2.1三相異步電動機的結構和工作原理

2.2三相異步電動機的運行特性

2.3三相異步電動機的啟動

2.4三相異步電動機的調(diào)速

2.5三相異步電動機的制動

2.6特殊異步電動機

本章小結

思考題第2章交流電動機2.1.1三相異步電動機的結構

異步電動機根據(jù)轉子繞組的結構不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式異步電動機的轉子繞組本身自成閉合回路，整個轉子形成一個堅實的整體，其結構簡單牢固，運行可靠，價格便宜，應用最為廣泛，絕大部分小型異步電動機屬于這類。繞線式異步電動機的結構比鼠籠式復雜，但啟動性能較好，需要時還可以調(diào)節(jié)電動機的轉速。圖2-1所示是三相鼠籠式異步電動機的結構。2.1三相異步電動機的結構和工作原理圖2-1三相鼠籠式異步電動機的結構

1.定子

定子是用來產(chǎn)生旋轉磁場的，主要由定子鐵芯、定子繞組和機座等部分組成。鼠籠式和繞線式異步電動機的定子其結構是完全一樣的。

(1)定子鐵芯。定子鐵芯是三相異步電動機磁路的一部分，其槽中嵌放定子繞組。由于旋轉磁場相對于定子鐵芯以同步轉速旋轉，因此鐵芯中的磁通是交變的。為減小由旋轉磁場在定子鐵芯中引起的渦流和磁滯損耗，定子鐵芯通常采用導磁性能較好、厚度為0.35～0.5mm、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊裝而成。為了嵌放定子繞組，硅鋼片的內(nèi)圓表面沖有均勻分布的槽。若鐵芯直徑小于1m，則采用整圓硅鋼片疊裝；若鐵芯直徑大于1m，則采用扇形硅鋼片疊裝。定子鐵芯沖片和定子鐵芯如圖2-2所示。圖2-2定子鐵芯(a)定子鐵芯沖片；(b)定子鐵芯定子鐵芯的槽形通常有三種，即半閉口槽、半開口槽和開口槽，如圖2-3所示。圖2-3定子鐵芯的槽形(a)半閉口槽；(b)半開口槽；(c)開口槽

(2)定子繞組。定子繞組是異步電動機定子的電路部分，其作用是通入三相交流電后產(chǎn)生旋轉磁場。它是用高強度漆包線繞制成固定形式的線圈，嵌入定子槽內(nèi)，再按照一定的接線規(guī)律相互連接而成的。

三相異步電動機的定子繞組通常有六根出線頭，根據(jù)電動機的容量和需要可接成星形(Y)或三角形(△)。對于大、中型異步電動機，通常采用△接法；對于中、小容量異步電動機，則可按不同的要求接成Y接法或△接法。

2.轉子

轉子是異步電動機的轉動部分，它在定子繞組旋轉磁場的作用下獲得一定的轉矩而旋轉，通過聯(lián)軸器或皮帶輪帶動其他機械設備作功。轉子由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸等部分組成。

(1)轉子鐵芯。轉子鐵芯也是電動機磁路的一部分，通常由厚度為0.35～0.5mm的硅鋼片疊裝而成，鐵芯固定在轉軸上或套在轉軸的支架上，整個轉子鐵芯的外表面呈圓柱形。硅鋼片的外圓周表面沖有均勻分布的槽，槽的形狀如圖2-4所示。為了旋轉，轉子鐵芯與定子鐵芯之間有一定的間隙，稱為氣隙，其大小通常在0.25~1.5mm之間。圖2-4轉子槽形(a)雙鼠籠槽形；(b)繞線轉子槽形；(c)單鼠籠槽形

(2)轉子繞組。轉子繞組是閉合的，在氣隙磁場的作用下，產(chǎn)生感應電動勢和電流，并產(chǎn)生電磁轉矩。轉子繞組按照結構形式不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。

①鼠籠式轉子繞組。鼠籠式轉子繞組是自行閉合的短路繞組。對于大、中型異步電動機，一般在轉子鐵芯的每個槽中插入一根銅條，在伸出鐵芯兩端的槽口處，銅條兩端分別焊在兩個銅環(huán)(端環(huán)或短路環(huán))上，構成轉子繞組。為了節(jié)約用銅，小型及微型異步電動機一般都采用鑄鋁轉子，這時導條、端環(huán)以及端環(huán)上的風扇葉片鑄在一起，整個轉子形成一個堅實的整體，如果去掉鐵芯，繞組的外形就像一個“鼠籠”，如圖2-5所示，所以稱為鼠籠式轉子。其構成的電動機稱為鼠籠式異步電動機。圖2-5鼠籠式鑄鋁轉子(a)無軸鼠籠式鑄鋁轉子；(b)鼠籠式轉子繞組②繞線式轉子繞組。繞線式轉子繞組與定子繞組相似，是用絕緣導線繞制而成的，嵌于轉子槽內(nèi)，其與定子繞組形成的極對數(shù)相同，連接成Y接法，繞組的三個出線端分別接到軸的三個滑環(huán)上，再通過電刷引出，如圖2-6所示。繞線式轉子繞組的特點是可以通過滑環(huán)和電刷在轉子繞組回

路中串入附加電阻，以改善電動機的啟動性能或調(diào)節(jié)電動機的轉速。有的繞線式電動機還裝有短路提刷裝置，在電動機啟動完畢后，移動手柄，電刷即被提起，同時三只滑環(huán)彼此短接，以減少電刷與滑環(huán)的摩擦損耗，從而提高運行的可靠性。圖2-6繞線式轉子電動機示意(a)繞線式轉子；(b)繞線轉子回路接線示意圖

(3)轉軸。轉軸一般用中碳鋼制作。轉子鐵芯套在轉軸上，它支撐著轉子，使轉子能在定子內(nèi)腔均勻地旋轉。轉軸的軸伸端上有鍵槽，通過鍵槽、聯(lián)軸器與生產(chǎn)機械相連，傳導三相異步電動機的輸出轉矩，其外形如圖2-7所示。圖2-7三相異步電動機的轉軸

3.機座

機座是電動機的外殼和支架，它的作用是固定和保護定子鐵芯、定子繞組并支撐端蓋，所以要求機座具有足夠的機械強度和剛度，能承受運輸和運行過程中的各種作用力。

中、小型異步電動機通常采用鑄鐵機座，定子鐵芯緊貼在機座的內(nèi)壁，電動機運行時鐵芯和繞組產(chǎn)生的熱量主要通過機座表面散發(fā)到空氣中，因此，為了增加散熱面積，在機座外表面裝有散熱片。2.1.2三相異步電動機的繞組

繞組是三相異步電動機進行電、磁能量轉換與傳遞的關鍵部件，也是電動機結構的核心。三相電動機的繞組是三相對稱繞組，三相繞組可接成Y或△接法，如圖2-8所示。三相繞組由支路構成，支路由線圈組構成，線圈組由線圈構成。圖2-8三相異步電動機的繞組接線圖(a)Y接法；(b)△接法

1.繞組的分類

交流繞組可按相數(shù)、槽內(nèi)層數(shù)、每極下每相繞組所占槽數(shù)、繞組形狀和繞組裝配方式等來分類。

(1)按相數(shù)分為單相繞組、三相繞組和多相繞組。

(2)按槽內(nèi)層數(shù)分為單層繞組和雙層繞組。

(3)按每極下每相繞組所占槽數(shù)分為整數(shù)槽繞組和分數(shù)槽繞組。

(4)按繞組形狀分為疊繞組、波繞組和同心繞組，分別見圖2-9、圖2-10和圖2-11。圖2-9疊繞組圖2-10波繞組圖2-11同心繞組

(5)按繞組裝配方式分為成型繞組和分立繞組。

(6)按繞組跨距大小分為整距繞組(y=τ)、短距繞組(y<τ)和長距繞組(y>τ)。其中,y為繞組跨距，τ為極距。

2.交流電機的定子繞組構成原則

交流電機的定子繞組大多為三相繞組。繞組是電機的主要部件，要分析交流電機的原理和運行問題，必須先對交流繞組的構成和連接規(guī)律有一個基本的了解。交流繞組的形式雖然各不相同，但它們的構成原則卻基本相同。這些原則是：

