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1、第7章 三相交流异步电动机,返回总目录,三相异步电动机的工作原理与结构 三相交流电动机的绕组 交流电动机电枢绕组的感应电动势 三相异步电动机的定子磁动势 三相异步电动机转子静止时的电磁关系 三相异步电动机转子旋转时的电磁关系 三相异步电动机的功率和转矩 三相异步电动机的工作特性和参数测定 三相异步电动机的机械特性 本 章 小 结习题与思考题,本章内容,交流电动机按照转子转速与旋转磁场速度(同步速度)的异同，可分为交流同步电动机与交流异步电动机。同步电动机转子的速度与旋转磁场的速度相同，所以，称为同步电动机，一般应用于恒速负载与发电场合；异步电动机转子的速度与旋转磁场的速度不同，所以，称为异步电
2、动机，其应用相对同步电动机要广泛的多。同步电动机的定子结构与异步电动机的结构基本相同，所以，本章主要探讨交流异动步电动机。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,异动步电动机按电源相数分类可分为三相异步电动机与单相异步电动机。三相异步电动机使用三相交流电源，它具有结构简单、使用和维修方便、坚固耐用等优点，在工农业生产中应用极为广泛。,一、三相异步电动机的工作原理,交流异步电动机的工作原理，主要为旋转磁场原理。,1.实验演示 为了说明交流异步电动机的工作原理，先做一个实验。如图7.1所示，将一个可绕轴自由转动的金属框放置在蹄形永久磁铁的两磁极之间，永久磁铁架装在支架上，并装有手柄。摇动手柄使永
3、久磁铁环绕金属框旋转，这时会看到金属框也随着磁铁的旋转而转动起来。,图7.1 转动永久磁铁对金属框的影响,1手柄 2蹄形磁铁 3金属框,金属框为什么会转动呢？为便于分析，将图7.1的装置改画成示意图。可以想像从金属框下面沿转轴向上看，为了更加清晰的说明问题，略去支架不画，便可得到了如图7.2所示的永久磁铁和金属框的示意图。图中两个小圆圈表示金属框与纸面相垂直的两条导体边。当摇转手柄，蹄形永久磁铁转动时，金属框便处在旋转磁场之中。这时，金属框与磁场间有了相对运动，金属框会因为切割磁力线而产生感应电动势，感应电动势的方向可由右手定则判定，由于金属框是闭合的，所以有感应电流。,7.1 三相异步电动机
4、的工作原理与结构,图7.2 闭合金属框在旋转磁 场中受力示意图,在图7.2中，假设磁场的旋转是逆时针的，这相当于金属框相对于永久磁铁，以顺时针方向切割磁力线，金属框中感生电流的方向，如图中小圆圈里所标的方向。此时的金属框已成为通电导体，于是它又会受到磁场作用的磁场力，力的方向可由左手定则判断，如图7.2中小箭头所指示的方向。金属框的两边受到两个反方向的力f，它们相对转轴产生电磁转矩(磁力矩)，使金属框发生转动，转动方向与磁场旋转方向一致，但永久磁铁旋转的速度n1要比金属框旋转的速度n大。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,从上述实验中可以看到，在旋转的磁场里，闭合导体会因发生电磁感应而成
5、为通电导体，进而又受到电磁转矩作用而顺着磁场旋转的方向转动；实际的电动机中不可能用手去摇动永久磁铁产生旋转的磁场，而是通过其他方式产生旋转磁场，如在交流电动机的定子绕组(按一定排列规律排列的绕组)通入对称的交流电，便产生旋转磁场；但产生的不是如图7.1中有形体的旋转磁场，而是一个具有图7.2中旋转磁场效应的无形旋转磁场。这个磁场虽然看不到，但是人们可以感受到它所产生的效果，与有形体旋转磁场的效果一样。通过这个实验，可以清楚地看到，交流电动机的工作原理主要是产生旋转磁场。,2.三相异步电动机的旋转磁场,为了更好的说明三相异步电动机的工作原理，现再作一个实验如图7.3所示，进一步进行说明，从中可以
6、很清楚地看到三相交流电产生旋转磁场的现像。图中所示的3个绕组在空间上相互间隔机械角度120(实际的电动机中一般都是相差电角度120，关于电角度的解释参看第7.2节)，3个绕组的尾端(标有U2、V2、W2)连接在一起(3个绕组的这种连接称为星形(Y)接法。常用接法还有三角形()接法，就是将3个绕组首尾相连，在3个接点上,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,分别引出3根引线的接法。)，将对称的三相交流电iU=Imsin t、iV=Imsin(t-120)、iW=Imsin(t-240)从3个绕组的首端(标有U1、V1、W1)通入，放在绕组中心处的小磁针便迅速转动起来，由此可知旋转磁场的存在。倘
