2.2 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.2.1 異步電動機(jī)概述

由于異步電動機(jī)（Asynchronous Machines）的轉(zhuǎn)子繞組電流是基于電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，因此，異步電動機(jī)又稱為感應(yīng)電動機(jī)（Induction Machines）。

異步電動機(jī)按照轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，分為籠型異步電動機(jī)和繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)兩種。

1.異步電動機(jī)的工作特點(diǎn)

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子繞組電流直接取自交流電力系統(tǒng)。與其他類型的電動機(jī)相比，異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單、容易制造、使用和維護(hù)方便、運(yùn)行可靠性高、重量輕、成本低。以三相異步電動機(jī)為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)相比，前者重量只及后者的1/2，成本僅為1/3。異步電動機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。異步電動機(jī)具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的驅(qū)動要求。

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而其調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合（如驅(qū)動軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、大型機(jī)床等），不如直流電動機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。

此外，異步電動機(jī)運(yùn)行時，需要從電力系統(tǒng)中吸取無功功率以勵磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變差。因此，在大功率、低轉(zhuǎn)速場合（如驅(qū)動球磨機(jī)、大型壓縮機(jī)等）不如用同步電動機(jī)合理。

2.異步電動機(jī)的應(yīng)用

由于異步電動機(jī)生產(chǎn)量大、使用面廣，要求其必須有繁多的品種、規(guī)格與各種機(jī)械配套。因此，異步電動機(jī)的設(shè)計、生產(chǎn)特別要注意標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。在各類系列產(chǎn)品中，以產(chǎn)量最大、使用最廣的三相異步電動機(jī)系列為基本系列。此外，還有若干派生系列（在基本系列基礎(chǔ)上做部分改變而衍生的系列）、專用系列（為特殊需要設(shè)計的具有特殊結(jié)構(gòu)的系列）。

異步電動機(jī)的種類繁多，有YB系列防爆型三相異步電動機(jī)，YS系列小功率分馬力三相異步電動機(jī)，Y、Y2、Y3系列三相異步電動機(jī)，YX3、YE2系列高效率三相異步電動機(jī)，YE3系列超高效率三相異步電動機(jī)，YZTE3系列鑄銅轉(zhuǎn)子超高效率三相異步電動機(jī)，YVF2、YVF3系列變頻調(diào)速電動機(jī)等。

2.2.2 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)的種類很多，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的，均由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖2-7a和圖2-7b所示。圖2-8為三相異步電動機(jī)主要部件的拆分圖。

1.定子

定子（Stator）是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的。三相異步電動機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵心和定子繞組等部分組成。

（1）外殼

三相異步電動機(jī)外殼包括機(jī)座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。

機(jī)座是三相異步電動機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的重要組成部分。機(jī)座多由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，其作用是保護(hù)和固定三相異步電動機(jī)的定子繞組。中、小型三相異步電動機(jī)的機(jī)座還有前、后兩個端蓋，用以支承轉(zhuǎn)子。為提高散熱性能，機(jī)座的外表一般都鑄有散熱片。

端蓋多由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，其作用是把轉(zhuǎn)子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉(zhuǎn)子能夠在定子中均衡、平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。

軸承蓋也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，其作用是支承和保護(hù)軸承、儲存潤滑油。此外，還具有限制轉(zhuǎn)子軸軸向移動的作用。

接線盒一般是用鑄鐵澆鑄或用鋼板沖壓成型，其作用是保護(hù)和固定電動機(jī)繞組的引出線端子。

圖2-7 三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

a）三相籠型異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖 b）繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2-8 三相異步電動機(jī)主要部件的拆分圖

吊環(huán)一般是用鑄鋼制造，安裝在機(jī)座的上端，用來起吊、搬運(yùn)電動機(jī)。

（2）定子鐵心

異步電動機(jī)定子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的硅鋼片（圖2-9）疊壓而成。

硅鋼片是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金，一般含硅量為0.5%～4.5%。加入硅可顯著降低鐵心損耗（簡稱鐵耗或鐵損），提高最大磁導(dǎo)率。硅鋼片主要用于制作各種變壓器、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的鐵心。

圖2-9 硅鋼片

由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的（熱軋硅鋼片一般涂有絕緣油漆，而冷軋硅鋼片在生產(chǎn)過程中形成的氧化膜自身就有絕緣作用，故冷軋硅鋼片無須涂絕緣油漆），可減少由于交變磁場通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內(nèi)圓有均勻分布的槽，用于嵌放定子繞組（圖2-10）。

