2.2 三相異步電動機的結構與工作原理

2.2.1 異步電動機概述

由于異步電動機（Asynchronous Machines）的轉子繞組電流是基于電磁感應原理產生的，因此，異步電動機又稱為感應電動機（Induction Machines）。

異步電動機按照轉子的結構不同，分為籠型異步電動機和繞線轉子異步電動機兩種。

1.異步電動機的工作特點

異步電動機的轉子繞組不需與其他電源相連，其定子繞組電流直接取自交流電力系統。與其他類型的電動機相比，異步電動機的結構簡單、容易制造、使用和維護方便、運行可靠性高、重量輕、成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉速的直流電動機相比，前者重量只及后者的1/2，成本僅為1/3。異步電動機還容易按不同環境條件的要求，派生出各種系列產品。異步電動機具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數工農業生產機械的驅動要求。

異步電動機的轉速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而其調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速范圍的使用場合（如驅動軋鋼機、卷揚機、大型機床等），不如直流電動機經濟、方便。

此外，異步電動機運行時，需要從電力系統中吸取無功功率以勵磁，這會導致電力系統的功率因數變差。因此，在大功率、低轉速場合（如驅動球磨機、大型壓縮機等）不如用同步電動機合理。

2.異步電動機的應用

由于異步電動機生產量大、使用面廣，要求其必須有繁多的品種、規格與各種機械配套。因此，異步電動機的設計、生產特別要注意標準化、系列化、通用化。在各類系列產品中，以產量最大、使用最廣的三相異步電動機系列為基本系列。此外，還有若干派生系列（在基本系列基礎上做部分改變而衍生的系列）、專用系列（為特殊需要設計的具有特殊結構的系列）。

異步電動機的種類繁多，有YB系列防爆型三相異步電動機，YS系列小功率分馬力三相異步電動機，Y、Y2、Y3系列三相異步電動機，YX3、YE2系列高效率三相異步電動機，YE3系列超高效率三相異步電動機，YZTE3系列鑄銅轉子超高效率三相異步電動機，YVF2、YVF3系列變頻調速電動機等。

2.2.2 電動機的結構

三相異步電動機的種類很多，但其基本結構是相同的，均由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環等其他附件，如圖2-7a和圖2-7b所示。圖2-8為三相異步電動機主要部件的拆分圖。

1.定子

定子（Stator）是用來產生旋轉磁場的。三相異步電動機的定子一般由外殼、定子鐵心和定子繞組等部分組成。

（1）外殼

三相異步電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環等部件。

機座是三相異步電動機機械結構的重要組成部分。機座多由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，其作用是保護和固定三相異步電動機的定子繞組。中、小型三相異步電動機的機座還有前、后兩個端蓋，用以支承轉子。為提高散熱性能，機座的外表一般都鑄有散熱片。

端蓋多由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，其作用是把轉子固定在定子內腔中心，使轉子能夠在定子中均衡、平穩地運轉。

軸承蓋也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，其作用是支承和保護軸承、儲存潤滑油。此外，還具有限制轉子軸軸向移動的作用。

接線盒一般是用鑄鐵澆鑄或用鋼板沖壓成型，其作用是保護和固定電動機繞組的引出線端子。

圖2-7 三相異步電動機的結構

a）三相籠型異步電動機結構圖 b）繞線轉子異步電動機結構圖

圖2-8 三相異步電動機主要部件的拆分圖

吊環一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬運電動機。

（2）定子鐵心

異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的硅鋼片（圖2-9）疊壓而成。

硅鋼片是一種含碳量極低的硅鐵軟磁合金，一般含硅量為0.5%～4.5%。加入硅可顯著降低鐵心損耗（簡稱鐵耗或鐵損），提高最大磁導率。硅鋼片主要用于制作各種變壓器、電動機和發電機的鐵心。

圖2-9 硅鋼片

由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的（熱軋硅鋼片一般涂有絕緣油漆，而冷軋硅鋼片在生產過程中形成的氧化膜自身就有絕緣作用，故冷軋硅鋼片無須涂絕緣油漆），可減少由于交變磁場通過而引起的鐵心渦流損耗。鐵心內圓有均勻分布的槽，用于嵌放定子繞組（圖2-10）。