(1)合成電動勢和合成磁動勢的波形要接近于正弦波，幅值要大。

(2)對三相繞組，各相的電動勢和磁動勢要對稱，電阻、電抗要平衡，空間位置彼此互差120°電角度。

(3)繞組的銅耗要小，用銅量要省。

(4)絕緣要可靠，機械強度、散熱條件要好，制造要方便。

3.繞組的基本概念

(1)線圈：構成繞組的最基本單元，是用絕緣導線在繞線模上繞制出來的繞組元件。線圈可以用單匝或多匝繞線組成。嵌入槽內(nèi)的部分稱為有效邊；露出鐵芯兩端的稱為線圈端部，它只起連接作用。槽內(nèi)的有效邊(直線部分)才是能量轉換的部分，所以稱為有效邊。

(2)線圈組(也叫極相組)：指一個磁極下同一相線圈串聯(lián)成的繞組。

(3)相繞組：指由許多線圈組(每相線圈組數(shù)等于極數(shù))串聯(lián)或并聯(lián)構成，并流過同相電流的繞組。

(4)極距：指每極所占有的槽數(shù)或每極下氣隙沿圓周方向的長度，用字母τ表示，即

(槽)(用槽數(shù)表示時)

(2-1)

或

(mm)(用長度表示時)(2-2)

(5)每極每相槽數(shù)(q):指在一個極內(nèi)，其中某一相的線圈所占有的槽數(shù)，有

(2-3)

(6)電角度:定子鐵芯圓周對應的機械角度為360°，而交流電機轉過一對磁極繞組時電流變化為一個周期，是360°電角度，每個極距τ為180°電角度。當電動機有p對

磁極時，在鐵芯圓周上便有p×360°電角度。只有2極電動機，機械角度才等于電角度。電角度與機械角度的關系為

電角度=p×機械角度=p×360°

(2-4)

(7)槽距角(α):指相鄰兩槽之間的電角度,則

(2-5)

例2-1

一臺三相24槽4極電動機，其電角度和槽距角各是多少?

解

因為是4極電動機，所以

極對數(shù)p=2

電角度=p×360°=2×360°=720°

相鄰兩槽間的槽距角

(8)相帶：指一個極相組所占的范圍，以電角度表示。

一般一個磁極為180°電角度，一個磁極內(nèi)有三相，所以其中一相占180°/3=60°電角度，叫做60°相帶。三相繞組的這種分布形式叫做60°相帶分布。

(9)節(jié)距(也叫跨距)：指一個線圈兩個邊之間相隔的槽數(shù),用字母y表示。

若y=τ，則該線圈稱為整距線圈。整距線圈繞組能產(chǎn)生最大的感應電動勢。

若y<τ，則該線圈稱為短距線圈。短距線圈能提高電動機的電磁性能并縮短線圈端部接線。多數(shù)電機采用這種線圈。

若y>τ，則該線圈稱為長距線圈。特殊電動機采用這種線圈。

(10)支路(a)：指同相繞組并聯(lián)回路的多少，也叫并聯(lián)支路數(shù)。

(11)匝數(shù)(N)：指繞組所含線圈圈數(shù)的多少。

(12)繞組展開圖：將電機定子或轉子沿軸向切開，沿圓周方向展開,清楚表示各繞組在電機內(nèi)嵌放位置的示意圖。

4.繞組的特點

1)單層交叉式繞組

(1)單層交叉式繞組的特點。交叉式繞組的優(yōu)點是采用短距線圈，用銅量少；缺點是線圈節(jié)距不盡相同，繞制不方便。

(2)單層交叉式繞組展開圖的畫法。對于鏈式繞組，當q=2為偶數(shù)時，屬于同一相帶的兩個線圈邊的端部分別向兩側連接(例如1向左連，2向右連)，兩個線圈的節(jié)距相等；當q為奇數(shù)時，例如2p=4,Z1=36的三相電動機,因每極每相槽數(shù)q=3為奇數(shù)，所以每個相帶占3個槽，按U1、W2、V1、U2、W1、V2的順序給相帶命名，起始槽選在1號槽，其分相情況見表2-1。表2-1單層交叉式繞組分相表這時一個相帶含有三個槽，無法均分，因而線圈的節(jié)距也不一樣。如圖2-12所示，兩只大線圈的節(jié)距為8，即2~10槽、3~11槽；另一只小線圈的節(jié)距為7，即12~19槽。另一對磁極下，兩只大線圈的節(jié)距為8，即20~28槽、21~29槽；另一只小線圈的節(jié)距為7，即30~1槽。由于兩對極下的一相繞組線圈總是按“兩大一小”交叉布置的，因此稱其為交叉式繞組。從建立磁勢的效果看，交叉式繞組也屬于整距繞組。圖2-13所示為三相四極36槽單層交叉式繞組的展開圖。圖2-12U相單層交叉式繞組圖2-13三相四極36槽單層交叉式繞組的展開圖

2)雙層疊式繞組

(1)雙層疊式繞組的特點。雙層疊式繞組的特點如下：

①一般在容量較大的中、小型異步電動機內(nèi)采用。

②線圈數(shù)等于定子槽數(shù)。在雙層繞組的定子槽內(nèi)，每槽嵌放兩條線圈邊,線圈的一條線圈邊放在某一槽的下層，另一條線圈邊則放在另一槽的上層。

③可任意選用合適的短距繞組，改善電磁波形。使用雙層繞組后，電動機的電磁性能、啟動性能等指標都比單層繞組好。

④線圈嵌線較為困難。槽內(nèi)嵌入兩組線圈邊，需要增加層間絕緣，如果處理不當，則極易造成相間短路。

(2)雙層疊式繞組展開圖的畫法。雙層疊式繞組的特點是：任何兩個相鄰的線圈總是后一個疊加在前一個的上面，如圖2-14所示。

下面以m1=3,2p=4,Z1=24，并聯(lián)支路數(shù)a＝1，60°相帶，y＝5，三相雙層疊式繞組為例，說明畫此繞組展開圖的步驟。

①畫線圈邊：畫出24個槽的線圈邊，每個槽內(nèi)的上層邊用實線表示，下層邊用虛線表示。

②劃分主極區(qū)域：由q=6劃分出四個主極區(qū)域N1、S1、N2、S2。圖2-14U相雙層短距疊式繞組③劃分相帶與分相：由每極每相槽數(shù)q＝2劃分出12個相帶,分相方法與單層繞組類似，按U1、W2、V1、U2、W1、V2的順序給相帶命名。若起始槽選在1號槽，則分相情況如表2-1所示，U相的四個相帶所占的8個槽為1、2、7、8、13、14、19、20。

④確定線圈節(jié)距：取節(jié)距為y＝5。

⑤標出U相各相帶中上層線圈邊的電流方向：按每相相鄰相帶內(nèi)線圈邊電流方向相反的規(guī)定標出，如圖2-14所示。

⑥構成U相繞組：先將線圈邊連成線圈。因y＝5，故若以線圈上層邊所在槽號命名線圈號，則1號線圈的上層邊在1號槽，下層邊在1+5＝6號槽，據(jù)此可畫出U相的1、2、7、8、13、14、19、20號共8個線圈。

