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1、电机技术,异步电机篇,异步电机,第三篇,第八章 异步电动机的基本结构和工作原理,第八章 异步电动机的基本结构和工作原理,1.熟悉异步电动机的基本结构各部件的特点和作用 ；,3.掌握三相异步电动机的铭牌和相关技术数据 。,2.掌握异步电动机的基本工作原理 ；,本章节重点和难点：,本章节基本要求：,重点:,1.异步电动机的工作原理 ；,2.转差率的定义以及用转差率来判断电机运行的三种状态 ；,3.三相异步电动机的铭牌和相关技术数据 。,难点:,1.异步电动机的基本结构各部件的特点和作用 ；,2.电机运行三种状态的判断 ；,3.异步电机的额定值 。,三相异步电动机的转动原理,A,X,Y,C,B,Z,
2、定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,第一节 异步电动机的基本工作原理,二、旋转磁场的转速,旋转磁场转速n1与定子电流频率f1、磁极对数p有关。,式中: n1旋转磁场的转速，又称同步转速，单位为r/min； f1定子电流的频率，单位为Hz； p旋转磁场的极对数。,异步电动机转速和极对数的对应关系表 （f1=50Hz),三、 转差率,旋转磁场的同步转速和电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率，是一个重要的物理量。,由前面分析可知，电动机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但转子转速 n 不可能达到与旋转磁场的转速相等，即,如果:,因此，转子转速与旋转磁场转速间必须
3、要有差别。,1.转速差:是异步电机转子转速n与旋转磁场同步转速n1间的差值，即n=n1-n。它表示定子旋转磁场切割转子导体的速度，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响到异步电机的工作状态。,2.转差率:是异步电机转子转速n与旋转磁场同步转速n1间的差值与旋转磁场同步转速n1的比值。用s表示，即：,(2)负载的大小也决定转差率的大小。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。因而，转差率的大小同时能够反映电机的转速大小或负载大小。则异步电机的转速为：,例1：一台三相异步电动机，其额定转速n=975 r/min，电源频率 f1=50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率
4、。,解：由于电动机的额定转速应接近且略小于同步转速n1，而n1对应于磁极对数p有一系列固定值。所以，n1=1000r/min，即p=3。,额定转差率为:,例2:一台三相四极50Hz异步电动机，已知额定转速为 1440 r/min。求额定转差率SN。 解:该电动机的同步转速为: 因而电动机的额定转差率为: ,四、异步电机的三种运行状态,1.电动机运行状态(0s1),如图中用虚线表示定子旋转磁场的等效磁极，它以转速n1旋转，在电动机运行状态下，n与n1方向相同且nn1。根据电磁感应和电磁力定律可知，定子旋转磁场与转子电流相互作用将产生驱动性质的电磁力f和电磁转矩。拖动转子转动，这时电磁力为原动力，
5、负载力为阻力，当二力平衡时，转子转速达到稳定，运转速度为n，此时异步电机转速小于旋转磁场转速，则(0s1)，当负载变大时，必须有较大的转子电动势和电流，s增大。说明了定子从电力系统吸收电功率转换为机械功率输送给转轴上的负载。,2.发电机运行状态(-s0),当异步电机由原动机驱动，使转子转速n与n1同方向且超过n1时，即nn1，转差率s变为负值，定子旋转磁场切割转子导体的方向与电动机相反，如图所示，根据电磁感应和电磁力定律可知，转子电流反向，定子旋转磁场与转子电流相互作用，将产生制动性质的电磁力f和电磁转矩。若要维持转子转速n且大于n1时，原动机必须向异步电机输入机械功率，从而克服电磁转矩做功。
