三相异步电动机的结构、工作原理与使用方法

电动机是利用电磁感应原理，将电能转换为机械能的一种装置，它的作用是为各种机械设备提供原动力。

电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，而交流电动机又可分为异步电动机和同步电动机。其中的异步电动机根据所用电源的不同，又有单相和三相之分。由于异步电动机具有结构简单、价格便宜、工作可靠和维护方便等优点，因此，在工农业生产、科学实验和日常生活中得到广泛的应用。

现以三相笼型电动机为重点，介绍异步电动机的结构、工作原理、使用方法等。

1.三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机主要由两个基本部分组成：定子（固定部分）和转子（旋转）部分，见图1-42。

图1-42 三相异步电动机的整体结构

定子由机座、定子铁心和三相定子绕组三部分构成，见图1-43。机座是用铸钢制成的，它有固定铁心、三相定子绕组和支撑端盖作用。

定子铁心是电动机磁路的组成部分，一般是由互相绝缘的硅钢片叠成，见图1-44。铁心的表面冲有槽，用于嵌放三相对称绕组，其称为定子绕组。定子绕组是定子中的电路部分，有六个出线端，分别接到机座的线盒内，以便使用时接成不同的连接方式，再与三相交流电源相联结。

图1-43 电动机定子

图1-44 定子钢片

转子是电动机的旋转部分，用来输出机械能并带动机械负载转动。它主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。转子铁心是由许多硅钢片叠成的圆柱体，每一片转子硅钢片的形状见图1-45。其外圈冲有均匀分布的槽，槽内放置转子绕组。根据转子绕组结构不同分为笼型和绕线式两种。

笼型转子是在转子铁心槽内压进铜条或铝条，铜条或铝条两端分别焊在两个铜环或铝环上，见图1-46。由于其形状好像鼠笼，因此得名。为了节省铜材，现在中、小型电动机一般采用铸铝转子，见图1-47。即用熔化的铸铝将导条、两个端环和风扇一起铸成。铸铝转子不仅简化了制造工艺，也降低了成本。

图1-45 转子硅钢片

图1-46 转子笼型绕组

图1-47 转子铸铝笼型绕组

绕线式转子绕组同定子绕组一样，也是用导线制成对称三相绕组，放置在转子铁心槽内。转子绕组固定连接成星形，把三个接线端分别接到转轴上三个彼此绝缘的铜质集电环上，集电环与轴也是绝缘的，通过与集电环滑动接触的电刷，将转子绕组的三个始端接到机座的接线盒内。当把三相变阻器通过三个接线端串入转子绕组时，可改善电动机的起动和调速性能。若不接外加三相变阻器时，必须把三个接线端短接，使转子绕组构成联结的闭合通路，否则电动机将不能转动。

由上述可知，两种不同转子的电动机的区别，仅是在转子结构上有所不同，其工作原理完全一样。其中笼型的应用较普遍；绕线转子电动机有较好的起动和调速性能，一般用于要求起动频繁和在一定范围内调速的场合，如起重设备等。

2.三相异步电动机的工作原理

当三相异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电流后，转子就会旋转起来。为什么转子会旋转起来呢？

由分析可知，其关键在于定子与转子之间必须存在旋转磁场。那么，这个旋转磁场是怎样产生的呢？

（1）旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子绕组见图1-48。它是由在空间彼此相隔120°的三组相同的线圈组成（即三相对称绕组），每组线圈是一相绕组，为了便于分析其基本原理，每组绕组以一个线圈表示。各相绕组的始端用角标1表示，即U1、V1、W1；末端用角标2表示，即U2、V2、W2。定子绕组可以连成星形（），也可以联成三角形（△），图1-48为星形（）联结。

将三相定子绕组接在三相对称电源上，则三相电流流过三相定子绕组，其波形见图1-49。

图1-48 定子绕组安放位置及其连接示意图

该三相电流的瞬时表达式为

i_U1=I_msinωt （1-1）

i_V1=I_msin（ωt-120°） （1-2）

i_W1=I_msin（ωt-240°） （1-3）

为了分析方便，现规定电流正方向是从绕组首端流入，末端流出。当三相绕组通入三相电流后，共同产生了一个随电流变化而在空间不断旋转的合成磁场，这就是旋转磁场，见图1-49。图中的符号“×”表示电流流入纸面，符号“·”表示电流流出纸面。

图1-49 三相电流的波形图及其产生两极旋转磁场示意图

1）在ωt=t₀=0时刻，i_U=0，U1、U2绕组中无电流；i_V为负值，V1、V2绕组中的电流从末端V2流入，从首端V1流出；i_W为正值，W1、W2绕组中的电流从首端W1流入，从末端W2流出。根据右手螺旋定则可知，其产生的合成磁场见图1-49a。

2）在ωt=t₁=T/4时刻，i_U为正值，U1、U2绕组中的电流从首端U1流入，从末端U2流出；i_V为负值，V1、V2绕组中的电流从末端V2流入，从首端V1流出；i_W为负值，W1、W2绕组中的电流从末端W2流入，从首端W1流出。此时产生的合成磁场见图1-49b。与图a相比，其产生的磁场，在定子内的空间顺时针转过了90°。

