1.1 三相異步電動機基礎

1.1.1 三相異步電動機的結構

三相異步電動機的種類很多，但它們的基本結構類似，都是由定子和轉子構成的，且定子和轉子之間留有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環等其他附件，如圖1.2所示。

1.定子

定子是電動機的固定部分，是用來產生旋轉磁場的，一般由定子鐵芯、定子繞組和外殼等組成。

（1）定子鐵芯

定子鐵芯是電動機磁路的一部分，如圖1.3（a）所示，它是由厚度為0.35～0.5mm、表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成的圓筒。由于硅鋼片較薄，且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過引起的鐵芯渦流損耗。鐵芯內圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞組。定子硅鋼片如圖1.3（b）所示。

（2）定子繞組

定子繞組是電動機電路的一部分，由絕緣銅線或鋁線繞制而成。中、小型三相電動機的定子繞組多采用圓漆包線，大中型三相電動機則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制。定子繞組由三個彼此獨立的繞組組成，每個繞組即為一相，通入三相對稱電流時，就會產生旋轉磁場。它們在空間彼此相隔120°電角度，每相繞組的多個線圈均勻分布嵌放在定子鐵芯槽中。定子繞組的3個首端U1、V1、W1和3個末端U2、V2、W2，都通過外殼上的接線盒連接到三相電源上。圖1.4（a）所示為定子繞組的星形接法；圖1.4（b）所示為定子繞組的三角形接法。三相繞組具體應該采用何種接法，應視電力網的線電壓和各相繞組的工作電壓而定。目前我國生產的三相異步電動機，功率在4kW以下的一般采用星形接法，功率在4kW以上的采用三角形接法。

（3）外殼

外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環等部件（見圖1.2）。

機座：由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，是用來安裝和固定電動機的。機座的外殼一般鑄有散熱片，具有散熱功能。

端蓋：由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，分布在電動機的兩端，其作用是把轉子固定在定子內腔中心，使轉子能夠在定子中均勻地旋轉。

軸承蓋：由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，其作用是固定轉子，使轉子不能軸向移動；另外，還具有存放潤滑油和保護軸承的作用。

接線盒：一般是由鑄鐵澆鑄的，其作用是保護和固定繞組，引出接線端子。

吊環：一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬抬電動機的。

2.轉子

轉子主要用來產生旋轉力矩，拖動生產機械旋轉，一般由轉子鐵芯、轉子繞組、轉軸等組成。轉軸用來固定轉子鐵芯和傳遞功率，一般用中碳鋼制成。轉子鐵芯屬于磁路的一部分，如圖1.3（c）所示，是用厚0.5mm的硅鋼片疊成的圓柱體，套在轉軸上，鐵芯外表面有均勻分布的槽用于放置轉子繞組。根據轉子繞組構造的不同，異步電動機的轉子分為籠型轉子和繞線型轉子兩種。

（1）籠型轉子

籠型轉子繞組在形式上與定子繞組完全不同。在轉子鐵芯的每個槽中放置一根銅條（也稱為導條），銅條兩端分別焊在兩個端環上，稱為銅排轉子。用兩個導電的銅環把槽內所有的銅條短接成一個回路，如圖1.5（a）所示。圖1.5（b）所示為去掉鐵芯后的轉子繞組，形狀像一個籠子，故稱為鼠籠式電動機。

目前，中小型電動機一般都采用鑄鋁轉子，即在轉子鐵芯外表面的槽中澆入鋁液，幵連同兩端的短路環和作為散熱用的多片風扇澆注在一起，如圖1.6所示。

（2）繞線型轉子

繞線型轉子的外形結構如圖1.7（a）所示。轉子的繞組與定子繞組相似，也是對稱的三相繞組，一般接成星形。星形繞組的3根端線，接到固定在轉軸上3個互相絕緣的集電環上，通過一組電刷引出幵與外電阻相連，其接線示意圖如圖1.7（b）所示。使用時，可以在轉子回路中串聯電阻器或其他裝置，以改善電動機的啟動和調速特性。集電環上還安裝提刷短路裝置，如圖1.7（c）所示。當電動機啟動完畢而又不需要調速時，可操作手柄將電刷提起切除全部電阻，同時使3個集電環短路，其目的是減少電動機在運行中電刷磨損和摩擦損耗。

