三相异步电动机的基本结构及运行详细分析

第九章 异步电动机的基本结构和运行分析异步电动机也称感应电动机，是工农业生产中应用最为广泛的一种电机。例如，中小型轧钢设备、矿山机械、机床、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品用的加工机械，大多采用异步电动机拖动。与其他电动机相比，异步电动机具有结构简单、坚固耐用、使用方便、运行可靠、效率高、易于制造和维修、价格低廉等许多优点。但是，异步电动机的应用也有一定的限制，这主要是由其调速性能差、功率因数低而引起的。异步电动机是一种交流电机，它可以是单相的，也可以是三相的。但它的转速和电网频率没有同步电机那样严格不变的关系。本章将分别介绍三相异步电动机的基本结构、工作原理、运行特性以及单相异步电动机的基本结构和工作原理等。第一节 异步电动机的基本结构、分类及铭牌一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机由固定的定子和旋转的转子两个基本部分组成，转子装在定子内腔里，借助轴承被支撑在两个端盖上。为了保证转子能在定子内自由转动，定子和转子之间必须有一间隙，称为气隙。电机的气隙是一个非常重要的参数，其大小及对称性等对电机的性能有很大影响。图9-1所示为三相鼠笼式异步电动机的组成部件。图9-1 三相鼠笼式异步电动机的组成部件1定子定子由定子三相绕组、定于铁心和机座组成。定子三相绕组是异步电动机的电路部分，在异步电动机的运行中起着很重要的作用，是把电能转换为机械能的关键部件。定子三相绕组的结构是对称的，一般有六个出线端、。置于机座外侧的接线盒内，根据需要接成星形（）或三角形（），如图9一2所示，定子三相绕组的构成、连接规律及其作用将在第二节专门介绍。图9一2 三相鼠笼式异步电动机出线端定子铁心是异步电动机磁路的一部分，由于主磁场以同步转速相对定子旋转，为减小在铁心中引起的损耗，铁心采用0.5mm厚的高导磁电工钢片叠成，电工钢片两面涂有绝缘漆以减小铁心的涡流损耗。中小型异步电机定子铁心一般采用整圆的冲片叠成，大型异步电机的定子铁心一般采用肩型冲片拼成。在每个冲片内圆均匀地开槽，使叠装后的定子铁心内圆均匀地形成许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。槽的形状由电机的容量、电压及绕组的型式而定。绕组的嵌放过程在电机制造厂中称为下线。完成下线并进行浸漆处理后的铁心与绕组成为一个整体一同固定在机座内。机座又称机壳，它的主要作用是支撑定子铁心，同时也承受整个电机负载运行时产生的反作用力，运行时由于内部损耗所产生的热量也是通过机座向外散发。中、小型电机的机座一般采用铸铁制成。大型电机因机身较大浇注不便，常用钢板焊接成型。2转子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组及转轴组成。转子铁心也是电机磁路的一部分，也是用电工钢片叠成。与定子铁心冲片不同的是，转子铁心冲片是在冲片的外圆上开槽，叠装后的转子铁心外圆柱面上均匀地形成许多形状相同的槽，用以放置转子绕组。转子绕组是异步电动机电路的另一部分，其作用为切割定子磁场，产生感应电势和电流，并在磁场作用下受力而使转子转动。其结构可分为鼠笼式转子绕组和绕线式转子绕组两种类型。这两种转子各自的主要特点是，鼠笼式转子：结构简单，制造方便，经济耐用；绕线式转子：结构复杂，价格贵，但转子回路可引人外加电阻来改善起动和调速性能。鼠笼式转子绕组由置于转子槽中的导条和两端的端环构成。为节约用钢和提高生产率，小功率异步电机的导条和端环一般都是融化的铝液一次浇铸出来的；对于大功率的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子铁心槽中，再在两端焊上端环。鼠笼式转子绕组自行闭合，不必由外界电源供电，其外形象一个鼠笼，故称鼠笼式转子，如图9-3所示。图9-3 铸铝转子结构（a）铸铝转子绕组；（b）铸铝转子鼠笼式转子绕组的各相均由单根导条组成，其感应电势不大，加上导条和铁心叠片之间的接触电阻较大，所示无需专门把导条和铁心用绝缘材料分开。绕线式转子绕组是用绝缘导线组成，嵌放在转子铁心槽内的三相对称绕组。三相一般为星型接法，三根引出线分别接到固定在转轴上并互相绝缘的三个集电环上，再通过安装在端盖上的电刷装置与集电环接触把电流引出来。这种转子的特点是可以通过集电环和电刷在转子回路中接入附加电阻，用以改善电动机的起动性能，或调节电动机的转速。有的绕线转子异步电动机还装有一种举刷短路装置，当电动机起动完毕而又不需要调节转速时，移动手柄使电刷被举起而与集电环脱离接触，同时使三只集电环彼此短接起来，这样可以减少电刷与集电环间的磨损和摩擦损耗，提高运行可靠性。与鼠笼式转子比较，绕线转子的缺点是结构复杂，价格较贵，运行的可靠性也较差。因此，绕线转子异步电动机只用在要求起动电流小、起动转矩大，或需要调节转速的场合，例如，用来拖动频繁起动的起重设备。转轴是整个转子部件的安装基础，又是力和机械功率的传输部件，整个转子靠轴和轴承被支撑在定子铁心内腔中。转轴一般由中碳钢或合金钢制成。3气隙异步电机的气隙是很小的，中小型电机一般为0.22mm。