電機(jī)與拖動第5章-復(fù)習(xí)版

第5章異步電動機(jī)

5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值

5.2異步電動機(jī)的定子繞組

5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場

5.4三相異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢

5.5三相異步電動機(jī)的工作原理及運行狀態(tài)

5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系

4.7三相異步電動機(jī)的基本方程式、等效電路和相量圖

4.8三相異步電動機(jī)的功率與轉(zhuǎn)矩

4.9三相異步電動機(jī)的參數(shù)測定5.10三相異步電動機(jī)的工作特性5.11單相異步電動機(jī)與其它種類的旋轉(zhuǎn)電機(jī)一樣，異步電機(jī)主要由靜止的定子和運動的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定、轉(zhuǎn)子之間有一很小的空氣隙。5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值5.1.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

1、定子異步電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座等三部分組成。機(jī)座----支撐定子鐵心和固定端蓋（要求有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度）定子鐵心是主磁路的一部分，為了減少磁場在定子鐵心中產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗，鐵心由0.5mm厚的硅鋼片疊成，在定子鐵心內(nèi)圓上有均勻分布的槽，用來嵌放定子繞組。圖5-1異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值1、定子(a)半閉口槽(b)半開口槽(c)開口槽圖5-2感應(yīng)電動機(jī)的定子槽形

低壓中小型異步電動機(jī)：從提高效率和功率因數(shù)的角度看，半開口槽最好，可以減小氣隙磁阻，使產(chǎn)生一定磁通量的磁場所需要的勵磁電流最小，但繞組的絕緣和嵌線工藝比較復(fù)雜。對于中型異步電動機(jī)：通常采用半開槽（500V以下）對于高壓中型和大型異步電動機(jī)：一般采用開口槽，以便嵌放欲成形的線圈定子鐵心采用的槽形主要有：半閉口槽、半開口槽和開口槽。5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值(a)星接(b)角接圖5-3異步電動機(jī)接線板定子繞組是電動機(jī)的電路部分，定子三相繞組對稱地放置在定子鐵心槽內(nèi)。繞組分為單層和雙層兩種形式，繞組與鐵心之間有槽絕緣，雙層繞組的上下兩層導(dǎo)體之間有層間絕緣。三相定子繞組可接成星形或角形D1、D4分別為A相繞組的首端和末端，D2、D5分別為B相繞組的首端和末端，D3、D6分別為C相繞組的首端和末端。5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值2、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是電機(jī)磁路的一部分，由0.5mm厚的硅鋼片疊成，轉(zhuǎn)子鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，轉(zhuǎn)子鐵心呈圓柱形，在鐵心外圓沖有均勻分布的槽，槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。圖5-4鼠籠轉(zhuǎn)子圖5-5繞線式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子繞組也是電路的一部分，按照轉(zhuǎn)子繞組形式的不同，異步電動機(jī)分為籠型和繞線轉(zhuǎn)子兩種。鼠籠型異步電動機(jī)----籠型轉(zhuǎn)子繞組自成閉合回路，若去掉鐵心，轉(zhuǎn)子繞組的外形好像是一只“鼠籠”繞線轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組相似，在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌有三相對稱繞組，通過集電環(huán)和電刷與外部接通，圖5-5可以在轉(zhuǎn)子繞組中接入外電阻以改善電動機(jī)的起動和調(diào)速性能。5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值3、氣隙

在定、轉(zhuǎn)子之間有一氣隙，氣隙大小對感應(yīng)電機(jī)的性能有很大的影響。氣隙大，則磁阻大，要產(chǎn)生同樣大小的旋轉(zhuǎn)磁場就需較大的激磁電流。激磁電流基本上是無功電流，因此氣隙應(yīng)盡量小。5.1.2三相異步電動機(jī)額定值及主要系列（1）額定功率：指額定運行時輸出的機(jī)械功率，單位為瓦（W）或千瓦（kW）；（2）定子額定電壓：指額定運行狀態(tài)下定子繞組應(yīng)加的線電壓，單位為伏（V）或千伏（kV）；（3）定子額定電流：指額定電壓和額定功率下運行時的定子繞組線電流，單位為安（A）或千安（kA）；（4）額定功率：指電動機(jī)供電電壓的頻率。我國規(guī)定工頻為50赫茲（Hz）；（5）額定轉(zhuǎn)速：指電機(jī)額定運行時的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（r/min）。1、異步電動機(jī)額定值5.1三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及額定值對于三相異步電動機(jī)，額定功率為2、國產(chǎn)異步電機(jī)的主要系列異步電動機(jī)基本系列為J2、JO2系列，采用了E級絕緣；1979年開始進(jìn)行了Y系列電動機(jī)的統(tǒng)一設(shè)計，采用B級別絕緣，性能良好，運行可靠；上世紀(jì)90年代，又設(shè)計了替代Y系列電動機(jī)的Y2系列，目前已經(jīng)完成了Y3系列的設(shè)計，Y3系列電機(jī)全部采用冷軋硅鋼片，具有效率高、噪音低、起動性能好等優(yōu)點。3、異步電動機(jī)的分類

