电动机的工作原理（异步电动机的工作原理与结构）

　　电动机的工作原理（异步电动机的工作原理与结构）
　　异步电机是一种交流电机，主要作为电动机用。异步电机运行时，在气隙中的旋转磁场与转子绕组之间存在相对运动，依靠电磁感应作用使转子绕组中感应电流，产生电磁转矩，从而实现机电能量的转换。由于转子的转速与旋转磁场的转速不相等，所以称它为异步电机。又因它的转子电流是靠电磁感应作用产生的，因此，异步电机也称为感应电机。
　　从电磁关系上来看，异步电机和变压器很相似。异步电机的定子绕组相当于变压器的一次绕组，转子绕组相当于变压器的二次绕组。所以在学习了变压器的基础上来学习异步电机是比较容易的。
　　一、异步电动机的主要用途与分类
　　异步电动机是工农业中用得最多的一种电动机，其容量从几十瓦到几千千瓦，在国民经济的各行各业应用极为广泛。
　　例如，在工业方面：中小型的轧钢设备、各种金属切割机床、轻工机械、矿山上的卷扬机和通风机等，都用异步电机来拖动。
　　在农业方面：水泵、脱粒机、粉碎机和其他农副产品加工机械，也都用异步电动机拖动。
　　此外，在人民日常生活中，异步电动机也用得很多，例如，电扇、冷冻机、多种医疗机械等等。总之，异步电动机应用范围广、需要量大，随着电气化自动化的发展，它在工农业生产和人民生活中占着很重要的地位。
　　异步电动机也可以作为发电机使用，但一般只在特殊情况下才应用。
　　异步电动机之所以用得这么普遍，主要是由于它的结构简单、制造容易、价格低廉、坚固耐用，并且还有较高的效率和适用的工作特性。
　　但是，异步电机也有其缺点，异步电机必须从电网吸收落后的无功功率，因此它的功率因数总是小于1。由于在电网的负载中，异步电机最多，它们所需要落后的无功功率对电网来说，是一个沉重的负担，既增加了输电过程的损耗，也妨碍了有功功率的输出。当负载需要的电动机单机容量较大，而电网功率因数又比较低时。最好还是采用同步电动机来拖动。
　　异步电动机按定子绕组的相数分：有单相异步电动机和三相异步电动机。在没有三相电源或者所需的功率很小时，应采用单相电动机，单相电动机的功率一般不超过3～4千瓦，在日常生活中，用得较多。在工农业生产中，绝大多数用的是三相异步电动机。
　　三相异步电动机有两种基本类型。一种是鼠笼式异步电动机，这种电动机的转子绕组形状像一个笼子。
　　在鼠笼式异步电动机中，又分为单鼠笼、双鼠笼和深槽式几种；另一种就是绕线式异步电动机，它的转子绕组和定子绕组基本上一样，也是三相绕组，可以联成星形或三角形。
　　二、异步电动机的基本工作原理及运行状态
　　把异步电机的定子接到三相电源时，定子中会有三相电流流过，定子电流产生一系列的气隙旋转磁密。其中起主要作用的是以同步速、顺着绕组相序旋转的基波气隙旋转磁密。同步速的大小决定子电网的频率和绕组极对数，即
　　图5-1(a)是一台二极异步电机的示意图，n1箭头表示气隙磁密的旋转方向，最里边的那个大圆圈代表转子，其中两个小圆圈代表转子绕组的导体，先考虑转子还没有转起来的情况。气隙旋转磁密形象地用N，S极表示，在图中所示的瞬间，N极在上面，S极在下面。
　　于是，转子导体切割气隙旋转磁密而感应电势，它的方向如图5-1中的[图片]和⊙所示。因为转子绕组是短路的，在转子绕组中会有电流，图5-1所示瞬间，导体中电流的方向假设与感应电势同相。
　　根据气隙旋转磁密的极性和电流方向，利用左手定则可以看出，会产生一个与气隙旋转磁密同方向的电磁转矩作用在转子上。如果这个电磁转矩能克服加在转子上的负载转矩，转子就能旋转起来，并加速旋转。只要转子的转速低于同步转速，转子导体中的感应电势和电流方向不变，电磁转矩的方向也不变，是驱动性质的转矩。
　　（a）电动机；（b）发电机；（c）电磁制动
　　图5-1　异步电机的三种运行状态
　　如果转子的转速加速到等于同步转速n1时，转子绕组和气隙旋转磁密之间就没有相对运动，当然转子绕组也就不再感应电势了，电流和电磁转矩统统都等于零。这就是说，这种情况不可能维持下去。
　　但是，只要n＜n1，转子绕组和气隙旋转磁密之间就有相对运动，转子绕组里就会有电流，也就有电磁转矩作用在转子上。当电磁转矩等于负载转矩时，转子就以恒速运行。这种情况下，定子方面从电源吸收有功功率。这就是异步电动机简单的运行原理。可见，异步电动机转子的转速n不可能达到同步转速n1，一般总是略小于n1，异步二字就是由此而来的。
　　通常把同步转速、和电动机转子转速二者之差与同步转速的比值叫做转差率(也叫转差或滑差)，用s表示。转差率的定义为：
　　s是一个没有单位的量，它的大小能反映电动机转子的转速。例如，n=0时，s=1；n=n1时，s=0；n＞n1时，s为负；电动机转子的转向与气隙旋转磁密相反时，s＞1。
