山东大学感应电机原理课件

电动机第1节电动机的分类第2节感应电机的结构第3节感应电机的工作原理和运行状态第4节三相感应电动机的磁动势和磁场第5节三相感应电动机的基本方程、相量图和等效电路第6节感应电动机的功率关系、功率方程和转矩方程第7节感应电机的应用电动机的分类1．按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。2．按结构及工作原理分类可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。3．按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。感应电机的结构感应电机主要由静止的定子和转动的转子两大部分组成，定、转子之间有一很小的空气隙。一、定子(a)半闭口槽(b)半开口槽(c)开口槽感应电动机的定子槽形定子铁心是主磁路的一部分，铁心由0.5mm厚的硅钢片叠成，在定子铁心内圆上有均匀分布的槽，用来嵌放定子绕组。定子铁心采用的槽形主要有：半闭口槽、半开口槽和开口槽。定子铁心定子铁心定子冲片成型线圈感应电机的结构三相定子绕组可接成星形接法或三角形接法(a)星形接法(b)三角形接法感应电动机接线板感应电机的结构二、转子转子由转子铁心、转子绕组和转轴等组成，转子绕组也是电路的一部分，有鼠笼式和绕线式两种形式。根据加工工艺的不同，鼠笼转子分为铸铝式和焊接式两种(a)鼠笼式焊接转子(b)鼠笼式铸铝转子鼠笼转子感应电机的结构绕线式转子绕组和定子绕组相似，在转子槽内嵌有三相绕组，通过滑环、电刷与外部接通。绕线式转子鼠笼型转子铁心铸铝式鼠笼绕组鼠笼转子绕线式转子铁心绕线式电机转子轴转子冲片一、感应电动机的工作原理感应电机的工作原理和运行状态感应电动机工作原理感应电动机工作原理是建立在电磁感应定律和电磁力定律基础上。三相对称绕组三相对称电源三相对称电流圆形旋转磁动势圆形旋转磁场切割转子导体产生感应电动势产生转子电流电流在磁场中受力产生电磁转矩转子旋转驱动负载旋转电能转换为机械能上述是基于力的分析，形式上实现电能到机械能的转化。也可以用直接能量转化的方法来解释电能到机械能的变换。我们可以假想能量是一种流体的运动（类似于水的运动），而承载能量的是磁场（类似于河道，形象上可以理解为定转子之间的气隙），在电机运行过程中，磁场储能基本不发生变化（类似于河道基本不发生什么变化），但是磁场所传递的能量却可以发生变化（类似于水流量的大小）。假设现在电机处于负载状态，则定子侧传递的能量在气隙中流动，推动转子运动（类似于水轮机），将电能转化为机械能。上述内容纯属虚构当转子作微小的角位移（既可以是实际的角位移，也可以是设想的角位移）时，如果系统的磁能同时发生变化，则转子上将受到电磁转矩的作用二、感应电机的运行状态设感应电机的转速为n，旋转磁场的转速为同步速ns，二者之间的相对速度称为转差速度，定义转差速度与同步速之比为转差率s。感应电机的工作原理和运行状态ssnnns转差率是感应电机的一个重要参数，根据其正负和大小可以判断电机的运行状态，感应电机的运行状态分为电动机运行状态、发电机运行状态和电磁制动运行状态三种。感应电机的工作原理和运行状态感应电机的三种运行状态三、感应电动机的额定值感应电动机的额定值及有关技术数据主要有：感应电机的工作原理和运行状态（1）额定功率：指额定运行时输出的机械功率，单位为W或kW；（2）额定电压：指额定运行状态下定子绕组应加的线电压，单位为V或kV；（3）额定电流：指额定电压和额定功率下运行时的定子绕组线电流，单位为A或kA；（4）额定频率：指电动机供电电压的频率。我国规定工频为50Hz；（5）额定转速：指电机额定运行时的转速，单位为r/min。除此以外，铭牌上还标出额定运行状态下的功率因数、效率、相数、接线方式和温升等。对绕线式电机，还应标出定子外加额定电压时的转子开路电压和转子额定电流等。对于三相感应电动机，额定功率为感应电机的工作原理和运行状态NNNNNIUPcos3N式中、分别为额定运行时的功率因数和效率。NcosN本节分析空载和负载时感应电机的磁动势和磁场一、空载运行时的磁动势和磁场三相感应电动机的磁动势和磁场1、空载磁动势和空载电流感应电动机空载时，将定子绕组接至对称三相电压，便有对称三相电流在定子绕组中流过，该电流称为空载电流。若不计谐波磁动势，则该定子电流建立一基波旋转磁动势F1，其幅值为10I1011135.1IpkNFw在F1作用下产生气隙磁场Bm，Bm沿气隙圆周正弦分布并以同步转速旋转三相感应电动机的磁动势和磁场空载运行时定子磁动势F1近似为产生气隙主磁场的激磁磁动势Fm，空载电流近似等于激磁电流。10ImI空载磁动势和磁场空载电流包括两部分，绝大部分是用来产生旋转磁场，称为磁化电流，为无功分量；小部分用以供给空载损耗，为有功分量。三相感应电动机的磁动势和磁场2、主磁通、定子漏磁通和感应电动势根据磁通通过的路径的不同，将磁通分为两部分：主磁通和漏磁通。由基波旋转磁动势产生的通过气隙并与定子绕组和转子绕组同时交链的磁通称为主磁通。主磁通为每极下的磁通量，用表示。m四极感应电机主磁通分布图三相感应电动机的磁动势和磁场定子三相电流除产生主磁通外，还产生仅与定子绕组交链而不与转子绕组交链的磁通称为定子漏磁通，用表示。