5.1 三相异步电动机的结构与特性 5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理 定子铁芯 定子 定子绕组 鼠笼式 机座 三相异步电动机 5.1 三相异步电动机的结构与特性 5.1.1 三相异步电动机的结构与工作原理 定子铁芯 定子 定子绕组 鼠笼式 机座 三相异步电动机 绕线式 转子铁芯 转子 转子绕组 鼠笼型 转轴 绕线型

电动机的基本结构及其外形

（1）定子 由上可知，定子一般由机座、定子铁心和定子绕组构成，机座用铸铁或铸钢制成，定子铁心由相互绝缘的硅钢片叠制而成，定子绕组是由铜线绕制而成，构成电动机电路的一部分。定子主要作用是产生旋转磁场。 定子结构

异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件构成。转子铁心也是由硅钢片叠成，转子的作用是驱动机械设备。 （2）转子 异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件构成。转子铁心也是由硅钢片叠成，转子的作用是驱动机械设备。 (a)笼型转子外形和绕组 (b)铸铝的笼型转子

n0 n N S （3）异步电动机的转动原理 （a）转子的转动原理 异步电动机的转动原理 所受力的方向 切割方向 用右手定则判断出转子导体中感应电流的方向如图示； n0 N S n 所受力的方向 切割方向 再用左手定则判断出转子导体的受力方向为上右下左，因此转子顺着同步磁场 n 的方向转动。 异步电动机的转动原理 三相对称定子绕组中通入对称三相交流电，即在气隙中形成一个在时间上、空间上都随时间变化的一个旋转磁场。固定不动的转子导体与旋转磁场相切割后感应电流成为载流导体。载流导体又和旋转磁场相互作用，对轴生成电磁转矩，于是电动机就顺着同步转速的方向转动起来。

三相异步电动机转动原理简述： 电生磁 定子通三相对称电流 转子内产生旋转磁场 转子导条产生感应电动势 转子导条产生感应电流 导条受到的电磁力作用 电磁力形成一个电磁转矩 磁变生电 电磁生力 转子转动

由此得出两个重要结论： ①若存在能旋转的磁场，闭合的转子绕组会跟着转动； ②转子转速永远小于定子旋转磁场的转速。 （b） 旋转磁场的产生 如下图，在定子周围上由三个空间彼此相隔 分布的单匝线圈所组成的三相绕组，U1，V1，W1是三个线圈的首段（头），U2，V2，W2是三个线圈的末端（尾）。三个绕组形成星形联结，接到三相电源上，绕组中通入三相对称电流：

U1 i3 i1 i2 V2 W2 W1 V1 U2 i1 i2 i3  t O i (a)定子绕组的星形联结 (b)三相对称电流波形 假设：电流参考方向从绕组的首端流入，从末端流出；流入纸面用 符号表示，流出纸面用 ⊙ 符号表示；电流在正半轴时值为正，其实际方向与参考方向一致，电流在负半轴时值为负，其实际方向与参考方向相反。

U1 U2 V1 V2 W2 W1 N S × n0 U1 W1 V1 如图，当 时，可知， ，电流实际方向与参考方向相反，即V2 → V1； ，其实际方向与参考方向相同，即W1 → W2.根据右手螺旋定则，将每相电流所产生的磁场叠加，便得出三相电流的合成磁场，显然合成磁场轴线的方向是自上而下。

如图，当 时，可知， 将每相电流所产生的磁场叠加，便得出三相电流的合成磁场，显然合成磁场轴线的方向也同时转了 。 U1 U2 V1 V2 W2 W1 n0 N S × U1 W1 V1 如图，当 时，可知， 将每相电流所产生的磁场叠加，便得出三相电流的合成磁场，显然合成磁场轴线的方向也同时转了 。 同理可得，在 ，时，合成磁场的方向也分别比前一位置转过了 。

n0 S N n0 S N U1 U2 V1 V2 W2 W1 × U1 U2 V1 V2 W2 W1 × U1 W1 V1 U1 W1

由上分析可知，当三相电流的相位从 连续变化到 时，合成磁场的方向也在空间连续转过 ，即三相电流随时间作周期变化时，定子三相绕组共同产生的合成磁场在空间就不停的旋转，这就是旋转磁场。 同样相序为逆时针时，合成磁场的方向也是逆时针。因此，得出一个重要结论：旋转磁场的旋转方向与通入三相绕组的三相电流的相序是一致的。

