異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)

異步電機(jī)是一種交流電機(jī)，主要作為電動(dòng)機(jī)用。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組之間存在相對運(yùn)動(dòng)，依靠電磁感應(yīng)作用使轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不相等，所以稱它為異步電機(jī)。又因它的轉(zhuǎn)子電流是靠電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的，因此，異步電機(jī)也稱為感應(yīng)電機(jī)。

從電磁關(guān)系上來看，異步電機(jī)和變壓器很相似。異步電機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)于變壓器的二次繞組。所以在學(xué)習(xí)了變壓器的基礎(chǔ)上來學(xué)習(xí)異步電機(jī)是比較容易的。

一、異步電動(dòng)機(jī)的主要用途與分類

異步電動(dòng)機(jī)是工農(nóng)業(yè)中用得最多的一種電動(dòng)機(jī)，其容量從幾十瓦到幾千千瓦，在國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)應(yīng)用極為廣泛。

例如，在工業(yè)方面：中小型的軋鋼設(shè)備、各種金屬切割機(jī)床、輕工機(jī)械、礦山上的卷揚(yáng)機(jī)和通風(fēng)機(jī)等，都用異步電機(jī)來拖動(dòng)。

在農(nóng)業(yè)方面：水泵、脫粒機(jī)、粉碎機(jī)和其他農(nóng)副產(chǎn)品加工機(jī)械，也都用異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。

此外，在人民日常生活中，異步電動(dòng)機(jī)也用得很多，例如，電扇、冷凍機(jī)、多種醫(yī)療機(jī)械等等?？傊惒诫妱?dòng)機(jī)應(yīng)用范圍廣、需要量大，隨著電氣化自動(dòng)化的發(fā)展，它在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中占著很重要的地位。

異步電動(dòng)機(jī)也可以作為發(fā)電機(jī)使用，但一般只在特殊情況下才應(yīng)用。

異步電動(dòng)機(jī)之所以用得這么普遍，主要是由于它的結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用，并且還有較高的效率和適用的工作特性。

但是，異步電機(jī)也有其缺點(diǎn)，異步電機(jī)必須從電網(wǎng)吸收落后的無功功率，因此它的功率因數(shù)總是小于1。由于在電網(wǎng)的負(fù)載中，異步電機(jī)最多，它們所需要落后的無功功率對電網(wǎng)來說，是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)，既增加了輸電過程的損耗，也妨礙了有功功率的輸出。當(dāng)負(fù)載需要的電動(dòng)機(jī)單機(jī)容量較大，而電網(wǎng)功率因數(shù)又比較低時(shí)。最好還是采用同步電動(dòng)機(jī)來拖動(dòng)。

異步電動(dòng)機(jī)按定子繞組的相數(shù)分：有單相異步電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)。在沒有三相電源或者所需的功率很小時(shí)，應(yīng)采用單相電動(dòng)機(jī)，單相電動(dòng)機(jī)的功率一般不超過3～4千瓦，在日常生活中，用得較多。在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，絕大多數(shù)用的是三相異步電動(dòng)機(jī)。

三相異步電動(dòng)機(jī)有兩種基本類型。一種是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組形狀像一個(gè)籠子。

在鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)中，又分為單鼠籠、雙鼠籠和深槽式幾種；另一種就是繞線式異步電動(dòng)機(jī)，它的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組基本上一樣，也是三相繞組，可以聯(lián)成星形或三角形。

二、異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理及運(yùn)行狀態(tài)

把異步電機(jī)的定子接到三相電源時(shí)，定子中會(huì)有三相電流流過，定子電流產(chǎn)生一系列的氣隙旋轉(zhuǎn)磁密。其中起主要作用的是以同步速、順著繞組相序旋轉(zhuǎn)的基波氣隙旋轉(zhuǎn)磁密。同步速的大小決定子電網(wǎng)的頻率和繞組極對數(shù)，即

圖5－1（a）是一臺(tái)二極異步電機(jī)的示意圖，n1箭頭表示氣隙磁密的旋轉(zhuǎn)方向，最里邊的那個(gè)大圓圈代表轉(zhuǎn)子，其中兩個(gè)小圓圈代表轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體，先考慮轉(zhuǎn)子還沒有轉(zhuǎn)起來的情況。氣隙旋轉(zhuǎn)磁密形象地用N，S極表示，在圖中所示的瞬間，N極在上面，S極在下面。