再將線圈連成線圈組。因q=2，故順著電流方向，將同一極下同一相帶的兩個線圈連成線圈組，它們可以串聯(lián)，也可以并聯(lián)，最大并聯(lián)支路數(shù)amax=2p。本例要求a=1，所以將2p=4個線圈組順著電流方向串聯(lián)成一條支路，即線圈組的連接采用“尾接尾、頭接頭”的規(guī)律，由此構成的U相繞組如圖2-14所示。⑦構成V、W相繞組：V、W兩相繞組的構成方法與U相繞組相同，僅空間相位依次相差120°電角度。

按上述步驟構成的三相雙層短距疊式繞組展開圖如圖

2-15所示。

雙層短距疊式繞組的優(yōu)點是端接部分較短，繞組的用銅量可減少，同時由于amax=2p，因此可得到較多的并聯(lián)支路數(shù)，常用于額定電壓、額定電流不太大的中、小型交流電動機的定子繞組中。它的缺點是線圈組之間的連線較長，且極數(shù)越多,連線也越多，繞組端部的綁扎與固定不容易。圖2-15三相四極24槽雙層短距疊式繞組展開圖

5.繞組的連接方法

1)接線規(guī)律

繞組的連接決定電機內(nèi)部產(chǎn)生磁極數(shù)量的多少和磁極排列是否正確,從而決定電機轉速的快慢和能否旋轉。

現(xiàn)以三相60°相帶的單層及雙層繞組的構成及接線為例,介紹繞組的連接規(guī)律。

(1)每相繞組由a條支路并聯(lián)組成,每條支路由若干個線圈組(極相組)串聯(lián)組成,一個線圈組(極相組)由q(每極每相槽數(shù))個線圈串聯(lián)組成。

接線時，先把線圈接成“線圈組”，然后接成“支路”，再接成“相繞組”，這樣目的明確，層次分明，出現(xiàn)問題容易檢查。

(2)每個線圈組的q個線圈必須串聯(lián)。每個線圈組的q個線圈依次相距一個槽距角，處于同一磁極下的不同磁場位置中，因而感應電動勢的相位是不同的，即同一時刻的電動勢大小是不等的。若把線圈并聯(lián)起來，則相當于線圈本身短路，會形成內(nèi)部環(huán)流而使線圈過熱燒毀。因此，這q個線圈在任何情況下都不能并聯(lián),而只能彼此串聯(lián)。

(3)對60°相帶而言，單層繞組每相有p個線圈組，雙層繞組每相有2p個線圈組。

(4)無論是單層還是雙層繞組，同相各線圈組電動勢的有效值是相等的，只是正負不同而已。因此，一相中的各線圈組電動勢可以串聯(lián),也可以并聯(lián)。

(5)同相各線圈組之間究竟是串聯(lián)還是并聯(lián)，完全取決于并聯(lián)支路數(shù)a。只要知道了并聯(lián)支路數(shù)，每條支路串聯(lián)的線圈組數(shù)就不難算出。單層繞組中，每相繞組的線圈組數(shù)等

于極對數(shù)p，故每條支路就由p／a個線圈組組成。雙層繞組每相的線圈組數(shù)是2p，則每條支路的串聯(lián)線圈組數(shù)為2p/a。

(6)線圈組之間按順著電流方向的原則串聯(lián)。

(7)三相繞組的首端(和末端)在空間上依次相差120°電角度。

2)繞組的接線方法

(1)根據(jù)電機相數(shù)、極數(shù)、并聯(lián)支路數(shù)計算極距、槽距角、每極每相槽數(shù)。

(2)根據(jù)相帶確定分相表。

(3)根據(jù)極距確定跨距。

(4)根據(jù)分相表、跨距確定組成相繞組的線圈編號。

(5)根據(jù)線圈編號、線圈內(nèi)電流方向依次接線。

例2-2

一臺三相交流電動機，m1＝3，2p=4，Z1＝36，a=1,60°相帶繞組，試分析三相單層交叉式繞組各相的接線順序。

解

(1)計算極距τ、槽距角α、每極每相槽數(shù)q:

(2)分相,見表2-1。

(3)構成相繞組。兩個大線圈的節(jié)距為8，小線圈的節(jié)距為7，根據(jù)分相表和節(jié)距，相繞組的構成如下：

U相由(2~10)、(3~11)、(12~19)、(20~28)、(21~29)、(30~1)六個線圈構成。

V相由(8~16)、(9~17)、(18~25)、(26~34)、(27~35)、(36~7)六個線圈構成。

W相由(14~22)、(15~23)、(24~31)、(32~4)、(33~5)、(6~13)六個線圈構成。

(4)接線。

U相繞組的接線：2作為U相繞組的首端U1，順著電流方向串聯(lián)成一條支路,10和3、11和19、12和20、28和21、29和1相連,30是U相繞組的末端U2。接線如下：

V、W兩相繞組的首端和U相繞組的首端依次相差120°和240°電角度，根據(jù)槽距角α=20°，應依次相差六個槽，即V相繞組的首端在8號槽，W相繞組的首端在14號槽。

V、W兩相繞組的接線方式和U相繞組的接線方式相同，只是線圈的組成和槽號不同。

V相繞組的接線：W相繞組的接線：

例2-3

一雙層繞組，m1=3，2p=4，Z1＝24，60°相帶，試分析各相繞組的接線順序。

解

(1)極距、槽距角、每極每相槽數(shù)的計算以及分相同例2-2。

(2)相繞組的構成。取節(jié)距y=5，根據(jù)分相表和節(jié)距，相繞組的構成如下:

U相由(1~6)、(2~7)、(7~12)、(8~13)、(13~18)、(14~19)、(19~24)、(20~1)八個線圈構成。

V相由(5~10)、(6~11)、(11~16)、(12~17)、(17~22)、(18~23)、(23~4)、(24~5)八個線圈構成。

W相由(9~14)、(10~15)、(15~20)、(16~21)、(21~2)、(22~3)、(3~8)、(4~9)八個線圈構成。

上述數(shù)字下面的橫線是指此邊為線圈的下層邊。

(3)接線。

U相繞組的接線：1作為U相繞組的首端U1,順著電流方向串聯(lián)成一條支路,6和2、7和13、8和12、7和13、18和14、19和1、20和24相連,19是U相繞組的末端U2。接線如下：

V、W兩相繞組的首端和U相繞組的首端依次相差120°和240°電角度，根據(jù)槽距角α=30°，應依次相差四個槽，即V相繞組的首端在5號槽，W相繞組的首端在

9號槽。

V、W兩相繞組的接線方式和U相繞組的接線方式相同，只是線圈的組成和槽號不同。

V相繞組的接線:W相繞組的接線:

3)三相繞組引出線的連接

繞組引出線連接正確與否決定電機能否正常運轉以及轉速是否正確,對電機的應用意義重大。

按GB1971—1980規(guī)定，異步電動機繞組出線端的標志由英文字母和數(shù)字組成。繞組接線端不論是終端還是中間各抽頭，均以數(shù)字緊接繞組字母的方法標記，如U1、U2、U3。繞組進線端(起頭)用U1、V1、W1表示，出線端(終端)用U2、V2、W2表示，N表示中性端。

常見的三相異步電動機繞組出線端接法如圖2-16所示，可根據(jù)需要接成星形(Y)或三角形(△)，也可將六個出線端接入控制電路中實現(xiàn)星形和三角形的換接。圖2-16三相異步電動機繞組出線端接法(a)三相繞組6個接線端;(b)Y接法;2.1.3三相異步電動機的工作原理

