第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
5.2 三 相感应电动机的磁势和磁场
5.3三 相感应电动机的电压方程和等效电路
5.4三 相感应电动机的功率方程和转矩方程
5.6 三相感应电动机的参数的测定
5.7感应电动机的转矩转差率曲线
5.8感应电动机的工作特性,
5.9感 应电动机的起动、深槽和双笼电动机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。
5.10感 应电动机的调速
5.11单相感 应电动机第 5章 感应电机的稳态分析本章重点,
1.通过学习电机的基本结构，掌握电机主要的两大类：
笼型和绕线转子型，它们定子结构相同，转子结构不同，性能有些差异。
2.掌握转差率 S=(ns－ n)/ns的计算方法，熟练运用 S与异步电机三种运行状态的关系。
3.通过学习转子静止时到转子旋转时，异步电机运行物理过程，从电磁本质上掌握异步电机的方程式。
4.掌握定，转子之间的磁势应始终相对静止的本质是什么？为什么归算？归算的根据是什么，通过方程式掌握电机的等效
5.掌握异步电机参数的测定。
第 5章 感应电机的稳态分析本章重点,
6.了解笼型异步电机的转子匝数，相数和极数。
7.掌握感应电动机的转速功率关系，功率关系式。转矩平衡关系式。
8.掌握感应电动机的机械特性。
9.掌握感应电动机的起动方法和工作原理，了解深槽式和双笼型电动机的工作原理。
10.由转速公式掌握可改变什么参数来调速。掌握几种常用的方法及调速过程中各自的特点。
11.了解单相异步电机的基本工作原理及启动方法。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
★ 用途,异步电机主要用作电动机，应用 最广泛 的一种电动机，
厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。
★ 类型,异步电机主要分为,鼠笼式 异步电动机,绕线式 异步电动机和各种 控制用电动机 三大类。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
5.1.1感应电机的基本结构一、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。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
1、定子铁心,叠片结构,定子冲片 （ 圆形冲片,扇形冲片 ），
径向通风沟（风道）,槽,槽型 。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态一、定子部分：
2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内 —— 导电部分。
成型线圈,散嵌线圈,单层，双层，绕组联结方法。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。
其他部件,机座,端盖,风罩,铭牌 等。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。
其他部件,机座,端盖,风罩,铭牌 等。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
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。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
其他部件,轴,轴承,风扇 等第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构三、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 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三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。
U2U1
W2 V1
W1V2
1n
n
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三相异步电动机的基本工作原理二、转差率
:
)( 111
s
nnnnn
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?
1
1
n
nns
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
1~0 n
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 。
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三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
10 nn 0?n 1nn?
10s 1?s 0?s
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.3 型号和额定值一、型号例,
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.3 型号和额定值额定值关系有,
NNNNN IUPc o s3?
)( VkVU N 或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压,
)( kWP N额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。
)( AI N额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流,
m i n )/( rn N额定转速额定运行时电动机的转速,
N
Nf
额定效率额定频率额定功率因数 Nc os
二、额定值
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系
5.2三相感应电动机的磁势和磁场一、主、漏磁通的分布为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。
主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心 → 气隙 →
转子铁心 → 气隙 → 定子铁心。主磁通起传递能量的作用。
基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫主磁通。
转子绕组切割主磁通并在产生感应电流；
感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系一、主、漏磁通的分布除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。
第 5章 感应电机的稳态分析一、主、漏磁通的分布
槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。（ 看图 ）
端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。（ 看图 ）
谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。
漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示,其中 称为漏电抗。
转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势：
第 5章 感应电机的稳态分析影响漏电抗电小的因素
漏电抗对电机的性能有很大的影响。
电抗公式：
电流频率，绕阻匝数，漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。
比如，槽口宽在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系二、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。
.,
:,
000
0
ar II
I
损耗的有功分量另一个是用来供给铁心的无功分量主磁通一是用来产生由两部分组成异步电动机空载电流与变压器一样
:,00 基波幅值为载磁动势产生的旋转磁动势为空三相空载电流 FI?
0
111
0 9.02 Ip
kNmF w
.000 ar III:即
.000
,,,
22 F，I，E，
、?
于是乎为零转子之间相对速度几定接近同步速转子转速很高空载运行时
.,,00000 rar IIIII 即基本为一无功性质电流所以由于
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系三、电磁关系
10RI?
