第七章 电动机第七章 电动机第一节 三相异步电动机的基本结构第二节 三相异步电动机的工作原理第三节 三相异步电动机的电磁转矩与机械特性第四节 三相异步电动机的使用第五节 三相异步电动机的铭牌和技术数据第六节 单相异步电动机第七节 三相同步电动机第八节 直流电动机第九节 控制电机

三相异步电动机的结构及制造工

艺录像片

目录 习 题

第一节 三相异步电动机的 第一节 三相异步电动机的 基本结构 基本结构

定 子

转 子

返回

电动机直流电动机交流电动机

交流电动机同步电动机

异步电动机

异步电动机按交流电的相数

三相异步电动机

单相相异步电动机

按结构 绕线转子异步电动机笼型异步电动机

返回

异步电动机由定子和转子两部分组成。一、 定 子• 定子是异步电动机固定不动的部分。 • 由机座、定子铁心、定子三相绕组组成。 • 定子铁心安装在机座内，由硅钢片叠成。定子三相绕组嵌在定子铁心的槽内，三相绕组的始端和末端分别接到电动机出线盒的接线柱上，这样可以根据需要将三相绕组 Y 形联结或△形联结，使电动机使用于两种不同的工作电压。 返回

定子接线端的联结

A1 B1 C1

C2 A2 B2

C A B

Z X Y

Y 联结△联结

返回

二、转 子• 转子是异步电动机旋转的部分。 • 由转子铁心、转子绕组组成。• 转子绕组可分为笼型和绕线转子两种。• 转子铁心仍由硅钢片叠成 。 • 笼型转子结构简单，它是在转子铁心的槽内穿入金属导体，两端装上铜环将所有的金属导体短接，自成闭合路径。• 绕线转子与定子绕组相同，但三相绕组都是 Y 联结。三个出线端通过电动机轴上的铜环与电刷引到电动机的外部。

返回

Y

B

Z

X

A

C

定子

定子绕组（三相）

机 座

笼型转子 转子

返回

第二节 三相异步电动机的工作原理第二节 三相异步电动机的工作原理

旋转磁场

转动原理

转差率返回返回

一、旋转磁场1. 旋转磁场的产生 定子三相绕组对称，且空间上互差 120° ，接成 Y 形。

A

BCX

Y Z

A

B

C

Y Z

X

iA

iC

iB

返回

iA = Imsinωt

iB = Imsin (ωt － 120°)

iC =Imsin (ωt - 240°)

对称三相电流

ωt

i iA iBiC

波形如图

规定电流正方向由始端向末端，实际流入时用 表示，实际流出时用⊙表示。

返回

O

ωt

i iA iBiC

O 120° 240°60°

A

⊙

⊙BC

Y

X

ZN

S

A

○

○ ⊙BC

Y

X

ZN

S

⊙

A

⊙

⊙ BC

Y

X

Z

N

S

180°

A

⊙

⊙BC

Y

X

Z

N

S ωt =0 °iA = 0iB < 0iC > 0

A

⊙

⊙

BC

Y

X

Z S

N

n1

对称三相绕组，送入对称三 相电流，一定产生旋转磁场。

ωt =60 °iA > 0iB < 0iC = 0

ωt =120 °iA > 0iB = 0iC < 0

ωt =180 °iA = 0iB > 0iC < 0

ωt =240 °iA < 0iB> 0iC= 0

返回

2. 旋转磁场的转向 旋转磁场的旋转方向与三相电流的相序一致。

电流的相序： A － B － C

电流的相序： A － C － B

n1

n1

改变电流相序，即任意对调任意两根电源线，可改变旋转磁场的方向，使电动机反转。

返回

3 、旋转磁场的转速○ ○ ○ 定子每相一个线圈，旋转磁场

为二极。旋转磁场的磁极对数 p = 1 电流变化一周，磁场也旋转一周。磁场的转速 n1=60 f 1 (r/min)

○ ○ ○ 定子每相二个线圈，旋转磁场为四极。旋转磁场的磁极对数 p = 2 电流变化一周，磁场也旋转 0.5 周。磁场的转速 n1=60 f 1 /2 (r/min)

