异步电动机的结构和工作原理

异步电动机的结构和工作原理

第五章异步电动机

前言：①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。

②应用：主要作电动机使用，如：机床；水泵；家用电器；

③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、坚固耐用、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１。

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

①单相异步电动机；

②两相异步电动机；

③三相异步电动机。

（2）按转子结构分有

①绕线式异步电动机；

②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,磁路的一部分

定子绕组：电磁线制而成,电路一部分

机座：铸铁或钢板焊接而成

（1）定子铁心是电动机磁路的一部分，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。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

槽内。

（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部分。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,磁路一部分

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：是电动机磁路的一部分，它用0.5mm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，则可看出，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

有用铝的。

2）绕线型转子：绕线型转子的槽内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，如图所示。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。

与笼型转子相比较，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：磁路的一部分, 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0.2~1.5mm左右。

δ↓→I

m ↓→

N

?

cos↑但易发生扫膛现象

δ↑→I

m ↑→

N

?

cos↓

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下列内容：

（1）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，电机内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，如图所示。若转子不转，转子鼠笼导条与旋转

磁密有相对运动，导条中有感应电动势e ，方向由右手定则确定。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 ，用左手定则确定受力方向，如图所示。

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n ＜n1（n1为旋转磁动势同步转速），转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，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行分析。

1. 转差率定义：1

1n n

n s -= 式中n 1—旋转磁场的转速(同步转速) n —转子的转速

当0

当 n>n 1时,即 0>s 时,电机为发电运行状态(机械能→电能)

当 n<0时,即 s >1 时,电机为电磁制动运行状态(机械能和电能→热能)

2. 分析:(i 1a 的方向必与i 2a 的方向相反)

(1) 电机运行状态:

n

(2) 发电运行状态

若原动机使n>n 1 →s 为负→e 2和i 2a 反向(与电机比) →T e 反向(T e 与n 反方向)(制动性质),又因i 2a 反向→i 1a 反向→i 1a 与e 1同方向(注e 1未变) →i 1a e 1为正→输出电能 (3) 电磁制动运行状态

若T 1驱动转子以反方向旋转,则切割方向同电动运行状态→e 1,e 2,i 1a ,i 2a ,T e 同电机运行状态,因T e 与n 1同方向,但与n 反方向(制动性质),所以T1必须输入机械功率.又因e 1与i 1a 反向→i 1a e 1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Φ0： ①作用：传递能量的媒介作用；

②路径：定子—气隙—转子—气隙—定子。

2）漏磁通Φσ： ①不起传递能量的媒介作用，只起电抗压降的作用； ②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：12sf f =；

2.转子绕组的感应电动势：2222244.4sE k N f E w S =Φ=；

3.转子绕组的电阻和漏抗：忽略集肤效应，认为2r 不变； 22122222sx L sf L f x S ===ππ；

4.转子绕组的电流：

正常运行时，转子端电压U 2=0，2

22

2222jsx r E s jx r E I S S +=+=?

??

；

有效值：2

222

22)

(sx r sE I +=

；

*结论：转子电流I 2随S 的增加而增加。 5.转子绕组的功率因数：2

222

22)

(cos sx r r +=

ψ

*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：2F 相对转子速度：11

226060sn p

sf p f n =?==

2F 相对定子速度：112n n sn n n =+=+

**1F 与2F 相对静止。

三、磁动势平衡方程

1.磁动势形式：021F F F =+

2.电流形式：L I I I 101?

??+=

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：)(11111jx r I E U ++-=?

??

)(02222S S jx r I E +-=?

? m m m Z I jx r I E 001)(?

?

?

-=+-=

m Z 的物理意义与变压器的相同，但由于气隙的存在，比变压器的小。

例：已知：一台三相异步电动机，在额定转速下运行，m in /1470r n N =，电源

频率Hz f 501=，试求：1）转子电流频率2f ；

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

折算原则：①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；

②等效前后转子电路的功率和损耗相等。

折算方法：2222

22

222222221r s s jx r E jx s

r E jsx r E s jx r E I S S -++=+=+=+=

?