7、若把图7.1中的金属框安放在小磁针的位置上，则会看到金属框就会像在图7.1所示实验中那样转动起来。与图7.1不同的是，这时已实现了用电能换取机械能的设想。实际上这已经是一台最简单的“异步电动机”了。,(a)接线圈(b)实验装置,图7.3 三相交流电产生旋转磁场的实验,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,为了减少漏磁损耗，实际电动机的绕组嵌放在定子铁心线槽里，图7.4是绕组嵌放在定子铁心槽里的示意图，图7.4中只画出了各个绕组的条边，两边之间的连接部分没有画出。例如U1、U2所接的小圆圈，实际是同一个绕组的两条边(绕组边与纸面垂直)。另两个绕组是V1-V2和W1-W2。这里，U1、V1、W1
8、分别是3个绕组的首端，U2、V2、W2分别是3个绕组的尾端。将U2、V2、W2接在一起，U1、V1、W1接三相电源，就构成了星形接法(也可以用三角形接法，即U2与V1、V2与W1、W2与U1分别相连接，连接点引出引线，接三相电源)，这样，在定子铁心中间的空腔里就得到如图7.1所示的旋转磁场了。,图7.4 三相交流电动机定子 三相绕组排列示意图,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,当3个绕组跟三相电源接通后，绕组中便通过三相对称的交流电流iU、iV、iW。这里规定：电流取正值时，是由绕组始端流进(符号)，由尾端流出(符号)；电流取负值时，绕组中电流方向与此相反。,图7.5 三相交流电产生旋转
9、磁场示意图,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,当t=t1=0，U相电流iU=0，V相电流取为负值，即电流由V2端流进，由V1端流出；W相电流iW为正，即电流从W1端流进，从W2端流出。在图7.5的定子绕组图中，根据电生磁右手螺旋定则，可以判定出此时电流产生的合成磁场如图7.5(a)所示，此时好像有一个有形体的永久磁铁的N极放在导体U1的位置上，S极放在导体U2的位置上。当 t=t2=2时，电流已变化了1/3周期。此时刻i为正，电流由U1端流入，从U2端流出，iV为零；iW为负，电流从W2端流入，从W1端流出。这一时刻的磁场如图7.5(b)所示。磁场方向较t=t1时沿顺时针方向在空间转过了
10、120。用同样的方法，继续分析电流在t=t3、t=t4时的瞬时情况，便可得这两个时刻的磁场，如图7.5(c)、7.5(d)所示。在t=t3=4 时刻，合成磁场方向较t2时刻又顺时针转过120。在t=t4=2 时刻，磁场较 t3时再转过120，即自t1时刻起至t4时刻，电流变化了一个周期，磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,从上述分析可知，三相对称的交变电流通过对称分布的3组绕组产生的合成磁场，是在空间旋转的磁场，而且是一种磁场幅值不变的圆形旋转磁场。三相异步电动机的基本原理，即：把对称的三相交流电通入彼此间隔120电角度的三相定子绕
11、组，可建立起一个旋转磁场。根据电磁感应定律可知，转子导体中必然会产生感生电流，该电流在磁场的作用下产生与旋转磁场同方向的电磁转矩，并随磁场同方向转动。,二、交流电动机中旋转速度的问题,1.旋转磁场的旋转速度 旋转磁场的速度也称为“同步转速”，用n1表示，其单位是“r/min”。它的大小由交流电源的频率及磁场的磁极对数决定。图7.5所举的例子是只能产生一对磁极的电动机，电流变化一个周期，旋转磁场转一圈；若电源电流的频率为f(Hz)，则一对磁极的旋转速度应为n1=60f(r/min)；我国电网供电电流的频率(即工频)为f=50 Hz(即每秒完成50个周期的变化)，则一对旋转磁场的转速就是50 r/
12、min60 r/min=3000 r/min。若定子绕组采用的排列方式不同，那么产生的磁极对数也不同，如图7.6所示的电动机。若把定子上每相隔180的两个绕组串连起来作为一相绕组(例如U相绕组是由绕组,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,U1U2与串联组成)，最后把三相绕组再按星形接法(或三角形接法)接入三相电源，如图7.6(a)所示，便能产生有两对磁极的旋转磁场，如图7.6(b)所示。,依照前面分析产生一对磁极的方法，仍然选取几个特殊的时刻，根据图7.5上图各相电流的正、负时刻，画出各个绕组中电流的流向，即可判定出各时刻产生的磁场情况，如图7.7所示。t=t1=0时，iU=0，U相绕组内