1.三相異步電動機的工作原理

圖2-17所示為用圖解法分析旋轉磁場的電機繞組結構圖。圖中交流電機的定子上嵌放著對稱的三相繞組U1—U2、V1—V2、W1—W2。電流的流入端用符號表示，流出端用⊙表示。圖2-17用圖解法分析旋轉磁場(a)ωt=0°時;(b)ωt=120°時;(c)ωt=240°時;(d)ωt=360°時三相對稱電流波形如圖2-18所示。假定電流從繞組首端流入為正，從末端流出為負。圖2-18三相對稱交流電流的波形對稱三相交流電流通入對稱三相繞組時，便產(chǎn)生一個旋轉磁場。下面選取各相電流出現(xiàn)最大值的幾個瞬間進行分析。

在圖2-17中，當ωt=0°時，U相電流達到正最大值，電流從首端U1流入，用表示，從末端U2流出，用⊙表示；V相和W相電流均為負，因此電流均從繞組的末端流入，從首端流出，故末端V2和W2應填上，首端V1和W1應填上⊙，如圖2-17(a)所示。由圖可見，合成磁場的軸線正好位于U相繞組的軸線上。當ωt=120°時，V相電流為正的最大值，因此V相電流從首端V1流入，用表示，從末端V2流出，用⊙表示。U相和W相電流均為負，則U1和W1端為流出電流，用⊙表示，而U2和W2端為流入電流，用表示，如圖2-17(b)所示。由圖可見，此時合成磁場的軸線正好位于V相繞組的軸線上，磁場方向已從ωt=0°時的位置沿逆時針方向旋轉了120°。

當ωt=240°和ωt=360°時，合成磁場的位置分別如圖2-17(c)、(d)所示。當ωt=360°時，合成磁場的軸線正好位于U相繞組的軸線上，磁場方向從起始位置逆時針方向旋轉了360°，即電流變化一個周期，合成磁場旋轉一周。由此可見，對稱三相交流電流通入對稱三相繞組所形成的磁場是一個旋轉磁場。旋轉的方向為U→V→W，正好和電流出現(xiàn)正的最大值的順序相同，即由電流超前相轉向電流滯后相。

如果三相繞組通入負序電流，則電流出現(xiàn)正的最大值的順序是U→W→V。通過圖解法分析可知，旋轉磁場的旋轉方向也為U→W→V。綜上分析可知，三相異步電動機轉動的基本工作原理是：

(1)三相對稱繞組中通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉磁場，其轉速為同步轉速(n1)且

(2-6)

式中：f為電源頻率，單位為Hz；p為電機極對數(shù)。

(2)轉子導體切割旋轉磁場產(chǎn)生感應電動勢和電流。

(3)轉子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉矩，驅使電動機轉子轉動，其轉速(n)小于同步轉速(n1)。異步電動機的轉速不可能達到定子旋轉磁場的轉

速，即同步轉速，因為如果達到同步轉速，則轉子導體與旋轉磁場之間沒有相對運動，隨之在轉子導體中不能感應出電勢和電流，也就不能產(chǎn)生推動轉子旋轉的電磁力。因此，異步電動機的轉速總是低于同步轉速，即兩種轉速之間總是存在差異，異步電動機因此而得名。又因為異步電動機轉子電流是通過電磁感應作用產(chǎn)生的，所以又稱為感應電動機。

(4)異步電動機的旋轉方向始終與旋轉磁場的旋轉方向一致，而旋轉磁場的方向又取決于異步電動機的三相電流相序，因此，三相異步電動機的轉向與電流的相序一致。要改變轉向，只要改變電流的相序，即任意對調(diào)電動機的兩根電源線，便可使電動機反轉。

2．轉差率

同步轉速n1與轉子轉速n之差(n1－n)和同步轉速n1的比值稱為轉差率，用字母s表示，即

(2-7)

轉差率s是異步電動機的一個基本物理量，它反映異步電動機的各種運行情況。對異步電動機而言，當轉子尚未轉動(如啟動瞬間)時，n=0，此時轉差率s=1；當轉子轉速接近

同步轉速(空載運行)時，n1≈n，此時轉差率s≈0。由此可見，作為異步電動機，轉速在0～n1范圍內(nèi)變化，其轉差率s在0～1范圍內(nèi)變化。異步電動機負載越大，轉速就越慢，其轉差率就越大；反之，負載越小，轉速就越快，其轉差率就越小。故轉差率直接反映了轉子轉速的快慢或電動機負載的大小。異步電動機的轉速可由式(2-7)推算:

n=(1－s)n1

(2-8)

3．異步電機的三種運行狀態(tài)

根據(jù)轉差率的大小和正負，異步電機有三種運行狀態(tài)。

(1)電動機運行狀態(tài)。當定子繞組接至電源時，轉子就會在電磁轉矩的驅動下旋轉，電磁轉矩即為驅動轉矩，其轉向與旋轉磁場方向相同，如圖2-19(a)所示。此時電機從電網(wǎng)取得的電功率轉變成機械功率，由轉軸傳輸給負載。電動機的轉速范圍為n1>n≥0，其轉差率范圍為0<s≤1。

(2)發(fā)電機運行狀態(tài)。異步電機定子繞組仍接至電源，該電機的轉軸不再接機械負載，而用一臺原動機拖動異步電機的轉子以大于同步轉速(n>n1)的轉速順著旋轉磁場的旋轉方向轉動，如圖2-19(b)所示。顯然，此時電磁轉矩方向與轉子轉向相反，起制動作用，為制動轉矩。為克服電磁轉矩的制動作用而使轉子繼續(xù)旋轉，并保持n>n1，電機必須不斷從原動機吸收機械功率，把機械功率轉變?yōu)檩敵龅碾姽β?，因此稱為發(fā)電機運行狀態(tài)。此時,n>n1，則轉差率s<0。

(3)電磁制動運行狀態(tài)。異步電機定子繞組仍接至電源，如果用外力拖著電機逆著旋轉磁場的旋轉方向轉動,

如圖2-19(c)所示，則此時電磁轉矩與電機旋轉方向相反，起制動作用。電機定子仍從電網(wǎng)吸收電功率，同時轉子從外部吸收機械功率，這兩部分功率都在電機內(nèi)部以損耗的方式轉化成熱能消耗掉。這種運行狀態(tài)稱為電磁制動運行狀態(tài)。此種情況下，n為負值，即n<0，則轉差率s>1。圖2-19異步電動機的三種運行狀態(tài)(a)電動機(0<s≤1);(b)發(fā)電機(－∞<s<0);(c)電磁制動(1<s<+∞)2.1.4三相異步電動機的分類和銘牌

1.三相異步電動機的分類

1)按結構尺寸分類

(1)大型電動機：指電動機機座中心高度大于630mm，或者16號機座及以上，或定子鐵芯外徑大于990mm者，稱為大型電動機。

(2)中型電動機:指電動機機座中心高度在355～630mm之間，或者11~15號機座，或定子鐵芯外徑在560～990mm之間者，稱為中型電動機。

(3)小型電動機:指電動機機座中心高度在80～315mm之間，或者10號及以下機座，或定子鐵芯外徑在125~560mm之間者，稱為小型電動機。

2)按轉速分類

(1)恒轉速電動機:有普通鼠籠式、特殊鼠籠式(深槽式、雙鼠籠式、高啟動轉矩式)和繞線式轉子電動機。

(2)調(diào)速電動機:有交流換向器調(diào)速電動機等。一般采用三相并勵式的繞線轉子電動機(轉子控制電阻、轉子控制勵磁)。

(3)變速電動機:有變極電動機、單繞組多速電動機、特殊鼠籠式電動機和滑差電動機等。

3)按機械特性分類

(1)普通鼠籠式異步電動機:適用于小容量、轉差率變化小的恒速運行情況，如鼓風機、離心泵、車床等低啟動轉矩和恒負載的場合。

(2)深槽鼠籠式電動機:適用于中等容量、啟動轉矩比普通鼠籠式異步電動機稍大的場合。

(3)雙鼠籠式異步電動機:啟動轉矩較大，但最大轉矩稍小，適用于傳送帶、壓縮機、粉碎機、攪拌機、往復泵等需要啟動轉矩較大的恒速負載。

(4)特殊雙鼠籠式異步電動機：采用高阻抗導體材料制成，特點是啟動轉矩大，最大轉矩小，轉差率較大，可實現(xiàn)轉速調(diào)節(jié)，適用于沖床、切斷機等設備。

