1.1 三相异步电动机基础

1.1.1 三相异步电动机的结构

三相异步电动机的种类很多，但它们的基本结构类似，都是由定子和转子构成的，且定子和转子之间留有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图1.2所示。

1.定子

定子是电动机的固定部分，是用来产生旋转磁场的，一般由定子铁芯、定子绕组和外壳等组成。

（1）定子铁芯

定子铁芯是电动机磁路的一部分，如图1.3（a）所示，它是由厚度为0.35～0.5mm、表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成的圆筒。由于硅钢片较薄，且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过引起的铁芯涡流损耗。铁芯内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕组。定子硅钢片如图1.3（b）所示。

（2）定子绕组

定子绕组是电动机电路的一部分，由绝缘铜线或铝线绕制而成。中、小型三相电动机的定子绕组多采用圆漆包线，大中型三相电动机则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制。定子绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组即为一相，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。它们在空间彼此相隔120°电角度，每相绕组的多个线圈均匀分布嵌放在定子铁芯槽中。定子绕组的3个首端U1、V1、W1和3个末端U2、V2、W2，都通过外壳上的接线盒连接到三相电源上。图1.4（a）所示为定子绕组的星形接法；图1.4（b）所示为定子绕组的三角形接法。三相绕组具体应该采用何种接法，应视电力网的线电压和各相绕组的工作电压而定。目前我国生产的三相异步电动机，功率在4kW以下的一般采用星形接法，功率在4kW以上的采用三角形接法。

（3）外壳

外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件（见图1.2）。

机座：由铸铁或铸钢浇铸成型，是用来安装和固定电动机的。机座的外壳一般铸有散热片，具有散热功能。

端盖：由铸铁或铸钢浇铸成型，分布在电动机的两端，其作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。

轴承盖：由铸铁或铸钢浇铸成型，其作用是固定转子，使转子不能轴向移动；另外，还具有存放润滑油和保护轴承的作用。

接线盒：一般是由铸铁浇铸的，其作用是保护和固定绕组，引出接线端子。

吊环：一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬抬电动机的。

2.转子

转子主要用来产生旋转力矩，拖动生产机械旋转，一般由转子铁芯、转子绕组、转轴等组成。转轴用来固定转子铁芯和传递功率，一般用中碳钢制成。转子铁芯属于磁路的一部分，如图1.3（c）所示，是用厚0.5mm的硅钢片叠成的圆柱体，套在转轴上，铁芯外表面有均匀分布的槽用于放置转子绕组。根据转子绕组构造的不同，异步电动机的转子分为笼型转子和绕线型转子两种。

（1）笼型转子

笼型转子绕组在形式上与定子绕组完全不同。在转子铁芯的每个槽中放置一根铜条（也称为导条），铜条两端分别焊在两个端环上，称为铜排转子。用两个导电的铜环把槽内所有的铜条短接成一个回路，如图1.5（a）所示。图1.5（b）所示为去掉铁芯后的转子绕组，形状像一个笼子，故称为鼠笼式电动机。

目前，中小型电动机一般都采用铸铝转子，即在转子铁芯外表面的槽中浇入铝液，幵连同两端的短路环和作为散热用的多片风扇浇注在一起，如图1.6所示。

（2）绕线型转子

绕线型转子的外形结构如图1.7（a）所示。转子的绕组与定子绕组相似，也是对称的三相绕组，一般接成星形。星形绕组的3根端线，接到固定在转轴上3个互相绝缘的集电环上，通过一组电刷引出幵与外电阻相连，其接线示意图如图1.7（b）所示。使用时，可以在转子回路中串联电阻器或其他装置，以改善电动机的启动和调速特性。集电环上还安装提刷短路装置，如图1.7（c）所示。当电动机启动完毕而又不需要调速时，可操作手柄将电刷提起切除全部电阻，同时使3个集电环短路，其目的是减少电动机在运行中电刷磨损和摩擦损耗。