漏磁通包括三部分：即槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通。1槽漏磁通和端部漏磁通主磁路主要由定、转子铁心和气隙组成是一个非线性磁路，受磁路饱和程度影响较大；而漏磁路的磁阻可认为是常值。感应电动机空载运行时的电磁关系如下图所示：三相感应电动机的磁动势和磁场感应电动机空载运行时的电磁关系主磁通在定子中感应出对称三相感应电动势，其表达式为三相感应电动机的磁动势和磁场mwkNfjE111144.4111XIjE漏磁通将在定子三相绕组中感应的电动势，其表达式为111112LfIEX式中称为定子漏抗，1L称为定子漏电感。二、负载运行时的磁动势和磁场当感应电动机带负载时，转速低于空载转速，因而定子旋转磁场与转子的相对速度增加，转子感应电动势增大，电机内部电磁关系发生变化。三相感应电动机的磁动势和磁场1、负载时的转子磁动势感应电动机负载运行时转子绕组中产生感应电动势，进而产生转子电流，产生转子磁动势F2。12606060sfnnnpnnnpnpfssss转子感应电动势的频率为：分析可知F1与F2转速相等，转向相同，在空间始终保持相对静止，感应电机在任何转速下均能产生恒定的电磁转矩。感应电机负载时气隙内的磁场由定、转子磁动势共同产生的。当负载运行时，转子磁动势除了与定子磁动势共同产生主磁场外，还产生仅与转子绕组交链的漏磁通，转子漏磁通也包括槽漏磁通、端部漏磁通和谐波漏磁通三种。三相感应电动机的磁动势和磁场2、转子反应负载时感应电动机转子磁动势对气隙磁场的影响称为转子反应。LmIII11mI负载后定子电流中除激磁分量外，还有一个补偿转子磁动势的负载分量LI1所产生的磁动势F1L与转子磁动势F2大小相等，方向相反，以维持气隙内主磁通基本不变。负载变化对定子的影响是通过F2起作用的。三相感应电动机的磁动势和磁场LI1即F1L=－F2转子磁动势与主磁场相互作用产生电磁转矩。02X绕线式电机的转子磁动势及磁场分布转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为90三相感应电动机的磁动势和磁场02X绕线式电机的转子磁动势及磁场分布转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为290三相感应电动机的磁动势和磁场02X笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为90三相感应电动机的磁动势和磁场笼型电动机的的转子磁动势及磁场分布02X转子磁动势幅值与气隙磁场幅值之间的夹角为290三相感应电动机的磁动势和磁场3、负载运行时的电磁关系感应电动机负载运行时的电磁关系三相感应电动机的磁动势和磁场三、激磁阻抗及漏抗与变压器中的分析方法类似，引入激磁阻抗表征主磁通对电路的电磁效应，则定子感应电动势与激磁电流之间具有以下关系)(1mmmmmjXRIZIEsssXIjEXIjE222111定、转子漏磁通感应电势与定、转子电流之间有以下关系电动机的基本方程、相量图和等效电路一、磁动势方程即负载时的定子磁动势可分为两部分，一部分是用来产生主磁通的激磁磁动势Fm，另一部分用来抵消转子磁动势的负载分量-F2。mwmwwIpkNmFIpkNmFIpkNmF111222221111129.029.029.0考虑到电动机的基本方程、相量图和等效电路222111wwikNmkNmk式中为定、转子绕组的电流变比。2211122221IkIkNmkNmIiww为归算到定子边的转子电流。miIkII21则：mIII21或：m1112222111129.029.029.0电动机的基本方程、相量图和等效电路磁动势矢量图及电流相量图该图为感应电动机的磁动势矢量图和电流相量图，考虑转子漏阻抗时，转子磁动势F2滞后于激磁磁场Bm的角度为290电动机的基本方程、相量图和等效电路二、电压方程感应电动机负载运行时，主磁通分别在定、转子绕组中产生感应电动势mwmwskNfjEkNfjE1111222244.444.4定、转子漏磁通分别在定、转子绕组中产生漏电动势111112222244.444.4wwskNfjEkNfjE定、转子绕组电阻分别产生电阻压降22RIs11RI和电动机的基本方程、相量图和等效电路采用变压器中各物理量正方向的规定，根据基尔霍夫第二定律可分别列写出定、转子电路的电压方程式222211111RIEERIEEUssssssssZIjXRIEZIEjXRIEU22222211111111或111jXRZssjXRZ222式中电动机的基本方程、相量图和等效电路将转子电路中与频率有关的物理量都注有下标s，用以表示转子转动时的参数，它们与转差率的关系为22221222222212222221222244.444.42244.444.4sEksNfkNfEsXsLfLfXsEksNfkNfEwwssmwmws则定、转子电路的电压平衡方程式可改写为222221111jsXRIEsEZIEUss电动机的基本方程、相量图和等效电路(a)定子等效电路(b)转子等效电路定、转子等效电路电动机的基本方程、相量图和等效电路三、感应电动机的等效电路及相量图定、转子耦合电路示意图由上图可见定、转子电路之间只有磁的耦合，没有电的联系需要进行相应的频率和绕组归算，即把一个电路归算到另一个电路中去。通常将转子侧物理量归算到