第一节 三相交流异步电动机

一、三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机按结构可分为三相笼型（俗称鼠笼式）异步电动机和三相绕线转子异步电动机。图1-1所示为三相笼型异步电动机结构图。三相交流异步电动机一般由两个基本部分组成，一是固定不动的部分，称为定子；一是旋转部分，称为转子。

1.三相笼型异步电动机的基本结构

（1）定子部分：定子部分（见图1-1）由定子铁心7、定子绕组5和机座4等组成。机座通常由铸铁制成，机座内装有用0.5mm厚的硅钢片叠制而成的定子铁心。为了减小涡流损耗，叠片间需要进行绝缘处理。一般小容量的电动机由硅钢片表面的氧化膜绝缘，大容量电动机的硅钢片间则涂有绝缘漆。定子铁心的内圆周上具有均匀分布的定子槽，槽内嵌放三相定子绕组。定子绕组与铁心之间垫有足够绝缘强度的绝缘材料。中小功率的电动机定子绕组一般采用漆包圆铜线或铝线绕制，大型异步电动机的导线截面积较大，采用矩形截面的表面绝缘的铜线或铝线绕制，定子绕组分为三组，作为三相绕组嵌放在定子铁心槽内，三相绕组在定子铁心内整个圆周空间彼此相隔120°放置，构成对称的三相绕组，是电动机的电路部分。三相绕组的6个出线端引出后接在置于电动机外壳上的接线盒（见图1-1中的“9”）内。三相绕组的首端分别叫做U1、V1和W1，其对应的末端分别叫做U2、V2和W2。将接线盒中的6个接线端子进行适当连接，可以得到三相绕组的星形（）联结或三角形（△）联结，如图1-2所示。

图1-1 三相笼型异步电动机结构图

1—风扇 2—风罩 3—后端盖 4—机座 5—定子绕组 6—转子铁心 7—定子铁心 8—吊环 9—接线盒 10—转轴 11—前端盖 12—轴承

图1-2 三相定子绕组的连接

a）星形联结 b）三角形联结

（2）转子部分：转子部分（见图1-1）由转子铁心6、转子绕组、转轴10、风扇1等部分组成。

转轴一般由中碳钢材料制造，它起到支撑、固定转子铁心和传递功率的作用。转子铁心由0.5mm厚的圆形硅钢片叠制而成，是电动机磁路的一部分。叠压成整体的圆柱形转子铁心套装在转轴上。

转子铁心外圆的槽内放置转子绕组。笼型电动机的转子绕组如图1-3所示。图a是忽略了铁心时的绕组样式，它用铜条或铝条作转子导体（导条），在导条的两端用短路环（也称端环）短接，整个绕组的外形就像一个笼子，所以具有这种结构转子绕组的电动机称作笼型电动机。

图1-3 笼型转子绕组

a）笼型转子绕组 b）铸铝笼型转子

小型异步电动机的笼型绕组用铝材铸造而成。制造时，叠好的转子铁心外圆周刻有沟槽，将转子铁心放在铸铝的模具内，通过铸造工艺一次铸造成笼型绕组和端部的内风扇。铸造好的笼型转子外形如图1-3b所示。

除了上述结构部件外，异步电动机还有前端盖、后端盖、轴承、风扇、风罩、吊环等，见图1-1。

2.三相绕线转子异步电动机的基本结构

绕线转子异步电动机与笼型异步电动机的差别在于转子绕组，绕线式转子的铁心槽内放置着与定子绕组相类似的三相对称绕组，这三相绕组的末端在内部接成星形，三相绕组的首端由转子轴中心引出接到集电环（滑环），经过集电环和电刷在外部串入电阻（起动、调速时）或经过开关器件短接（正常运行时），如图1-4所示。

图1-4 绕线转子异步电动机接线示意图

有的绕线转子异步电动机还有提刷装置，在串入外接电阻起动完毕后，把电刷提起，将三相集电环直接短路，从而减小运行中集电环与电刷的磨损。

二、三相异步电动机的基本工作原理

1.旋转磁场的产生

三相异步电动机是利用定子绕组中三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而旋转的。

图1-5所示为异步电动机工作原理示意图。它由定子和转子两部分组成。定子和转子之间有一个很小的空气隙。定子的铁心槽内对称放置三相绕组，转子绕组则形成闭合回路。定子对称三相绕组接入交流电源，流过对称的三相交流电流。建立起定子三相合成旋转磁动势并产生定子旋转磁场。

