電工與電子技術(shù)基礎(chǔ)20-05

1、第五章 異步電動機和變壓器第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理 第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理【教學目標】1初步掌握三相異步電動機結(jié)構(gòu)2理解三相異步電動機工作原理； 3掌握使三相異步電動機反轉(zhuǎn)的方法。4培養(yǎng)學生的觀察能力和抽象思維的能力【教學重點】三相異步電動機的結(jié)構(gòu)【教學難點】三相異步電動機的工作原理第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理電動機：將電能轉(zhuǎn)換為機械能的設(shè)備。電機類型：按所用電源不同分：直流電動機和交流電動機，交流電動機按定子的相數(shù)分為單相電動機和三相電動機；按轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系分：同步電動機、異步電動機；按電動機的容量分：小型電動機（容量0.55100kW）、中型電動機

2、（容量1001250kW）和大型電動機（容量1250kW以上）。 第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理 三相異步電動機特點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、價格低廉、維護方便、效率高等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。 三相異步電動機類型：按照轉(zhuǎn)子的不同，又分為兩種，一種是鼠籠式異步電動機，具有起動轉(zhuǎn)矩小，起動電流大以及制造成本低等優(yōu)點；另一種是繞線式電動機，具有起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小等特點，但因制造成本高，一般很少采用。一、三相異步電動機的構(gòu)造組成：由定子、轉(zhuǎn)子和機座等，如圖5-1所示。定子：靜止部分。轉(zhuǎn)子：旋轉(zhuǎn)部分。機座：用于固定定子鐵心和端蓋。（b）結(jié)構(gòu)圖（a）外形圖圖5-1 三相籠型異步電動機結(jié)構(gòu)圖動畫演示：電動

3、機的拆卸過程一、三相異步電動機的構(gòu)造1定子（1）-鐵心 定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。 定子鐵心是異步電動機非轉(zhuǎn)動的磁路部分，它由0.5mm厚的硅鋼片沖制、疊壓而成的，其內(nèi)表面上有許多分布均勻的槽溝，定子繞組就放置在槽內(nèi)，如圖5-2（a）所示。 （a）定子硅鋼片 （b）轉(zhuǎn)子硅鋼片圖5-2 定子與轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片一、三相異步電動機的構(gòu)造1定子（2）-繞組 定子繞組：用絕緣銅線或鋁線繞制而成，是電動機的電路部分，小型三相異步電動機的定子繞組通常用高強度漆包線繞制而成。 三相異步電動機的定子繞組有三個，每個繞組的始端分別記做U1、V1、W1，末端分別記做U2、V2、W2。 定子繞組的接線端

4、子放在機殼外面的接線盒內(nèi)。一、三相異步電動機的構(gòu)造1定子（3）-繞組 星形聯(lián)結(jié)： 將三個首端與三個電源連接，三個末端連接在一起，記為“Y”，如圖5-3（a）所示圖5-3（a） 三相定子繞組的星形聯(lián)結(jié)連接圖一、三相異步電動機的構(gòu)造1定子（4）-繞組 三角形聯(lián)結(jié)：將三相繞組的中每相繞組末端與另一相繞組的首端依次相連，然后再將三個首端與電源連接，記為“”，如圖5-3（b）所示。圖5-3（b）三相定子繞組的三角形聯(lián)結(jié)連接圖一、三相異步電動機的構(gòu)造2轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子鐵心是電動機磁路的一部分，用0.5mm厚的硅鋼片沖制、疊壓而成。在外圓上有許多均勻分布的平行溝槽，槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組，如圖5-2（b）所示。（a）定

5、子硅鋼片 （b）轉(zhuǎn)子硅鋼片圖5-2 定子與轉(zhuǎn)子鐵心硅鋼片一、三相異步電動機的構(gòu)造2轉(zhuǎn)子（a）籠型轉(zhuǎn)子繞組 （b）鑄鋁的籠型轉(zhuǎn)組圖5-4 籠型轉(zhuǎn)子繞組 轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠型和繞線型兩大類，其作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。鼠籠型轉(zhuǎn)子的每個槽內(nèi)都有一根裸導(dǎo)體，在伸出鐵心兩端的槽口處，用兩個端環(huán)把所有導(dǎo)體連接起來。如圖5-4所示。一、三相異步電動機的構(gòu)造2轉(zhuǎn)子 繞線型轉(zhuǎn)子：三相對稱繞組（一般接成形聯(lián)結(jié)）的三根引出線接到轉(zhuǎn)軸上的三個滑環(huán)，通過電刷與外電路相連，如圖5-5所示。（a）繞線轉(zhuǎn)子 （b）轉(zhuǎn)子電路圖5-5 繞線型轉(zhuǎn)子及其電路 繞線型異步電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比籠型的復(fù)雜，但能獲得較好的起動與調(diào)速性能，

6、在需要大起動轉(zhuǎn)矩時（如起重機械）要采用繞線型異步電動機。二、三相異步電動機的工作原理三相異步電動機轉(zhuǎn)動基本原理： 三相異步電動機接入三相交流電源后，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的原因是定子繞組在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，通過電磁感應(yīng)，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電流，該電流與旋轉(zhuǎn)磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。動畫演示：三相異步電動機的轉(zhuǎn)動二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（1）圖5-6 簡化了的定子繞組二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（2） 圖5-6所示為三相異步電動機的三相定子繞組，對稱地嵌放在定子鐵心的槽中，并接成形。將三相繞組的首端U1、V1、W1分別接