按定子相數(shù)的不同，可分為單相異步電動機(jī)和三相異步電動機(jī)；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，可分為鼠籠式（普通鼠籠、深槽鼠籠、雙鼠籠）異步電動機(jī)和繞線式異步電動機(jī)；按防護(hù)方式的不同，可分為開啟式、封閉式，防爆式等；按電機(jī)的容量的大小，可分為微型、小型、中型和大型。5.2異步電動機(jī)的定子繞組5.2.1交流繞組的構(gòu)成原則及分類交流繞組是將屬于同一相的導(dǎo)體串聯(lián)起來繞成線圈，再按一定規(guī)律將線圈串聯(lián)或并聯(lián)起來，連接槽中有效導(dǎo)體的兩端連接部分稱為端接部分。交流繞組一般為三相，一般用字母a、b和c分別表示三相繞組的首端，用x、y和z分別表示三相繞組的末端。雖然交流繞組的型式各不相同，但它們的構(gòu)成原則基本相同（1）電動勢和磁動勢波形要接近正弦波，在一定導(dǎo)體數(shù)下力求獲得較大基波電動勢和基波磁動勢；（2）三相繞組的電動勢、磁動勢必須對稱，電阻、電抗要平衡；（3）繞組銅耗小，用銅量少；（4）繞組的絕緣可靠，機(jī)械強(qiáng)度高，散熱條件要好，制造方便；交流繞組采用分布放置并有多種分類方法。按相數(shù)分：單相、兩相、三相和多相。按槽內(nèi)層數(shù)分：單層、雙層、單雙層和混合繞組。雙層繞組分為疊繞組和波繞組。單繞組分為交叉式、同心式和鏈?zhǔn)?。按每級每相槽?shù)分為整數(shù)槽和分?jǐn)?shù)槽。5.2異步電動機(jī)的定子繞組5.2.2交流繞組的基本知識1、電角度與機(jī)械角度

電機(jī)圓周在幾何上分為3600，這個角度稱為機(jī)械角度。若磁場在空間按正弦波分布，則經(jīng)過N、S一對磁極即為3600。若電機(jī)有P對極電角度=P×360=P×機(jī)械角度02、線圈

組成交流繞組的基本單元是線圈。線圈由一匝或多匝組成，兩個引出端，一個叫首端，一個叫末端。（a）疊繞組線圈（b）波繞組線圈圖5-6繞組的線圈5.2異步電動機(jī)的定子繞組4、節(jié)距

線圈兩導(dǎo)體邊所跨定子圓周上的距離稱為極距，用y1表示，y1應(yīng)接近極距τ

極距

Q：定子槽數(shù)：極對數(shù)3、極距

相鄰兩磁極對應(yīng)位置兩點之間的距離稱為極距，若用定子槽數(shù)表示，則Q------定子槽數(shù)P-------極對數(shù)6、每極每相槽數(shù)m:相數(shù)P:極對數(shù)

即每一個極下每相所占的槽數(shù)5、槽距角

相鄰槽之間的距離用電角度表示時，稱為槽距角

7、相帶為了使繞組對稱，通常令每個極下每相繞組所占的范圍相等，這個范圍稱為相帶。即：每極下每相所占有的區(qū)域稱為相帶。如果一個極對應(yīng)180電角度，共m相，每個相帶寬度為180/m。有600相帶和1200相帶兩種，為了使每相繞組產(chǎn)生最大電動勢，一般采用600相帶

