是轉(zhuǎn)軸上真正輸出的功率，用P2表示，（9-38）（9-39）因此，可得電源輸入電功率P1與轉(zhuǎn)軸上輸出功率P2的關(guān)系為第9章交流異步電機第47頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-48-

綜上分析，異步電動機運行時其能量傳遞過程可用圖9-15所示的功率流程圖來表示。第9章交流異步電機第48頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-49-

另外，異步電動機運行時，電磁功率、轉(zhuǎn)子銅耗和機械功率三者之間的定量關(guān)系是（9-40）

這個式子說明，若電磁功率Pem一定，轉(zhuǎn)差率s越小，轉(zhuǎn)子銅耗就越小，機械功率就越大。電機運行時，若s大，效率一定不高。

第9章交流異步電機第49頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-50-式（9-38）兩邊同除以角速度，得（9-42）第9章交流異步電機9.3.2轉(zhuǎn)矩關(guān)系機械功率Pm

除以軸的角速度就是電磁轉(zhuǎn)矩Te

，即

（9-41）輸出轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩例9-3第50頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-51-9.3.3電磁轉(zhuǎn)矩的物理表達式可以用兩種方法推導(dǎo)異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式，一種是由上述電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系導(dǎo)出，另一種是由第3章給出的電磁轉(zhuǎn)矩通用公式直接導(dǎo)出，下面分別予以介紹。

1.由電磁功率導(dǎo)出由式（9-41），電磁功率Pem除以同步機械角速度1第9章交流異步電機第51頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-52-即有異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩公式（9-43）

從上式看出，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與每極磁通和轉(zhuǎn)子電流有功分量的乘積成正比。

第9章交流異步電機轉(zhuǎn)矩系數(shù)第52頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-53-2.由電磁轉(zhuǎn)矩通用公式導(dǎo)出在第3章已建立了由合成磁場、轉(zhuǎn)子磁動勢計算電磁轉(zhuǎn)矩的通用公式，第9章交流異步電機對于異步電動機，定、轉(zhuǎn)子的合成磁場為sr=m，轉(zhuǎn)子磁動勢Fr的幅值已由式（9-4）給出第53頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-54-

由于轉(zhuǎn)子存在漏抗，其感應(yīng)電流Ir

要滯后于感應(yīng)電動勢Er

一個阻抗角2

。這樣，如圖9-14所示的相量關(guān)系，轉(zhuǎn)子磁動勢Fr

滯后于主磁通m

，且有r=-（90+2），即第9章交流異步電機第54頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-55-

將上述異步電動機的變量關(guān)系代入電磁轉(zhuǎn)矩通用公式，即有

令為異步電動機的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，可得這個結(jié)果與由電磁功率導(dǎo)出的結(jié)果是一致的。

第9章交流異步電機第55頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-56-9.4異步電動機的工作特性

異步電動機的工作特性是指在額定電壓和額定頻率運行的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速n、定子電流Is

、功率因數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩Te、效率η等與輸出功率P2的關(guān)系。9.4.1轉(zhuǎn)速特性異步電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出功率變化時轉(zhuǎn)速變化的曲線稱為轉(zhuǎn)速特性。電動機的轉(zhuǎn)差率s、轉(zhuǎn)子銅耗和電磁功率Pem的關(guān)系式為第9章交流異步電機（9-44）第56頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-57-

當電動機空載時，輸出功率P2≈0，在這種情況下Ir≈0，由上列關(guān)系展示出轉(zhuǎn)差率s差不多與Ir

成正比，所以s≈0，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速。負載增大時，會使轉(zhuǎn)速略有下降，轉(zhuǎn)子電動勢增大，所以轉(zhuǎn)子電流Ir

增大，以產(chǎn)生更大一些的電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩相平衡。因此，隨著輸出功率P2的增大，轉(zhuǎn)差率s也增大，則轉(zhuǎn)速稍有下降。為了保證電動機有較高的效率，在一般異步電動機中，轉(zhuǎn)子的銅耗是很小的，額定負載時轉(zhuǎn)差率為1.5～5%，且電機容量越大，s越小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n=(1-s)n1就越高。

