三相异步电动机的工作原理与结构

工作原理

1. 磁铁旋转对导体的作用

下面通过一个实验来说明异步电动机的工作原理。实验如图1-1（a）所示，在一个马蹄形的磁铁中间放置一个带转轴的闭合线圈，当摇动手柄来旋转磁铁时发现，线圈会跟随着磁铁一起转动。为什么会出现这种现象呢？

图1-1　单匝闭合线圈旋转原理

图1-1（b）是与图1-1（a）对应的原理简化图。当磁铁旋转时，闭合线圈的上下两段导线会切割磁铁产生的磁场，两段导线都会产生感应电流。由于磁铁沿逆时针方向旋转，假设磁铁不动，那么线圈就被认为沿顺时针方向运动。

线圈产生的电流方向判断：从图1-1（b）中可以看出，磁场方向由上往下穿过导线，上段导线的运动方向可以看成向右，下段导线则可以看成向左，根据右手定则可以判断出线圈的上段导线的电流方向由外往内，下段导线的电流方向则是由内往外。

线圈运动方向的判断：当磁铁逆时针旋转时，线圈的上、下段导线都会产生电流，载流导体在磁场中会受到力，受力方向可根据左手定则来判断，判断结果可知线圈的上段导线受力方向是往左，下段导线受力方向往右，这样线圈就会沿逆时针方向旋转。

如果将图1-1中的单匝闭合导体转子换成图1-2（a）所示的笼型转子，然后旋转磁铁，结果发现笼型转子也会随磁铁一起转动。图中笼型转子的两端是金属环，金属环中间安插多根金属条，每两根相对应的金属条通过两端的金属环构成一组闭合的线圈，所以笼型转子可以看成是多组闭合线圈的组合。当旋转磁铁时，笼型转子上的金属条会切割磁感线而产生感应电流，有电流通过的金属条受磁场的作用力而运动。根据图1-2（b）的示意图可分析出，各金属条的受力方向都是逆时针方向，所以笼型转子沿逆时针方向旋转起来。

图1-2　笼型转子旋转原理

综上所述， 当旋转磁铁时，磁铁产生的磁场也随之旋转，处于磁场中的闭合导体会因此切割磁感线而产生感应电流，而有感应电流通过的导体在磁场中又会受到磁场力，在磁场力的作用下导体就旋转起来 。

2. 异步电动机的工作原理

采用旋转磁铁产生旋转磁场让转子运动，并没有实现电能转换成机械能。实践和理论都证明，如果在转子的圆周空间放置互差120°的3组绕组，如图1-3所示，然后将这3组绕组按星形或三角形接法接好（图1-4是按星形接法接好的3组绕组），将3组绕组与三相交流电压接好，有三相交流电流流进3组绕组，这3组绕组会产生类似图1-2所示的磁铁产生的旋转磁场，处于此旋转磁场中的转子上的各闭合导体有感应电流产生，磁场对有电流流过的导体产生作用力，推动各导体按一定的方向运动，转子也就运转起来。

图1-3　三相电动机互差120°的3组绕组

图1-4　3组绕组与三相电源进行星形连接

图1-3实际上是三相异步电动机的结构示意图。绕组绕在铁芯支架上，由于绕组和铁芯都固定不动，因此称为定子，定子中间是笼型的转子。转子的运转可以看成是由绕组产生的旋转磁场推动的，旋转磁场有一定的转速。旋转磁场的转速 n （又称同步转速）、三相交流电的频率 f 和磁极对数 p （一对磁极有两个相异的磁极）有以下关系：

n =60 f/p

例如，一台三相异步电动机定子绕组的交流电压频率 f =50Hz，定子绕组的磁极对数 p =3，那么旋转磁场的转数 n =60×50/3=1000（r/min）。

电动机在运转时，其转子的转向与旋转磁场方向是相同的，转子是由旋转磁场作用转动的，转子的转速要小于旋转磁场的转速，并且要滞后于旋转磁场的转速，也就是说转子与旋转磁场的转速是不同步的。 这种转子转速与旋转磁场转速不同步的电动机称为异步电动机 。

外形与结构

图1-5列出了两种三相异步电动机的实物外形。三相异步电动机的结构如图1-6所示，从图中可以看出，它主要由外壳、定子、转子等部分组成。

图1-5　两种三相异步电动机的实物外形

图1-6　三相异步电动机的结构

三相异步电动机各部分说明如下。

（1）外壳

三相异步电动机的外壳主要由机座、轴承盖、端盖、接线盒、风扇、罩壳等组成。

（2）定子

定子由定子铁芯和定子绕组组成。

① 定子铁芯 。定子铁芯通常由很多圆环状的硅钢片叠合在一起组成，这些硅钢片中间开有很多小槽用于嵌入定子绕组（也称定子线圈），硅钢片上涂有绝缘层，使叠片之间绝缘。

② 定子绕组 。它通常由涂有绝缘漆的铜线绕制而成，再将绕制好的铜线按一定的规律嵌入定子铁芯的小槽内，具体见图1-6局部放大部分。绕组嵌入小槽后，按一定的方法将槽内的绕组连接起来，使整个铁芯内的绕组构成U、V、W三相绕组，再将三相绕组的首、末端引出来，接到接线盒的U1、U2、V1、V2、W1、W2接线柱上。接线盒如图1-7所示，接线盒各接线柱与电动机内部绕组的连接关系如图1-8所示。

图1-7　电动机接线盒内有六个接线端

图1-8　接线盒各接线端与内部绕组的连接

（3）转子

转子是电动机的运转部分，它由转子铁芯、转子线组和转轴组成。

① 转子铁芯 。如图1-9所示，转子铁芯是由很多外圆开有小槽的硅钢片叠在一起构成的，小槽用来放置转子绕组。

图1-9　由硅钢片叠成的转子铁芯

② 转子绕组 。转子绕组嵌在转子铁芯的小槽中，转子绕组可分为笼式转子绕组和线绕式转子绕组。

笼式转子绕组是在转子铁芯的小槽中放入金属导条，再在铁芯两端用导环将各导条连接起来，这样任意一根导条与它对应的导条通过两端的导环就构成一个闭合的绕组，由于这种绕组形似笼子，因此称为笼式转子绕组。笼式转子绕组有铜条转子绕组和铸铝转子绕组两种，如图1-10所示。铜条转子绕组是在转子铁芯的小槽中放入铜导条，然后在两端用金属端环将它们焊接起来；而铸铝转子绕组则是用浇铸的方法在铁芯上浇铸出铝导条、端环和风叶。

图1-10　两种笼式转子绕组

线绕式转子绕组的结构如图1-11所示。它是在转子铁芯中按一定的规律嵌入用绝缘导线绕制好的绕组，然后将绕组按三角形或星形接法接好，大多数按星形方式接线（如图1-12所示）。绕组接好后引出3根相线，通过转轴内孔接到转轴的3个铜制集电环（又称滑环）上，集电环随转轴一起运转，集电环与固定不动的电刷摩擦接触，而电刷通过导线与变阻器连接，这样转子绕组产生的电流通过集电环、电刷、变阻器构成回路。调节变阻器可以改变转子绕组回路的电阻，以此来改变绕组的电流，从而调节转子的转速。

图1-11　线绕式转子绕组

图1-12　按星形连接的线绕式转子绕组

③ 转轴 。转轴嵌套在转子铁芯的中心。当定子绕组通三相交流电后会产生旋转磁场，转子绕组受旋转磁场作用而旋转，它通过转子铁芯带动转轴转动，将动力从转轴传递出来。

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