)(1 三相系统U? )(0 三相系统I? )(
0 三相合成F
1E?
0
1
1E?
02?E?
四、感应电动势与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势分别为：
01111 44.4 wkNfjE
101 XIjE
可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析五、空载运行时的电压平衡方程 与等效电路与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：
0111010110111 IZEXIjRIERIEEU
同样也有：
mmm ZIjXRIE 001 )(
根据上两式，可以作出空载时等效电路。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：
1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场,
4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大,;0,0,0,0)2 2222 IEIE 变压器异步电动机空载时
%.10~%2 %,30~%20%,)3 0为 而变压器的仅为异步电动机由于存在气隙 I
5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为 1.
5.2三相感应电动机的磁势和磁场五、空载运行时的电压平衡方程 与等效电路第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.2 负载运行时的电磁关系
11IR?
11E?
22IR?
22E
)(1 三相系统U? )(1 三相系统I?
)(2 多相系统I?
1F
2F
0F 0?
1E?
sE2?
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量一、转子电动势的频率（ P149例题 5-2）
感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为,
1
1
1
11
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf
转子不转时,.,1,0
12 ffsn
理想空载时,.0,0,
21 fsnn
二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势,02222 44.4 ws kNfE
转子不转时的感应电动势,02212 44.4 wkNfE
二者关系为,
22 sEE s?
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗,
222 2 LfX s
二者关系,,
22 sXX s?
转子绕组的漏阻抗,,
22222 js XRjXRZ ss四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,则转子电流为,
22
2
22
2
2
2
2 j s XR
Es
jXR
E
Z
EI
s
s
s
s
转子不转时转子漏电抗,
212 2 LfX
当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大,
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量五、转子绕组的功率因数
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 )(c o s sXR
R
XR
R
s?
转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小,
六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势,
2
222
2 9.02 Ip
kNmF w?1)幅值
2)转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致,
112 )( nnnnnn
转子旋转磁动势相对定子的速度为可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、
同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.4 磁动势平衡方程
021 FFF
磁动势的平衡方程为：
可以改写为：
LFFFFF 10201 )(
.
,,;
,::
210
0
主磁通的影响用来抵消转子磁动势对即它用平衡转子磁动势另一个是负载分量产生气隙磁通它用来一个是励磁磁动势个分量定子旋转磁动势包括两表明
FF
F
L?
写成磁动势幅值公式：
0
111
2
222
1
111 9.0
29.029.02 Ip
kNmI
p
kNmI
p
kNm www
:
222
111 有两边除以电流变比
w
w
i kNm
kNmk?
0
2
1 Ik
II
i
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.5 电动势平衡方程电动势的平衡方程为：
根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：
111111111 ZIEXIjRIEU
ssss ZIEXIjRIE 222222220
:,21 ekEE 之比称为电动势比与转子不转时电动势其中
22
11
2
1
w
w
e kN
kN
E
Ek
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
1、定子绕组电势平衡方程式
定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：
主电势（感应电势）：
定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。
定子绕组感应电势的有效值：
漏磁电势（漏抗压降）
定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 定子电势平衡方程式：
漏抗压降：
电阻压降：
(画定子一相的等效电路图 )
11111 44.4 wkNfE
111 XIjE
11IR?
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 1）转子绕组的感应电势
A.转子绕组切割主磁通的转速
主磁通以同步速度旋转
转子以转速 n旋转
转子绕组导体切割主磁通的相对转速为
B.转子绕组中感应电势的频率：
公式：
结论：由于 s很小，转子感应电势频率很低。 0.5-3Hz
11 snnn
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 1）转子绕组的感应电势
C.转子感应电势的有效值
公式：
感应电势与转差率正比。
对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。
对 笼型转子 来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即 1/2。
注意转子不动时（ s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 2）转子绕组的阻抗
由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。
漏抗公式：
漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。
考虑到转子绕组的相电阻后：
（ 3）转子绕组中的电流
转子绕组短路，转子电压为 0，感应电势全部加在转子阻抗上
转子回路方程：
转子电流：,
讨论：转子电流随 s的变化。 (看图 )
第 5章 感应电机的稳态分析
(画转子一相的等效电路图 )
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。
一、频率折算在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：
一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。
转子回路电流
222
2
22
2
22
2
2
2
2 1
R
s
sjXR
E
j s XR
Es
jXR
E
Z
EI
s
s
s
s
.,
,1,
2
2
不变同时保持转子磁动势为定子频率就可以将转子频率折算电阻在转子回路中串联一个用一个不转的转子并且可见
F
R
s
s?