5.2異步電動機(jī)的定子繞組每相在每極下應(yīng)占有相等的槽數(shù)，即表示每個相帶所占有的槽數(shù)稱為每極每相槽數(shù)5.2異步電動機(jī)的定子繞組5.2.3三相雙層繞組1、三相雙層繞組的特點雙層繞組的特點是每一個槽內(nèi)有上、下兩個線圈邊，每個線圈的一個邊嵌放在某一個槽的上層，另一個邊則嵌放在相隔節(jié)距為y1槽的下層，如圖5-7所示。由于每槽內(nèi)放置上下兩個導(dǎo)體邊，所以雙層繞組的線圈數(shù)等于槽數(shù)。圖5-7雙層繞組交流繞組的種類一般多采用雙層短距繞組，因為它能較好地滿足前述對交流繞組的基本要求。5.2異步電動機(jī)的定子繞組2、槽電動勢星形圖和相帶劃分當(dāng)把各槽內(nèi)導(dǎo)體按正弦規(guī)律變化的感應(yīng)電動勢分別用矢量表示時，這些矢量構(gòu)成一個輻射星形圖，稱為槽電動勢星形圖。槽電動勢星形圖可以清楚地表示各槽內(nèi)導(dǎo)體電動勢的相位關(guān)系，據(jù)此可以進(jìn)行相帶的劃分和繪制繞組展開圖。下面以一臺4極、36槽三相異步電機(jī)為例說明槽電勢星形圖的繪制和相帶的劃分。

（1）繪制槽電動勢星形圖槽電動勢星形圖根據(jù)已知數(shù)據(jù)，求得每級每相槽數(shù)q和槽距角因各槽在空間互差20度電角度，所以相鄰槽中導(dǎo)體感應(yīng)電動勢在是時間上相差20度。5.2異步電動機(jī)的定子繞組相帶劃分（2）劃分相帶

表5-1各個相帶槽號分布相帶AZBXCY第一對極1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二對極19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36其相帶劃分如圖所示，三相電動機(jī)在每極下每相應(yīng)占有60電角度。以A相為例，A相在每極下應(yīng)占有3個槽，整個定子中A相共有12個槽，在第一個N極下取1、2、3三個槽作為A相帶，在第一個S極下取10、11、12三個槽作為X相帶，而10、11、12三個槽分別于1、2、3三個槽相差一個極距，即相差180電角度，這兩個線圈組（極相組）反接以后合成電動勢代數(shù)相加，其合成電動勢最大。所以1、2、3三個槽作為A相的正相帶；10、11、12三個槽作為A相的負(fù)相帶用X表示。然后把這些槽里的線圈按一定規(guī)律連接起來，得A相繞組。5.2異步電動機(jī)的定子繞組3、三相雙層繞組展開圖繪制繞組展開圖是根據(jù)星形圖上分相的結(jié)果，把屬于各相的導(dǎo)體按一定規(guī)律連接起來，組成對稱三相繞組。根據(jù)線圈的形狀和連接規(guī)律的不同，雙層繞組又分為疊繞組和波繞組兩類，本書僅對雙層疊繞組進(jìn)行介紹。繪制展開圖時把電樞沿軸向剖開展成一個平面，各線圈從左至右依次編號分布，編號原則是線圈與線圈的上層邊所在的槽為同一號碼，上層邊用實線表示，下層邊用虛線表示。繪制繞組展開圖的步驟是：a、繪槽電勢星形圖b、劃分相帶c、把各相繞組按一定規(guī)律連接成對稱三相繞組。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場5.3.1單相繞組的磁勢因組成一相繞組的基本單元是線圈，所以在分析單相繞組產(chǎn)生的磁勢時，我們先從分析一個線圈的磁勢入手，進(jìn)而分析一個線圈組的磁勢，最后推出一相繞組產(chǎn)生的磁勢。1、整距線圈的磁勢

圖5-14整距線圈產(chǎn)生的磁場下圖表示一臺兩極電機(jī)，設(shè)定子上有一整距線圈AX，匝數(shù)為NC，當(dāng)通入交流電ic時，電流方向如圖所示，根據(jù)安培環(huán)路定理，任何一閉合回路的磁動勢等于它所包圍的電流數(shù)，，因每一條磁力線都要經(jīng)過定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心并且兩次穿過氣隙，如不計鐵磁材料中的磁壓降，則Ncic全部消耗在氣隙中，稱為氣隙磁動勢。假設(shè)將磁力線出轉(zhuǎn)子、進(jìn)定子作為磁動勢正方向，，可以看出整距線圈在氣隙內(nèi)形成一個矩形分布的磁動勢波。圖5-15整距線圈產(chǎn)生的磁勢5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場因交流繞組中通入的電流是交變電流，假設(shè)其隨時間按余弦規(guī)律變化，即當(dāng)wt=0時，ic達(dá)到最大值，矩形高度達(dá)到最大值，當(dāng)wt=時，ic=0，矩形高度為零。當(dāng)電流變?yōu)樨?fù)值時，兩個矩形波的高度跟著變號，正變負(fù)，負(fù)變正。這種空間位置固定不動，但幅值的大小隨時間變化的磁勢稱為脈振磁勢。將上述的矩形分布的脈振磁勢應(yīng)用傅里葉級數(shù)進(jìn)行分解，得5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場基波磁勢為次諧波磁勢為