所以異步電動機的轉(zhuǎn)速特性為一條稍向下傾斜的曲線（如圖9-16中曲線1所示），與并勵直流電動機的轉(zhuǎn)速特性極為相似。第9章交流異步電機第57頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-58-9.4.2定子電流特性異步電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出功率變化時，定子電流的變化曲線稱為定子電流特性。異步電動機的定子電流方程式（即磁動勢平衡方程式）為

上面已經(jīng)說明，空載時，轉(zhuǎn)子電流，此時定子電流幾乎全部為勵磁電流。隨著負載的增大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)子電流增大，定子電流及磁動勢也隨之增大，抵消轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁動勢，以保持磁動勢的平衡。定子電流幾乎隨P2按正比例增加。異步電動機的工作特性如圖9-16中曲線2所示。（9-45）第9章交流異步電機第58頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-59-9.4.3功率因數(shù)特性異步電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出功率變化時，定子功率因數(shù)的變化曲線稱為功率因數(shù)特性。由異步電動機等效電路求得的總阻抗是電感性的。所以對電源來說，異步電動機相當于一個感性阻抗，其功率因數(shù)總是滯后的，它必須從電網(wǎng)吸收感性無功功率?？蛰d時，定子電流基本上是勵磁電流，主要用于無功勵磁，所以功率因數(shù)很低，約為0.1～0.2。當負載增加時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量也隨之增加，即可使功率因數(shù)提高。在接近額定負載時，功率因數(shù)達到最大。由于在空載到額定負載范圍內(nèi)，電動機的轉(zhuǎn)差率s很小，而且變化很小，所以轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角幾乎不變，但負載超過額定值時，s值就會變得較大，因此變大，轉(zhuǎn)子電流中的無功分量增加，因而使電動機定子功率因數(shù)又重新下降。功率因數(shù)特性如圖9-16中曲線3所示。第9章交流異步電機第59頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-60-9.4.4電磁轉(zhuǎn)矩特性異步電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出功率變化時，電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線稱為電磁轉(zhuǎn)矩特性。穩(wěn)態(tài)運行時，異步電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為

因為輸出功率，所以（9-46）

異步電動機的負載不超過額定值時，轉(zhuǎn)速n和角速度變化很小。而空載轉(zhuǎn)矩T0又可認為基本上不變，所以電磁轉(zhuǎn)矩特性近似為一條斜率為1/的直線（見圖9-16的曲線4）。第9章交流異步電機第60頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-61-9.4.5效率特性異步電動機在額定電壓和額定頻率下，輸出功率變化時，效率的變化曲線稱為效率特性。根據(jù)效率的定義，異步電動機的效率為（9-47）

異步電動機中的損耗也可分為不變損耗和可變損耗兩部分。如圖9-16中曲線5所示，當輸出功率P2增加時，可變損耗增加較慢，所以效率上升很快。和直流電動機的效率特性一樣，當可變損耗等于不變損耗時異步電動機的效率達到最大值。隨著負載繼續(xù)增加，可變損耗增加很快，效率就要降低。第9章交流異步電機第61頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-62-第9章交流異步電機第62頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-63-9.5

單相異步電動機*

所謂單相異步電動機是指正常情況下用單相交流電源供電的異步電動機。單相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、噪聲小等優(yōu)點。由于只需要單相電源供電，使用方便，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和人民生活的各個方面，尤其以家用電器、電動工具、醫(yī)療器械等使用較多。與同容量的三相異步電動機相比較，單相異步電動機的體積較大，因此一般只做成小容量的。單相異步電動機的工作原理和三相異步電動機基本相同，但有其自身的特點。單相異步電動機通常在定子上有兩相繞組，轉(zhuǎn)子是普通籠型的。根據(jù)兩相繞組在定子上的分布以及供電情況的不同，可以產(chǎn)生不同的起動特性與工作特性。第9章交流異步電機第63頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-64-9.5.1工作原理

