三相交流异步电机的工作原理

三相交流异步电机是利用在定子绕组中通入对称三相交流电所产生的旋转磁场， 与转子绕组中所产生的感应电流相互作用而获得一定的转矩来运行的。

一、 三相交流电产生的旋转磁场

图1－51所示是一台最简单（每相1个线圈， 共3个线圈，6个槽） 的三相交流异步电机的定子绕组空间分布图。 三相定子绕组对称地放置在定子槽内， 即三相绕组的首端U1、V1、 W1 （或末端U2、 V2、 W2） 在空间位置上相差120°。 三相绕组为星形连接， 末端U2、V2、 W2相连， 首端U1、 V1、 W1连接到三相对称电源上。

图1－51 三相交流异步电机定子绕组分布图

将三相对称交流电流通入定子绕组， 首先规定当电流为正时， 电流由绕组的首端流入，末端流出； 当电流为负时， 电流由绕组的末端流入， 首端流出。 凡是电流流入端标记为，凡是电流流出端标记为☉。

接入的三相交流电如图1－52所示。当三相交流电流流入定子绕组时， 各相电流均产生自己的交变磁场， 同时也产生了合成磁场， 即旋转磁场， 那么如何产生旋转磁场的呢？ 现以三相正弦交流电为例， 分析旋转磁场的形成过程。

图1－52 三相绕组中的电流波形

（1） 当ωt＝0时，U相绕组内没有电流，V相绕组内的电流为负值，这说明电流由V相绕组的末端V2流入， 由首端V1流出； 而W相绕组内的电流为正， 这说明电流是由W相绕组的首端W1流入， 由末端W2流出。 此时， 运用右手螺旋定则， 可以确定这一时刻的合成磁场，如图1－53 （a） 所示。

（2）当ωt＝时，U相绕组内的电流为正，这说明电流由U相绕组的首端U1流入，由末端U2流出； V相绕组内没有电流， W相绕组内的电流为负值， 这说明电流由W相绕组的末端W2流入，由首端W1流出；此时，合成磁场如图1－53 （b） 所示， 可以看出合成磁场顺时针旋转了120°。

（3）当ωt＝时，U相绕组内的电流为负值，这说明电流由U相绕组的末端U2流入， 由首端U1流出； V相绕组内电流为正值， 这说明电流由V相绕组的首端V1流入， 由末端V2流出；W相绕组内的电流为零；此时，合成磁场如图1－53 （c） 所示， 可以看出合成磁场顺时针又旋转了120°。

（4） 当ωt＝2π时，U相绕组内没有电流， V相绕组内的电流为负值， 这说明电流由V相绕组的末端V2流入， 由首端V1流出； 而W相绕组内的电流为正， 这说明电流是由W相绕组的首端W1流入，由末端W2流出。此时，合成磁场如图1－53 （d） 所示， 可以看出合成磁场顺时针又旋转了120°。

综上所述，从电流变化的起始位置ωt＝0到电流变化一个周期ωt＝2π时， 合成磁场顺时针旋转了360°， 即电流变化一个周期， 合成磁场在空间上旋转一周。

图1－53 两极旋转磁场的产生

（a）ωt＝0；（b）ωt＝π；（c）ωt＝π；（d）ωt＝2π

以上分析是针对一对磁极 （两极） 的电机为例来分析旋转磁场的。 随着定子绕组中三相对称交流电流的不断变化， 在定子绕组中所产生的合成磁场也在空间上不断地旋转。 由两极旋转磁场可以看出， 电流变化一个周期时， 合成磁场在空间上也旋转一周， 且旋转方向与三相定子绕组中电流的相序有关。

上述电机的定子绕组每相只有1个线圈， 三相定子绕组共有3个线圈， 它们被放置于定子铁芯的6个槽内。 当通入三相对称交流电流时， 产生的旋转磁场相当于一对N、 S磁极在旋转。 若每相绕组由两个线圈串联组成， 定子铁芯槽数则应为12个， 每个线圈在空间上相隔60°， 如图1－54所示。 其中， U相绕组由U1U2和U1′U2′两个线圈串联而成， V相绕组是由V1V2和V1′V2′两个线圈串联而成， W相绕组是由W1W2和W1′W2′两个线圈串联而成。 当三相对称交流电流流过这些线圈时， 便能产生两对磁极 （四极） 旋转磁场。

当ωt＝0时，U相绕组中无电流，V相绕组中电流为负， 电流由V2′流入， 由V1流出；W相绕组中的电路为正， 电流由W1流入， 由W2′流出。 此时产生的合成磁场如图1－55 （a） 所示。其他几个时刻的旋转磁场如图1－55 （b）、 （c）、 （d） 所示。 从图中不难看出，四极电动机 （磁极对数p＝2） 的旋转磁场在电流变化一个周期 （360°） 时， 合成的旋转磁场在空间上只旋转了180°。