????

**①附加电阻

21r s

s

-的物理意义：模拟转轴上总的机械功率； ②转子方程为：)(22222jx r I E U +-=?

?

?

2221r s

s

I U -=?

? （2）转子绕组折算

说明：原则和方法与变压器相同。

电流折算： i

w w k I I k N m k N m I 221112

22'2

==

电动势折算：222

21

1'

2E k E k N kw N E e w ==

电阻和电抗折算： 2'2r k k r i e =

2'

2

x k k x i e = （3）T 型等效电路

折算后的基本方程组：)(11111jx r I E U ++-=?

??

)('

2'2'

2'

2'

2jx r I E U +-=???

'

2

221s U I r s

??

-''= 120I I I ?

?

?

'+=

12E E ??

'=

)(01m m jx r I E +-=?

?

T 形等效电路

?’ X 2

σ

’

'

21r s

s - 1

?U

12

E E ?

?

'= Xm

2U ?

'

分析：①堵转：01,

1,0'

2=-==r s

s s n ，相当于短路； ②空载：∞=-=≈'

211,0,r s

s s n n ，相当于开路。

（4）近似等效电路

与变压器的近似等效电路相同，但须引入一修正系数C 1 m

x x C 1

11+

≈，对于40kW 以上，可取C 1=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

P 1 Pem Pmec P 2

p Cu1 p Fe p Cu2 p mec +p ad 电源输入功率：11111cos ?I U m P = 定子铜损： 12111r I m p Cu = 定子铁损： m Fe r I m p 201= 电磁功率： s

r I m p p P P Fe Cu em '

'=--=2

22

111 转子铜损： em Cu sP r I m p ='

'=22212

总机械功率： em Cu em mec P s r s

s I m p P P )1(122212

-='-'=-=

输出功率： ad mec mec p p P P --=2

可见： ∑++++-=-=)(21112ad mec Cu Fe Cu p p p p p P p P P （2）转矩平衡关系：

Ω

+-Ω=Ω)

(2ad mec mec p p P P ，即02T T T em -= 60

2n

π=

Ω------机械角速度rad/s ； 式中：Tem —电磁转矩（驱动）；T 2—负载转矩（制动）；T 0—空载转矩（制动）；

1Ω=Ω=

em mec em P P T 60

21

1n π=Ω

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：60

2cos ''12

2211

n I E m P T em em πψ=Ω=

=

2

201

111221111cos '244.42cos '44.4ψππψI k pN m p

f I k N f m w w Φ=Φ

2'

2'2cos ψI C I C T a T Φ=Φ=(C T 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 ：2

'212'2

11

'

2)()(x x s

r r U I +++

=

可得：??

?

?????++??? ??+=

=Ω=2'21211'

22

1

11'22'2

11

)(22'

2x x s r r f s r pU

m p

f s r I

m P T em em

ππ *结论：em T 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，)(s f T em =

分析：异步电动机转差率s 在0～1之间，但实际上s 在0～s m （临界转差率）时，

0?ds dT em 稳定；s 在1～s m 之间，0?ds dT em 不稳定；0=ds

dT

em ，s=sm ，处于临界状态。

电磁制动状态 电动机状态 发电机状态

∞

2.三个特征转矩

①额定转矩T N ：额定负载时 )(1055.93m N n P

P T N

N N N N ???=Ω= **注：N P 的单位为kW 。

②最大电磁转矩Tmax ： )

(4]

)([42112

1122121112

11max '

+±

≈'

+++±±

=x x f pU m x x r r f pU m T ππ

'

+'±

≈'

++'

±

=2

12

2

2121

2

)

(x x r x x r r s m

特点：⑴T max 与2

1U 成正比；而S m 与2

1U 无关；

⑵T max 与转子电阻无关；而S m 与转子电阻有关；

⑶f 1一定时，'