（c） 异步电动机的旋转方向 根据转动原理可知，三相异步电动机转子的转动方向和旋转磁场的转向一致。而旋转磁场的旋转方向与通入三相定子绕组的三相电流的相序有关。因此，若要改变电动机的旋转方向，必须改变三相定子绕组中三相电流的相序，即将电动机同电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，则旋转磁场反转，电动机也就跟着反转了。

（4） 异步电动机的转速 （a） 极对数 三相异步电动机的极对数就是旋转磁场的极对数。由上图分析可知：每相绕组只有一个线圈，三相绕组的首端之间相差 ，所产生的旋转磁场只有一对极数（二极），即极对数p=1。 U1 U2 V1 V2 W2 W1 U1 V1 W1 U2 V2 W2

同理，若每相绕组用两个线圈串联，并使每相绕组的首端之间相差 ，使 6 个线圈在 内分布均匀，则产生的旋转磁场具有两对磁极（四极），即极对数 p=2。 V1 V4 V2 V3 U1 U2 U3 U4 W4 W1 W2 W3 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 W3 U4 V4 W4

（b） 转速 在p=1时，旋转磁场的转速为 转/分。 若p=2时，旋转磁场的转速为 转/分。 因此，具有 p 对磁极的旋转磁场的转速 表示为

（c） 转差率 转差率就是转子的转速与旋转磁场的转速相差的程度，表示为： 若旋转磁场是以（ ）的速度相对于转子旋转。如果旋转磁场的极对数为p，则转子感应电动势的频率 为：

异步电动机的电磁转矩等于转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和。 5.1.2 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性 （1） 电磁转矩 异步电动机的电磁转矩等于转子中各载流导体在旋转磁场作用下，受到电磁力所形成的转矩之总和。 电动机的结构常数 转子电流 转子电路功率因数 每极下工作主磁通

将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种表达形式： 上式中各参数： 转子电路的功率因数 和转子电流均随转差 率的变化而变化。 每极下工作主磁通 遵循主磁通原理。 将公式中各量的计算式代入电磁转矩公式，即可得到电磁转矩的另一种表达形式： 上式说明，只要电机参数不发生变化，电磁转矩 电磁转矩T正比电源电压U12 的平方，反映了电动机的电磁转矩在负载不变的情况下，其大小取决于电源电压的高低。

如下图所示：转矩与转差率的关系曲线 ，转速与转矩之间的关系曲线 ,统称为电动机的机械特性曲线。 （2） 机械特性曲线 如下图所示：转矩与转差率的关系曲线 ，转速与转矩之间的关系曲线 ,统称为电动机的机械特性曲线。 T TM O s sM 1 n nN n0 Tst TN sN a b c d n T O TM TN c d nN n0 b a Tst （b）三相异步电动机的 曲线 （a）三相异步电动机的 曲线

（a） 理想空载与硬特性 当 时，即 s=0 时，T=0，这种运行情况称为电动机的理想空载。由上图（a）可以看出，电动机转速 n 随着转矩的增加而稍微下降，我们称这种特性，为硬特性（d-b段）， （b） 额定转矩 额定转矩 表示电动机在额定工作状态时的转矩。 在上图（a）中，对应的 c 点就是额定工作状态，如果忽略电动机本身的空载损耗，有： 所以，额定时：

（c） 最大转矩 最大转矩与额定转矩的比值称为电动机的过载系数，表示为： 一般在 1.8-2.2 之间 （d） 启动转矩 常用 表示电动机的启动能力， 一般在 1.1-2.2 之间。

n T O Tm TN c nN n0 b a Tst （3） 电动机负载能力自适应分析 电动机拖动负载工作时，当负载转矩增大时，电动机产生的电磁转矩自动增大；相反，当负载转矩减小时，电动机生的电磁转矩自动降低，电磁转矩能自动适应负载的需要而自动的增减，这种特性称为电动机负载能力的自适应性。