返回

改变定子绕组的接线方式，可以改变异步电动机的极数。 旋转磁场的转速 n1 与电动机的磁极对数 p 成反比，与交流电的频率 f1 成正比。

11

60 (r/min)

f n

p

p 1 2 3 4 5

n1/ (r/min) 3000 1500 1000 750 600

返回

二、转动原理

n

n1

F

⊙ F

n1=0, 磁场静止，转子不能感应电流，导体静止。 n1≠0 ，磁场顺时针旋转。

异步电动机要转动起来，要有旋转的磁场，同时转子电路必须闭合。 改变磁场旋转方向可使电动机反转。

转子产生感应电流，在磁场的作用下产生电磁转矩，使转子转动起来，方向与磁场方向一致。

S

N

对称三相电源

定子对称三相绕组

旋转磁场

转子旋转

n1 n

返回

三、转差率 异步电动机的转动原理是建立在电磁感应的基础上的，所以电动机的转速 n 与旋转磁场的转速 n1 （又叫做同步转速）不能相等。 即 n≠n1其相差的程度用转差率 S 来表示 。

1

1

n nS

n

转差率 S 是异步电动机重要的参数之一。 S≈0.02 ～ 0.06

异步电动机刚起动的瞬间， n = 0 , S = 1返回

例、某三相异步电动机额定转速 nN= 980r/min ，接在 f 1= 50Hz 的电源上运行。试求在额定状态下 , 定子旋转磁场速度 n1 、磁极对数 p 、额定转差率 S 。 解： ∵一般额定转差率为 0.02 ～ 0.06 ∴nN≈n1 1

N 1

60 f n n

p

1

N

60 60 503

980

f p

n

11

60 60 50r / min 1000r / min

3

f n

p

1 N

1

1000 9800.02

1000

n nS

n

返回

第三节 三相异步电动机的电磁 第三节 三相异步电动机的电磁 转矩与机械 转矩与机械特性特性 转矩平衡

电磁转矩

自然机械特性

人工机械特性返回返回

一、转矩平衡关系 三相异步电动机在拖动生产机械工作时，旋转磁场与转子电流相互作用产生的转矩称为电磁转矩 T ，它是一个驱动转矩。 作用在电动机轴上的各种机械转矩称为负载转矩 TL ，它是一个阻碍转矩。

当电动机稳定运行时，驱动转矩等于阻碍转矩。即： T = TL （转矩平衡方程）

若 T < TL 电动机减速

若 T > TL 电动机加速

返回

二、电磁转矩 三相异步电动机的电磁转矩是由旋转磁场与转子电流相互作用产生的。因此电磁转矩与旋转磁场的每级主磁通 Φ、转子电流 I2 有关。即： T ∝ ΦI2

转子电流 I2 由转子电动势 E2 产生。 İ2、Ė2 之间的相位差角为 φ2， cosφ2 是转子功率因数。 所以，电磁转矩 T 与 Φ 和转子电流 I2

的有功分量 I2cosφ2 成正比。即：

T = KT Φm I2cosφ2

KT 是决定于电动机的常数。

返回

1. 定子电路 三相电动机的电磁关系与变压器相类似，定子相当与变压器一次侧，转子相当于二次侧。 以一相为例：

定子每相绕组磁通 Φ = Φmsinωt

e1 = - N1dΦ/dt

忽略 uZ 、 eσ1，则 u1≈ － e1

U1≈E1=4.44f1N1 Φm

f1=pn1/60

1 1U E －

u1

i1i2

e2e1

f1 f2

返回

2. 转子电路 e2 = - N2dΦ /dt E2=4.44f2N2 Φm

f2= p （ n1-n ） /60

E2 、 f2 为转子电动势和转子电流的频率，因为旋转磁场与定子间的相对转速为 n1 ，定子与转子间的相对转速为 n 。则有：

1 1

1 60

n n pn

n

= S f1

电动机起动瞬间 n = 0 ， S =1

f2= f20= pn1/60= f1

E20= 4.44 f1N2 Φm

E2=4.44 S f1N2 Φm

E2=SE20

返回

转子电路呈感性 Z2 = R2+X2

式中漏磁感抗 X2=2π f2LS2= 2πS f1L

S2 S=1, X20= 2π f1LS2

X2=SX20

转子电流 2022 2 2 2 2

2 2 2 20( )

SEEI

R X R SX

转子功率因数2 2

2 2 2 2 22 2 2 20

cos( )

R R

R X R SX

返回

转子电路的各物理量都与转差率有关，即与转子的转速有关。

I2 、 cosφ2 与 S 的关系如曲线所示

I2 cosφ2

1

1S

cosφ2

起动时， S =1 ， n =0起动时， I2 很大 ,

cosφ2 很低

I2

n ↓ →S↑→I2↑

1

1

n nS

n

返回

O

T = KT Φ I2cosφ2

20 2

2 2 2 22 20 2 20( ) ( )

