1.2　三相異步電動機的基本結構與工作原理

1.2.1　三相異步電動機的構造

三相異步電動機分成兩個基本部分：定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）。三相鼠籠式異步電動機的構造如圖1-2所示。

（1）定子　電動機的靜止部分稱為定子，主要包括有定子鐵芯、定子繞組和機座等部件。

①定子鐵芯　定子鐵芯的作用是作為電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。定子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚、表面具有絕緣層的硅鋼片（涂絕緣漆或硅鋼片表面具有氧化膜絕緣層）沖制、疊壓而成，在鐵芯的內圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放對稱的三相繞組AX、BY、CZ，有的連接成星形，有的連接成三角形。

②定子繞組　定子繞組是電動機的電路部分，通入三相交流電，產生旋轉磁場。當三相異步電動機通以三相交流電時，在定子與轉子之間的氣隙中形成旋轉磁場，電動機的轉子處以旋轉磁場切割轉子導體，將在轉子繞組中產生感應電動勢和感應電流。轉子電流產生的磁場與定子所通電流產生的旋轉磁場相互作用，根據左手定則，轉子將受到電磁力矩的作用而旋轉起來，旋轉方向與磁場的方向相同，而旋轉速度略低于旋轉磁場的轉速。

小型異步電動機的定子繞組通常用高強度漆包線（銅線）繞制各種線圈后，再嵌放在定子鐵芯槽內。大、中型電動機則用各種規格的銅條經過絕緣處理后，再嵌入在定子鐵芯槽內。為了保證各導電部分與鐵芯之間的可靠絕緣以及繞組本身之間的可靠絕緣，在定子繞組制造過程中采取了許多絕緣措施。三相異步電動機定子繞組的主要絕緣項目有以下三種。

a.對地絕緣：定子繞組整體與定子鐵芯之間的絕緣。

b.相間絕緣：各相定子繞組之間的絕緣。

c.匝間絕緣：每相繞組各線匝之間的絕緣。

三相異步電動機繞組的接線方式有星形接線法和三角形接線法兩種。定子三相繞組在槽內嵌放完畢后共有6個出線端引到電動機機座的接線盒內，可按需要將三相繞組接成星形（Y）接法或三角形（△）接法。定子繞組的接線方法如圖1-3所示。

③機座　機座的作用是固定定子鐵芯和定子繞組，并以兩個端蓋支撐轉子，同時起到保護整臺電動機的電磁部分和散發電動機運行中產生的熱量。

機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，而有些微型電動機的機座采用鑄鋁件以降低電動質量，封閉式電動機的機座外面設有散熱筋以增加散熱面積，防護式電動機的機座兩端端蓋開有通風孔，使電動機內外的空氣可以直接對流，以利于散熱。

（2）轉子　轉子是電動機的旋轉部分，包括轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸等部件。

①轉子鐵芯　轉子鐵芯作為電動機磁路的一部分，并隨轉子繞組旋轉，一般用0.5mm厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉子繞組。通常都是用定子沖落后的硅鋼片內圓來沖制轉子鐵芯。一般小型異步電動機的轉子鐵芯直接壓裝在轉軸上，而大、中型異步電動機（轉子直徑在300～400mm以上）的轉子鐵芯則借助于轉子支架壓在轉軸上。

②轉子繞組　轉子繞組的作用是切割定子磁場，產生感應電動勢和電流，并在旋轉磁場的作用下受力而使轉子轉動。根據構造的不同可分為鼠籠式轉子和繞線式轉子兩種類型。

a.鼠籠式轉子。鼠籠式轉子通常有兩種結構形式，中、小型異步電動機的鼠籠式轉子一般為鑄鋁式轉子，即采用離心鑄鋁法，將熔化了的鋁澆在轉子鐵芯槽內成為一個完整體，連兩端的短路環和風扇葉片一起鑄成。圖1-4（a）所示為鑄鋁轉子的繞組部分，圖1-4（b）所示為整個鑄鋁轉子結構。而所謂離心鑄鋁法即是讓轉子鐵芯高速旋轉，使熔化的鋁在離心力作用下能充滿鐵芯槽內的各部分，以避免出現氣孔或裂縫。

另一種結構為銅條轉子，即在轉子鐵芯槽內放置沒有絕緣的銅條，銅條的兩端用短路環焊接起來，形成一個鼠籠開關，銅條轉子結構如圖1-5所示。

籠式電動機由于構造簡單、價格低廉、工作可靠、使用方便，成為生產上應用得最廣泛的一種電動機。

b.繞線式轉子。繞線式異步電動機的定子繞組結構與鼠籠式異步電動機完全一樣，但其轉子繞組與鼠籠式異步電動機截然不同，繞線式轉子繞組也和定子繞組一樣做成三相對稱繞組，其極對數和定子繞組也相同。三級轉子繞組一般都接成星形接法，三相繞組的首端引出線接到固定在轉軸上并互相絕緣的3個銅制滑環上，通常就是根據繞線式異步電動機具有3個滑環的構造特點來辨認。由一組安裝在端蓋上的電刷與滑環接觸，轉子三相繞組通過三相電刷連接到外電路上（一般為頻敏變阻器等），如圖1-6所示。