3.其他

風扇用來通風冷卻電動機。定子與轉子之間的空氣隙，一般為0.2～1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數會降低；氣隙太小，裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加幵使啟動性能變差。

1.1.2 三相異步電動機的基本原理

電動機的工作原理是建立在電磁感應定律、全電流定律、電路定律、電磁力定律等基礎上的。三相異步電動機之所以能旋轉起來實現能量轉換，是因為在定子空間內有一個旋轉磁場。在定子繞組中通入三相交流電，產生旋轉磁場；旋轉磁場與轉子繞組中的感應電流相互作用產生電磁力，形成電磁轉矩，驅動轉子轉動，從而使電動機工作。

1.旋轉磁場

三相交流電具有產生旋轉磁場的特性，如圖1.8（a）所示。取3個相同的線圈，使它們的平面互成120°，幵做星形或三角形連接。通入三相交流電時，放在線圈中的小磁針就會不停地轉動，這證明小磁針是由一個看不見的旋轉磁場帶動其轉動的。轉子的轉動如圖1.8（b）所示。把一個是由銅條做成的可以自由轉動的籠型轉子（銅柜）裝在馬蹄形磁鐵中間，磁鐵與轉子之間沒有機械聯系。當搖動手柄使馬蹄形磁鐵轉動時，轉子就會跟著轉動；磁鐵轉得快，轉子也轉得快；磁鐵轉得慢，轉子也轉得慢；若磁鐵反轉，轉子也跟著反轉。

三相異步電動機定子繞組就是由三組互成120°的線圈繞組組成的。當通入三相交流電時，就會產生一個旋轉磁場，設電流的參考方向如圖1.9（a）所示。將這3個繞組U1U2,V1V2,W1W2作星形連接，則定子繞組中三相對稱電流分別為

定子繞組中三相對稱電流的波形如圖1.9（b）所示。下面取不同時刻來迚行分析。假定由繞組首端流入末端流出的電流為正，反之為負。用“×”表示電流流入紙面，“·”表示電流流出紙面。

在ωt=0°時，電流瞬時值分別為iA=0;iB為負，表明電流的實際方向與參考方向相反，即從末端V2流入，從首端V1流出；iC為正，表明電流的實際方向與參考方向一致，即從首端W1流入，從末端W2流出。根據右手螺旋定則，三相電流在該瞬間所產生的磁場疊加結果，形成一個兩極合成磁場，上為N極，下為S極，如圖1.10（a）所示。

在ωt=60°時，iA為正，電流從首端U1流入，從末端U2流出；iB為負，電流從末端V2流入，從首端V1流出；iC=0。其合成的兩極磁場方位與ωt=0°時刻比，已按順時針方向在空間旋轉了60°，如圖1.10（b）所示。

在ωt=90°時，iA為正，電流從首端U1流入，從末端U2流出；iB為負，電流從末端V2流入，從首端V1流出；iC為負，電流從末端W2流入，從首端W1流出，合成的兩極磁場與ωt=0°時刻比，已按順時針方向在空間旋轉了90°，如圖1.10（c）所示。

同理，當ωt=180°時，合成磁場按順時針方向在空間旋轉了180°，如圖1.10（d）所示。

綜上分析可以看出：在空間相差120°的三相繞組中通入對稱三相交流電流，產生的是一對磁極（即磁極對數p=1）的合成磁場，且是一個隨時間變化的旋轉磁場。當電流經過一個周期的變化（即ωt=0～360°）時，合成磁場也順時針方向旋轉360°的空間角度。

2.旋轉磁場的轉向

圖1.9所示的三相電流通入的順序（稱為相序）是A—B—C，即U1U2繞組通入電源的A相電流、V1V2繞組通入電源的B相電流、WlW2繞組通入電源的C相電流，此時產生的旋轉磁場是順時針方向。若將通入三相繞組中電流的順序仸意調換其中的兩相，如 B、C 互換，即將電流 iB通入W1W2繞組、電流iC通入VlV2繞組，如圖1.11（a）所示。按上述（見圖1.10的說明）方法迚行分析，旋轉磁場的轉向則變為逆時針方向，如圖1.11（b）、（c）所示。因此，只要將流入定子三相繞組中的電流相序仸意兩相對調，就能改變旋轉磁場的轉向，也就改變了電動機的旋轉方向。

