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第 8 章 电动机

第 8 章 电动机. 8.1 三相异步电动机的结构及转动原理 8.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 8.3 三相异步电动机的运行与控制 8.4 三相异步电动机的选择与使用 8.5 单相异步电动机 8.6 直流电动机. 他励. 并励. 串励. 复励. 电动机概述. 电机按能量转换分: 发电机和电动机（马达）. 电动机的作用是将电能转换为机械能。现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。. 1、电动机的分类：. 直流电机. 电动机. 同步机. 交流电机. 单相. 异步机. 三相.

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第 8 章 电动机

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  1. 第8章 电动机 • 8.1 三相异步电动机的结构及转动原理 • 8.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 • 8.3 三相异步电动机的运行与控制 • 8.4 三相异步电动机的选择与使用 • 8.5 单相异步电动机 • 8.6 直流电动机

  2. 他励 并励 串励 复励 电动机概述 电机按能量转换分: 发电机和电动机（马达） 电动机的作用是将电能转换为机械能。现代各种生产机械都广泛应用电动机来驱动。 1、电动机的分类： 直流电机 电动机 同步机 交流电机 单相 异步机 三相

  3. 用在需要均匀调速的生产机械上，如龙门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构，以及某些电力牵引和起重设备中。用在需要均匀调速的生产机械上，如龙门刨床、轧钢机及某些重型机床的主传动机构，以及某些电力牵引和起重设备中。 直流电机 电动机 主要应用于功率较大、不需调速、长期工作的各种生产机械，如压缩机、水泵、通风机等。 同步机 交流电机 单相 广泛用来驱动各种金属切削机床、起重机、锻压机、传送带、铸造机械、功率不大的通风机、水泵等。 常用于功率不大的电动工具和某些家用电器中。 异步机 三相

  4. 一简单供电系统图 用户 电厂1 降压Tr 升压Tr 用户 电厂2 降压Tr 升压Tr 2、电机的应用： （1）电能的生产、传输和分配中的主要设备

  5. （2）各种生产机械和装备的动力设备 磁悬浮列车 大型车床

  6. （3）自动控制系统中的重要元件 机器人

  7. ---------大型和超小型 3、发展方向 同步发电机定子 各种微电机

  8. 8.1 三相异步电动机的结构及转动原理 • 8.1.1 三相异步电动机的结构 结构

  9. U W’ V’ V W U’

  10. （1）铁心（磁路）：0.5mm相互绝缘的硅钢片压叠而成。产生旋转磁场。（1）铁心（磁路）：0.5mm相互绝缘的硅钢片压叠而成。产生旋转磁场。 • 1、定子

  11. （2）绕组（电路）：

  12. 2、转子：转轴、铁心、绕组 （1）铁心（磁路） ： 由外周有槽的硅钢片叠成，圆柱状。铁心装在转轴上，轴上加机械负载。

  13. （2）绕组 ： 鼠笼式和绕线式两种结构。 鼠笼式转子绕组铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。有铜条和铸铝两种形式。

  14. 绕线式转子绕组 与定子绕组基本相同，3个绕组的末端连接在一起构成星形连接，3个始端连接在3个铜集电环上，起动变阻器和调速变阻器通过电刷与集电环和转子绕组相连接。

  15. 8.1.2 旋转磁场的产生 为分析方便，设三相定子绕组中每相绕组只有一个线圈，并接成星形。把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。

  16. 设每相绕组中电流的正方向是从首端流向末端。电流通过各个首端或末端时，流入用 表示，流出用⊙表示。

  17. 在通电螺旋体中磁场方向和电流方向。 • 右手螺旋定则： • (1)一般用在通电螺线管比较方便，弯曲四指指向电流方向，大拇指给出磁场方向。 • (2)导线两侧的磁场，大拇指指向电流方向，弯曲四指给出磁场方向