2、整距線圈組的磁勢

整距線圈組是由若干個節(jié)距相等、匝數(shù)相同、依次沿定子圓周錯開同一角度的整距線圈串聯(lián)而成，由上述單個整距線圈磁勢，很容易推出整距線圈組的磁勢。fc1基波磁動勢幅值，是矩形波幅值的倍為次諧波磁動勢的幅值5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場圖5-16整距線圈分布繞組的磁勢（a）合成磁勢波（b）合成磁勢的基波

圖5-16為一個q=3的整距線圈組產(chǎn)生的磁動勢，每個整距線圈產(chǎn)生的磁動勢都是一個矩形波，三個矩形波互差а電角度，把各矩形波逐點相加后得到線圈組的合成磁動勢為一個階梯波。應(yīng)用傅里葉級數(shù)把各整距線圈的矩形波進(jìn)行分解，得到基波和一系列諧波。1、2、3分別為三個整距線圈分解出的基波磁動勢，其幅值相等在空間互差а電角度，把三個基波逐點相加，便可得到線圈組的基波合成磁動勢4，仍然為一正弦波。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場圖5-16整距線圈分布繞組的磁勢（a）合成磁勢波（b）合成磁勢的基波

圖5-17線圈組的合成磁勢

為基波分布因數(shù)

q個線圈磁動勢相加后構(gòu)成了正多邊形的一部分，R為正多邊形的外接圓半徑。Kd1＜1，所以q個線圈分布在不同槽內(nèi)，使其合成磁動勢小于q個集中線圈的合成磁動勢qFc15.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場同理可證明次諧波的分布因數(shù)為3、雙層短距線圈組的磁勢

為了削弱諧波磁動勢，異步電動機(jī)定子往往采用雙層短距繞組。一兩極18槽交流電機(jī)，、極距、線圈節(jié)距的雙層短距繞組在電機(jī)定子槽內(nèi)實際分布情況

圖5-18雙層短距繞組一相的線圈組在定子槽內(nèi)的分布磁動勢的大小及波形僅取決于槽內(nèi)線圈邊的分布及導(dǎo)體中電流的大小和方向，而與線圈邊之間的連接次序無關(guān)。圖5-18中雙層短距線圈分布圖中的短距線圈組的上層邊看作一組q=3的單層整距分布繞組，再把短距線圈組的下層邊看作另一組q=3的單層整距分布繞組。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場

(b)上、下層基波磁勢的波形(c)矢量求基波合成磁勢（a)等效的整距線圈組圖5-19雙層短距分布線圈組的磁勢上下層磁動勢的幅值相等，空間上錯開β電角度，此角度等于線圈節(jié)距縮短的角度，即所以這兩個整距線圈組產(chǎn)生的基波磁動勢在空間上彼此錯開β電角度曲線1、2分別為上層和下層整距線圈組的基波磁動勢，且幅值相等，逐點相加后得到雙層短距線圈的基波磁動勢如曲線3。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場

，

為基波短距因數(shù)

為基波繞組因數(shù)

同理可證明(c)矢量求基波合成磁勢為基波分布因數(shù)

4、單相繞組的磁勢5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場由于每對極下的磁勢和磁阻組成一個對稱的分支磁路，若電機(jī)有P對極，就有p條并聯(lián)的對稱分支磁路，所以一相繞組的基波磁勢是指每對極下一相繞組的磁勢，即等于上述推出的線圈組的磁勢。上已推出雙層線圈組的磁動勢幅值為因每相串聯(lián)總匝數(shù)為：（單層）

（雙層）且或IC：導(dǎo)體電流IΦ：相電流單相繞組基波磁勢的幅值基波單相磁動勢的幅值其單相繞組基波磁勢的瞬時值為5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場對于單相繞組產(chǎn)生的次諧波磁勢，仿照基波磁勢的分析方法得5.3.2三相繞組的合成磁勢前面分析了單相繞組的磁勢為脈振磁勢。將A、B和C三個單相繞組產(chǎn)生的三個單相脈振磁勢波逐點相加，即得三相繞組的合成磁勢。因為異步電機(jī)定子繞組采用分布和短距后諧波磁勢大大削弱，所以重點分析對稱三相繞組基波和合成磁勢，對于三相合成磁勢中的高次諧波進(jìn)行簡要介紹。1、對稱三相繞組的基波合成磁勢