圖2-10 定子鐵心及繞組

a）定子鐵心（嵌入部分繞組） b）定子鐵心（繞組嵌放完畢）

（3）定子繞組

定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產生旋轉磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每兩相繞組在空間相隔120°電角度。定子繞組的線圈由絕緣銅線或鋁線繞制而成（圖2-11）。

圖2-11 定子繞組

a）散嵌繞組 b）成型繞組

中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規律嵌入定子鐵心槽內。

定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒內，首端分別標為U1、V1、W1，末端分別標為U2、V2、W2。這六個出線端在接線盒內的排列如圖2-12所示，可以接成星形或三角形。

2.轉子

轉子（Rotor，圖2-13）是用于輸出電磁轉矩的，主要由轉子鐵心、轉子繞組及轉子軸組成。

（1）轉子鐵心

轉子鐵心（圖2-14）是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，套在轉子軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，另一方面用來安放轉子繞組。定子鐵心的特點是內圓開槽，而轉子鐵心的特點是外圓開槽。

圖2-12 定子繞組的連接示意圖

a）星形聯結 b）三角形聯結

圖2-13 轉子

圖2-14 轉子鐵心

（2）轉子繞組

異步電動機的轉子繞組分為繞線式與籠型兩種，由此分為繞線轉子異步電動機與籠型異步電動機。

1）繞線轉子繞組。繞線轉子繞組與定子繞組一樣，也是一個三相對稱繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉子軸上的三個與轉子軸絕緣的集電環上，通過電刷裝置與外電路相連（圖2-15）。

圖2-15 繞線轉子繞組

如圖2-16所示，繞線轉子繞組可以與外串電阻器連接，便于實現電動機的串電阻減壓起動和調速。但在正常工作時，一般需將外接的電阻器短路。

2）籠型轉子繞組。為簡化結構，可以采用銅質導條（銅條）作為繞組，在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環（稱為端環）把導條連接起來，稱為銅排轉子，如圖2-17所示。由于這種結構與關松鼠的籠子（圖2-18）非常相似，故稱籠型轉子。相應地，采用籠型轉子的電動機，就稱為籠型電動機（圖2-19和圖2-20）。

圖2-16 繞線轉子繞組與外串電阻器的連接

1—集電環 2—電刷 3—外接的電阻器（可變電阻）

圖2-17 銅排轉子

圖2-18 關松鼠的籠子

圖2-19 籠型電動機（1）

圖2-20 籠型電動機（2）

由于銅的價格高，為降低制造成本，可以以鋁代銅，用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環、風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如圖2-21和圖2-22所示。100kW以下的異步電動機一般均采用鑄鋁轉子。

圖2-21 鑄鋁轉子（未裝輸出軸）

圖2-22 鑄鋁轉子（裝有輸出軸）

3.其他部分

電動機的其他部分包括端蓋、風扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支承轉子軸。風扇則用來強制通風，冷卻電動機。

三相異步電動機的定子與轉子之間的空氣間隙，簡稱氣隙（Air Space），一般僅為0.2～1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數降低；氣隙太小，則裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加并使起動性能變差。

與繞線轉子電動機相比較，籠型電動機結構簡單、價格低廉、工作可靠，但不能人為改變電動機的機械特性；繞線轉子電動機結構復雜、價格較貴、維護工作量大，但轉子外加電阻后，可人為改變電動機的機械特性。

2.2.3 電動機的工作原理

二維碼2-3

1.旋轉磁場的產生

在定子繞組中，通入三相交流電所產生的旋轉磁場，與轉子繞組中的感應電流相互作用而產生的電磁力，形成電磁轉矩，驅動轉子轉動，從而使電動機工作。

當將電動機的三相定子繞組通入式（2-1）所示的對稱的三相電流（圖2-23）時，在不同時刻，三相交流電流產生的合成磁場如圖2-24所示。

在圖2-24中，表示電流流入，表示電流流出。

圖2-23 三相電流

圖2-24 三相交流電流產生的合成磁場

a）ωt=0。時，i_U=0，i_V<0，i_W>0 b）ωt=120。時，i_U>0，i_V=0，i_W<0

c）ωt=240。時，i_U<0，i_V>0，i_W=0 d）ωt=360。時，i_U=0，i_V<0，i_W>0

式中 i_U、i_V、i_W——U、V、W三相定子繞組中的電流瞬時值（A）；

I_m——U、V、W三相定子繞組中的電流有效值（A）；

ω——電角速度（rad/s）；

t——時間（s）。

由圖2-24可知，三相交流電流產生的合成磁場是一個旋轉的磁場，在一個電流周期內，旋轉磁場在電磁空間內轉過360。。旋轉磁場的旋轉方向，取決于三相電流的相序。任意調換兩根電源進線，旋轉磁場的方向即發生改變，相應地，電動機轉子軸的旋轉方向也就發生改變。