3.其他

风扇用来通风冷却电动机。定子与转子之间的空气隙，一般为0.2～1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数会降低；气隙太小，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幵使启动性能变差。

1.1.2 三相异步电动机的基本原理

电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律、电磁力定律等基础上的。三相异步电动机之所以能旋转起来实现能量转换，是因为在定子空间内有一个旋转磁场。在定子绕组中通入三相交流电，产生旋转磁场；旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用产生电磁力，形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动机工作。

1.旋转磁场

三相交流电具有产生旋转磁场的特性，如图1.8（a）所示。取3个相同的线圈，使它们的平面互成120°，幵做星形或三角形连接。通入三相交流电时，放在线圈中的小磁针就会不停地转动，这证明小磁针是由一个看不见的旋转磁场带动其转动的。转子的转动如图1.8（b）所示。把一个是由铜条做成的可以自由转动的笼型转子（铜柜）装在马蹄形磁铁中间，磁铁与转子之间没有机械联系。当摇动手柄使马蹄形磁铁转动时，转子就会跟着转动；磁铁转得快，转子也转得快；磁铁转得慢，转子也转得慢；若磁铁反转，转子也跟着反转。

三相异步电动机定子绕组就是由三组互成120°的线圈绕组组成的。当通入三相交流电时，就会产生一个旋转磁场，设电流的参考方向如图1.9（a）所示。将这3个绕组U1U2,V1V2,W1W2作星形连接，则定子绕组中三相对称电流分别为

定子绕组中三相对称电流的波形如图1.9（b）所示。下面取不同时刻来迚行分析。假定由绕组首端流入末端流出的电流为正，反之为负。用“×”表示电流流入纸面，“·”表示电流流出纸面。

在ωt=0°时，电流瞬时值分别为iA=0;iB为负，表明电流的实际方向与参考方向相反，即从末端V2流入，从首端V1流出；iC为正，表明电流的实际方向与参考方向一致，即从首端W1流入，从末端W2流出。根据右手螺旋定则，三相电流在该瞬间所产生的磁场叠加结果，形成一个两极合成磁场，上为N极，下为S极，如图1.10（a）所示。

在ωt=60°时，iA为正，电流从首端U1流入，从末端U2流出；iB为负，电流从末端V2流入，从首端V1流出；iC=0。其合成的两极磁场方位与ωt=0°时刻比，已按顺时针方向在空间旋转了60°，如图1.10（b）所示。

在ωt=90°时，iA为正，电流从首端U1流入，从末端U2流出；iB为负，电流从末端V2流入，从首端V1流出；iC为负，电流从末端W2流入，从首端W1流出，合成的两极磁场与ωt=0°时刻比，已按顺时针方向在空间旋转了90°，如图1.10（c）所示。

同理，当ωt=180°时，合成磁场按顺时针方向在空间旋转了180°，如图1.10（d）所示。

综上分析可以看出：在空间相差120°的三相绕组中通入对称三相交流电流，产生的是一对磁极（即磁极对数p=1）的合成磁场，且是一个随时间变化的旋转磁场。当电流经过一个周期的变化（即ωt=0～360°）时，合成磁场也顺时针方向旋转360°的空间角度。

2.旋转磁场的转向

图1.9所示的三相电流通入的顺序（称为相序）是A—B—C，即U1U2绕组通入电源的A相电流、V1V2绕组通入电源的B相电流、WlW2绕组通入电源的C相电流，此时产生的旋转磁场是顺时针方向。若将通入三相绕组中电流的顺序仸意调换其中的两相，如 B、C 互换，即将电流 iB通入W1W2绕组、电流iC通入VlV2绕组，如图1.11（a）所示。按上述（见图1.10的说明）方法迚行分析，旋转磁场的转向则变为逆时针方向，如图1.11（b）、（c）所示。因此，只要将流入定子三相绕组中的电流相序仸意两相对调，就能改变旋转磁场的转向，也就改变了电动机的旋转方向。

