三相异步电动机的基本工作原理和结构

第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理和结构4.2交流电机的绕组4.3交流电机绕组的感应电动势4.4交流电机绕组的磁动势4.5三相异步电动机的空载运行4.6三相异步电动机的负载运行4.7三相异步电动机的等效电路和相量图.4.8三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械。结构简单、制造、使用和维护方便，运行可靠，成本低，效率高，得以广泛应用。但是，功率因数低、起动和调速性能差。第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.1三相异步电动机的基本结构一、定子部分：1、定子铁心：由导磁性能很好的硅钢片叠成——导磁部分。2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内——导电部分。3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。二、转子部分：1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。2、转子绕组：1）笼型转子：转子铁心的每个槽内插入一根裸导条，形成一个多相对称短路绕组。2）绕线转子：转子绕组为三相对称绕组，嵌放在转子铁心槽内。三、气隙：异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理一、基本工作原理1、电生磁：三相对称绕组通往三相对称电流产生圆形旋转磁场。2、磁生电：旋转磁场切割转子导体感应电动势和电流。3、电磁力：转子载流（有功分量电流）体在磁场作用下受电磁力作用，形成电磁转矩，驱动电动机旋转。U2U1W2V1W1V2××ו••1n×וו•n第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理二、转差率:)(111snnnnn为转差率的比值称和同步转速之差转子转速同步电机的转速−11nnns−=转差率是异步电机的一个基本物理量,它反映电机的各种运行情况.转子未转动时，;1,0==sn电机理想空载时，.0,1≈≈snn作为电动机，转速在1~0n范围内变化，转差率在0~1范围内变。负载越大，转速越低，转差率越大；反之，转差率越小。转差率的大小能够反映电机的转速大小或负载大小。电机的转速为：1)1(nsn−=正常运行时，转差率一般在0.01~0.06之间，即电机转速接近同步速。第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.2三相异步电动机的基本工作原理三、异步电机的三种运行状态根据转差率的大小和正负,异步电机有三种运行状态机械能转变为电能电能和机械能变成内能电能转变为机械能能量关系制动制动驱动电磁转矩转差率转速外力使电机快速旋转外力使电机沿磁场反方向旋转定子绕组接对称电源实现发电机电磁制动电动机状态10nn0n1nn10≤s1s0s第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.3型号和额定值一、型号例:第4章三相异步电动机4.1三相异步电动机的基本工作原理与结构4.1.3型号和额定值额定值关系有：NNNNNIUPηϕcos3=)(VkVUN或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压.)(kWPN额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。)(AIN额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流.min)/(rnN额定转速额定运行时电动机的转速.NNfηϕ额定效率额定频率额定功率因数Ncos二、额定值第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1交流绕组的基本知识一、基本要求和分类从设计制造和运行性能方面对交流绕组的要求:1）三相绕组对称；2）力求获得最大的电动势和磁动势；3）绕组的电动势和磁动势的波形力求接近正弦；4）节省用铜量；5）绕组的绝缘和机械强度可靠，散热条件好；6）工艺简单、便于制造、安装和检修。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1交流绕组的基本知识二、交流绕组的基本概念1、极距τ两个相邻磁极轴线之间沿定子铁心内表面的距离。若定子的槽数为Z，磁极对数为p，则极距：pZ2=τ2、线圈节距y一个线圈的两个有效边之间所跨的距离称为线圈的节距。.的绕组为整距绕组τ=y.的绕组为整距绕组τy3、电角度机械角度电角度×=p第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.1交流绕组的基本知识二、交流绕组的基本概念4、槽距角α相邻两个槽之间的电角度。Zp0360×=α6、相带每个极面下的导体平均分给各相，则每一相绕组在每个极面下所占的范围，用电角度表示称为相带。每一个极面下每相所占的槽数为5、每极每相槽数qpmZq2=第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2三相单层绕组单层绕组的每个槽内只放一个线圈边，电机的线圈总数等于定子槽数的一半。单层绕组分为链式、交叉式和同心式绕组。一、单层链式绕组单层链式绕组由形状、几何尺寸和节距相同的线圈连接而成，整个外形如长链。链式绕组的每个线圈节距相等并且制造方便；线圈端部连线较短并且省铜。主要用于q=2的4、6、8极小型三相异步电动机。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2三相单层绕组二、单层交叉式绕组单层交叉式绕组由线圈数和节距不相同的两种线圈组构成，同一组线圈的形状、几何尺寸和节距均相同，各线圈组的端部互相交叉。交叉式绕组由两大一小线圈交叉布置。线圈端部连线较短，有利于节省材料，并且省铜。广泛用于q1的且为奇数的小型三相异步电动机。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2三相单层绕组三、单层同心式绕组同心式绕组由几个几何尺寸和节距不等的线圈连成同心形状的线圈组构成。同心式绕组端部连线较长，适用于q=4、6、8等偶数的2极小型三相异步电动机。