6、说明了，输入的机械功率转换为电功率输送给电力系统，此时，异步电机运行于发电机状态。,3.电磁制动运行状态(1s+),如图所示，异步电机定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场，以转速n1逆时针方向旋转，同时，转子被一个外加转矩以转速n顺时针方向旋转。同理，这时定子旋转磁场切割转子导体的方向与电动机状态相同，产生的电磁力f和电磁转矩与电动机状态相同，其方向也是逆时针的，但此时外加转矩使转子以顺时针方向旋转，电磁转矩对外加转矩是制动的。说明了，一方面定子从电力系统吸收电功率，另一方面驱动转子反转的外加转矩克服电磁转矩做功，向异步电机输入机械功率。这时异步电机运行在电磁制动状态。可见，从两个方面输入的功
7、率将转变为电机内部的热能。,异步电机的三种运行状态,根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态表,第二节 异步电动机的基本结构,(感应电机),定子绕组,定子铁心,转子,机座,鼠笼型结构,转子铁心,转轴,转子绕组,绕线型结构,定子,气隙(0.2-2mm),异步电动机,按定子绕组供电电源相数,按转子绕组的结构,结构简单，坚固，成本低，运行性能不如绕线式,通过外串电阻改善电机的起动，调速等性能,异步电机分类,异步电动机结构图(1),异步电动机结构图(2),按转子结构分类,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,鼠笼异步机的结构,转子,气隙,一、鼠笼式电动机结构,1.定子部分,(1)定子铁芯导磁部分
8、定子铁芯是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁芯常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁芯内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。,由定子铁芯、定子绕组和机座组成。,注:一般为了减小涡流损耗，叠片间需经绝缘处理。小容量电机由硅钢片表面的氧化膜绝缘，大容量电机硅钢片间涂有绝缘漆。,定子铁芯槽形的简介,整个定子铁芯为一个内圆周上均匀带有齿槽的环形柱状铁芯，其内径、外径和铁芯长度是电机的主要电磁尺寸。定子的槽数、槽形的选择很重要。常用的槽形有三种:半闭口槽、半开口槽和开口槽，如下图所示。,半闭口槽的槽口宽度小于槽宽的
9、一半，可以减小主磁路的磁阻，从而降低励磁电流，适用于散嵌绕组(一般为平行齿)，应用于小型电机。,半开口槽，其槽口宽度大于槽宽的一半。,开口槽，其槽口宽度等于槽宽，为平行槽，用于成型绕组，便于嵌线，中、大型电机一般采用这类槽形。,(2)定子绕组：放在定子铁心内圆槽内导电部分。 定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜或铝线。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短矩叠绕组形式，三相绕组的六个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或形。,(3)机座 机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定，要求其要有足够的机械强
10、度和刚度。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。小型电机一般采用铸铁机座，也有采用铸铝合金 (如小功率水泵电机机座)；中小型电机采用铸铁机座；大型电机一般采用钢板焊接机座。,2.转子部分,由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。,(1)转子铁芯 转子铁芯也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁芯材料也用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，故通常用冲制定子铁芯冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁芯固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。,用中碳钢材料制成，起支撑、固定转子铁芯和传递功率的作用。,转子铁芯槽形的简介,转子铁芯固定在转轴上或转子支