当合上启动开关后： ① 若 ，电动机就转动起来，转速沿 a-b 段开始上升，电动机的电磁转矩也在沿 a-b 段上升。 ② 当工作点打到 b 点时， 随着 n 上升，T 开始减小。 ③ 只要 T 大于 ，电动机的转速 n 就会继续上升，直到电磁转矩T 与负载转矩相等后，电动机转速不再升高，并稳定运行在某个工作点c。

当电动机稳定运行（ ）时： ① 如果负载转矩 增加了变为 ，则 ，转速开始下降。 ② 由于转速的下降，转差率增加，电动机转子电流 也相应增大。 ③ 转矩 T 随着 上升而增加，这个过程要一直进行到 时为止，此时电动机重新在一个新的转速 下稳定运行。

5.1.3 三相异步电动机技术数据及选择 （1） 电动机的铭牌数据 （a） 型号 Y 112 M - 4 三相异步电动机 机座长度代号： 5.1.3 三相异步电动机技术数据及选择 （1） 电动机的铭牌数据 三相异步电动机 型号 Y112M-4 功率 4 KW 频率 50Hz 电压 380V 电流 8.8 A 接法 Δ 转速 1440r/min 绝缘等级 E 工作方式 S1 温升 80 ℃ 防护等级 IP44 重量 45 kg ××电机厂 ××年 ××月 （a） 型号 Y 112 M - 4 三相异步电动机 机座长度代号： S：短 M：中 L：长 磁极数 机座中心高112mm

（b） 定子绕组接法 U1、U2：第一相绕组的头尾两端 V1、V2：第二相绕组的头尾两端 W1、W2：第三相绕组的头尾两端 这六个引出端有两种解法：星形接法（Y形）和角形接法（ △ 形）。通常三相异步电动机功率在 6kW 以下者为星形联结，在 6kW 以上者多为三角形联结。 定子绕组的星形联结和角形联结

（c） 额定参数 额定电压 ：电动机在正常运行时，定子绕组上加的线电压。 额定电流 ：电动机在规定状态运行时，定子电路的最大允许的线电流。 额定功率 ：在额定运行时电动机轴上输出的机械功率。 额定转速 ：在额定电压下，输出额定功率时的转速。 略低于相应极对数的同步转速， 效率 ：电动机在额定运行状态下，轴上输出的机械功率与定子输入电功率的比值，即 一般，三相异步电动机的输入功率为：

温升是指电动机在运行中定子绕组发热而升高的温度，它与绕组的绝缘材料耐热性能有关。 （d） 温升 温升是指电动机在运行中定子绕组发热而升高的温度，它与绕组的绝缘材料耐热性能有关。 绝缘等级 环境温度40℃时容许温升 最大允许温度 A 65℃ 105℃ E 80℃ 120℃ B 90℃ 130℃ （e） 工作方式及防护等级 IP 4 4 第二表征数字 防溅水 第一表征数字 外壳防护特征字母 防大于1mm颗粒进入机内 S1：连续工作方式 S2：短时工作方式 S3：断续工作方式

（2） 三相异步电动机的选择 （a） 功率的选择 对于连续运行的电动机，先计算出生产机械的功率，所选电动机的额定功率等于或者稍大于生产机械的功率； 对于短时运行的电动机，通常根据过载系数来选择电动机的功率。 （b） 种类和形式的选择 一般没有特殊要求，建议选择交流电动机，并且尽可能选用鼠笼型异步电动机；绕线型异步电动机启动性能、调速性能较好，但价格昂贵，维护不方便，常用作起重机、卷扬机、锻压机等场合。

（c） 电压和转速的选择 电动机电压等级的选择，要根据电动机运行场所提供的电网电压和电动机的功率来决定。我国工厂内，低压一般为380V，高压一般为3000V和6000V，Y型鼠笼异步电动机的额电压为380V一个等级。 电动机的转速应根据生产机械的速度要求来选定。但通常转速不应该低于500r/min，一般数控机床要求多级变速或无极变速，所以大多采用异步电动机加配变频器调速。

