异步电动机结构与工作原理及异步电动机的特性和技术参数

异步电动机结构与工作原理

及异步电动机的特性和技术参数

电动机是—种将电能转化为机械能的动力设备，分为直流电动机和交流电动机。交流电动机又分为同步电动机和异步电动机（即感应电动机），而异步电动机又分绕线型电动机和笼型电动机。

一、异步电动机的结构

异步电动机由定子、转子等部件组成。图11-1所示为异步电动机的解体结构（以三相鼠笼异步电动机为例）。

1.定子

异步电动机的静止部分称为定子。定子主要由定子铁心、定子绕组、机座等部件组成。

定子铁心是电机磁路的一部分。定子铁心由厚0.35～0.5mn 表面有绝缘层的硅钢片叠压而成。在铁心的内圆冲有均匀分布的槽槽内嵌放定子绕组。槽型有开口型、半开口型、半闭口型三种。半闭口型槽的优点是电动机的效率和功率因数较高，缺点是绕组嵌线和绝缘较困难，用于小型低压电机;半开口型槽可以嵌放成型绕组用于大型、中型低压电机;开口型槽用以嵌放成型绕组，主要用于高压电机。定子铁心制作完成后整体压入机座内，再在铁心槽内嵌放定子绕组。

定子绕组是异步电动机的电路部分，通入交流电后在电机内产生旋转磁场。绕组的绝缘包括对地绝缘、相间绝缘、层间绝缘和匝间绝缘。三相电动机的三相绕组有的接成星形，有的接成三角形。

机座的作用是固定定子铁心、通过两个端盖支撑转子、保护电机的电磁部分和散热。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座用钢板焊成，而有些微型电动机的机座则采用铸铝件以降低电机的重量。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可以直接对流，以利于散热。

2.转子

电动机的转动部分称为转子。转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴等部件组成。

转子铁心也是电机磁路的一部分。转子铁心用厚0.5mm 的硅钢片叠压而成。硅钢片外圆冲有均匀分布的槽孔，用来安置转子绕组。小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，而大、中型异步电动机（转子直径300～400mm以上）的转子铁心则借助于支架装在转轴上。为了改善电动机的性能，笼型异步电动机转子铁心都采用斜槽结构（即转子槽与电动机转轴的轴线扭斜了一个角度）。

转子绕组的作用是切割定子磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下受力使转子转动。按照构造，转子分为笼型转子和绕线型转子。

笼型转子每个槽内仅一个转子导条，各导条两端用短路环联成整体。中、小型笼型电动机采用铸铝转子。这种转子是采用离心铸铝法，用熔化了的铝水将转子笼条、短路环、内风扇叶片浇铸成一个整体。大、中型电动机常采用铜条转子。这种转子是在转子铁心槽内放置没有绝缘的铜条，并将铜条的两端用短路环焊接成一个整体。为了提高电动机的启动转矩，大容量异步电动机采用双笼转子或深槽转子。双笼转子的外笼采用电阻率较大的黄铜，内笼采用电阻率较小的紫铜条。深槽转于门导条为狭长的导体。

绕线型转子的绕组是与;定）端训兆似的对称三相绕组。如图11-2所示，三相转子绕组接成星形。绕组的首端接在固定在转轴上的互相绝缘并与转轴绝缘的个铜制滑环上，经电刷引出。

转轴用以传递转矩及支撑转子的重量，多用中碳钢制成。

3.其他附件

端盖装在机座的两侧，起支撑转子的作用。轴承连接转动部分和不动部分，一般采用滚动轴。轴承盖用以保护轴承，使轴承内的润滑油不致溢出。风扇用于冷却电动机。

二、异步电动机的工作原理

1.旋转磁场

下面以两极单相电动机为例说明电动机的旋转磁场。其接线如图11-3所示。沿圆周相隔90°装有两套绕组。其中，第一套绕组与电容串联。因此，电流i∶超前电流i，90°角。电流随时间变化的曲线如图11-4所示。ωt=0时，i₁=-Im，i₂=0，合成磁场从左到右;ωt=π/2时，i₁=0，i₂=I_m，合成磁场大小不变，方向从上到下;ωt=π 时，i₁=I_m，i₂=0，合成磁场大小不变，方向从右到左ωt=3π/2时，i₁=0，i₂=-I_m，合成磁场大小不变，方向从下到上ωt=2π 时，合成磁场旋转一周。

两极单相电动机的旋转磁场具有以下特点 ∶

（1）旋转方向为电流超前绕组到电流落后绕组的方向。

（2）大小保持不变。

（3）转速与电流的角频率相等。旋转磁场的转速称为同步转速。可以证明，对于p对磁极的电动机，旋转磁场的转速为

式中    n₁——同步转速，r/min ;

