1、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的机械特性三相异步电动机的使用单相异步电动机的工作原理三相同步电动机的工作原理直流电动机的工作原理,学习要点,第7章 电动机,第7章 电动机,7.1 三相异步电动机7.2 单相异步电动机7.3 三相同步电动机7.4 直流电动机,7.1 三相异步电动机,7.1.1 三相异步电动机的基本结构,三相异步电动机主要有定子和转子两部分组成，两部分之间由空气隙隔开。按照其转子结构的不同，将三相异步电动机分成笼型和绕线型两种。,图7-1 三相异步电动机的外形和内部结构,1.定子,定子主要由机座、定子铁心和定子绕组等组成，是固定不动的部分。机座是用来固定和支撑定子铁心的，
2、由铸铁或铸钢浇铸成型。定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座的内壁上，由厚度为0.5mm，彼此相互绝缘的硅钢片叠成。在定子铁心的内圆周上冲压有均匀分布的线槽，槽内放置由绝缘导线绕制而成的定子绕组，绕组与铁心间有良好的绝缘.定子绕组是电动机的电路部分，共分三组，分布在定子铁心槽内，它们在定子内圆周空间的排列彼此相隔120，构成对称的三相绕组。三相绕组共有六个出线端。为了能在机座外实现与三相电源的连接，以及三相定子绕组之间星形或三角形的不同接法，把它的六个出线端都引到置于电动机外壳的接线盒中的接线板上。,2.转子,转子主要由转子铁心、转子绕组、转轴及其风扇等组成，是能够进行旋转的部分。转子铁心是电
3、动机磁路的另一部分，一般用硅钢片叠成圆柱形，固定在转轴上，铁心外圆周上有均匀分布的槽，槽内放置转子绕组。转子绕组按结构的不同可分为笼型和绕线型两种。 笼型转子绕组是由浇铸在转子铁心槽内的若干导电条组成的，两端分别焊接在两个短接的端环上，并与风扇焊成一个整体，如果去掉铁心，转子绕组的外形就像一个笼，故称笼型转子。 绕线型转子的铁心和笼型转子的铁心相同，但其绕组与笼型不同。绕线型转子绕组结构与定子绕组相似，在槽内嵌放对称的三相绕组，一般接成星形。三个绕组的三个尾端连接在一起，三个首端分别接到装在转轴上的三个铜制滑环上，通过电刷与外电路的可变电阻器相连接，用于起动或调速。,7.1.2 三相异步电动机
4、的工作原理,把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。,1.定子的旋转磁场,图7-8 两极旋转磁场绕组的连接,图7-8 两极旋转磁场绕组的产生,结论： (1)在对称的三相绕组中通入三相电流，可以产生在空间旋转的合成磁场。 (2)磁场旋转方向与电流相序一致。电流相序为A-B-C时磁场顺时针方向旋转；电流相序为A-C-B时磁场逆时针方向旋转。 (3)磁场转速(同步转速)与电流频率有关，改变电流频率可以改变磁场转速。对两极(一对磁极)磁场，电流变化一周，则磁场旋转一周。同步转速n1与磁场磁极对数p的关系为：,静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，在转子导体中产生感应电动势
5、，并在形成闭合回路的转子导体中产生感应电流，其方向用右手定则判定。转子电流在旋转磁场中受到磁场力F的作用，F的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。,2.转子转动原理,图7-10 转子转动原理,电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n1，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。,转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为0.010.08。,异步电动机同步转速n1和转子转速n的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：,3.转差率,【例7-1】 一台三相异步电动机
