三相異步電動機工作原理

三相電動機工作原理

一引言

先從字面上講解：什么是電機。

實現(xiàn)電能與機械能相互轉換的電工設備總稱電機。電機是利用電磁感應的原理實現(xiàn)電能與機械能的相互轉換。把電能轉換成機械能的設備就叫做電動機。

在生產上主要用的是交流電動機，特別是三相異步電動機，因為它具有結構簡單，堅固耐用，運行可靠，價格低廉，維護方便等優(yōu)點，被廣泛地用來驅動各種金屬切削機床，起重機，傳送帶，水泵（beng）等。

為了了解電動機的工作原理，我們先來看看一個有趣的實驗。

我們發(fā)現(xiàn)，當搖動磁鐵時，籠形轉子也跟隨轉動，如果反方向搖動，籠形轉子的方向也會發(fā)生變化。根據這個現(xiàn)象似乎有如下的結論：旋轉磁場可以拖動籠形轉子轉動。

現(xiàn)在我們就來分析，籠形轉子轉動的原因。為了方便，我們取籠形轉子的一個封閉曲面來說明。

二基本原理

圖1

如圖所示，在磁場中放置一個閉合導體回路�，F(xiàn)在來分析一下，當磁條以n0的速度順時針方向旋轉時，閉合導體的運動情況。當磁場順時針旋轉時，導體上下（a,b）兩端切割磁力線，（以a為例）根據電磁感應的定律，在這段導體中感應出感應電動勢e。在此可以等效成磁極不動，導體逆時針轉動，在導體中感應出電動勢。感應電動勢的大小e=blv，感應電動勢的方向用右手定則確定。在感應電動勢e的作用下，閉合回路中產生感應電流i。（方向如圖所示）

載流的導體a，在磁場中受到電磁力的作用，電磁力F的大小F=Bli，電磁力的方向用左手定則確定。（左手確定F的方向如圖所示）。同樣的方法，在導體b中，電磁力的方向如圖所示。這兩個力的合力使閉合回路以中心為軸轉動起來。方向為順時針方向。

用同樣的分析方法，可以判定：磁場逆時針旋轉的時候，閉合回路也逆時針旋轉。

綜上所述：當磁極發(fā)生旋轉的時候，閉合回路也能跟著轉動。這就是籠形轉子轉動的原因。我們可以得出以下結論：旋轉的磁場是讓籠形轉子轉動的原因。

三三相異步電動機的工作原理1.電動機的基本結構

這是一個鼠籠型電動機的結構圖。

（1）靜止的部分------定子（定子鐵心，定子繞組和機座）--------結合圖片說明

a.定子鐵心：環(huán)裝，內圓均勻開槽。由導磁性能很好的硅鋼片疊成。----導磁部分

b.定子繞組：用銅鋁線或者漆包線，繞好的成型線圈，放入槽內，槽絕緣。放在定子鐵心內圓槽內---導電部分

c.機座：鑄鐵的機座起支撐的作用。用來固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度

（2）轉動的部分------轉子（轉子鐵心，轉子繞組和轉軸）

a.轉子鐵心：硅鋼片，外圓均勻開槽。由硅鋼片疊成。b.軸：鋼，兩邊有軸承支撐

c.轉子繞組：根據繞組方式的不同分為：鼠籠式和繞線式--------結合圖片說明鼠籠式：轉子鐵心的每個槽內插入一根裸導條，形成一根相對稱短路繞組。導體端部短路形成一體。結果簡單，價格低廉，工作可靠。不能改變電動機的機械特性。

繞線式：轉子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉子鐵心槽內。三相，形成星形。結果復雜，價格較貴，轉子外加電阻可以改變電動機的機械特性。

（3）氣隙：轉子與定子中間不是接觸的，有一定的空氣間隙。------結合圖片說明（4）其他：軸承，風扇，前后蓋等

2．旋轉磁場的產生

（異步電動機工作的首要條件是：有一個旋轉磁場且磁場的極性，大小，轉速均不變。這個旋轉的磁場是由定子繞組按一定規(guī)律排列而產生的。理論與實踐證明：三相對稱繞組通入三相對稱電流后，空間能產生一個旋轉磁場并且極性，大小，轉速均不變。）