                          f——电源频率，Hz;

                          p——极对数。

三相电动机的旋转磁场有类似特点。这里不再赘述。

2.受力分析

如图11-5所示，当定子旋转磁场以n，的同步转速旋转时，转子导体中产生感应电动势和感应电流I_2O由于I₂与磁通φ相互作用，转子导体受到力F的作用使转子以转速n旋转。

3.转差率

异步电动机的转差率为实际转速与同步转速之差用百分数表示的相对值，即

异步电动机的额定转差率多在2%～6%之间。

三、异步电动机的机械特性

机械特性是转速与转矩的关系。可以证明，异步电动机转速与转矩的关系近似为

式中   T——异步电动机转矩;

                   C_m——决定于电动机结构的常数;

                   U——电源电压;

                   S——转差率;

                   r₂——转子绕组每相电阻;

                   X_2o——转子堵转时的每相电抗。

按上式绘制的异步电动机的机械特性如图11-6所示。其特点是∶转矩与电压的平方成正比;S很小时，T大致与S成正比，S接近于1时，T大致与S成反比。转矩的最大值T_max称最大转矩，相应的转差率S_m称临界转差率。S=1时的转矩称堵转转矩。还可以证明，异步电动机的最大转矩与转子电阻无关，但随着转子电阻增大，临界转差率也增大。

图7-6中，第1条曲线转子电阻最大;第6条曲线转子电阻最小。图中，T_L是负载转矩。绕线型电动机就是利用改变转子外接电阻来实现平稳启动和调速的。

四、异步电动机的运行状态

异步电动机有如下几种运行状态∶

（1）异步运行状态（电动机状态），即0<n<n₁T>0的状态，是最常见的电动机拖动状态。

（2）反接制动状态，即n<0，T>0的状态。起重机重载下降时会出现这种状态。

（3）发电制动状态，即n>n₁，T<0的状态。起重机重物下降时可能出现这种状态。

（4）堵转状态，即n=0的状态。电动机不得长时间停留在堵转状态。

（5）同步状态，即 n=n₁的状态。一般不会长时间停留在同步状态。

五、异步电动机的技术参数

异步电动机的铭牌上应标有名称、型号、额定功率、额定电压、额定电流、接法、工作定额、额定转速、频率、防护等级、绝缘等级、重量、出厂日期、出厂编号、生产厂名称等数据。典型铭牌如下∶

Y系列电动机型号说明如下∶

电动机的额定功率是指额定运行条件下转轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压指线电压，单位为V。额定电流指线电流，单位为A。接法应与电压相对应，Y系列电动机功率3kW及以下的采用星形接法，其他的采用三角形接法。工作定额指电动机的额定运行方式，常见的有连续工作方式和断续工作方式（重复短时工作方式）。断续工作状态用负载持续率表示。标明断续工作的电动机不得连续工作，否则，必须降低容量使用。Y系列电动机防护等级为IP44（第一个"4"表示对大于1mm的固体进入内部的防护，第二个"4"表示防溅式。Y系列电动机采用B级绝缘，其允许的最高工作温度为130 ℃。

电动机的输出功率按下式计算 ∶

式中   P₂——输出的机械功率;

     η——效率;

                  P₁——输入的电功率;

                  U——线电压;

                    I——线电流;

     ψ——功率因数角

六、异步电动机选用

（1）笼型电动机的转子绕组是笼状短路绕组，结构简单、工作可靠、维护方便，但启动性能和调速性能差。笼型电动机广泛用于各种机床、泵、风机等多种机械的电力拖动，是应用最多的电动机。

（2）绕线型电动机转子结构比笼型电动机较为复杂，加之有电刷与滑环的接触使得可靠性较低，但绕线型电动机的启动及调速性能较好。绕线型电动机主要用于启动频繁，控制要求较高场合，如起重机、电梯、空气压缩机及一些冶金机械。

（3）应当根据环境条件选用相应防护等级的电动机。例如多尘、水土飞溅或火灾危险场所应选用封闭式电动机;爆炸危医场所应选用防爆型电动机等。

（4）电动机的功率必须与生产机械负荷的大小及其持续和间迷的规律相适应。电动机功率太小，势必造成电动机过负荷工作，迷成电动机过热。

（5）某些连续加工时间很长的机床，所需电动机的功率为

式中  P——电动机功率，kW;

              F——切削力，N;

    υ——切削速度，m/s;

    η_r——传动效率。

（6）对于鼓风机，所需电动机功率为

式中  V——鼓风机排量，m³/s;

               H——总压力，P_a;

    η_w——鼓风机效率。

（7）对于水泵，所需电动机功率为

式中  Q——水泵排水量，m³/s;

               R——水的密度，kg/m³;

               h——送水总高度，m;

    η_p——水泵效率。