图1-5 异步电动机工作原理示意图

图1-5中的虚线表示某一瞬间定子旋转磁场的磁通，它以同步转速n₁沿顺时针方向旋转，转子导体切割磁场感应电动势，该电动势的方向可用右手定则确定，它在闭路的转子绕组中产生有功分量与电动势同相位的电流。载流的转子绕组在旋转磁场中将受到电磁力的作用，可用左手定则确定此时转子绕组受到一个顺时针方向的电磁力和电磁转矩作用，使转子以转速n随着定子旋转磁场转向旋转。

转子随着旋转磁场旋转时如果转轴上有机械负载，电动机就拖动该负载做功，将输入的电功率转换为轴上输出的机械功率。

既然旋转磁场是电动机转子旋转的基础，那么三相旋转磁场产生的条件就是应该讨论的问题，这就是：

1）三相绕组必须对称，而且在定子铁心上按空间互差120°电角度分布。

2）通入三相对称绕组的电流也必须对称，即大小、频率相同，相位互差120°电角度。

为了实现三相绕组对称，三相绕组在定子铁心上的分布应遵循以下原则：

1）各相绕组在每个磁极下应均匀分布，以达到磁场对称的目的。为此，先将定子槽数按极数均匀分配，称为分极，每极为180°电角度。每极下又分为三相，称为分相，即分为3个相带，每个相带60°电角度。相带也叫极相组。三相绕组在每极下按U相、V相、W相相带顺时针方向均匀分布。

2）各相绕组的电源引出线应彼此相隔120°电角度。

3）同相绕组中相带线圈之间应顺着电流参考方向连接。

4）同一相绕组的各有效边在同性磁极下，电流参考方向应相同，而在异性磁极下的电流参考方向应相反。

2.旋转磁场的转速

三相异步电动机旋转磁场的转速与异步电动机的极数有关，即电动机的极数就是旋转磁场的极数，因此旋转磁场的极数与三相绕组的安排有关。如果每相绕组只有一个线圈，各相绕组的始端之间相差120°，则产生的旋转磁场具有一对磁极，若用p表示磁极对数，则此时p=1。如果定子绕组每相有两个线圈串联，各相绕组的始端之间相差60°，则产生的旋转磁场具有两对磁极，即p=2。同理，若要产生三对磁极，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，线圈的始端之间相差40°。

旋转磁场的转速决定于磁场的极数。当绕组中的电流变化一周时，一对磁极的旋转磁场在空间正好转过一周。对50Hz的工频交流电来说，旋转磁场每秒将在空间旋转50周，其转速n₁=60f₁=60×50=3000r/min。若旋转磁场有两对磁极，则电流变化一周，旋转磁场只转过0.5周，比极对数p=1时的转速慢了一半，即n₁=60f₁/2=1500r/min。同理，在3对磁极时，电流变化一周，旋转磁场仅旋转了1/3周，其转速n₁=60f₁/3=1000r/min。以此类推，当旋转磁场具有p对磁极时，旋转磁场转速为

n₁=60f₁/p

式中 n₁——旋转磁场转速（r/min）；

f₁——交流电源频率（Hz）；

p——电动机定子极对数。

旋转磁场的转速n₁又称同步转速，它决定于电源频率f₁和旋转磁场的极对数p。当电源频率f₁=50Hz时，三相异步电动机同步转速n₁与磁极对数p的关系见表1-1。

表1-1 f₁=50Hz时的旋转磁场转速

3.电动机转子的转动方向、转速n和转差率s

异步电动机转子旋转的方向与旋转磁场的方向一致，而旋转磁场在空间的旋转方向是由三相电流的相序决定的。虽然两者的旋转方向相同，但转速却有差异，即转子的转速n始终低于旋转磁场的转速n₁，这是因为产生电磁转矩需要转子中存在感应电动势和感应电流，如果转子转速与旋转磁场转速相等，两者之间就没有相对运动，转子导体将不切割磁力线，则转子感应电动势、转子电流均不能产生，也就不能产生推动转子转动的电磁转矩。所以，异步电动机运行的必要条件是转子转速和定子旋转磁场转速之间存在差异，“异步”之名，由此而来。另外，因为产生转子电流的感应电动势是由电磁感应产生的，所以异步电动机也叫做感应电动机。

异步电动机的转子转速n与定子旋转磁场的转速n₁之间存在着转速差，此转速差正是定子旋转磁场切割转子导体的速度，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响到异步电动机的工作状态。该转速差与同步转速的比值称为转差率，用s表示，即

s=（n₁-n）/n₁

转差率是分析异步电动机运行情况的一个重要参数，例如异步电动机起动瞬间n=0，s=1，转差率最大；空载时n接近n₁，s很小，在0.005以下；若n=n₁，则s=0，称为理想空载状态，这种状态实际运行中并不存在。异步电动机工作时，转差率在1～0之间变化。额定负载时，其额定转差率s=0.01～0.07。