(5)繞線式轉子異步電動機：適用于啟動轉矩大、啟動電流小的設備，如傳送帶、壓縮機、壓延機等。

4)按運行工作制分類

工作制是對電動機各種負載(包括空載、停機、斷能等)的持續(xù)時間和先后次序的說明。

(1)連續(xù)工作制(S1)：電動機在銘牌規(guī)定的額定值條件下，能保證長期連續(xù)運行。

(2)短時工作制(S2)：電動機在銘牌規(guī)定的條件下，只能在限定的時間內(nèi)短時運行。該時間不足以達到熱穩(wěn)定，隨之即停機并斷電足夠時間，使電動機再度冷卻到與冷卻介質溫度之差在2℃以內(nèi)。

短時運行的持續(xù)時間標準有四種：10min、30min、

60min和90min。

(3)斷續(xù)周期性工作制(S3)：電動機在銘牌規(guī)定的額定值下，按一系列相同的工作周期運行，每一周期包括一段恒定負載運行時間和一段停機并斷電時間，這種工作制中每一周期的啟動電流對電動機溫升無顯著影響。

額定負載時間與整個周期之比，稱為負載持續(xù)率，用百分數(shù)表示。標準的負載持續(xù)率有15％、25％、40％、60%，一個周期規(guī)定為10min。

5)按防護形式分類

(1)開啟式:電動機除必要的支撐結構外，對于轉動及帶電部分沒有專門的保護。

(2)防護式:電動機內(nèi)轉動和帶電部分有必要的機械保護，但不明顯妨礙通風。按其通風口防護結構不同，又分為三種類型：網(wǎng)罩式、防滴式和防濺式。防滴式與防濺式不同，防滴式能防止垂直下落的固體或液體進入電動機內(nèi)部，而防濺式能防止與垂線成60°角范圍內(nèi)任何方向的液體或固體進入電動機內(nèi)部。

(3)封閉式：電動機機殼結構能夠阻止殼內(nèi)外空氣自由交換，但并不要求完全密封。

(4)防水式：電動機機殼結構能夠阻止具有一定壓力的水進入電動機內(nèi)部。

(5)水密式：當電動機浸沒在水中時，電動機機殼結構能夠防止水進入電動機內(nèi)部。

(6)潛水式：電動機在規(guī)定的水壓下，能長期在水中運行。

(7)隔爆式：電動機機殼結構能阻止電動機內(nèi)部的氣體爆炸傳遞到電動機外部，避免引起電動機外部的燃燒性氣體爆炸。

6)按使用環(huán)境分類

電動機按使用環(huán)境可分為普通型、濕熱型、干熱型、船用型、化工型、高原型和戶外型。

2.三相異步電動機的型號

電動機產(chǎn)品型號是為了便于使用、制造、設計等部門進行業(yè)務聯(lián)系和簡化技術文件中產(chǎn)品名稱、規(guī)格、型式等敘述而引用的一種代號。

三相異步電動機的產(chǎn)品型號是以漢語拼音大寫字母和阿拉伯數(shù)字組成的。

電動機產(chǎn)品型號的構成及其內(nèi)容排列如下：

1)產(chǎn)品系列代號

產(chǎn)品系列代號表示電動機的類型，用大寫漢語拼音字母表示,其含義見表2-2。表2-2產(chǎn)品系列代號中漢語拼音字母的含義

2)產(chǎn)品規(guī)格代號

產(chǎn)品規(guī)格代號用中心高、機座長度、鐵芯長度、功率、電壓或轉數(shù)表示。

(1)小型異步電動機：中心高(mm)—機座長度(字母代號)—鐵芯長度(數(shù)字代號)—極數(shù)。機座長度的字母代號采用國際通用符號來表示：S表示短機座；M表示中機座；L表示長機座。

(2)中型異步電動機：中心高(mm)—鐵芯長度(數(shù)字代號)—極數(shù)。

(3)大型異步電動機：功率(kW)—極數(shù)／定子鐵芯外徑(mm)。

3)特殊環(huán)境代號

特殊環(huán)境代號用于特殊環(huán)境條件下所使用的代號，其表示可按表2-3的規(guī)定。一般環(huán)境不需另外標注。表2-3特殊環(huán)境代號

4)產(chǎn)品代號說明

產(chǎn)品代號說明由電動機類型代號、電動機特點代號和設計序號等三個小節(jié)順序組成。

電動機類型代號：Y表示異步電動機；T表示同步電動機。

電動機特點代號：表征電機的性能、結構或用途而采用的漢語拼音字母。

設計序號：指電機產(chǎn)品設計的順序，用阿拉伯數(shù)字表示。

5)產(chǎn)品型號舉例

(1)小型異步電動機。其型號意義如下：(2)中型異步電動機。其型號意義如下：(3)大型異步電動機。其型號意義如下：

3.三相異步電動機的銘牌

銘牌是使用和維修電動機的依據(jù)。必須按銘牌上所寫額定值和要求去使用和維修。

通常電動機銘牌上要標出電動機型號、額定功率、額定電壓、額定電流、額定頻率、額定效率、額定轉速、額定功率因數(shù)、轉子電壓、轉子電流、絕緣等級、溫升、防護等級等，除此之外，還要標出標準編號、工作制或定額、出廠編號、出廠單位、生產(chǎn)日期等。圖2-20所示是某廠的三相異步電動機銘牌。圖2-20三相異步電動機銘牌現(xiàn)將銘牌中的額定數(shù)據(jù)解釋如下：

(1)額定功率PN:表示電動機在額定電壓、額定頻率和額定負載時，轉軸上輸出的機械功率，單位為kW。通常使負載處于PN的75％~100％時電動機效率和功率因數(shù)較高。如果電動機實際輸出功率P遠遠小于額定功率PN，則電動機的效率和功率因數(shù)均較低，這時電動機處于“大馬拉小車”狀態(tài)，是不合理的運行方式;相反，電動機實際輸出功率P遠遠大于額定功率PN時，電動機處于過載運行，相當于“小馬拉大車”狀態(tài)，因轉速降低，故轉子銅耗增大，電動機繞組嚴重過熱，電動機定子繞組會因溫升過高而被燒毀。對于三相異步電動機，其額定功率為

式中，ηN為電動機的額定效率；cosφN為電動機的額定功率因數(shù)；線電壓UN的單位為V；線電流IN的單位為A；PN的單位為kW。

對380V的低壓異步電動機，cosφN和ηN的乘積大致在0.8左右，代入式(2-9)計算得

IN≈2PN

(2-10)(2-9)

(2)額定頻率fN:電動機電源頻率在符合電動機銘牌要求時的頻率。我國工頻為50Hz，國外有60Hz的。頻率的大小對電動機性能有很大影響，尤其國外60Hz的電動機，通常不能直接使用在國內(nèi)50Hz的電源上。

(3)額定電壓UN：指施加在三相電動機定子繞組上的線電壓，國內(nèi)電源電壓有10kV、6kV、3kV、380V、220V等。一般中、小型三相異步電動機額定電壓為380V，要求電