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.2三相单层绕组综上分析：1）单层绕组为整距绕组；电动势波形不够理想。2）单层绕组不适宜于大、中型电机；3）单层绕组不存在线圈层间绝缘问题，不会在槽内发生层间或相间绝缘击穿故障；4）单层绕组线圈数等于槽数的一半，绕线和嵌线所费工时少、工艺简单，广泛应用于10kW以下的异步电动机。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.3三相双层绕组双层绕组每个槽内放上、下两层线圈的有效边，线圈的每一个有效边放在某一槽的上层，另一个有效边则放置在相隔为y的另一槽的下层。双层绕组分双层叠绕组（如图2a=1）和双层波绕组（略）。第4章三相异步电动机4.2交流电机的绕组4.2.3三相双层绕组双层绕组的特点：1）线圈数等于槽数；2）线圈数组数等于极数，也等于最大并联支路数；3）每相绕组的电动势等于每条支路的电动势。4）双层绕组的节距可以改变，可以选择合适的节距来改善电动势或磁动势的波形，技术性能优于单层绕组。一般稍大容量的电机均采用双层绕组。第4章三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.1线圈的感应电动势及短距系数一、一根导体的电动势电动势频率:60pnf=电动势大小:1122.2Φ=fEc二、整距绕组的电动势每个整距线匝的电动势:1144.4Φ=fEt每个整距线圈的电动势:1)(144.4Φ==cyyfNEτ三、短距线圈的电动势每个短距线匝的电动势:11)(144.4ycyykfNEΦ=τ基波短距系数:)90sin(0)(1)(11⋅===τττyEEkyyyyy第4章三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.2线圈组的感应电动势及分布系数一组线圈由q个线圈组成,若q个线圈为集中绕组时,各线圈电动势大小相等、相位相同，线圈组电动势为:11)1(144.4Φ==ycqqkfqNE若q个线圈为分布绕组,放在q个槽内,各线圈电动势大小相同,相位相差α电角度,电动势为:11111)1(144.444.4Φ=Φ=wcqycqqkfqNkkfqNE2sin2sin)1(1)1(11ααqqEEkqqqqq===基波分布系数基波绕组系数：111qywkkk=第4章三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.3一相绕组的基波感应电动势一绕组有2a条支路，一条支路由若干个线圈组路串联组成。一相绕组的基波电动势为一条支路的基波电动势11144.4Φ=wpfNkE一、一相绕组的基波电动势对单层绕组：apqNNc2=对双层绕组：apqNNc22=第4章三相异步电动机4.3交流电机绕组的感应电动势4.3.3一相绕组的基波感应电动势二、短距绕组、分布绕组对电动势波形的影响001==−=νντννpyE,k,y时采用ννννννννανατνΦ===qypqykfNk,Eqq,kyk44.42sin2sin)90sin(0.ky或尽可能小让0=ν对V次谐波：1.采用短距绕组例如改善电动势波形的方法:2.采用分布绕组.kq尽可能小让ν第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势一台两极气隙均匀的交流电机,一个整距绕组通入交流电流,线圈磁动势在某瞬间的分布如图,由全电流定律得:iNiHdlc==∑∫忽略铁心磁阻,磁动势完全降落在两个气隙上.每个气隙的磁动势为:tFtINiNfcmccccωωsinsin2121===空间分布为矩形波如图,随时间按正弦规律变化.变化频率为电流频率。空间位置不变而幅值和方向随时间变化的磁动势称为脉动磁动势。第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势一、整距集中绕组的磁动势矩形波磁动势可能分解为基波和一系列高次谐波:...cossin...3cossincossin),(31+++−=xtFxtFxtFtxfccccτνπωτπωτπων基波磁动势为:cccccININF9.02241=×=πxtFtxfccτπωcossin),(11=基波磁动势最大值为:整距绕组基波磁动势在空间按余弦分布，幅值位于绕组轴线，空间每一点的磁动势大小按正弦规律变化——仍然为脉动磁动势。第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势二、单相脉动磁动势1、整距分布绕组的磁动势cqycyqpIkkqNkFF11111)2(9.02==每个绕组由q个线圈串联构成，依次在定子圆周空间错开槽距角α,绕组的基波磁动势为q个线圈基波磁动势的空间矢量和：111qcqkqFF=2、一组双层短距分布绕组的基波磁动势双层短距分布绕组的基波磁动势为两个等效绕组基波磁动势的相量和，用短距系数计及绕组短距的影响：第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势二、单相脉动磁动势3、相绕组的磁动势每个极下的磁动势和磁阻构成一条分支磁路。若电机有p对磁极，就有p条并联的对称分支磁路，所以一相绕组的基波磁动势就是该绕组在一对磁极下线圈所产生的基波磁动势，若每相电流为Ip:xtIpNkxtFtxfpwppτπωτπωcossin9.0cossin),(111==单相绕组的磁动势是在空间按余弦规律分布，幅值大小随时间按正弦规律变化的脉动磁动势。第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势三、单相脉动磁动势的分解即一个脉动磁动势可以分解成两个幅值大小相等的磁动势。),(),()sin(21)sin(21cossin),(111111txftxfxtFxtFxtFtxfpppppp−++=++−==τπωτπωτπω先分析)sin(21),(11xtFtxfppτπω−=+取幅值点分析2πτπω=−xt;22,0πτω−=−==xt时;0,2==xt时πω;22,πτπω===xt时x),(1txfp+2τ−2τ−第4章三相异步电动机4.4交流电机绕组的磁动势4.4.1单相绕组的磁动势三、单相脉动磁动势的分解综上分析:.txfxtxfpp磁动势称为正向旋转故轴正方向移动朝随着时间推移),(,),()1(11++.txfp势幅值的一半的幅值为单相基波磁动),()2(1+min)/(60)/(22)/(2)3(1rpfsrpfpfnsmfdtdxv=====τττ旋转速度线速度为.xtxftxfpp的负方向只是旋转方向是性质基本一致的性质与,),(),(11+−