T

SE RK Φ

R SX R SX

2 202 22 20( )T

SR EK Φ

R SX

3. 转矩公式

返回

22 1

2 22 20( )T

SR UT K

R SX

当 KT 、 U1 、 R2 、 X20 、一定的条件下，把 T=f (S)曲线称为转矩特性曲线。如图：

TTmax

1S

Sm

S 较小， 0 < S < Sm ， S↑ T↑S 较大， Sm < S < 1 ， S↑ T↓将 Tmax 对应的 Sm 称为临界转差率 .

三、 自然机械特性1. 转矩特性

利用导数可求得 S

m=R2/X20

Tmax=KTU1

2/2X20返回

O

异步电动机的电磁转矩与定子相电压 U12 成正

比。当电源电压有所变动时，对电磁转矩影响很大。

T Tmax

1 SSm

Tmax′ U1

U1′

U1 > U1

′T ∝ U 2 Sm 与 U1无关U1↓→T↓→n ↓ →S↑

→I2↑→I1↑

电压不足，会造成电流增 大，电动机发热。

0 < S < Sm 电动机运行稳定， Sm < S < 1 电动机运行不稳定。

返回

O

临界转差率 Sm 与 R2 成正比。最大转矩 Tmax 与 R2无关。

R2′ < R2

″

T Tmax

1 SSm

′

R2′ R2

″

Sm″2. 机械特性

在电源电压 U1 不变时，电动机的转速 n 和电磁转矩 T 间的关系称为电动机的机械特性。

返回

O

n = f (T)

机械特性曲线可由转矩特性曲线得来：

TstTN

nN

n

Tmax

T

n1A

B

C

nm

n > nm(AB段）： 为稳定工作区（ S 较小），具有硬特性，即电动机具有自动适应负载能力。TL↓→T >TL→n ↑ →S↓

→T ↓ → T =TL

0<n < nm(BC段）： 为不稳定工作区。

返回

异步电动机 T － n曲线上对应着三个特定转矩：额定转矩 TN ：在额定电压下，当电动机的输出功率等于额定功率 PN 时的转矩称为额定转矩。对应的转速称为额定转速 nN 。

NN

N

9550P

Tn

最大转矩 Tmax ：电动机转矩的最大值。

kW

r/min

N·m

当负载转矩 TL>Tmax 时，电动机将发生闷车停转。定子电流急剧升高，电动机过热导致烧毁 。称最大转矩与额定转矩的比值 λ 为过载系数。

返回

maxm

N

T

T

一般，过载系数 λm为 1.8 ～ 2.2 。 λm 也表示短时允许过载能力。

起动转矩 Tst ：电动机刚起动 n = 0 ， S

= 1 时的转矩。由 S=1 可得

22 1

st 2 22 20( )T

R UT K

R X

Tst ∝ U12 Tst 与 R2 有关

当 U1 减小时， Tst 减小，当 R2适当增大时， Tst会增大 返回

起动能力 λS =st

N

T

T一般 Tst=(1 ～ 2.2)TN 。

只有当 TL < Tst 时电动机才能起动。否则会发生“堵转”，此时电流 I1 I2 都很大。

I2 与 S 的关系如曲线所示I2

1

1 S

起动时， S =1 ， n =0 起动时， I2 很大 ,

I2

n ↓ →S↑→I2↑

1

1

n nS

n

返回O

Tst″

T

n

Tst′

U1′ < U1

″

U1′

U1″

Tst″

T

n

Tst′

R2′ < R2

″

R2′

R2″

Tst ∝ U 2

U ↓ ， Tst ↓

U ↓ ， Tmax ↓

R2 ↓ ， Tst↓

R2 ↓ ， Tmax 不变

四、人工机械特性

返回

例 1 、一台三相异步电动机 , 电源电压 U1=220V, f1= 50 Hz ，额定转速 nN=1425r/min ，转子电路的电阻 R2=0.03Ω ，感抗 X20=0.09Ω ，磁极对数 p=2 ， E1/E20 =11 。 求 :(1) 电动机起动瞬间的 E20 ， f20 ， I20 ， cosφ20； (2) 转子达到额定转速 nN 时的 E2 ， f2 ， I2 ， cosφ2 。