7、到三相對稱交流電源后，就會有三相對稱交流電流通過，即二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（3）其波形圖如圖5-7（a）所示。圖5-7（a）電流波形二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（4）圖5-7（b）旋轉(zhuǎn)磁場 規(guī)定：各繞組中電流為正時，電流參考方向為從首端U1、V1、W1流入，從末端U2、V2、W2流出；各繞組中電流為負時，則為從末端流入，從首端流出。流進的一端標以 ，流出的一端標以，三個繞組通過三相交流電源，將分別產(chǎn)生各自的磁場。二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（5）當 時，(1)iU=0，U1U2繞組中無電流通過而不產(chǎn)

8、生磁場；(2)iV0，W1W2繞組中的電流由首端流入 ，末端流出，V、W兩相繞組中有電流通過產(chǎn)生磁場，其合成磁場由安培定則可以判斷，方向為從下向上，如圖5-7（b）所示。 二、三相異步電動機的工作原理當 時，U相的iU0，V相的iV0，W相的iW0，W相的iW0，此時的合成磁場方向為從上往下。 當 時，U相的iU0，W相的iW0，此時的合成磁場方向為從右往左。 當 時，可以判斷與 時情況相同。 由此可見，合成磁場的方向順時針在旋轉(zhuǎn)，因此，三相定子繞組通入三相對稱交流電時，雖然繞組不動，但能在空間產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。 二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（7） 從圖5-7中知

9、：產(chǎn)生的合成磁場有兩個磁極，稱之為兩極電動機。當交流電流變化一個周期時，該旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，即旋轉(zhuǎn)磁場的周期與交流電的變化周期相同，稱之為同步轉(zhuǎn)速。 當定子繞組有四個磁極時，交流電變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場只轉(zhuǎn)動半周，它的轉(zhuǎn)速為一對磁極的一半，由此類推，當旋轉(zhuǎn)磁場具有p對磁極時，交流電變化一周旋轉(zhuǎn)磁場只轉(zhuǎn)動 周。因此，當交流電的頻率為f1，磁極對數(shù)為p時，磁場的同步轉(zhuǎn)速為 （5-1） 二、三相異步電動機的工作原理1三相異步電動機旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生（8）p12345678n1(r/min)300015001000750600500428375 我國規(guī)定的電源頻率f150Hz，不同磁極對數(shù)的電動機其同步

10、轉(zhuǎn)速如表5-1所示。表5-1 磁極對數(shù)與同步轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的關(guān)系對照表 旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向是由定子繞組的相序U、V、W的連接方式確定的，即轉(zhuǎn)向取決于電流的相序，所以，只須將接在定子繞組上的三根電源線中的任意兩根對調(diào)一下，即可改變轉(zhuǎn)向。 二、三相異步電動機的工作原理2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理（1） 圖5-8所示，在裝有手柄的馬蹄形磁鐵兩極間放著一個閉合鋁環(huán)條組成、兩端分別用金屬環(huán)短接的可以自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。當搖動手柄使馬蹄形磁鐵旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子就會跟著它朝同一方向一起旋轉(zhuǎn)。實驗裝置 原理示意圖5-8 旋轉(zhuǎn)磁場拖動籠型轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 由于轉(zhuǎn)子條中有感應(yīng)電流，且又處在旋轉(zhuǎn)磁場中，轉(zhuǎn)動鋁環(huán)必然受到磁場的作用力，根據(jù)左手定則可以判斷

11、，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向總是與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致。二、三相異步電動機的工作原理2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理（2） 當電動機的定子通入三相對稱交流電后就產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在電磁力作用下將產(chǎn)生一個逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場的方向轉(zhuǎn)動起來，其轉(zhuǎn)速為n。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與磁場的旋轉(zhuǎn)方向是相同的，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達到同步轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速）n1，因為如果nn1，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場間不存在相對運動，轉(zhuǎn)子就不會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子中的電磁轉(zhuǎn)矩等于零，則無動力輸出。三相異步電動機工作時，必須保持轉(zhuǎn)速的“異步”，故稱為異步電動機。 二、三相異步電動機的工作原理3轉(zhuǎn)差率 轉(zhuǎn)差：同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n之差

12、，反映了轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁感線的快慢程度。 轉(zhuǎn)差率：轉(zhuǎn)差n1-n與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1的比值，用表示。即 （5-2） 在電動機起動的瞬間，由于n=0，所以s=1，此時轉(zhuǎn)差率最大；隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差率減少。理論上，當n=n1時，s=0，實際在電動機正常工作時，nn1，因此01。在額定負載時，中小型異步電動機轉(zhuǎn)差率的范圍一般在0.020.06之間。二、三相異步電動機的工作原理【例題5-1】 一臺三相四極異步電動機，額定轉(zhuǎn)速1440r/min，額定頻率50Hz，試計算該電動機的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1和轉(zhuǎn)差率s。 解 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為 轉(zhuǎn)差率為第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理【課堂練習】教材中“思考與練習”第1、2、3、5題。 第一節(jié) 三相異步電動機的構(gòu)造和工作原理【課堂小結(jié)】 教師與學生一起回顧三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和工作原理，引導(dǎo)學生在理解的基