3）在ωt=t₂=2T/4时刻，i_U=0，U1、U2绕组中无电流；i_V为正值，V1、V2绕组中的电流从首端V1流入，从末端V2流出；i_W为负值，W1、W2绕组中的电流从末端W2流入，从首端W1流出。此时产生的合成磁场见图1-49c。与图b相比，其产生的磁场，在定子内的空间又顺时针转过了90°。

4）在ωt=t₃=3T/4时刻，i_U为负值，U1、U2绕组中的电流从末端U2流入，从首端U1流出；i_V为正值，V1、V2绕组中的电流从首端V1流入，从末端V2流出；i_W为正值，W1、W2绕组中的电流从首端W1流入，从末端W2流出。此时产生的合成磁场见图1-49d与图c相比，其产生的磁场，在定子内的空间又顺时针转过了90°。

5）在ωt=t₄=T时刻，i_U=0，U1、U2绕组中无电流；i_V为负值，V1、V2绕组中的电流从末端V2流入，从首端V1流出；i_W为正值，W1、W2绕组中的电流从首端W1流入，从末端W2流出。其产生的合成磁场见图1-49e。与图d相比，其产生的磁场，在定子内的空间又顺时针转过了90°，即回到了图a开始的位置。

由上述分析可知，在交流电变化一个周期内，合成磁场转过360°。由此可见，当三相定子绕组通过三相交流电流时，由于电流随时间不断地按正弦规律周期性变化，所以由其产生的合成磁场就在定子内的空间不停的旋转，形成了具有一对磁极（两极）的旋转磁场。

（2）旋转磁场的转速

根据上述分析可知，当三相交流电流变化一个周期时，定子具有两个磁极（即极对数p=1），其产生的旋转磁场，在定子内的空间旋转一周（360°）；若定子具有四个磁极（即极对数p=2），其产生的旋转磁场，见图1-50。

图1-50 三相电流的波形图及其产生四极旋转磁场示意图

由图1-50可推论出，在定子内的空间旋转了半周（180°）。由此方法可推得，具有p对磁极其产生的旋转磁场的转速（又称同步转速）应为

n₀=60f₁/p （1-4）

式中 n₀——旋转磁场的转速（r/min）；

f₁——电源（电流）的频率（Hz）；

p——磁极对数。

由式（1-4）可知，旋转磁场的转速n₀取决于电源的频率f和三相异步电动机的磁极对数p。在我国，工频f=50Hz，对不同磁极对数所对应的旋转磁场的转速见表1-4。

表1-4 不同磁极对数时的旋转磁场转速

（3）旋转磁场的方向

通过上述对旋转磁场形成过程的分析还可知，旋转磁场的旋转方向与三相交流电流的相序有关。在图1-49中，三相交流电流的相序是U1→V1→W1，旋转磁场的转向与这个相序一致。若要使旋转磁场的旋转方向改变，只要把接在三相电源上的三根导线中的任意两根对调一下（如U相和V相对调），则U1、U2绕组通入i_V相电流，W1、W2绕组通入i_U相电流，即改变了通入三相异步电动机定子绕组的电流相序，旋转磁场的转向就改变了。

（4）转子转动原理

当三相异步电动机定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场后，旋转磁场则以n₀速度顺时针方向旋转，切割转子绕组。此时，可看成磁场不动，而转子绕组逆时针旋转切割磁力线，产生感应电动势、感应电流，其方向由右手定则来确定。转子绕组中的感应电流又产生一个交变磁场，再与旋转磁场相互作用产生电磁力F，其方向由左手定则确定。电磁力对转子转轴形成电磁转矩，使转子以n速度与旋转磁场相同的方向转动起来。但转子的速度n不可能与旋转磁场的转速n₀相等，如果两者相等，转向又相同，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，磁力线不切割转子绕组，转子绕组中没有感应电动势和电流，电磁转矩也就无法形成，所以，异步电动机的转速一定低于旋转磁场的转速，两者总是不同步的，即n<n₀，这就是异步电动机名称的由来。由于该三相异步电动机是靠感应电动势、感应电流而工作的，为此，其又有感应电动机之称。

综上所述，三相异步电动机转动的必备条件有3条：

1）在三相对称定子绕组中通入三相对称电流而产生圆形旋转磁场；

2）转子绕组切割旋转磁场而产生感应电动势（电流），成为载流导体；

3）转子载流导体在旋转磁场中受到电磁力的作用，而形成电磁转矩，驱动转子转动起来。

通常把旋转磁场的转速n₀（又称同步转速）与转子转速n的差值称为转差，转差与n₀的比值称为转差率，用s表示，即

s=（n₀-n）/n₀ （1-5）

或 s=（n₀-n）/n₀×100% （1-6）

转差率s是描述三相异步电动机运行情况的重要参数。在起动的瞬间，n=0，s=1，转差率最大；空载运行时，转子转速n接近同步转速n₀，转差率最小。可见，转差率s的大小，表示了转子转速与旋转磁场转速差异的程度，即三相异步电动机的异步程度。