13、没有电流；iV为负值，电流由端流进，由端流出，再由V2端流进，由V1端流出；iW为正值，电流由W1端流进，由W2端,流出再由W1端流进。由W2端流出。此时三相电流产生的合成磁场如图7.7(a)所示。图7.7(b)、图7.7(c)、7.7(d)分别为图7.5上半部的电流波形图中所标的t2、t3、t4时刻的合成磁场。前面讲过，每当交流电变化一个周期，两极旋转磁场就在空间转过360(即1转)机械角度。从图7.7中可以看出，四极的旋转磁场在电流变化一周中，在空间只转过180(即1/2转)机械角度。由此类推，当旋转磁场具有P对,磁极时，交流电每变化一周，磁场就在空间转过1/p转。故旋转磁场的转速(同步转
14、速)n为 n1=60f/P(r/min)(7.1)式中 f电流的频率；P定子绕组产生的磁极对数。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,图7.6 三相交流异步电动机产 生4个磁极的定子绕组,图7.7 三相交流异步电动机产生4个磁极旋转磁场,2.旋转磁场的旋转方向 交流电动机旋转磁场的旋转方向，一般与接入定子绕组的电流相序有关。如前面举的两个例子(图7.5和图7.7)，磁场都是按顺时针方向旋转的，这与三相电源通入三相绕组的电流相序IUIVIW(正序电流)是一致的。若要使磁场按逆时针方间旋转，只需改变通入三相绕组中的电流相序，也就是说通入三相绕组的电流相序为IUIVIW是反(负)序的，即只要把三
15、相绕组的3根引出线头任意调换两根后再接电源就可实现，如图7.8所示。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,在图7.8中，使iV流入W1W2绕组，iW流入V1V2绕组，iU仍流入U1U2绕组。三相绕组通入反(负)序电流后，所产生的旋转磁场分析如图7.9所示。从图中可以明确看到，旋转磁场的旋转方向是逆时针的，与图7.7所示的旋转磁场的顺时针方向相反。,图7.8 三相绕组通入反(负)序电流的连接形式,图7.9 三相绕组通入反(负)序电流时的旋转磁场,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,3.转子的旋转速度,转子的旋转速度一般称为电动机的转速，用n表示。根
16、据前面的工作原理可知，转子是被旋转磁场拖动而运行的，在异步电动机处于电动状态时，它的转速恒小于同步转速n1，这是因为转子转动与磁场旋转是同方向的，转子比磁场转得慢，转子绕组才可能切割磁力线，产生感生电流，转子也才能受到磁力矩的作用。假如有n=n1情况，则意味着转子与磁场之间无相对运动，转子不切割磁力线，转子中就不会产生感生电流，它也就受不到磁力矩的作用了。如果真的出现了这样的情况，转子会在阻力矩(来自摩擦或负载)作用下逐渐减速，使得nn1。当转子受到的电磁力矩和阻力矩(摩擦力矩与负载力矩之和)平衡时，转子保持匀速转动。所以，异步电动机正常运行时，总是nn1，这也正是此类电动机被称作“异步”电动
17、机的由来。又因为转子中的电流不是由电源供给的，而是由电磁感应产生的，所以这类电动机也称为感应电动机。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,4.转差率,旋转磁场的同步转速与转子转速之差与同步转速的比值，称为异步电动机的转差率，即 s=(n1-n)/n1(7.2)式中s为转差率。当异步电动机刚要起动时，n=0，s=1；当n=n1时，s=0。异步电动机正常使用时，电动机转速略小于但接近同步转速，额定转差率一般小于5%。,5.三相异步电动机的转速与运行状态,如果作用在异步电动机转子的外转矩使转子逆着旋转磁场的方向旋转，即n0，s1，如图7.10(a)中所示，此时转子导条中的电动势与电流方向仍和电动
18、机时一样，电磁转矩方向仍与旋转磁场方向一致，但与外转矩方向相反。即电磁转矩是制动性质，在这种情况下，一方面电动机吸取机械功率，另一方面因转子导条中电流方向并未改变，对定子来说，电磁关系和电动机状态一样，定子绕组中电流方向仍和电动机状态相同，也就是说，电网还对电动机输送电功率，因此异步电动机在这种情况下，同时从转子输入机械功率、从定子输入电功率，两部分功率一起变为电动机内部的损耗。异步电动机的这种运行状态称为“电磁制动”状态，又称“反接制动”状态。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,如果用一原动机，或者由其他转矩(如惯性转矩、重力所形成的转矩)去拖动异步电动机，使它的转速超过同步转速，这时
