異步電動(dòng)機的工作原理與結構

　　異步電機是一種交流電機，主要作為電動(dòng)機用。異步電機運行時(shí)，在氣隙中的旋轉磁場(chǎng)與轉子繞組之間存在相對運動(dòng)，依靠電磁感應作用使轉子繞組中感應電流，產(chǎn)生電磁轉矩，從而實(shí)現機電能量的轉換。由于轉子的轉速與旋轉磁場(chǎng)的轉速不相等，所以稱(chēng)它為異步電機。又因它的轉子電流是靠電磁感應作用產(chǎn)生的，因此，異步電機也稱(chēng)為感應電機。

　　從電磁關(guān)系上來(lái)看，異步電機和變壓器很相似。異步電機的定子繞組相當于變壓器的一次繞組，轉子繞組相當于變壓器的二次繞組。所以在學(xué)習了變壓器的基礎上來(lái)學(xué)習異步電機是比較容易的。

　　一、主要用途與分類(lèi)

　　異步電動(dòng)機是工農業(yè)中用得最多的一種電動(dòng)機，其容量從幾十瓦到幾千千瓦，在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)應用極為廣泛。

　　例如，在工業(yè)方面：中小型的軋鋼設備、各種金屬切割機床、輕工機械、礦山上的卷?yè)P機和通風(fēng)機等，都用異步電機來(lái)拖動(dòng)。

　　在農業(yè)方面：水泵、脫粒機、粉碎機和其他農副產(chǎn)品加工機械，也都用異步電動(dòng)機拖動(dòng)。

　　此外，在人民日常生活中，異步電動(dòng)機也用得很多，例如，電扇、冷凍機、多種醫療機械等等?？傊?，異步電動(dòng)機應用范圍廣、需要量大，隨著(zhù)電氣化自動(dòng)化的發(fā)展，它在工農業(yè)生產(chǎn)和人民生活中占著(zhù)很重要的地位。

　　異步電動(dòng)機也可以作為發(fā)電機使用，但一般只在特殊情況下才應用。

　　異步電動(dòng)機之所以用得這么普遍，主要是由于它的結構簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、堅固耐用，并且還有較高的效率和適用的工作特性。

　　但是，異步電機也有其缺點(diǎn)，異步電機必須從電網(wǎng)吸收落后的無(wú)功功率，因此它的功率因數總是小于1。由于在電網(wǎng)的負載中，異步電機最多，它們所需要落后的無(wú)功功率對電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)沉重的負擔，既增加了輸電過(guò)程的損耗，也妨礙了有功功率的輸出。當負載需要的電動(dòng)機單機容量較大，而電網(wǎng)功率因數又比較低時(shí)。最好還是采用同步電動(dòng)機來(lái)拖動(dòng)。

　　異步電動(dòng)機按定子繞組的相數分：有單相異步電動(dòng)機和三相異步電動(dòng)機。在沒(méi)有三相電源或者所需的功率很小時(shí)，應采用單相電動(dòng)機，單相電動(dòng)機的功率一般不超過(guò)3～4千瓦，在日常生活中，用得較多。在工農業(yè)生產(chǎn)中，絕大多數用的是三相異步電動(dòng)機。

　　三相異步電動(dòng)機有兩種基本類(lèi)型。一種是鼠籠式異步電動(dòng)機，這種電動(dòng)機的轉子繞組形狀像一個(gè)籠子。

　　在鼠籠式異步電動(dòng)機中，又分為單鼠籠、雙鼠籠和深槽式幾種；另一種就是繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，它的轉子繞組和定子繞組基本上一樣，也是三相繞組，可以聯(lián)成星形或三角形。

　　二、基本工作原理及運行狀態(tài)

　　把異步電機的定子接到三相電源時(shí)，定子中會(huì )有三相電流流過(guò)，定子電流產(chǎn)生一系列的氣隙旋轉磁密。其中起主要作用的是以同步速、順著(zhù)繞組相序旋轉的基波氣隙旋轉磁密。同步速的大小決定子電網(wǎng)的頻率和繞組極對數，即。

　　圖5-1（a）是一臺二極異步電機的示意圖，n1箭頭表示氣隙磁密的旋轉方向，最里邊的那個(gè)大圓圈代表轉子，其中兩個(gè)小圓圈代表轉子繞組的導體，先考慮轉子還沒(méi)有轉起來(lái)的情況。氣隙旋轉磁密形象地用N，S極表示，在圖中所示的瞬間，N極在上面，S極在下面。

