3.1 三相異步感應電機的特點、結構與原理
3.1.1 三相異步電機的特點
交流電機可分為同步電機和異步電機兩大種類。
如果電機轉子的轉速n與定子旋轉磁場的轉速n1相等，轉子與定子旋轉磁場在空間同步旋轉，這種電機就稱為同步電機。如果n不等于n1，轉子與定子旋轉磁場在空間旋轉時不同步，這種電機就稱為異步電機。
異步電機具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便和效率較高等優點，因此得到廣泛應用。據估計，90%左右的電機均為異步電機。在電網總負荷中，異步電機用電量占60%以上。
異步電機的缺點是功率因數低，運行時必須從電網吸收無功電流來建立磁場，故其功率因數小于1。大量的異步電機在電網中運行，使電網的功率因數降低，所以必須用其他的辦法進行補償。
3.1.2 三相異步電機的結構
如圖2-19所示為三相異步電機的內部結構。
圖2-19 三相異步電機的內部結構
三相異步電機主要由定子（固定部分）和轉子（旋轉部分）兩個基本部分組成。定子和轉子之間有0.25～2mm的氣隙。
（1）定子 三相異步電機的定子部分包括機座、裝在機座內的圓筒形定子鐵芯以及其中的三相定子繞組。
①定子鐵芯。交流電機定子鐵芯是電機磁路的一部分，并用來安放定子繞組。為了減少定子鐵芯中的損耗，鐵芯一般用厚度為0.35～0.5mm、表面有絕緣層的硅鋼片沖片疊裝而成，鐵芯的內圓沖有均勻分布的槽，用以安放定子繞組，如圖2-20所示。
圖2-20 定子鐵芯示意
②定子繞組。定子繞組的作用是通入三相交流電，產生旋轉磁場。小型電機定子繞組常用高強度漆包線繞成線圈后再嵌入定子鐵芯槽內。三相定子繞組6個出線端引到電機機座的接線盒內，標有U1、V1、W1、U2、V2、W2。其中，U1、U2是第一相繞組的兩端，V1、V2是第二相繞組的兩端，W1、W2是第三相繞組的兩端。如果U1、V1、W1分別為三相繞組的始端（頭），則U2、V2、W2是相應的末端（尾）。三相繞組可以按照需要接成星形（Y）或三角形（△），具體連接方式如圖2-21所示。
圖2-21 定子三相繞組的星形連接和三角形連接
③機座。機座的作用是固定定子鐵芯，并通過兩個端蓋支撐轉子，同時保護整個電機的電磁部分和散發電機運行時產生的熱量。
（2）轉子 轉子是電機的旋轉部分，由轉子鐵芯、轉子繞組及轉軸等組成。
①轉子鐵芯。轉子鐵芯是圓柱狀的，用0.5mm的硅鋼片沖制疊壓而成，表面沖有分布均勻的槽孔，用來放置轉子繞組。
②轉子繞組。轉子繞組的作用是與定子相互切割磁場，產生感應電動勢和電流，并在旋轉磁場的作用下產生電磁力矩而使轉子轉動。轉子繞組根據構造的不同可分為鼠籠式和繞線式兩種。
鼠籠式轉子繞組的鐵芯是圓柱狀的，在轉子鐵芯的槽內放置銅條，其兩端用端環相接，呈鼠籠狀，所以稱為鼠籠式轉子繞組。也可以在轉子鐵芯的槽內澆鑄鋁液，鑄成一個鼠籠，如圖2-22所示。這樣便可以用鋁代替銅，既經濟又便于生產。目前，中、小型鼠籠式異步電機幾乎都采用鑄鋁轉子。
圖2-22 鼠籠式轉子繞組結構示意圖
1—扇葉；2—端環；3—鋁條
如圖2-23所示為繞線式轉子繞組的接線圖。如圖2-24所示，繞線式轉子繞組同定子繞組一樣，也是三相的，連接成星形。每相繞組的始端連接在三個彼此絕緣的銅質滑環上，滑環固定在轉軸上。環與轉軸之間都是互相絕緣的。滑環壓著碳質電刷，電刷上又連接著三根外接線。啟動電阻和調速電阻是借助于電刷與滑環和轉子繞組連接的。
圖2-23 繞線式轉子繞組的接線圖
圖2-24 繞線式轉子繞組結構
③轉軸。轉軸的作用是傳遞轉矩及支撐轉子。
（3）氣隙 定子和轉子之間的間隙稱為氣隙。氣隙很小，通常為0.2～1mm。盡管氣隙只是定子與轉子之間的間隙，但它對電機的性能影響很大，如果氣隙不均勻，會造成電機運轉不平穩，運行性能變差。
3.1.3 三相異步電機的工作原理
