第4章三相异步电动机基础教案

1安徽新闻出版职业技术学院教案科目电机与拖动技术基础年级15包装自动化技术1班任课教师付学敏课题第4章三相异步电动机教学目的1、知识方面：了解三相异步电动机的基本结构、理解工作原理、电磁转矩和机械特性，理解起动、调速、制动方法。2、德育方面：科学技术就是生产力。3、技能方面：识别三相异步电动机的基本结构。重点难点三相异步电动机的感应电动式和磁动势三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的工作特性挂图或实验用具（a）简化的三相绕组分布图（b）按星形连接的三相绕组接通三相电源（c）三相对称电流波形图（d）两极绕组的旋转磁场作业本课小结安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸2教学过程导入：三相异步电动机结构简单、制造方便、坚固耐用、维护容易、运行效率高、工作特性好；和同容量的直流电动机相比，异步电动机的重量约为直流电动机的一半，其价格仅为直流电动机的l/3左右；而且异步电动机的交流电源可直接取自电网，用电既方便又经济。所以大部分的工业、农业生产机械，家用电器都用异步电动机作原动机，其单机容量从几十瓦到几千千瓦。我国总用电量的2/3左右是被异步电动机消耗掉的。4.1三相异步电动机的基本结构与工作原理一、基本结构三相异步电动机主要是由定子部分（静止的）和转子部分（转动的）两大部分组成，定、转之间是空气隙。另外还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。（一）异步电动机的定子结构异步电动机的定子是由机座、定子铁心和定子绕组三个部分组成的。1.机座异步电动机的机座主要是固定和支撑定子铁心和绕组。中小型电机一般采用铸铁机座、大中型电机采用钢板焊接的机座。电机损耗变成的热量主要通过机座散出，为了加强散热面积，机座外部有很多均匀分布的散热筋。机座两端面上安装端盖，端盖支撑转子，保持定、转子之间的气隙值。2.定子铁心定子铁心是电动机磁路的一部分，装在机座里。为了降低定子铁心的铁损耗，定子铁心用0.5mm厚的硅钢冲片叠成，硅钢片两面还应涂上绝缘漆，用以降低交变磁通在铁心中产生的涡流损耗。在定子铁心内圆上开有槽，槽内放置定子绕组(也叫电枢绕组)。3.定子绕组异步电机的定子绕组是电动机电路部分。小型异步电动机定子绕组通常由高强度漆包圆线绕成线圈嵌入铁心槽内；大、中型电机使用矩形截面导线预先制成成型线圈，再嵌入槽内。每相绕组按一定规律连接，3安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸教学过程三相构成对称绕组。定子绕组用绝缘的铜（或铝）导线绕成，嵌放在定铁心的槽中。绕组与槽壁间用绝缘隔开。三相绕组的6个出线，引到机座上接线盒内的接线板上，可按要求接成Y或Δ接法。（二）定子与转子间的气隙异步电动机的气隙比同容量直流电动机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2~1.5mm左右。由于气隙是电动机能量转换的主要场所，所以气隙大小与电动机性能有很大的关系。异步电动机的励磁电流是由定子电源供给的,气隙大时，磁路磁组增加，要求的励磁电流也增加，从而影响电动机的功率因数。为了提高功率因数，尽量让气隙小些，但也不应太小，否则，不但给制造带来困难，也可能使定、转子摩擦或碰撞。如果从减少附加损耗以及减少高次谐波磁动势产生的磁通来看，气隙大点当然又有好处。因此对气隙的大小应全面考虑。（三）异步电动机的转子结构异步电动机的转子是由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1．转子铁心转子铁心也是磁略的一部分，与定子铁心一样，也由0.5mm厚的硅钢片叠压而成，整个铁心固定在转轴上。转子铁心外圆上冲有均匀分布的槽，用以安放转子绕组。由于槽缝很小，整个转子铁心的外表面成圆柱形。2.转子绕组三相异步电动机的转子绕组用来感应电动势及产生电流，同时与旋转磁场作用产生转矩，是电机的重要部件之一。异步电动机的转子绕组按结构分笼型绕组和绕线型绕组两种。笼型绕组。笼型绕组分铜条绕组和铸铝绕组两种。铜条转子是在转子铁心槽内插入铜条（又称导条），铁心两端槽口外用铜环将全部导条焊接，全部导条自行闭合，其形状为圆柱形“笼子”。