19、在异步电动机中的电磁情况有所改变，因nn1，s0，旋转磁场切割转子导条的方向相反，导条中的电动势与电流方向都反向。根据左手定则所决定的电磁力及电磁转矩方向都是与旋转磁场及转子的旋转方向相反。这种电磁转矩是一种制动性质的转矩，如图7.10(c)所示，这时原动机就对异步电动机输入机械功率。以后会讲述，在这种情况下，异步电动机通过电磁感应由定子向电网输送电功率，电动机就处在发电动机状态。,三、三相异步电动机的结构,异步电动机的结构也可分为定子、转子两大部分。定子就是电机中固定不动的部分，转子是电机的旋转部分。由于异步电动机的定子产生励磁旋转磁场，同时从电源吸收电能，并产生且通过旋转磁场把电能转换成转
20、子上的机械能，所以与直流电机不同，交流电机定子是电枢。另外，定、转子之间还必须有一定间隙(称为空气隙)，以保证转子的自由转动。异步电动机的空气隙较其他类型的电动机气隙要小，一般为0.2 mm2mm。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,图7.10 异步电动机的3种运行状态,三相异步电动机外形有开启式、防护式、封闭式等多种形式，以适应不同的工作需要。在某些特殊场合，还有特殊的外形防护型式，如防爆式、潜水泵式等。不管外形如何电动机结构基本上是相同的。现以封闭式电动机为例介绍三相异步电动机的结构。如图7.11所示是一台封闭式三相异步电动机解体后的零部件图。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构
21、,图7.11 封闭式三相异步电动机的结构,1端盖 2轴承 3机座 4定子绕组 5转子 6轴承 7端盖 8风扇 9风罩 10接线盒,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,1.定子部分 定子部分由机座、定子铁心、定子绕组及端盖、轴承等部件组成。(1)机座。机座用来支承定子铁心和固定端盖。中、小型电动机机座一般用铸铁浇成，大型电动机多采用钢板焊接而成，如图7.12(a)所示。(2)定子铁心。定子铁心是电动机磁路的一部分。为了减小涡流和磁滞损耗，通常用0.5mm厚的硅钢片叠压成圆筒，硅钢片表面的氧化层(大型电动机要求涂绝缘漆)作为片间绝缘，在铁心的内圆上均匀分布有与轴平行的槽，用以嵌放定子绕组，如图
22、7.12(b)所示。槽形有平底、圆底等几种。图7.12所示为平底槽，图7.13所示为圆底槽。(3)定子绕组。定子绕组是电动机的电路部分，也是最重要的部分，一般是由绝缘铜(或铝)导线绕制的绕组联接而成。它的作用就是利用通入的三相交流电产生旋转磁场。通常，绕组是用高强度绝缘漆包线绕制成各种型式的绕组，按一定的排列方式嵌入定子槽内。槽口用槽楔(一般为竹制)塞紧。槽内绕组匝间、绕组与铁心之间都要有良好的绝缘。如果是双层绕组(就是一个槽内分上下两层嵌放两条绕组边)，还要加放层间绝缘，如图7.13所示。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,(a)已装入机座内的定子铁心(b)定子铁心硅钢片,图7.12
23、定子铁心,图7.13 定子槽内的导线和绝缘的放置,1槽楔 2槽绝缘 3层间绝缘 4导线,(4)轴承。轴承是电动机定、转子衔接的部位，轴承有滚动轴承和滑动轴承两类，滚动轴承又有滚珠轴承(也称为球轴承，如图7.14(a)所示)和滚柱轴承(图7.14(b)所示)之分，它们的结构如图7.14所示。目前多数电动机都采用滚动轴承，它的外圈装在端盖的轴承孔内，内圈装在转轴轴颈上。轴承两面有轴承盖，轴承盖与转轴之间的间隙处装有毡质油封，以阻止轴承内的润滑脂流出和尘埃侵入。滑动轴承也叫套筒轴承或轴瓦，其结构如图7.14(c)。这种轴承的外部有贮存润滑油的油箱，轴承上还装有油环，轴转动时带动油环转动，把油箱中的润
24、滑油带到轴与轴承的接触面上。为使润滑油能分布在整个接触面上，轴承上紧贴轴的一面一般开有油槽。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,图7.14 轴承结构,1滚动轴承；2轴承；3油箱；4油位指示器,2.转子部分 转子是电动机中的旋转部分，如图7.11中的部件5。一般由转轴、转子铁心、转子绕组、风扇等组成。转轴用碳纲制成，两端轴颈与轴承相配合。出轴端铣有键槽，用以固定皮带轮或联轴器。转轴是输出转矩、带动负载的部件。转子铁心也是电动机磁路的一部分。由0.5mm厚的硅钢片(见图7.15)叠压成圆柱体，并紧固在转子,轴上。转子铁心的外表面有均匀分布的线槽，用以嵌放转子绕组。三相交流异步电动机按照转子绕