11、架上。整个转子的外表呈圆柱形，一般外圆上均冲有同形槽，其槽形对电机的性能，特别的笼型异步电动机的起动性能有很大的影响，小功率电动机可以选平行齿，运行性能较好；功率较大的电动机可选平行槽，以提高起动性能；为获得更高起动性能可用凸形槽，但工艺结构比较复杂；小电机也有用闭口槽，以降低杂散损耗。如还需进一步改善起动性能，可以采用其他特殊槽形(如异形槽、深槽等)。,(2)转子绕组根据转子绕组的结构型式可分为鼠笼式和绕线式 1）鼠笼式转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条(铜或铝导条)，形成一个多相对称短路绕组。,笼型转子生产工艺简介,转子铁芯的每一槽中有一根导体，这些导条两端各有一个圆环，将它们短接起来
12、，如去掉铁芯，该绕组的外形就好像一个“鼠笼”，笼型转子或鼠笼式转子名称的由来。,笼型转子(或鼠笼式转子)生产工艺有两种，一是铸铝:可用离心浇铸或用压铸法，把熔化的铝注入转子槽中，且把风扇和端环也一同铸成，这种工艺简便，生产效率高，适合于中、小型电机的笼型转子(如图b)；二是焊接法:每槽中放一根铜条，再在两端放上两个端环，将转子导条分别焊接在端环上，对于大型电机用铸铝转子质量难以保证，所以一般采用焊接这种工艺方法(如图a) 。,此外，笼型转子有时故意将转子槽与转轴倾斜一定的角度，形成斜槽。,2）绕线式转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。,绕线式异步电机与鼠笼式异步电机的差别在转子绕
13、组，绕线式转子槽内放置着与定子相类似的三相对称绕组。三相绕组尾端在内部接成星形，三相首端由转子轴中心引出接到滑环(集电环)，每个滑环上各有一个电刷，如下图所示。经电刷与滑环滑动接触把转子绕组与外电路相连，再串入外接电阻可改善电动机的起动和调速性能。有的绕线式电机还装设提刷装置，在串入的外接电阻起动完毕后，把电刷提起，三相滑环直接短路，其目的是以减小运行中的损耗(摩擦)，同时提高电动机运行的可靠性。,3.气隙,异步电动机的定子、转子之间的空气隙称为气隙。电机实现能量转换，拖动负载旋转，异步电动机必须留有气隙。气隙是电机磁路的一个重要部分，对电机的性能有重大的影响。制造良好的异步电动机，气隙不仅应
14、当是均匀的，长度值也应适当的。中小型异步电动机的气隙一般为0.2-2.0mm。气隙太小，虽能提高电机的功率因数，但会增加电机的装配难度，运行不可靠及增加附加损耗，因此为减小励磁电流，应为机械条件所能允许达到的最小值。,绕线式异步电机的转子绕组比较复杂，由线圈绕制而成，采用插入式绕组或散嵌绕组，常用绕组型式有双层波绕组(适用于大、型电机)或双层叠绕组(适用于小型电机)。大、中型电机转子绕组之所以采用波绕组，是由于转子电流大，铜线较粗，通常每线圈只有一匝，用波绕组可以节省铜线。绕线式异步电机最大的缺点是运行可靠性较差(因有电刷接触系统)、结构复杂、价格较高，多用于需要起动电流小，起动转矩大，需调速
15、和频繁起动的设备中。,二、鼠笼式转子绕组分析,鼠笼绕组与普通对称三相绕组差别很大，它的相数、极数和绕组系数要通过以下三个方面分析来确定。,1.鼠笼绕组的相数m2和匝数N2,下图为鼠笼绕组展开图，图中蓝线波表示一对极的旋转定子气隙磁密波，该磁密波在空间按正弦分布并对转子导条以转速差n=n1-n旋转。,返回,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势波F2,气隙磁场Bm,转子,转子磁动势与气隙磁场在空间的相对位置,图中转子圆周上均匀分布着12根导条，在旋转磁密波切割下，每根导条内感应电动势依次滞后相位角，即=p3600/Z2(式中为磁密波极对数，Z2为转子槽数)，此时计算出=300。可画出各
16、导条的槽电动势相量图。如右图所示。,由于所有导条在转子上是对称分布的，故每一导条中电流滞后电动势的相角2相同。因而只需将图顺时针转过2角就可表示出鼠笼绕组各导条中电流相量的相位关系。即各导条中电流大小相等，相位依次滞后角，导条的电流也是对称的。,鼠笼绕组所有导条电动势间通过端环并联，并非相互串联。由此可见，鼠笼绕组每一根导条就是一相，即每一对极下的导条数等于相数，鼠笼绕组的相数为m2=Z2/p(转子槽数Z2等于导条数)。由于绕组各导条中电流是对称的，故为对称多相绕组。由于每相只有一根导条，相当于半匝，所以每相匝数N2=1/2。,2.鼠笼绕组的极对数p2,设定子一对极的的气隙磁密波旋转到下图所示