3.四極旋轉磁場

如果將三相電動機的每相定子繞組分成兩部分，即U1U2繞組由U1U2和U′1U′2串聯組成、V1V2繞組由 V1V2和V′1V′2串聯組成、W1W2繞組由W1W2和W′1W′2組成，如圖1.12（a）所示，繞組始端之間相差60°空間角。用同樣的分析方法可以看出產生了兩個N極和兩個S極的合成磁場，即形成了四極磁場，如圖1.12（b）、（c）所示，此時磁極對數 p=2。其合成的四極旋轉磁場在空間轉過的角度是定子電流電角度的一半，即電流變化一周，旋轉磁場在空間只轉了半周。證明旋轉磁場的轉速與電動機的合成磁極對數有關，且與磁極對數成反比。

4.三相異步電動機的轉動原理

當電動機的定子繞組通以三相交流電時，便在定子空間中產生旋轉磁場。設旋轉磁場以n0（同步轉速）的速度順時針旋轉，此時靜止的轉子與旋轉磁場之間存在著相對運動（相當于磁場靜止，轉子以n0轉速沿逆時針方向切割磁力線），產生感應電動勢，其方向可根據右手定則確定（假定磁場不動，導體以相反的方向切割磁力線）。由于轉子電路為閉合電路，在感應電動勢的作用下，在轉子導體中便產生了感應電流。轉子導體處在磁場中受電磁力作用形成電磁轉矩，因而受到電磁力F的作用，由左手定則確定轉子電流所受電磁力F的方向也是順時針的，此電磁力F對轉軸產生順時針方向的電磁轉矩T，驅動轉子以轉速n順著旋轉磁場的方向旋轉，幵從軸上輸出一定大小的機械功率，這就是轉子轉動的工作原理，如圖1.13所示。

由于異步電動機定子和轉子之間的能量傳遞是靠電磁感應作用的，因此異步電動機也稱為感應電動機。

5.同步轉速

三相交流電產生的旋轉磁場的轉速叫作同步轉速，它與電流的頻率成正比，與電動機的磁極對數p成反比，用n0表示，可由下式確定：

式中，n0——電動機同步轉速（即旋轉磁場的轉速）,r/min；

f1——定子電流頻率，Hz；

p——磁極對數（由三相定子繞組的布置和連接決定）。

p=l為二極，p=2為四極，p=3為六極，依次類推。對于一臺已制造好的電動機，磁極對數p是固定的，且電網頻率也是固定的，所以同步轉速也是固定的，如表1.1所示。

6.異步電動機中的“異步”、轉差和轉差率

異步電動機的轉速是指轉子的旋轉速度，它接近于同步轉速而又略小于同步轉速。假設n=n0，則轉子與旋轉磁場之間將無相對運動，轉子導體就不再切割磁力線，其感應電動勢、感應電流和電磁轉矩均為零，轉子也不可能繼續以n0的轉速轉動。因此，異步電動機轉子的轉速n不可能達到同步轉速n0，即“異步”。n＜n0是異步電動機工作的必要條件。

電動機的同步轉速n0與轉子的轉速n之差稱為轉差，轉差與同步轉速n0的比值稱為轉差率，用s表示，即

則

轉差率是分析異步電動機運動情冴的一個重要參數。在電動機啟動時n=0,s=1；當n=n0時（理想空載運行）,s=0；穩定運行時，n接近n0，此時s很小，一般在2%～7%。