5.2 三相异步电动机的运行控制 5.2.1 常用低压控制电器介绍 工作在交流电压1000V以下的电器属于低压电器 手动电器 刀开关 低 压 5.2 三相异步电动机的运行控制 5.2.1 常用低压控制电器介绍 工作在交流电压1000V以下的电器属于低压电器 手动电器 刀开关 低 压 电 器 自动电器 组合开关 按钮 自动空气断路器 交流接触器 行程开关 热继电器 中间继电器

刀开关和转换开关（QS）是常见的手动低压配电电器，用于接通或分断电路,刀开关主要由手柄、触刀、静插座和底板等组成。 （1） 刀开关和转换开关 刀开关和转换开关（QS）是常见的手动低压配电电器，用于接通或分断电路,刀开关主要由手柄、触刀、静插座和底板等组成。 静夹座 触刀 底板 手柄 QS 单极 双极 三极

转换开关又称组合开关，它由多组成对的动触片和静触片，通过左右转换操作手柄，改变动触片和静触片的相应通断位置，实现电路的“通”、“断”。 QS 单极 QS 双极 QS 三极

 （2） 按钮 按钮（SB）是一种主令电器，常用于接通、断开控制电路。它与开关不同，按钮只起发出“接通”、“断开”信号的作用。 按钮帽 静触点 动触点 按钮帽 复位弹簧 

（3） 熔断器 熔断器（FU）是一种最简单有效的短路保护和严重过载保护电器。其在结构上主要由熔断管（或盖、座）、熔体及导电部件等部分组成，其中熔体是主要部分，它既是感测元件又是执行元件。使用时将其串联在保护电路中。 （a）管式 （c）螺旋式 （b）插式

FU （f）图形符号 （e）有填料式 （d）快速熔断器

熔断器的选择方法： ① 对于点灯、电炉等单项电器支线的熔体 熔体的额定电流≥所有实际负载电流 ② 电动机负载线路的熔体熔体 对于不是频繁起动的单台电动机，一般取 熔体的额定电流≥电动机的起动电流/2.5 对于频繁起动的单台电动机，一般取 熔体的额定电流≥电动机的起动电流/(1.6-2) 对于多台电动机，则按下式估算 熔体的额定电流≥（1.5-2.5）×容量最大的电动机的额定电流 + 其余电动机的额定电流之和

（4） 交流接触器 交流接触器（KM）是利用电磁铁的电磁吸力来操作的电器开关，属于自动电器。常用来接通和断开电动机或其他设备的主电路及有关控制电路。

两对辅助常开触头、两对辅助常闭触头：自锁和互锁 交流接触器 触头系统 电磁系统 铁芯、衔铁 通电线圈 三对主触头：控制主电路的通、断 两对辅助常开触头、两对辅助常闭触头：自锁和互锁 交流接触器 KM KM 交流接触器器的选择： 根据电路中负载电流的种类选择接触器的类型； 接触器的额定电压应大于或等于负载回路的额定电压； 吸引线圈的 应与所接控制电路的 等级一致； 额定电流应大于或等于被控主回路的额定电流。 KM KM

工作原理 交流接触器工作原理 辅助常闭触点 当交流接触器线圈通入交流电 静触点 后，铁芯和衔铁均被磁化，衔铁 辅助常开触点 克服弹簧张力向下吸合。固定在 衔铁上的所有动触点随之向下移 动，辅助常闭触点打开、三对主 触头和辅助的常开触点闭合。当 电磁线圈失电后，铁芯和衔铁也 随即失磁，衔铁在弹簧张力下复 位，使常开打开、常闭闭合。 断电后铁芯和衔铁即刻失磁， 衔铁在弹簧张力下复位，各动触 点随之复位。 静触点 辅助常开触点 三对常开主触头 衔铁及其固定在 衔铁上的动触头 支撑弹簧 通电线圈 铁芯

选用中间继电器主要考虑电压等级和触点数量。 （5） 中间继电器 中间继电器（KA）是一种用来转换控制信号的中元件（电压继电器）。常用来传递信号和同时控制多个电路，也可以直接控制小容量的电动机或其他执行元件。 中间继电器的结构和交流接触器基本相同，只是电磁系统小些，无主、辅触点之分，且触点数目多，通常有4对常开触点和4对常闭触点。触点允许通过的电流较小，一般为5A。 选用中间继电器主要考虑电压等级和触点数量。 KA KA KA KA （a）线圈 （b）常开触点 （c）常闭触点 （d）复合触点

