电动机基本知识

电动机基本知识一、电动机的分类二、三相异步机的结构三相异步电动机按转子结构的不同分为笼型和绕线转子异步电动机两大类。笼型异步电动机由于结构简单、价格低廉、工作可靠、维护方便，已成为生产上应用得最广泛的一种电动机。绕线转子异步电动机由于结构较复杂、价格较高，一般只用在要求调速和起动性能好的场合，如桥式起重机上。异步电动机由两个基本部分组成：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。笼型和绕线转子异步电动机的定子结构基本相同，所不同的只是转子部分。笼型异步电动机的主要部件，如图1-1所示；绕线转子异步电动机的结构如图1-2所示。图1-1笼型异步电动机的主要部件图1-2绕线转子异步电动机的结构1、定子三相异步电动机的定子由机座中的定子铁心及定子绕组组成。机座一般由铸铁制成。定子铁心是有冲有槽的硅钢片叠成，片与片之间涂有绝缘漆。三相绕组是用绝缘铜线或铝线绕制成三相对称的绕组按一定的规则连接嵌放在定子槽中。过去用A、B、C表示三相绕组始端，X、Y、Z表示其相应的末端，这六个接线端引出至接线盒。按现国家标准，始端标以U1、V1、W1，末端标以U2、V2、W2。三相定子绕组可以接成如图1-3所示的星形或三角形，但必须视电源电压和绕组额定电压的情况而定。一般电源电压为380V（指线电压），如果电动机定子各相绕组的额定电压是220V，则定子绕组必须接成星形，如图1-3a所示；如果电动机各相绕组的额定电压为380V，则应将定子绕组接成三角形，如图1-3b所示。图1-3三相绕组的联结2、转子转子部分是由转子铁心和转子绕组组成的。转子铁心也是由相互绝缘的硅钢片叠成的。转子冲片如图1-4a所示。铁心外圆冲有槽，槽内安装转子绕组。根据转子绕组结构不同可分为两种形式：笼型转子和绕线型转子。（1）笼型转子笼型转子的绕组是在铁心槽内放置铜条，铜条的两端用短路环焊接起来，绕组的形状如图1-4b所示。它像个鼠笼，故称之为笼型转子。为了简化制造工艺，小容量异步电动机的笼型转子都是熔化的铝浇铸在槽内而成，称为铸铝转子。在浇铸的同时，把转子的短路环和端部的冷却风扇也一样用铝铸成，如图1-5所示。图1-4笼型转子a)转子冲片；b)笼型绕组；c)笼型转子图1-5铸铝转子（2）绕线转子绕线型转子绕组和定子绕组一样，也是一个用绝缘导线绕成的三相对称绕组，被嵌放在转子铁心槽中，接成星形。绕组的三个出线端分别接到转轴端部的三个彼此绝缘的铜制滑环上。通过滑环与支持在端盖上的电刷构成滑动接触，把转子绕组的三个出线端引到机座上的接线盒内，以便与外部变阻器连接，故绕线式转子又称滑环式转子，其外形如图1-6所示。图1-6绕线型转子与外部变阻器的连接图（3）气隙异步电机的气隙比同容量直流电机的气隙小得多，在中、小型异步电动机中，一般为0.2~2.5mm。气隙大小对电机性能影响很大，气隙愈大则为建立磁场所需励磁电流就大，从而降低电机的功率因数。如果把异步电机看成变压器，显然，气隙愈小则定子和转子之间的相互感应(即耦合)作用就愈好。因此应尽量让气隙小些，但也不能太小，否则会使加工和装配困难，运转时定转子之间易发生扫膛。三、三相异步电动机的工作原理三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，如果在定子绕组通入三相对称的交流电流，就会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场，称为旋转磁场，它是异步电动机工作的基本条件。因此，有必要先说明旋转磁场是如何产生的，有什么特性，然后再讨论异步电动机的工作原理。1、旋转磁场（1）旋转磁场的产生图1-7为最简单的三相异步电动机的定子绕组，每相绕组只有一个线圈，三个相同的线圈U1—U2、V1—V2、W1—W2在空间的位置彼此互差120°，分别放在定子铁心槽中。当把三相线圈接成星形，并接通三相对称电源后，那么在定子绕组中便产生三个对称电流，即：iU=Imsinωtiv=Imsin(ωt−120°)iw=Imsin(ωt+120°)（3—1）其波形如图1-8所示。