电工电子技术 电子电路教研室

第6章 交流电动机 电机（electric machine）是实现能量转换和信号转换的电磁装置。用作能量转换的电机称为动力电机；用作控制信号的转换和传递的电机称为控制电机。 动力电机中，将机械能转换为电能的称为发电机(electric generator) ；将电能转换为机械能的称为电动机(electric motor) 。

电动机的分类 鼠笼式 绕线式 异步机 同步机 交流电动机 电动机 直流电动机 他励、异励、串励、复励 控制电机：步进电机，伺服电机，自整角机

三相异步电动机（three-phase asynchronous motor）具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，以及重量较轻，成本较低等优点，同时三相异步电动机有较高的运行效率和较好的工作特性，目前三相异步电动机在各种电动机中应用最广，需要量最大。在各种电气传动系统中，有90％左右采用异步电动机驱动；在电网总负载中，异步电动机占65％左右。 本章主要介绍三相鼠笼型异步电动机的基本结构、工作原理、机械特性以及应用。

1—轴承盖 2—端盖 3—接线盒 4—机座 5—定子铁心 6—定子绕组 7—转轴 8—转子 9—冷却风扇 10—罩壳 6.1 三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机主要部件是由定子和转子两大部分组成。三相异步电动机将电能转换为机械能是依赖于电动机定、转子间的磁场作为在能源和负载间传递的媒介 。此外，还有端盖、机座、轴承、风扇等部件。 三相异步电动机的结构图 1—轴承盖 2—端盖 3—接线盒 4—机座 5—定子铁心 6—定子绕组 7—转轴 8—转子 9—冷却风扇 10—罩壳

6.1.1 定子 三相异步电动机的定子是电机的固定部分，主要由机座、定子铁心、定子绕组等组成。 6.1.1 定子 三相异步电动机的定子是电机的固定部分，主要由机座、定子铁心、定子绕组等组成。 机座：机座是用来固定和支撑定子铁心的，由铸铁或铸钢浇铸成型。 定子铁心：紧贴机座内壁放置着定子铁心，呈圆筒状，铁心内圆周上冲压有均匀的槽，用以嵌放定子绕组 定子铁心

定子绕组：三相异步电动机的定子绕组是一个三相对称绕组，分别是：U1U2、V1V2、W1W2。三相绕组按对称结构放置于定子铁心内槽。三相定子绕组的六个接线头引出来并对应连接至电动机机座的接线盒内的接线柱上，使用时根据实际需要及电机铭牌的指示，三相绕组可接成星形或三角形 。 三角形联接 星形联接

铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。铸铝形成转子绕组。 6.1.2 转子 转子是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转子绕组、转轴等组成。 转子铁心同样采用硅钢片叠压而成，固定在轴上。转子铁心外圆上有均匀分布的槽，用以嵌放转子绕组。转子绕组有笼型和绕线型两种。按照转子结构的不同，三相异步电动机分为笼型和绕线型两种 。 (1) 鼠笼式转子 铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。铸铝形成转子绕组。 中小型异步电动机鼠笼型转子槽内常采用铸铝，将导条、端环同时一次浇注成型，结构简单、制造方便，造价也低，应用非常广泛。

同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。 (2) 绕线式转子 同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。 笼型三相异步电动机和绕线型三相异步电动机虽然转子的结构不同，但工作原理是基本一样的。我们以笼型电动机为例来学习三相异步电动机的转动原理，机械特性以及应用。

鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较： 鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。 绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子 外加电阻可人为改变电动机的机械特性。

定子绕组与转子绕组 定子绕组 A Z B X C Y 转子绕组 设：电流的流入端用 表示 电流的流出端用 表示

6.2 三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机之所以能转起来是定子绕组中三相电流产生的旋转磁场与转子内的感应电流相互作用的结果。 磁铁 6.2 三相异步电动机的转动原理 三相异步电动机之所以能转起来是定子绕组中三相电流产生的旋转磁场与转子内的感应电流相互作用的结果。 磁铁 磁场旋转 + e - 闭合 线圈