5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場（1）解析法利用三角公式將三個脈振磁動勢分解得為了更好的理解三相旋轉(zhuǎn)磁動勢的產(chǎn)生，以下分別用解析法和圖解法對三相繞組的基波合成磁動勢進(jìn)行分析。由于三相繞組在空間上互差120度電角度，因此三相繞組各自產(chǎn)生的基波磁動勢在空間上也依次相差120度，當(dāng)異步電動機(jī)三相繞組中通入對稱地三相電流時，三相電流在時間上也彼此相差120度電角度且幅值相等，表達(dá)式為右邊。這三個電流產(chǎn)生的基波磁動勢均為脈振磁動勢，它們在時間上互差120度電角度。若把空間θs的原點取在A相繞組軸線上，并把A相電流達(dá)到最大值的瞬間作為時間起始點，則A、B、C三相繞組各自產(chǎn)生的脈振磁動勢基波為右邊。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場由上式可見，各相電流產(chǎn)生的正向旋轉(zhuǎn)磁勢在空間上同相位，反向旋轉(zhuǎn)磁勢在空間上互差120。求合成磁勢時，正向旋轉(zhuǎn)磁動勢直接相加，反向旋轉(zhuǎn)磁勢互相抵消，所以三相基波合成磁勢為F1------三相合成磁動勢的幅值5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場圖5-21時磁動勢的分布

稱為同步轉(zhuǎn)速，是空氣隙中基波旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速。當(dāng)wt=0時，當(dāng)wt=β時，wt=0和wt=β磁動勢波形進(jìn)行比較，三相合成磁動勢的幅值不變，但整個波形向前推移了β電角度，是一個正弦分布的正向行波。由于定子為圓柱形，所以合成磁動勢是一個沿氣隙圓周旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁動勢波，由A相軸線位置到B相軸線位置，再由B相軸線位置到C相軸線位置。當(dāng)電流變化一個周期時，磁動勢波推移2π電弧度，電流每秒變f次，所以每秒推移w=2πf電弧度/s，由于一轉(zhuǎn)等于2πp電弧度，所以轉(zhuǎn)速為5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場圖5-22三相繞組基波合成磁勢圖解可以看出，合成磁動勢幅值的位置將先與A相繞組軸線重合，再依次與B相、C相繞組軸線重合，所得到的合成磁勢是一個正向推移的旋轉(zhuǎn)磁勢波。三相交流電流變化一個周期，旋轉(zhuǎn)磁勢相應(yīng)地轉(zhuǎn)過360電角度（2）圖解法下面用圖解法分析三相基波合成磁勢，圖5-22中左邊三個圖表示三個不同瞬間的三相電流的相量，右邊三個圖表示相應(yīng)的磁勢空間矢量圖。

從以上分析可知：三相對稱繞組通入三相對稱電流后，所形成的合成磁勢為幅值不變的旋轉(zhuǎn)磁動勢波綜合上述分析，得出三相基波合成磁勢具有以下特性①三相合成磁勢為正弦分布旋轉(zhuǎn)磁勢，轉(zhuǎn)向由超前電流相轉(zhuǎn)到滯后電流相。要改變磁場轉(zhuǎn)向，只須改變?nèi)嚯娏鞯南嘈?。②幅值F1不變，為各相脈振磁勢幅值的3/2倍，且旋轉(zhuǎn)幅值的軌跡是圓，所以稱為圓形旋轉(zhuǎn)磁場。③當(dāng)某相電流達(dá)最大值時，合成旋轉(zhuǎn)磁勢的幅值恰在這一相繞組軸線上。5.3三相異步電動機(jī)的定子磁動勢與磁場5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢5.4.1導(dǎo)體的感應(yīng)電動勢(a)二極異步電機(jī)(b)主極磁場在空間的分布(c)導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的波形圖5-23氣隙磁場正弦分布時導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢

三相繞組中通入對稱地三相交流電后，將產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，在空間按正弦分布的磁場，該磁場切割定子繞組，定子繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。圖5-23是一臺兩級異步電動機(jī)。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙中按正弦規(guī)律分布，該磁場以n1切割定子繞組，根據(jù)感應(yīng)電動勢公式e=Blv可知，導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e將正比于氣隙磁密B，其中l(wèi)為導(dǎo)體的有效長度。5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢(a)二極異步電機(jī)(b)主極磁場在空間的分布(c)導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的波形圖5-23氣隙磁場正弦分布時導(dǎo)體內(nèi)的感應(yīng)電動勢

因旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙空間內(nèi)按正弦規(guī)律分布，則：

Bm：氣隙磁密的幅值

α：離開原點的電角度

設(shè)導(dǎo)體中的感應(yīng)電動勢e=0將旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速用每秒內(nèi)轉(zhuǎn)過的電弧度w表示，w為角頻率，當(dāng)時間由0到t時，磁場轉(zhuǎn)過的電角度α=wt，則感應(yīng)電動勢為5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢2、導(dǎo)體感應(yīng)電動勢的頻率導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢的頻率與磁場的轉(zhuǎn)速和磁場的級數(shù)有關(guān)，若電動機(jī)為兩極電機(jī)p=1，電角度=機(jī)械角度，磁場旋轉(zhuǎn)一周感應(yīng)電勢交變一次，設(shè)磁場每分鐘轉(zhuǎn)n1轉(zhuǎn)（即每秒轉(zhuǎn)n1/60轉(zhuǎn)），于是導(dǎo)體中電勢交變的頻率應(yīng)為：

若電機(jī)為P對極，則磁場每旋轉(zhuǎn)一周，導(dǎo)體中感應(yīng)電勢將交變P次，此時電勢頻率為：在我國，工業(yè)用電的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50Hz，所以5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢3、導(dǎo)體感應(yīng)電動勢有效值：每極磁通，單位：韋伯（Wb）

：平均磁密由于氣隙磁密在空間正弦分布，其磁密最大值Bm與平均值Bav之間的關(guān)系為5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢5.4.2整距線圈的感應(yīng)電動勢采用整距線圈時，組成線圈的兩個導(dǎo)體在空間上相隔一個極距τ。若線圈的一根導(dǎo)體位于N極下最大磁密處時，另一根導(dǎo)體恰好處于S極下的最大磁密處。所以兩導(dǎo)體感應(yīng)電勢瞬時值總是大小相等，方向相反，相位上相差180度電角度，如圖b。若兩個導(dǎo)體邊感應(yīng)電動勢的正方向都規(guī)定為從上向下，則用相量表示時，兩個有效邊的電動勢相量和的方向相反。

（a）整距與短距線圈（b）整距線圈的感應(yīng)電動勢（c）短距線圈的感應(yīng)電動勢圖5-24

整距和短距線圈的感應(yīng)電動勢5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢若線圈有Nc匝，可得整距線圈的感應(yīng)電動勢為5.4.3短距線圈的感應(yīng)電動勢節(jié)距因數(shù)（基波）

當(dāng)線圈采用短距時，y1＜τ，組成線圈的兩導(dǎo)體的電動勢相位差小于180°電角度。其電角度為其有效值為線圈采用短距時感應(yīng)電動勢為5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢5.4.4線圈組的電動勢

（a）（b）圖5-25

線圈組的合成電動勢因每極下（雙層繞組）或每對極下（單層繞組）每相有一個線圈組，每個線圈組由q個線圈串聯(lián)組成且相鄰線圈在空間相差α電角度，故各線圈電動勢的有效值Ec1大小相等，相位相差α電角度。若每個線圈組由q=2個線圈串聯(lián)組成，圖5-25，線圈組的電動勢Eq1等于q個線圈電動勢的矢量和，這是由于q個線圈電動勢相加后構(gòu)成了正多邊形的一部分。5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢5.4.4線圈組的電動勢

（a）（b）圖5-25

線圈組的合成電動勢根據(jù)幾何關(guān)系為基波分布因數(shù)5.4三相異步電動機(jī)定子繞組的感應(yīng)電動勢5.4.5相電動勢和線電動勢一相中所串聯(lián)的線圈組的電動勢相加即為相電動勢。整個電機(jī)有p對磁極，對于單層繞組一對極下每相具有一個線圈組，p對極下每相具有p個線圈組，若并聯(lián)支路數(shù)位a，每個線圈組感應(yīng)電動勢的有效值相等。將qNc代換成一相串聯(lián)的總匝數(shù)即為一相繞組的電動勢。為單層繞組每相串聯(lián)的總匝數(shù)為雙層繞組每相串聯(lián)的總匝數(shù)5.5三相異步電動機(jī)的工作原理及運行狀態(tài)異步電動機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的交流電機(jī)。它的轉(zhuǎn)速與電源頻率間沒有嚴(yán)格不變的關(guān)系，而是隨負(fù)載的變化而變化，但轉(zhuǎn)速范圍變化不大。與直流電機(jī)不同的是，異步電機(jī)轉(zhuǎn)子電流是靠感應(yīng)產(chǎn)生的，定子和轉(zhuǎn)子之間沒有電的聯(lián)系，能量的傳遞靠電磁感應(yīng)，所以也稱為感應(yīng)電機(jī)。5.5.1三相異步電動機(jī)的基本工作原理