（1）轉子轉動原理 如圖2-25是轉子轉動原理。當手搖磁極旋轉時，轉子也跟著旋轉。因為磁極旋轉時，磁極與轉子發生相對運動，轉子導體切割磁力線，產生感應電動勢和感應電流（其方向可用右手定則確定）。轉子導體中的感應電流受到電磁力矩的作用（其方向可根據左手定則確定），于是轉子順著磁鐵的轉向旋轉。
圖2-25 轉子轉動原理
（2）旋轉磁場的產生 當定子繞組接通三相正弦交流電后，三相正弦交流電在三相繞組中都產生磁場。由于三相定子繞組按一定規律嵌放，所以它們的合成磁場隨電流的交變在空間不斷旋轉，因此稱作旋轉磁場。
以兩極三相異步電機為例，說明旋轉磁場的形成。如圖2-26（a）所示是Y形連接的三相兩極定子繞組排列圖。當三相繞組的首端U1、V1、W1分別接到三相對稱電源上時，三相繞組中便有三相對稱電流通過。設三相電流的相序為U-V-W，U相的初相位為零，各相電流互差120°的相位角，如圖2-26（b）所示。
三相繞組通過三相正弦交流電時，各自產生按正弦規律變化的磁場，三個磁場在定子中形成合成磁場。下面討論合成磁場的變化規律。在圖2-26（b）中，分別取ωt=0，ωt=π/2、π、3π/2、2π等幾個時刻，并規定當電流為正時，電流從繞組的首端流進，末端流出；當電流為負時，電流從繞組的末端流進，始端流出。
①當ωt=0時，iU為0，iV為負值，iW為正值。此時，繞組U1-U2中無電流通過，不產生磁場；繞組V1-V2中的電流由V2端流進，V1端流出；繞組W1-W2中的電流由W1流進，W2端流出。運用安培右手螺旋定則可以確定該瞬間的合成磁場為一對磁極，其方向是自上而下。
②當ωt=π/2時，iU為正的最大值，iV、iW均為負值。此時繞組U1-U2中的電流是由U1端流進，U2端流出；繞組V1-V2中的電流是由V2端流進，V1端流出；繞組W1-W2中的電流是由W2端流進，W1端流出。此時電流所產生的合成磁場已在空間按順時針方向轉過90°，且極數不變。
③當ωt=π時用上述方法可推出：合成磁場的方向已從ωt=0時的位置沿順時針方向轉過180°；同理，當t=3π/2時，合成磁場轉過270°；當ωt=2π時，合成磁場轉過360°，即一周。以上各磁場的方向分別如圖2-26（c）所示。
（3）旋轉磁場的方向 旋轉磁場的方向決定著電機的轉向，而旋轉磁場的轉向由三相交流電的相序確定。因此，只要對調任意兩相繞組與電源的連接，就可改變合成磁場的轉向，實現電機反轉。
（4）旋轉磁場的極數 旋轉磁場的極數與三相繞組的排列有關。如果各繞組互差120°電角度，則產生兩極旋轉磁場（P=1）。如果每相繞組有兩個線圈串聯，各相繞組互差60°電角度，則產生四極旋轉磁場（P=2）。因此，只要將三相繞組按一定規律排列，就可得到所需的磁極。旋轉磁場的極數也就是異步電機的極數。
（5）旋轉磁場的轉速 旋轉磁場的轉速由磁極數決定。當P=1時，交流電每變化一周，磁場也旋轉一周（360°）。設交流電的頻率為f，則旋轉磁場的轉速n0=60f，轉速的單位為轉/分（r/min）。當P=2時，交流電交變一周，磁場在空間旋轉1/2周（180°），即n0=60f/2。同理，當P=3時，則n0=60f/3。由此可知
（2-3）
式中 n0——旋轉磁場的轉速，r/min；
f——三相交流電的頻率，Hz；
P——旋轉磁場的磁極對數，對。
可見，旋轉磁場的轉速由電流的頻率f和磁極的對數P決定。由于電機的f和P是定值，所以磁場轉速是個常數。
（6）轉差率 異步電機轉子與磁場的旋轉方向相同，如果轉子轉速n等于旋轉磁場的轉速n0，則轉子與磁場間就不存在相對運動，轉子也不會產生感應電流和電磁力矩，轉子就不可能繼續以n的轉速旋轉。所以，轉子轉速必須小于旋轉磁場的轉速。這就是異步電機名稱的由來。異步電機轉速和旋轉磁場轉速間的轉速差與旋轉磁場轉速（同步轉速）的比值，稱為轉差率，轉差率S常用百分數表示，即
（2-4）
式中 S——轉差率，r/min；
n0——旋轉磁場的轉速，r/min；
n——轉子轉速，r/min。
一般異步電機在額定工作狀態下的轉差率為1.5%～5%。