导线切割磁力线产生感应电动势 磁极旋转 （右手定则） 磁感应强度 导线长度 切割速度 闭合导线产生电流 i （左手定则） 通电导线在磁场中受力

6.2.1 旋转磁场 1.旋转磁场的产生 定子三相绕组通入三 相交流电(星形联接) o

U1 V2 W2 o W1 V1 U2 ()电流入 动画 (•)电流出

o  t 分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：一个电流周期，旋转磁场在空间转过360° 600 U1 U2 V2 W1

旋转磁场的旋转方向 旋转方向：取决于三相电流的相序。改变电机的旋转方向：换接其中两相。

6.2.2 电动机转动原理 1. 转动原理 切割转子导体 定子三相绕组通入三相交流电 旋转磁场 感应电流 I2 感应电动势 旋转磁场 6.2.2 电动机转动原理 1. 转动原理 定子三相绕组通入三相交流电 旋转磁场 切割转子导体 感应电流 I2 旋转磁场 感应电动势 电磁力F 电磁转矩T

2. 转子的转向 当磁场顺时针方向旋转时，处于磁场中的笼型转子的导条因相对运动而切割磁力线，使得导条两端产生感应电动势，从而产生感应电流，方向由右手螺旋定则确定：图中上半部分的导条电流流出，而下半部分的导条电流流进。由左手定则确定载流导体在磁场中要受到电磁力作用的方向，可看出在转子导条上形成了一个顺时针方向的电磁转矩。 于是转子就跟着旋转磁场顺时针方向转动。可见转子的旋转方向与旋转磁场方向相同。

6.2.3 三相异步电动机的极数与转速 1. 三相异步电动机的极数 6.2.3 三相异步电动机的极数与转速 1. 三相异步电动机的极数 三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的磁极对数与定子绕组的结构安排有关。通过适当的安排，可产生多磁极对数的旋转磁场。当每相绕组只有一个线圈时，绕组的始端之间相差120º 空间角，则产生的旋转磁场具有一对磁极，即 ，当交流电流变化一周期，旋转磁场也转过一圈，这样的电动机称为2极电机。

如将定子绕组安排得如下图那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间相差 60º空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即，这样的电动机称为4极电机。

2. 三相异步电动机的转速 时， 磁场变化的速度和电流同步，即当电流交变了一次（一个周期）时，磁场恰好在空间旋转了一转。 为旋转磁场的转速，又称同步转速，单位为转每分（r/min）； 为定子电流的频率。

时， 当电流交变了一周时，磁场仅旋转了半转 当旋转磁场具有 对极时，磁场的转速为

转速n0与极对数 p 的关系 极对数 每个电流周期 磁场转过的空间角度 同步转速 旋转磁场转速n0与频率f1和极对数p有关。 可见:

（2）电机转速及转差率 转子的旋转方向与旋转磁场的转向相同，但转子的转速不能等于旋转磁场的转速，否则磁场与转子之间便无相对运动，转子导条不切割磁力线，就不会有感应电势、感应电流与电磁转矩，转子也就根本不可能转动了。所以说转子转速与旋转磁场的转速“异步”，因此称这种电机为“异步” 电动机。 三相异步电动机所带负载的负载转矩越大，则电动机的“异步”程度也越大。通常用转差率（slip）来反映“异步”的程度。 转差率是异步电机的一个基本参量。一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载转差率低于0.5%，满载转差率在1.8%～8%之间，已知了电机极数和转差率，就可估计出电机的转速了。

例6.1 一台额定转速 的三相异步电动机， 试求电动机的极数及额定负载时的转差率 解: 由于电动机的额定转速略小于同步转速，由表6-1可得，

常数 转子电流 每极磁通 6.2.4 三相异步电动机的电磁转矩 电磁转矩 T：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。 常数 转子电流 转子电路的功率因数 每极磁通