于是，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割氣隙旋轉(zhuǎn)磁密而感應(yīng)電勢，它的方向如圖5－1中的［圖片］和⊙所示。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組是短路的，在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)有電流，圖5－1所示瞬間，導(dǎo)體中電流的方向假設(shè)與感應(yīng)電勢同相。

根據(jù)氣隙旋轉(zhuǎn)磁密的極性和電流方向，利用左手定則可以看出，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與氣隙旋轉(zhuǎn)磁密同方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上。如果這個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩能克服加在轉(zhuǎn)子上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就能旋轉(zhuǎn)起來，并加速旋轉(zhuǎn)。只要轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢和電流方向不變，電磁轉(zhuǎn)矩的方向也不變，是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。

（a）電動(dòng)機(jī)；（b）發(fā)電機(jī)；（c）電磁制動(dòng)

圖5－1　異步電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)

如果轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速加速到等于同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組和氣隙旋轉(zhuǎn)磁密之間就沒有相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然轉(zhuǎn)子繞組也就不再感應(yīng)電勢了，電流和電磁轉(zhuǎn)矩統(tǒng)統(tǒng)都等于零。這就是說，這種情況不可能維持下去。

但是，只要n＜n1，轉(zhuǎn)子繞組和氣隙旋轉(zhuǎn)磁密之間就有相對運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組里就會(huì)有電流，也就有電磁轉(zhuǎn)矩作用在轉(zhuǎn)子上。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子就以恒速運(yùn)行。這種情況下，定子方面從電源吸收有功功率。這就是異步電動(dòng)機(jī)簡單的運(yùn)行原理?？梢姡惒诫妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n不可能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速n1，一般總是略小于n1，異步二字就是由此而來的。

通常把同步轉(zhuǎn)速、和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速二者之差與同步轉(zhuǎn)速的比值叫做轉(zhuǎn)差率（也叫轉(zhuǎn)差或滑差），用s表示。轉(zhuǎn)差率的定義為：

s是一個(gè)沒有單位的量，它的大小能反映電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。例如，n＝0時(shí)，s＝1；n＝n1時(shí)，s＝0；n＞n1時(shí)，s為負(fù)；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向與氣隙旋轉(zhuǎn)磁密相反時(shí)，s＞1。

如果用另一臺(tái)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，使它的轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速n1運(yùn)行，即n＞n1，這時(shí)導(dǎo)體中電勢、電流的方向以及產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向也反了，如圖5－1（b）所示。這種情況下，電磁轉(zhuǎn)矩對原動(dòng)機(jī)來說，是一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。要保持電機(jī)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，原動(dòng)機(jī)必須給電機(jī)輸入機(jī)械功率。

于是，異步電機(jī)的定子方面由從電網(wǎng)吸收電功率，改變?yōu)橄螂娋W(wǎng)發(fā)出電功率，即處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

如果用其他機(jī)械拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子向著氣隙旋轉(zhuǎn)磁密相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，即，s＞1，如圖5－1（c）。這時(shí)轉(zhuǎn)子中電勢、電流的方向仍然與電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)一樣，作用在轉(zhuǎn)子上的電磁轉(zhuǎn)矩方向仍然與氣隙旋轉(zhuǎn)磁密的方向一致，但是。與轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)向卻相反了?？梢?，這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩與拖動(dòng)機(jī)械加在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩的方向相反，互相平衡，而電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。我們把這種情況叫做電機(jī)處于電磁制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

電機(jī)除了吸收拖動(dòng)機(jī)械的機(jī)械功率外，還從電網(wǎng)吸收了電功率。這兩部分功率在電機(jī)內(nèi)部都以損耗的方式最終轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出來。

三、異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

異步電動(dòng)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定、轉(zhuǎn)子中間是空氣隙。此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座等部件，圖5－2是三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。

圖5－2　三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)圖

1．定子

定子是異步電動(dòng)機(jī)固定不動(dòng)的部分。由機(jī)座、定子鐵芯和定子繞組組成。

機(jī)座是電動(dòng)機(jī)的外殼，起著支撐電機(jī)的作用，通常用鑄鐵鑄成。大機(jī)座也有用鋼板拼焊起來的。

定子鐵芯是電動(dòng)機(jī)磁路的一部分，裝在機(jī)座內(nèi)部。它是一個(gè)中空圓柱體，外壁與機(jī)座配合，內(nèi)壁開槽，槽內(nèi)放定子繞組。為了減少鐵芯中的損耗，定子鐵芯用0．5mm厚的硅鋼片疊成。