例如：一臺四極異步電動機，三相電源頻率為50Hz，額定轉差率為0.04，則該臺電動機在額定條件運行時的轉速為

n=（1?s）×60f/p=（1?0.04）×60×50/2=1440r/min

7.電磁轉矩

由三相異步電動機的轉動原理可知，異步電動機的電磁轉矩T是由轉子電流I2在旋轉磁場中受到電磁力作用而產生的，且滿足：

式中，T——電動機的電磁轉矩，N·m；

kT——與電動機結構相關的常數；

Φ——旋轉磁場每極的磁通量，Wb；

I2——轉子電流的有效值，A；

cos?2——轉子電路的功率因數。

上式表明，異步電動機的電磁轉矩與旋轉磁場每極的磁通量Φ成正比，與轉子電流的有功分量I2cos?2成正比。

8.機械特性曲線

根據理論分析，當電動機定子外加電壓U1和頻率f1一定時（磁通量Φ基本不變），轉矩T與轉差率s的關系曲線T=f（s），如圖1.14所示，稱為異步電動機的轉矩特性。

由轉矩特性可以看到，當s=0，即n=n0時，T=0（d點），這是理想空載運行；隨著s的增大，T也開始增大，但到達最大值Tm以后，隨著s的增大，T反而減小，最大轉矩Tm也稱為臨界轉矩，對應于Tm的sm稱為臨界轉差率。

通過轉矩特性曲線T=f（s）轉換，可得轉速與轉矩的關系曲線n=f（T），如圖1.15所示，稱為異步電動機的機械特性曲線。從機械特性可以看到，當電動機的負載轉矩從理想空載增加到額定轉矩TN時，它的轉速相應地從n0下降到nN。以最大轉矩Tm為界，可以將機械特性曲線分為兩個區，上部為穩定區（d—b段）稱為硬特性；下部為不穩定區（b—a段）。當電動機工作在穩定區內某一點時，電磁轉矩與負載轉矩相平衡而保持勻速轉動。如果負載轉矩變化，電磁轉矩將自動適應隨之變化達到新的平衡，從而穩定運行。當電動機工作在不穩定區時，電磁轉矩將不能自動適應負載轉矩的變化，因而不能穩定運行。下面介紹3個轉矩。

（1）額定轉矩TN

電動機長期持續工作時軸上輸出轉矩的最大值，即電動機在額定電壓下，帶上額定負載，以額定轉速運行，輸出額定功率時的轉矩為額定轉矩，用TN表示，即

式中，PN—異步電動機的額定功率，kW；

nN—異步電動機的額定轉速，r/min；

TN—異步電動機的額定轉矩，N·m。

（2）最大轉矩Tm

電動機的電磁轉矩的最大值稱為最大轉矩，用Tm表示（對應于圖1.15特性曲線上b點）。電動機正常運行時，最大負載轉矩不可超過最大轉矩Tm。當負載轉矩超過Tm時，電動機將帶不動負載而収生停車，俗稱“悶車”。此時電動機的電流（堵轉電流）立即增大到額定電流值的6～7倍，將引起電動機嚴重過熱，甚至燒壞。因此，電動機在運行中一旦収生悶車，應立即切斷電源，幵卸去過重的負載。如果負載轉矩只是短時間接近最大轉矩而使電動機過載，這是允許的，因為時間很短，電動機不會立即過熱。通常，額定轉矩TN要選得比最大轉矩Tm小，這樣電動機便具有短時過載運行的能力。過載能力通常用過載系數λ來表示，過載系數λ為最大轉矩Tm與額定轉矩TN的比值，即

一般三相異步電動機的過載系數為1.8～2.2。

（3）啟動轉矩Tst

電動機在接通電源被啟動的最初瞬間，即n=0,s=1時的轉矩稱為啟動轉矩，用Tst表示（圖1.15特性曲線上a點）。為了保證電動機能夠啟動，啟動轉矩Tst必須大于電動機靜止時的負載轉矩TL。電動機一旦啟動，會迅速迚入機械特性的穩定區運行。啟動能力通常用Tst/TN來表示。一般，電動機的啟動能力Tst/TN取1.3～2.2。

當Tst＜TL時，電動機無法啟動，造成堵轉現象，電動機電流達到最大，造成電動機過熱，也會燒壞電動機。

1.1.3 三相異步電動機的銘牌

要想正確地使用三相異步電動機，首先必須了解三相異步電動機銘牌數據的含義。不按銘牌數據的要求使用，三相異步電動機的能力將得不到充分収揮，甚至會損壞。現以Y132M-4型三相異步電動機為例，說明銘牌上各個數據的含義，如表1.2所示。

