汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)

汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)2024/3/24汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.1三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)一、定子部分：1、定子鐵心：由導(dǎo)磁性能很好的硅鋼片疊成——導(dǎo)磁部分。2、定子繞組：放在定子鐵心內(nèi)圓槽內(nèi)——導(dǎo)電部分。3、機座：固定定子鐵心及端蓋，具有較強的機械強度和剛度。二、轉(zhuǎn)子部分：1、轉(zhuǎn)子鐵心：由硅鋼片疊成，也是磁路的一部分。2、轉(zhuǎn)子繞組：1）籠型轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽內(nèi)插入一根裸導(dǎo)條，形成一個多相對稱短路繞組。2）繞線轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組為三相對稱繞組，嵌放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)。三、氣隙：異步電動機的氣隙是均勻的。大小為機械條件所能允許達到的最小值。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.2三相異步電動機的基本工作原理一、基本工作原理1、電生磁：三相對稱繞組通往三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場。2、磁生電：旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)電動勢和電流。3、電磁力：轉(zhuǎn)子載流（有功分量電流）體在磁場作用下受電磁力作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)。U2U1W2V1W1V2n汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.2三相異步電動機的基本工作原理二、轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)差率是異步電機的一個基本物理量,它反映電機的各種運行情況.轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動時，電機理想空載時，作為電動機，轉(zhuǎn)速在范圍內(nèi)變化，轉(zhuǎn)差率在0~1范圍內(nèi)變。負載越大，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)差率越大；反之，轉(zhuǎn)差率越小。轉(zhuǎn)差率的大小能夠反映電機的轉(zhuǎn)速大小或負載大小。電機的轉(zhuǎn)速為：正常運行時，轉(zhuǎn)差率一般在0.01~0.06之間，即電機轉(zhuǎn)速接近同步速。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.2三相異步電動機的基本工作原理三、異步電機的三種運行狀態(tài)根據(jù)轉(zhuǎn)差率的大小和正負,異步電機有三種運行狀態(tài)機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茈娔芎蜋C械能變成內(nèi)能電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能能量關(guān)系制動制動驅(qū)動電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差率轉(zhuǎn)速外力使電機快速旋轉(zhuǎn)外力使電機沿磁場反方向旋轉(zhuǎn)定子繞組接對稱電源實現(xiàn)發(fā)電機電磁制動電動機狀態(tài)汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.3型號和額定值一、型號例:汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.1三相異步電動機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)4.1.3型號和額定值額定值關(guān)系有：額定運行狀態(tài)時加在定子繞組上的線電壓.額定條件下轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率。在額定運行狀態(tài)下流入定子繞組的線電流.額定運行時電動機的轉(zhuǎn)速.二、額定值汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.1交流繞組的基本知識一、基本要求和分類從設(shè)計制造和運行性能方面對交流繞組的要求:1）三相繞組對稱；2）力求獲得最大的電動勢和磁動勢；3）繞組的電動勢和磁動勢的波形力求接近正弦；4）節(jié)省用銅量；5）繞組的絕緣和機械強度可靠，散熱條件好；6）工藝簡單、便于制造、安裝和檢修。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.1交流繞組的基本知識二、交流繞組的基本概念1、極距兩個相鄰磁極軸線之間沿定子鐵心內(nèi)表面的距離。若定子的槽數(shù)為Z，磁極對數(shù)為p，則極距：2、線圈節(jié)距一個線圈的兩個有效邊之間所跨的距離稱為線圈的節(jié)距。3、電角度汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.1交流繞組的基本知識二、交流繞組的基本概念4、槽距角相鄰兩個槽之間的電角度。