由前面分析知： 由此得电磁转矩公式

电磁转矩公式 由公式可知 1. T 与定子每相绕组电压 成正比。U 1 T  2. 当电源电压 U1 一定时，T 是 s 的函数。 3. R2 的大小对 T 有影响。绕线型异步电动机可外 接电阻来改变转子电阻R2 ，从而改变转距。

6.3 三相异步电动机的机械特性 当电源电压U1和频率f1及转子电阻R2一定时，电磁转矩T与转差率s之间的关系，即 或n与T对应的关系 6.3 三相异步电动机的机械特性 当电源电压U1和频率f1及转子电阻R2一定时，电磁转矩T与转差率s之间的关系，即 或n与T对应的关系 ,称为电机的机械特性，反映的是三相异步电动机的转矩特性。

T2 >TL TL s T   达到新的平衡 T =T2 6.3.1 特性曲线的两个工作区 将曲线分为对应 s的两个不同性质区域：稳定工作区 ab 和不稳定工作区 bc。 稳定工作区 ab:电动机的电磁转矩可以随负载的变化而自动调整，这种能力称为自适应负载能力。 T2 >TL TL n  s T   达到新的平衡 T =T2 此过程中， n 、sE2 , I2  I1 电源提供的功率自动增加。

自适应负载能力是电动机区别于其它动力机械 的重要特点（如：柴油机当负载增加时，必须由操 作者加大油门，才能带动新的负载)。 在bc段，当负载转矩增大时，电动机的转矩增大， 所以它的转速 n 开始下降。 随着 n 的下降，电动机的转矩T 继续下降，这样下去，会导致电机停转，使定子电流剧增，电动机将严重发热，甚至烧毁。

如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为 O T 6.2.4 三个重要转矩 1.额定转矩TN 电动机在额定负载时的转矩。 (N • m) 如某普通机床的主轴电机(Y132M-4型) 的额定功率为7.5kw, 额定转速为1440r/min, 则额定转矩为

最大转矩 ： 2 电机带动最大负载的能力。 1 sm Tm 如果 电机将会 因带不动负载而停转。 过载系数： 三相异步机

电机严重过热 （1）三相异步机的 和电压的平方成正比，所 以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。 （1）三相异步机的 和电压的平方成正比，所 以对电压的波动很敏感，使用时要注意电压的变化。 （2） 工作时，一定令负载转矩 ，否则电机将停转。致使 电机严重过热

若 Tst > T2电机能起动，否则不能起动。 O T 3. 起动转矩 Tst 电动机起动时的转矩。 Tst 起动时n= 0 时，s =1 Tst体现了电动机带载起动的能力。 若 Tst > T2电机能起动，否则不能起动。

6.4 三相异步电动机的使用 6.4.1 三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机 6.4 三相异步电动机的使用 6.4.1 三相异步电动机的铭牌数据 三相异步电动机 型号 Y225M-8 功 率 22 kW 频 率 50 Hz 电压 380 V 电 流 47.6A 接 法 Δ 转速 730 r/min 绝缘等级 B 工作方式 连续 年 月 编号 × × 电机厂

1. 型号 用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。 例如： Y225 M - 8 三相异步电动机 机座中心高（mm） 机座长度代号 磁极数( 极对数 p = 4 )

异步电动机产品名称代号 产品名称 异步电动机 绕线型异步电动机 防爆型异步电动机 高起动转矩异步电动机 新代号 汉字意义 老代号 Y 异 异绕 异爆 异起 YR YB YQ J、JO JR、JRO JB、JBO JQ、JQO

2. 额定电压：定子绕组在指定接法下应加的线电压. 例：380/220 Y/是指：线电压为380V时采用Y接法； 当线电压为220V时采用接法。 说明：一般规定电动机的运行电压不能高于或低于额定值的 5 ％。