　　于是，轉子導體切割氣隙旋轉磁密而感應電勢，它的方向如圖5-1中的［圖片］和⊙所示。因為轉子繞組是短路的，在轉子繞組中會(huì )有電流，圖5-1所示瞬間，導體中電流的方向假設與感應電勢同相。

　　根據氣隙旋轉磁密的極性和電流方向，利用左手定則可以看出，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與氣隙旋轉磁密同方向的電磁轉矩作用在轉子上。如果這個(gè)電磁轉矩能克服加在轉子上的負載轉矩，轉子就能旋轉起來(lái)，并加速旋轉。只要轉子的轉速低于同步轉速，轉子導體中的感應電勢和電流方向不變，電磁轉矩的方向也不變，是驅動(dòng)性質(zhì)的轉矩。

　?。╝）電動(dòng)機；（b）發(fā)電機；（c）電磁制動(dòng)

　　圖5-1　異步電機的三種運行狀態(tài)

　　如果轉子的轉速加速到等于同步轉速n1時(shí)，轉子繞組和氣隙旋轉磁密之間就沒(méi)有相對運動(dòng)，當然轉子繞組也就不再感應電勢了，電流和電磁轉矩統統都等于零。這就是說(shuō)，這種情況不可能維持下去。

　　但是，只要n＜n1，轉子繞組和氣隙旋轉磁密之間就有相對運動(dòng)，轉子繞組里就會(huì )有電流，也就有電磁轉矩作用在轉子上。當電磁轉矩等于負載轉矩時(shí)，轉子就以恒速運行。這種情況下，定子方面從電源吸收有功功率。這就是異步電動(dòng)機簡(jiǎn)單的運行原理?？梢?jiàn)，異步電動(dòng)機轉子的轉速n不可能達到同步轉速n1，一般總是略小于n1，異步二字就是由此而來(lái)的。

　　通常把同步轉速、和電動(dòng)機轉子轉速二者之差與同步轉速的比值叫做轉差率（也叫轉差或滑差），用s表示。轉差率的定義為：

　　s是一個(gè)沒(méi)有單位的量，它的大小能反映電動(dòng)機轉子的轉速。例如，n=0時(shí)，s=1；n=n1時(shí)，s=0；n＞n1時(shí)，s為負；電動(dòng)機轉子的轉向與氣隙旋轉磁密相反時(shí)，s＞1。

　　如果用另一臺原動(dòng)機拖動(dòng)電動(dòng)機，使它的轉速高于同步轉速n1運行，即n＞n1，這時(shí)導體中電勢、電流的方向以及產(chǎn)生的電磁轉矩的方向也反了，如圖5-1（b）所示。這種情況下，電磁轉矩對原動(dòng)機來(lái)說(shuō)，是一個(gè)制動(dòng)轉矩。要保持電機轉子繼續轉動(dòng)，原動(dòng)機必須給電機輸入機械功率。

　　于是，異步電機的定子方面由從電網(wǎng)吸收電功率，改變?yōu)橄螂娋W(wǎng)發(fā)出電功率，即處于發(fā)電機運行狀態(tài)。

　　如果用其他機械拖動(dòng)電機轉子向著(zhù)氣隙旋轉磁密相反的方向轉動(dòng)，即，s＞1，如圖5-1（c）。這時(shí)轉子中電勢、電流的方向仍然與電動(dòng)機工作狀態(tài)時(shí)一樣，作用在轉子上的電磁轉矩方向仍然與氣隙旋轉磁密的方向一致，但是。與轉子的實(shí)際轉向卻相反了?？梢?jiàn)，這時(shí)的電磁轉矩與拖動(dòng)機械加在電機轉子上的轉矩的方向相反，互相平衡，而電磁轉矩為制動(dòng)轉矩。我們把這種情況叫做電機處于電磁制動(dòng)運行狀態(tài)。

　　電機除了吸收拖動(dòng)機械的機械功率外，還從電網(wǎng)吸收了電功率。這兩部分功率在電機內部都以損耗的方式最終轉化為熱能散發(fā)出來(lái)。

　　三、結構

　　異步電動(dòng)機的主要結構是由定子和轉子兩部分組成，定、轉子中間是空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機座等部件，圖5-2是三相鼠籠式異步電動(dòng)機的結構圖。

