感应电动机的原理、种类及主要结构
7.1 感应电动机的原理、种类及主要结构
7.1.1 三相异步电动机的原理
图7-1-1 三相异步电动机的工作原理
三相异步电动机的定子铁心上嵌有对称三相绕组，在圆柱体的转子铁心上嵌有均匀分布的导条，导条两端分别用铜环把它们联接成一个整体。当对称三相绕组接到对称三相电源以后，即在定子、转子之间的气隙内建立了以同步转速n0旋转的旋转磁场。由于转子上的导条被这种旋转磁场的磁力线切割，根据电磁感应定律，转子导条内会感应产生感应电动势，若旋转磁场按逆时针方向旋转，如图7-1-1所示，根据右手定则，可以判明图中转子上半部导体中的电动势方向，都是进入纸面的，下半部导体中的电动势都从纸面出来的。因为转子上导条已构成闭合回路，转子导条中就有电流通过。如不考虑导条中电流与电动势的相位差，则电动势的瞬时方向就是电流的瞬时方向。根据电磁力定律，导条在旋转磁场中，并载有由感应作 用所产生的电流，这样导条必然会受到电磁力。电磁力的方向用左手定则决定。从图7-1-1可看出，转子上所有导条受到的电磁力形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向旋转，其转速为n。如转子与生产机械联接，则转子上受到的电磁转矩将克服负载转矩而作功，从而实现能量的转换，这就是三相异步电动机的工作原理。
7.1.2 三相异步电机的结构
和直流电机一样，三相异步电动机主要也由静止的定子和转动的转子组成。定子与转子之间有一个较小的气隙。图7-1-2表示绕线转子三相异步电动机的结构。
图7-1-2 绕线转子异步电动机剖面图
1-转子绕组 2-端盖 3-轴承 4-定子绕组 5-转子
6-定子 7-集电环 8-出线盒
1．定子
异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座三部分组成。
（1）定子铁心 定子铁心是异步电动机主磁通磁路的一部分。为了使异步电动机能产生较大的电磁转矩，希望有一个较强的旋转磁场，同时由于旋转磁场对定子铁心以同步转速旋转，定子铁心中的磁通的大小与方向都是变化的，必须设法减少由旋转磁场在定子铁心中所引起的涡流损耗和磁滞损耗，因此，定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚且冲有一定槽形的硅钢片叠压而成。对于容量较大（10kW以上）的电动机，在硅钢片两面涂以绝缘漆，作为片间绝缘之用。
图7-1-3 定子铁心槽形
a)开口槽 b)半开口槽 c)半闭口槽
定子铁心上的槽形通常有三种：半闭口槽、半开口槽及开口槽。从提高电动机的效率和功率因数来看，半闭口槽最好，如图7-1-3 c)所示。但绕组的绝缘和嵌线工艺比较复杂，所以这种槽形适用于小容量的及中型的低压异步电动机。半开口槽的槽口等于或略大于槽宽的一半，如图7-1-3 b)所示半开口槽可以嵌放成型线圈，这种槽形用于大型低压异步电动机。
开口槽如图7-1-3 a)所示，用于高压异步电动机，以保证绝缘的可靠和下线方便。
（2）定子绕组 定子绕组是异步电机定子部分的电路，它也是由许多线圈按一定规律联接而成。能分散嵌入半闭口槽的线圈，由高强度漆包圆铜线或圆铝线绕成；放入半开口槽的成型线圈用高强度漆包扁铝线或扁铜线，或用玻璃丝包扁铜线绕成。开口槽也放入成型线圈，其绝缘通常采用云母带，线圈放入槽内必须与槽壁之间隔有“槽绝缘”，以免电机在运行时绕组对铁心出现击穿或短路故障。
一般根据定子绕组在槽内布置的情况，有单层绕组及双层绕组两种基本型式。容量较大的异步电动机都采用双层绕组。双层绕组在每槽内的导线分上下两层放置，上下层线圈边之间需要用层间绝缘隔开。小容量异步电动机常采用单层绕组。槽内定子绕组的导线用槽楔紧固。槽楔常用的材料是竹、胶布板或环氧玻璃布板等非磁性材料。
（3）机座 机座的作用主要是固定和支撑定子铁心。中小型异步电动机一般都采用铸铁机座，并根据不同的冷却方式而采用不同的机座型式。例如小型封闭式电动机、电机中损耗变成的热量全都要通过机座散出。为了加强散热能力，在机座的外表面有很多均匀分布的散热筋，以增大散热面积。对于大中型异步电动机，一般采用钢板焊接的机座。
2．转子
异步电机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。
（1）转子铁心 转子铁心也是电动机主磁通路的一部分，一般也由0.5毫米厚冲槽的硅钢片叠成，铁心固定在转轴或转子支架上。整个转子铁心的外表面成圆柱形。
（2）转子绕组 转子绕组分为笼型和绕线型两种结构，下面分别说明这两种绕组结构型式的特点。
1） 笼型绕组 由于异步电动机转子导体内的电流是由电磁感应作用而产生的，不需要由外电源对转子绕组供电，因此绕组可自行闭合，绕组的相数亦不必限定为三相。因此笼型绕组的各相均由单根导条组成。笼型绕组由插入转子的导条和两端的环形端环组成。如果去掉铁心，整个绕组的外形就象一个关松鼠的笼子，如图7-1-4。具有这种笼型绕组的转子，习惯上称为笼型转子。为了节约用铜和提高生产率，小容量笼型异步电动机一般都采用铸铝转子如图7-1-5。这种转子的导条和端环一次铸出。对容量大于100W的电机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子内，在两端焊上端环，构成笼型绕组。笼型转子上既无集电环，又无绝缘，所以结构简单、制造方便、运行可靠。