6、的额定转速为1460r/min，电源频率为50Hz，求该电动机的同步转速、磁极对数和额定运行时的转差率。解：由于电动机的额定转速小于且接近于同步转速，与1460r/min最接近的同步转速为n1=1500r/min，与此相对应的磁极对数是p=2。额定运行时的转差率为,异步电动机转子电路的电流I2和功率因数 ，它们的数值和异步电动机的工作情况有关，也就是和电动机的转速有关，就是和电动机的转差率s有关。,旋转磁场在转子每相绕组中产生的感应电动势的有效值为,转子电路的电抗为,转子电路每相绕组中的电流和功率因数分别为,当电动机正常运行时，转子的转速n0，旋转磁场以转速差 切割转子导体，此时转子电路中感应
7、电动势的频率f2为,当s=0，即n =n1时，T=0，这是理想的空载运行；随着s的增大，T也开始增大，但到达最大值以后，随着s的继续上升，T反而减小。最大转矩Tm又称临界转矩，对应于Tm的sm称为临界转差率。,图7-11 异步电动机的转矩特性曲线,2. 三相异步电动机的机械特性,电压一定时转速n与电磁转矩T的关系，即n=f(T)曲线，这条曲线称为电动机的机械特性曲线。,的单位为rad/s，PN的单位为kW，nN的单位为r/min，TN的单位为Nm。,（）起动转矩st。电动机在接通电源刚起动的瞬间，即n=0，s =1时的转矩称为起动转矩。电动机要完成起动而进入稳定运行状态，所具有的起动转矩st必
8、须大于负载转矩TL，而且st愈大，起动时间愈短，起动愈快，否则电动机将无法起动。,为了反映三相异步电动机的起动能力，通常用起动转矩与额定转矩的比值st/TN来表示，称为起动系数，即,3. 三相异步电动机的运行特性,（1） 曲线。异步电动机定子电流I1随负载的增大而增大，。当P2=0时，I1= I10称为空载电流，有时也称励磁电流 。,（2） 曲线。异步电动机空载时，功率因数很低 ；带上负载以后，随着P2的增加，功率因数逐渐提高，到额定负载时一般在0.7 0.9左右。此后，随着P2的增加而稍有下降。,图7-13 异步电动机的运行特性曲线,（3） 曲线。电动机的效率 是指其输出机械功率与输入电功率
9、P1的比值，即,7.1.4 三相异步电动机的铭牌数据,（1）型号：用来反映产品的系列类型及技术特征，用大写英文字母和阿拉伯数字组成，各字符表示一定的含义。,（2）电压：定子绕组应加的线电压有效值，常用UN表示。（3）接法：在额定电压下，定子绕组应采取的连接方式，有星形和三角形两种。（4）功率：在额定情况下，电动机轴上输出的机械功率，通常用PN表示，单位是千瓦。（5）电流：在额定运行情况下线电流的有效值，常用IN表示（6）工作方式：三相异步电动机常用的工作方式有三种。S1表示连续工作，S2表示短时工作，S3表示断续工作。（7）转速：电动机在额定运行情况下的转速，即额定转速，也称满载转速，常用nN
10、表示。（8）功率因数：电动机在额定运行情况下定子电路的功率因数，常以cosN表示。（9）绝缘等级：按电动机绕组所用绝缘材料在使用时具有的极限温度来划分，分为六级，A、E、B、F、H、C，对应的极限温度为：105 、120 、130 、155 、180 及180 。,【例7-2】 已知一台型号为Y225M4的三相异步电动机，其额定数据如下：PN=45kW，nN=1480r/min，UN=380V， N=92.3%， =0.88，st=1.9，m=2.2，联结。试求（1）额定电流IN；（2）额定转差率sN；（3）额定转矩TN、最大转矩Tm、起动转矩Tst。,（2）由nN=1480r/min可知，电
11、动机的同步转速n1=1500r/min，磁极对数p=2，则,（3）,7.1.5 三相异步电动机的使用,1异步电动机的起动,电动机接上电源，转速由零开始运转，直至以一定转速稳定运行的过程，称为起动过程。 对电动机起动要求是：起动电流小，转矩大，时间短。 异步电动机的起动方法有直接起动和减压起动。（1）直接起动：是中小型笼型异步电动机常用的起动方法，起动时把电动机的定子绕组直接加上额定电压。 优点：简单、方便、经济，起动时间短，起动可靠。 缺点：起动电流较大，将使线路电压下降，影响负载正常工作。 适用范围：电动机容量在10kW以下，并且小于供电变压器容量的20。,适用范围：正常运行时定子绕组是三角
12、形连接，且每相绕组都有两个引出端子的电动机。 优点：起动电流为全压起动时的13。 缺点：起动转矩为全压起动时的13。,图7-15 Y-换接起动接线图,自耦变压器备有40、60、80等多种抽头，使用时要根据电动机起动转矩的要求具体选择。自耦减压起动时，起动转矩降为直接起动时的1/k2；变压器一次绕组电流要降为直接起动时的1/k2。,自耦减压起动：利用三相自耦变压器将电动机起动时的定子绕组线电压降低，以达到减小起动电流的目的。其电路如图7-16所示。,图7-16 自耦减压起动,绕线转子异步电动机的起动，只要在转子回路串入适当的电阻，就既可以限制起动电流，又可以增大起动转矩，克服了笼型异步电动机起动