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图一、频率折算
。
。
R
s
s
，。
阻总的机械功率的等效电即附加电阻是模拟总的机械功率和机械损耗与机械功率之该电阻消耗的功率等效变原则根据能量守恒和功率不电阻附加但电路中多了一个电阻率输出没有机械损耗和机械功子静止转频率折算后出机械损耗和机械功率输实际的旋转转子轴上有
——
,,
1
,,
,
2
:
,""1,2
路的端电压上的压降看成是转子回其电阻负载看成是异步电动机的可以把从等效电路角度 R
s
s?
22222 )( IjXREU s
第 5章 感应电机的稳态分析一、频率折算第 5章 感应电机的稳态分析一、频率折算
进一步讨论：
不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。
静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。
静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功率。
分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二、绕组折算
。
。
k、Nm
k、Nm
w
w
同本相折算的方法与变压器基组的实际转子绕及取代等效转子及绕组相同的定子绕组折算就是用一个和
222
111
122 EEkE e
ik
II 2
2
22
22
XkkX
RkkR
ei
ei
5.3.2 等效电路三、绕组折算后的基本方程
111111 XIjRIEU
222222 XIjRIEU
021 III
12 EE
01 )( IjXRE mm
222
1 R
s
sIU
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四,T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路,
T型等效电路第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四,T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路,
T型等效电路 简化等效电路第 5章 感应电机的稳态分析从等效电路分析可知,;
,,0,1,0,,)2 2'20
电机相当于开路总机械功率近似为零理想空载时 IR
s
ssnn;
,,01,1,0,)1 '2
短路状态电机处于总机械功率为零电机不转时 R
s
ssn
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二,T型等效电路和简化等效电路
3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；
4)附加电阻不能用电感或电容来代替。
5)在等效电路中负载的变化是用转差率 s来体现的第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.4 相量图
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。
。
，
，、
。U
I
后的因数总是滞所以异步电动机的功率率定的感性无功功电机需要从电源吸收一转子的漏磁通气隙中的主磁通和定这是因为要建立和维持于电源电压总是滞后定子电流从相量图可见
1
1
,
。
，
，I，I
，s，n，
，
械的转换实现由电能到机吸取更多的电功率电动机从电源随之增加增加使增大转差率下降转速增加时当电动机机械负载还可见看出
12
异步电动机的相量图类似于变压器相量图。
从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。（ 看动画 5.3.1）
第 5章 感应电机的稳态分析功率变换和传递是电动机的主要功用。
5.4感应电动机的功率方程和转矩方程异步电动机的功率和损耗有：
一、功率平衡输入功率
11111 c os?IUmP?
定子铁损
mFe RImp 201?
电磁功率
s
RImppPP
Fecue
'
22'
2111
机械功率
'
2
2'
212
2
22
11 R
s
sImR
s
sImP
输出功率
pPppPP 2
定子铜损 12111 RImp cu?
转子铜损
'22'2122222 RImRImp cu
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡在等效电路上表示功率和损耗：
一、功率平衡
1R 1X
'2R '
2X
'
2
1 R
s
s?
1U?
1I?
0I?