圖5-26感應(yīng)電動機(jī)工作原理圖

感應(yīng)電勢的方向：右手定則判定導(dǎo)體受力的方向：左手定則判定在電磁力F的作用下，轉(zhuǎn)子順旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n。5.5三相異步電動機(jī)的工作原理及運行狀態(tài)5.5.2三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率與三種運行狀態(tài)當(dāng)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為n，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1，二者之間的相對速度（n1-n）稱為轉(zhuǎn)差速度，轉(zhuǎn)差速度與同步轉(zhuǎn)速n1之比為轉(zhuǎn)差率s轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)的一個主要參數(shù)，根據(jù)s的正負(fù)和大小可以判斷電機(jī)的運行狀態(tài)。異步電機(jī)的運行狀態(tài)分為電動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動三種。圖5-27感應(yīng)電機(jī)的三種運行狀態(tài)1、作為電動機(jī)的運行狀態(tài)

當(dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與n1相同且小于n1時（即1>s>0）為電動機(jī)運行狀態(tài)，由下圖知此時電磁轉(zhuǎn)矩的方向與n相同，它拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。2、作為發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)

如用原動機(jī)拖動感應(yīng)電機(jī)，使感應(yīng)電機(jī)n>n1(即s<0)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的方向與電動機(jī)狀態(tài)相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向與n相反，此時原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩必須克服制動的電磁轉(zhuǎn)矩使n>n1,這時轉(zhuǎn)子從原動機(jī)輸入機(jī)械功率，通過電磁感應(yīng)由定子輸出電功率，電機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。3、電磁制動的運行狀態(tài)如果由于外力的作用使轉(zhuǎn)子逆著n1旋轉(zhuǎn)，（即s>1）此時轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中電勢電流方向仍與電動狀態(tài)一樣，電磁轉(zhuǎn)矩的方向與n相反，所以電磁轉(zhuǎn)矩為制動性質(zhì)的，稱為電磁制動狀態(tài)。在這種情況下，從轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，從定子輸入電功率，兩部分功率一起變?yōu)殡姍C(jī)內(nèi)部的損耗。5.5三相異步電動機(jī)的工作原理及運行狀態(tài)5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系5.6.1三相異步電動機(jī)空載運行電磁關(guān)系異步電動機(jī)空載時，將定子三相繞組接至對稱三相電源，便有對稱三相電流I10在定子繞組中流過，該電流稱為空載電流。則定子電流建立一基波旋轉(zhuǎn)磁動勢F1，其幅值為在F1的作用下產(chǎn)生氣隙磁場Bm，Bm沿氣隙圓周正弦分布并以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，在定，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流，在氣隙磁場與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流相互作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。電動機(jī)空載運行時，轉(zhuǎn)子軸上不帶機(jī)械負(fù)載，所以n≈n1，旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子之間的相對速度為零，可以認(rèn)為轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢E2和I2都近似為零。因此空載運行時的主磁場僅有定子磁動勢產(chǎn)生?？蛰d運行時定子磁動勢F1近似為產(chǎn)生氣隙主磁場的勵磁磁動勢Fm，空載電流I10近似等于勵磁電流Im5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系5.6.1三相異步電動機(jī)空載運行電磁關(guān)系根據(jù)磁通通過的路徑及性質(zhì)的不同，將磁通分為主磁通和漏磁通。由基波旋轉(zhuǎn)磁動勢產(chǎn)生、通過氣隙并與定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組同時交鏈的磁通為主磁通。主磁通為每極下的磁通量，用Φm表示。圖5-28四極感應(yīng)電機(jī)主磁通分布圖圖5-29

