2.1 三相交流异步电动机的基本原理、结构与类型

2.1.1 三相交流异步电动机的基本原理

三相交流异步电动机通电后会在铁芯中产生旋转磁场，通过电磁感应在转子绕组中产生感应电流，转子电流受到磁场的电磁力作用产生电磁转矩并使转子旋转，因此又被称为感应电机。

1.旋转磁场

三相交流异步电动机的三相定子绕组在空间上互差120°（电角度），连接成星形（Y）或三角形（△），是对称三相负载，简化后如图2.1所示。定子绕组接通电源后流入三相对称交流电流，如图2.2所示。

假设某相绕组电流瞬间为正时，电流从该相绕组的首端流入，尾端流出；电流为负时，方向相反。为简单反映合成磁场及其旋转特征，选取电流相位角ωt=0°、120°、240°、360°这四个瞬时，对应这四个时刻的各绕组电流方向及磁场分别如图2.3中的（a）、（b）、（c）、（d）所示。根据右手螺旋定则可判断相应的合成磁场为旋转磁场。

理论分析可以证明：旋转磁场的磁感应强度沿定子内圆在空间上呈正弦分布，合成磁势的幅值为固定值，磁势相量顶点的轨迹是一个圆，所以又被称为圆形旋转磁场。

如果电动机的每相绕组由两个串联的线圈（组）组成，三相绕组连接成Y形，如图2.4所示。各相绕组的首端或尾端在空间上互差60°放置（电角度仍互差120°），如图2.5所示。用同样的方法可判断出这时的磁场有两对磁极（即四个磁极），仍按绕组位置沿U1、V1、W1方向旋转，与电源相序相同，但电流变化一周时，磁场在空间上仅旋转半周。若电源频率为f1，则旋转磁场对应的转速为

n1=60 f1/2=1500 r/min

进一步分析更多磁极对数的旋转磁场及其旋转过程可以发现：磁场的旋转速度反比于磁极对数。如果旋转磁场有p对磁极，则该旋转磁场的转速（也称为同步转速）n1为

2.三相交流异步电动机的基本工作原理

三相交流异步电动机的转子绕组伺行闭合，当旋转磁场扫过转子表面时，会在转子导体中产生感应电流，如图2.6所示。转子电流反过来又受到磁场的电磁力作用，根据左手定则能判断出，由电磁力所导致的电磁转矩促使转子沿旋转磁场方向旋转。

转子与旋转磁场之间必须要有相对运动才可以产生上述电磁感应过程，而且转子所获得的能量完全来源于交流电源并通过旋转磁场提供的电磁能，相当于转子被旋转磁场拖动而旋转。若两者转速相同，转子与旋转磁场保持相对静止，转子导体不切割磁力线，没有电磁感应，转子电流及电磁转矩均为零，转子失去旋转动力。因此，异步电动机的转子转速必定低于旋转磁场的转速（同步转速），所以被称为异步电动机。

如果转子电流不是通过电磁感应而是由独立电源提供或转子与定子各有相互独立的磁场，则由于磁极之间的磁性力作用，在一定条件下，定子磁极就会吸引转子磁极并拖动它以相同的速度旋转（即同步旋转），这就是同步电动机。

3.转差与转差率

由上述分析也可看出：对于异步电动机而言，旋转磁场与转子之间的相对运动速度直接影响了转子电流及电磁转矩的大小。一般把同步转速n1与转子转速n的差值称为转差，转差与同步转速的比值称为转差率，以s表示。

转差率是影响电机状态及其特征的一个重要因素。电机在额定状态时的转差率称为额定转差率，以sN表示。普通三相异步电动机的额定转差率sN约为0.01～0.05，额定转速nN与同步转速n1很接近。