2I
mR
mX
1cup
Fep
2cup
P
1P
eP
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡一、功率平衡两个重要关系式
sPp
e
cu?2 s
P
P
e
1
可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。（图 5-18 感应电动机的功率图）
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡二、转矩平衡
02 pPP 即
02 TTT e
02 TTT e
或
11)1(
)1(
ee
e
P
s
PsPT电磁转矩在式 的两边同时除以机械角速度 得
02 pPP 602 n
电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。
（ P159 例 5-3 补充例 5-4）
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
5.2 三 相感应电动机的磁势和磁场
5.3三 相感应电动机的电压方程和等效电路
5.4三 相感应电动机的功率方程和转矩方程
5.6 三相感应电动机的参数的测定
5.7感应电动机的转矩转差率曲线
5.8感应电动机的工作特性,
5.9感 应电动机的起动、深槽和双笼电动机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。
5.10感 应电动机的调速
5.11单相感 应电动机第 5章 感应电机的稳态分析本章重点,
1.通过学习电机的基本结构，掌握电机主要的两大类：
笼型和绕线转子型，它们定子结构相同，转子结构不同，性能有些差异。
2.掌握转差率 S=(ns－ n)/ns的计算方法，熟练运用 S与异步电机三种运行状态的关系。
3.通过学习转子静止时到转子旋转时，异步电机运行物理过程，从电磁本质上掌握异步电机的方程式。
4.掌握定，转子之间的磁势应始终相对静止的本质是什么？为什么归算？归算的根据是什么，通过方程式掌握电机的等效
5.掌握异步电机参数的测定。
第 5章 感应电机的稳态分析本章重点,
6.了解笼型异步电机的转子匝数，相数和极数。
7.掌握感应电动机的转速功率关系，功率关系式。转矩平衡关系式。
8.掌握感应电动机的机械特性。
9.掌握感应电动机的起动方法和工作原理，了解深槽式和双笼型电动机的工作原理。
10.由转速公式掌握可改变什么参数来调速。掌握几种常用的方法及调速过程中各自的特点。
11.了解单相异步电机的基本工作原理及启动方法。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
★ 用途,异步电机主要用作电动机，应用 最广泛 的一种电动机，
厂矿企业，交通工具，娱乐，科研，农业生产，日常生活都离不开异步电动机。
★ 类型,异步电机主要分为,鼠笼式 异步电动机,绕线式 异步电动机和各种 控制用电动机 三大类。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态
5.1.1感应电机的基本结构一、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。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
1、定子铁心,叠片结构,定子冲片 （ 圆形冲片,扇形冲片 ），
径向通风沟（风道）,槽,槽型 。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1 感应电机的结构和运行状态一、定子部分：
2、定子绕组：放在定子铁心内圆槽内 —— 导电部分。
成型线圈,散嵌线圈,单层，双层，绕组联结方法。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。
其他部件,机座,端盖,风罩,铭牌 等。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构一、定子部分：
3、机座：固定定子铁心及端盖，具有较强的机械强度和刚度。
其他部件,机座,端盖,风罩,铭牌 等。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
1、转子铁心：由硅钢片叠成，也是磁路的一部分。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
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。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构二、转子部分：
其他部件,轴,轴承,风扇 等第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.1感应电机的基本结构三、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 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三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。
U2U1
W2 V1
W1V2
1n
n
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三相异步电动机的基本工作原理二、转差率
:
)( 111
s
nnnnn
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?
1
1
n
nns
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
1~0 n
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 。
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.2三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
10 nn 0?n 1nn?
10s 1?s 0?s
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.3 型号和额定值一、型号例,
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.1.3 型号和额定值额定值关系有,
NNNNN IUPc o s3?
)( VkVU N 或额定电压额定运行状态时加在定子绕组上的线电压,
)( kWP N额定功率额定条件下转轴上输出的机械功率。
)( AI N额定电流在额定运行状态下流入定子绕组的线电流,
m i n )/( rn N额定转速额定运行时电动机的转速,
N
Nf
额定效率额定频率额定功率因数 Nc os
二、额定值
5.1 感应电机的结构和运行状态第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系
5.2三相感应电动机的磁势和磁场一、主、漏磁通的分布为了便于分析，根据磁通路径和性质不同，异步电动机的磁通分为主磁通和漏磁通。
主磁通同时交链定、转子绕组，其路径为：定子铁心 → 气隙 →
转子铁心 → 气隙 → 定子铁心。主磁通起传递能量的作用。
基波旋转磁场产生的经过气隙，同时匝链定子和转子绕组的磁通叫主磁通。
转子绕组切割主磁通并在产生感应电流；
感应的转子电流在磁场中受到电磁力的作用而形成驱动转矩，使电机旋转。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系一、主、漏磁通的分布除了主磁通以外的磁通称为漏磁通，它包括槽漏磁通、端漏磁通和高次谐波磁通。漏磁通只起电抗压降作用。
第 5章 感应电机的稳态分析一、主、漏磁通的分布
槽漏磁通：由槽的一壁横越至槽的另一壁的漏磁通。（ 看图 ）
端部漏磁通：匝联绕组端部的漏磁通。（ 看图 ）
谐波漏磁通：谐波磁势会产生谐波磁通。电机正常运转时，谐波磁通不会产生有用的转矩。尽管谐波磁通也能同时匝链定子和转子绕组，也将其归入漏磁通。
漏电抗：漏磁通在定子绕组中会感应漏磁电势，该电势用漏抗压降表示,其中 称为漏电抗。
转子绕组通过电流时，也会有漏磁通。对应的漏抗电势：
第 5章 感应电机的稳态分析影响漏电抗电小的因素
漏电抗对电机的性能有很大的影响。
电抗公式：
电流频率，绕阻匝数，漏磁路的磁阻是决定漏磁通大小的主要因素。
比如，槽口宽在槽口漏磁通小；端部长，则端部漏磁通大。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系二、空载电流和空载磁动势异步电动机空载运行时的定子电流称为空载电流。
.,
:,
000
0
ar II
I
损耗的有功分量另一个是用来供给铁心的无功分量主磁通一是用来产生由两部分组成异步电动机空载电流与变压器一样
:,00 基波幅值为载磁动势产生的旋转磁动势为空三相空载电流 FI?