  18. A Y Z B C X • 1、产生原理

  19. 可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地顺时针旋转着，这就是旋转磁场。可见，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随着电流的交变而在空间不断地顺时针旋转着，这就是旋转磁场。

  20. 2、旋转磁场的转速 • 旋转磁场的转速称为同步转速n0。 • （1）与频率有关 • 由图可以看出在一对极的情况下，当电流交变一周期时，磁场恰好在空间旋转了一周。 • 设电源频率f1=50HZ，则合成磁场的同步转速为 在工程上，转速的单位习惯采用r/min，这时同步转速为:

  21. A A B A Z Y B Z X Y X C C B C （b） (a) • （2）和旋转磁场的磁极对数有关 • 上面讨论的旋转磁场具有一对磁极，即p=1时，若电动机的旋转磁场不止一对磁极时，同步转速将按比例减小。

  22. 所以，旋转磁场的转速n0决定于电源频率f1和磁场的磁极对数p，因此 • 电网的频率为50HZ，当磁极对数改变时，同步转速n0随其变化。

  23. 3、旋转磁场的转动方向 • 当通入定子绕组的三相电流的相序为A-B-C时，旋转磁场的转向与这个顺序是一致的，可见磁场的转向与定子绕组中的电流相序有关。 • 三相异步电动机反转：将与电源相接的任意两相互换(改变相序)

  24. 8.1.3 三相异步电动机的转动原理 • 当导体在磁场中切割磁力线的运动时，感应电流的方向用右手定则判定。 • 右手定则：伸出右手，使大拇指跟其余四个手指垂直，磁感线垂直穿过掌心，大拇指指向导体的运动方向，四指指向为感应电流的方向 • 通电导体所受力的方向跟磁场方向、电流方向之间的关系。 • 左手定则:伸开左手,使大拇指跟其余四指垂直,并且都跟手掌在一个平面内,把手放入磁场中,让磁力线垂直穿过手心,并使伸开的四指指向电流方向,那么拇指方向就是通电导线在磁场中的受力方向

  25. N F n F S 1、转子转动的原因 • 旋转磁场的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流（右手定则判定）。 该电流与旋转磁场相互作用，使转子导条受到电磁力F作用（F的方向用左手定则判定）。 · × 电磁力在转轴上形成电磁转矩，转子就转动起来。

  26. 2、转子的转向和转速 • 转子的转向与旋转磁场的方向一致。而旋转磁场的方向和电流的相序有关，因此改变电动机转子的转动方向可以通过改变三相绕组中的电流相序来实现。 电动机在正常运转时，其转速n总是稍低于同步转速n0，因而称为异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应电动机。

  27. 异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即：异步电动机同步转速和转子转速的差值与同步转速之比称为转差率，用s表示，即： 电动机起动瞬间，n=0，s=1，转差率最大。 异步电动机正常工作时，0<n<n0 , 0<s<1 转差率是异步电动机的一个重要参数。异步电动机在额定负载下运行时的转差率约为1%~9%。

  28. 例1、由于三相异步电动机的转矩是由（ ）和（ ）之间的相对运动产生的，所以是异步的。 • 例2、某三相异步电动机工作时转速为n=980r/min，则其磁极对数p=（ ），旋转磁场的转速n0=（ ）r/min，转差率s=（ ） 旋转磁场 转子导体 3 2% 1000

  29. 8.2 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性 • 不同的是电动机转子绕组是短路的。 • e1、e2 主磁通产生的感应电动势；eσ1、eσ2 漏磁通产生的感应电动势。 8.2.1 三相异步电动机的电路分析 定子绕组相当于变压器原边绕组；转子绕组相当于副绕组。

