2.2 三相异步电动机的结构与工作原理

2.2.1 异步电动机概述

由于异步电动机（Asynchronous Machines）的转子绕组电流是基于电磁感应原理产生的，因此，异步电动机又称为感应电动机（Induction Machines）。

异步电动机按照转子的结构不同，分为笼型异步电动机和绕线转子异步电动机两种。

1.异步电动机的工作特点

异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子绕组电流直接取自交流电力系统。与其他类型的电动机相比，异步电动机的结构简单、容易制造、使用和维护方便、运行可靠性高、重量轻、成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的1/2，成本仅为1/3。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。异步电动机具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械的驱动要求。

异步电动机的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而其调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如驱动轧钢机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。

此外，异步电动机运行时，需要从电力系统中吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变差。因此，在大功率、低转速场合（如驱动球磨机、大型压缩机等）不如用同步电动机合理。

2.异步电动机的应用

由于异步电动机生产量大、使用面广，要求其必须有繁多的品种、规格与各种机械配套。因此，异步电动机的设计、生产特别要注意标准化、系列化、通用化。在各类系列产品中，以产量最大、使用最广的三相异步电动机系列为基本系列。此外，还有若干派生系列（在基本系列基础上做部分改变而衍生的系列）、专用系列（为特殊需要设计的具有特殊结构的系列）。

异步电动机的种类繁多，有YB系列防爆型三相异步电动机，YS系列小功率分马力三相异步电动机，Y、Y2、Y3系列三相异步电动机，YX3、YE2系列高效率三相异步电动机，YE3系列超高效率三相异步电动机，YZTE3系列铸铜转子超高效率三相异步电动机，YVF2、YVF3系列变频调速电动机等。

2.2.2 电动机的结构

三相异步电动机的种类很多，但其基本结构是相同的，均由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图2-7a和图2-7b所示。图2-8为三相异步电动机主要部件的拆分图。

1.定子

定子（Stator）是用来产生旋转磁场的。三相异步电动机的定子一般由外壳、定子铁心和定子绕组等部分组成。

（1）外壳

三相异步电动机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座是三相异步电动机机械结构的重要组成部分。机座多由铸铁或铸钢浇铸成型，其作用是保护和固定三相异步电动机的定子绕组。中、小型三相异步电动机的机座还有前、后两个端盖，用以支承转子。为提高散热性能，机座的外表一般都铸有散热片。

端盖多由铸铁或铸钢浇铸成型，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衡、平稳地运转。

轴承盖也是铸铁或铸钢浇铸成型的，其作用是支承和保护轴承、储存润滑油。此外，还具有限制转子轴轴向移动的作用。

接线盒一般是用铸铁浇铸或用钢板冲压成型，其作用是保护和固定电动机绕组的引出线端子。

图2-7 三相异步电动机的结构

a）三相笼型异步电动机结构图 b）绕线转子异步电动机结构图

图2-8 三相异步电动机主要部件的拆分图

吊环一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用来起吊、搬运电动机。

（2）定子铁心

异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚的硅钢片（图2-9）叠压而成。

硅钢片是一种含碳量极低的硅铁软磁合金，一般含硅量为0.5%～4.5%。加入硅可显著降低铁心损耗（简称铁耗或铁损），提高最大磁导率。硅钢片主要用于制作各种变压器、电动机和发电机的铁心。

图2-9 硅钢片

由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的（热轧硅钢片一般涂有绝缘油漆，而冷轧硅钢片在生产过程中形成的氧化膜自身就有绝缘作用，故冷轧硅钢片无须涂绝缘油漆），可减少由于交变磁场通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽，用于嵌放定子绕组（图2-10）。

图2-10 定子铁心及绕组

a）定子铁心（嵌入部分绕组） b）定子铁心（绕组嵌放完毕）

（3）定子绕组

定子绕组是三相电动机的电路部分，三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每两相绕组在空间相隔120°电角度。定子绕组的线圈由绝缘铜线或铝线绕制而成（图2-11）。

图2-11 定子绕组

a）散嵌绕组 b）成型绕组

中、小型三相电动机多采用圆漆包线，大、中型三相电动机的定子线圈则用较大截面的扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。

定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒内，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2。这六个出线端在接线盒内的排列如图2-12所示，可以接成星形或三角形。

2.转子

转子（Rotor，图2-13）是用于输出电磁转矩的，主要由转子铁心、转子绕组及转子轴组成。

（1）转子铁心

转子铁心（图2-14）是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，套在转子轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组。定子铁心的特点是内圆开槽，而转子铁心的特点是外圆开槽。

图2-12 定子绕组的连接示意图

a）星形联结 b）三角形联结

图2-13 转子

图2-14 转子铁心

（2）转子绕组

异步电动机的转子绕组分为绕线式与笼型两种，由此分为绕线转子异步电动机与笼型异步电动机。

1）绕线转子绕组。绕线转子绕组与定子绕组一样，也是一个三相对称绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转子轴上的三个与转子轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连（图2-15）。

图2-15 绕线转子绕组

如图2-16所示，绕线转子绕组可以与外串电阻器连接，便于实现电动机的串电阻减压起动和调速。但在正常工作时，一般需将外接的电阻器短路。

2）笼型转子绕组。为简化结构，可以采用铜质导条（铜条）作为绕组，在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图2-17所示。由于这种结构与关松鼠的笼子（图2-18）非常相似，故称笼型转子。相应地，采用笼型转子的电动机，就称为笼型电动机（图2-19和图2-20）。