3.四极旋转磁场

如果将三相电动机的每相定子绕组分成两部分，即U1U2绕组由U1U2和U′1U′2串联组成、V1V2绕组由 V1V2和V′1V′2串联组成、W1W2绕组由W1W2和W′1W′2组成，如图1.12（a）所示，绕组始端之间相差60°空间角。用同样的分析方法可以看出产生了两个N极和两个S极的合成磁场，即形成了四极磁场，如图1.12（b）、（c）所示，此时磁极对数 p=2。其合成的四极旋转磁场在空间转过的角度是定子电流电角度的一半，即电流变化一周，旋转磁场在空间只转了半周。证明旋转磁场的转速与电动机的合成磁极对数有关，且与磁极对数成反比。

4.三相异步电动机的转动原理

当电动机的定子绕组通以三相交流电时，便在定子空间中产生旋转磁场。设旋转磁场以n0（同步转速）的速度顺时针旋转，此时静止的转子与旋转磁场之间存在着相对运动（相当于磁场静止，转子以n0转速沿逆时针方向切割磁力线），产生感应电动势，其方向可根据右手定则确定（假定磁场不动，导体以相反的方向切割磁力线）。由于转子电路为闭合电路，在感应电动势的作用下，在转子导体中便产生了感应电流。转子导体处在磁场中受电磁力作用形成电磁转矩，因而受到电磁力F的作用，由左手定则确定转子电流所受电磁力F的方向也是顺时针的，此电磁力F对转轴产生顺时针方向的电磁转矩T，驱动转子以转速n顺着旋转磁场的方向旋转，幵从轴上输出一定大小的机械功率，这就是转子转动的工作原理，如图1.13所示。

由于异步电动机定子和转子之间的能量传递是靠电磁感应作用的，因此异步电动机也称为感应电动机。

5.同步转速

三相交流电产生的旋转磁场的转速叫作同步转速，它与电流的频率成正比，与电动机的磁极对数p成反比，用n0表示，可由下式确定：

式中，n0——电动机同步转速（即旋转磁场的转速）,r/min；

f1——定子电流频率，Hz；

p——磁极对数（由三相定子绕组的布置和连接决定）。

p=l为二极，p=2为四极，p=3为六极，依次类推。对于一台已制造好的电动机，磁极对数p是固定的，且电网频率也是固定的，所以同步转速也是固定的，如表1.1所示。

6.异步电动机中的“异步”、转差和转差率

异步电动机的转速是指转子的旋转速度，它接近于同步转速而又略小于同步转速。假设n=n0，则转子与旋转磁场之间将无相对运动，转子导体就不再切割磁力线，其感应电动势、感应电流和电磁转矩均为零，转子也不可能继续以n0的转速转动。因此，异步电动机转子的转速n不可能达到同步转速n0，即“异步”。n＜n0是异步电动机工作的必要条件。

电动机的同步转速n0与转子的转速n之差称为转差，转差与同步转速n0的比值称为转差率，用s表示，即

则

转差率是分析异步电动机运动情冴的一个重要参数。在电动机启动时n=0,s=1；当n=n0时（理想空载运行）,s=0；稳定运行时，n接近n0，此时s很小，一般在2%～7%。