定子繞組的纏繞方式是有一定規(guī)律的。

這是一個繞組的模型圖。我們這樣規(guī)定：構成三相繞組，繞組在定子中安放遵循如下規(guī)律：

（1）三相定子繞組頭尾標準為：A-X,B-Y,C-Z

（2）三相定子繞組按A-Z-B-X-C-Y的順序放10入槽內，使之空間上互差120度。

每相繞組可能不止一個線圈，每個線圈也不是一匝最簡單的是：每相一個線圈，3相繞組共3個線圈6個線圈邊，定子上開6個槽。這樣在一個截面上，我們可以得到如下的剖面圖：

我們再來說下繞組中通入的電流。

這是三相繞組中通入的電流電氣連接圖。Ia,ib,ic就是我們平時用的交流電，它具有如下特點：這是三相對稱的交流電，其電壓大小相等，時間上互差120度。我們知道，三相交流電的表達式為：

其波形如圖所示：

現(xiàn)在我們來研究一下，當時間上互差120度，大小相等的三相交流電，通入空間上互差120度，繞組匝數相等的閉合回路中，會產生什么樣的現(xiàn)象。

我們來研究最簡單的一種情況，就是3相繞組共3個線圈一砸的情況。這樣我們就可以利用上面的截面圖來進行分析。我們規(guī)定：電流為正值時，從每相線圈的首端（A,B,C）流入，由線圈末端（X,Y,Z）流出。電流是負值時，從每相線圈末端流入，首端流出。

取以下幾個特定的時刻，來分析在截面上電流的流動方向。

這樣我們得到以下4張圖：

分析過程：

右手螺旋定則可以判斷通電導體附近產生的磁場方向。NS

（四張圖都是這樣分析）

當三相交流電，在時間上變化一周時，在定子繞組中也會產生在空間上旋轉一周的磁場。那么當交流電隨時間不段變化時，定子繞組中就會隨之產生空間旋轉的磁場，這個旋轉的磁場還具有如下特點：

（1）（2）（3）（4）

相當于空間有一個大小，極性，轉速不變的磁極在旋轉。產生一對極，開6個槽，3個線圈，跨距是1/2個圓周按A,B,C相序，磁場逆時針旋轉

當電流變化一個周期時，磁場也旋轉一周

就這樣，一個旋轉的磁場產生了。通入三相交流電的定子繞組，產生了一個空間旋轉的磁場，由于轉子的結構特點具備了在磁場中轉動的條件。這樣，轉軸就會轉動起來。-----這就是電動機的工作原理。

2.工作原理

定子繞組在通入三相對稱交流電后能產生一個大小，極性，轉速均不變的旋轉磁場，以N0的速度旋轉-------相當于模型中的大磁鐵

當轉子導條受磁場切割，右手定則（相對運動）可知，導條中感應電動勢的方向，又因為轉子是閉合的，產生感應電流，左手定則（磁場力），其合力能使轉子以轉軸為中心旋轉（速度是N）

這樣固定在轉子鐵心上的軸承就會跟著轉動起來。實現(xiàn)，把電能轉換為機械能的過程。

（a電生磁：三相對稱繞組通以三相對稱電流產生旋轉磁場b磁生電：旋轉磁場切割轉子導體產生感應電動勢和感應電流

c電磁力：轉子在磁場力作用下受電磁力作用，形成電磁轉矩，驅動電動機旋轉，將電能轉化為機械能）

異步----由于旋轉磁場的速度N0總是快于轉軸轉動的速度N，看起來他們不是同步

的，所以叫做異步電動機。這就是異步電動機的工作原理。

擴展閱讀：三相異步電動機結構與工作原理

三相異步電動機結構與工作原理

三相異步電動機

實現(xiàn)電能與機械能相互轉換的電工設備總稱為電機。電機是利用電磁感應原理實現(xiàn)電能與機械能的相互轉換。把機械能轉換成電能的設備稱為發(fā)電機，而把電能轉換成機械能的設備叫做電動機。

在生產上主要用的是交流電動機，特別三相異步電動機，因為它具有結構簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優(yōu)點。它被廣泛地用來驅動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、傳送帶、鑄造機械、功率不大的通風機及水泵等。