源電壓波動不可超過額定電壓的±5％，比如380V時，電壓波動范圍應在399~361V之間。電源電壓過低，電動機啟動困難(因啟動轉矩與電壓的二次方成正比)，甚至不能啟動；電源電壓過高，則會使電動機過熱，甚至燒毀電動機。

(4)額定電流IN:指當電動機在額定狀態(tài)下運行時，定子繞組的線電流。電動機運行時定子線電流不可超過電動機銘牌上標出的額定電流，否則說明電動機過載了，電動機溫升將超限，這時要分析過載原因并及時處理。

(5)額定轉速nN:電動機接入額定電壓、額定頻率和額定負載時，電動機轉軸上的轉速稱為額定轉速，單位為r/min。電動機過載時的轉速比nN低，空載時的轉速要比nN高一些。

(6)絕緣等級及溫升:電動機的絕緣等級取決于所用絕緣材料的耐熱等級，按材料的耐熱程度有A、E、B、F、H級五種常見的規(guī)格，C級不常用。

各絕緣等級的極限工作溫度見表2-4。

電動機運行時所產(chǎn)生的損耗變成熱能，使繞組溫度升高，繞組絕緣最熱點的溫度不可超過極限工作溫度。比如，電動機是F級絕緣等級，絕緣最熱點溫度(即極限工作溫度)不可超過155℃，否則會加速電動機絕緣老化，縮短電動機絕緣壽命，甚至燒毀電動機。表2-4電動機絕緣等級、極限工作溫度與溫升電動機運行時由于發(fā)熱，繞組溫度會高于環(huán)境溫度。我國環(huán)境溫度規(guī)定的標準是40℃，電動機的溫升應是繞組絕緣最高允許溫度減去環(huán)境溫度再減去熱點溫差所得的值。比如，F(xiàn)級絕緣的溫升為155－40－15=100K(電阻法)。又如，B級絕緣等級溫升為130－4010=80K。

繞組溫升限度與測量方法有關，常用的測量方法有溫度計法、電阻法和埋置檢溫計法。

(7)繞組接法：三相繞組每相有兩個端頭，三相共6個端頭，可以接成△連接和Ｙ連接，也有每相中間有抽頭的，這樣每三相共有9個端頭，可以接成△連接、Ｙ連接、延邊三角形連接和雙速電動機繞組接線。具體如何連接，一定要按銘牌指示操作，否則電動機不能正常運行，甚至會燒毀。

如果把△連接誤接成Ｙ連接，則由于電源電壓不變，每相繞組承受的相電壓降到原來的0.58倍(即降低到原來的

1/)。對于UN=380V、△連接的電動機，相電壓也是380V，但誤接成Ｙ連接后，其相電壓變?yōu)?80V/

=220V，電動機啟動轉矩和電磁轉矩將降低為原來的1/3。設原電動機啟動轉矩為100N·m，現(xiàn)變成0.33×100=33N·m，會造成電動機啟動困難、發(fā)熱或不能啟動。但對于負載率低于30％的電動機，將△連接改為Ｙ連接時，由于鐵損和勵磁電流的降低，電動機效率和功率因數(shù)有所提高，因此對節(jié)能有利。

如將Ｙ連接誤接成△連接，則因相電壓增加為原來的倍，磁密和勵磁電流增加，將使電動機因過熱而燒毀。

(8)轉子電壓：對于繞線式異步電動機，轉子電壓是指轉子不轉及轉子繞組開路時，對定子施加額定電壓，在集電環(huán)上所測出的轉子繞組感應電壓。用這種方法也可判別繞組重繞時，線圈匝數(shù)是否有誤，以及并聯(lián)支路數(shù)是否正確。

(9)轉子電流：當電動機在額定負載下正常運轉時，將轉子繞組出線端短接后，轉子繞組中流動的電流稱為轉子電流。銘牌上的轉子電流是額定轉子電流。

(10)額定功率因數(shù)cosφN：當電動機在額定狀態(tài)下運行時，定子相電壓與相電流之間的相位差cosφN，稱為額定功率因數(shù)。

(11)額定效率ηN:電動機在額定工作狀態(tài)下，輸出功率P2與輸入功率P1的比值，稱為電動機的額定效率ηN，用百分數(shù)表示，即

(2-11)

(12)標準編號:指電動機產(chǎn)品按此標準生產(chǎn)，其技術數(shù)據(jù)能達到這個標準的要求。

(13)定額或工作制:指由制造廠按照GB755—87規(guī)定的條件，在電動機銘牌上標定的全部電氣量和機械量的數(shù)值以及運行的持續(xù)時間和順序。常用的定額分為連續(xù)定額、短時定額和斷續(xù)定額。

(14)出廠編號:每個制造廠為了區(qū)別各種規(guī)格的每臺電動機，便于記錄各臺電動機的情況，建立檔案，因此要給每臺電動機進行出廠編號。2.2.1三相異步電動機的空載運行

1.空載運行時的電磁關系

(1)主磁通：當三相異步電動機定子繞組通入三相對稱交流電時，將產(chǎn)生旋轉磁動勢，該磁動勢產(chǎn)生的磁通絕大部分穿過氣隙，并同時交鏈于定、轉子繞組，這部分磁通稱為主磁通，用Φ0表示。其路徑為：定子鐵芯→氣隙→轉子鐵芯→氣隙→定子鐵芯，構成閉合磁路，如圖2-21(a)所示。2.2三相異步電動機的運行特性圖2-21主磁通和漏磁通(a)主磁通和槽部漏磁通;(b)端部漏磁通主磁通同時交鏈定、轉子繞組并在其中分別產(chǎn)生感應電動勢。轉子繞組為三相或多相短路繞組，在電動勢的作用下，轉子繞組中有電流通過。轉子電流與定子磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉矩，實現(xiàn)異步電動機的能量轉換，即將電能轉化為機械能從電機軸上輸出，從而帶動負載作功，因此，主磁通是能量轉換的媒介。

(2)漏磁通:除主磁通外的磁通稱為漏磁通，用Φσ表示，它包括定子、轉子繞組的槽部漏磁通和端部漏磁通，如圖2-21(a)、(b)所示。

漏磁通沿磁阻很大的空氣隙形成閉合回路，空氣中的磁阻較大，所以漏磁通比主磁通小很多。漏磁通僅在定子繞組上產(chǎn)生漏電動勢，因此不能起能量轉換的媒介作用，只起電抗壓降的作用。

(3)空載電流和空載磁動勢:異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流，用表示。

當異步電動機空載運行時，定子繞組有空載電流通過，三相空載電流將產(chǎn)生一個旋轉磁動勢，稱為空載磁動勢，用表示，其基波幅值為

(2-12)

2.空載運行時的電壓平衡方程

(1)主、漏磁通感應的電動勢。主磁通在定子繞組中感應的電動勢為

式中，f1為電源頻率。

定子漏磁通在定子繞組中感應的漏磁電動勢可用漏抗壓降的形式表示，即

(2-14)(2-13)

(2)空載時的電壓平衡方程式。設定子繞組上外加相電壓為，相電流為，主磁通在定子繞組中感應的電動勢為，定子漏磁通在定子每相繞組中感應的電動勢為，定子每相電阻為R1，類似于變壓器空載時的一次側，根據(jù)基爾霍夫第二定律，可列出電動機空載時每相的定子電壓平衡方程式:

