第五章 交流电动机的工作原理及特性
了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；
掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；
掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；
掌握三相异步电动机启动,调速和制动等各种特性；
掌握实现三相异步电动机启动,调速和制动的各种方法及它们的使用场所；
掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；
了解同步电动机的结构,工作原理,运行特性和启动方法 。
5,1 三相异步电动机的基本结构和工作原理一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成,定子是不动的部分,转子是旋转部分,在定子和转子之间有一定的气隙 。 如图所示 。
1.定子定子由定子铁心、绕组以及机座组成。
定子铁心是磁路的一部分，它由 0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。
定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用 AX,BY,CZ
表示，其中,A,B,C称为首端,而 X,Y,Z称为 末端 。
机座主要用于固定与支撑定子铁心 。 中小型异步电动机一般采用铸铁机座 。 根据不同的冷却方式采用不同的机座型式 。
三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生 旋转磁场 。
2.转子转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。
硅钢片冲片如图所示。
转子由铁心与绕组组成。
线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是 产生转子电流，即产生电磁转矩 。
鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，
再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图所示。
线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，
二、三相异步电动机的工作原理
1．定子旋转磁场假设每相绕组只有一个线匝,分别嵌放在定子内圆周的 6个凹槽之中 。 现将三相绕组的末端 X,Y,Z相连,首端 A,B,C接三相交流电源 。 且三相绕组分别叫做 A,B,C相绕组 。 如图所示 。
假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且 A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组 A,B,C的电流（相序为 A— B— C）的瞬时值为：
tIi?s i nmA?
)32s i n(mB tIi
)34s i n(mC tIi
如图所示是这些电流随时间变化的曲线 。
时01?t
iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Y端流到 B端；
iC为正,电流实际方向与正方向一致,即电流从 C端流到 Z端 。
按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场,
如图 （ a） 箭头所示 。
iA=0
时62 Tt?
iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Y端流到 B端；
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到 X端。
此时的合成磁场如图 （ b）
所示,合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了?
/3。
iC=0
时33 Tt?
iC为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Z端流到 C端；
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到 X端。
此时的合成磁场如图
（ c） 所示,合成磁场已从
t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 2? /3。
iB=0
时24 Tt?
0A?i
iC为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Z端流到 C端；
iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 B端流到 Y端。
此时的合成磁场如图
（ d） 所示,合成磁场已从
t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了?。
按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时,合成磁场也在不断旋转,故称 旋转磁场 。
2．旋转磁场的旋转方向
A相绕组内的电流超前 B相绕组内的电流 2? /3，而 B相绕组内的电流又超前 C相绕组内的电流 2? /3,当三相交流电的 A→B→C,
旋转磁场的旋转方向为从 A→B→C,即向顺时针方向旋转。
如果将定子绕组接至电源的三根导线中的 任意两根线对调,例如,将 B,C两根线对调,使 B相与 C相绕组中电流的相位对调,如图所示 。
此时 A相绕组内的电流超前 C相绕组内的电流 2? /3，而 C相绕组内的电流又超前 B相绕组内的电流 2? /3，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为 A→C→B,即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。
由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。
3.旋转磁场的极数与旋转速度在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用 n0表示。
以上讨论的旋转磁场,具有一对磁极 （ 磁极对数用 p表示 ） 即
p=1。
从上述分析可以看出,电流变化经过一个周期 （ 变化 360电角度 ）,旋转磁场在空间也旋转了一转 （ 转了 360机械角度 ）,若电流的频率为 f,旋转磁场每分钟将旋转 60f转,即：
fn 600?
如果把定子铁心的槽数增加 1倍（ 12个槽），制成如图所示的三相绕组。
其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。
如图所示。
从图可以看出,对应于不同时刻,旋转磁场在空间转到不同位置,此情况下电流变化半个周期,旋转磁场在空间只转过了? /2，
即 1/4转,电流变化一个周期,旋转磁场在空间只转了 1/2转 。
由此可知,当旋转磁场具有两对磁极 （ p=2） 时,其旋转速度仅为一对磁极时的一半 。 依次类推,当有 p对磁极时,其转速为：
p
fn 60
0?