电流通过每个线圈要产生磁场，而现在通过定子绕组的三相交流电流的大小及方向均随时间而变化，那么三个线圈所产生的合成磁场是怎样的呢？这可由每个线圈在同一时刻各自产生的磁场进行叠加而得到。假如电流由线圈的始端流入、末端流出为正，反之则为负。电流流入端用“⊕”表示，流出端用“⊙”表示。下面就分别取t=0、T/6、T/3、T/2四个时刻所产生的合成磁场作定性的分析（其中T为三相电流变化的周期）。图1-7三相异步电动机最简单的定子绕组图1-8三相电流的波形当t=0时，由三相电流的波形可见，电流瞬时值iU=0，iv为负值，iw为正值。这表示U相无电流，V相电流是从线圈的末端V2流向首端V1，W相电流是从线圈的始端W1流向末端W2，这一时刻由三个线圈电流所产生的合成磁场如图1-9a所示。它在空间形成二极磁场，上为S极，下为N极（对定子而言）。设此时N、S极的轴线（即合成磁场的轴线）为零度。图1-9两极旋转磁场a)t=0；b)t=T/6；c)t=T/3；d)t=T/2当t=T/6时，U相电流为正，由U1端流向U2端，V相电流为负，由V2端流向V1端，W相电流为零。其合成磁场如图1-9b所示，也是一个两极磁场，但N、S极的轴线在空间顺时针方向转了60°。当t=T/3时，iU为正，由U1端流向U2端，iv=0，iw为负，由W2端流向W1端，其合成磁场比上一时刻又向前转过了60°，如图1-9c所示。用同样的方法可得出当t=T/2时，合成磁场比上一时刻又转过了60°空间角。由此可见，图1-9描述的是一对磁极的旋转磁场。但电流经过一个周期的变化时，磁场也沿着顺时针方向旋转一周，即在空间旋转的角度为360°。上面分析说明，当空间互差120°的线圈通入对称的三相交流电流时，在空间就产生了一个旋转磁场。国产的异步电动机的电源频率通常为50Hz。对于已知磁极对数的异步电动机，可得出对应的旋转磁场的转速，如表1-1所示。表1-1异步电动机磁极对数和对应的旋转磁场的转速关系表p123456n1(r/min)300015001000750600500（2）旋转磁场的转向由图1-9中各个瞬间磁场变化，可以看出，当通入三相绕组中电流的相序为iU→iv→iw，旋转磁场在空间是沿绕组始端U→V→W方向旋转的，在图中即按顺时针方向旋转。如果把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中两相，例如，调换V、W两相，此时通入三相绕组电流的相序为iU→iw→iv,则旋转磁场按逆时针方向旋转。由此可见，旋转磁场的方向是由三相电流的相序决定的，即把通入三相绕组中的电流相序任意调换其中的两相，就可改变旋转磁场的方向。2、三相异步电动机的工作原理（1）异步转动原理由上面分析可知，如果在定子绕组中通入三相对称电流，则定子内部产生某个方向转速为n1的旋转磁场。这时转子导体与旋转磁场之间存在着相对运动，切割磁力线而产生感应电动势。电动势的方向可根据右手定则确定。由于转子绕组是闭合的，于是在感应电动势的作用下，绕组内有电流流过，如图1-10所示。转子电流与旋转磁场相互作用，便在转子绕组中产生电磁力F。力F的方向可由左手定则确定。该力对转轴形成了电磁转矩Tem，使转子按旋转磁场方向转动。异步电动机的定子和转子之间能量的传递是靠电磁感应作用的，故异步电动机又称感应电动机。转子的转速n是否会与旋转磁场的转速n1相同呢？回答是不可能的。因为一旦转子的转速和旋转磁场的转速相同，二者便无相对运动，转子也不能产生感应电动势和感应电流，也就没有电磁转矩了。只有二者转速有差异时，才能产生电磁转矩，驱使转子转动。可见，转子转速n总是略小于旋转磁场的转速n1。正是由于这个关系，这个电动机被称为异步电动机。由上式可知n1与n有差异是异步电动机运行的必要条件。通常把同步转速n1与转子转速n二者之差称为“转差”，“转差”与同步转速n1的比值称为转差率(也叫滑差率)，用s表示，即s=（n1−n）/n1。