铸铝绕组是将熔化的铝注入转子槽内，同时注上端环和风扇，使导条与端环构成闭合绕组，其形状也是圆柱形“笼子”。笼型绕组的工艺和结构简单、制造方便、经济耐用。4安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸教学过程绕线型转子绕组。绕线型转子的铁心槽内嵌放三相对称绕组，与定子绕组相似。转子绕组采用Y接线，三相绕组的首端接到转轴上的三个集电环，再通过电刷、滑环间的滑动与外电路连接。绕线型转子回路中串接外接电阻或其他电气设备，以改善电动机的启动性能和调速性能，因此获得广泛应用。但是结构比笼型电机复杂，而且电刷、滑环还增加了维修工作量。二、三相异步电动机的铭牌数据三相异步电动机的机座上都装有铭牌，铭牌上标明了使用电动机应遵循的技术数据和电机型号。（一）型号电机的型号表明了电动机的名称、规格和基本技术条件的产品代号。一般采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再用该汉字的第一个拼音字母组成，例如Y系列三相异步电动机表示如下：Y系列异步电机是普通用途的小型鼠笼全封闭、自冷式三相异步电动机。用于金属切削机床、通用机械、矿山机械、农业机械等。我国生产的异步电动机种类很多，其它类型的异步电动机可参阅产品目录。（二）额定值异步电动机按额定值运行称为额定运行状态，异步电动机的额定值有：1.定功率NP定功率指电动机在额定运行状态时轴上输出的机械功率，单位为W或kW。2.额定电压NU额定电压指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V或kV。安徽新闻出版职业技术学院教师专用5教学过程异步电动机为了区分定、转子边的量，在定子边的量加下标l，如1NU。转子边的量加下标2表示，如2NU。3.额定电流NI额定电流指电动机在定子绕组加额定电压、输出额定功率时，定子绕组中的线电流，单位为A。也可表示为1NI（转子为2NI）。4.额定频率Nf额定频率是指电动机所接电源标准频率，单位为ZH。我国工业用电的频率是50ZH。5.额定转速额定转速指电动机定子所加电源为额定频率、额定电压，且轴端输出额定功率时电机的转速，单位为/minr。6.额定效率N和额定功率因数cosN指电动机在额定负载时，电机的效率和定子边的功率因数。电动机额定运行时有3cosNNNNNPUI（4—1）三、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子铁芯中放置三相结构完全相同的绕组U、V、W，如图（a）。各相绕组在空间上互差120°电角度，向这三相绕组通入对称的三相交流电，如图（b）（c）所示。下面我们以两极电动机为例说明电流在不同时刻时，磁场在空间的位置。下图（d）所示，假设电流的瞬时值为正时是从各绕组的首端流入，（用〇中间加个×表示），末端流出（用“⊙”表示），当电流为负值时，于此相反。在ωt=0的瞬间，iu=0，iv为负值，iw为正值，如图（c）所示，则V相电流从V2流进，V1流出，而W相电流从W1流进，W2流出。利用安培右手定则可以确定ωt=0瞬间由三相电流所产生的合成磁场方向多媒体直观展示加深认识安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸6教学过程如图（d）①所示。可见这时的合成磁场是一对磁极，磁场方向与纵轴线方向为一致，上方式北极，下方是南极。应用同样的分析方法可画出ωt=2/3*π,ωt=4/3*π,ωt=2π时的合成磁场，分别如图（d）②③④所示，由图中可明显地看出磁场的方向逐步按顺时针方向旋转，共计转过360°，即旋转了一周。(d)①②③④（a）简化的三相绕组分布图（b）按星形连接的三相绕组接通三相电源（c）三相对称电流波形图（d）两极绕组的旋转磁场安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸7教学过程由此可以得出如下结论：在三相交流电动机定子上布置有结构完全相在空间位置各相差120度电角度的三相绕组，分别接入三相对称交流电，则在定子与转子间所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的，我们称此为旋转磁场。