+21x x 越大， T max 越小。

⑷过载能力（最大转矩倍数）N

M T T k m ax

= 一般为1.6～2.5，越大，过

载

能力越强。

③起动转矩T st

n=0, S=1，得]

)()[(22

2122112

211'++'+'

=x x r r f r pU m T st π

当转子回路电阻为：'

+='+'212x x r r st 时，起动转矩达到最大电磁转矩。 起动转矩倍数：N

st

st T T k =

，st k ↑，st T ↑，起动能力强。 JO 2：1.0～1.8；Y ：1.4～2.2；特殊电机：4.0以上。 3、归一化转矩-转差率表达式 m

m em s s s s T T +=

max

2

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，电动机的转速n(s)、输出转矩T 2 、定子电

流I 1、功率因数cos φ1、效率η与输出功率P 2之间的关系。

二、转速特性

)(2P f n = 或 )(2P f s =

由P cu2= s P em 得 s=2

'

2'212

'

2'212

cos ψI E m I r m P P em Cu = )(2P f n =是一条稍向下倾斜的曲线。

三、输出转矩特性

)(22P f T =

异步电动机的输出转矩：60

2222n

P

P T π=Ω=

)(22P f T =是一条过原点稍向上翘的曲线。

四、定子电流特性 )(21P f I =

由102

()I I I ?

?

?

'=+-知，空载时：2100,I I I ???

'≈≈，很小； 负载时，P 2增加，'2I 也增加，I 1也增加。 五、定子功率因数特性

)(cos 21P f =?

空载：1cos ?很小；负载时，随2P ↑，1cos ?↑。 六、效率特性 )(2P f =η

根据η=

P

P P

P P ∑+∑-

=2121 空载时，P 2=0，η=0；

负载时，随着P 2的增加，η也增加，当负载增大到可变损耗与不变损耗相等时，η最大；负载继续增大，铜损增加很快，η反而下降。 **说明：电机在额定负载附近的1cos ?和η较高，希望在P N 附近运行。

P 2

异步电动机工作特

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。

开始,逐渐降低电压。记录定子绕组加的端电压、定子电实验过程:从0.4U

1

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，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，

开始，逐渐降低电压，直到电动机的转速发生明显的变使其从（1.1～1.3）U

1

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）基本概念

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。

k

st Z U x x r r U I 1

2

212211

)()(=

'++'+=

起动电流倍数：7~5==

N

st

i I I k 3.起动转矩：n=0，s=1时的电磁转矩。221()212

1

11

st

em st st st r m I P m s T I r '

'==

=ΩΩΩ

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）m Φ减少； 使Tst 不大。 2）2cos ?减小；

6.起动要求：①起动电流尽量小，以减小对电网的冲击；

②起动转矩尽量大，以缩短起动时间； ③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

①优点：设备简单，操作方便；

②缺点：起动电流大，须足够大的电源； ③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：①起动电流；②起动转矩；二者必须同时满足。 一般地说，容量在7.5kw 以下的小容量鼠笼式异步电动机都可直接起动。

2.降压起动

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。 ① 定子回路串电抗器起动

st st I k I 1=' ； st st T k

T 21='

式中：k 为电动机端电压之比，且k>1。 ② 用Y-Δ起动

适用条件：正常工作时定子绕组三角形接法且三相绕组首尾六个端子全

部引出来的电动机才能采用。

?

=

st

stY

I

I

3

1

；

?

=

st

stY

T

T

3

1

③自耦补偿器（自耦变压器）起动

st

st

I

k

I

2

1

=

'；

st

st

T

k

T

2

1

=

'

优点：一般有三个抽头，有不同的选者。

缺点：设备费用较高。

**比较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，若转子绕组直接短接情况下起动，与鼠笼一样， Ist大，Tst不大。

1.在转子回路串起动变阻器起动

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=(0.7～0.85)T m，切换转矩T2=(1.1～1.2)T N。

①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。