25、组形式的不同，一般可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机。(1)笼型转子线槽一般都是斜槽(线槽与轴线不平行)，目的是改善起动与调速性能。其外形如图7.11中的第5部分；笼型绕组(也称为导条)是在转子铁心的槽里嵌放裸铜条或铝条，然后用两个金属环(称为端环)分别在裸金属导条两端把它们全部接通(短接)，即构成了转子绕组；小型笼型电动机一般用铸铝,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,转子，这种转子是用熔化的铝液浇在转子铁心上，导条、瑞环一次浇铸出来。如果去掉铁心，整个绕组形似鼠笼，所以得名笼型绕组，如图7.16所示。图7.16(a)为笼型直条形式，图7.16(b)为笼型斜条形式。,图7.15 交流
26、电动机铁心冲片1转子冲片 2定子冲片,(a)直条形式(b)斜条形式图7.16 笼型异步电动机的转子绕组形式,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,(2)绕线型转子绕组与定子绕组类似，由镶嵌在转子铁心槽中的三相绕组组成。绕组一般采用星形连接，三相绕组绕组的尾端接在一起，首瑞分别接到转轴上的3个铜滑环上，通过电刷把3根旋转的线变成了固定线，与外部的变阻器连接，构成转子的闭合回路，以便于控制，如图7.17所示。有的电动机还装有提刷短路装置，当电动机起动后又不需要调速时，可提起电刷，同时使用3个滑环短路，以减少电刷摩损。两种转子相比较，笼型转子结构简单，造价低廉，并且运行可靠，因而应用十分广泛。绕线
27、型转子结构较复杂，造价也高，但是它的起动性能较好，并能利用变阻器阻值的变化，使电动机能在一定范围内调速；在起动频繁、需要较大起动转矩的生产机械(如起重机)中常常被采用。一般电动机转子上还装有风扇或风翼(如图7.11中部件8)，便于电动机运转时通风散热。铸铝转子一般是将风翼和绕组(导条)一起浇铸出来，如图7.16(b)所示。,图7.17 绕线式异步电动机的转子,3.气隙 所谓气隙就是定子与转子之间的空隙。中小型异步电动机的气隙一般为0.2mm1.5mm。气隙的大小对电动机性能影响较大，气隙大。磁阻也大，产生同样大小的磁通，所需的励磁电流Im也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造
28、成困难，运行时定、转子容易发生摩擦，使电动机运行不可靠。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,四、三相异步电动机的铭牌数据,三相异步电动机在出厂时，机座上都固定着一块铭牌，铭牌上标注着额定数据。主要的额定数据为：(1)额定功率PN(kW)：指电动机额定工作状态时，电动机轴上输出的机械功率。PN=UNINNcos(7.3)(2)额定电压UN(v)：指电动机额定工作状态时，电源加于定子绕组上的线电压。(3)额定电流IN(A)：指电动机额定工作状态时，电源供给定子绕组上的线电流。,7.1 三相异步电动机的工作原理与结构,(4)额定转速门nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，转轴上的每分转速
29、。(5)额定频率fN(Hz)：指电动机所接交流电源的频率。(6)额定工作制：指电动机在额定状态下工作，可以持续运转的时间和顺序，可分为额定连续工作的定额S1、短时工作的定额S2、断续工作的定额S3等3种。此外，铭牌上还标明绕组的相数与接法(接成星形或三角形)、绝缘等级及温升等。对绕线转子异步电动机，还应标明转子的额定电动势及额定电流。,7.2 三相交流电动机的绕组,三相异步电动机也是一种机电能量变换的电磁装置。和直流电动机一样，要实现机电能量变换，异步电动机必须具有一定大小的分布的磁场和与磁场相互作用的电流。异步电动机的工作磁场(主磁场)，是一种旋转磁场，它是依靠定子绕组中通以交流电流来建立的
30、。因此，定子上的三相绕组必须保证当它通以三相交流电流以后，其所建立的旋转磁场具有一定的极数、一定的大小，并且在空间的分布波形接近正弦波形，以及由该旋转磁场在绕组本身中所产生的感应电动势是对称的。这种旋转磁场由旋转磁动势来建立，那么对磁场的要求，也就是对磁动势的要求。异步电动机定子绕组的种类很多，按相数分，有单相、二相和三相绕组；按槽内层数分，有单层、双层和单双层混合绕组；按绕组端接部分的形状分，单层绕组又有同心式、交叉式和链式之分；双层绕组又有叠绕组和波绕组之分；按每极每相所占的槽数是整数还是分数，有整数槽和分数槽绕组之分等等。但构成绕组的原则是一致的。本章仅以三相单层和双层绕组为例说明绕组的