例如，已知某三相异步电动机的额定转速n_N=2710r/min，求其同步转速和转差率。

由题意可知，n_N=n=2710r/min<n₀，则n₀=3000r/min；

根据式（1-5）可知，s_N=（n₀-n_N）/n₀=（3000—2710）/3000=0.03。

一般情况下，额定转差率为s_N=0.02～0.06；三相异步电动机空载时，转差率很小，s=0.004～0.007。

（5）三相异步电动机的接线

三相异步电动机的接线盒中有六个接线柱，并有一定的标记：U1、U2、V1、V2、W1、W2，其中U1、U2是第一相定子绕组的两个引出端，V1、V2是第二相定子绕组的两个引出端，W1、W2是第三相定子绕组的两个引出端。U1、V1、W1分别为三相定子绕组的始端，U2、V2、W2为相应三相定子绕组的末端，见图1-51。三相定子绕组有联结和△联结两种方式，其接线盒外部接线见图1-52。

（6）三相异步电动机的铭牌及数据

每一台三相异步电动机的外壳上都有一块铭牌，上面标出了该电动机的型号及其主要技术数据，这些主要技术数据都是由制造厂给出的额定值，作为使用者正确使用该电动机的依据。因此，必须了解铭牌上各个技术数据的意义。现以Y系列三相异步电动机为例来说明，见图1-53。

图1-51 接线盒内部接线图

图1-52 接线盒外部接线图

图1-53 三相异步电动机铭牌

1）型号：电动机的型号由大写字母和阿拉伯数字组成，每个字母或数字都代表一定的含义。例如：型号Y132M-4，其中，Y表示异步电动机；132表示机座中心高（4mm）；M表示机座长度代号，（M表示中机座；S表示短机座；L表示长机座）；4表示磁极数为4。

2）额定功率P_N：铭牌上所标出的功率值（7.5kW）是在额定运行情况下，三相异步电动机转轴上输出的机械功率，又叫容量。它与电动机从电源取用的输入功率P_1N并不相等，它们之比称为效率，即

η=轴上输出的机械功率P_N/定子绕组的输入电功率P_1N

因三相异步电动机为三相对称负载，其从电源输入的功率用下式计算，即

3）额定电压U_N和接法：铭牌上所标出的电压值（380V）是三相异步电动机额定运行时加在定子绕组上的线电压值。一般容量为3kW以下的三相异步电动机有380V和220V两种额定电压，相应的连接方法有两种，在铭牌上标明380/220V及。对于额定功率为4kW以上时，其定子的额定电压为380V且为三角形（△）联结。

4）额定电流I_N：铭牌上标出的电流值（15.4A）是电动机额定运行时定子绕组的线电流值。

5）额定转速n_N：指电源为额定电压，频率为额定频率和电动机输出额定功率时，三相异步电动机每分钟的转数（1440r/min）。

6）额定频率f：指三相异步电动机定子绕组输入交流电源的频率，我国规定工业用频率为50Hz。

7）工作方式：铭牌上所标出的工作方式（有的标注工作制）按规定分为连续、短时、断续三种。其中：“连续”是指电动机在额定运行情况下长期连续使用；“短时”是指电动机只能在限定的时间内短时运行；“断续”是指电动机以间歇方式重复运行。

8）绝缘等级：指三相异步电动机各个绕组及其他绝缘部件所用材料的等级。绝缘材料按耐热性分为Y、A、E、B、F、H、C七个等级。

此外，三相异步电动机的主要技术数据还有功率因数、效率、起动电流、起动转矩和最大转矩等。

（7）三相异步电动机的保护

为防止和避免电气设备和机械设备的损坏，保证操作人员的安全，常在生产机械的电器控制电路中，对三相异步电动机采取保护措施。

1）短路保护：常用的短路保护电器有熔断器和断路器。当三相异步电动机绕组或导线发生短路故障时，保护电器必须立即动作，迅速将电源切断，使三相异步电动机迅速停转。

2）过载保护：常用的过载保护电器是热继电器。当三相异步电动机过载时，保护电器应动作切断电源，使三相异步电动机停转，避免其在过载下运行。

3）欠电压保护：常用的欠电压保护电器是接触器。当电源电压降低到额定电压的85%以下时，接触器线圈产生的电磁吸力小于复位弹簧的拉力，动铁心被迫释放，其主触头和辅助触头同时断开并切断电源，使三相异步电动机停转。

4）失电压（零电压）保护：常用的失电压（零电压）保护电器是接触器和中间继电器。当电源停电时，接触器和中间继电器的触头断开并切断电源；当电源恢复供电时，若不重新按下起动按钮，三相异步电动机不会自行起动，实现了失电压（零电压）保护。

5）过电流保护：常用的过电流保护电器是电磁式过电流继电器。当三相异步电动机通过的电流值达到电流继电器的设定值时，电流继电器动作，切断控制电路的电源，使三相异步电动机脱离电源停转，实现了过电流保护。

（8）代表符号

三相异步电动机的代表符号，见图1-54。

图1-54 三相异步电动机的代表符号