由以上分析可知，异步电动机的转动方向总是与旋转磁场的转向一致，因此，只要把定子绕组与三相电源连接的三条导线对调其中任意两条，就可以改变旋转磁场的转向，从而变换电动机的旋转方向。

三、变频电动机简介

由于近些年来变频器产品和变频调速技术的日益普及，国内的电动机生产厂家研制出了许多型号的变频电动机，这些更适合于与变频器配套使用的变频调速三相异步电动机已经广泛应用于各种传动机械，例如机床、冶金、石油、化工、医药、纺织、橡胶、压铸、注塑、印刷、包装、食品等行业。

变频电动机可以采用基“频”制代替基“极”，基准频率可选定25Hz、33.3Hz、50Hz、87Hz，代替传统的8、6、4、2极50Hz定频电动机。

变频电动机采用轴流风机强制通风冷却，保证电动机在任何转速下具有良好的散热，可实现高速或低速运行状态下均可长期安全运行。

四、三相异步电动机的铭牌及主要系列

1.铭牌标记的技术信息

每一台三相异步电动机机座上都嵌有一块铭牌，上面标注有电动机的型号、额定值等，见表1-2。

1）型号：型号是表示电动机主要技术条件、名称、规格的一种产品代号。用大写字母和阿拉伯数字的组合表示，如图1-6所示。

表1-2 三相异步电动机的铭牌数据

图1-6 异步电动机型号组成

图1-7 异步电动机型号示例

a）中小型异步电动机型号示例 b）大型异步电动机型号示例

图1-7a所示为中小型异步电动机的型号示例；图1-7b所示为大型异步电动机的型号示例。

2）额定功率P_N：异步电动机在额定运行状态下由转轴端输出的机械功率（kW）。

3）额定电压U_N：异步电动机在额定运行状态下定子绕组施加的线电压（V）。

4）额定电流I_N：异步电动机在额定运行状态下定子绕组流过的线电流（A）。

5）额定功率因数cosϕ_N：异步电动机在输出额定功率运行时的功率因数，中小型异步电动机的cosϕ_N一般为0.8左右。

6）接法：异步电动机三相定子绕组的接法，可以联结，也可△联结。如图1-2所示。电动机改变接法后，其额定运行电压也随之发生变化。例如原来△联结的电动机改为联结后，额定电压升高到原来的3倍，如果原来△联结的电动机额定电压是380V，改为联结后额定电压升高到。虽然我国标准电压值里有660V这个规格值，但一般用电场所并不一定同时具备这两种电压规格。这在具体应用时必须引起注意。

7）额定转速n_N：异步电动机在额定运行状态下的转速n_N（r/min）。

n_N=（1-s）n₁

式中 n₁——旋转磁场转速（r/min）；

s——转差率。

8）运行方式：电动机运行的持续时间，分为“连续”、“短时”、“断续”等几种。其中后两种运行方式电动机只能短时、间歇地使用。

9）防护等级：国际电工委员会和我国国家标准GB/T 4942.1—2006规定的电动机整体结构防护等级，是电动机依其防尘、防止外物侵入、防湿气之特性进行的分级。防护等级的标志由表征字母“IP”及附加在其后的两位表征数字组成，表征数字中的第一位数字表示电动机防止外物侵入的等级，第二位数字表示电动机防湿气、防水侵入的密闭程度，数字越大表示其防护等级越高。当只需用一位表征数字表示某一防护等级时，被省略的数字应以字母“X”代替，例如IPX5，IP2X。

表示电机防护等级的表征字母和数字应标在电机的铭牌上，若有困难，可标在外壳上。

关于电动机整体结构防护等级的系统知识，可参阅本章第三节的内容。

另外，电动机的铭牌上还标明了绝缘等级、温升、重量等数据。

绕线转子电动机的铭牌，还会标注转子电压（定子施加额定电压时的转子开路电压）和转子电流等数据。

2.三相异步电动机的主要系列

Y系列三相异步电动机是20世纪70年代末全国联合设计，80年代后逐渐开始替代J2、JO2系列的一种较新型的节能电动机。常用的Y系列三相异步电动机有Y（IP44）封闭式、Y（IP23）防护式小型三相异步电动机；YR（IP44）封闭式、YR（IP23）防护式绕线转子三相异步电动机；YD变极多速三相异步电动机；YX高效率三相异步电动机；YH高转差率三相异步电动机；YB隔爆型三相异步电动机；YCT电磁调速三相异步电动机；YEJ制动三相异步电动机；YTD电梯用三相异步电动机；YQ高起动转矩三相异步电动机等几十种产品。

另外，随着近些年来变频器产品和变频调速技术的日益普及，国内的电动机生产厂家研制出了许多型号的变频电动机。