13、电流大、起动转矩小的缺点。,通过改变电动机的定子绕组所形成的磁极对数p来调速。因磁极对数只能是按1、2、3、的规律变化，所以用这种方法调速，电动机的转速不能连续、平滑地进行调节。但这种方法比较简单、方便。,3. 异步电动机的反转,因为三相异步电动机的转动方向是由旋转磁场的方向决定的，而旋转磁场的转向取决于定子绕组中通入三相电流的相序。因此，要改变三相异步电动机的转动方向非常容易，只要将电动机三相供电电源中的任意两相对调，这时接到电动机定子绕组的电流相序被改变，旋转磁场的方向也被改变，电动机就实现了反转。,4. 异步电动机的制动,（1）能耗制动,电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。感应
14、电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。 特点：制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。,图7-19 能耗制动,（2）反接制动,电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。,注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。 特点：简单，制动效果好，但由于反接时旋转磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较大。对于功率较大的电动机制动时必须在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻，用以限制电流。,（3）发电反馈制动,电动机转速超过旋转磁场的转速时，电磁转矩的方向
15、与转子的运动方向相反，从而限制转子的转速，起到了制动作用。因为当转子转速大于旋转磁场的转速时，有电能从电动机的定子返回给电源，实际上这时电动机已经转入发电机运行，所以这种制动称为发电反馈制动。,【例7-3】 型号为Y250M-4的三相异步电动机，其PN=55kW，UN=380V，nN=1470r/min，采用联结，st=1.9。试回答：(1)若负载转矩TL=TN，采用直接起动和Y换接起动两种方式，电动机能否起动？(2)当TL=300Nm时，电动机能否采用Y换接起动？(3)当TL=300Nm时，能否用自耦变压器80%的抽头进行降压起动？解：（1）采用直接起动时，因为,，故可以直接起动。,7.2
16、单相异步电动机,7.2.1 电容分相式电动机,电容分相式电动机的定子上有两个在空间相隔90的绕组U1U2和V1V2，如图a）所示。电容器的作用是使通过它的电流,iV超前于iU接近90，其相量图如图b）所示，即把单相交流电变为两相交流电。,图7-22 电容分相式电动机,两相交流电流产生的两个脉动磁场相合成，就是一个旋转磁场，其原理如图7-23所示。在此旋转磁场的作用下，笼型转子就会顺着磁场旋转方向开始转动。,图7-23 两相交流电产生的旋转磁场,单相交流电产生的脉动磁场虽然不能使转子起动，但一旦起动以后，却能产生电磁转矩使转子继续运转。因此电容分相式电动机起动后，起动绕组可以留在电路中，也可以用
17、离心式开关在转速上升到一定数值后，靠离心力的作用将开关断开，切断起动绕组，这时只留下工作绕组，仍可继续带动负载运转。 电容分相式异步电动机也可实现反转运行，这只要利用一个转换开关将工作绕组与起动绕组互换即可。洗衣机中的电动机正、反转就是由定时器自动转换开关来实现这种自动切换的。,7.2.2 罩极式电动机,根据楞次定律，铜环中的感应电流所产生的磁场，阻止铜环部分磁通的变化，结果使得没套铜环的那部分磁极中的磁通与套有铜环的这部分磁极内的磁通有了相位差，罩极外的磁通超前罩极内的磁通一个相位角。随着定子绕组中电流变化率的改变，单相异步电动机定子磁场的方向也就不断发生变化，在电动机内形成了一个旋转磁场。