(2-15)2.2.2三相異步電動機的負載運行

1.負載運行時的電磁關系

異步電動機空載運行時，轉子轉速接近同步轉速，轉子電流I2≈0，轉子磁動勢F2≈0，轉子感應電動勢E2≈0。

當異步電動機帶上機械負載時，轉子轉速下降，定子旋轉磁場切割轉子繞組的相對速度Δn=n1－n增大，轉子感應電動勢和轉子電流增大。

2.旋轉磁場對轉子繞組的作用

轉子不轉時，氣隙旋轉磁場以同步轉速n1切割轉子繞組；在轉子以轉速n旋轉后，旋轉磁場就以n1－n的相對速度切割轉子繞組。因此，當轉子轉速n變化時，各轉子繞組電磁量將隨之變化。

(1)轉子電動勢的頻率。感應電動勢的頻率正比于導體與磁場的相對切割速度，則轉子電動勢的頻率為

(2-16)當轉子不轉(如啟動瞬間)時，n=0，s=1,則f2=f1，即轉子不轉時轉子感應電動勢頻率與定子感應電動勢頻率相等；當轉子接近同步轉速(如空載運行)時，n≈n1,s≈0,則f2≈0。異步電動機在額定情況運行時，轉差率很小，通常在0.01～0.06之間，若電網(wǎng)頻率為50Hz，則轉子感應電動勢頻率僅在0.5～3Hz之間，所以異步電動機在正常運行時，轉子繞組感應電動勢的頻率很低。

(2)轉子繞組的感應電動勢。由上述討論可知，轉子旋轉時的轉子繞組感應電動勢E2s為

(2-17)

式中，N2為轉子繞組匝數(shù)；kw2為轉子繞組系數(shù)，計算時應與具體諧波相對應。若轉子不轉，則其感應電動勢頻率f2=f1，故此時感應電動勢E2為

(2-18)

把式(2-16)和式(2-18)代入式(2-17)，得

(2-19)當電源電壓U1一定時，Φ0就一定，故E2為常數(shù)，則E2s∝s，即轉子繞組感應電動勢與轉差率s成正比。

當轉子不轉時，轉差率s=1，主磁通切割轉子的相對速度最快，此時轉子電動勢最大。當轉子轉速增加時，轉差率將隨之減小。因正常運行時轉差率很小，故轉子繞組感應電動勢也就很小。

(3)轉子繞組的漏阻抗。由于電抗與頻率成正比，因此轉子旋轉時的轉子繞組漏電抗X2s為

X2s=2πf2L2=2πsf1L2=sX2(2-20)

式中，X2為轉子不轉時的漏電抗；L2為轉子繞組的漏電感。

顯然，X2是個常數(shù)，故轉子旋轉時的轉子繞組漏電抗也正比于轉差率s。

同樣，在轉子不轉(如啟動瞬間)時，s=1，轉子繞組漏電抗最大。當轉子轉動時，漏電抗隨轉子轉速的升高而減小，即轉子旋轉得越快，轉子繞組中的漏電抗越小。

(4)轉子繞組的電流和功率因數(shù)。轉子繞組中除了有漏抗X2s外，還存在電阻R2，由于異步電動機的轉子繞組正常運行時處于短接狀態(tài)，其端電壓U2=0，因此轉子繞組電動勢平衡方程為

(2-21)轉子每相電流為

其有效值為

(2-22)(2-23)轉子繞組的功率因數(shù)為

(2-24)

式(2-23)和式(2-24)說明，轉子繞組電流I2和轉子回路功率因數(shù)都與轉差率s有關。當s=0時，I2=0，cosφ2=1；當轉子轉速降低時，轉差率s增大，轉子電流隨之增大，而cosφ2則減小。

綜上所述，轉子各電磁量除R2外，其余各量均與轉差率s有關，因此轉差率s是異步電動機的一個重要參數(shù)。轉子各電磁量隨轉差率變化的情況如圖2-22所示。圖2-22轉子各電磁量與轉差率的關系

例2-4

一臺三相異步電動機接到50Hz的交流電源上，其額定轉速nN=1455r/min。試求：

(1)該電動機的極對數(shù)p；

(2)額定轉差率sN；

(3)額定轉速運行時，轉子電動勢的頻率。

解

(1)因異步電動機額定轉差率很小，故可根據(jù)電動機的額定轉速nN=1455r／min，直接判斷出最接近nN的氣隙旋轉磁場的同步轉速n1=1500r／min，則電動機極對數(shù)為

(2)額定轉差率為

(3)轉子電動勢的頻率為

f2=sNf1=0.03×50=1.5Hz

3.電動勢平衡方程

在定子電路中，主電動勢、漏磁電動勢、定子繞組電阻壓降與外加電源電壓相平衡，此時定子電流為。在轉子電路中，因轉子為短路繞組，故主電動勢、漏磁電動勢和轉子繞組電阻壓降相平衡。因此，定子、轉子的電動勢平衡方程為

(2-25)2.2.3三相異步電動機的功率和轉矩

1.輸入功率

由電網(wǎng)供給電動機的功率稱為輸入功率，其計算公式為

式中,U1、I1、cosφ1分別為定子的線電壓、線電流和功率因數(shù)。(2-26)

2.定子銅損耗

定子電流流過定子繞組時，電流I1在定子繞組電阻R1上的功率損耗稱為定子銅損耗，其計算式為

3.定子鐵損耗

旋轉磁場在定子鐵芯中還將產(chǎn)生鐵損耗(因轉子頻率很低，一般為1～3Hz，故轉子鐵損耗很小，可忽略不計)，其值可看做勵磁電流I0在勵磁電阻上所消耗的功率，即

(2-27)(2-28)

4.電磁功率

從輸入功率P1中扣除定子銅損耗PCu1和定子鐵損耗PFe，剩余的功率便是由氣隙磁場通過電磁感應關系,由定子傳遞到轉子側的電磁功率Pem，即

Pem=P1－(PCu1+PFe)

(2-29)

5.轉子銅損耗

轉子電流流過轉子繞組時，電流I2在轉子繞組電阻R2上的功率損耗稱為轉子銅損耗，其計算式為

(2-30)

6.總機械功率

傳遞到轉子的電磁功率扣除轉子銅損耗后為電動機的總機械功率PMEC，即

PMEC=Pem－PCu2

(2-31)

由以上可知，由定子經(jīng)空氣隙傳遞到轉子的電磁功率有一小部分轉變?yōu)檗D子銅損耗，其余絕大部分轉變?yōu)榭倷C械功率。

7.機械損耗和附加損耗

電動機運行時，由軸承及風阻等摩擦所引起的損耗叫做機械損耗Pmec。由定、轉子開槽和諧波磁場引起的損耗叫做附加損耗Pad。電動機的附加損耗很小，一般在大型異步電動機中，Pad約為電動機額定功率的0.5％；在小型異步電動機滿載運行時，Pad可達電動機額定功率的1％～3％或更大一些。

8.機械功率

總機械功率PMEC減去機械損耗Pmec和附加損耗Pad，才是電動機轉軸上輸出的機械功率P2，即

P2=PMEC－(Pmec+Pad)

(2-32)

可見，異步電動機運行時，從電源輸入電功率P1到轉軸上輸出功率P2的全過程為

P2=P1－PCu1－PFe－PCu2－Pmec－Pad

=P1－∑P

(2-33)

式中，∑P為電動機的總損耗。式(2-33)為三相異步電動機的功率平衡方程。異步電動機的功率流程如圖2-23所示。圖2-23異步電動機功率流程圖

9.轉矩平衡

由動力學可知，旋轉體的機械功率等于作用在旋轉體上的轉矩與其機械角速度Ω的乘積，(rad/s)。將式(2-32)的兩邊同除以轉子機械角速度Ω，便得到穩(wěn)態(tài)時異步電動機的轉矩平衡方程式:

