三相异步电动机结构与工作原理介绍

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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:





2)转子

三相异步电动机的转子由三部分组成:



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)。


图 5-3 三相异步电动机定子接线

当 t=00时, 0Ai ,AX 绕组中无电流; Bi 为负, BY 绕组中的电流从 Y 流入 B1流出; Ci 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, 0Bi ,BY 绕组中无电流; Ai 为正, AX 绕组中的电流从 A流入 X 流出; Ci 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, 0Ci ,CZ 绕组中无电流; Ai 为负, AX 绕组中的电流从 X流入 A 流出; Bi 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。


图 5-4 旋转磁场的形成

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。

(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:



(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:



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



(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:



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<1。如果转轴上的阻转矩加大,则转子转速 n降低,即异步程度加大,才能产生足够大的感受电动势和电流, 产生足够大的电磁转矩, 这时的转差率 S增大。反之,S减小。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。

根据式 (4-2),可以得到电动机的转速常用公式



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:



(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。

发布于 2019-01-27