2.同步轉速

旋轉磁場的轉速n₀稱為三相交流電動機的同步轉速。同步轉速n₀與電動機定子繞組的磁極對數p有關。

以Υ聯結為例，如圖2-25a所示，當每相繞組只有一個線圈時，將定子繞組按圖2-25b放入定子槽內，合成的旋轉磁場形成一個N極、一個S極，共有一對磁極，則磁極對數為1，即p=1。

圖2-25 每相繞組只有一個線圈時的磁場分布情況

a）三相繞組Υ聯結電路圖（各相由一個線圈構成） b）形成具有兩個磁極（一對磁極）的旋轉磁場

仍以Υ聯結為例，如圖2-26a所示，將每相繞組都改用兩個線圈串聯組成。將定子繞組按圖2-26b放入定子槽內，合成的旋轉磁場形成兩個N極、兩個S極，共有兩對磁極，則磁極對數為2，即p=2。

圖2-26 每相繞組由兩個線圈串聯而成時的磁場分布情況

a）三相繞組Υ聯結電路圖（各相由兩個線圈串聯而成） b）形成具有四個磁極（兩對磁極）的旋轉磁場

當磁極對數p=1時，電流變化一周→旋轉磁場轉一圈；電流每秒鐘變化50周（即電源頻率為50Hz）→旋轉磁場轉50圈；電流每分鐘變化（50×60）周→旋轉磁場轉3000圈。

當磁極對數p=2時，電流變化一周→旋轉磁場轉半圈；電流每秒鐘變化50周（即電源頻率為50Hz）→旋轉磁場轉25圈；電流每分鐘變化（25×60）周→旋轉磁場轉1500圈。

由此，可以推導出，當磁極對數p為任意整數值時，三相異步電動機的同步轉速為

式中 n₀——旋轉磁場的同步轉速（r/min）；

f——電源頻率（Hz）；

p——磁極對數（簡稱極對數）。

當電源頻率f=50Hz時，不同磁極對數的三相異步電動機的同步轉速見表2-1。

表2-1 三相異步電動機的同步轉速

3.電磁轉矩的產生

當向三相定子繞組中通入對稱的三相交流電時，就產生了一個以同步轉速n₀沿定子和轉子內圓空間旋轉的磁場。由于旋轉磁場以n₀轉速旋轉，轉子導體開始時是靜止的，故轉子導體將切割定子旋轉磁場而產生感應電動勢（感應電動勢的方向用右手定則判定）。

由于轉子導體兩端被短路環短接，在感應電動勢的作用下，轉子導體中將產生與感應電動勢方向基本一致的感應電流。轉子的載流導體將在定子磁場中受到電磁力的作用（電磁力的方向用左手定則判定）。

電磁力對轉子軸產生電磁轉矩T，驅動轉子以轉速n順著n₀方向旋轉，并在轉子軸（亦即電動機的輸出軸）上輸出一定大小的機械功率P。

簡言之，三相異步電動機電磁轉矩的產生過程如圖2-27所示。

圖2-27 三相異步電動機電磁轉矩的產生過程

4.“異步”運行與轉差率

在實際工作中，三相異步電動機轉子軸的轉速n總是小于n₀，不能等于n₀。也就是說，異步電動機工作時，轉子軸的轉速n總是小于定子繞組旋轉磁場的同步轉速n₀，這就是異步電動機名稱中“異步”的由來。由于建立電磁轉矩的電流是通過電磁感應原理產生的，因此，異步電動機又稱為感應電動機。

由前面分析可知，異步電動機轉子轉動方向與旋轉磁場的方向一致，但轉子轉速n不可能與旋轉磁場的轉速相等，即n<n₀。旋轉磁場的同步轉速和異步電動機轉子轉速之差與旋轉磁場的同步轉速之比稱為轉差率，即

式中 s——轉差率；

n₀——旋轉磁場的同步轉速（r/min）；

n——電動機轉子的實際轉速（r/min）。

異步電動機剛起動時，n=0，s=1；電動機在額定工況下運行時，s=1%～9%。