2.1.7 異步電機

異步電機也是一種交流旋轉電機，基于氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩而實現機電能量轉換。與同步電機不同的是，異步電機在正常工作時，轉子的轉速與定子旋轉磁場的轉速必須保持一定的差異，故稱為異步電機。異步電機主要作為電動機使用，但也可作為發電機和電磁制動器使用。異步電機用做發電機，主要用于風力發電。

異步電動機品種規格繁多，其在所有的電動機中應用最為廣泛，需求量最大；目前，在電力傳動中大約有90%的機械使用交流異步電動機，其用電量約占總電力負荷的一半以上。圖2-24是幾種異步電機的實物圖。

與其他類型的電動機相比，異步電動機的主要優點是結構簡單、成本較低、制造、使用和維護方便，運行可靠、效率高；缺點是運行中需從電源吸收無功功率建立磁場，使電力系統功率因數降低；與直流電動機相比，不能平滑調速、調速范圍窄，調速性能較差。

異步電機有較高的運行效率和良好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。異步電動機主要廣泛應用于驅動機床、水泵、鼓風機、壓縮機、起重卷揚設備、礦山機械、輕工機械、農副產品加工機械等大多數工農生產機械，以及家用電器和醫療器械等。

在異步電動機中較為常見的是單相異步電動機和三相異步電動機，其中三相異步電動機是異步電動機的主體。而單相異步電動機一般用于三相電源不便于使用的地方，大部分是微型和小容量的電機，在家用電器、電動工具、醫用器械中應用比較多，例如電扇、電冰箱、空調、吸塵器、電鉆等。

1. 異步電機工作原理

以鼠籠式三相異步電動機為例，當定子三相對稱繞組通過三相對稱交流電流后，它們在電動機內部聯合產生一個定子旋轉磁場，如圖2-25所示。這個旋轉磁場將以與輸入的電源頻率f成正比的同步轉速n1＝60f/p旋轉，則它的磁力線切割轉子繞組而產生感應電勢。在該電勢的作用下，閉合的轉子繞組內便有電流通過，電流的有功分量與電勢同相位。于是，由電磁力定律可知，轉子感應電流與旋轉磁場作用形成電磁力，在該電磁力的作用下，電動機轉子就以轉速n旋轉，其轉向與旋轉磁場的方向相同。這時，如果在轉子軸上加上機械負載TL，電動機就拖動機械負載旋轉，輸出機械功率。轉子旋轉后，轉速為n，只要轉速小于旋轉磁場同步轉速（n＜n1），轉子與磁場仍有相對運動，電磁轉矩Te使轉子繼續旋轉，穩定運行在Te＝TL情形下。異步電機由電磁感應產生電磁轉矩，所以又稱為感應電機。

在電動機狀態下，異步電機轉子的轉動方向是與旋轉磁場的轉動方向是一致的。若讓轉子反方向旋轉，只要改變旋轉磁場的旋轉方向即可，而旋轉磁場的旋轉方向由流過三相繞組的電流的相序確定。因此，將三相電源線的任意兩個端子對調，就可以方便地達到目的。

三相異步電動機只有在n≠n1時，轉子繞組與氣隙旋轉磁場之間才有相對運動，才能在轉子繞組中感應電動勢、電流，產生電磁轉矩。

通常把同步轉速n1和電動機轉子轉速n二者之差與同步轉速n1的比值稱為轉差率，也稱轉差或者滑差，用s表示，即

雖然s是一個沒有量綱的量，但它的大小能體現電機轉子的轉速。例如：n＝0時，s＝1；n＝n1時，s＝0；n＞n1時s為負。正常運行的異步電動機，轉子轉速n接近同步轉速n1，轉差率s很小，一般s＝0.01～0.05。

當異步電機處于電動機狀態時，0＜n＜n1，0＜s＜1。由上所述，電機從電網吸收電功率，經過氣隙的耦合作用從軸上輸出機械功率。

當異步電機處于發電機狀態時，n＞n1，s＜0。此時，原動機拖動轉子以轉速n（＞n1）旋轉。磁場轉速慢，轉子導體與磁場間存在相對運動，切割磁力線產生感應電動勢，進而產生電流。電機從軸上吸收機械功率，經過氣隙耦合再向電網輸出電功率。

當異步電機處于電磁制動狀態時，n＜0，s＞1。在電動機狀態運行時若先將供電電源降為零，再將三相中其中二相進行對換，再加上電源時，原電動機就成為了一個電磁制動器。這時，轉子轉向與定子旋轉磁場轉向相反，轉子逆著磁場方向旋轉，此時電機既從電網吸收電功率又從軸上吸收機械功率，它們都消耗在電機內部變成損耗。