【例2.1】 某三相异步电动机的额定转速nN=1440r/min，额定频率f1=50Hz，求该电机的极数、同步转速和额定转差率。

解：根据额定转速值并结合额定转差率的一般取值范围可以判断：

该电机的同步转速n1=1500 r/min，磁极对数p=2，该电机为四极电机。因此，额定转差率sN为

sN =(n1-n)/n1=(1500-1440)/1500=0.04

2.1.2 三相交流异步电动机的基本结构与类型

1.三相交流异步电动机的基本结构

异步电动机主要由定子（电机的静止部分）和转子（电机的转动部分）共同组成，按转子绕组结构形式分为笼型电机和绕线式电机。图2.7所示为绕线式电机的结构和主要部件。

（1）定子

定子主要由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。

定子铁芯由导磁性能良好但电阻率较大的硅钢片叠压而成，片间涂有绝缘漆，以减少旋转磁场的交变磁通通过铁芯所产生的涡流损耗。三相对称的定子绕组嵌入定子槽并由槽楔固定于定子槽中，一般由多个线圈组按规律连接而成，绕组与铁芯之间有槽绝缘且整体固定于机座中。

（2）转子

转子包括转子铁芯、转子绕组和转轴。

转子铁芯也由硅钢片叠压并固定于转轴或转子支架上，它与定子铁芯、气隙共同构成电机的完整磁路。转子绕组有笼型和绕线型两种。笼型转子绕组由铜条及端环组成，形状类似于鼠笼，小型异步电机由铸铝工艺制造转子导条、端环及风叶，如图2.8所示。绕线型转子绕组类似于定子的对称三相绕组，一端作星形连接，另一端分别连接固定在转轴的三个滑环上，并可通过电刷与外部元件或设备连接，以调节电动机的运行状态。

定子与转子之间的气隙是电机磁路的组成部分，气隙大小对电机很重要，气隙过大会使电机功率因数下降，反之则磁场的高次谐波含量大，也会导致电机某些性能下降并且维护困难、运行可靠性降低。中小型异步电机的气隙厚度通常为0.2～2mm。

2.三相交流异步电动机的类型

三相交流异步电动机一般按转子结构分为笼型异步电机和绕线式异步电机。此外，还有其他一些分类方式。按机壳防护形式分有：防护式——可防止水滴、灰尘、铁屑及其他物体从上方或斜上方落入电机内部，适用于较清洁的场合；封闭式——能防止水滴、灰尘、铁屑及其他物体从任意方向落入电机内部，适用于灰砂较多的场合；开启式——除必要的支撑外，转动部分与绕组无专门防护，散热好，仅用于干燥、清洁、无腐蚀性气体的场合。按机座号分为：小型电机——0.6kW～125kW，1～9号机座；中型电机——100kW～1250kW，11～15号机座；大型电机——1250kW以上，15号以上机座。按相数分为：单相、三相电机。

2.1.3 三相交流异步电动机的额定值与型号

1.三相交流异步电动机的铭牌与额定值

铭牌标注的额定值是反映三相交流异步电动机额定工作状态的主要参数，包括以下几项。

● 额定功率PN：电动机额定运行时的输出机械功率。

● 额定电压UN：电动机额定状态时定子绕组的线电压。

● 额定电流IN：电动机额定状态时定子绕组的线电流。

● 额定频率fN：额定状态下电动机应接电源的频率。

● 额定转速nN：电动机在上述额定值下转子的转速，单位为转/分（r/min或rpm）。

此外，铭牌上还标注有电机型号、绕组接法、绝缘等级或额定温升等。对于绕线式电机还标注转子额定状态，如转子额定电压（额定状态下，转子绕组开路时滑环间的电压值）、转子未外接电路元件时的额定电流等。

2.三相交流异步电动机的型号

我国生产的三相交流异步电动机的类型、规格及特征代号主要由汉语拼音字母和数字结合表示。例如：“Y”表示“异步电动机”；“R”表示“绕线型”。目前大量使用的是参照IEC（国际电工委员会）标准生产的Y系列交流异步电动机。与已淘汰的JO2系列相比，Y系列电机具有标准化及通用化程度高、效率高、启动与过载能力大、体积小、重量轻、噪声低、安装灵活等优点。常用的有：Y——笼型异步电机、YR——绕线式异步电机、YD——多速电机、YZ——起重冶金用异步电机、YQ——高启动转矩异步电机等。Y系列电机型号含义如下：