6、相帶每個極面下的導(dǎo)體平均分給各相，則每一相繞組在每個極面下所占的范圍，用電角度表示稱為相帶。每一個極面下每相所占的槽數(shù)為5、每極每相槽數(shù)汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.2三相單層繞組單層繞組的每個槽內(nèi)只放一個線圈邊，電機的線圈總數(shù)等于定子槽數(shù)的一半。單層繞組分為鏈式、交叉式和同心式繞組。一、單層鏈式繞組單層鏈式繞組由形狀、幾何尺寸和節(jié)距相同的線圈連接而成，整個外形如長鏈。鏈式繞組的每個線圈節(jié)距相等并且制造方便；線圈端部連線較短并且省銅。主要用于q=2的4、6、8極小型三相異步電動機。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.2三相單層繞組二、單層交叉式繞組單層交叉式繞組由線圈數(shù)和節(jié)距不相同的兩種線圈組構(gòu)成，同一組線圈的形狀、幾何尺寸和節(jié)距均相同，各線圈組的端部互相交叉。交叉式繞組由兩大一小線圈交叉布置。線圈端部連線較短，有利于節(jié)省材料，并且省銅。廣泛用于q>1的且為奇數(shù)的小型三相異步電動機。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.2三相單層繞組三、單層同心式繞組同心式繞組由幾個幾何尺寸和節(jié)距不等的線圈連成同心形狀的線圈組構(gòu)成。同心式繞組端部連線較長，適用于q=4、6、8等偶數(shù)的2極小型三相異步電動機。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.2三相單層繞組綜上分析：1）單層繞組為整距繞組；電動勢波形不夠理想。2）單層繞組不適宜于大、中型電機；3）單層繞組不存在線圈層間絕緣問題，不會在槽內(nèi)發(fā)生層間或相間絕緣擊穿故障；4）單層繞組線圈數(shù)等于槽數(shù)的一半，繞線和嵌線所費工時少、工藝簡單，廣泛應(yīng)用于10kW以下的異步電動機。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.3三相雙層繞組雙層繞組每個槽內(nèi)放上、下兩層線圈的有效邊，線圈的每一個有效邊放在某一槽的上層，另一個有效邊則放置在相隔為y的另一槽的下層。雙層繞組分雙層疊繞組（如圖2a=1）和雙層波繞組（略）。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.2交流電機的繞組4.2.3三相雙層繞組雙層繞組的特點：1）線圈數(shù)等于槽數(shù)；2）線圈數(shù)組數(shù)等于極數(shù)，也等于最大并聯(lián)支路數(shù)；3）每相繞組的電動勢等于每條支路的電動勢。4）雙層繞組的節(jié)距可以改變，可以選擇合適的節(jié)距來改善電動勢或磁動勢的波形，技術(shù)性能優(yōu)于單層繞組。一般稍大容量的電機均采用雙層繞組。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.3交流電機繞組的感應(yīng)電動勢4.3.1線圈的感應(yīng)電動勢及短距系數(shù)一、一根導(dǎo)體的電動勢電動勢頻率:電動勢大小:二、整距繞組的電動勢每個整距線匝的電動勢:每個整距線圈的電動勢:三、短距線圈的電動勢每個短距線匝的電動勢:基波短距系數(shù):汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.3交流電機繞組的感應(yīng)電動勢4.3.2線圈組的感應(yīng)電動勢及分布系數(shù)一組線圈由q個線圈組成,若q個線圈為集中繞組時,各線圈電動勢大小相等、相位相同，線圈組電動勢為:若q個線圈為分布繞組,放在q個槽內(nèi),各線圈電動勢大小相同,相位相差α電角度,電動勢為:基波分布系數(shù)基波繞組系數(shù)：汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.3交流電機繞組的感應(yīng)電動勢4.3.3一相繞組的基波感應(yīng)電動勢一繞組有2a條支路，一條支路由若干個線圈組路串聯(lián)組成。一相繞組的基波電動勢為一條支路的基波電動勢一、一相繞組的基波電動勢對單層繞組：對雙層繞組：汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.3交流電機繞組的感應(yīng)電動勢4.3.3一相繞組的基波感應(yīng)電動勢二、短距繞組、分布繞組對電動勢波形的影響對V次諧波：1.采用短距繞組例如改善電動勢波形的方法:2.采用分布繞組汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢一、整距集中繞組的磁動勢一臺兩極氣隙均勻的交流電機,一個整距繞組通入交流電流,線圈磁動勢在某瞬間的分布如圖,由全電流定律得:忽略鐵心磁阻,磁動勢完全降落在兩個氣隙上.每個氣隙的磁動勢為:空間分布為矩形波如圖,隨時間按正弦規(guī)律變化.變化頻率為電流頻率。空間位置不變而幅值和方向隨時間變化的磁動勢稱為脈動磁動勢。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢一、整距集中繞組的磁動勢矩形波磁動勢可能分解為基波和一系列高次諧波:基波磁動勢為:基波磁動勢最大值為:整距繞組基波磁動勢在空間按余弦分布，幅值位于繞組軸線，空間每一點的磁動勢大小按正弦規(guī)律變化——仍然為脈動磁動勢。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢二、單相脈動磁動勢1、整距分布繞組的磁動勢每個繞組由q個線圈串聯(lián)構(gòu)成，依次在定子圓周空間錯開槽距角α,繞組的基波磁動勢為q個線圈基波磁動勢的空間矢量和：2、一組雙層短距分布繞組的基波磁動勢雙層短距分布繞組的基波磁動勢為兩個等效繞組基波磁動勢的相量和，用短距系數(shù)計及繞組短距的影響：汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢二、單相脈動磁動勢3、相繞組的磁動勢每個極下的磁動勢和磁阻構(gòu)成一條分支磁路。