對于各種電動機我們應該了解下列幾個方面的問題：（1）基本構造；（2）工作原理；（3）表示轉速與轉矩之間關系的機械特性；（4）起動、調速及制動的基本原理和基本方法；（5）應用場合和如何正確使用。

三相異步電動機的結構與工作原理

1．三相異步電動機的構造

三相異步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。此外還有端蓋、風扇等附屬部分，如圖5-1所示。

圖5-1三相電動機的結構示意圖

1）．定子

三相異步電動機的定子由三部分組成：

定子定子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片內圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放定子三相繞組AX、BY、CZ。三組用漆包線繞制好的，對稱地嵌入定子鐵心槽內的相同的線圈。這三相繞組可接成星形或三角形。機座用鑄鐵或鑄鋼制成，其作用是固定鐵心和繞組定子繞組機座2）．轉子

三相異步電動機的轉子由三部分組成：

轉子鐵心由厚度為0.5mm的，相互絕緣的硅鋼片疊成，硅鋼片外圓上有均勻分布的槽，其作用是嵌放轉子三相繞組。轉子繞組有兩種形式：轉子轉子繞組鼠籠式--鼠籠式異步電動機。繞線式--繞線式異步電動機。轉軸轉軸上加機械負載鼠籠式電動機由于構造簡單，價格低廉，工作可靠，使用方便，成為了生產上應用得最廣泛的一種電動機。

為了保證轉子能夠自由旋轉，在定子與轉子之間必須留有一定的空氣隙，中小型電動機的空氣隙約在0.2~1.0mm之間。

2．三相異步電動機的轉動原理

1）．基本原理為了說明三相異步電動機的工作原理，我們做如下演示實驗，如圖5-2所示。

圖5-2三相異步電動機工作原理

(1)．演示實驗：在裝有手柄的蹄形磁鐵的兩極間放置一個閉合導體，當轉動手柄帶動蹄形磁鐵旋轉時，將發(fā)現(xiàn)導體也跟著旋；若改變磁鐵的轉向，則導體的轉向也跟著改變。

(2)．現(xiàn)象解釋：當磁鐵旋轉時，磁鐵與閉合的導體發(fā)生相對運動，鼠籠式導體切割磁力線而在其內部產生感應電動勢和感應電流。感應電流又使導體受到一個電磁力的作用，于是導體就沿磁鐵的旋轉方向轉動起來，這就是異步電動機的基本原理。

轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。

(3)．結論：欲使異步電動機旋轉，必須有旋轉的磁場和閉合的轉子繞組。2）．旋轉磁場（1）．產生

圖5-3表示最簡單的三相定子繞組AX、BY、CZ，它們在空間按互差1200的規(guī)律對稱排列。并接成星形與三相電源U、V、W相聯(lián)。則三相定子繞組便通過三相對稱電流：隨著電流在定子繞組中通過，在三相定子繞組中就會產生旋轉磁場(圖5-4)。

iUImsint0iIsin(t120)Vm0iIsin(t120)mWiAZiBCiCAXYB

子接線

圖5-3三相異步電動機定

當t=00時，iA0，AX繞組中無電流；iB為負，BY繞組中的電流從Y流

入B1流出；iC為正，CZ繞組中的電流從C流入Z流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（a）所示。

當t=1200時，iB0，BY繞組中無電流；iA為正，AX繞組中的電流從A流入X流出；iC為負，CZ繞組中的電流從Z流入C流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（b）所示。

當t=2400時，iC0，CZ繞組中無電流；iA為負，AX繞組中的電流從X流入A流出；iB為正，BY繞組中的電流從B流入Y流出；由右手螺旋定則可得合成磁場的方向如圖5-4（c）所示。

可見，當定子繞組中的電流變化一個周期時，合成磁場也按電流的相序方向在空間旋轉一周。隨著定子繞組中的三相電流不斷地作周期性變化，產生的合成磁場也不斷地旋，因此稱為旋轉磁場。

C×BCXXBC×X×BY×ZYAA××ZYAZiiAiBiCωtO120°240°360°(a)ωt=0°(b)ωt=120°(c)ωt=240°圖5-4旋轉磁場的形成