31、排列和连接。,一、交流绕组的一些基本知识和基本量,7.2 三相交流电动机的绕组,为了便于分析三相绕组的排列和连接，先介绍一些有关交流绕组的基本知识和基本量。,1.绕阻及简化绕阻,绕阻是组成电动机绕组的基本单元，通常由一根或多根绝缘电磁线(圆线或扁线)，按一定的匝数、形状在绕线模子(简称线模)上绕制并绑扎而成，有些小型电动机的绕组不用线模，直接嵌绕到槽里，如手电钻。绕组的直线部分称为有效边，是嵌入铁心槽内作为电磁能量转换的部分。两端部伸出铁心槽外有楞角部分不能直接转换能量，仅仅起一个连接两有效边的桥梁作用。为了区别直流电动机与交流电动机的绕组，在直流电动机中把绕组称为元件，交流电动机中称为绕组。
32、常用的绕组(元件)样式及其简化图形符号如图7.18所示。图7.18(a)、图7.18(b)是绕组的实际形式，可能有很多圈(匝)，但描述电动机绕组在各个槽中的排列形式以及端部的连接形式，也就是电动机绕组展开图如图7.19(c)，不可能按实际的绕组匝数进行描述，否则将会使电动机绕组展开图的描述形式，显得非常繁杂，表现不清；所以，在绕组展开图中往往采用的是图7.18(c)、(d)的简化形式，也就是说，不管实际绕组中有多少圈,7.2 三相交流电动机的绕组,(匝)，按照电动机的工作原理，都可以等效为一匝。实际中的绕组多是一个一个事先绕好且端部都是连接在一起的。,图7.18 常用绕组及简化,1绕组有效边
33、2绕组端部,7.2 三相交流电动机的绕组,图7.18(a)、图7.18(c)中的波绕组绕组一般多用于转子绕组，由于转子绕组的电流一般都较大，所以，绕组的直径也较大。波绕组绕组有两种形式，一般的如图7.18(a)左图所示；对于有些容量很大的电动机，波绕组绕组是机器压模制成的，只有一匝且也只是一半，两个半拉绕组对接成一个绕组，压到槽里后要把上端部焊接(虚线框住的部分)；同时，还要注意用绝缘套管把焊接的部位套好，以保障绝缘良好，如图7.18(a)右图所示。图7.18(b)、图7.18(d)中的叠绕组绕组有两种形式，一种是菱形，多用于线径较小的情况，以增加绕组的骨架性，如图7.18(b)左图所示；另一
34、种是椭圆形，多用于线径较粗的情况，以免局部皲裂破损，如图7.18(b)右图所示。在实际中两种形式的应用并没有绝对的区分。,2.绕组组绕组,在实际的电动机内部往往有很多个绕组，这些绕组按照一定的规则进行连接，则多个绕组构成一组单元就称为绕组组。绕组是电动机中的电路部分。不同的电动机有不同的绕组形式，除去像直流电动机励磁绕组等集中式绕组和笼型转子等整体结构的绕组以外，一般绕组都是由多个绕组或绕组组，按照电动机绕组嵌线排列原则的方式，连接起来，构成一相或整个电磁电路，如图7.19(c)所示。,7.2 三相交流电动机的绕组,3.绕组展开图,由于电动机是圆周形的，在分析讨论绕组时很不方便，所以，一般都采
35、用绕组展开图的形式，分析绕组的连线规律。所谓的绕组展开图就是设想把定子(或转子)沿轴向切开、沿横向拉平，再略去铁心，把绕组连接规律用平面图形展示出来。如图7.19(a)、图7.19(b)所示，(为看得清楚，图7.19(a)图中没有画出绕组)，如图7.19(c)所示，是一个三相4极24槽交流电动机定子绕组的例子，这就是常见的绕组展开图了。从绕组展开图上可以看出各圈的连接情况和各绕组的有效边分别嵌放在哪个铁心槽中。,4.极距,相邻两个磁极轴线之间的距离，称为极距，用字母“”表示。极距的大小可以用长度表示，或用在铁心上线槽数表示，也可以用电角度表示。由于各磁极是均匀分布的，所以极距在数值上也等于每极
36、所占有的线槽数，但极距与磁极所占有槽的空间位置不同。以24槽4极电动机为例，每极所占槽数是24/4=6槽，各极中心轴线到与它相邻的磁极中心轴线的距离，也就是极距，显然也是6糟，如图7.20所示。一般地说，总槽数为Z1、有2P个磁极的电动机，其极距为=Z1/2P(7.4),图7.19 三相4极24槽交流电动机定子单层链式交叉绕组展开图,1绕组的排列形式 2槽中绕组边(导体)的位置 3各绕组端部的连接,7.2 三相交流电动机的绕组,5.电角度与槽距角,一个圆周的机械角度是360，在研究电动机问题时，把这种定义的角度称为空间机械角度，用表示。如果铁心圆周上分布有一对磁极，那么沿铁心圆周转1周，则经过
37、了空间机械角360，同时从磁场变化方面来说也完成了一个周期的变化，即N-S-N，或S-N-S，为了更加清晰地描述磁场，我们沿用机械角度变化1周为360空间机械角的描述，就说磁场变化1周在电空间也变化360电角度。这种情况(指有1对磁极情况)下，电角度(用表示)和空间机械角度数是相等的，即=如果是四极电动机，就是定子内圆上均匀分布着两对磁极，沿铁心圆周转动，每经过1对磁极，从电的方面讲就完成了1对磁场周期的变化，也就是转过了360电角度。沿铁心圆周转1周，转过的空间机械角仍是360，但在电的方面完成了2周变化，转过的电角度就是=3602=720，如图7.20(b)所示。对于有P对磁极的电动机来说