气隙越大，磁阻越大，要产生同样大小的磁场，就需要较大的励磁电流。由于气隙的存在，异步电机的磁路磁阻远比变压器为大，因而异步电机的励磁电流也比变压器的大得多。变压器的励磁电流约为额定电流的3%，异步电机的励磁电流约为额定电流的30%。励磁电流是无功电流，因而励磁电流越大，功率因数越低。为提高异步电机的功率因数，必须减少它的励磁电流，最有效的方法是尽可能缩短气隙长度。但是汽隙过小会使装配困难，还有可能使定、转子在运行时发生摩擦或碰撞，因此，气隙的最小值由制造工艺以及运行安全可靠等因素来决定。4其他部件端盖：安装在机座的两端，它的材料加工方法与机座相同，一般为铸铁件。端盖上的轴承室里安装了轴承来支撑转子，以使定子和转子得到较好的同心度，保证转子在定子内膛里正常运转。端盖除了起支撑作用外，还起着保护定、转子绕组的作用。轴承：连接转动部分与不动部分，目前都采用滚动轴承以减少摩擦。轴承端盖：保护轴承，使轴承内的润滑油不致溢出。风扇：冷却电动机。二、异步电动机的分类异步电动机按定子相数可分为三相、单相和两相异步电动机 3类。除约 200W以下的电动机多做成单相异步电动机外，现代动力用电动机大多数都为三相异步电动机。两相异步电机主要用于微型控制电机。按照转子型式，异步电机可分为鼠笼型转子和绕线型转子两大类。鼠笼转子又分为普通鼠笼转子、深槽型鼠笼转子和双鼠笼转子3种。三相绕线式异步电动机外形示意图9-4所示，三相鼠笼式异步电动机外形示意图如图9-5所示。图9-4 三相绕线式异步电动机外形根据机壳不同的保护方式，异步电动机可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式等。防护式异步电动机具有防止外界杂物落入电机内的防护装置，一般在转轴上装有风扇，冷却空气进人电机内部冷却定于绕组端部及定子铁心后将热量带出来。JZ系列电动机就是鼠笼式转子防护式异步电动机JR系列电动机是绕线转子防护式异步电动机。封闭式异步电动机的内部和外部的空气是隔开的。它的冷却是依靠装在机壳外面转轴上的风扇吹风，借机座上的散热片将电机内部发散出来的热量带走。这种电机主要用于尘埃较多的场所，例如机床上使用的电机。JOR系列及系列电机就属于这种类型。防爆式异步电动机为全封闭式，它将内部与外界的易燃、易爆性气体隔离。这种电机多用于有汽油、酒精、天然气、煤气等气体较多的地方，如矿井或某些化工厂等处。图9-5 三相鼠笼式异步电动机外形（a）开启式；（b）防护式；（c）封闭式三、异步电动机的铭牌和额定值每台异步电动机机壳上都装有铭牌，把它的运行额定值印刻在上面，如图9-6所示。三相异步电动机型号Y-112M-4编号4.0kW8.8A380kV1440r/minLW82dB接法防护等级IP4450Hz45kg标准编号工作制SIB级绝缘年月电机厂图9-6 三相异步电动机铭牌电机按铭牌上所规定的条件运行时，就称为电机的额定运行状态。根据国家标准规定，异步电动机的额定值主要有：（1）额定功率：指电动机在制造厂（铭牌）所规定额定运行状态下运行时，轴端输出的机械功率，单位为W或kW。（2）定子额定电压：指电动机在额定状态下运行时，定子绕组应加的线电压，单位为V或kV。（3）定子额定电流：指电动机在额定电压下运行，输出额定功率时，流人定子绕组的电流，单位为A。对三相异步电动机，额定功率为： （9-1）式中额定运行时异步电动机的效率；额定运行时异步电动机的功率因数。（4）额定转速：指电动机在额定状态下运行时，转子的转速，单位为r/min。（5）额定频率 ：我国工频为 50HZ。除上述数据外，铭牌上有时还标明定子相数和绕组接法、额定运行时电机的功率因数、效率、温升或绝缘等级、定额等。对绕线转子异步电机还标出定子加额定电压、转子开路时集电环间的转子电压和转子的额定电流等数据。下面对绕组接法、温升和定额作简要说明。绕组接法：三相异步电动机的定于绕组可接成星形或三角形，视额定电压和电源电压的配合情况而定。例如星形接法时额定电压为380V，则改为三角形时就可用于220V的电源上。为了满足这种改接的需要，通常把三相绕组的6个端头都引到接线板上，以便于采用两种不同接法，如图9-7所示。图9-7 三相异步电动机的接线板(a) 星形连接；(b) 三角形连接。温升：指电机按规定方式运行时，绕组容许的温度升高，即绕组的温度比周围空气温度高出的数值。容许温升的高低取决于电机所使用的绝缘材料。例如Y系列电机一般采用B级绝缘，其最高容许温度为130，如周围空气温度按40计算，并计入10的裕量，则B级绝缘的容许温升为130-（40 10）=80。定额：我国电机的定额分为3类，即连续定额、短时定额和断续定额。连续定额是指电机按铭牌规定的数据长期连续运行。短时定额和断续定额均属于间歇运行方式，即运行一段时间后就停止运行一段时间。可见，短时定额和断续定额方式下，有一段时间电机不发热，所以，容量相同时这类电机的体积可以做得小一些，或者连续定额的电机用作短时定额或断续定额运行时，所带的负载可以超过铭牌上规定的数值。但是，短时定额和断续定额的电机不能按其容量作连续运行，否则会使电机过热而损坏。 第二节 交流绕组()三相异步电动机的交流绕组是由许多嵌放在走子铁心槽中的线圈按照一定的规律分布、排列并连接而成的。本节主要介绍三相异步电动机交流绕组的构成、连接方法、展开图绘制方法。