（2）．旋轉磁場的方向

旋轉磁場的方向是由三相繞組中電流相序決定的，若想改變旋轉磁場的方向，只要改變通入定子繞組的電流相序，即將三根電源線中的任意兩根對調即可。這時，轉子的旋轉方向也跟著改變。

3）．三相異步電動機的極數與轉速（1）．極數（磁極對數p）

三相異步電動機的極數就是旋轉磁場的極數。旋轉磁場的極數和三相繞組的安排有關。

當每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差1200空間角時，產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1；

當每相繞組為兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端之間相差600空間角時，產生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2；

同理，如果要產生三對極，即p=3的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯(lián)的三個線圈，繞組的始端之間相差400（=1200/p）空間角。極數p與繞組的始端之間的空間角的關系為：

1200p

（2）．轉速n

三相異步電動機旋轉磁場的轉速n0與電動機磁極對數p有關，它們的關系是：

n060f1p（5-1）

由（5-1）可知，旋轉磁場的轉速n0決定于電流頻率f1和磁場的極數p。對某一異步電動機而言，f1和p通常是一定的，所以磁場轉速n0是個常數。

在我國，工頻f1=50Hz，因此對應于不同極對數p的旋轉磁場轉速n0，見表5-1

表5-1

pn0130002150031000475056006500（3）．轉差率s

電動機轉子轉動方向與磁場旋轉的方向相同，但轉子的轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速n0相等，否則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，因而磁力線就不切割轉子導體，轉子電動勢、轉子電流以及轉矩也就都不存在。也就是說旋轉磁場與轉子之間存在轉速差，因此我們把這種電動機稱為異步電動機，又因為這種電動機的轉動原理是建立在電磁感應基礎上的，故又稱為感應電動機。

旋轉磁場的轉速n0常稱為同步轉速。

轉差率s用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差的程度的物理量。即：

sn0nn0nn0(5-2)

轉差率是異步電動機的一個重要的物理量。

當旋轉磁場以同步轉速n0開始旋轉時，轉子則因機械慣性尚未轉動，轉子的瞬間轉速n=0，這時轉差率S=1。轉子轉動起來之后，n>0，（n0-n）差值減小，電動機的轉差率S根據式(4-2),可以得到電動機的轉速常用公式(5-3)

例有一臺三相異步電動機，其額定轉速n=975r/min，電源頻率f=50Hz，求電動機的極數和額定負載時的轉差率S。

解：由于電動機的額定轉速接近而略小于同步轉速，而同步轉速對應于不同的極對數有一系列固定的數值。顯然，與975r/min最相近的同步轉速n0=1000r/min，與此相應的磁極對數p=3。因此，額定負載時的轉差率為：

sn0nn0100%10009751000100%2.5%

n1sn0

（4）．三相異步電動機的定子電路與轉子電路

三相異步電動機中的電磁關系同變壓器類似，定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當于副繞組。給定子繞組接上三相電源電壓，則定子中就有三相電流通過，此三相電流產生旋轉磁場，其磁力線通過定子和轉子鐵心而閉合，這個磁場在轉子和定子的每相繞組中都要感應出電動勢。

總結：

1、三相異步電動機的兩個基本組成部分為定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。

2、欲使異步電動機旋轉，必須有旋轉的磁場和閉合的轉子繞組，并且旋轉

的磁場和閉合的轉子繞組的轉速不同，這也是“異步”二字的含義；3、三相電源流過在空間互差一定角度按一定規(guī)律排列的三相繞組時，便會產生旋轉磁場；

4、旋轉磁場的方向是由三相繞組中電源相序決定的；

5、三相異步電動機旋轉磁場的轉速n0與電動機磁極對數p有關，它們的關系是：

n060f1p

6、轉差率s用來表示轉子轉速n與磁場轉速n0相差的程度的物理量。

即：

sn0nn0nn0

轉差率是異步電動機的一個重要的物理量，異步電動機運行時，轉速與同步轉速一般很接近，轉差率很小。在額定工作狀態(tài)下約為0.015~0.06之間。7、三相異步電動機中的電磁關系同變壓器類似，定子繞組相當于變壓器的原繞組，轉子繞組（一般是短接的）相當于副繞組。

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