图1-10异步电动机工作原理图转差率s是异步电动机运行时的一个重要物理量，当同步转速n1一定时，转差率的数值与电动机的转速n相对应，正常运行的异步电动机，其s很小，一般s=0.01~0.05。（2）异步电动机空载和负载运行要使异步电动机运行，必须产生足够大的电磁转矩。电动机空载运行时，它产生的电磁力必须克服轴与轴之间的摩擦和转子旋转所受风阻等产生的空载转矩，即Tem=T0，电动机才能稳定运行。而T0一般很小，所以电磁转矩也很小，但其转速很高，几乎接近同步转速。异步电动机轴上带负载转动时，也必须符合动力学的规律，即只有在电动机的电磁转矩与机械负载的反抗力矩相平衡时，即Tem=TL时，电动机才能以恒速运行。如果电动机的电磁转矩大于反抗力矩，即TemTL时，电动机将产生加速运行。反之，如果TemTL，则电动机将减速运转。异步电动机是依靠转子转速的变化，来调整电动机的电磁能量，从而使电动机的电磁转矩得到相应的改变，以适用于负载变化的需要来实现新的平衡。当电动机以稳定的转速n运行时，假如由于某种原因，负载转矩突然降低，即变为TemTL，电动机将作加速旋转，转子感应电动势和电流减小，从而使电磁转矩减小，直到电磁转矩与新的反抗转矩相平衡，此时电动机在高于原转速n的情况下稳定运行。反之转矩由于某种原因增大时，电动机将最终稳定运行在低于原转速的情况下。四、三相交流异步电动机的机械特性和启动特性1、机械特性三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或转差率的关系，即n=f(T)或s=f(T)。图1-11异步电动机的机械特性曲线关于机械特性曲线，要注意三个转矩：（1）额定转矩TN额定转矩TN是异步电动机带额定负载时，转轴上的输出转矩。29550NPTn´=式中P2是电动机轴上输出的机械功率，其单位是瓦特，n的单位是转/分，TN的单位是牛·米。当忽略电动机本身机械摩擦转矩0T时，阻转矩近似为负载转矩LT，电动机作等速旋转时，电磁转矩T必与阻转矩LT相等，即T=LT。额定负载时，则有TN=LT。（2）最大转矩TmTm又称为临界转矩，是电动机可能产生的最大电磁转矩。它反映了电动机的过载能力。最大转矩的转差率为Sm，此时的Sm叫做临界转差率。最大转矩Tm与额定转矩TN之比称为电动机的过载系数λ，即λ=Tm/TN一般三相异步的过载系数在1.8～2.2之间。在选用电动机时，必须考虑可能出现的最大负载转矩，而后根据所选电动机的过载系数算出电动机的最大转矩，它必须大于最大负载转矩。否则，就是重选电动机。（3）启动转矩stTstT为电动机启动初始瞬间的转矩，即n=0，s＝1的转矩。确保电动机能够带额定负载启动，必须满足：stTTN，一般的三相异步电动机有stT/TN=1～2.2。2、启动特性（1）三相交流异步电动机的启动分析电动机的启动特性中最主要的是它的启动转矩。设启动转矩为Tst，为了机组能转动起来，必须大于拖动机械在n=0时的静负载力矩TL加上静摩擦阻力。图1-4电动机负载特性曲线上图中曲线1表示异步机的T-s曲线，曲线2和3表示两种不同的负载特性曲线，为了能转动起来，必须要求a点在b点或c点的上面，否则机组将转动不起来。根据力矩平衡关系可以得出，为了保证能顺利加速到额定转速，在整个启动过程中，必须保持正的加速度，也就要求电动机的电磁力矩T在整个启动过程中大于负载的制动力矩TL。在相同的惯量下，力矩的差额越大，加速越快。惯量大的机械，启动就较慢。对于重复起动的生产机械来说，加速过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的。电动机启动特性的另一个问题是启动电流。异步电动机在额定电压下的启动电流常常是额定电流的4～7倍。启动电流太大的影响是：一方面将影响电源的电压，太大的启动电流将产生较大的线路压降，使得电源电压在启动时下降，特别当电源容量较小时电压降更多，可能影响电源上其它电动机的运行。另一个方面，大的启动电流将在线路及电机中产生损耗引起发热，特别是当加速力矩较小，机组的转动惯量较大，启动很慢的情况下，损耗将很多而发热也更严重。由上面可以看出，对电动机启动的要求是不同的，须看负载的特