第1章　常用电动机的基础知识

1.1　三相异步电动机

1.1.1　三相异步电动机的基本结构

三相异步电动机主要由两大部分组成：一个是静止部分，称为定子；另一个是旋转部分，称为转子。转子装在定子腔内，为了保证转子能在定子内自由转动，定、转子之间必须有一定的间隙，称为气隙。此外，在定子两端还装有端盖等。笼型三相异步电动机的结构如图1-1所示，绕线式三相异步电动机的结构如图1-2所示。

（1）定子

定子主要由机座、定子铁芯、定子绕组三部分组成。

①机座。机座是电动机的外壳和支架，它的作用是固定和保护定子铁芯及定子绕组并支撑端盖。中小型异步电动机的机座一般都采用铸铁铸成，小机座也有用铝合金铸成的。大型异步电动机的机座大多采用钢板焊接而成。机座上设有接线盒，用以连接绕组引线和接入电源。为了便于搬运，在机座上面还装有吊环。

②定子铁芯。定子铁芯是电动机的磁路的一部分，一般用0.5mm厚的硅钢片叠压而成。定子硅钢片的表面涂有绝缘漆或硅钢片经氧化处理表面形成氧化膜，使片间相互绝缘，以减小交变磁通引起的涡流损耗。定子铁芯直径小于1m时，用整圆硅钢冲片；定子铁芯直径大于1m时，用扇形冲片拼成。在定子冲片的内圆均匀地冲有许多槽，用以嵌放定子绕组。定子铁芯如图1-3所示。

③定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分。三相异步电动机有三个独立的绕组（即三相绕组），每相绕组包含若干线圈，每个线圈又由若干匝构成。中小型电动机的线圈一般采用高强度漆包圆铜线绕制而成，大中型电动机一般采用外层包有绝缘的扁铜线做成成型线圈。三相绕组按照一定的规律依次嵌放在定子槽内，并与定子铁芯之间绝缘。定子绕组通以三相交流电时，便会产生旋转磁场。

（2）转子

转子由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分组成。

①转子铁芯。转子铁芯也是电动机磁路的一部分，一般用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，在硅钢片的外圆上均匀地冲有许多槽，如图1-4所示，用以浇铸铝条或嵌放转子绕组。转子铁芯压装在转轴上。

②转子绕组。转子绕组分为笼型和绕线型两种。

a.笼型转子绕组。该绕组是由插入每个转子铁芯槽中的裸导条与两端的环形端环连接组成。如果去掉铁芯，整个绕组就像一只笼子，故称为笼型转子绕组，如图1-5所示。中小型异步电动机的笼型转子绕组，一般都用熔化的铝液浇入转子铁芯槽中，并将两个端环与冷却用的风扇翼浇注在一起，如图1-5（a）所示。对于容量较大的异步电动机，由于铸铝质量不易保证，常用铜条插入转子槽中，再在两端焊上端环，如图1-5（b）所示。

b.绕线型转子绕组。绕线型转子绕组与定子绕组相似，也是把绝缘导线嵌入槽内，接成三相对称绕组，一般采用星形（Y）连接，三根引出线通过转轴内孔分别接到固定在转轴上的三个铜制的互相绝缘的集电环（俗称滑环）上，转子绕组可以通过集电环和电刷与外接变阻器相连，用以改善电动机的启动性能或调节电动机的转速。绕线转子如图1-6（a）所示。绕线转子绕组与外加变阻器的连接，如图1-6（b）所示。

③转轴。转轴一般由中碳钢制成，它的作用主要是支承转子，传递转矩，并保证定子与转子之间具有均匀的气隙。气隙也是电机磁路的一部分，气隙越小，功率因数越高，空载电流越小。中小型异步电动机的气隙为0.2～1mm。气隙太小，会使定子铁芯与转子铁芯发生“扫膛”现象，并给装配带来困难，因此电动机的气隙量是经过周密计算的。

1.1.2　三相异步电动机的工作原理

三相异步电动机工作原理的示意图如图1-7所示。在一个可旋转的马蹄形磁铁中，放置一个可以自由转动的笼型绕组，如图1-7（a）所示。当转动马蹄形磁铁时，笼型绕组就会跟着它向相同的方向旋转。这是因为磁铁转动时，它的磁场与笼型绕组中的导体（即导条）之间产生相对运动，若磁场顺时针方向旋转，相当于转子导体逆时针方向切割磁力线，根据右手定则可以确定转子导体中感应电动势的方向，如图1-7（b）所示。由于导体两端被金属端环短路，因此在感应电动势的作用下，导体中就有感应电流流过，如果不考虑导体中电流与电动势的相位差，则导体中感应电流的方向与感应电动势的方向相同。这些通有感应电流的导体在磁场中会受到电磁力f的作用，导体受力方向可根据左手定则确定。因此，在图1-7（b）中，N极范围内的导体受力方向向右，而S极范围内的导体的受力方向向左，这是一对大小相等、方向相反的力，因此就形成了电磁转矩Te，使笼型绕组（转子）朝着磁场旋转的方向转动起来。这就是异步电动机的简单工作原理。