　　如果用另一台原动机拖动电动机，使它的转速高于同步转速n1运行，即n＞n1，这时导体中电势、电流的方向以及产生的电磁转矩的方向也反了，如图5-1(b)所示。这种情况下，电磁转矩对原动机来说，是一个制动转矩。要保持电机转子继续转动，原动机必须给电机输入机械功率。
　　于是，异步电机的定子方面由从电网吸收电功率，改变为向电网发出电功率，即处于发电机运行状态。
　　如果用其他机械拖动电机转子向着气隙旋转磁密相反的方向转动，即，s＞1，如图5-1(c)。这时转子中电势、电流的方向仍然与电动机工作状态时一样，作用在转子上的电磁转矩方向仍然与气隙旋转磁密的方向一致，但是。与转子的实际转向却相反了。可见，这时的电磁转矩与拖动机械加在电机转子上的转矩的方向相反，互相平衡，而电磁转矩为制动转矩。我们把这种情况叫做电机处于电磁制动运行状态。
　　电机除了吸收拖动机械的机械功率外，还从电网吸收了电功率。这两部分功率在电机内部都以损耗的方式最终转化为热能散发出来。
　　三、异步电动机的结构
　　异步电动机的主要结构是由定子和转子两部分组成，定、转子中间是空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座等部件，图5-2是三相鼠笼式异步电动机的结构图。
　　图5-2　三相鼠笼式异步电动机的结构图
　　1.定子
　　定子是异步电动机固定不动的部分。由机座、定子铁芯和定子绕组组成。
　　机座是电动机的外壳，起着支撑电机的作用，通常用铸铁铸成。大机座也有用钢板拼焊起来的。
　　定子铁芯是电动机磁路的一部分，装在机座内部。它是一个中空圆柱体，外壁与机座配合，内壁开槽，槽内放定子绕组。为了减少铁芯中的损耗，定子铁芯用0.5mm厚的硅钢片叠成。
　　三相异步电机的定子绕组并不是都按星形接法联接，只有在大容量高电压时，才按星形接法联接。一般中、小容量低电压的异步电机，通常把三相绕组的六根线头引出来，在外面根据需要把它接成三角形或星形接法。这样，既可以使电机适用于两种不同等级的电源电压，例如星形接法用于380V电源；三角接法就可以用于220V电源上，又能满足起动的要求，即设计成在三角接法时，用于380V电源，起动时，改成星形接法，达到降压起动的目的。
　　定子绕组用绝缘的铜导线绕成，嵌在定子槽内，绕组与槽壁间用绝缘材料隔开。
　　2.气隙
　　异步电机的气隙比同容量直流电机的气隙要小得多，在中、小型异步电机中，一般为0.2～1.0mm。这是因为异步电机的励磁电流是由电网供给的，气隙大时，励磁电流也就大，从而降低了电机的功率因数。为了提高功率因数，应尽量把气隙做得小些。但是气隙过小时，将使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加。
　　3.转子
　　电动机的转子是由转子铁芯、转子绕组和转轴组成的。转子铁芯也是磁路的一部分，一般由硅钢片叠成，铁芯固定在转轴上。
　　转子绕组如果是绕线式的，它可以联成星形或三角形。一般小容量的接成三角形；中、大容量的都接成星形。绕组的三根引出线接到三个集电环（集电环固定在转轴上），用一套电刷引出来，如图5-3所示。
　　这就可以把外接电阻连联到转子绕组回路里去。串电阻的目的是为了改善电动机的特性或者是为了调节转速。
　　鼠笼式转子绕组的结构与定子绕组大不相同，在转子铁芯上也有槽，各槽里都有一根导条。在铁芯的两端有两个瑞环，分别把所有导条伸出槽外的部分都联接起来，形成了短接的回路。如果拿掉转子铁芯，绕组的形状就像一个老鼠笼子，如图5-4(a)所示。导条的材料有用铜的，有用铝的。如果是用铜的，就是把事先做好的裸铜条插入转子铁芯槽中，再用铜环套在两端铜条的头上，并焊接在一起；如果是用铝做绕组时，是用熔化了的铝液直接浇铸在转子铁芯槽内，连同瑞环和风扇叶一次铸成，如图5-4(b)所示。
　　图5-3　绕线式异步电机定、转子绕组接线图
　　（a）铜条绕组；（b）铸铝转子
　　图5-4鼠笼型转子绕组
　　四、异步电动机的额定值
　　异步电动机的额定值通常会在铭牌上标出，包含下列内容：
　　(1)额定功率PN：指电动机在额定运行时转轴上输出的机械功率，单位是干瓦。
　　(2)额定电压UN：指额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为伏。
　　(3)额定电流IN：指电动机在定子绕组上加额定电压，轴上输出额定功率时，定了绕组中的线电流，单位为安。
　　(4)额定额率f：我国规定工业用电的频率为50赫兹。
　　(5)额定转速nN：指电动机定子加额定频率的额定电压，且轴上输出额定功率时电动机的转速，单位为转／分。
　　(6)额定功率因数cosφN：指电动机在额定负载时定子边的功率因数。
　　(7)绝缘等级与温升。