三相異步電動機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

工作原理

1. 磁鐵旋轉(zhuǎn)對導(dǎo)體的作用

下面通過一個實驗來說明異步電動機(jī)的工作原理。實驗如圖1-1（a）所示，在一個馬蹄形的磁鐵中間放置一個帶轉(zhuǎn)軸的閉合線圈，當(dāng)搖動手柄來旋轉(zhuǎn)磁鐵時發(fā)現(xiàn)，線圈會跟隨著磁鐵一起轉(zhuǎn)動。為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象呢？

圖1-1單匝閉合線圈旋轉(zhuǎn)原理

圖1-1（b）是與圖1-1（a）對應(yīng)的原理簡化圖。當(dāng)磁鐵旋轉(zhuǎn)時，閉合線圈的上下兩段導(dǎo)線會切割磁鐵產(chǎn)生的磁場，兩段導(dǎo)線都會產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于磁鐵沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，假設(shè)磁鐵不動，那么線圈就被認(rèn)為沿順時針方向運動。

線圈產(chǎn)生的電流方向判斷：從圖1-1（b）中可以看出，磁場方向由上往下穿過導(dǎo)線，上段導(dǎo)線的運動方向可以看成向右，下段導(dǎo)線則可以看成向左，根據(jù)右手定則可以判斷出線圈的上段導(dǎo)線的電流方向由外往內(nèi)，下段導(dǎo)線的電流方向則是由內(nèi)往外。

線圈運動方向的判斷：當(dāng)磁鐵逆時針旋轉(zhuǎn)時，線圈的上、下段導(dǎo)線都會產(chǎn)生電流，載流導(dǎo)體在磁場中會受到力，受力方向可根據(jù)左手定則來判斷，判斷結(jié)果可知線圈的上段導(dǎo)線受力方向是往左，下段導(dǎo)線受力方向往右，這樣線圈就會沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

如果將圖1-1中的單匝閉合導(dǎo)體轉(zhuǎn)子換成圖1-2（a）所示的籠型轉(zhuǎn)子，然后旋轉(zhuǎn)磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)籠型轉(zhuǎn)子也會隨磁鐵一起轉(zhuǎn)動。圖中籠型轉(zhuǎn)子的兩端是金屬環(huán)，金屬環(huán)中間安插多根金屬條，每兩根相對應(yīng)的金屬條通過兩端的金屬環(huán)構(gòu)成一組閉合的線圈，所以籠型轉(zhuǎn)子可以看成是多組閉合線圈的組合。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁鐵時，籠型轉(zhuǎn)子上的金屬條會切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，有電流通過的金屬條受磁場的作用力而運動。根據(jù)圖1-2（b）的示意圖可分析出，各金屬條的受力方向都是逆時針方向，所以籠型轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)起來。

圖1-2籠型轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原理

綜上所述， 當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁鐵時，磁鐵產(chǎn)生的磁場也隨之旋轉(zhuǎn)，處于磁場中的閉合導(dǎo)體會因此切割磁感線而產(chǎn)生感應(yīng)電流，而有感應(yīng)電流通過的導(dǎo)體在磁場中又會受到磁場力，在磁場力的作用下導(dǎo)體就旋轉(zhuǎn)起來 。

2. 異步電動機(jī)的工作原理

采用旋轉(zhuǎn)磁鐵產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場讓轉(zhuǎn)子運動，并沒有實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。實踐和理論都證明，如果在轉(zhuǎn)子的圓周空間放置互差120°的3組繞組，如圖1-3所示，然后將這3組繞組按星形或三角形接法接好（圖1-4是按星形接法接好的3組繞組），將3組繞組與三相交流電壓接好，有三相交流電流流進(jìn)3組繞組，這3組繞組會產(chǎn)生類似圖1-2所示的磁鐵產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場，處于此旋轉(zhuǎn)磁場中的轉(zhuǎn)子上的各閉合導(dǎo)體有感應(yīng)電流產(chǎn)生，磁場對有電流流過的導(dǎo)體產(chǎn)生作用力，推動各導(dǎo)體按一定的方向運動，轉(zhuǎn)子也就運轉(zhuǎn)起來。

圖1-3三相電動機(jī)互差120°的3組繞組

圖1-43組繞組與三相電源進(jìn)行星形連接

圖1-3實際上是三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。繞組繞在鐵芯支架上，由于繞組和鐵芯都固定不動，因此稱為定子，定子中間是籠型的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)可以看成是由繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場推動的，旋轉(zhuǎn)磁場有一定的轉(zhuǎn)速。旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 n （又稱同步轉(zhuǎn)速）、三相交流電的頻率 f 和磁極對數(shù) p （一對磁極有兩個相異的磁極）有以下關(guān)系：

n =60 f/p

例如，一臺三相異步電動機(jī)定子繞組的交流電壓頻率 f =50Hz，定子繞組的磁極對數(shù) p =3，那么旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)數(shù) n =60×50/3=1000（r/min）。