一、交流绕组概述交流绕组是把属于同相的导体绕成线圈，再按照一定的规律，将线图串联或并联起来。交流绕组通常都绕成开启式，每相绕组的始端和终端都引出来，以便于接成星形或三角形。1绕组的基本术语（1）线圈、线圈组、绕组线圈也称绕组元件，是构成绕组的最基本单元，它是用绝缘导线按一定形状绕制而成的，可由一匝或多匝组成；多个线圈连成一组就称为线圈组；由多个线圈或线圈组按照一定规律连接在一起就形成了绕组，图9-8所示为常用的线圈示意图。线圈嵌放在铁心槽内用，不能直接转换能量，称为端部。图9-8 线圈示意图（2）极距极距是指交流绕组一个磁极所占有定子圆周的距离，一般用定子槽数来表示。即： (9-2)式中 Z1定子铁心总槽数； 2P磁极数； 极距。（3）线圈节距Y一个线圈的两个有效边所跨定于圆周的距离称为节距，一般也用定于槽数来表示。如某线圈的一个有效边嵌放在第1而另一个有效边放在第6槽，则其节距Y6-15槽。从绕组产生最大磁势或电势的要求出发，节距应接近于极距，即 Y （9-3）当Y=时，称为整距绕组； Y时，称为短距绕组； Y时，称为长距绕组。实际应用中，常采用短距和整距绕组，长距绕组一般不采用，因其端部较长，用钢量较多。（4）机械角度和电角度一个圆周所对应的几何角度为3600角度就称为机械角度。而从电磁方面来看，导体每经过一对磁极N、S，电势就完成一个交变周期。对于4电机，P=2这时导体每旋转一周要经过两对磁极，对应的电角度为 2x3600= 7200，若电机有 P对极，则 电角度=P机械角度 （9-4）（5）每极每相槽数q每极每相槽数q是指每相绕组在每个磁极下占的槽数，可由下式计算： q ( 9 5 )式中相数。个增所占的区域称为一个相带。通常情况下三相异步电动机每个磁极下可按相数分为3个相带，因一个磁极对应的电角度为1800，故每个相带占有电角度为600称为600相带。（6）相距角槽距角是指相邻的两个槽之间的电角度。可由下式计算： （9-6）（7）极相组极相组是指一个磁极下属于同一相的线圈按一定方式串联成的线圈组。2交流绕组的基本要求三相异步电动机交流绕组的构成主要从设计制造和运行两方面考虑。绕组的型式有多种多样，具体要求为：（1）在一定的导体数下，绕组的合成电势和磁势在波形上应尽可能为正弦波，在数值上尽可能大，而绕组的损耗要小，用钢量要省。（2）对三相绕组，各相的电势和磁势要求对称而各相的电阻和电抗都相同。为此必须保证各绕组所用材料、形状、尺寸及匝数都相同且各相绕组在空间的分布应彼此相差1200电角度。（3）绕组的绝缘和机械强度要可靠，散热条件要好。（4）制造、安装、检修要方便。三相交流绕组在槽内嵌放完毕后共有6个出线端引到电动机机座上的接线盒内。高压大、中型容量的异步电动机三相绕组一般采用星形接法；小容量的异步电动机三相绕组一般采用三角形接法。3三相交流绕组的分布、排列与连接要求三相异步电动机交流绕组的作用是产生旋转磁场，要求交流绕组是对称的三相绕组，其分布、排列与连接应按下列要求进行：（1）各相绕组在每个磁极下应均匀分布，以达到磁场的对称。为此先将定子槽数按极数均分，每一等分代表180电角度（称为分极）；再把每极下的槽数分为3个区段（相带），每个相带占60电角度（称为分相）。（2）各相绕组的电源引出线应彼此相隔120电角度。（3）同一相绕组的各个有效边在同性磁极下的电流方向应相同，而在异性磁极下的电流方向相反。（4）同相线圈之间的连接应顺着电流方向进行。4交流绕组的分类按槽内层数来分，可分为单层绕组、双层绕组和单双层混合绕组；按每极每相所占的槽数来分，可分为整数槽绕组和分数槽绕组；按绕组的结构形状来分，可分为链式绕组、交叉式绕、同心式绕组、叠绕组和波绕组等。以下介绍三相单层绕组和三相双层绕组。二、三相单层绕组单层绕组是指每一个槽内只有一条线圈边，整个绕组的线圈数等于定子总槽数一半的绕组。按照线圈的形状和端部连接方式的不同，单层绕组可分为链式绕组、交叉式绕组和同心式绕组等几种形式。根据前面所述对三相绕组的分布、排列和连接要求，可绘出三相单层绕组的展开图，下面举例说明3种常用的三相单层绕组的结构及展开图的绘制方法和步骤。1链式绕组链式绕组是由相同节距的线圈组成，其结构特点是绕组线圈一环套一环，形如长链，其每及每相槽数一般为2槽。【例9-1】国产 Y90L-4型三相异步电动机，定于绕组为单层链式绕组，定子槽数为 24，节距Y=5槽，试绘出其绕组展开图。【解】（1）分极、分相每极所占槽数。槽每极每相槽数 q= 槽分极：如图9-9（）所示，将定子全部槽数按极数均分则每极下分有6槽。磁极按S、N、S、N排列。分相：将每个磁极下的槽数按相数均分为3个相带，则每个相带占有2槽。因一个磁极下有3个相带，则每对极共有6个相带，将这6个相带按U1、W2、V1、U2、W1、V2的顺序排列，如图9-9a所示。（2）标出线圈有效边的电流方向按相邻两个磁极下线团边中的电流方向相反的原则进行设S极下线圈边的电流方向向上，则N极下线圈边的电流方向向下，如图9-9（a）中箭头方向所示。图9-9 链式绕组（a）分极、分相；（b）U相绕组；（c）三相绕组。（3）按绕组节距的要求把相邻异极性下同一相的槽中的线圈边连成线圈由图 9-9（a）可知，U相绕组包含第 1、2、7、8、13、14、19、20 8个槽中的线圈边。