U1≈E1= 220V

E20=E1/11=20V

起动瞬间 f20= f1=50HZ

2020 2 2 2 2

2 20

20A 210.82A

( ) 0.03 0.09

EI

R X

2

20 2 2 2 22 20

0.03cos 0.316

( ) 0.03 0.09

R

R X

解： 转子转速为 nN n1 = 60 f1 / p =1500r/minSN=(n1 － nN)/nN=0.05

E2=SE20=1V f2=Sf20=2.5Hz X2=SX20=0.0045Ω

202 2 2

2 20( )

32.96A

SEI

R SX

22 2 2

2 20

cos( )

0.989

R

R SX

返回

例 2 、一台异步电动机，额定转矩 TN=65.9N·m ，额定转速 nN=1450r/min ，起动能力为 1.4 ，过载系数为 2.0 ，求 Tmax 、 Tst 、 PN 。

N NN 9550

T nP

解：

1450 65.9kW 10kW

9550

max m NT T mN8.1319.652

λS =st

N

T

T

Tst＝ 1.4×65.9＝ 92.9N·m

返回

第四节 三相异步电动机的使用第四节 三相异步电动机的使用

起 动

调 速 反 转

制 动

返回返回

一、起 动 三相异步电动机接通电源后从静止状态过渡到稳定运转状态的过程叫起动。

1. 起动性能要求 有足够大的起动转矩 ,否则电动机不能起动

Tst > TL

满足起动转矩的前提下，起动电流 Ist 越小越好 一般 Ist=(5 ～ 7)IN ，由于起动时间短，电机不会因发热而烧毁，但过大的电流会造成电网电压降落增大，影响其它设备正常工作。

返回

2. 起动方法 全压起动（直接起动）

全压起动简单、经济、但 Ist较大。适用于 PN ≤10kW 的中小型电动机，或者电动机功率小于变压器容量的 20% ，同时电网电压下降不超过 5% 。 降压起动

降压起动即起动时降低加在定子绕组上的电压，当电动机转速接近额定值时，再将定子绕组上的电压恢复到额定值。 由于加到定子绕组上的电压 U1 下降，所以起动电流下降，同时起动转矩也下降。因此降压起动适用于轻载或空载起动。 返回

△形运行

Y 形起动C2

C1

B2

B1

A2

A1 S

S

常用的降压起动方法： Y －△换接起动

这种方法只适用于正常运转时△形联结的电动机。 当 S2 接起动端时，定子三相绕组 Y 形联结。起动电流（线电流）

IstY=UP /z 1

3

U

z

当 S2 接运行端时，定子三相绕组△形联结。

起动电流（线电流）Ist△= 13 3PU z U z

返回

IstY/ Ist △=1/3 △起动电流是 Y 起动电流的三倍。利用 Y －△换接起动时，电源供给电流可下降为原来的 1/3 。

2

1stY

3

UT

2st 1 T U 又因为

所以 TstY/ Tst △=1/3

△联结起动定子绕组相电压是 Y 联结起动的 倍。利用 Y －△换接起动时，起动转矩下降为原来的 1/3 。

3

返回

例、一台三相异步电动机，额定功率为 30kW ，额定转速为 1470r/min ，△联结，在额定负载下运行线电流为 57.5A ， Tst/TN=1.2 ， Ist/IN=7 ， 试求： (1) 用 Y －△换接起动时的起动转矩和起动电流； (2) 当负载转矩为额定转矩的 60% 和 25% 时，用 Y －△换接起动是否可以？