38、，铁心圆周的空间机械角当然还是360，而对应的电角度则是=360P,7.2 三相交流电动机的绕组,需要注意的是，按式(7.4)求得的电角度是铁心整个圆周的电角度。在后面的分析中，更多用到的是“槽间电角度”，即铁心上相邻两槽中心间隔的电角度，它也等于每一个槽子所占据的电角度。槽间电角度的计算公式为=360P/Z1(7.6)式中 Z1电动机铁心总槽数。,6.节距,一个绕组的两条有效边之间相隔的槽数称为节距(也有称跨距、开档的)，用y表示，一般用槽数表示，y 的称为长距绕组。常用的是短距与整距绕组。,7.每极每相槽数q,在交流电动机中，每个极距所占槽数一般要均等地分给所有的相绕组，每相绕组在每个磁距
39、下所分到的槽数，称为“每极每相槽数”，用q表示。在三相交流电动机中，相数是3，而单相交流电动机的相数是2。每极每相槽数q的公式即 q=Z1/2Pm=/m(7-7)式中 Z1槽数；2P磁极数；m相数；极距。,二、交流电动机绕组排列的基本原则,7.2 三相交流电动机的绕组,由上一节电动机的工作原理，欲使电动机正常工作，必须要遵循一定的绕组排列原则，进行正确的绕组排列，否则电动机将不能正常的工作。对于普通电动机而言一般都要遵循下列原则。1.电动机绕组排列的原则(1)一个极距内所有导体的电流方向必须一致；(2)相邻两个极距内所有导体的电流方向必须相反；(3)若为双层绕组，以上层绕组为准，或以下层绕组为
40、准。2.交流电动机绕组展开图绘制的操作步骤 在交流电动机绕组嵌线排列原则的指引下，可以很方便的了解和掌握绕组嵌线排列技术；并且分解出绕组展开图绘制的绘制步骤，方便实际操作。(1)计算参数。根据电动机的相数m，已有的槽数Z1与极对数P，计算极距以及每极每相槽数q，即 极距(槽)：=Z1/2P 每极每相槽数(槽/极相)：q=Z1/2Pm 关于绕组的节距以及绕组所采用的形式，可以根据原电动机或手册获得。,7.2 三相交流电动机的绕组,(2)编绘电动机的槽号。根据电动机的槽数，按照展开的形式画出每个槽，即将所有线槽等距离地画出，每一小竖线(竖线中间空出)代表一个线槽(也代表该槽内的导体)，并且按顺序在
41、每个槽(竖线中间空出部分)编上相应的号码，在画槽的时候，一般要多画几个，编号时要考虑到电动机槽的圆周整体性，所以要在展开槽的两端，同时绘出首尾号码。注意在竖线中间上部留出每极每相槽数的位置。(3)划定极距。在已编绘好槽号的基础上，从第一槽的前面半槽地方起，到最后一槽后面半槽止，在槽的上面划一长线，并根据电动机极距的具体数值，将它分为2P份，每份下面的槽数就是一个极距。注意在划定极距的时候，要预留出一定空间，即为绕组展开图上部绕组绘制留出相应的位置。确定各极距相应的位置，为确定每极每相槽数的位置打下了基础。(4)确定每极每相槽的位置。在一个极距下，按照相数m，首先分成m等份(也称作整体分布绕组)
42、，然后根据每极每相槽数的具体数值，在已划定极距相应位置的基础上，确定每个槽属于哪相绕组的位置。三相单层绕组分别用“U”、“V”、“W”表示各槽相绕组边的位置；若为双层绕组，则只标上层边所在槽的位置。以为后期绕组嵌线，确定各相绕组具体绕组所嵌的位置提供方便，不至于搞混。,7.2 三相交流电动机的绕组,(5)标定电流方向。按照交流电动机绕组排列原则的第(1)、(2)两条，即一个极距内所有导体的电流方向必须一致，相邻两个极距内所有导体的电流方向必须相反的原则。在已划分定各极距相应位置的基础上，标定出每个极距内各槽导体的电流方向。为后期各相绕组绕组与绕组间、绕组组与绕组组间的连接提供理论依据，以及操作
43、上的便利。(6)绕组展开图成图。根据电动机的工作原理，一台交流电动机可以有很多中嵌排方式，但一般都要按照原电动机的绕组形式，即是单层绕组、还是双层绕组，以及叠式、还是波式，链式、还是交叉式等具体情况，先确定绕组的节距y，再绕制绕组。一组绕组之间的连接取决于同属绕组中电流的方向，绕组组之间的连接也取决于绕组中的电流方向，但同时也取决于同属一相绕组的并联支路数。在设计绕组排列时没有考虑电流的因素。有些电动机，尤其是大功率低速电动机，绕组中电流很大，这就要求选用很粗的绕组导线。但粗导线绕组嵌线很困难。为解决这一问题，可以将每相绕组分成两条支路并联起来，再接引出线。同一相绕组中各并联支路必须对称，也就