线圈边1、2与7、8分别处于S极与N极下面，它们的电流方向相反，故线圈边1、2中的任意一个与线圈边7、8中的任意一个都可组成一个线圈；同样13、14中任意一个与19、20中任一个也都可组成一个线圈。本题中，节距Y=5，故可将U相带下8个槽中的导体组成以下4个线圈：2一7、813、1419、201，如图9-9（b）所示。同理，V相的4个线圈为611、1217、18一23、245；W相的4个线圈为1015、1621、223、49；如图9-9（c）所示。（4）确定各相绕组的出线端各相绕组的出线端彼此相隔1200电角度。由于本题电机的槽距角为 =30则1200电角度相隔 槽将U相绕组出线端的首端U1定在第2槽，则V相首端V1应定在第6槽(6+2),W相首端W1在第10槽，如图9-9(c)所示。（5）顺着电流方向把同相线圈连接起来将U相各线圈沿电流方向连接起来，便形成U相绕组的展开图，如图9-9(b)所示。显然，上述的连接方法是各线圈的“头接头、尾接尾”，这种连接方法称为反串联。按同样的方法，可连成V相绕组和W相绕组，从而得到三相绕组的展开图，如图9-9(c)所示。 国产JO2-21-4型、JO2-22-4型、Y802-4型等三相异步电动机的定于绕组都是采用这种链式绕组。2同心式绕组同心式绕组的结构特点是各相绕组均由不同节距的同心式线圈连接而成，其每极每相槽数一般为4槽。【例 9-2】国产Y100L-2型三相异步电动机，定子绕组为单相同心式绕组，定子槽数为24，大线圈节距为11槽，小线圈节距为9槽，试绘出其绕组展开图。【解】1）分极、分相 每极所占槽数 槽每极每项槽数 7槽由计算可知，该电机每个极下共有12槽，整个定子可分为6个相带，每相带内有4槽。采用与【例9-1】相同的方法分极、分相，如图9-10(a)所示。（2）标出线圈有效边的电流方向设S极下线圈边的电流方向向上，则N极下线圈边电流方向向下，如图9-10(a)中箭头方向所示。图9-10 同心式绕组（a）U相绕组；（b）三相绕组。（3）按绕组节距的要求把同一相的线圈边按电流方向连成线圈。由于大线圈边节距11槽，小线圈边节距9槽，则对U相绕组来说，可将线圈边3与14组成一个大线圈，4与13组成一个小线圈，大小线圈相套形成一个同心式极相组。同理，线圈边15与2组成大线圈，16与1组成小线圈，形成另一个同心式极相组，如图9-10(b)所示。用同样的方法可得：V相的4个线圈为1122、1221、2310、249；W相的4个线圈为196、205、718、817，如图9-10(c)所示。（4）确定各相绕组的出线端各相绕组的出线端彼此相隔120电角度。由于本题电机的槽距角为 则120电角度相隔等8槽 将 U相统组出线端的首端U1定在第三槽，则 V相首端V1在第11槽，W相首端W1在第19槽，如图9-10(b)所示。（5）顺着电流方向把同相线圈连接起来按照“头接头、尾接尾”的方法，将U相各线圈沿电流方向连接起来，便形成U相绕组的展开图，如图9-10(a)所示。同理，可连成V相绕组和W相绕组，从而得到三相绕组的展开图，如图9-10(c)所示。国产JO2-12-2型、JO2-31-2型、Y112M-2型等三相异步电动机的定于绕组都是采用这种同心式绕组。3交叉式绕组交叉式绕组主要用于每极每相槽数为3槽的四极或两极小型三相异步电动机中。这冲绕组可看成是链式绕组和同心式绕组的一个综合。它采用不等距的线圈，比同心式绕组的端部短，且便于布置。【例9-3】国产 Y132S-4型三相异步电动机，定于绕组为单层交叉式，定子槽数为36，大线圈节距为8槽，小线圈节距为7槽，试绘出其绕组展开图。【解】（1）分极、分相 每极所占槽数： 槽每极每相槽数： 槽采用与【例9-1】相同的方法分极、分相，如图9-11(a)所示。（2）标出线圈有效边的电流方向设S极下线圈边的电流方向向上，则N极下线圈边电流方向向下，如图9-11(a)中箭头方向所示。（3）按绕组节距的要求把同一相的线圈边按电流方向连成线圈由于大线圈边节距8槽，小线圈边节距7槽，则对U相绕组来说，可将线圈边2与10和3与11组成一个双联（两个线圈联在一起）的大线圈组，12与19组成一个小线圈组；同理，线圈边20与28和21与29组成另一个大线圈组，3与1组成另一个小线圈组，如图9-11(a)所示。用同样的方法可得,V相4个线圈组为816和917、1825、26-34和2735、36-7；W相的4个线圈组为1422和1523、24-31、32-4和335、613，如图9-11(b)所示。图9-11 交叉式绕组（a）U相绕组；（b）三相绕组。（4）确定各相绕组的出线端各相绕组的出线端彼此相隔120电角度。由于本题电机的槽距角为 则120电角度相隔6槽。将U相绕组出线端的首端U1定在第2槽，则V相首端V1在第8槽，W相首端W1在第14槽，如图9-11(b)所示。（5）顺着电流方向把同相线圈连接起来按“头接头、尾接尾”的方法，将U相各线圈沿电流方向连接起来，便形成U相绕组的展开图，如图9-11(a)所示。同理，可连成V相绕组和W相绕组，从而得到三相绕组的展开图，如图9-11(b)所示。国产JOZ-31-4型、JOZ-32-4型、Y132M-4型等三相异步电动机的定子绕组都是采用这种交叉式绕组。单层绕组的构成最主要的是确定三相绕组的各个线圈在定子槽中的分布规律，只要保证每相绕组所属的槽号及电流方向，改变绕组元件的端接形式，对电磁效果就基本上没有影响。