3. 电流 铭牌上所标的电流值是指电动机额定运行时定子绕组的线电流值。 4. 转速 由于生产机械对转速的要求不同，需要生产不同磁极数的异步电动机，因此有不同的转速等级。最常用的是四个级的 5. 功率与效率 铭牌上所标的功率值是指电动机在额定运行时轴上输出的机械功率值。输出功率与输入功率不等，其差值等于电动机本身的损耗功率，包括铜损、铁损及机械损耗等。所谓效率就是输出功率与输入功率的比值。

cos1 额定负载时一般为0.7 ~ 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 ~ 0.3。额定负载时，功率因数最大。 P2 PN 额定负载时一般为0.7 ~ 0.9 ， 空载时功率因数很低约为0.2 ~ 0.3。额定负载时，功率因数最大。 cos1 P2 PN 注意：实用中应选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。

7. 绝缘等级 电动机的绝缘等级是按绕组所用绝缘材料在使用时具有的极限温度来划分的，所谓极限温度是指电动机绝缘结构中最热点的最高允许温度。电动机的绝缘等级共分五等，分别是 A、 E、 B、 F 和 H。 对应的极限温度为： 105°C、 120°C、 130°C、 155°C 和180°C，一般电动机采用 E 等级；Y 系列电动机采用 B 等级。 8.工作方式 电动机的工作方式分为八类，用字母 分别表示。 例如：S1是连续工作方式，S2为短时工作方式分10，30，60，90 min四种；S3是断续周期性工作方式等。

中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 ~ 7 倍。 原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。 6.4.2 启动、调速与制动方法 1. 三相异步电动机的启动 异步电动机在接通电源后，从静止状态到稳定运行状态的过渡过程，称为启动过程。 起动电流 ： 中小型鼠笼式电机起动电流为额定电流的5 ~ 7 倍。 原因：起动时 ，转子导条切割磁力线速度很大。 转子感应电势 转子电流 定子电流  频繁起动时造成热量积累  电机过热 影响： 大电流使电网电压降低  影响其他负载工作

Y－  起动 自耦降压起动 （3）转子串电阻起动。 三相异步机的起动方法： （1） 直接起动。二三十千瓦以下的异步电动机一般 采用直接起动。 Y－  起动 （2） 降压起动。 自耦降压起动 软启动 （3）转子串电阻起动。

2. 三相异步电动机的调速 调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。 2. 三相异步电动机的调速 调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。 因此改变转差率、电源频率、极对数等都可达到调速的目的。 对于笼型异步电动机，它的调速方法主要是改变电源频率和改变极对数。

我国发电厂提供的都是50Hz的工频交流电，因此，采用这种调速方法需要配备一套频率可调的专用变频电源（变频器）。 （1）变频调速 我国发电厂提供的都是50Hz的工频交流电，因此，采用这种调速方法需要配备一套频率可调的专用变频电源（变频器）。 其调速范围大、平滑性好、适应面广，能做到无级调速，因此它的应用已经日益广泛。 （2）变极调速:磁极对数的改变是通过改变绕组的接线方式得到的。但磁极对数只能成整数倍地变化 可见这种调速方法，调速很粗，无法做到平滑调速，该调速方法称为有极调速。在生产实际中，极对数可以改变的电动机称为多速电动机，有双速、三速、 四速等。 因为变极调速经济、简便，因而在金属切削机床中经常应用。

(1) 能耗制动 3. 三相异步电动机的制动 机械制动 制动方法 能耗制动 反接制动 发电反馈制动 电气制动 这种制动方法是当电动机断电后，立即向定子绕组中通入直流电流，在定子内便产生一个恒定不变的磁场。这时由于转子仍然沿着反方向转动，切割磁力线，在转子中产生一个与转子旋转方向相反的电磁转矩，结果使电动机很快停下来。

(2) 反接制动 反接制动是利用电动机反转来进行制动的。在电动机停时，可将接到电源的三根导线中的任意两根的一端对调位置，使旋转磁场反向旋转，转子由于惯性，仍按原方向转动，电磁转矩方向与转动方向相反.