44、是说各并联支路中串联的绕组数必须相等。总的来说，在前面各步已绘好的基础上可完成绕组展开图。具体操作中，首先按照绕组的节距，把绕组展开图上部，同属于一相绕组的绕组边，有规则的连接起来构成绕组。然后在绕组展开图的下部，以确保绕组边中的电流方向，连接各相绕组端部线头，以及各相绕组组的端部线头。,7.2 三相交流电动机的绕组,【例7.1】试绘制三相电动机4极24槽单层绕组展开图。按照上面讲的绕组排列原则的前两条(1)、(2)，以及绕组展开图形绘制操作步骤进行，即：第(1)步，参数计算。极距：=Z/2P=24/4=6 槽每极每相槽数：q=Z/2Pm=24/43=2 槽/极相在第一步的基础上，把第(2)(
45、5)步的操作内容绘在一起，如图7.21所示。,图7.21 三相24槽4极电动机单层绕组槽号绘编标定电流方向的排列展开图,7.2 三相交流电动机的绕组,第(6)步，绕组成图，如图7.22所示。本例采用的是同心交叉式，即大绕组套小绕组，按照电流示意的方向，进行一个绕组组内的连接，如1-8大绕组与2-7小绕组的连接；然后再进行绕组组与绕组组的连接，如U相绕组的两个绕组组之间的连接。,图7.22 三相24槽4极电动机单层绕组展开图,7.2 三相交流电动机的绕组,【例7.2】试绘制三相电动机4极24槽双层绕组展开图。按照绕组的三条排列原则以及绕组展开图操作步骤进行。第(1)步，参数计算。极距：=Z/2P
46、=24/4=6 槽每极每相槽数：q=Z/2Pm=24/43=2 槽/极相在第(1)步的基础上，把第(2)(5)步的操作内容绘在一起，如图7.23所示。,图7.23 三相24槽4极电动机双层绕组槽号绘编标定电流方向的排列展开图,7.2 三相交流电动机的绕组,第(6)步，绕组成图，如图7.24所示。双层绕组一般都采用短距绕组，y=5/6，所以本例采用y=5的节距。按照电流示意的方向，进行一个绕组组内的连接，如1-6与2-7绕组的连接；然后再进行绕组组与绕组组的连接，如U相绕组的两个绕组组之间的连接。,图7.24 三相24槽4极电动机双层绕组展开图,7.3 交流电动机电枢绕组的感应电动势,三相异步电
47、动机定子绕组接到三相电源后，气隙内即建立旋转磁场。这个磁场以同步转速n1旋转，幅值不变。其分布近乎正弦，好像一种旋转的磁极。它同时切割定、转子绕组，在其中产生感应电动势。虽然在定、转子绕组中感应电动势的频率有所不同，但两者定量计算的方法是一样的。本节讨论由正弦分布、以同步转速n1旋转的旋转磁场在定子绕组中所产生的感应电动势。,一、绕组的感应电动势及短矩系数,1.导体的感应电动势,图7.25(a)是一台简单的交流同步发电动机模型。它的定子是一个圆筒形的铁心，在靠近铁心内表面的槽内，放置一根导体A。圆筒形铁心中间放了可以旋转的主磁极。用原动机拖动着主磁极以恒定转速n1相对于定子逆时针方向旋转，根据
48、电磁感应定律，放在定子铁心上的导体A与转子主磁极之间有相对运动时，导体A中会产生感应电动势。为了能用公式和曲线表示气隙磁通密度和导体中的感应电动势，首先应当设置直角坐标并规定气隙磁通密度和感应电动势的参考方向。,从图7.25(a)中导体A处沿轴向剖开，把电动机定子和转子圆周展开成一直线，如图7.25(b)所示。在转子表面上放上直角坐标，坐标原点选在两个磁极的中间，纵坐标表示气隙磁通密度的大小，横坐标表示磁极表面各点到坐标原点的距离，用空间电角度表示，整个坐标随着转子一起旋转。,7.3 交流电动机电枢绕组的感应电动势,(a)(b),图7.25 简单的同步发电动机模型,7.3 交流电动机电枢绕组的
49、感应电动势,一般规定气隙磁通从转子磁极到定子的方向为正，对应的气隙磁通密度也为正，反之为负。规定导体A的感应电动势出纸面为正，用表示，反之为负，用表示。若转子的一对磁极在定子内圆周气隙中产生的磁通密度分布为正弦波，如图7.25(b)所示。当磁极随转子一起旋转时，此正弦分布的磁通密度波也随着一起旋转，从而切割定子导体。此磁通密度可用式(7.8)表示。式中 Bm气隙磁通密度的最大值。根据电磁感应定律，导体切割磁场所产生感应电动势的大小为 e=Bxlv(7.9)式中 Bx导体在处的气隙磁通密度，l是切割磁感应线的导体有效长度，v是导体垂直切割磁感应线的相对速度。导体A感应电动势的瞬时实际方向，用右手
50、定则确定。若转子逆时针旋转的转速为n1，用角速度表示为 单位为rad/s。,(7.8),(7.10),7.3 交流电动机电枢绕组的感应电动势,在求导体中的感应电动势时，可以认为转子不动而导体A以角速度朝相反方向旋转。如图7.25所示，导体A就是沿着+的方向以角速度移动。若把导体A正好位于上图中坐标原点的瞬问，规定为时间起点(t=0)。显然，当时间过了t秒后，导体A移动到处，这时=，该处的气隙磁通密度为 Bx=Bmsin=Bmsin t(7.11)则导体A中感应的电动势瞬时值为 eA=Bxlv=Bmlvsin t=Emsin t=Esin t(7.12)式(7.8)中 Em=Bmlv导体感应电动