2. 異步電機的結構

按電機轉子結構形式的不同，交流異步電機主要分為鼠籠式、繞線式。圖2-26是一臺鼠籠式三相異步電動機的結構圖，它主要是由定子和轉子兩大部分組成，定子與轉子之間有一個較小的空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機座、風扇等部件。

異步電機定子與同步電機一樣，在圓周均布嵌放定子繞組，但轉子結構有所不同。同步電機轉子勵磁繞組必須通電，且是直流電，異步電機就有所不同。

（1）定子部分

包括鐵心、定子繞組、機座等，如圖2-27所示。

定子鐵心是電機磁路的一部分，并起固定定子繞組的作用。為了增強導磁能力和減小鐵耗，定子鐵心常選用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，片間涂上絕緣漆。定子鐵心內圓均勻沖出許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。

定子繞組是異步電動機的電路部分，其材料主要采用紫銅。小型異步電動機常采用三相單層繞組，大中型異步電動機常采用三相雙層短距疊繞組形式，三相繞組的6個出線端子均接在機座側面的接線板上，可根據需要將三相繞組接成Y形或△形。

機座是電動機的外殼，支撐電機各部件，并通過機座的底腳將電機安裝固定。全封閉式電機的定子鐵心緊貼機座內壁，故機座外殼上的散熱筋是電機的主要散熱面。中小型電機采用鑄鐵機座，大型電機一般采用鋼板焊接機座。

（2）轉子部分

異步電動機的轉子主要是由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸三部分組成的。根據轉子繞組的結構形式有鼠籠式轉子和繞線式轉子之分，如圖2-28所示。

轉子鐵心也是電機磁路的組成部分，并用來固定轉子繞組。鐵心材料用0.5mm或0.35mm厚的硅鋼片沖制疊壓而成，通常用沖制定子鐵心沖片剩余下來的內圓部分制作。轉子鐵心固定在轉軸上，其外圓上開有槽，用來嵌放轉子繞組。

在鼠籠式異步電機中，轉子繞組是一個自己短路的繞組。轉子槽內有導體，導體兩端用短路環連接起來，形成一個閉合的繞組。這種轉子無須也無法通入電流，轉子中的電流是靠定子感應到轉子上的電勢，在閉合的導體回路中形成的。在工程中，鼠籠式轉子的閉合回路有兩種形式，一種是一般電機所常用的，槽內導體與兩端端環用鋁鑄為一體，由于鋁的導電率低，而且耐熱能力也差，所以不適用于要求結構緊湊，轉子電流大的場合；另一種是槽內導體和兩端端環均為銅或銅合金，兩者之間用焊接方式連在一起。

在繞線式異步電機中，轉子繞組與定子繞組相似，也是嵌線式的。嵌線后連成三相，再根據需要連成Y形或△形。一般小容量電動機連接成△形，大、中容量電動機連接成Y形。轉子繞組的三條引線分別接到轉子軸上的三個彼此絕緣的集電環上，用一套電刷裝置引出來，轉子繞組通過集電環和電刷與外電路可變電阻相連接后短接形成閉合回路，如圖2-29所示。通過可變電阻可改變轉子回路結構參數，從而改變電動機的運行性能。

（3）氣隙

異步電動機的氣隙是均勻的。大小為機械條件所能允許達到的最小值。它比同容量直流電動機的氣隙要小得多。在中、小型異步電動機中，氣隙一般為0.2～2mm左右。

3. 異步電動機銘牌數據

異步電動機銘牌數據主要包括：型號：用以表明電動機的系列、幾何尺寸和極數。以“Y132M－4”為例，型號中Y—異步電動機，132—機座中心高（mm），M—機座長度代號（S短、M中、L長），4—磁極數（極對數p＝2）。異步電動機的系列有80多種，例如：Y—異步電動機，YR—繞線轉子異步電動機，YK—大型高速（快速）異步電動機，YL—籠型轉子立式異步電動機，YHT—換向器調速異步電動機，YDY—單相電容啟動異步電動機等。額定功率PN：是指電機在額定運行時軸上輸出的機械功率，單位為kW。額定電壓UN：定子繞組在指定接線形式下應加的線電壓，單位為V。額定電流IN：定子繞組在指定線形式下的線電流，單位為A。額定頻率fN：我國標準工頻為50Hz。額定轉速nN：額定工況下的轉子轉速，單位為r/min。繞組聯結方式：△接法或者Y接法。

另外，還有額定運行時的效率ηN和額定運行時的功率因數cosφN等，鼠籠電機的效率ηN一般在72%～93%。額定負載時的功率因數最大，一般為0.7～0.9，空載時功率因數很低，約為0.2～0.3。在實際應用中應注意電動機的節電降耗，選擇合適容量的電機，防止“大馬”拉“小車”的現象。