上面讨论的3种形式的单层绕组，它们从外部结构上看虽各不相同，但从产生的电磁效果角度看则基本上是一致的。因此到底选用哪种结构形式，主要要从缩短端接部分的长度（即节省有色金属）出发，当然也要考虑嵌线工艺的可能性。同心式绕组因端节部分较长，一般只在嵌线比较困难的两极电机中采用，功率较小的4极、6极、8极电机采用链式绕组，少部分的两极、四极电机采用交叉式绕组。单层绕组的优点是结构简单，嵌线比较方便，槽的利用率高（因无层间绝缘）。其最大的缺点是产生的磁场和电势波形较差（与正弦波相差较大），从而使电机铁损和噪音都较大，起动性能不良，故多用于小容量的三相异步电动机中。三、三相双层三绕组双层绕组的每个槽内有上层、下层两个线圈边，每个线圈的一条边嵌放在某一槽的上层，另一条边嵌放在另一槽的下层，整个绕组线圈数正好等于槽数。双层绕组可以选择最有利的节距，所有线圈具有同样的形状和尺寸，便于制造，端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度，所以容量较大（10kW以上）的三相异步电动机的定于绕组一般均采用双层绕组。双层绕组可分为叠绕组和波绕组两种形式。叠绕组在嵌线时，两个互相串联的线圈，总是后一个叠在前一个上面，所以称为叠绕组。以下仅举例说明三相双层叠绕组的结构及展开图的绘制方法和步骤。例9-4一台三相4极异步电动机，定于绕组为双层叠绕组，定子精数为36，节距Y=7，试绘出其绕组展开图。【解】（1）分极、分相每极所占槽数 =每极每相槽数 由计算可知，该电机每极下共有9个槽，整个定子可分为12个相带，每相带内有3个槽，采用与【例9-1】相同的方法分极、分相，如图9-12（）所示。（2）标出U相线圈有效边的电流方向图9-12中，实线表示上层边，虚线表示下层边，每个线圈都由一根实线和一根虚线组成，各线圈的编号都用其上层边所在的槽号表示。设S极下线圈上层边的电流方向向上，则N极下线圈上层边电流方向向下，如图9-12（）中箭头方向所示。（3）按绕组节距的要求把同一相的线圈边按电流方向连成线圈并组成极相组对U相绕组来说，因线圈节距Y=7槽，则第1槽的上层边与第8拾的下层被凌荡起来构成线圈1，第2槽的上层边与第9槽的下层边连接起来构成线圈2，以此类推，即可构成定子绕组U相的全部12个线圈。将线圈1、2、3串联起来，19、20、21串联起来，分别组成了两个对应于S极下的极相组；将线圈10、11、12串联起来，28、29、30串联起来，分别组成了两个对应于N极下的极相组，如图9-12（）所示。（4）确定各相绕组的出线端各相绕组的出线端彼此相隔120电角度。由于本题电机的槽距角为 则120电角度相隔。由于U、V、W三相绕组出线端的首端应相隔1200电角度，将U相出线端的首端U1定在第1槽，则V相首端V1在第7槽，W相首端W1在第13槽，如图9-12(b)所示。（5）顺着电流方向把各极相组连接起来U相绕组中各线圈的电流方向如图9-12（）所示，沿电流方向将U相绕组的4个极相组按“头接头，尾接尾”的方法连接起来，便形成U相绕组的展开图，如图9-12（）所示。同理，可连成V相绕组和W相绕组从而得到三相绕组的展开图，如图9-12(b)所示。图9-12 双层叠绕组（a）U相绕组；（b）三相绕组。上述绕组的连接，是假定绕组的并联支路数1来分析的，即各相绕组的4个极相组串联成一条支路。若要求并联支路数2，则只要改变各相绕组的4个极相组之间的连接。以U相为例，把第一对极中S极下的极相组123与N极下的极相组101112用“尾接尾”的方法连接起来组成一条支路，而把另一对极中S极下的极相组192021与N极下的极相组282930用“尾接尾”的方法连接起来组成另一条支路，然后再把这两条支路的首端与首端（线圈1和线圈19的首端）相连，作为U相绕组的首端U1，尾端与尾端（线圈10和线圈28的首端）相连，作为U相绕组的尾端U2，即得到两条并联支路。由上所述可知，双层叠绕组每相的极相组数正好等于电机的极数。而每个极相组都可单独成为一条支路，因此，双层叠绕组每相的最大并联支路数等于电机磁极数。第三节 交流绕组的电势和磁势一、三相定于绕组的电势通过单层链式绕组、同心式绕组和交叉式绕组等的展开图，可以看出，这些绕组的线圈是按照一定的规律分布排列着，且它们的线圈节距均小于其极距，也就是说，它们是分布线圈绕组。相比较而言，可以说变压器原、副边绕组都是集中线圈绕组。根据电磁感应定律可以证明，三相异步电动机定于绕组的相电势E1为： E1=4.44f1N1mKw。 （9-7）式（9-7）中,f1为三相定子绕组中电流的频率；N1为每相定子绕组总的串联匝数；m为异步电动机的每极磁通；w=yKq为绕组因数。Ky称为节距因数，它的数值与线圈节距有关，它表示短距线圈和长距线圈电势的减小程度，短距线圈和长距线圈的Ky，整距线圈的Ky=1。Kq称为分布因数，它的数值与线圈分布有关，它表示分布线圈电势的减小程度，分布线圈的Kq1，集中线圈的q=1二、三相定子绕组的磁势1单相绕组的磁势在三相定于绕组中通入三相正弦波的电流，则三相定子绕组中的每一个单相绕组所产生的磁势为脉动磁势。所谓脉动磁势，就是磁势的轴线（即磁势幅值所在的位置）在空间固定不动，但振幅不断随时间而变化的磁势。