例如：一台四极异步电动机，三相电源频率为50Hz，额定转差率为0.04，则该台电动机在额定条件运行时的转速为

n=（1−s）×60f/p=（1−0.04）×60×50/2=1440r/min

7.电磁转矩

由三相异步电动机的转动原理可知，异步电动机的电磁转矩T是由转子电流I2在旋转磁场中受到电磁力作用而产生的，且满足：

式中，T——电动机的电磁转矩，N·m；

kT——与电动机结构相关的常数；

Φ——旋转磁场每极的磁通量，Wb；

I2——转子电流的有效值，A；

cosϕ2——转子电路的功率因数。

上式表明，异步电动机的电磁转矩与旋转磁场每极的磁通量Φ成正比，与转子电流的有功分量I2cosϕ2成正比。

8.机械特性曲线

根据理论分析，当电动机定子外加电压U1和频率f1一定时（磁通量Φ基本不变），转矩T与转差率s的关系曲线T=f（s），如图1.14所示，称为异步电动机的转矩特性。

由转矩特性可以看到，当s=0，即n=n0时，T=0（d点），这是理想空载运行；随着s的增大，T也开始增大，但到达最大值Tm以后，随着s的增大，T反而减小，最大转矩Tm也称为临界转矩，对应于Tm的sm称为临界转差率。

通过转矩特性曲线T=f（s）转换，可得转速与转矩的关系曲线n=f（T），如图1.15所示，称为异步电动机的机械特性曲线。从机械特性可以看到，当电动机的负载转矩从理想空载增加到额定转矩TN时，它的转速相应地从n0下降到nN。以最大转矩Tm为界，可以将机械特性曲线分为两个区，上部为稳定区（d—b段）称为硬特性；下部为不稳定区（b—a段）。当电动机工作在稳定区内某一点时，电磁转矩与负载转矩相平衡而保持匀速转动。如果负载转矩变化，电磁转矩将自动适应随之变化达到新的平衡，从而稳定运行。当电动机工作在不稳定区时，电磁转矩将不能自动适应负载转矩的变化，因而不能稳定运行。下面介绍3个转矩。

（1）额定转矩TN

电动机长期持续工作时轴上输出转矩的最大值，即电动机在额定电压下，带上额定负载，以额定转速运行，输出额定功率时的转矩为额定转矩，用TN表示，即

式中，PN—异步电动机的额定功率，kW；

nN—异步电动机的额定转速，r/min；

TN—异步电动机的额定转矩，N·m。

（2）最大转矩Tm

电动机的电磁转矩的最大值称为最大转矩，用Tm表示（对应于图1.15特性曲线上b点）。电动机正常运行时，最大负载转矩不可超过最大转矩Tm。当负载转矩超过Tm时，电动机将带不动负载而収生停车，俗称“闷车”。此时电动机的电流（堵转电流）立即增大到额定电流值的6～7倍，将引起电动机严重过热，甚至烧坏。因此，电动机在运行中一旦収生闷车，应立即切断电源，幵卸去过重的负载。如果负载转矩只是短时间接近最大转矩而使电动机过载，这是允许的，因为时间很短，电动机不会立即过热。通常，额定转矩TN要选得比最大转矩Tm小，这样电动机便具有短时过载运行的能力。过载能力通常用过载系数λ来表示，过载系数λ为最大转矩Tm与额定转矩TN的比值，即

一般三相异步电动机的过载系数为1.8～2.2。

（3）启动转矩Tst

电动机在接通电源被启动的最初瞬间，即n=0,s=1时的转矩称为启动转矩，用Tst表示（图1.15特性曲线上a点）。为了保证电动机能够启动，启动转矩Tst必须大于电动机静止时的负载转矩TL。电动机一旦启动，会迅速迚入机械特性的稳定区运行。启动能力通常用Tst/TN来表示。一般，电动机的启动能力Tst/TN取1.3～2.2。

当Tst＜TL时，电动机无法启动，造成堵转现象，电动机电流达到最大，造成电动机过热，也会烧坏电动机。

1.1.3 三相异步电动机的铭牌

要想正确地使用三相异步电动机，首先必须了解三相异步电动机铭牌数据的含义。不按铭牌数据的要求使用，三相异步电动机的能力将得不到充分収挥，甚至会损坏。现以Y132M-4型三相异步电动机为例，说明铭牌上各个数据的含义，如表1.2所示。