圖2-10 定子鐵心及繞組

a）定子鐵心（嵌入部分繞組） b）定子鐵心（繞組嵌放完畢）

（3）定子繞組

定子繞組是三相電動機(jī)的電路部分，三相電動機(jī)有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨(dú)立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每兩相繞組在空間相隔120°電角度。定子繞組的線圈由絕緣銅線或鋁線繞制而成（圖2-11）。

圖2-11 定子繞組

a）散嵌繞組 b）成型繞組

中、小型三相電動機(jī)多采用圓漆包線，大、中型三相電動機(jī)的定子線圈則用較大截面的扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。

定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒內(nèi)，首端分別標(biāo)為U1、V1、W1，末端分別標(biāo)為U2、V2、W2。這六個出線端在接線盒內(nèi)的排列如圖2-12所示，可以接成星形或三角形。

2.轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子（Rotor，圖2-13）是用于輸出電磁轉(zhuǎn)矩的，主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組及轉(zhuǎn)子軸組成。

（1）轉(zhuǎn)子鐵心

轉(zhuǎn)子鐵心（圖2-14）是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，套在轉(zhuǎn)子軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機(jī)磁路的一部分，另一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。定子鐵心的特點(diǎn)是內(nèi)圓開槽，而轉(zhuǎn)子鐵心的特點(diǎn)是外圓開槽。

圖2-12 定子繞組的連接示意圖

a）星形聯(lián)結(jié) b）三角形聯(lián)結(jié)

圖2-13 轉(zhuǎn)子

圖2-14 轉(zhuǎn)子鐵心

（2）轉(zhuǎn)子繞組

異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線式與籠型兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)與籠型異步電動機(jī)。

1）繞線轉(zhuǎn)子繞組。繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，也是一個三相對稱繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉(zhuǎn)子軸上的三個與轉(zhuǎn)子軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連（圖2-15）。

圖2-15 繞線轉(zhuǎn)子繞組

如圖2-16所示，繞線轉(zhuǎn)子繞組可以與外串電阻器連接，便于實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的串電阻減壓起動和調(diào)速。但在正常工作時，一般需將外接的電阻器短路。

2）籠型轉(zhuǎn)子繞組。為簡化結(jié)構(gòu)，可以采用銅質(zhì)導(dǎo)條（銅條）作為繞組，在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，如圖2-17所示。由于這種結(jié)構(gòu)與關(guān)松鼠的籠子（圖2-18）非常相似，故稱籠型轉(zhuǎn)子。相應(yīng)地，采用籠型轉(zhuǎn)子的電動機(jī)，就稱為籠型電動機(jī)（圖2-19和圖2-20）。

圖2-16 繞線轉(zhuǎn)子繞組與外串電阻器的連接

1—集電環(huán) 2—電刷 3—外接的電阻器（可變電阻）

圖2-17 銅排轉(zhuǎn)子

圖2-18 關(guān)松鼠的籠子

圖2-19 籠型電動機(jī)（1）

圖2-20 籠型電動機(jī)（2）

由于銅的價格高，為降低制造成本，可以以鋁代銅，用鑄鋁的方法，把轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)、風(fēng)扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子，如圖2-21和圖2-22所示。100kW以下的異步電動機(jī)一般均采用鑄鋁轉(zhuǎn)子。

圖2-21 鑄鋁轉(zhuǎn)子（未裝輸出軸）

圖2-22 鑄鋁轉(zhuǎn)子（裝有輸出軸）

3.其他部分

電動機(jī)的其他部分包括端蓋、風(fēng)扇等。端蓋除了起防護(hù)作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支承轉(zhuǎn)子軸。風(fēng)扇則用來強(qiáng)制通風(fēng)，冷卻電動機(jī)。

三相異步電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙，簡稱氣隙（Air Space），一般僅為0.2～1.5mm。氣隙太大，電動機(jī)運(yùn)行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，則裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加并使起動性能變差。

與繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)相比較，籠型電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、工作可靠，但不能人為改變電動機(jī)的機(jī)械特性；繞線轉(zhuǎn)子電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、維護(hù)工作量大，但轉(zhuǎn)子外加電阻后，可人為改變電動機(jī)的機(jī)械特性。

2.2.3 電動機(jī)的工作原理

二維碼2-3

1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

在定子繞組中，通入三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用而產(chǎn)生的電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而使電動機(jī)工作。

當(dāng)將電動機(jī)的三相定子繞組通入式（2-1）所示的對稱的三相電流（圖2-23）時，在不同時刻，三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場如圖2-24所示。