若電機有p對磁極，就有p條并聯(lián)的對稱分支磁路，所以一相繞組的基波磁動勢就是該繞組在一對磁極下線圈所產(chǎn)生的基波磁動勢，若每相電流為Ip:單相繞組的磁動勢是在空間按余弦規(guī)律分布，幅值大小隨時間按正弦規(guī)律變化的脈動磁動勢。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢三、單相脈動磁動勢的分解即一個脈動磁動勢可以分解成兩個幅值大小相等的磁動勢。先分析取幅值點分析汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢三、單相脈動磁動勢的分解綜上分析:汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4交流電機繞組的磁動勢4.4.1單相繞組的磁動勢三、單相脈動磁動勢的分解可見:(1)單相繞組的基波磁動勢為脈動,它可以分解為大小相等、轉(zhuǎn)速相同而轉(zhuǎn)身相反的兩個旋轉(zhuǎn)磁場。(2)反之,滿足上述性質(zhì)的兩個旋轉(zhuǎn)磁動勢的合成即為脈動磁動勢.汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4.2三相繞組基波合成磁動勢——旋轉(zhuǎn)磁動勢三相的合成磁動勢：4.4交流電機繞組的磁動勢取U相繞組軸線位置作為空間坐標原點、以相序的方向作為x的參考方向、U相電流為零時作為時間起點，則三相基波磁動勢為：可見：三相合成磁動勢也是一個圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。交流電機三相對稱繞組,通入三相對稱電流，磁動勢是三相的合成磁動勢。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4.2三相繞組基波合成磁動勢——旋轉(zhuǎn)磁動勢4.4交流電機繞組的磁動勢為了分析旋轉(zhuǎn)磁動勢的旋轉(zhuǎn)方向，設(shè)三相對稱電流按余弦規(guī)律變化，U相電流最大時為計時點，電流取首進尾出為正，電流波形和各時刻旋轉(zhuǎn)磁動勢的位置如圖所示：U2U1W2V1W1V2汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.4.2三相繞組基波合成磁動勢——旋轉(zhuǎn)磁動勢4.4交流電機繞組的磁動勢總述，三相對稱繞組通入三相對稱電流產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，其性質(zhì)為：1）幅值為單相磁動勢幅值的1.5倍。2）轉(zhuǎn)速為同步速：3）轉(zhuǎn)向：由電流相序決定，或者說由載有超前電流相轉(zhuǎn)向載有滯后相。4）當(dāng)某相電流達最大值時，旋轉(zhuǎn)磁動勢幅值恰好在該相繞組的軸線位置上。產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢的條件：一是三相或多相對稱繞組；二是三相或多相對稱電流。兩個條件有一個不滿足，即產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.5.1空載運行時的電磁關(guān)系4.5三相異步電動機的空載運行一、主、漏磁通的分布為了便于分析，根據(jù)磁通路徑和性質(zhì)不同，異步電動機的磁通分為主磁通和漏磁通。主磁通同時交鏈定、轉(zhuǎn)子繞組，其路徑為：定子鐵心→氣隙→轉(zhuǎn)子鐵心→氣隙→定子鐵心。主磁通起傳遞能量的作用。除了主磁通以外的磁通稱為漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次諧波磁通。漏磁通只起電抗壓降作用。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.5.1空載運行時的電磁關(guān)系4.5三相異步電動機的空載運行二、空載電流和空載磁動勢異步電動機空載運行時的定子電流稱為空載電流。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.5.1空載運行時的電磁關(guān)系4.5三相異步電動機的空載運行三、電磁關(guān)系4.5.2空載運行時的電壓平衡方程一、感應(yīng)電動勢與變壓器一樣,主、漏磁通在定子繞組上感應(yīng)的電動勢分別為：可見，異步電動機空載時的電磁關(guān)系與變壓器非常相似。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.5.2空載運行時的電壓平衡方程4.5三相異步電動機的空載運行二、電壓平衡方程與等效電路與變壓器一樣，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可列出空載時定子每相電壓方程式：同樣也有：根據(jù)上兩式，可以作出空載時等效電路。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.5.2空載運行時的電壓平衡方程4.5三相異步電動機的空載運行二、電壓平衡方程與等效電路盡管異步電動機的電磁關(guān)系與變壓器相似，但它們之間還是有差別的：1）主磁場性質(zhì)不同：異步電動機為旋轉(zhuǎn)磁場，變壓器為脈動磁場.4）由于存在氣隙,異步電動機漏抗較變壓器的大.5)異步電動機通常采用短距和分布繞組,計算時需考慮繞組系數(shù),變壓器則為整距集中繞組,可認為繞組系數(shù)為1.汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.1負載運行時的電磁關(guān)系4.6三相異步電動機的負載運行汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.2轉(zhuǎn)子繞組各電磁量4.6三相異步電動機的負載運行一、轉(zhuǎn)子電動勢的頻率感應(yīng)電動勢的頻率正比于導(dǎo)體與磁場的相對切割速度,故轉(zhuǎn)子電動勢的頻率為:轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時,理想空載時,二、轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電動勢轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電動勢:轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時的感應(yīng)電動勢:二者關(guān)系為:汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.2轉(zhuǎn)子繞組各電磁量4.6三相異步電動機的負載運行三、轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗電抗與頻率正比于,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子漏電抗:二者關(guān)系:轉(zhuǎn)子繞組的漏阻抗:四、轉(zhuǎn)子繞組的電流轉(zhuǎn)子繞組為閉合繞組,則轉(zhuǎn)子電流為:轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子漏電抗:當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時,轉(zhuǎn)差率增大,轉(zhuǎn)子電流也增大.汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.2轉(zhuǎn)子繞組各電磁量4.6三相異步電動機的負載運行五、轉(zhuǎn)子繞組的功率因數(shù)轉(zhuǎn)子功率因數(shù)與轉(zhuǎn)差率有關(guān),當(dāng)轉(zhuǎn)差率增大時,轉(zhuǎn)子功率因數(shù)則減小.六、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢轉(zhuǎn)子繞組流過三相或多相對稱電流時產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢.1)幅值2)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)子電流相序與定子旋轉(zhuǎn)磁動勢方向相同,轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢的方向與轉(zhuǎn)子電流相序一致.轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁動勢相對定子的速度為可見,無論轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速怎樣變化,定、轉(zhuǎn)子磁動勢總是以同速、同向在空間旋轉(zhuǎn)，兩者在空間上總是保持相對靜止。汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.3磁動勢平衡方程4.6三相異步電動機的負載運行磁動勢的平衡方程為：可以改寫為：寫成磁動勢幅值公式：汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.6.4電動勢平衡方程4.6三相異步電動機的負載運行電動勢的平衡方程為：根據(jù)基爾霍夫電壓定律可寫出定、轉(zhuǎn)子側(cè)電動勢平衡方程：汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.7.1折算4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖頻率折算就是用一個等效的轉(zhuǎn)子電路代替實際旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),而等效的轉(zhuǎn)子回路應(yīng)與定子電路有相同的頻率。一、頻率折算在折算的過程中，電機的電磁效應(yīng)不變，因而有兩個條件：一個是保持轉(zhuǎn)子磁動勢不變；二是轉(zhuǎn)子回路的功率不變。轉(zhuǎn)子回路電流汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.7.1折算4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖一、頻率折算汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.7.1折算4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖二、繞組折算4.7.2等效電路一、繞組后的基本方程汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)4.7.2等效電路4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖二、T型等效電路和簡化等效電路由基本方程可以作出等效電路:T型等效電路簡化等效電路汽車三相異步電動機的基本工作原理和結(jié)構(gòu)從等效電路分析可知:4.7.2等效電路4.7三相異步電動機的等效電路和相量圖二、T型等效電路和簡化等效電路3)三相異步電動機的功率因數(shù)永遠滯后；4)附加電阻不能用電感或電容來代替。5)在等效電路中負載的變化是用轉(zhuǎn)差率s來體現(xiàn)的汽車三相異步電動機的基本工