18、在这个旋转磁场的作用下，电动机的转子就能够起动起来了。,7.3 三相同步电动机,三相同步电动机主要部件是定子和转子。三相同步电动机的定子和三相异步电动机的定子完全相同，其绕组可以接成Y联结，也可接成联结。三相同步电动机的转子是一组直流电磁铁，它的磁极对数必须和定子的磁极对数相同，在磁极上装有直流励磁绕组，直流励磁绕组的两根引出线，接到固定在转轴上相互绝缘的两个滑环上，借助滑环与电刷的滑动接触而与外加直流电源接通，用以产生转子磁场。,三相同步电动机的转子按照它的磁极结构的特点，分为凸极式和隐极式两种。凸极式转子有着明显的磁极，隐极式转子没有明显凸出的磁极。同步电动机的转子磁极表面安装有类似笼型异
19、步电动机转子的短路线圈，称为起动绕组。,当三相同步电动机的对称三相定子绕组接通对称三相电源时，定子绕组中流过对称的三相电流，在铁心磁路中形成旋转的磁场，其转速为 。转子磁极中的导条与旋转磁场相互作用，使得转子具有了起动转矩，并带动转子异步起动旋转。当三相同步电动机转子的转速接近旋转磁场的同步转速n1时，开始给转子上的励磁绕组通入直流电，转子产生磁场。当转子磁场与定子磁场的极性是异性相对时，根据异性磁极相吸引的原理，定子旋转磁场将拖着转子磁场一起旋转。因为转子转速n与旋转磁场的转速n1相等，所以这种电动机称为同步电动机。,7.4 直流电动机,三相直流电动机也由定子和转子构成。 定子的主要作用是产
20、生磁场，包括主磁极、换向磁极、机座和电刷等。主磁极由铁心和励磁线圈组成，用于产生一个恒定的主磁场。换向磁极安装在两个相邻的主磁极之间，用来减小电枢绕组换向时产生的火花。电刷装置的作用是通过与换向器之间的滑动接触，把直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。 转子由电枢铁心、电枢绕组和换向器等组成。电枢铁心是直流电动机磁路的组成部分。电枢绕组的一端装有换向器。换向器是直流电动机的重要构造特征，换向器通过与电刷的摩擦接触，将两个电刷之间固定极性的直流电流变换成为绕组内部的交流电流，以便形成固定方向的电磁转矩。,直流电动机运行时的电磁转矩T与定子每极磁通及电枢电流Ia有关，表达式为,当电动机转动后，电枢
21、绕组因切割磁力线而产生感应电动势e，e的方向可按右手定则判断，此电动势的方向与电枢电流的方向相反，称为反电动势。它的大小由定子每极磁通与电枢转速n决定，表达式为,图7-27 直流电动机工作原理图,1他励电动机,他励电动机的电路如下图所示，它的励磁电流由单独的直流电源供给，图中If、Ia分别为励磁电流和电枢电流，Rf为励磁绕组电阻，Uf为励磁电压，Ua为电枢电压，Ra为电枢绕组的电阻，E为反电动势，If与Ia的表达式分别为,电动机转速为,他励电动机的调速方法有三种：改变电枢电压Ua、改变磁通和改变电枢电阻Ra，他励电动机具有较好的调速性能，可以实现较宽范围的平滑调速。,2. 并励电动机,并励电动
22、机的励磁绕组与电枢绕组由同一个直流电源供电，如下图所示。并励电动机与他励电动机只是供电方式有所区别，在工作方式及机械特性上基本是相似的。,必须注意：他励和并励电动机在运行时千万不可断开励磁电路。否则，由于励磁电流变为零，磁极上只保留有很小的剩磁，在空载时将导致转速飞速增加，而在有负载时将造成电动机停转或电枢电流的急剧增加，引起严重事故。,3. 串励电动机,串励电动机的电路如下图所示，其励磁绕组与电枢绕组串联，所以励磁电流If等于电枢电流Ia，即I=If=Ia，电路由一个直流电源供电，转速n与转矩T的关系为,必须指出：串励电动机不能在空载或轻载下工作，因为这时的转速很高，可能超过其机械强度的允许
23、限度，而使电动机遭到毁坏。为此，串励电动机与生产机械之间绝对不允许用皮带传动。,4复励电动机,复励电动机的电路如下图所示，它有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与之并联，由一个直流电源供电。复励电动机兼有并励和串励两方面的特点。,复励电动机既可像串励电动机那样适用于要求负载转矩较大，起动转矩较大的设备中，又能像并励电动机那样在空载和轻载下运行，它常用于船舶、起重、采矿等设备中。,直流电动机的旋转方向由其电枢导体受力方向决定。由左手定则可知，改变电枢电流的方向或磁场方向，都可以改变电枢导体的受力方向，从而改变电动机的旋转方向。实际中，多采用改变电枢电流方向来使电动机反转，即把电枢电路的两条端线互换一下。 直流电动机常用的制动方法有能耗制动和反接制动两种。,