起动电流Ist = 7 IN = 7×57.5A =402.5A

Y －△换接起动时

TstY= Tst△/3 = 1.2×194.9÷3 N·m=77.96N·m

IstY = Ist△/3 = 402.5÷3 A= 134.17A

TN= 9550×30÷1470N·m = 194.9N·m TL=0.6TN=0.6×194.9N·m=116.94N·m

TL > TstY 不可以

TL=0.25TN=0.25×194.9N·m=48.725N·m

TL < TstY 可以

解：

返回

自耦变压器降压起动 这种方法适用于容量较大或不能采用 Y －△起动的三相笼型异步电动机。

降压起动

全压运行

S2 接起动端时，定子三相绕组接至自耦变压器的二次侧，电压低于电源电压。

S2 接运行端时，定子三相绕组接至电源电压。

返回

·M3～

A B C

U2

U1

Ist′

IstT自耦变压器

U1 / U2 = K > 1

降压起动电流 Ist

′= U2 / z = Ist / K

直接起动电流 Ist= U1/z

降压起动从电网吸收的电流 IstT= Ist

′ ／ K =Ist / K 2

2stT U TstT=Tst / K 2

自耦变压器降压起动的起动电流与起动转矩都是直接起动的 1 / K 2倍。

返回

定子电路串电阻降压起动 起动时定子串联电阻，当电动机的转速接近额定转速时，再将串入电阻去除。此种方法的缺点是起动时电阻上消耗较大的功率。 这种方法适用正常运行的 Y 或△联结的三相异步电动机。 绕线转子异步电动机的起动 绕线转子异步电动机的起动常用转子串电阻或串频敏变阻器两种方法。 转子串电阻起动是在转子电路中串入电阻 Rst ，起动后，随着转速上升逐渐减小 Rst ，最终将 Rst全部短路。

返回

起动瞬间 n=0 ， S=1

R2↑→I2↓→Ist↓

Tst″ T

n

Tst′

R2

R2+Rst

R2↑→ Tst ↑

绕线转子异步电动机的转子串电阻起动，不仅限制起动电流，同时增大起动转矩。因此，绕线转子异步电动机比笼型异步电动机的起动性能好。

返回O

二、调 速异步电动机的转速为

11

60(1 ) (1 )

f n S n S

p

改变磁极对数 p 、电源频率 f1 和转差率 S 都可调速。

返回

1.变极对数调速 极对数的改变 ,可以通过改变定子统组的接法来实现。 变极对数调速是有级调速，可制成专用多速电机，这种方式只适用于笼型异步电动机。

2. 变频调速 这种调速方法不仅适用于笼型异步电动机 ,同样适用于绕线转子异步电动机。 采用专用的调速变频电源，可实现对电动机的无级调速。

返回

3. 变转差率调速 在负载转矩一定的情况下 ,在绕线转子异步电动机的转子电路中串入不同的附加电阻以改变转差率 S ,实现调速。

这种调速方法使机械特性变软 ,稳定性差 ,电阻耗能大，但可连续平滑调速 , 用于起重、冶金设备。

此种调速方法发展很快，且调速性能较好。其主要环节是研制变频电源（常由整流器、逆变器等组成）。

返回

三、反 转 三相异步电动机的转向决定于旋转磁场的转向 , 而旋转磁场的转向又与通入三相定子绕组的电流相序有关 , 因此 ,改变相序即可改变转向。 只要将三相定子绕组接电源的三根线中任意两根对调即可。

正转

反转

返回

1. 能耗制动 当电动机脱离三相电源后，将 S2 接通直流电源，则在电动机内会产生一个恒定的不旋转的磁场。

转子由于机械惯性继续旋转 ,因而转子导体切割磁力线 ,产生感应电动势和电流。 返回

四、制 动用强制的方法迫使电动机迅速停车就叫制动。

由于这种方法是用消耗转子的动能 (转换成电能）来进行制动的 ,所以称为能耗制动。 这种方法准确、平稳、能耗小 ,但需直流电源 .一般直流电流可调节为额定电流的 0.5 ～ 1倍。

返回

载有电流的导体在恒定磁场的作用下 , 受到制动力 FT,产生制动转矩 Tz,使转子迅速停车。

这种制动方法简单、快速 ,但制动时 S≈2,电流大，制动不准确 ,耗能大 ,冲击较强烈 ,易损坏机械零件。当 n≈0 时 ,应立即断开电源 ,否则电动机将反转 ,应加制动电阻。

返回

2. 反接制动 反接制动就是通过任意对调三相定子绕组的两相电源来实现的。 任意对调两相电源后 ,旋转磁场反向旋转（速度 n1),电磁转矩也反向而起制动作用。

第五节 三相异步电动机的铭牌和技术数据

铭牌和额定值

运行特性

例题

返回返回

一、铭牌和额定值 每台电动机都有一个铭牌 ,安装在机座上，记载它的额定值 ,以便按规定的数值使用

三相异步电动机型号 Y112M-6 功率 4.0kW 防护等级 IP44

电压 380V 电流 8.8A 功率因数 0.84

接法 △ 转速 1440r/min 绝缘等级 B

频率 50Hz 重量 45kg 工作方式 S1

×× 电机厂

返回

1. 型 号 型号是电动机类型、规格的代号。由汉语拼音大写字母或英文字母加阿拉伯数字组成。按顺序包括名称代号、规格代号。

Y 112 M － 6

磁极数

机座长度代号（ S 、 M 、L ）

中心高

三相异步电动机返回

2. 额定电压 UN

额定电压是指电动机在额定运行时定子绕组的线电压。 它与绕组接法有对应关系： Y 系列异步电动机的额定电压都是 380V ， 3kW 以下的接成 Y 形，而 4kW 以上的均接成△形。一般规定电源电压波动不应超过额定值的 ±5% 。