在圖2-24中，表示電流流入，表示電流流出。

圖2-23 三相電流

圖2-24 三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場

a）ωt=0。時，i_U=0，i_V<0，i_W>0 b）ωt=120。時，i_U>0，i_V=0，i_W<0

c）ωt=240。時，i_U<0，i_V>0，i_W=0 d）ωt=360。時，i_U=0，i_V<0，i_W>0

式中 i_U、i_V、i_W——U、V、W三相定子繞組中的電流瞬時值（A）；

I_m——U、V、W三相定子繞組中的電流有效值（A）；

ω——電角速度（rad/s）；

t——時間（s）。

由圖2-24可知，三相交流電流產(chǎn)生的合成磁場是一個旋轉(zhuǎn)的磁場，在一個電流周期內(nèi)，旋轉(zhuǎn)磁場在電磁空間內(nèi)轉(zhuǎn)過360。。旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向，取決于三相電流的相序。任意調(diào)換兩根電源進(jìn)線，旋轉(zhuǎn)磁場的方向即發(fā)生改變，相應(yīng)地，電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸的旋轉(zhuǎn)方向也就發(fā)生改變。

2.同步轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n₀稱為三相交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。同步轉(zhuǎn)速n₀與電動機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)p有關(guān)。

以Υ聯(lián)結(jié)為例，如圖2-25a所示，當(dāng)每相繞組只有一個線圈時，將定子繞組按圖2-25b放入定子槽內(nèi)，合成的旋轉(zhuǎn)磁場形成一個N極、一個S極，共有一對磁極，則磁極對數(shù)為1，即p=1。

圖2-25 每相繞組只有一個線圈時的磁場分布情況

a）三相繞組Υ聯(lián)結(jié)電路圖（各相由一個線圈構(gòu)成） b）形成具有兩個磁極（一對磁極）的旋轉(zhuǎn)磁場

仍以Υ聯(lián)結(jié)為例，如圖2-26a所示，將每相繞組都改用兩個線圈串聯(lián)組成。將定子繞組按圖2-26b放入定子槽內(nèi)，合成的旋轉(zhuǎn)磁場形成兩個N極、兩個S極，共有兩對磁極，則磁極對數(shù)為2，即p=2。

圖2-26 每相繞組由兩個線圈串聯(lián)而成時的磁場分布情況

a）三相繞組Υ聯(lián)結(jié)電路圖（各相由兩個線圈串聯(lián)而成） b）形成具有四個磁極（兩對磁極）的旋轉(zhuǎn)磁場

當(dāng)磁極對數(shù)p=1時，電流變化一周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)一圈；電流每秒鐘變化50周（即電源頻率為50Hz）→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)50圈；電流每分鐘變化（50×60）周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)3000圈。

當(dāng)磁極對數(shù)p=2時，電流變化一周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)半圈；電流每秒鐘變化50周（即電源頻率為50Hz）→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)25圈；電流每分鐘變化（25×60）周→旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)1500圈。

由此，可以推導(dǎo)出，當(dāng)磁極對數(shù)p為任意整數(shù)值時，三相異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為

式中 n₀——旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速（r/min）；

f——電源頻率（Hz）；

p——磁極對數(shù)（簡稱極對數(shù)）。

當(dāng)電源頻率f=50Hz時，不同磁極對數(shù)的三相異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速見表2-1。

表2-1 三相異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

3.電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

當(dāng)向三相定子繞組中通入對稱的三相交流電時，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速n₀沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間旋轉(zhuǎn)的磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以n₀轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的，故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（感應(yīng)電動勢的方向用右手定則判定）。

由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體將在定子磁場中受到電磁力的作用（電磁力的方向用左手定則判定）。

電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，驅(qū)動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n順著n₀方向旋轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)子軸（亦即電動機(jī)的輸出軸）上輸出一定大小的機(jī)械功率P。

簡言之，三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程如圖2-27所示。

圖2-27 三相異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生過程

4.“異步”運(yùn)行與轉(zhuǎn)差率

在實(shí)際工作中，三相異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速n總是小于n₀，不能等于n₀。也就是說，異步電動機(jī)工作時，轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)速n總是小于定子繞組旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n₀，這就是異步電動機(jī)名稱中“異步”的由來。由于建立電磁轉(zhuǎn)矩的電流是通過電磁感應(yīng)原理產(chǎn)生的，因此，異步電動機(jī)又稱為感應(yīng)電動機(jī)。

由前面分析可知，異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向一致，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不可能與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，即n<n₀。旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之比稱為轉(zhuǎn)差率，即

式中 s——轉(zhuǎn)差率；

n₀——旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速（r/min）；

n——電動機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速（r/min）。

異步電動機(jī)剛起動時，n=0，s=1；電動機(jī)在額定工況下運(yùn)行時，s=1%～9%。