图2-16 绕线转子绕组与外串电阻器的连接

1—集电环 2—电刷 3—外接的电阻器（可变电阻）

图2-17 铜排转子

图2-18 关松鼠的笼子

图2-19 笼型电动机（1）

图2-20 笼型电动机（2）

由于铜的价格高，为降低制造成本，可以以铝代铜，用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图2-21和图2-22所示。100kW以下的异步电动机一般均采用铸铝转子。

图2-21 铸铝转子（未装输出轴）

图2-22 铸铝转子（装有输出轴）

3.其他部分

电动机的其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支承转子轴。风扇则用来强制通风，冷却电动机。

三相异步电动机的定子与转子之间的空气间隙，简称气隙（Air Space），一般仅为0.2～1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数降低；气隙太小，则装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加并使起动性能变差。

与绕线转子电动机相比较，笼型电动机结构简单、价格低廉、工作可靠，但不能人为改变电动机的机械特性；绕线转子电动机结构复杂、价格较贵、维护工作量大，但转子外加电阻后，可人为改变电动机的机械特性。

2.2.3 电动机的工作原理

二维码2-3

1.旋转磁场的产生

在定子绕组中，通入三相交流电所产生的旋转磁场，与转子绕组中的感应电流相互作用而产生的电磁力，形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电动机工作。

当将电动机的三相定子绕组通入式（2-1）所示的对称的三相电流（图2-23）时，在不同时刻，三相交流电流产生的合成磁场如图2-24所示。

在图2-24中，表示电流流入，表示电流流出。

图2-23 三相电流

图2-24 三相交流电流产生的合成磁场

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

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

式中 i_U、i_V、i_W——U、V、W三相定子绕组中的电流瞬时值（A）；

I_m——U、V、W三相定子绕组中的电流有效值（A）；

ω——电角速度（rad/s）；

t——时间（s）。

由图2-24可知，三相交流电流产生的合成磁场是一个旋转的磁场，在一个电流周期内，旋转磁场在电磁空间内转过360。。旋转磁场的旋转方向，取决于三相电流的相序。任意调换两根电源进线，旋转磁场的方向即发生改变，相应地，电动机转子轴的旋转方向也就发生改变。

2.同步转速

旋转磁场的转速n₀称为三相交流电动机的同步转速。同步转速n₀与电动机定子绕组的磁极对数p有关。

以Υ联结为例，如图2-25a所示，当每相绕组只有一个线圈时，将定子绕组按图2-25b放入定子槽内，合成的旋转磁场形成一个N极、一个S极，共有一对磁极，则磁极对数为1，即p=1。

图2-25 每相绕组只有一个线圈时的磁场分布情况

a）三相绕组Υ联结电路图（各相由一个线圈构成） b）形成具有两个磁极（一对磁极）的旋转磁场

仍以Υ联结为例，如图2-26a所示，将每相绕组都改用两个线圈串联组成。将定子绕组按图2-26b放入定子槽内，合成的旋转磁场形成两个N极、两个S极，共有两对磁极，则磁极对数为2，即p=2。

图2-26 每相绕组由两个线圈串联而成时的磁场分布情况

a）三相绕组Υ联结电路图（各相由两个线圈串联而成） b）形成具有四个磁极（两对磁极）的旋转磁场

当磁极对数p=1时，电流变化一周→旋转磁场转一圈；电流每秒钟变化50周（即电源频率为50Hz）→旋转磁场转50圈；电流每分钟变化（50×60）周→旋转磁场转3000圈。

当磁极对数p=2时，电流变化一周→旋转磁场转半圈；电流每秒钟变化50周（即电源频率为50Hz）→旋转磁场转25圈；电流每分钟变化（25×60）周→旋转磁场转1500圈。

由此，可以推导出，当磁极对数p为任意整数值时，三相异步电动机的同步转速为

式中 n₀——旋转磁场的同步转速（r/min）；

f——电源频率（Hz）；

p——磁极对数（简称极对数）。

当电源频率f=50Hz时，不同磁极对数的三相异步电动机的同步转速见表2-1。

表2-1 三相异步电动机的同步转速

3.电磁转矩的产生

当向三相定子绕组中通入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速n₀沿定子和转子内圆空间旋转的磁场。由于旋转磁场以n₀转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。

由于转子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感应电流。转子的载流导体将在定子磁场中受到电磁力的作用（电磁力的方向用左手定则判定）。

电磁力对转子轴产生电磁转矩T，驱动转子以转速n顺着n₀方向旋转，并在转子轴（亦即电动机的输出轴）上输出一定大小的机械功率P。

简言之，三相异步电动机电磁转矩的产生过程如图2-27所示。

图2-27 三相异步电动机电磁转矩的产生过程

4.“异步”运行与转差率

在实际工作中，三相异步电动机转子轴的转速n总是小于n₀，不能等于n₀。也就是说，异步电动机工作时，转子轴的转速n总是小于定子绕组旋转磁场的同步转速n₀，这就是异步电动机名称中“异步”的由来。由于建立电磁转矩的电流是通过电磁感应原理产生的，因此，异步电动机又称为感应电动机。

由前面分析可知，异步电动机转子转动方向与旋转磁场的方向一致，但转子转速n不可能与旋转磁场的转速相等，即n<n₀。旋转磁场的同步转速和异步电动机转子转速之差与旋转磁场的同步转速之比称为转差率，即

式中 s——转差率；

n₀——旋转磁场的同步转速（r/min）；

n——电动机转子的实际转速（r/min）。

异步电动机刚起动时，n=0，s=1；电动机在额定工况下运行时，s=1%～9%。