三相異步電機(jī)的定子繞組并不是都按星形接法聯(lián)接，只有在大容量高電壓時(shí)，才按星形接法聯(lián)接。一般中、小容量低電壓的異步電機(jī)，通常把三相繞組的六根線頭引出來，在外面根據(jù)需要把它接成三角形或星形接法。這樣，既可以使電機(jī)適用于兩種不同等級(jí)的電源電壓，例如星形接法用于380V電源；三角接法就可以用于220V電源上，又能滿足起動(dòng)的要求，即設(shè)計(jì)成在三角接法時(shí)，用于380V電源，起動(dòng)時(shí)，改成星形接法，達(dá)到降壓起動(dòng)的目的。

定子繞組用絕緣的銅導(dǎo)線繞成，嵌在定子槽內(nèi)，繞組與槽壁間用絕緣材料隔開。

2．氣隙

異步電機(jī)的氣隙比同容量直流電機(jī)的氣隙要小得多，在中、小型異步電機(jī)中，一般為0．2～1．0mm。這是因?yàn)楫惒诫姍C(jī)的勵(lì)磁電流是由電網(wǎng)供給的，氣隙大時(shí)，勵(lì)磁電流也就大，從而降低了電機(jī)的功率因數(shù)。為了提高功率因數(shù)，應(yīng)盡量把氣隙做得小些。但是氣隙過小時(shí)，將使裝配困難，運(yùn)行不可靠，高次諧波磁場增強(qiáng)，從而使附加損耗增加。

3．轉(zhuǎn)子

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成的。轉(zhuǎn)子鐵芯也是磁路的一部分，一般由硅鋼片疊成，鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸上。

轉(zhuǎn)子繞組如果是繞線式的，它可以聯(lián)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。繞組的三根引出線接到三個(gè)集電環(huán)（集電環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上），用一套電刷引出來，如圖5－3所示。

這就可以把外接電阻連聯(lián)到轉(zhuǎn)子繞組回路里去。串電阻的目的是為了改善電動(dòng)機(jī)的特性或者是為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

鼠籠式轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)與定子繞組大不相同，在轉(zhuǎn)子鐵芯上也有槽，各槽里都有一根導(dǎo)條。在鐵芯的兩端有兩個(gè)瑞環(huán)，分別把所有導(dǎo)條伸出槽外的部分都聯(lián)接起來，形成了短接的回路。如果拿掉轉(zhuǎn)子鐵芯，繞組的形狀就像一個(gè)老鼠籠子，如圖5－4（a）所示。導(dǎo)條的材料有用銅的，有用鋁的。如果是用銅的，就是把事先做好的裸銅條插入轉(zhuǎn)子鐵芯槽中，再用銅環(huán)套在兩端銅條的頭上，并焊接在一起；如果是用鋁做繞組時(shí)，是用熔化了的鋁液直接澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵芯槽內(nèi)，連同瑞環(huán)和風(fēng)扇葉一次鑄成，如圖5－4（b）所示。

圖5－3　繞線式異步電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組接線圖

（a）銅條繞組；（b）鑄鋁轉(zhuǎn)子

圖5－4鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組

四、異步電動(dòng)機(jī)的額定值

異步電動(dòng)機(jī)的額定值通常會(huì)在銘牌上標(biāo)出，包含下列內(nèi)容：

（1）額定功率PN：指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率，單位是干瓦。

（2）額定電壓UN：指額定運(yùn)行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓，單位為伏。

（3）額定電流IN：指電動(dòng)機(jī)在定子繞組上加額定電壓，軸上輸出額定功率時(shí)，定了繞組中的線電流，單位為安。

（4）額定額率f：我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率為50赫茲。

（5）額定轉(zhuǎn)速nN：指電動(dòng)機(jī)定子加額定頻率的額定電壓，且軸上輸出額定功率時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)／分。

（6）額定功率因數(shù)cosφN：指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)定子邊的功率因數(shù)。

（7）絕緣等級(jí)與溫升。