三相异步电动机工作原理

三相异步电动机工作原理

三相电动机工作原理

一引言

先从字面上讲解：什么是电机。

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称电机。电机是利用电磁感应的原理实现电能与机械能的相互转换。把电能转换成机械能的设备就叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别是三相异步电动机，因为它具有结构简单，坚固耐用，运行可靠，价格低廉，维护方便等优点，被广泛地用来驱动各种金属切削机床，起重机，传送带，水泵（beng）等。

为了了解电动机的工作原理，我们先来看看一个有趣的实验。

我们发现，当摇动磁铁时，笼形转子也跟随转动，如果反方向摇动，笼形转子的方向也会发生变化。根据这个现象似乎有如下的结论：旋转磁场可以拖动笼形转子转动。

现在我们就来分析，笼形转子转动的原因。为了方便，我们取笼形转子的一个封闭曲面来说明。

二基本原理

图1

如图所示，在磁场中放置一个闭合导体回路。现在来分析一下，当磁条以n0的速度顺时针方向旋转时，闭合导体的运动情况。当磁场顺时针旋转时，导体上下（a,b）两端切割磁力线，（以a为例）根据电磁感应的定律，在这段导体中感应出感应电动势e。在此可以等效成磁极不动，导体逆时针转动，在导体中感应出电动势。感应电动势的大小e=blv，感应电动势的方向用右手定则确定。在感应电动势e的作用下，闭合回路中产生感应电流i。（方向如图所示）

载流的导体a，在磁场中受到电磁力的作用，电磁力F的大小F=Bli，电磁力的方向用左手定则确定。（左手确定F的方向如图所示）。同样的方法，在导体b中，电磁力的方向如图所示。这两个力的合力使闭合回路以中心为轴转动起来。方向为顺时针方向。

用同样的分析方法，可以判定：磁场逆时针旋转的时候，闭合回路也逆时针旋转。

综上所述：当磁极发生旋转的时候，闭合回路也能跟着转动。这就是笼形转子转动的原因。我们可以得出以下结论：旋转的磁场是让笼形转子转动的原因。

三三相异步电动机的工作原理1.电动机的基本结构

这是一个鼠笼型电动机的结构图。

（1）静止的部分------定子（定子铁心，定子绕组和机座）--------结合图片说明

a.定子铁心：环装，内圆均匀开槽。由导磁性能很好的硅钢片叠成。----导磁部分

b.定子绕组：用铜铝线或者漆包线，绕好的成型线圈，放入槽内，槽绝缘。放在定子铁心内圆槽内---导电部分

c.机座：铸铁的机座起支撑的作用。用来固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度

（2）转动的部分------转子（转子铁心，转子绕组和转轴）

a.转子铁心：硅钢片，外圆均匀开槽。由硅钢片叠成。b.轴：钢，两边有轴承支撑

c.转子绕组：根据绕组方式的不同分为：鼠笼式和绕线式--------结合图片说明鼠笼式：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一根相对称短路绕组。导体端部短路形成一体。结果简单，价格低廉，工作可靠。不能改变电动机的机械特性。

绕线式：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。三相，形成星形。结果复杂，价格较贵，转子外加电阻可以改变电动机的机械特性。

（3）气隙：转子与定子中间不是接触的，有一定的空气间隙。------结合图片说明（4）其他：轴承，风扇，前后盖等

2．旋转磁场的产生

（异步电动机工作的首要条件是：有一个旋转磁场且磁场的极性，大小，转速均不变。这个旋转的磁场是由定子绕组按一定规律排列而产生的。理论与实践证明：三相对称绕组通入三相对称电流后，空间能产生一个旋转磁场并且极性，大小，转速均不变。）

定子绕组的缠绕方式是有一定规律的。

这是一个绕组的模型图。我们这样规定：构成三相绕组，绕组在定子中安放遵循如下规律：

（1）三相定子绕组头尾标准为：A-X,B-Y,C-Z

（2）三相定子绕组按A-Z-B-X-C-Y的顺序放10入槽内，使之空间上互差120度。

每相绕组可能不止一个线圈，每个线圈也不是一匝最简单的是：每相一个线圈，3相绕组共3个线圈6个线圈边，定子上开6个槽。这样在一个截面上，我们可以得到如下的剖面图：

我们再来说下绕组中通入的电流。

这是三相绕组中通入的电流电气连接图。Ia,ib,ic就是我们平时用的交流电，它具有如下特点：这是三相对称的交流电，其电压大小相等，时间上互差120度。我们知道，三相交流电的表达式为：

其波形如图所示：

现在我们来研究一下，当时间上互差120度，大小相等的三相交流电，通入空间上互差120度，绕组匝数相等的闭合回路中，会产生什么样的现象。

我们来研究最简单的一种情况，就是3相绕组共3个线圈一砸的情况。这样我们就可以利用上面的截面图来进行分析。我们规定：电流为正值时，从每相线圈的首端（A,B,C）流入，由线圈末端（X,Y,Z）流出。电流是负值时，从每相线圈末端流入，首端流出。