由于繞線式電動機轉子結構較復雜（與鼠籠式轉子相比），加上電刷與滑環的接觸面有可能出現接觸不良的故障，因此繞線式電動機的應用不如鼠籠式電動機那樣廣泛。但由于繞線式電動機的啟動及調速性能較好，故在要求一定范圍內能進行平滑調速的設備，如吊車、電梯、空氣壓縮機等上面被廣泛采用。

轉軸用以傳遞轉矩及支承轉子的質量，一般都由中碳鋼或合金鋼制成。

（3）其他附件

①端蓋　分別裝在機座的兩側，起支承轉子的作用，一般為鑄鐵件。

②軸承　連接轉動部分與不動部分，目前中、小型電動機采用滾動軸承以減小摩擦，大型及部分中型電動機采用滑動軸承。

③軸承端蓋　保護軸承，使軸承內的潤滑油不致溢出。

④風扇　冷卻電動機。

鼠籠式和繞線式電動機只是轉子的構造不同，二者的工作原理是一樣的。鼠籠式電動機作為生產上應用得最廣泛的電動機，在變頻器和軟啟動開關的配合下，可在很多場合代替繞線式電動機。

1.2.2　三相異步電動機的轉動原理

在實踐中我們看到，一臺三相異步電動機的定子繞組接通三相電源后，轉子就會以某種速度轉動。通電后電動機為什么會轉動，電動機的轉速和哪些因素有關？為了理解這些問題，下面我們首先分析討論使轉子旋轉的重要因素——旋轉磁場。

異步電動機轉子轉動的演示如圖1-7所示，圖中所示的是一個裝有手柄的蹄形磁鐵，磁極間放有一個可以自由轉動的、由銅條組成的轉子。銅條兩端分別用銅環連接起來，形似鼠籠，作為鼠籠式轉子。磁極和轉子之間沒有機械聯系。當搖動磁極時，發現轉子跟著磁極一起轉動。搖得快，轉子轉得也快；搖得慢，轉子轉得也慢；反搖，轉子馬上反轉。

從這一演示得出兩點啟示：第一，有一個旋轉的磁場；第二，轉子跟著磁場轉動。異步電動機轉子轉動的原理是與上述演示相似的。那么，在三相異步電動機中磁場從何而來，又怎么還會旋轉呢？下面就首先來討論這個問題。

（1）旋轉磁場

①旋轉磁場的產生　三相異步電動機的定子鐵芯中放有三相對稱繞組AX、BY、CZ，設將三相繞組連接成星形，接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流。

i_A=I_msinωt　　（1-1）

i_B=I_msin（ωt-120°）　　（1-2）

i_C=I_msin（ωt+120°）　　（1-3）

三相對稱電流的波形如圖1-8所示。取繞組始端到末端的方向作為電流的參考方向。在電流的正半周時，其值為正，其實際方向與參考方向一致；在負半周時，其值為負，其實際方向與參考方向相反。

三相電流產生的旋轉磁場（p=1）如圖1-9所示，在ωt=0°的瞬時，定子繞組中的電流方向如圖1-9（a）所示。這時i_A=0：i_B是負的，其方向與參考方向相反，即自Y到B；i_C是正的，其方向與參考方向相同，即自C到Z。將每相電流所產生的磁場相加，便得出三相電流的合成磁場。在圖1-9（a）中合成磁場軸線的方向是自上而下。

圖1-9（b）所示的是ωt=60°時定子繞組中電流的方向和三相電流的合成磁場的方向。這時的合成磁場已在空間轉過了60°。

同理可得在ωt=90°時的三相電流的合成磁場，它比ωt=60°時的合成磁場在空間又轉過了30°，如圖1-9（c）所示。

由上可知，當定子繞組中通入三相電流后，它們共同產生的合成磁場是隨電流的交變而在空間不斷地旋轉著的，這就是旋轉磁場。

②旋轉磁場的轉向　圖1-9（c）所示的情況是A相電流i_A=+I_ω，這時旋轉磁場軸線的方向恰好與A相繞組的軸線一致。在三相電流中，電流出現正幅值的順序為A到B到C，因此磁場的旋轉方向是與這個順序一致的，即磁場的轉向與通入繞組的三相電流的相序有關。

如果將三相電源連接的三根導線中的任意兩根的一端對調位置，例如對調了B與C，則電動機三相繞組的B相與C相對調（注意：電源三相端子的相序未變），旋轉磁場因此反轉，如圖1-10所示。