可以证明，单相绕组脉动磁势的数学表达式可以写成： （9-8）式（9-8）中：为磁势的幅值;x为空间坐标;t为时间坐标；为绕组中正弦交流电的角频率。从式（9-8）可见，在任一瞬间，磁势的空间分布为一余弦波，但在空间任何一点的磁势，则又随时间作余弦变化。或者说，该磁势既是空间函数又是时间函数。可以证明，单相绕组脉动磁势的幅值=，说明单相统组脉动磁势的幅值与绕组中的电流成正比，与相绕组总的串联匝数N成正比，与绕组因数成正比，与电机的极对数p成反比。2三相绕组的磁势三相绕组由3个单相绕组组成，这三个单相绕组分别产生脉动磁势。在三相异步电动机中，3个单相绕组是对称的，即U、V、W三相绕组在空间互相间隔的距离为1200电角度。电机在对称运行时，通入三相绕组中的三相电流亦是对称的，即其幅值相等，在时间相位上互差1200电角度，即 （9-9） （9-10） （9-11）因此，U、V、W三相绕组的磁势分别为 （9-12） （9-13） （9-14）把、分别进行分解 （9-15） （9-16） （9-17）把上述3个公式相加，可知前三相余弦互相托加，后三相之和为零。故三相合成磁势为 （9-18）上式表明，当三相对称电流流过三相对称绕组时，三相绕组的合成磁势为一个圆形旋转磁势。圆形旋转磁势的幅值为单相绕组脉动磁势幅值的1.5倍，其旋转速度称为同步转速，用1；来表示，其计算公式为： （9-19）式中 f三相定子绕组中电流的频率； p三相异步电动机的磁极对数。一个三相对称绕组流过三相对称电流时，它所产生的合成磁势一定是一个圆形旋转磁势。这个概念可以进一步用图9-13来解释。图9-13中U1U2、V1V2、W1W2是定子上的三相绕组，它们在空间互相间隔120电角度。三相电流的变化曲线如图9-14所示。在图9-13中假设：A、B、C三相电流分别流入U、V、W三相绕组，正值电流是从绕组的首端流入（用来表示流入）而从尾端流出（用来表示流出），负值电流则从绕组的尾端流入而从首端流出。图9-13 旋转磁场(a)0时；(b)=120时；(c)=240时；(d)=360时。在图9-14中，当。0时，A相电流具有正的最大值，相应地在图9-13（）中A相电流是从U相绕组的首端U1点流入，而从尾端U2点流出，此时B相及C相电流均为负值，所以电流I和C分别从V相绕组及W相绕组的尾端V2和W2流人，而从首端V1和W1流出。从图9-13(a)中电流的分布情况可以清楚地看到：合成磁势的轴线正好与U相绕组的中心线相重合。在图9-14中，当=120时,B相电流达到正的最大值,A相及C相电流则为负值，因此相应地在图9-13(b)中上相电流是从V相绕组的首端V1点流入，而从尾端V2点流出，A相及C电流分别从它们的尾端U2及W2点流入，而从首端U及W1点流出，此时合成磁势的轴线便与V相绕组的中心线相重合。图9-14 三相电流根据同样的方法可以解释图9-13（c），当=240时，C相电流有最大值，合成磁势的轴线便与W相绕组的中心线相重合。分析图9-13（）、（）、（c）3个图形中磁势的位置，可以明显地看出：合成磁势是一个旋转磁势。旋转磁势的轴线总是与电流达到最大值的那一相绕组的中心线相重合。如果三相绕组流过的是正序电流，则A相电流首先达到最大值，而后依次是B相及C相电流达到最大值，则合成磁势的轴线首先与U相绕组的中心线相重合，而后再依次同V相绕组和W相绕组中心线相重合。所以合成磁势的旋转方向是从U相到V相、再从V相到W相。也就是说：旋转磁势的转向总是从超前电流的相转向滞后电流的相。如果三相绕组流过的是负序电流，则A相电流首先达到最大值，而后依次是C相及B相电流达到最大值，所以合成磁势的轴线首先与U相绕组的中心线相重合，而后再依次同W相绕组和V相绕组中心线相重合。合成磁势的旋转方向是从U相到W相，再从W相到V相。可见：要改变旋转磁势的转向，只要改变通入电流的相序。也就是说，只要把三相绕组中的任何两个出线端的位置对换就可以了。综上所述，三相绕组合成磁势具有以下性质：（1）三相合成磁势在任何瞬间保持着恒定的振幅，它是单相脉振磁势振幅的1.5倍；（2）三相绕组合成磁势的转速仅决定于电流的频率和电机的极对数；（3）当某相电流达到最大值时，合成磁势波的波幅就与该相绕组的轴线重合；（4）合成磁势的旋转方向决定于电流的相序。第四节 三相异步电动机的工作原理及运行分析一、三相异步电机的工作原理三相异步电机工作原理示意图如图915所示，定子上的三相绕组接到三相交流电源上，转子绕组自成闭合回路。三相异步电机的工作可分为3种情况，以下分别作介绍。三相异步电机作为电动机运行三相异步电机作为电动机运行是其最普遍的工作状态。三相电流流入三相定于绕组产生旋转磁势，并在气隙中产生相应的旋转磁场。旋转磁场也是以同步转速11在旋转。为了电角度，即便于说明问题，在图915中用一对旋转的磁极来表示该旋转磁场。图915 三相异步电机工作原理(a)示意图；(b)电动机运行；(c)发电机运行；(d)制动状态。当旋转磁场切割转子导体时，在其中产生感应电势，使转子导体中有电流流过。其方向可利用右手定则判断。转子电流与旋转磁场作用而产生电磁转矩，使转子以转速旋转，从而把电能转换成机械能，作电动机运行。由左手定则判断可知：转子方向与磁场旋转方向相同，如图9-15（b）所示。