取以下几个特定的时刻，来分析在截面上电流的流动方向。

这样我们得到以下4张图：

分析过程：

右手螺旋定则可以判断通电导体附近产生的磁场方向。NS

（四张图都是这样分析）

当三相交流电，在时间上变化一周时，在定子绕组中也会产生在空间上旋转一周的磁场。那么当交流电随时间不段变化时，定子绕组中就会随之产生空间旋转的磁场，这个旋转的磁场还具有如下特点：

（1）（2）（3）（4）

相当于空间有一个大小，极性，转速不变的磁极在旋转。产生一对极，开6个槽，3个线圈，跨距是1/2个圆周按A,B,C相序，磁场逆时针旋转

当电流变化一个周期时，磁场也旋转一周

就这样，一个旋转的磁场产生了。通入三相交流电的定子绕组，产生了一个空间旋转的磁场，由于转子的结构特点具备了在磁场中转动的条件。这样，转轴就会转动起来。-----这就是电动机的工作原理。

2.工作原理

定子绕组在通入三相对称交流电后能产生一个大小，极性，转速均不变的旋转磁场，以N0的速度旋转-------相当于模型中的大磁铁

当转子导条受磁场切割，右手定则（相对运动）可知，导条中感应电动势的方向，又因为转子是闭合的，产生感应电流，左手定则（磁场力），其合力能使转子以转轴为中心旋转（速度是N）

这样固定在转子铁心上的轴承就会跟着转动起来。实现，把电能转换为机械能的过程。

（a电生磁：三相对称绕组通以三相对称电流产生旋转磁场b磁生电：旋转磁场切割转子导体产生感应电动势和感应电流

c电磁力：转子在磁场力作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转，将电能转化为机械能）

异步----由于旋转磁场的速度N0总是快于转轴转动的速度N，看起来他们不是同步

的，所以叫做异步电动机。这就是异步电动机的工作原理。

扩展阅读：三相异步电动机结构与工作原理

三相异步电动机结构与工作原理

三相异步电动机

实现电能与机械能相互转换的电工设备总称为电机。电机是利用电磁感应原理实现电能与机械能的相互转换。把机械能转换成电能的设备称为发电机，而把电能转换成机械能的设备叫做电动机。

在生产上主要用的是交流电动机，特别三相异步电动机，因为它具有结构简单、坚固耐用、运行可靠、价格低廉、维护方便等优点。它被广泛地用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机及水泵等。

对于各种电动机我们应该了解下列几个方面的问题：（1）基本构造；（2）工作原理；（3）表示转速与转矩之间关系的机械特性；（4）起动、调速及制动的基本原理和基本方法；（5）应用场合和如何正确使用。

三相异步电动机的结构与工作原理

1．三相异步电动机的构造

三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。此外还有端盖、风扇等附属部分，如图5-1所示。

图5-1三相电动机的结构示意图

1）．定子

三相异步电动机的定子由三部分组成：

定子定子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片内圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放定子三相绕组AX、BY、CZ。三组用漆包线绕制好的，对称地嵌入定子铁心槽内的相同的线圈。这三相绕组可接成星形或三角形。机座用铸铁或铸钢制成，其作用是固定铁心和绕组定子绕组机座2）．转子

三相异步电动机的转子由三部分组成：

转子铁心由厚度为0.5mm的，相互绝缘的硅钢片叠成，硅钢片外圆上有均匀分布的槽，其作用是嵌放转子三相绕组。转子绕组有两种形式：转子转子绕组鼠笼式--鼠笼式异步电动机。绕线式--绕线式异步电动机。转轴转轴上加机械负载鼠笼式电动机由于构造简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为了生产上应用得最广泛的一种电动机。

为了保证转子能够自由旋转，在定子与转子之间必须留有一定的空气隙，中小型电动机的空气隙约在0.2~1.0mm之间。

2．三相异步电动机的转动原理

1）．基本原理为了说明三相异步电动机的工作原理，我们做如下演示实验，如图5-2所示。

图5-2三相异步电动机工作原理

(1)．演示实验：在装有手柄的蹄形磁铁的两极间放置一个闭合导体，当转动手柄带动蹄形磁铁旋转时，将发现导体也跟着旋；若改变磁铁的转向，则导体的转向也跟着改变。

(2)．现象解释：当磁铁旋转时，磁铁与闭合的导体发生相对运动，鼠笼式导体切割磁力线而在其内部产生感应电动势和感应电流。感应电流又使导体受到一个电磁力的作用，于是导体就沿磁铁的旋转方向转动起来，这就是异步电动机的基本原理。