（6） 热继电器 热继电器（FR）是一种具有过载保护特性的过电流继电器，用来转换控制信号的中 元件。常用来传递信号和同时控制多个电路，也可以直接控制小容量的电动机或其他执行元件。 FR 发热元件 I 常闭触头 双金 属片 扣板 发热元件 FR 常闭触头 发热元件接入电机主电路，若长时间过载，双金属片被烤热。因双金属片的下层膨胀系数大，使其向上弯曲，扣板被弹簧拉回，常闭触头断开。

温度继电器 （7） 其他继电器 压力继电器 时间继电器 固态继电器

5.2.2 三相异步电动机的起动与调速分析 1. 起动特性分析 电动机的起动就是将电动机接通电源后，转速由零上升到某一稳定速度。在起动过程中电动机的起动性能，主要是指起动电流和起动转矩两方面的问题。 （a） 起动电流 启动瞬间，转速 n=0,即转差率 s=1,此时转子绕组产生的电动势和电流都很大，因此定子电流也随之增大。一般鼠笼式电动机的起动电流 。

（b） 起动转矩 异步电动机的起动性能较差，即：起动电流过大，起动转矩较小，为此，对于鼠笼型电动机采取降压起动和直接起动，而对于绕线式异步电动机采取在转子电路中串入大小适当的起动电阻。 2. 异步电动机的调速 由上可知异步电动机转速的表达式为 （a） 改变极对数 p 调速 （b） 改变转差率 s 调速 （c） 改变供电电源的频率 f 1 调速

5.2.3 三相异步电动机的典型控制线路 （1） 直接起动控制线路 直接起动即全压起动。起动时，把电动机的定子绕组直接接入电网，加上额定电压，这种起动方法简单、方便、经济。一般来说，电动机的容量不大于直接供电变压器容量的 20% -30%，都可以直接起动。

M 3~ （a） 点动控制线路 L1 L2 L3 B' C' 动作过程 KM FU QS L2 L3 B' C' KM SB 控制电路 主电路 动作过程 按下按钮（SB）→线圈 （KM）通电 →主触头（KM）闭合 →电机转动； 松开按钮（SB）→线圈 （KM ）断电 →主触头（KM）打开 →电机停转。

L1 L2 L3 M 3~ （b） 直接起动控制线路 停止按钮 接常闭 起动按钮 接常开 刀闸起隔离作用 铁芯 通电线圈 衔铁 辅助常开自锁 三对主触头主电路通断 复位弹簧 衔铁 铁芯 通电线圈 （a）接线图

M 3~ L1 L2 L3 KM FU1 QS FR FU2 SB1 SB2 起动过程：起动时按下起动按钮SB2，接触器KM线圈得电，主触点闭合，电动机运行，同时接触器的辅助触点KM闭合，使接触器自锁，这时即使按钮SB2释放，接触器的线圈仍然得电，使得电动机保持运转。要停止时，只要按下停止按钮SB1即可。 自锁概念：这种依靠接触器本身辅助触点使其线圈保持通电的现象称为自锁。起自锁作用的触点称为自锁触点。

M 3~ （2） 正反转控制线路 要使电动机给够实现反转，只要改变通入定子绕组三相电源的相序即可。为此用两个接触器来实现这一要求。 A B KM2 M 3~ A B C KM1 FU QS FR U21 V21 W21 U V W 设KM1为实现电机正转的接触器,KM2 为实现电机反转的接触器。 合上QS 接通电源 其主触点闭合 通过控制线路KM1线圈通电 三相电源ABC分别通入电机三相绕组UVW ，电动机正转。 KM1线圈断电，主触点打开，电机停。 其主触点闭合 通过控制线路KM2线圈通电 三相电源ABC通入电机三相绕组变 为A--U未变，但B--W，C—V. 电动机将反转