0
111
0 9.02 Ip
kNmF w
.000 ar III:即
.000
,,,
22 F，I，E，
、?
于是乎为零转子之间相对速度几定接近同步速转子转速很高空载运行时
.,,00000 rar IIIII 即基本为一无功性质电流所以由于
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.1 空载运行时的电磁关系三、电磁关系
10RI?
)(1 三相系统U? )(0 三相系统I? )(
0 三相合成F
1E?
0
1
1E?
02?E?
四、感应电动势与变压器一样,主、漏磁通在定子绕组上感应的电动势分别为：
01111 44.4 wkNfjE
101 XIjE
可见，异步电动机空载时的电磁关系与变压器非常相似。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析五、空载运行时的电压平衡方程 与等效电路与变压器一样，根据基尔霍夫电压定律，可列出空载时定子每相电压方程式：
0111010110111 IZEXIjRIERIEEU
同样也有：
mmm ZIjXRIE 001 )(
根据上两式，可以作出空载时等效电路。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析尽管异步电动机的电磁关系与变压器相似，但它们之间还是有差别的：
1）主磁场性质不同：异步电动机为旋转磁场，变压器为脉动磁场,
4）由于存在气隙,异步电动机漏抗较变压器的大,;0,0,0,0)2 2222 IEIE 变压器异步电动机空载时
%.10~%2 %,30~%20%,)3 0为 而变压器的仅为异步电动机由于存在气隙 I
5)异步电动机通常采用短距和分布绕组,计算时需考虑绕组系数,变压器则为整距集中绕组,可认为绕组系数为 1.
5.2三相感应电动机的磁势和磁场五、空载运行时的电压平衡方程 与等效电路第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.2 负载运行时的电磁关系
11IR?
11E?
22IR?
22E
)(1 三相系统U? )(1 三相系统I?
)(2 多相系统I?
1F
2F
0F 0?
1E?
sE2?
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量一、转子电动势的频率（ P149例题 5-2）
感应电动势的频率正比于导体与磁场的相对切割速度,故转子电动势的频率为,
1
1
1
11
2 6060
)( sfpn
n
nnnnpf
转子不转时,.,1,0
12 ffsn
理想空载时,.0,0,
21 fsnn
二、转子绕组的感应电动势转子旋转时的感应电动势,02222 44.4 ws kNfE
转子不转时的感应电动势,02212 44.4 wkNfE
二者关系为,
22 sEE s?
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量三、转子绕组的漏阻抗电抗与频率正比于,转子旋转时转子漏电抗,
222 2 LfX s
二者关系,,
22 sXX s?
转子绕组的漏阻抗,,
22222 js XRjXRZ ss四、转子绕组的电流转子绕组为闭合绕组,则转子电流为,
22
2
22
2
2
2
2 j s XR
Es
jXR
E
Z
EI
s
s
s
s
转子不转时转子漏电抗,
212 2 LfX
当转速降低时,转差率增大,转子电流也增大,
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.3 转子绕组各电磁量五、转子绕组的功率因数
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2 )(c o s sXR
R
XR
R
s?