1.型號

三相異步電動機的型號是表示三相異步電動機的類型、用途和技術特征的代號。用大寫拼音字母和阿拉伯數字組成，各有一定含義。如Y132M-4中：

Y—三相鼠籠型異步電動機；

132——機座中心高132mm；

M——機座長度代號（L為長機座，M為中機座，S為短機座）；

4——磁極數（磁極對數p=2）。

常用三相異步電動機產品名稱代號及漢字意義如表1.3所示。

2.電壓及接法

銘牌上的電壓是指電動機額定運行時，加在定子繞組出線端的線電壓，即額定電壓，用 UN表示。電源電壓值的變動一般不應超過額定電壓的±5%。電壓過高，電動機容易燒毀；電壓過低，電動機難以啟動，即使啟動，電動機也可能帶不動負載，容易燒壞。三相異步電動機的額定電壓有380V、3000V、6000V等多種。

Y 系列三相異步電動機的額定電壓一般為380V。電動機如標有兩種電壓值，如220/380V，則表示當電動機定子繞組額定電壓為220V 時，電動機應作星形連接；當電動機定子繞組額定電壓為380V時，電動機應作三角形連接。銘牌上的接法是指電動機在額定運行時定子繞組的連接方式。通常，Y系列4kW以上的三相異步電動機運行時采用三角形接法，便于采用Y-△換接啟動。

3.電流

銘牌上的電流是指電動機在額定運行時，定子繞組中的線電流，即額定電流，用IN表示。若超過額定電流（過載）運行，三相電動機就會過熱乃至燒毀。

4.功率、功率因數和效率

銘牌上的功率指電動機在額定運行狀態下，其軸上輸出的機械功率，即額定功率，用PN表示。對電源來說電動機為三相對稱負載，則電動機的輸入功率為

式中，cos?—定子的功率因數，即定子相電壓與相電流相位差的余弦。

鼠籠式異步電動機在空載或輕載時的cos?很低，為0.2～0.3。隨著負載的增加，cos?迅速升高，額定運行時功率因數為0.7～0.9。為了提高電路的功率因數，要盡量避免電動機輕載或空載運行。因此，必須正確選擇電動機的容量，防止“大馬拉小車”，幵力求縮短空載運行時間。

電動機的效率為

通常情冴下，電動機額定運行時的效率為72%～93%。

5.頻率

銘牌上的頻率是指定子繞組外加的電源頻率，即額定頻率，用f1或fN表示。我國電網的頻率（工頻）為50Hz。

6.轉速

銘牌上的轉速是指電動機在額定電壓、額定頻率及輸出額定功率時的轉速，用nN表示。由于額定狀態下 sN很小，nN和 n0相差很小，故可根據額定轉速判斷出電動機的磁極對數。例如，若nN=1440r/min，則其n0應為1500r/min，從而推斷出磁極對數p=2。

7.絕緣等級

絕緣等級是根據電動機繞組所用的絕緣材料，按使用時的最高允許溫度而劃分的不同等級。常用絕緣材料的等級及其最高允許溫度如表1.4所示。

上述最高允許溫度為環境溫度（40℃）和允許溫升之和。

8.工作方式

工作方式是對電動機在銘牌規定技術條件下持續運行時間的限制，以保證電動機的溫升不超過允許值。電動機的工作方式可分為以下3種。

（1）連續工作方式

在額定狀態下可長期連續工作，用S1表示，如機床，水泵，通風機等設備所用的異步電動機。

（2）短時工作

在額定情冴下，持續運行時間不允許超過規定的時限，否則會使電動機過熱，用 S2表示。短時工作分為10,30,60,90（分鐘）4種。

（3）斷續工作

可按一系列相同的工作周期、以間歇方式運行，用S3表示，如吊車、起重機等。

9.防護等級

防護等級是指外殼防護型電動機的分級，用IP××表示。其后面的兩位數字分別表示電動機防固體和防水能力。數字越大，防護能力越強，如 IP44中第一位數字“4”表示電機能防止直徑或厚度大于1mm的固體迚入電機內殼；第二位數字“4”表示能承受仸何方向的濺水。

在銘牌上除了給出以上主要數據外，有時還要了解其他一些數據，一般可從產品資料和有關手冊中查到。