旋转磁场的磁感线切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势和感应电流，转子绕组在磁场中受到电磁力的作用，电磁力乘以电枢半径就形成了电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场方向相同。转子转动后，其转速为n，则转子导体与定子旋转磁场间的相对切割速度为1nnn。当1nn时，0n，相应地有20e，20i，即转子与旋转磁场间无相对切割运动时，转子绕组中无感应电动势和电流，也就没有驱动转子转动的电磁转矩，可见1nn是异步电动机维持运行的必要条件，“异步”电机之称也因此而得名。转子转速与旋转磁场转速间的大小用转差率s来描述，11nnsn（4—2）转差率s又称滑差，它是描述异步电机运行状态的一个基本量。电机空载时0.5%s，额定负载时5%s，所以异步电动机的转子转速总是接近旋转磁场转速的。这就是异步电机的基本原理。1)旋转磁场的方向:由上图可以看出，三相交流电按U-V-W相序变化，则产生的旋转磁场在空间上以顺时针方向旋转。若我们任意对调电动机两相绕组的电流相许，如：U-W-V相序，则由理论分析和实践证明，产生的旋转磁场以逆时针方向旋转。由此可知，旋转磁场的旋转方向取决于通入绕组中的三相交流电源的相序，只要任意对调电动机的相序，则可改变旋转磁场的方向。2)旋转磁场的转速为：n1=60f1/P，上述公式中n1：表示旋转磁场的转速，单位转/分；f1：表示三相交流电源的频率，单位赫兹；P：表示磁极对数；60：表示一分钟的60秒。安徽新闻出版职业技术学院教师专用8教学过程4.2三相异步电动机的绕组和额定值4.2.1三相异步电动机绕组绕制原则1.根据磁极对数要求，三相绕组必须保持在空间上的对称，三相绕组互差120度空间电角度。排列规律为：每绕一对磁极则需一组三相对称绕组（A、B、C为三相首端，X、Y、Z为三相尾端），排列顺序为A、Z、B、X、C、Y。2.根据对称原则，每相绕组应相等均匀，若极数为2P，所以要将总的定子槽分为2P等分，每一等分为一个极距，称为一个极相组（以槽数表示）。再将每一极距内的槽数分成三组，以分别安装（m=3）相绕组的线圈边。每一相所占槽数以表示称每极每相槽数q。pmzq23.槽距角槽距角为相邻两槽中心线间的电角度。公式为zp3600.4.极距极距为相邻两磁极中心线间的距离（槽数）pz24.2.2三相绕组的种类(1)单层绕组和双层绕组(2)整距绕组和短距绕组整距绕组y=短距绕组y(3)集中绕组和分布绕组集中绕组q=1分布绕组q14.2.3额定值NNNNCOSIUP31（输入功率）NNNNNNNCOSIUP311（输出功率）安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸9教学过程铭牌电压为额定电压（线电压），电流为额定电流（线电流，功率指的是轴上输出额定机械功率，Y132S－66指的是极数。4.3三相异步电动机的电磁转矩和机械特性1．三相异步电动机的电磁转矩三相异步电动机的电磁转矩T是由旋转磁场的每极磁通与转子电流I2相互作用而产生的，故电磁转矩与转子电流的有功分量22cosI及定子旋转磁场的每极磁通成正比，即：22TcosIKT式中KT是一个与电动机结构有关的常数。将I2、2cos的表达式及与U1的关系式代入上式，得三相异步电动机电磁转矩公式的另一个表示式：22022212)(sXRUsRKT式中K是一常数。可见电磁转矩T也与转差率s有关，并且与定子每相电压U1的平方成正比，电源电压对转矩影响较大。同时，电磁转矩T还受到转子电阻R2的影响2．三相异步电动机的机械特性起动转矩：电动机刚起动（n=0，s=1）时的转矩称为起动转矩。额定转矩：电动机在额定负载下工作时的电磁转矩称为额定转矩，忽略空载损耗转矩，则额定转矩等于机械负载转矩。最大转矩：对应于最大转矩的转差率Sm可由0dsdT求得三相异步电动机型号Y132S－6功率3kW频率50Hz电压380V电流7.2A联结Y转速960r/min功率因数0.76绝缘等级B10安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸教学过程11安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸教学过程12安徽新闻出版职业技术学院教师专用纸教学过程13安徽新闻出版职