当异步电机作为电动机运行时，为了克服负载的阻力转矩，三相异步电动机的转速总是略低于同步转速n1，以便气隙中的旋转磁场能够切割转子导体而在其中产生感应电势和感应电流，从而能够产生足够的电磁转矩来拖动转子旋转。如果转子的转速与同步转速相等，转向又相同，则气隙旋转磁场与转子导体之间没有相对运动，因而转子导体中就不会产生感应电势和电流，电机的电磁转矩也将为零。可见，异步电机产生电磁转矩的必要条件是，磁场的同步转速和转子的转速不相等，即1。把同步转速n和转子转速的差值称为转差，转差与同步转速的比值称为转差率，转差率用s来表示，即 （9-20）转差率是异步电机的一个基本变量，它可以表示异步电机的各种不同运行状态。（1）在电机刚起动时，转子转速=0，则1，转子切割旋转磁场的相对速度为最大，转子中的电势及电流也最大。如果电动机产生的电磁转矩足以克服机械负载的阻力转矩，转子就开始旋转，转速会不断上升。（2）随着转子转速的上升，转差率减小，转子切割旋转磁场的相对速度减小，转子中的电势及电流也减小。在额定状态下，转差率S的数值通常都是很小的，中小型异步电动机的转差率约为0.010.07，转子转速与同步转速相差并不很大。而空载时，因阻力矩很小，转子转速”很高，转差率则更小，约为0.0040.007，可以认为转子转速近似等于同步转速。（3）假设，则转差率0，此时转子导体不切割旋转磁场，转子中就没有感应电势及电流，也不产生电磁转矩。可见，作电动机运行时，转速在01；的范围内变化，而转差率则在10的范围内变化。三相异步电动机的转速可用转差率来计算，即 （1-s）1 （921）2三相异步电动机作为发电机运行若异步电机的转轴上不是机械负载，而是用一原动机拖动异步电机的转子以大于同步转速的速度与旋转磁场同方向旋转，如图915（c）所示。此时，转子导体相对于旋转磁场的运动方向与图915(b)相反，转子导体中的电势及电流也反向。由左手定则可知，转子导体所产生的电磁转矩也与转子转向相反，起着制动作用。为了克服电磁转矩的制动作用，使转子能继续旋转下去，并保持，原动机就必须不断向电机输人机械功率，而电机则把输人的机械功率转换为电功率输出给电网，此时异步电机成为发电机。异步发电机运行时，转差率s为负值。3三相异步电机在制动状态下运行若在外力作用下，使转子逆着旋转磁场方向转动，如图915(d)所示。比较图915（）和图915(d）可见，此时，转子导体相对于磁场的运动方向与电动机运行状态相同，故转子导体中的电势和电流方向仍与电动机状态相同，作用在转子上的电磁转矩方向与旋转磁场方向一致，但却与转子转向相反，起了阻止转子旋转的作用，故称为三相异步电动机的制动运行。在这种情况下，它一方面消耗原动机的机械功率，同时也从电网吸收了电功率，这两部分功率均变为三相异步电动机内部的损耗。制动运行时，由于转子逆着磁场方向旋转，0。则转差率S1。在3种运行状态下，转子转速总是与旋转磁场转速（同步转速）不同，因而称为异步电机。又由于异步电机的转子绕组并不直接与电源相接，而是依靠电磁感应的原理来产生感应电势和电流，从而产生电磁转矩使电动机旋转，因而异步电机又称为感应电机。实际上，异步电机绝大多数都是作为电动机运行异步发电机的性能不如同步发电机优越，因此仅用在特殊场合。制动运行往往是吊车等设备的一种特殊运行状态。二、三相异步电动机的功率和转矩平衡关系1三相异步电动机中各个功率、损耗的含义电机是机电能量转换的机械，在能量转换过程中必然会有功率平衡关系，必然会有损耗。当三相异步电动机接在电网上稳定运行时，由电网供给的电功率称为三相异步电动机的输人功率1。 P1=3U1I1cos1 （922）式中 U1三相异步电动机定子绕组相电压； I1三相异步电动机定子绕组相电流； 1相电压U1与相电流I1之间的相位角； cos1三相异步电动机功率因数。输入功率中的一小部分将消耗于定子绕组的电阻上，该部分称为定于绕组铜耗Pcu1 Pcu13IR1 （923）式中R1三相异步电动机定于绕组相电阻。输入功率的另外一小部分将消耗于定子铁心上，该部分称为铁耗PFe。转子铁心损耗可忽略不计。这是因为正常运行时，三相异步电动机转子转速接近旋转磁场的同步转速，转差率s很小，转子铁心中磁通变化的频率很小，再加上转子铁心和定子铁心都是用硅钢片造成，因而转子铁心中铁耗很小。所以，三相异步电动机的铁耗主要是定于铁心损耗。输入功率减去定子铜耗和铁耗以后，余下的功率全部送入转子，这部分功率称为电磁功率PM。电磁功率是借助电磁感应作用通过气隙旋转磁场由定子传递到转子的。 PP1Pcu1PFe （924）传递到转子的电磁功率，一部分将消耗于转于绕组中的电阻上，这部分功率称为转子绕组铜耗Pcu2 Pcu23IR2 （925）式中2三相异步电动机转子绕组相电流；R2三相异步电动机转子绕组相电阻。传递到转子的电磁功率减去转子铜耗Pcu2余下的功率，称为全机械功率全。 P全=P一Pcu2 （926）全机械功率实际上是传递到电机转轴上的机械功率，它是转子绕组中的电流与旋转磁场相互作用产生电磁转矩，带动转子以转速旋转时所对应的功率。电机转子转动时，会产生轴承摩擦及风阻等阻力转矩，为克服此阻力转矩将消耗一部分功率，这部分功率称为机械损耗P。定子及转子绕组中流过电流时，除产生基波磁通外，还产生高次谐波磁通及其他漏磁通,这些磁通穿过导线、定子及转子铁心、机座、端盖等金属部件时，在其中感应电势和电流并引起损耗，这部分称为杂散损耗P。