1.一相繞組通電時單相異步電動機定子兩相繞組是主繞組m及副繞組a，它們一般是相差90空間電角度的兩個分布繞組，通電時主繞組及副繞組都要產(chǎn)生空間分布的磁動勢。定子繞組所產(chǎn)生的磁動勢實際上是兩相繞組產(chǎn)生的磁動勢的疊加。由于副繞組是用于單相異步電動機的起動及改善運行性能，所以首先分析只有主繞組一相繞組通電時的機械特性，在此基礎(chǔ)上再討論定子兩相繞組同時通電時的機械特性。第9章交流異步電機第64頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-65-

根據(jù)交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場理論，若單相異步電動機只有主繞組m通入單相交流電，將產(chǎn)生空間正弦分布的脈振磁動勢。該脈振磁動勢可分解為轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反的兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，一個是正轉(zhuǎn)磁動勢，一個是反轉(zhuǎn)磁動勢。

根據(jù)三相異步電機原理，可以將單相異步電動機視為兩臺完全一樣的三相異步電動機分別作正相序運行及負相序運行時的疊加。對于正相序運行的三相異步電動機，其轉(zhuǎn)差率為（9-48）第9章交流異步電機第65頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-66-但對于反轉(zhuǎn)磁動勢而言，即負相序運行的三相異步電動機，其轉(zhuǎn)差率應(yīng)該為正轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩與正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，以及反轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩與反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如圖9-17中曲線1和曲線2所示。單相異步電動機的曲線就是曲線1、2的疊加，如圖中曲線3所示。（9-49）第9章交流異步電機第66頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-67-

單相異步電動機的曲線具有下列特點：（1）當即時，電磁轉(zhuǎn)矩，即無起動轉(zhuǎn)矩，電機不能夠起動；（2）當即時，電磁轉(zhuǎn)矩。如果由于其它原因使電動機正轉(zhuǎn)后，電磁轉(zhuǎn)矩能使電動機繼續(xù)正轉(zhuǎn)運行。如果電動機反轉(zhuǎn)了，也能繼續(xù)反轉(zhuǎn)運行。

所以，對于單相異步電動機，定子上如果只有主繞組，則無起動轉(zhuǎn)矩。

第9章交流異步電機第67頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-68-

2.兩相繞組通電時當單相異步電動機主繞組與副繞組同時通入不同相位的兩相交流電流時，一般情況下將產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。一個橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢同樣可以分解成一個正轉(zhuǎn)磁動勢與一個是反轉(zhuǎn)磁動勢。此時合成的機械特性是一條不過原點的曲線。當時，電動機的、及3條曲線如圖9-18所示。第9章交流異步電機第68頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-69-

可見，當時，若，則，電動機可以正向起動；同理，當時，若，則，電動機可以反向起動。

根據(jù)上述分析可知，單相異步電動機若能起動必須具備：①定子具有空間不同相位的兩個繞組；②兩個繞組中通入不同相位的交流電。第9章交流異步電機第69頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-70-9.5.2單相異步電動機的分類

單相異步電動機的主要優(yōu)點是使用單相交流電源，但是單相異步電動機起動時又要求在兩相繞組中通入相位不同的兩相電流。如何把定子繞組中的電流相位分開即“分相”是單相異步電動機必須解決的首要問題。根據(jù)分相方法的不同就有不同類型的單相異步電動機。

第9章交流異步電機第70頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-71-1.電阻分相起動異步電動機電阻分相起動異步電動機的副繞組通過一個離心開關(guān)和主繞組并聯(lián)接到單相電源上，如圖9-19所示。為使定子兩相繞組中電流存在相位差，在設(shè)計上使兩相繞組的阻抗不等，接在同一電源上可導(dǎo)致副繞組中電流的相位超前主繞組中電流的相位，達到分相的目的。這種異步電動機由于受到繞組的制約兩相繞組中電流的相位差不大，因而起動轉(zhuǎn)矩不大。第9章交流異步電機第71頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-72-

2.電容分相起動異步電動機電容分相起動異步電動機是在副繞組中串聯(lián)電容再通過一個離心開關(guān)和主繞組并聯(lián)接到單相電源上，如圖9-20所示。由于電容的作用副繞組回路的阻抗呈容性，而主繞組回路的阻抗呈感性，從而導(dǎo)致兩相繞組中電流的相位差較大。因此，電容分相起動異步電動機具有較大的起動轉(zhuǎn)矩。第9章交流異步電機第72頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三-73-