实际的三相异步电动机是利用定子三相对称绕组通入三相对称电流而产生旋转磁场的，这个旋转磁场的转速ns又称为同步转速。三相异步电动机转子的转速n不可能达到定子旋转磁场的转速，即电动机的转速n不可能达到同步转速ns。因为，如果达到同步转速，则转子导体与旋转磁场之间就没有相对运动，因而在转子导体中就不能产生感应电动势和感应电流，也就不能产生推动转子旋转的电磁力f和电磁转矩Te，所以，异步电动机的转速总是低于同步转速，即两种转速之间总是存在差异，异步电动机因此而得名。由于转子电流由感应产生的，故这种电动机又称为感应电动机。

旋转磁场的转速为

可见，旋转磁场的转速ns与电源频率f1和定子绕组的极对数p有关。例如：一台三相异步电动机的电源频率f1=50Hz，若该电动机是四极电机，即电动机的极对数p=2，则该电动机的同步转速=1500r/min，而该电动机的转速n应略低于1500r/min。

1.1.3　改变三相异步电动机转向的方法

（1）三相异步电动机的接法

三相异步电动机的接法是指电动机在额定电压下，三相定子绕组6个首末端头的连接方法，常用的有星形（Y）和三角形（△）两种。

三相定子绕组每相都有两个引出线头，一个称为首端，另一个称为末端。按国家标准规定，第一相绕组的首端用U1表示，末端用U2表示；第二相绕组的首端和末端分别用V1和V2表示；第三相绕组的首端和末端分别用W1和W2表示。这6个引出线头引入接线盒的接线柱上，接线柱标出对应的符号，如图1-8所示。

三相定子绕组的6根端头可将三相定子绕组接成星形（Y）或三角形（△）。星形连接是将三相绕组的末端连接在一起，即将U2、V2、W2接线柱用铜片连接在一起，而将三相绕组的首端U1、V1、W1分别接三相电源，如图1-8（b）所示。三角形连接是将第一相绕组的首端U1与第三相绕组的末端W2连接在一起，再接入一相电源；将第二相绕组的首端V1与第一相绕组的末端U2连接在一起，再接入第二相电源；将第三相绕组的首端W1与第二相绕组的末端V2连接在一起，再接入第三相电源。即在接线板上将接线柱U1和W2、V1和U2、W1和V2分别用铜片连接起来，再分别接入三相电源，如图1-8（c）所示。一台电动机是接成星形或是接成三角形，应视生产厂家的规定而进行，可从铭牌上查得。

三相定子绕组的首末端是生产厂家事先预定好的，绝不能任意颠倒，但可以将三相绕组的首末端一起颠倒，例如将U2、V2、W2作为首端，而将U1、V1、W1作为末端。但绝对不能单独将一相绕组的首末端颠倒，如将U1、V2、W1作为首端，将会产生接线错误。

（2）改变三相异步电动机转向的方法

由三相异步电动机的工作原理可知，电动机的旋转方向（即转子的旋转方向）与三相定子绕组产生的旋转磁场的旋转方向相同。倘若要想改变三相异步电动机的旋转方向，只要改变其三相绕组产生的旋转磁场的旋转方向就可实现。即只要把三相异步电动机的三相绕组与三相电源接线中的任意两根电源线对调，就可以改变三相异步电动机中旋转磁场的转向，也就能达到改变三相异步电动机旋转方向的目的，如图1-9所示。

1.1.4　三相异步电动机的分类

由于三相异步电动机具有结构简单、制造容易、工作可靠、维护方便、价格低廉等优点，现已成为工农业生产中应用最广泛的一种电动机。例如，在工业方面，它被广泛用于拖动各种机床、风机、水泵、压缩机、搅拌机、起重机等生产机械；在农业方面，它被广泛用于拖动排灌机械及脱粒机、碾米机、榨油机、粉碎机等各种农副产品加工机械。

为了适应各种机械设备的配套要求，异步电动机的系列、品种、规格繁多，其分类方法也很多。三相异步电动机的主要分类见表1-1。

1.1.5　三相异步电动机的型号

国产三相异步电动机（又称三相感应电动机）的型号一律采用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字来表示。三相异步电动机的型号一般由三部分组成，排列顺序及含义如下：

三相异步电动机的型号示例：

Y100L2-4——三相异步电动机，中心高为100mm、长机座、2号铁芯长、4极。

Y2-132S-6——三相异步电动机，第二次系列设计、中心高为132mm、短机座、6极。

YZR630-10/1180——大型起重冶金用绕线型异步电动机，功率为630kW、10极、定子铁芯外径为1180mm。

1.1.6　三相异步电动机的额定值

①额定功率PN。异步电动机的额定功率，又称额定容量，指电动机在铭牌规定的额定运行状态下工作时，从转轴上输出的机械功率。单位为W或kW。

②额定电压UN。指电动机在额定运行状态下，定子绕组应接的线电压。单位为V或kV。

③额定电流IN。指电动机在额定运行状态下工作时，定子绕组的线电流，单位为A。

④额定频率fN。指电动机所使用的交流电源频率，单位为Hz。我国规定电力系统的工作频率为50Hz。

⑤额定转速nN。指电动机在额定运行状态下工作时，转子每分钟的转数，单位为r/min。一般异步电动机的额定转速比旋转磁场转速（同步转速ns）低2％～5％，故从额定转速也可知道电动机的极数和同步转速。电动机在运行中的转速与负载有关。空载时，转速略高于额定转速；过载时，转速略低于额定转速。

对于三相异步电动机，额定功率PN为

式中，cosφN为额定运行时的功率因数；ηN为额定运行时的效率。