自锁功能 U21 FR SB1 SB2 SB3 V21 KM1 KM2 U21 FR SB1 SB2 SB3 V21 KM1 KM2 （a）正反无互锁原理图 （b）正停反有互锁原理图

(a)图虽然达到电机的正反控制，但是KM1/KM2两个接触器不能同时工作，否则会引起短路； U21 FR SB1 SB2 SB3 V21 KM1 KM2 (a)图虽然达到电机的正反控制，但是KM1/KM2两个接触器不能同时工作，否则会引起短路； （b）图虽然加入了互锁设计，但是其缺点是，每次切换转向，必须停车； （c）图加入了机械互锁，避免了这种缺陷，达到正反停的目的。 （c）正反停有互锁原理图

（3） Y-△形降压起动控制线路 降压起动一般采用定子电路串电阻、电抗或利用自耦变压器降压等方法。如果电动机要求在三角形联结方式下正常运行，则常用Y-△降压起动。 具体做法是：在起动时把定子绕组接成星形使每相绕组的电压为 ，待转速接近额定值时，再改接成三角形，这是最常用的降压起动方法。

起动时将开关Q1合上，开关Q2投向Y形，使定子绕组处于 Y 形联结方式下起动，每相绕组的电压电流为： L3 V2 L2 L1 Q2 FU V1 U1 U2 W1 W2 △ Y 起动时将开关Q1合上，开关Q2投向Y形，使定子绕组处于 Y 形联结方式下起动，每相绕组的电压电流为： （a） Y-△形降压起动原理示意图

当电动机转速接近额定值时，开关 Q2 转向 △ 形，定子绕组进入三角形联结，每相绕组加上额定电压，电动机进入额定运行状态。 若直接采用 △ 形联结进行起动，每相绕组的电压、电流为： 显然 Y、 △ 形起动，每相绕组的电流之比为： Y、 △ 形起动，转矩之比为：

（b） Y-△形降压起动控制线路

电机 （4） 行程控制线路 行程控制是指控制生产机械的运动行程、终端位置，实现自动停止或自动往返的控制目的。 STA STB （a） 主电路 L1 L2 L3 QS FU KM1 KM2 FR M 3～ （a） 主电路

（b） 限位停车 （c）自动往返 FU FR SB1 SB2 KM1 SB3 KM2 SQ1 SQ2 SB2 FR SB1 KM1 SB3

（5） 异步电动机的制动 制动分为机械制动和电气制动（反接制动、能耗制动、再生发电制动）。 （a） 反接制动 原理： 改变电动机电源相序，使定子绕组产生反向的旋转磁场，形成制动转矩。 要求： 10kW以上电动机的定子电路中串入反接制动电阻，转速接近于零时，及时切断反相序电源,防止反向再起动。

工作原理： 起动时，按下SB2→KMI通电并自锁→电动机M通电旋转； 停车时，按下SB1→常闭触点断开→KMl线圈断电，M脱离电源， 由于此时电动机的惯性很大，KS的常开触点依然处于闭合状态，所以SBl常开触点闭合时，反接制动接触器KM2线圈通电并自锁，其主触点闭合，使电动机进入反接制动状态，电动机转速迅速下降，当电动机转速接近于零时，速度继电器常开触点复位，接触器KM2线圈电路被切断，反接制动结束。

（b） 能耗制动 原理：电动机脱离三相交流电源后，在定子绕组加直流电源，以产生起阻止旋转作用的静止磁场，达到制动的目的。 能耗制动就是在切断电动机三相电源的同时向定子绕组加入直流电源，在定子内制造一个恒定磁场，如右图所示，转子由于惯性仍继续按原来方向以 n 速度转动，此时，电磁转矩和转子方向相反，因而起制动的作用，这种方式消耗动能，因此成为能耗制动。 n F n0=0

（c） 再生发电制动 再生发电制动又称为回馈制动，其原理如下图，当电动机的转速n超过 时，就进入了再生发电制动状态。 n0 n F n0 当电动机具有位能负载时，此时动力矩大于牵引力矩，电动机的转子转速大于旋转磁场转速，转子导体感应出图示电流方向，产生了与转子转向相反的力矩 ，这时，电动机进入发电制动状态，将电动机释放的位能转化成电能反馈到电网中去。