转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

(3)．结论：欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组。2）．旋转磁场（1）．产生

图5-3表示最简单的三相定子绕组AX、BY、CZ，它们在空间按互差1200的规律对称排列。并接成星形与三相电源U、V、W相联。则三相定子绕组便通过三相对称电流：随着电流在定子绕组中通过，在三相定子绕组中就会产生旋转磁场(图5-4)。

iUImsint0iIsin(t120)Vm0iIsin(t120)mWiAZiBCiCAXYB

子接线

图5-3三相异步电动机定

当t=00时，iA0，AX绕组中无电流；iB为负，BY绕组中的电流从Y流

入B1流出；iC为正，CZ绕组中的电流从C流入Z流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（a）所示。

当t=1200时，iB0，BY绕组中无电流；iA为正，AX绕组中的电流从A流入X流出；iC为负，CZ绕组中的电流从Z流入C流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（b）所示。

当t=2400时，iC0，CZ绕组中无电流；iA为负，AX绕组中的电流从X流入A流出；iB为正，BY绕组中的电流从B流入Y流出；由右手螺旋定则可得合成磁场的方向如图5-4（c）所示。

可见，当定子绕组中的电流变化一个周期时，合成磁场也按电流的相序方向在空间旋转一周。随着定子绕组中的三相电流不断地作周期性变化，产生的合成磁场也不断地旋，因此称为旋转磁场。

C×BCXXBC×X×BY×ZYAA××ZYAZiiAiBiCωtO120°240°360°(a)ωt=0°(b)ωt=120°(c)ωt=240°图5-4旋转磁场的形成

（2）．旋转磁场的方向

旋转磁场的方向是由三相绕组中电流相序决定的，若想改变旋转磁场的方向，只要改变通入定子绕组的电流相序，即将三根电源线中的任意两根对调即可。这时，转子的旋转方向也跟着改变。

3）．三相异步电动机的极数与转速（1）．极数（磁极对数p）

三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。

当每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差1200空间角时，产生的旋转磁场具有一对极，即p=1；

当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差600空间角时，产生的旋转磁场具有两对极，即p=2；

同理，如果要产生三对极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差400（=1200/p）空间角。极数p与绕组的始端之间的空间角的关系为：

1200p

（2）．转速n

三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

n060f1p（5-1）

由（5-1）可知，旋转磁场的转速n0决定于电流频率f1和磁场的极数p。对某一异步电动机而言，f1和p通常是一定的，所以磁场转速n0是个常数。

在我国，工频f1=50Hz，因此对应于不同极对数p的旋转磁场转速n0，见表5-1

表5-1

pn0130002150031000475056006500（3）．转差率s

电动机转子转动方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，否则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁力线就不切割转子导体，转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在。也就是说旋转磁场与转子之间存在转速差，因此我们把这种电动机称为异步电动机，又因为这种电动机的转动原理是建立在电磁感应基础上的，故又称为感应电动机。

旋转磁场的转速n0常称为同步转速。

转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。即：

sn0nn0nn0(5-2)

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。

当旋转磁场以同步转速n0开始旋转时，转子则因机械惯性尚未转动，转子的瞬间转速n=0，这时转差率S=1。转子转动起来之后，n>0，（n0-n）差值减小，电动机的转差率S根据式(4-2),可以得到电动机的转速常用公式(5-3)

例有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f=50Hz，求电动机的极数和额定负载时的转差率S。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值。显然，与975r/min最相近的同步转速n0=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：

sn0nn0100%10009751000100%2.5%

n1sn0

（4）．三相异步电动机的定子电路与转子电路

三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。给定子绕组接上三相电源电压，则定子中就有三相电流通过，此三相电流产生旋转磁场，其磁力线通过定子和转子铁心而闭合，这个磁场在转子和定子的每相绕组中都要感应出电动势。

总结：

1、三相异步电动机的两个基本组成部分为定子（固定部分）和转子（旋转部分）。

2、欲使异步电动机旋转，必须有旋转的磁场和闭合的转子绕组，并且旋转

的磁场和闭合的转子绕组的转速不同，这也是“异步”二字的含义；3、三相电源流过在空间互差一定角度按一定规律排列的三相绕组时，便会产生旋转磁场；

4、旋转磁场的方向是由三相绕组中电源相序决定的；

5、三相异步电动机旋转磁场的转速n0与电动机磁极对数p有关，它们的关系是：

n060f1p

6、转差率s用来表示转子转速n与磁场转速n0相差的程度的物理量。

即：

sn0nn0nn0

转差率是异步电动机的一个重要的物理量，异步电动机运行时，转速与同步转速一般很接近，转差率很小。在额定工作状态下约为0.015~0.06之间。7、三相异步电动机中的电磁关系同变压器类似，定子绕组相当于变压器的原绕组，转子绕组（一般是短接的）相当于副绕组。

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