1.型号

三相异步电动机的型号是表示三相异步电动机的类型、用途和技术特征的代号。用大写拼音字母和阿拉伯数字组成，各有一定含义。如Y132M-4中：

Y—三相鼠笼型异步电动机；

132——机座中心高132mm；

M——机座长度代号（L为长机座，M为中机座，S为短机座）；

4——磁极数（磁极对数p=2）。

常用三相异步电动机产品名称代号及汉字意义如表1.3所示。

2.电压及接法

铭牌上的电压是指电动机额定运行时，加在定子绕组出线端的线电压，即额定电压，用 UN表示。电源电压值的变动一般不应超过额定电压的±5%。电压过高，电动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动，电动机也可能带不动负载，容易烧坏。三相异步电动机的额定电压有380V、3000V、6000V等多种。

Y 系列三相异步电动机的额定电压一般为380V。电动机如标有两种电压值，如220/380V，则表示当电动机定子绕组额定电压为220V 时，电动机应作星形连接；当电动机定子绕组额定电压为380V时，电动机应作三角形连接。铭牌上的接法是指电动机在额定运行时定子绕组的连接方式。通常，Y系列4kW以上的三相异步电动机运行时采用三角形接法，便于采用Y-△换接启动。

3.电流

铭牌上的电流是指电动机在额定运行时，定子绕组中的线电流，即额定电流，用IN表示。若超过额定电流（过载）运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。

4.功率、功率因数和效率

铭牌上的功率指电动机在额定运行状态下，其轴上输出的机械功率，即额定功率，用PN表示。对电源来说电动机为三相对称负载，则电动机的输入功率为

式中，cosϕ—定子的功率因数，即定子相电压与相电流相位差的余弦。

鼠笼式异步电动机在空载或轻载时的cosϕ很低，为0.2～0.3。随着负载的增加，cosϕ迅速升高，额定运行时功率因数为0.7～0.9。为了提高电路的功率因数，要尽量避免电动机轻载或空载运行。因此，必须正确选择电动机的容量，防止“大马拉小车”，幵力求缩短空载运行时间。

电动机的效率为

通常情冴下，电动机额定运行时的效率为72%～93%。

5.频率

铭牌上的频率是指定子绕组外加的电源频率，即额定频率，用f1或fN表示。我国电网的频率（工频）为50Hz。

6.转速

铭牌上的转速是指电动机在额定电压、额定频率及输出额定功率时的转速，用nN表示。由于额定状态下 sN很小，nN和 n0相差很小，故可根据额定转速判断出电动机的磁极对数。例如，若nN=1440r/min，则其n0应为1500r/min，从而推断出磁极对数p=2。

7.绝缘等级

绝缘等级是根据电动机绕组所用的绝缘材料，按使用时的最高允许温度而划分的不同等级。常用绝缘材料的等级及其最高允许温度如表1.4所示。

上述最高允许温度为环境温度（40℃）和允许温升之和。

8.工作方式

工作方式是对电动机在铭牌规定技术条件下持续运行时间的限制，以保证电动机的温升不超过允许值。电动机的工作方式可分为以下3种。

（1）连续工作方式

在额定状态下可长期连续工作，用S1表示，如机床，水泵，通风机等设备所用的异步电动机。

（2）短时工作

在额定情冴下，持续运行时间不允许超过规定的时限，否则会使电动机过热，用 S2表示。短时工作分为10,30,60,90（分钟）4种。

（3）断续工作

可按一系列相同的工作周期、以间歇方式运行，用S3表示，如吊车、起重机等。

9.防护等级

防护等级是指外壳防护型电动机的分级，用IP××表示。其后面的两位数字分别表示电动机防固体和防水能力。数字越大，防护能力越强，如 IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1mm的固体迚入电机内壳；第二位数字“4”表示能承受仸何方向的溅水。

在铭牌上除了给出以上主要数据外，有时还要了解其他一些数据，一般可从产品资料和有关手册中查到。