17、位置，可用箭头的长短在导条内画出该瞬间各导条的电动大小。,由图可知每一根导条的电动势大小决定于该瞬间导条处于磁密波下的位置。从而得出每一时刻导条电动势瞬时值的空间分布规律与气隙磁密的空间分布规律相同。此外，转子电动势产生的转子电流也会在导条内形成与电动势类似的一半正、一半负的电流分布波，从而产生两极的转子磁场。,同上述道理，若定子绕组决定的磁密波为4极，感应的转子电流也将产生4极的磁场。依此类推，鼠笼式转子的极数由产生上述磁密波的定子绕组极数决定，即转子的极数等于定子绕组的极数。,3.鼠笼绕组的绕组系数kw2,学习定子交流绕组时已经知道，绕组系数kw2实质上是一相绕组中各导体电动势串联叠加成一
18、相电动势时应打的折扣，这是由于绕组的分布、短距的原因引起的。但对于鼠笼转子而言，一根导条即是一相，各导条电动势并非串联，而是并联的，不存在串联叠加问题，因而，不需要打折扣，故kw2 =1。,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。,第三节 异步电动机的铭牌数据,异步电动机的铭牌上标明了型号、额定值和主要技术数据等。,1.型号,例如： Y 132 S2,型号是表示电机主要技术条件、名称、规格的一种产品代号。即用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。由
19、汉语拼音字母、 国际通用符号和阿拉伯数字组成。,（S-短机座；M-中机座；L-长机座）,例:,异步电动机产品名称代号,2.接法,接线盒,Y 联结, 联结,3. 额定电压UN(V),例如：380/220V、Y/是指线电压为380V时 采用Y联结；线电压为 220V 时采用联结。,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% 。因为在电动机满载或接近满载情况下运行时，电压过高 或过低都会使电动机的电流大于额定值,从而使电动机过热。,电动机在额定运行时定子绕组按铭牌上规定的接法连接时应加的线电压值。,三相异步电动机的额定电压有380V，3000V,及6000V等多种。,4.额定电流IN
20、(A),例如：Y/6.73/11.64A表示Y联结下电机的线电流为6.73A；联结下线电流为11.64A。两种接法下相电流均为6.73A。,5.额定功率PN(kw)与额定效率N,电动机在额定运行时定子绕组的线电流值。,额定功率是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率P2，它不等于从电源吸取的电功率P1。,注意：实用中应选择容量合适的电机，防止出现“大马拉小车” 的现象。,6.额定功率因数cosN,三相异步电动机的功率因数较低，在额定负载时约为0.7 -0.9。空载时功率因数很低，只有0.2-0.3。额定负载时，功率因数最高。,因为电动机是电感性负载，定子相电流比相电压滞后一个角。cos就是功率因
21、数。,8.额定转速nN,电机在额定电压、额定负载下运行时的转速。,如:nN =1440转/分 sN = 0.04,9.温升及绝缘等级,绝缘等级指电机绝缘材料能够承受的极限温度等级，分为A、E、B、F、H五级，A级最低(105C)，H级最高(180C)。温升是电动机运行时绕组温度允许高出周围环境温度的数值。,7.额定频率fN(HZ) 指额定电压的频率，国产电动机均为50Hz。,绝缘等级及极限工作温度表,运行方式即电动机的工作方式。按负载持续时间的不同，国家标准把电动机分成三种工作方式:连续工作制、 短时工作制和断续周期工作制。后两种运行方式电机只能短时、间歇地使用。,表中极限工作温度是指电动机运
22、行时绝缘材料的最高允许温度。,10.运行(工作)方式,此外，除上述数据铭牌上还标出额定运行时的相数、和重量等有关项目。绕线式电动机还标明转子电压(定子加额定电压时转子开路电压)和转子电流等数据。除了铭牌数据外，还可以根据有关产品目录或电工手册查出电动机的其它一些技术数据。,本 章 小 结,三相异步电动机的工作原理可简述如下:定子三相绕组流过三相对称电流产生旋转磁场,转子导体切割旋转磁场产生感应电动势和感应电流,转子感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩拖动转子转动.,转差率s=(n1-n)/n1是异步电机的一个重要物理量。按转差率不同，异步电机可分为三种运行状态： 电动机状态（0s1）; 发电机状态(-s0）; 电磁制动状态(1s+)。,(3)异步电动机按结构不同分为鼠笼式和绕线式两大类，他们定子结构相同，但转子结构不同。鼠笼式的转子绕组是多相对称绕组，绕线式转子绕组为三相绕组。,作 业,教材中P117，第1、2、3、4题。,