電動機(jī)在運轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與旋轉(zhuǎn)磁場方向是相同的，轉(zhuǎn)子是由旋轉(zhuǎn)磁場作用轉(zhuǎn)動的，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速要小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，并且要滯后于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，也就是說轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是不同步的。 這種轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速不同步的電動機(jī)稱為異步電動機(jī) 。

外形與結(jié)構(gòu)

圖1-5列出了兩種三相異步電動機(jī)的實物外形。三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1-6所示，從圖中可以看出，它主要由外殼、定子、轉(zhuǎn)子等部分組成。

圖1-5兩種三相異步電動機(jī)的實物外形

圖1-6三相異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

三相異步電動機(jī)各部分說明如下。

（1）外殼

三相異步電動機(jī)的外殼主要由機(jī)座、軸承蓋、端蓋、接線盒、風(fēng)扇、罩殼等組成。

（2）定子

定子由定子鐵芯和定子繞組組成。

① 定子鐵芯 。定子鐵芯通常由很多圓環(huán)狀的硅鋼片疊合在一起組成，這些硅鋼片中間開有很多小槽用于嵌入定子繞組（也稱定子線圈），硅鋼片上涂有絕緣層，使疊片之間絕緣。

② 定子繞組 。它通常由涂有絕緣漆的銅線繞制而成，再將繞制好的銅線按一定的規(guī)律嵌入定子鐵芯的小槽內(nèi)，具體見圖1-6局部放大部分。繞組嵌入小槽后，按一定的方法將槽內(nèi)的繞組連接起來，使整個鐵芯內(nèi)的繞組構(gòu)成U、V、W三相繞組，再將三相繞組的首、末端引出來，接到接線盒的U1、U2、V1、V2、W1、W2接線柱上。接線盒如圖1-7所示，接線盒各接線柱與電動機(jī)內(nèi)部繞組的連接關(guān)系如圖1-8所示。

圖1-7電動機(jī)接線盒內(nèi)有六個接線端

圖1-8接線盒各接線端與內(nèi)部繞組的連接

（3）轉(zhuǎn)子

轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的運轉(zhuǎn)部分，它由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子線組和轉(zhuǎn)軸組成。

① 轉(zhuǎn)子鐵芯 。如圖1-9所示，轉(zhuǎn)子鐵芯是由很多外圓開有小槽的硅鋼片疊在一起構(gòu)成的，小槽用來放置轉(zhuǎn)子繞組。

圖1-9由硅鋼片疊成的轉(zhuǎn)子鐵芯

② 轉(zhuǎn)子繞組 。轉(zhuǎn)子繞組嵌在轉(zhuǎn)子鐵芯的小槽中，轉(zhuǎn)子繞組可分為籠式轉(zhuǎn)子繞組和線繞式轉(zhuǎn)子繞組。

籠式轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵芯的小槽中放入金屬導(dǎo)條，再在鐵芯兩端用導(dǎo)環(huán)將各導(dǎo)條連接起來，這樣任意一根導(dǎo)條與它對應(yīng)的導(dǎo)條通過兩端的導(dǎo)環(huán)就構(gòu)成一個閉合的繞組，由于這種繞組形似籠子，因此稱為籠式轉(zhuǎn)子繞組?；\式轉(zhuǎn)子繞組有銅條轉(zhuǎn)子繞組和鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組兩種，如圖1-10所示。銅條轉(zhuǎn)子繞組是在轉(zhuǎn)子鐵芯的小槽中放入銅導(dǎo)條，然后在兩端用金屬端環(huán)將它們焊接起來；而鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組則是用澆鑄的方法在鐵芯上澆鑄出鋁導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)葉。

圖1-10兩種籠式轉(zhuǎn)子繞組

線繞式轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)如圖1-11所示。它是在轉(zhuǎn)子鐵芯中按一定的規(guī)律嵌入用絕緣導(dǎo)線繞制好的繞組，然后將繞組按三角形或星形接法接好，大多數(shù)按星形方式接線（如圖1-12所示）。繞組接好后引出3根相線，通過轉(zhuǎn)軸內(nèi)孔接到轉(zhuǎn)軸的3個銅制集電環(huán)（又稱滑環(huán)）上，集電環(huán)隨轉(zhuǎn)軸一起運轉(zhuǎn)，集電環(huán)與固定不動的電刷摩擦接觸，而電刷通過導(dǎo)線與變阻器連接，這樣轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的電流通過集電環(huán)、電刷、變阻器構(gòu)成回路。調(diào)節(jié)變阻器可以改變轉(zhuǎn)子繞組回路的電阻，以此來改變繞組的電流，從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖1-11線繞式轉(zhuǎn)子繞組

圖1-12按星形連接的線繞式轉(zhuǎn)子繞組

③ 轉(zhuǎn)軸 。轉(zhuǎn)軸嵌套在轉(zhuǎn)子鐵芯的中心。當(dāng)定子繞組通三相交流電后會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子繞組受旋轉(zhuǎn)磁場作用而旋轉(zhuǎn)，它通過轉(zhuǎn)子鐵芯帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，將動力從轉(zhuǎn)軸傳遞出來。

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