  30. 忽略R1和X1上的压降，则： 1．定子电路分析

  31. 2、转子电路 • （1）转子频率f2 s=1，f2最高，f2= f1 n=0时， s=1%~9%，f2=0.5HZ ~ 4.5HZ 额定负载时，

  32. （2）转子电动势 转子电动势E2为 n=0时， E20=4.44f1N2Φm f2= f1，转子电动势最大

  33. （3）转子漏抗 在n=0时，

  34. （4）转子电流 转子电路的电磁关系 转子电流 s=0时，I2=0，转子转速达到同步转速。 转子不切割磁力线，转子没有电流。

  35. s较小时， I2与s基本成正比； S增加时， I2也增加； s接近于1时， I2变化不大。

  36. （4）功率因数 s较小时， S增加时，

  37. 转子电流与功率因数与转差率的关系曲线

  38. （1）E20=20V；f20=50HZ；I20=210.8A； （2）E2=1V；f2=2.5HZ；I2=33A； • 有一台四极，频率为50HZ，额定转速为1425r/min的三相异步电动机，转子电阻R2=0.03Ω，感抗X20=0.09Ω，E1/E20=11，试比较在起动初始瞬间和额定转速两种情况下转子每相电路的电动势、电流和功率因数的大小（电源电压为220V） 。

  39. N • F n0 D F  S 8.2.2 三相异步电动机的电磁转矩 1、电磁转矩的大小 电磁转矩：转子中各载流导体在旋转磁场的作用下, 受到电磁力所形成的转距之总和。是电动机做功能力的一个物理量。 若绕组中的电流是直流，则电磁转矩为：

  40. 直流，电磁转矩为： 若电流是交流， 三相异步电动机的电磁转矩T是由旋转磁场的每极磁通Φ与转子电流的有功分量I2cosφ2 相互作用而产生的，故电磁转矩与转子电流的有功分量I2cosφ2及定子旋转磁场的每极磁通Φ成正比。

  41. 将I2、 cosφ2的表达式及Φ与U1的关系式代入上式 得三相异步电动机电磁转矩公式的另一个表示式：

  42. 式中K 是一常数。可见电磁转矩T也与转差率s有关，并且与定子每相电压U1的平方成正比，电源电压对转矩影响较大。同时，电磁转矩T还受到转子电阻R2的影响。

  43. I2 , cos2 I2 cos2 旋转磁场的转速不变。 （1） 0 s 1 （2） 主磁通下降。 （3） TL不变，n将减小，s增加，转子电流I2增加。 一台在额定情况下运行的异步电动机，若电源电压突然降低10%（负载转矩不变），试分析下列各量是否变化？ （1）旋转磁场的转速。 （2）主磁通 （3）转子电流I2。 （4）转子功率因数cos2 解： （4）转子功率因数cos2下降。

  44. 讨论：电磁转矩T和转差率 s 的关系 当 s 较小时，T与 s 基本成正比。 当 s 较大时，T与s 基本成反比。

  45. 电磁转矩T和转速n的关系

  46. 2、转矩平衡 • 电动机在工作时，施加在转子上的转矩，除电磁转矩T外，还有空载转矩T0（由风阻和轴承摩擦形成的转矩）和负载转矩TL 。一般电动机在满载或接近满载运行时， T0可忽略。 • 其中电动机的输出转矩T2 • T2≈T • 电动机只有T2=TL，才能稳定运行，即电动机稳定运行时，应满足转矩平衡式： • T=TL

  47. 假设力垂直于转动半径r，也垂直于转轴。在很小的一段时间∆t内，力F使物体转过弧长∆s，转过的角度∆ ，则 3、三相异步电动机的三个转矩 • （1）额定转矩 力矩能使物体转动。转动物体具有转动动能，力矩就对物体做了功。做功的多少可以这样计算： ∆t时间内的平均功率为 其中，ω为旋转的平均角速度

  48. 由此可知，旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积。由此可知，旋转机械的机械功率等于转矩和转动角速度的乘积。 • 电动机输出的有功功率为P2，则电动机轴上输出的机械负载转矩为： 式中P2的单位是W；转子角速度单位是rad/s，电磁转矩T2的单位为N·m，转速n的单位为r/s。 在实际应用中，功率的单位常用kW，转速的单位常用r/min，则

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