图1－54 四极定子绕组空间分布

图1－55 四极旋转磁场的产生

（a）ωt＝0；（b）ωt；（c）ωt＝（d）ωt＝2π

二、 旋转磁场的转速与转向

1. 旋转磁场的转速

电流变化一周时，两极（p＝1） 的旋转磁场在空间旋转一周，若电流的频率为f1，即电流每秒变化f1周，旋转磁场的转速也为f1。通常转速是以每分钟的转数来计算的，若以n1表示旋转磁场的转速（r／min），则n1＝60f1。

对于四极 （p＝2） 旋转磁场， 电流变化一周， 合成磁场在空间只旋转了180° （半周），则n1＝。

上述两式可以推广到具有p对磁极的异步电机， 其旋转磁场的转速 （r／min） 为：

n1＝ （1－70）

式中，n1为旋转磁场的转速， 又称为同步转速 （r／min）； f1为定子绕组中电流的频率

（Hz）； p为旋转磁场的磁极对数。

由此可见，旋转磁场的转速n1取决于电流的频率f1和电机磁极对数p。我国的电源标准频率为f1＝50Hz，因此不同磁极对数的电机所对应的旋转磁场转速也不同，见表1－14。

表1－14 f1＝50Hz时的旋转磁场转速

2. 旋转磁场的转向

旋转磁场在空间上的旋转方向是由定子电流的相序决定的。 当电流的相序为U－V－W时， 则旋转磁场的转向为顺时针； 如果将三相电源中的任意两相对调， 如调换W相与V相，则电流的相序变为U－W－V，此时旋转磁场的转向就为逆时针。

三、 三相交流异步电机的工作原理

1. 转动原理

当向定子绕组通入对称的三相交流电流时， 便在气隙中产生了旋转磁场。 假设旋转磁场以n1的速度顺时针旋转，则静止的转子绕组与旋转磁场之间就有了相对运动，这相当于磁场静止而转子绕组逆时针切割磁场运动， 从而在转子绕组中产生了感应电动势， 其方向可以用右手定则来确定，如图1－56所示。转子上半部分导体的感应电动势的方向是垂直纸面向外的， 下半部分导体的感应电动势的方向是垂直纸面向里的。 由于转子电路通过滑环连接而构成闭合回路，所以在感应电动势的作用下产生了转子电流I2，带有转子电流I2的转子导体因处于磁场之中， 又与磁场相互作用， 必将受到电磁力的作用， 从而形成电磁转矩， 转子导体所受电磁力的方向可以根据左手定则来确定。 电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致，这样转子就以一定的速度沿旋转磁场的旋转方向转动起来。

图1－56 异步电机转子转动的原理

2. 转子的转速、 转差率

从以上的分析可知， 异步电机转子的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致， 但转速n不可能达到与旋转磁场的转速n1相等。因为产生电磁转矩需要转子中存在感应电动势和感应电流， 如果转子转速与旋转磁场转速相等， 两者之间就没有相对运动， 转子导体将不能切割磁力线， 则转子感应电动势、 转子电流和电磁转矩都不存在， 转子就不可能以转速n旋转运动了。所以转子转速n与旋转磁场转速n1之间必须有差别，且n＜n1。这就是“异步” 电机名称的由来。 另外， 转子绕组中的感应电动势是通过电磁感应作用而产生的， 所以异步电机也称为 “感应” 电机。

同步转速n1与转子转速n之差称为转速差，转速差与同步转速的比值称为转差率，用s表示， 即

s×100％ （1－71）

转差率是分析异步电机运行情况的一个重要参数。 如起动瞬间n＝0， s＝1， 转差率最大；空载时，n接近n1，s很小，在0.005以下；若n＝n1，则s＝0，此时称为理想空载状态， 这在实际运行中是不存在的。 异步电机工作时， 转差率在1和0间变化， 当电动机在额定负载下工作时，此时的转差率称为额定转差率，用s N表示，s N＝0.01～0.07。

［例1－8］ 一台三相异步电动机，定子绕组接到频率f1＝50Hz的三相对称电源上，已知它的额定转速n N＝960r／min，求：

（1） 该电机的磁极对数p为多少？

（2） 额定转差率是多少？

解：（1） 由于三相异步电机的额定转差率很小，可以根据额定转速n N＝960r／min来估算旋转磁场的同步转速n1＝1000r／min，于是可以计算磁极对数为：

（2） 额定转差率：

［例1－9］ 某三相异步电机，电源频率f1＝50Hz，空载转差率s0＝0.00267，额定转速n N＝730r／min。试求：电机的极数2p、同步转速n1、空载转速n0、额定转差率s N。

解：（1） 求电机极数2p和同步转速n1。

异步电机满载时， 三相异步电机的额定转速略小于磁场的同步转速， 由此可知同步转速n1＝750r／min。

旋转磁场的同步转速为

n1＝750（r／min）

所以p＝4，2p＝8。

（2） 额定转差率：

s N＝×100％×100％＝2.67％

（3） 空载转速：

n0＝（1－s0）×n1＝（1－0.00267）×750＝748（r／min）