所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。
4．工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
假设定子只有一对磁极,转子只有一匝绕组 。
在旋转磁场的作用下,转子导体切割磁力线 （ 其方向与旋转磁场的旋转方向相反 ）,因而在导体内产生感应电动势 e从而产生感应电流 i。 根据安培电磁力定律,转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 F（ 其方向用左手定则决定 ）,这力在转子的轴上形成电磁转矩,且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同,转子受此转矩的作用,按旋转磁场的旋转方向旋转起来 。
转子的旋转速度称为电动机的转速,用 n表示 。
5.转 差率 S
由工作原理可知：转子的转速 n（ 电动机的转速 ） 恒比旋转磁场的旋转速度 n0（ 同步速度 ） 要小 。 因为如果两种速度相等时,转子和旋转磁场没有 相对运动,转子导体不切割磁力线,因此,不能产生电磁转矩,转子将不能继续旋转 。 因此,转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素,也是 异步电动机 的由来 。
定义：转速差 (n0-n)与同步转速 n0的比值称为异步电动机的转差率,用表示 S,即
0
0
n
nnS
转差率 S是分析异步电动机运行特性的主要参数。
了解三相异步电动机的基本结构及工作原理；
掌握三相异步电动机的转矩特性和机械特性；
掌握三相异步电动机的连接方法和额定参数；
掌握三相异步电动机启动,调速和制动等各种特性；
掌握实现三相异步电动机启动,调速和制动的各种方法及它们的使用场所；
掌握单相异步电动机的工作原理和启动方法；
了解同步电动机的结构,工作原理,运行特性和启动方法 。
5,1 三相异步电动机的基本结构和工作原理一、三相异步电动机的基本结构三相异步电动机主要由定子和转子两个部分组成,定子是不动的部分,转子是旋转部分,在定子和转子之间有一定的气隙 。 如图所示 。
1.定子定子由定子铁心、绕组以及机座组成。
定子铁心是磁路的一部分，它由 0.5mm的硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。定子铁心的硅钢片的内圆冲有定子槽，槽中安放线圈，如图所示。硅钢片铁心在叠压后成为一个整体，固定于机座上。
定子绕组是电动机的电路部分。三相电动机的定子绕组分为三个部分对称地分布在定子铁心上，称为三相绕组，分别用 AX,BY,CZ
表示，其中,A,B,C称为首端,而 X,Y,Z称为 末端 。
机座主要用于固定与支撑定子铁心 。 中小型异步电动机一般采用铸铁机座 。 根据不同的冷却方式采用不同的机座型式 。
三相绕组接入三相交流电源，三相绕组中的电流定子铁心中产生 旋转磁场 。
2.转子转子铁心也是电动机磁路的一部分，由硅钢片叠压而成。转子铁心装在转轴上。
硅钢片冲片如图所示。
转子由铁心与绕组组成。
线绕式和鼠笼式两种电动机的转子构造虽然不同，但工作原理是一致的。转子的作用是 产生转子电流，即产生电磁转矩 。
鼠笼式异步电动机转子绕组是在转子铁心槽里插入铜条，
再将全部铜条两端焊在两个铜端环上而组成，如图所示。
线绕式异步电动机转子绕组是由线圈绕组放入转子铁心槽内，并分为三相对称绕组，与定子产生的磁极数相同。线绕式转子通过轴上的滑环和电刷在转子回路中接入外加电阻，用以改善启动性能与调节转速，
二、三相异步电动机的工作原理
1．定子旋转磁场假设每相绕组只有一个线匝,分别嵌放在定子内圆周的 6个凹槽之中 。 现将三相绕组的末端 X,Y,Z相连,首端 A,B,C接三相交流电源 。 且三相绕组分别叫做 A,B,C相绕组 。 如图所示 。
假定定子绕组中电流的正方向规定为从首端流向末端，且 A相绕组的电流作为参考正弦量，即 iA的初相位为零，则三相绕组 A,B,C的电流（相序为 A— B— C）的瞬时值为：
tIi?s i nmA?
)32s i n(mB tIi
)34s i n(mC tIi
如图所示是这些电流随时间变化的曲线 。
时01?t
iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Y端流到 B端；
iC为正,电流实际方向与正方向一致,即电流从 C端流到 Z端 。
按右手螺旋法则确定三相电流产生的合成磁场,
如图 （ a） 箭头所示 。
iA=0
时62 Tt?
iB为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Y端流到 B端；
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到 X端。
此时的合成磁场如图 （ b）
所示,合成磁场已从 t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了?