即

T2=Tem－T0

或Tem=T2+T0(2-34)式中，為電動機電磁轉矩，為驅動性質的轉矩；

為電動機軸上輸出的機械負載轉矩，為制動性質的轉矩；為機械損耗和附加損耗的轉矩，即空載轉矩，它也為制動性質的轉矩。從式(2-34)可推得

(2-35)

式中，Ω1為同步機械角速度，。

例2-5

一臺PN=7.5kW、UN=380V、nN=962r/min的6極三相異步電動機，定子三角形連接，額定負載時cosφN=0.827，PCu1=470W，PFe=234W，Pmec=45W，Pad=80W，試求額定負載時的轉差率sN、轉子頻率f2、轉子銅損耗PCu2、定子電流I1以及負載轉矩T2、空載轉矩T0和電磁轉矩Tem。

解額定轉差率sN的計算如下:

轉子頻率f2的計算如下:

f2=sNf1=0.038×50=1.9Hz轉子銅損PCu2的計算如下:

PMEC=P2＋Pmec＋Pad=7500＋45＋80=7625W

PCu2=sNPem=0.038×7926=301W定子電流I1的計算如下:

P1=P2＋∑P=7500＋(470＋234＋45＋80＋301)=8630W

轉矩T2、T0和Tem的計算如下:

Tem=T2+T0=74.45＋1.24=75.69N·m2.2.4三相異步電動機的工作特性

異步電動機的工作特性是指在額定電壓和額定頻率運行時，電動機的轉速n、輸出轉矩T2、定子電流I1、功率因數(shù)cosφ1、效率η與輸出功率P2之間的關系。

異步電動機的工作特性可以通過電動機直接加負載試驗得到。圖2-24所示為三相異步電動機的工作特性曲線。下面分別加以說明。圖2-24三相異步電動機的工作特性曲線

1.轉速特性n=f(P2)

空載時，P2=0，轉子電流很小，n≈n1,即轉子轉速接近同步轉速；負載時，隨著P2的增大，轉子電流也增大，轉速n則降低,但下降不多；額定運行時，轉差率很小，一般sN≈0.01～0.06，相應的轉速nN=(1－sN)n1=(0.99~0.94)n1，與同步轉速n1接近。因此，故轉速特性n=f(P2)是一條稍向下傾斜的曲線。

2.轉矩特性T2=f(P2)

異步電動機的輸出轉矩

空載時，P2=0，T2=0；負載時，隨著輸出功率P2的增加，轉速略有下降，故由式(2-36)可知，T2的上升速度略快于P2的上升速度，故T2=f(P2)為一條過零點稍向上翹的曲線。由于從空載到滿載n變化很小，因此T2=f(P2)可近似看成一條直線。(2-36)

3.定子電流特性I1=f(P2)

電動機空載時，P2=0，定子電流I1=I0；負載時，隨著輸出功率P2的增加，轉子電流增大，于是定子電流的負載分量也隨之增大。所以，I1隨P2的增大而增大。

4.定子功率因數(shù)特性cosφ1=f(P2)

三相異步電動機運行時需要從電網(wǎng)吸收感性無功功率來建立磁場，所以異步電動機的功率因數(shù)總是滯后的。

空載時，定子電流主要是無功勵磁電流，因此功率因數(shù)很低，通常不超過0.2；負載運行時，隨著負載的增加，轉子電流和定子電流的有功分量增加，使功率因數(shù)逐漸上升，在額定負載附近，功率因數(shù)最高;超過額定負載后，由于轉差率s迅速增大，使轉子功率因數(shù)cosφ2下降，于是轉子電流無功分量增大，相應的定子無功分量電流也增大，因此定子功率因數(shù)cosφ1反而下降，如圖2-24所示。

5.效率特性η=f(P2)

根據(jù)公式

可知，電動機空載時，P2=0，η=0。當負載運行時，隨著輸出功率P2的增加，效率η也在增加。在正常運行范圍內(nèi)因主磁通和轉速變化很小，故鐵損耗PFe和機械損耗Pmec可認為是不變損耗。定、轉子銅損耗PCu1和PCu2以及附加損耗Pad隨負載而變，稱為可變損耗。當負載增大到使可變損耗等于不變損耗時，效率達最高。若負載繼續(xù)增大，則與電流平方成正比的定、轉子銅損耗增加很快，故效率反而下降，如圖2-24所示。一般在(0.7～1.0)PN范圍內(nèi)效率最高。

(2-37)

異步電動機的功率因數(shù)和效率是反映異步電動機工作性能的兩個重要的參數(shù)。由于額定負載附近的功率因數(shù)及效率均較高，因此電動機應運行在額定負載附近。若電動機長期欠載運行，則效率及功率因數(shù)均低，很不經(jīng)濟。因此在選用電動機時，應注意使其容量與負載相匹配。2.2.5三相異步電動機的機械特性

1.物理表達式

由式(2-35)和電磁功率表達式以及轉子電動勢公式，可推得電磁轉矩物理表達式：

式中，CT為轉矩常數(shù)，對于已制成的電動機，CT為一常數(shù)。

(2-38)

式(2-38)表明，異步電動機電磁轉矩是由主磁通Φ0與轉子電流的有功分量

相互作用產(chǎn)生的。電磁轉矩的大小與主磁通成正比，與轉子電流(準確地說，是與轉子電流的有功分量

)成正比。該表達式物理概念清晰，常用于定性分析異步電動機的各種運行狀態(tài)。

2.參數(shù)表達式

三相異步電動機的電磁轉矩的參數(shù)表達式為

(2-39)式中，p為磁極對數(shù)，U1為定子相電壓，f1為電源頻率，R1和X1為定子每相繞組的電阻和漏抗，和為折算為定子側的轉子電阻和漏抗，s為轉差率。當電動機的轉差率s(或轉速n2)變化時，可由式(2-39)算出相應的電磁轉矩Tem，因而可以作出如圖2-25所示的機械特性曲線。圖2-25三相異步電機的機械特性曲線

Tem>0,電機處于電動機狀態(tài)；Tem<0,電機處于發(fā)電機狀態(tài)。

(1)異步電動機最大轉矩(Tm)和電動機的過載能力(λT)。在機械特性曲線上，轉矩有兩個最大值：一個出現(xiàn)在電動狀態(tài)，另一個出現(xiàn)在發(fā)電狀態(tài)。最大轉矩Tm和對應的轉差率sm(稱為臨界轉差率)可以通過式(2-39)對s求導并令

求得。通常R1<<

)，可以近似認為

(2-40)(2-41)最大電磁轉矩對電動機來說具有重要意義。一般電動機都具有一定的過載能力，以保證電動機不會因短時過載而停轉。顯然，最大電磁轉矩愈大，電動機短時過載能力愈強，因此把最大電磁轉矩與額定轉矩之比稱為電動機的過載能力，用λT表示，即

λＴ是表征電動機運行性能的重要參數(shù)，一般電動機的過載能力λT=1.8～2.2,它反映了電動機短時過載能力的大小。(2-42)

(2)異步電動機啟動轉矩(Tst)和啟動轉矩倍數(shù)(kst)。啟動轉矩(Tst)是指異步電動機接至電源開始啟動瞬間的電磁轉矩。此時n=0，s=1,則式(2-39)可變?yōu)?/p>

(2-43)由于sm隨R2正比增大，而Tm基本與R2無關，因此繞線轉子異步電動機可以在轉子回路串入適當?shù)碾娮?，使sm=1，Tst=Tm，如圖2-26所示。圖2-26在異步電動機轉子回路串電阻使Tst=Tm

繞線轉子異步電動機可以通過轉子回路串電阻的方法增大啟動轉矩，改善啟動性能。對于鼠籠式異步電動機，無法在轉子回路中串電阻，啟動轉矩大小只能在設計時考慮，在額