　　圖5-2　三相鼠籠式異步電動(dòng)機的結構圖

　　1.定子

　　定子是異步電動(dòng)機固定不動(dòng)的部分。由機座、定子鐵芯和定子繞組組成。

　　機座是電動(dòng)機的外殼，起著(zhù)支撐電機的作用，通常用鑄鐵鑄成。大機座也有用鋼板拼焊起來(lái)的。

　　定子鐵芯是電動(dòng)機磁路的一部分，裝在機座內部。它是一個(gè)中空圓柱體，外壁與機座配合，內壁開(kāi)槽，槽內放定子繞組。為了減少鐵芯中的損耗，定子鐵芯用0.5mm厚的硅鋼片疊成。

　　三相異步電機的定子繞組并不是都按星形接法聯(lián)接，只有在大容量高電壓時(shí)，才按星形接法聯(lián)接。一般中、小容量低電壓的異步電機，通常把三相繞組的六根線(xiàn)頭引出來(lái)，在外面根據需要把它接成三角形或星形接法。這樣，既可以使電機適用于兩種不同等級的電源電壓，例如星形接法用于380V電源；三角接法就可以用于220V電源上，又能滿(mǎn)足起動(dòng)的要求，即設計成在三角接法時(shí)，用于380V電源，起動(dòng)時(shí)，改成星形接法，達到降壓起動(dòng)的目的。

　　定子繞組用絕緣的銅導線(xiàn)繞成，嵌在定子槽內，繞組與槽壁間用絕緣材料隔開(kāi)。

　　2.氣隙

　　異步電機的氣隙比同容量直流電機的氣隙要小得多，在中、小型異步電機中，一般為0.2～1.0mm。這是因為異步電機的勵磁電流是由電網(wǎng)供給的，氣隙大時(shí)，勵磁電流也就大，從而降低了電機的功率因數。為了提高功率因數，應盡量把氣隙做得小些。但是氣隙過(guò)小時(shí)，將使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場(chǎng)增強，從而使附加損耗增加。

　　3.轉子

　　電動(dòng)機的轉子是由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成的。轉子鐵芯也是磁路的一部分，一般由硅鋼片疊成，鐵芯固定在轉軸上。

　　轉子繞組如果是繞線(xiàn)式的，它可以聯(lián)成星形或三角形。一般小容量的接成三角形；中、大容量的都接成星形。繞組的三根引出線(xiàn)接到三個(gè)集電環(huán)（集電環(huán)固定在轉軸上），用一套電刷引出來(lái)，如圖5-3所示。

　　這就可以把外接電阻連聯(lián)到轉子繞組回路里去。串電阻的目的是為了改善電動(dòng)機的特性或者是為了調節轉速。

　　鼠籠式轉子繞組的結構與定子繞組大不相同，在轉子鐵芯上也有槽，各槽里都有一根導條。在鐵芯的兩端有兩個(gè)瑞環(huán)，分別把所有導條伸出槽外的部分都聯(lián)接起來(lái)，形成了短接的回路。如果拿掉轉子鐵芯，繞組的形狀就像一個(gè)老鼠籠子，如圖5-4（a）所示。導條的材料有用銅的，有用鋁的。如果是用銅的，就是把事先做好的裸銅條插入轉子鐵芯槽中，再用銅環(huán)套在兩端銅條的頭上，并焊接在一起；如果是用鋁做繞組時(shí)，是用熔化了的鋁液直接澆鑄在轉子鐵芯槽內，連同瑞環(huán)和風(fēng)扇葉一次鑄成，如圖5-4（b）所示。

　　圖5-3　繞線(xiàn)式異步電機定、轉子繞組接線(xiàn)圖

　?。╝）銅條繞組；（b）鑄鋁轉子

　　圖5-4鼠籠型轉子繞組

　　四、額定值

　　異步電動(dòng)機的額定值通常會(huì )在銘牌上標出，包含下列內容：

　?。?）額定功率PN：指電動(dòng)機在額定運行時(shí)轉軸上輸出的機械功率，單位是干瓦。

　?。?）額定電壓UN：指額定運行狀態(tài)下加在定子繞組上的線(xiàn)電壓，單位為伏。

　?。?）額定電流IN：指電動(dòng)機在定子繞組上加額定電壓，軸上輸出額定功率時(shí)，定了繞組中的線(xiàn)電流，單位為安。

　?。?）額定額率f：我國規定工業(yè)用電的頻率為50赫茲。

　?。?）額定轉速nN：指電動(dòng)機定子加額定頻率的額定電壓，且軸上輸出額定功率時(shí)電動(dòng)機的轉速，單位為轉／分。

　?。?）額定功率因數cosφN：指電動(dòng)機在額定負載時(shí)定子邊的功率因數。

　?。?）絕緣等級與溫升。