转子功率因数与转差率有关,当转差率增大时,转子功率因数则减小,
六、转子旋转磁动势转子绕组流过三相或多相对称电流时产生圆形旋转磁动势,
2
222
2 9.02 Ip
kNmF w?1)幅值
2)转向 转子电流相序与定子旋转磁动势方向相同,转子旋转磁动势的方向与转子电流相序一致,
112 )( nnnnnn
转子旋转磁动势相对定子的速度为可见,无论转子转速怎样变化,定、转子磁动势总是以同速、
同向在空间旋转，两者在空间上总是保持相对静止。
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.4 磁动势平衡方程
021 FFF
磁动势的平衡方程为：
可以改写为：
LFFFFF 10201 )(
.
,,;
,::
210
0
主磁通的影响用来抵消转子磁动势对即它用平衡转子磁动势另一个是负载分量产生气隙磁通它用来一个是励磁磁动势个分量定子旋转磁动势包括两表明
FF
F
L?
写成磁动势幅值公式：
0
111
2
222
1
111 9.0
29.029.02 Ip
kNmI
p
kNmI
p
kNm www
:
222
111 有两边除以电流变比
w
w
i kNm
kNmk?
0
2
1 Ik
II
i
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.2.5 电动势平衡方程电动势的平衡方程为：
根据基尔霍夫电压定律可写出定、转子侧电动势平衡方程：
111111111 ZIEXIjRIEU
ssss ZIEXIjRIE 222222220
:,21 ekEE 之比称为电动势比与转子不转时电动势其中
22
11
2
1
w
w
e kN
kN
E
Ek
5.2三相感应电动机的磁势和磁场第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
1、定子绕组电势平衡方程式
定子绕组接到交流电源上，与电源电压相平衡的电势（压降）包括：
主电势（感应电势）：
定子绕组通入三相对称交流电流时，将会产生旋转的主磁通，同时被定子绕组和转子绕组切割，并在其中产生感应电势。
定子绕组感应电势的有效值：
漏磁电势（漏抗压降）
定子漏磁通：仅与定子绕组相匝链。 定子电势平衡方程式：
漏抗压降：
电阻压降：
(画定子一相的等效电路图 )
11111 44.4 wkNfE
111 XIjE
11IR?
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 1）转子绕组的感应电势
A.转子绕组切割主磁通的转速
主磁通以同步速度旋转
转子以转速 n旋转
转子绕组导体切割主磁通的相对转速为
B.转子绕组中感应电势的频率：
公式：
结论：由于 s很小，转子感应电势频率很低。 0.5-3Hz
11 snnn
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 1）转子绕组的感应电势
C.转子感应电势的有效值
公式：
感应电势与转差率正比。
对绕线式异步电机，转子绕组每相串联匝数，相数计算方法同定子绕组的计算。
对 笼型转子 来说，由于每个导条中电流相位均不一样，所以，每个导条即为一相，可见相数等于导条数即转子槽数；每相串联匝数为半匝即 1/2。
注意转子不动时（ s=1)时的感应电势与转子旋转是感应电势的关系。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.1电势平衡方程式
2、转子绕组的电势及电流
（ 2）转子绕组的阻抗
由于转子绕组是闭合的，所以有转子电流流过。同样会产生漏磁电抗压降。
漏抗公式：
漏抗也与转差率正比。转速越高，漏抗越小。
考虑到转子绕组的相电阻后：
（ 3）转子绕组中的电流
转子绕组短路，转子电压为 0，感应电势全部加在转子阻抗上
转子回路方程：
转子电流：,
讨论：转子电流随 s的变化。 (看图 )
第 5章 感应电机的稳态分析
(画转子一相的等效电路图 )
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图频率折算就是用一个等效的转子电路代替实际旋转的转子系统,而等效的转子回路应与定子电路有相同的频率。
一、频率折算在折算的过程中，电机的电磁效应不变，因而有两个条件：
一个是保持转子磁动势不变；二是转子回路的功率不变。
转子回路电流
222
2
22
2
22
2
2
2
2 1
R
s
sjXR
E
j s XR
Es
jXR
E
Z
EI
s
s
s
s
.,
,1,
2
2
不变同时保持转子磁动势为定子频率就可以将转子频率折算电阻在转子回路中串联一个用一个不转的转子并且可见
F
R
s
s?
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图一、频率折算
。
。
R
s
s
，。
阻总的机械功率的等效电即附加电阻是模拟总的机械功率和机械损耗与机械功率之该电阻消耗的功率等效变原则根据能量守恒和功率不电阻附加但电路中多了一个电阻率输出没有机械损耗和机械功子静止转频率折算后出机械损耗和机械功率输实际的旋转转子轴上有
——
,,
1
,,
,
2
:
,""1,2
路的端电压上的压降看成是转子回其电阻负载看成是异步电动机的可以把从等效电路角度 R
s
s?