槽漏磁通和端部漏磁通漏磁通包括三部分：槽漏磁通、端部漏磁通和諧波漏磁通。5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系異步電動機(jī)空載運行時的電磁關(guān)系圖5-30異步電動機(jī)空載運行時的電磁關(guān)系5.6.2三相異步電動機(jī)負(fù)載運行電磁關(guān)系當(dāng)異步電動機(jī)負(fù)載運行時，n≠n1，轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢E2，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流I2，I2產(chǎn)生轉(zhuǎn)子磁動勢F2。定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，此時定子旋轉(zhuǎn)磁場以Δn=n1-n速度切割轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其頻率f2為：轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁動勢F2相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為而轉(zhuǎn)子本身以n的速度旋轉(zhuǎn)，所以轉(zhuǎn)子磁動勢相對于定子的轉(zhuǎn)速為Δn+n=n1-n+n=n1，因此轉(zhuǎn)子磁動勢F2與定子磁動勢F1相對于定子的轉(zhuǎn)速時相等的，均等于同步轉(zhuǎn)速n1，所以異步電動機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下均能產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系5.6.2三相異步電動機(jī)負(fù)載運行電磁關(guān)系圖5-31

感應(yīng)電動機(jī)負(fù)載運行時的電磁關(guān)系上式為異步電動機(jī)的磁勢平衡方程當(dāng)負(fù)載運行時，轉(zhuǎn)子磁動勢除了與定子磁動勢共同產(chǎn)生主磁場外，還產(chǎn)生僅與轉(zhuǎn)子繞組交鏈的漏磁通5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系5.6.3轉(zhuǎn)子靜止時的三相異步電動機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時，氣隙磁場以同步轉(zhuǎn)速n1切割轉(zhuǎn)子繞組，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的頻率，主磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電勢分別為漏磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電勢分別為與變壓器分析方法一樣，引入勵磁阻抗表征主磁通對電路的電磁效應(yīng)，則定子感應(yīng)電動勢E1與勵磁電流Im之間具有以下關(guān)系5.6三相異步電動機(jī)的電磁關(guān)系5.6.4轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的三相異步電動機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)子以n的速度轉(zhuǎn)動時，其次磁場以同步轉(zhuǎn)速n1-n的速度切割轉(zhuǎn)子繞組，則轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動勢的頻率，主磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電勢分別為漏磁通在定、轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的電勢分別為上式中與轉(zhuǎn)子頻率有關(guān)的物理量下標(biāo)都標(biāo)注了s，表示轉(zhuǎn)差頻率5.7異步電動機(jī)基本方程、等效電路和相量圖5.7.1三相異步電動機(jī)的基本方程1、電流方程因為所以或為電流變比為歸算到定子邊的轉(zhuǎn)子電流異步電動機(jī)負(fù)載運行時，氣隙磁動勢為定子磁動勢和轉(zhuǎn)子磁動勢的合成，得5.7異步電動機(jī)基本方程、等效電路和相量圖2、電壓方程考慮定、轉(zhuǎn)子繞組電阻分別產(chǎn)生電壓降，則負(fù)載運行時，主磁通分別在定、轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其有效值為將代入上式定子漏阻抗轉(zhuǎn)子漏阻抗因E2s=sE2，E2為轉(zhuǎn)子靜止時的轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢，，定轉(zhuǎn)子電路的電壓方程式可寫為5.7異步電動機(jī)基本方程、等效電路和相量圖(a)定子等效電路(b)轉(zhuǎn)子等效電路

圖5-32定、轉(zhuǎn)子等效電路與上式對應(yīng)的電路為5.7.2異步電動機(jī)的等效電路圖5-33定、轉(zhuǎn)子耦合電路示意圖圖5-33異步電動機(jī)定轉(zhuǎn)子耦合電路。定轉(zhuǎn)子之間只有磁的聯(lián)系，沒有電的聯(lián)系，其定轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、匝數(shù)和繞組因數(shù)不同。要想有電的聯(lián)系，就需要進(jìn)行頻率和繞組歸算，將一個電路歸算到另一個電路中。5.7異步電動機(jī)基本方程、等效電路和相量圖1、頻率歸算頻率歸算是指在保持電磁系統(tǒng)的電磁性能不變的前提下，把一種頻率的物理量換算成另一種頻率的物理量。上式中經(jīng)過數(shù)學(xué)代換與頻率有關(guān)的各物理量的頻率已變?yōu)槎ㄗ拥念l率圖5-34

靜止電動機(jī)定、轉(zhuǎn)子耦合電路示意圖5.7異步電動機(jī)基本方程、等效電路和相量圖由歸算前后轉(zhuǎn)子銅耗和漏磁場儲