杂散损耗的大小与气隙的大小和制造工艺等因素有关。全机械功率减去机械损耗和杂散损耗以后，就是三相异步电动机转轴上输出的机械功率P2。用P表示机械损耗和杂散损耗之和，则 P2=P全-P （927）铁耗P、定子绕组铜耗P、转子绕组铜耗P2都属于电磁损耗，这三项损耗主要与电机的电磁负荷有关，即与电机中的磁场强度、绕组中的电流大小、铁心和绕组的几何尺寸等有关。机械损耗P主要与电机的转速、摩擦系数等因素有关。以上4项损耗属于电机的基本损耗。杂散损耗P的值很小，一般可以忽略不计。2三相异步电动机的功率平衡关系三相异步电动机从电网吸收电功率，从转轴上输出机械功率，其功率流程图如图916所示。图916 三相异步电动机功率流程图从三相异步电动机功率流程图可见：三相异步电动机的功率平衡方程： P1Pcu1PFePcu2十P+P2PP2 （9-28）电动机的总损耗： P= Pcu1PPcu2P （929）电磁功率： P M=Pcu2PP2 （930）全机械功率： P全=PP 2 （931）除以上功率关系外，还可以证明，三相异步电动机的转子绕组铜耗与电率之间存在着一定的关系：转子绕组铜耗与电磁功率之比等于异步电机的转差率，即： Pcu2=sPM （932）上式说明，转差率越大，电磁功率中转变为转子铜耗的部分就越大。转子电阻越大时，转子的铜耗便越大，因此转差率也越大，转速便超低。根据三相异步电动机功率流程图和式（930）、式（931）、式（932）可知，全机械功率与电磁功率之间的关系为： P全=P-Pcu2=(1s ) （933）3三相异步电动机的转矩平衡方程在三相异步电动机中，输入定子的电能转换为转子上的机械能浇出是通过转子上产生电磁力（载流导体在磁场中的受力），由电磁力产生电磁转矩使转子旋转而实现的。因此，电磁转矩是电机中能量形态变换的基础。对于已制造好的异步电动机，电磁转矩的大小与旋转磁场磁通的大小及转于电流大小密切相关。通过数学分析可知，电磁转矩T的大小与旋转磁场的每极磁通M及转子电流2成正比可用公式表示为 T=CTMI2 cos2 （934）上式中CT为电机常数；cos2为转子的功率因数。从动力学知道，作用在旋转体上的转矩等于旋转体的机械功率除以它的机械角速度。因此，在三相异步电动机的功率关系式P全=P+P2中，两边都除以转子的机械角速度,便得到三相异步电动机的转矩平衡方程式，即 T=T0+T2 （935）上式中，电磁转矩=，也就是说，在三相异步电动机中，转子转轴上的电磁转矩等于全机械功率除以转子机械角速度；T=为三相异步电动机的空载转矩，它等于机械损耗与杂散损耗之和除以转子机械角速度；T2=为三相异步电动机的输出转矩，它等于输出功率除以转子机械角速度。三相异步电动机的转矩平衡方程表明，电动机稳定运行时，电磁转矩减去空载转矩后，才是电动机转轴上的输出转矩。 由于全机械功率P全=（1-s）PM转子的机械角速度=(1-s)1。1为旋转磁场的同步角速度，则可以得到 T= （936）上式说明，作用在转子上的电磁转矩与通过气隙旋转磁场传递到转子的电磁功率成正比。电磁转矩既可以用转子的全机械功率除以转子的机械角速度来计算，也可以用电磁功率除以旋转磁场的同步角速度来计算。前者是从转子本身产生机械功率这一概念导出，由于转子本身的机械角速度为，所以T。后者则是从旋转磁场对转子作功这一概念出发，由于旋转磁场以同步角速度1旋转，而旋转磁场为了带动转子旋转，通过气隙传到转子的总功率就是电磁功率，所以T=。三、三相异步电动机的运行特性异步电动机从定子边吸取电能，从转子轴端输出机械能。从使用方面来说，机械负载需要它有一定的转矩和转速；从电网方面来说，要求电动机具有一定的效率、功率因数，并应限制其起动电流。为了保证电动机能够可靠、经济地运行，在设计和制造时，必须保证电动机的性能满足国家标准所规定的技术指标。三相异步电动机的运行特性反映了一些重要技术指标的变化规律。三相异步电动机的运行特性是指在额定电压及额定频率时，转速、电磁转矩T、定子电流；、定于功率因数以及效率随着输出功率P2。而变化的关系曲线。1转速特性三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出功率P2变化时，转速n的变化规律曲线（P2）称为转速特性。空载时，输出功率P20，转子电流很小，转子铜耗很小，转差率s0，转子转速接近同步转速。随着负载的增大，转速会略有下降，这样旋转磁场便以较大的转差=切割转子导体，使转子导体中的感应电势及电流增加，而转子电流的增加，会产生较大的电磁转矩从而与机械负载的阻力转矩相平衡。转速特性=（）曲线形状如图9-17所示，是一条微微下倾的曲线。图9-17 三相异步电动机的工作特性随着负载的增大，转子电流增大，转子铜耗及电磁功率也相应增大。但是，转子铜耗与转子电流的平方成正比，而电磁功率近似与转子电流的一次方成正比，转子铜耗比电磁功率增大的快。而电动机的转差率，所以，随着负载的增大，转差率也增大，即转速稍有下降。对一般的三相异步电动机，为保证有较高的效率，转子铜耗不能过大，所以转差率的数值很小。在额定负载时的转差率约为 SN0.010.07（其中小的数字对应于容量大的电机），这表明额定转速仅比同步转速低1%7%。2转矩特性三相异步电动机在额定电压及额定频率下，输出