22222 )( IjXREU s
第 5章 感应电机的稳态分析一、频率折算第 5章 感应电机的稳态分析一、频率折算
进一步讨论：
不论静止或者旋转的转子，其转子磁势总以同步转速旋转，即转子磁势的转速不变，大小相位又没有变，故电机的磁势平衡依然维持。
静止的转子不再输出机械功率，即电机的功率平衡中少了一大块机械功率。
静止的转子中多了一个附加电阻，而电流有没有变，所以多了一个电阻功率。
分析证明：附加电阻上消耗的电功率等于电机输出的机械功率。
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二、绕组折算
。
。
k、Nm
k、Nm
w
w
同本相折算的方法与变压器基组的实际转子绕及取代等效转子及绕组相同的定子绕组折算就是用一个和
222
111
122 EEkE e
ik
II 2
2
22
22
XkkX
RkkR
ei
ei
5.3.2 等效电路三、绕组折算后的基本方程
111111 XIjRIEU
222222 XIjRIEU
021 III
12 EE
01 )( IjXRE mm
222
1 R
s
sIU
第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四,T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路,
T型等效电路第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图四,T型等效电路和简化等效电路由基本方程可以作出等效电路,
T型等效电路 简化等效电路第 5章 感应电机的稳态分析从等效电路分析可知,;
,,0,1,0,,)2 2'20
电机相当于开路总机械功率近似为零理想空载时 IR
s
ssnn;
,,01,1,0,)1 '2
短路状态电机处于总机械功率为零电机不转时 R
s
ssn
5.3.2 等效电路
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图二,T型等效电路和简化等效电路
3)三相异步电动机的功率因数永远滞后；
4)附加电阻不能用电感或电容来代替。
5)在等效电路中负载的变化是用转差率 s来体现的第 5章 感应电机的稳态分析
5.3.4 相量图
5.3三相异步电动机的等效电路和相量图按照基本方程和等效电路可以作出异步电动机的相量图。
。
，
，、
。U
I
后的因数总是滞所以异步电动机的功率率定的感性无功功电机需要从电源吸收一转子的漏磁通气隙中的主磁通和定这是因为要建立和维持于电源电压总是滞后定子电流从相量图可见
1
1
,
。
，
，I，I
，s，n，
，
械的转换实现由电能到机吸取更多的电功率电动机从电源随之增加增加使增大转差率下降转速增加时当电动机机械负载还可见看出
12
异步电动机的相量图类似于变压器相量图。
从转子电路方程出发可以一步一步作出异步电机相量图。（ 看动画 5.3.1）
第 5章 感应电机的稳态分析功率变换和传递是电动机的主要功用。
5.4感应电动机的功率方程和转矩方程异步电动机的功率和损耗有：
一、功率平衡输入功率
11111 c os?IUmP?
定子铁损
mFe RImp 201?
电磁功率
s
RImppPP
Fecue
'
22'
2111
机械功率
'
2
2'
212
2
22
11 R
s
sImR
s
sImP
输出功率
pPppPP 2
定子铜损 12111 RImp cu?
转子铜损
'22'2122222 RImRImp cu
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡在等效电路上表示功率和损耗：
一、功率平衡
1R 1X
'2R '
2X
'
2
1 R
s
s?
1U?
1I?
0I?
2I
mR
mX
1cup
Fep
2cup
P
1P
eP
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡一、功率平衡两个重要关系式
sPp
e
cu?2 s
P
P
e
1
可见，从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分，一小部分变为转子铜损耗，绝大部分转变为总机械功率。转差率越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。（图 5-18 感应电动机的功率图）
第 5章 感应电机的稳态分析
5.4三相异步电动机的功率平衡、转矩平衡二、转矩平衡
02 pPP 即
02 TTT e
02 TTT e
或
11)1(
)1(
ee
e
P
s
PsPT电磁转矩在式 的两边同时除以机械角速度 得
02 pPP 602 n
电磁转矩从转子方面看，它等于总机械功率除以转子机械角速度；从定子方面看，它又等于电磁功率除以同步机械角速度。
（ P159 例 5-3 补充例 5-4）
第 5章 感应电机的稳态分析