图7-1-4 铜条笼型转子 图7-1-5 铸铝笼型转子
2）绕线型绕组 它与定子绕组一样也是一个对称三相绕组，这个对称三相绕组接成星形，并接到转轴上三个集电环，再通过电刷使转子绕组与外电路接通如图7-1-6。这种转子的特点是，通过集电环和电刷可在转子回路中接入附加电阻或其它控制装置，以便改善电动机的起动性能或调速特性。
3．气隙
图7-1-6 绕线转子异步电动机示意图
异步电动机定、转子之间的气隙是很小的，中小型电机一般为0.2~2mm。气隙的大小与异步电动机的性能关系极大。气隙愈大，磁阻也愈大。磁阻大时，产生同样大小的旋转磁场就需要较大的励磁电流。励磁电流是无功电流（与变压器中的情况一样），该电流增大会使电机的功率因数变坏。然而，磁阻大可以减少气隙磁场中的谐波含量，从而可减少附加损耗，且改善起动性能。气隙过小，会使装配困难和运转不安全。如何决定气隙大小，应权衡利弊，全面考虑。一般异步电动机的气隙以较小为宜。
7.2 感应电动机转矩、额定功率、转差率的概念及其等值电路
7.2.1 转差率的概念
一般情况下，异步电动机的转速不能达到同步转速n0。因为电动机转子转速达到同步转速n0，则旋转磁场与转子导条之间不再有相对运动，因而不可能在导条内感应产生电动势与电流，也不会产生电磁转矩来拖动机械负载。因此，异步电动机的转子转速n总是略小于旋转磁场的同步转速n0，即与旋转磁场“异步”地转动。“异步”电动机由此而命名。转速n0与n之差称为“转差”。转差（n0- n）的存在是异步电机运行的必要条件。我们将转差(n0— n)表示为同步转速n0的百分值，称为转差率，用s表示，即
转差率是异步电动机的一个基本参量。一般情况下，异步电动机的转差率变化不大，空载转差率在0.5%以下，满载转差率在5％以下。
7.2.2 等效电路 经频率和绕组归算后的异步电机定、转子电路图，如图7-2-1所示：
图7-2-1 转子绕组归算后的异步电动机的定、转子电路
经频率和绕组的归算，把异步电动机的转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样，即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。
图7-2-2 异步电动机T型等效电路
等效电路如图7-2-2所示，叫做异步电机的T形等效电路。在电路中，r1、x1为定子绕组的电阻和漏抗，r′2、x′2为归算过的转子绕组的电阻和漏抗；rm代表与定子铁心损耗相对应的等效电阻；xm代表与主磁通相对应的铁心电路的励磁电抗。
异步电动机的T型等效电路以电路形式综合了异步电机的电磁过程，因此它必然反映异步电机的各种运行情况。下面我们从T形等效电路去看几种异步电动机典型的运行情况。
1．异步电动机的空载运行 异步电动机空载时，转子转速与同步转速非常接近，
因此转差率s≈0。T形等效电路中代表机械负载的附加电阻 ，转子电路相当于开路情况，这时定子电路的电流Im滞后于外加电压U1的相位差接近90°，所以异步电机空载运行时，功率因数是滞后的，而且很低。
2．异步电动机在额定负载下运行 异步电动机带有额定负载时，转差率sN大约为5%左右，这时归算过的转子电路中的总电阻 为归算前的转子电阻r′2的20倍左右，
这使归算过的转子电路基本上成为电阻性的。因此定子的功率因数能达到0.8~0.85。由负载时定子漏阻抗压降I1×Z1的影响不大，E1和相应的主磁通比空载时略小。
3．异步电动机起动时的情况 这里所说的“起动”，实际上为转子堵转状态。异步电动机堵转时，n=0，则s=1，代表机械负载的附加电阻（1-s）r′2/s等于零，相当于电路呈短路状态。所以起动电流（即堵转电流）很大，而功率因数也较低。
4．异步发电机运行 异步电机作发电机运行时，转子转速超过同步转速，而处于∞＞n＞n0的范围，s处于-∞＜s＜0的范围，转差率进入负值。此时代表机械功率的附加电阻（1-s）r′2/s云母带是一个负电阻，与之相应的机械功率也是负的。即这时是输入机械功率，每相功率输入分配如下：
即：转子机械功率输入＝转子铜耗＋传给定子的功率。
5．异步电机作电磁制动状态运行 异步电动机处于电磁制动状态，转子反旋转磁场旋转，即转差率s＞1，产生的机械功率也是负的，即
在这种情况下，异步电机是吸收机械功率，这时由定子送到转子的电磁功率以及轴上吸收的机械功率，都供给了转子的铜损耗。这种既吸收机械功率而又吸收电功率的运行情况，对机械运动起制动作用，所以称为电磁制动情况。
7.3 功率转换过程与转矩
异步电动机的功率流程图和能量转换关系如图7-3-1。
图7-3-1 异步电动机的功率图
a)功率关系 b)能量转换关系
根据如上的功率流程图，异步机各种功率与转矩计算公式如下：
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