/3。
iC=0
时33 Tt?
iC为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Z端流到 C端；
iA为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 A端流到 X端。
此时的合成磁场如图
（ c） 所示,合成磁场已从
t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了 2? /3。
iB=0
时24 Tt?
0A?i
iC为负,电流实际方向与正方向相反,即电流从 Z端流到 C端；
iB为正，电流实际方向与正方向一致，即电流从 B端流到 Y端。
此时的合成磁场如图
（ d） 所示,合成磁场已从
t=0 瞬间所在位置顺时针方向旋转了?。
按以上分析可以证明：当三相电流随时间不断变化时,合成磁场也在不断旋转,故称 旋转磁场 。
2．旋转磁场的旋转方向
A相绕组内的电流超前 B相绕组内的电流 2? /3，而 B相绕组内的电流又超前 C相绕组内的电流 2? /3,当三相交流电的 A→B→C,
旋转磁场的旋转方向为从 A→B→C,即向顺时针方向旋转。
如果将定子绕组接至电源的三根导线中的 任意两根线对调,例如,将 B,C两根线对调,使 B相与 C相绕组中电流的相位对调,如图所示 。
此时 A相绕组内的电流超前 C相绕组内的电流 2? /3，而 C相绕组内的电流又超前 B相绕组内的电流 2? /3，用上述同样的分析方法可知，此时旋转磁场的旋转方向将变为 A→C→B,即向逆时针方向旋转，如图所示，即与未对调前的旋转方向相反。
由此可见，要改变旋转磁场的旋转方向，只要把定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根对调即可。
3.旋转磁场的极数与旋转速度在交流电动机中，旋转磁场相对定子的旋转速度被称为同步速度，用 n0表示。
以上讨论的旋转磁场,具有一对磁极 （ 磁极对数用 p表示 ） 即
p=1。
从上述分析可以看出,电流变化经过一个周期 （ 变化 360电角度 ）,旋转磁场在空间也旋转了一转 （ 转了 360机械角度 ）,若电流的频率为 f,旋转磁场每分钟将旋转 60f转,即：
fn 600?
如果把定子铁心的槽数增加 1倍（ 12个槽），制成如图所示的三相绕组。
其中，每相绕组由两个部分串联组成，再将这三相绕组接到对称三相电源使通过对称三相电流，便产生具有两对磁极的旋转磁场。
如图所示。
从图可以看出,对应于不同时刻,旋转磁场在空间转到不同位置,此情况下电流变化半个周期,旋转磁场在空间只转过了? /2，
即 1/4转,电流变化一个周期,旋转磁场在空间只转了 1/2转 。
由此可知,当旋转磁场具有两对磁极 （ p=2） 时,其旋转速度仅为一对磁极时的一半 。 依次类推,当有 p对磁极时,其转速为：
p
fn 60
0?
所以，旋转磁场的旋转速度与电流的频率成正比而与磁级对数成反比。
4．工作原理三相异步电动机的工作原理是基于定子旋转磁场和转子电流的相互作用。
假设定子只有一对磁极,转子只有一匝绕组 。
在旋转磁场的作用下,转子导体切割磁力线 （ 其方向与旋转磁场的旋转方向相反 ）,因而在导体内产生感应电动势 e从而产生感应电流 i。 根据安培电磁力定律,转子电流与旋转磁场相互作用产生电磁力 F（ 其方向用左手定则决定 ）,这力在转子的轴上形成电磁转矩,且转矩作用方向与旋转磁场的旋转方向相同,转子受此转矩的作用,按旋转磁场的旋转方向旋转起来 。
转子的旋转速度称为电动机的转速,用 n表示 。
5.转 差率 S
由工作原理可知：转子的转速 n（ 电动机的转速 ） 恒比旋转磁场的旋转速度 n0（ 同步速度 ） 要小 。 因为如果两种速度相等时,转子和旋转磁场没有 相对运动,转子导体不切割磁力线,因此,不能产生电磁转矩,转子将不能继续旋转 。 因此,转子与旋转磁场之间的转速差是保证转子转速的主要因素,也是 异步电动机 的由来 。
定义：转速差 (n0-n)与同步转速 n0的比值称为异步电动机的转差率,用表示 S,即
0
0
n
nnS
转差率 S是分析异步电动机运行特性的主要参数。