③旋轉磁場的極數　三相異步電動機的極數就是旋轉磁場的極數。旋轉磁場的極數和三相繞組的安排有關。在圖1-9所示的情況下，每相繞組只有一個線圈，繞組的始端之間相差120°空間角，則產生的旋轉磁場具有一對極，即p=1（p是磁極對數）。如果將定子繞組安排得如圖1-11所示那樣，即每相繞組有兩個線圈串聯，繞組的始端之間相差60°空間角，則產生的旋轉磁場具有兩對極，即p=2，如圖1-12所示。

同理，如果要產生有三對極即p=3的旋轉磁場，則每相繞組必須有均勻安排在空間的串聯的3個線圈，繞組的始端之間相差40°（=120°/p）空間角。

④旋轉磁場的轉速　三相異步電動機的轉速與旋轉磁場的轉速有關，而旋轉磁場的轉速又決定于磁場的極數。在一對極的情況下，由圖1-9可見，當電流從ωt=0°到ωt=60°時，磁場在空間也旋轉了60°。當電流交變了一次（一個周期）時，磁場恰好在空間旋轉了一圈。設電流的頻率為f₁，即電流每秒鐘變f₁次或每分鐘交變60f₁次，則旋轉磁場的轉速為n₀=60f₁，轉速的單位為r/min。

在旋轉磁場具有兩對極的情況下，由圖1-12可見，當電流也從ωt=0°到ωt=60°時，磁場在空間僅旋轉了30°。就是說，當電流交變了一次時，磁場僅旋轉了半轉，比p=1情況下的轉速慢了一半，即n₀=60f₁/2。

同理，在三對極的情況下，電流交變一次，磁場在空間僅旋轉了1/3轉，只是p=1情況下的轉速的1/3，即n₀=60f₁/3。

由此推知，當旋轉磁場的轉速具有p對極時，磁場的轉速為

n₀=60f₁/p　　（1-4）

因此，旋轉磁場的轉速n₀決定于電流頻率f₁和磁場的極對數p，而后者又決定于三相繞組的安排情況。對某一異步電動機講，f₁和p通常是一定的，所以磁場轉速n₀是個常數。

在我國工頻f₁=50Hz，于是由式（1-4）可得出對應于不同極對數p的旋轉磁場轉速n₀（r/min），見表1-8。

（2）電動機的轉動原理　三相異步電動機轉子轉動的原理如圖1-13所示，圖中N、S表示兩極旋轉磁場，轉子中只示出兩根導條，導條中應感應出電動勢。電動勢的方向由右手定則確定。在這里應用右手定則時，可假設磁極不動，而轉子導條逆時針方向旋轉切割磁力線，這與實際上磁極順時針方向旋轉時磁力線切割轉子導條是類似的。

在電動勢的作用下，閉合的導條中產生電流。這個電流與旋轉磁場相互作用，而使轉子導條受到電磁力F。電磁力的方向可用左手定則來確定。由電磁力產生電磁轉矩，轉子就轉動起來。由圖1-13可見，轉子轉動的方向和磁極旋轉的方向相同。這就是圖1-7所示的演示中轉子跟著磁場轉動，當旋轉磁場反轉時，電動機也跟著反轉的原理。

由圖1-13可見，電動機轉子轉動的方向與磁場旋轉的相同，但轉子的轉速n不可能達到與旋轉磁場的轉速n₀相同，即n<n₀。這是因為，如果兩者相等，則轉子與旋轉磁場之間就沒有相對運動，因而磁通就不切割轉子導條，轉子電動勢、轉子電流及轉矩也就都不存在，這樣轉子就不可能繼續以n₀的轉速轉動。因此，轉子轉速與磁場轉速之間必須要有差別。這就是異步電動機名稱的由來。而旋轉磁場的轉速n₀常稱為同步轉速。

我們用轉差率s來表示轉子轉速n與磁場轉速n₀相差的程度，即

s=（n₀-n）/n₀　　（1-5）

轉差率是異步電動機的一個重要的物理量。轉子轉速越接近磁場轉速，則轉差率越小。由于三相異步電動機的額定轉速與同步轉速相近，所以其轉差率很小。通常異步電動機在額定負載時的轉差率為0.01～0.09。

當n=0時（啟動初始瞬間），s=1，這時轉差率最大。

式（1-5）也可寫為：

n=（1-s）n₀　　（1-6）

【例1-1】有一臺三相異步電動機，其額定轉速n=975r/min，電源頻率f1=50Hz，試求電動機的極數和額定負載時的轉差率。

解：由于電動機的額定轉速接近而略小于同步轉速，而同步轉速對應于不同的極對數有一系列固定的數值，見表1-8，顯然與975r/min相應的同步轉速n₀=1000r/min，與此相應的磁極對數p=3。因此，額定負載時的轉差率為：

s=（n₀-n）/n₀=（1000-975）/1000=0.025