3. 额定电流 IN

是指电动机在额定运行情况下定子绕组的线电流。4. 额定功率 PN 与额定效率 ηN

电动机在额定运行情况下 ,轴上输出的机械功率称为额定功率。

返回

额定效率是指额定功率与输入电功率之比

N NN

1N N N N

100% 100%3

P P

P U I

5. 额定转速 nN

指电动机额定运行时的转速。它略低于同步转速 n1 。6. 额定功率因数 λN

指在额定情况下 , 电动机定子电路的功率因数 , φN 是定子绕组相电压与相电流之间的相位差。其值约为 0.7~0.9 。

返回

7. 绝缘等级 它是按电动机绕组所用的绝缘材料在使用时允许的极限温度来分级的。8. 工作制 通常分为连续运行、短时运行和断续运行三种 , 分别用代号 S1 、 S2 、 S3 表示。9. 防护等级 它是指电机外壳防护型式的分级。 异步电动机铭牌上通常还列出了 Ist /

IN 、 Tst /TN 、 Tmax /TN 。绕线转子异步电动机铭牌上还标明转子额定电流和转子绕组的开路电压。 返回

二、 运行特性 电动机当电压 U1 、频率 f1 为定值时，将 I1= f (P2) 、 cosφ1= f (P2) 、 η = f (P2) 称为运行特性（工作特性）。I1 η cosφ1

P2

η

cosφ1

I11.定子电流特性 I1= f (P2)

P2=0 （空载）

I1= I10 ( 空载电流）

P2 ↑→ I1 ↑

2. 功率因数特性 cosφ1= f (P2)

P2=0 （空载）

cosφ1 很小

P2 ↑→ cosφ1 ↑ （但到一定数值后，又略有下降 ）

3. 效率特性 η = f (P2)

η = P2/P1

P2=0 （空载）

η =0

P2 ↑→ η↑ （但出现最大值后，又略有下降 ）

返回

O

例 1 、三相异步电动机额定值为 PN=40kW, 接法Y/ ,△ UN=380V/220V, nN=1460r/min, ηN=0.895, cosφN=0.89, Ist /IN=5.5, Tst /TN=1.1,Tmax /TN=2 。试求 P1

N , IN , TN , SN , Tst , Tmax , Ist , f2N 。解： N

1NN

40kW 44.7kW

0.895

PP

31N

NY

N N N

44.7 10A 76A

3 cos 3 380 0.89

PI

U

31N

N

N N N

44.7 10A 132A

3 cos 3 220 0.89

PI

U

NN

N

409550 9550 N m 262N m

1460

PT

n

1 NN

1

1500 14600.027

1500

n nS

n

Ist△= 5.5 IN△= 5.5×132A = 726A

IstY= 5.5 INY = 5.5×76A =418A

Tst=1.1TN=262×1.1N·m=288N·m

Tmax=2TN=2×262N·m=524N·m

f2N=S f1=0.027×50Hz=1.35Hz 返回

例 2 、 Y132S-4 型三相异步电动机额定值如下 ,试求 SN 、 IN 、 TN 、 Tst 、 Tmax 、 Ist 。

PN nN UN ηN λN Ist /IN Tm /TN Tst /TN

5.5 kW

1440 r/min

380V 0.855 0.84 7 2.2 2.2

解：

3N

N

N N N

5.5 10A

3 3 380 0.855 0.84

11.64A

PI

U

1 NN

1

1500 14400.04

1500

n nS

n

Ist = 7 IN =81.48A

Tst=2.2TN=324.9N·m

Tmax=2.2TN=324.9N·m

磁极对数 p= 2, n1=1500r/minN

NN

5.59550 9550 N m 147.68N m

1440

PT

n

返回

例 3 、三相异步电动机额定值为 PN=10kW, △联结 , UN=380V, nN=1460r/min, ηN=0.88, λN=0.88, Ist

/IN=7, Tst /TN = 1.3, λT = 2 ， f =50Hz 。 试求 (1) 磁极对数 p 、 IN 、 TN 、 SN 、 Tst 、Tmax 、 Ist； (2) 若负载转矩 TL=55N·m, 当 U＝ 0.9UN 时，能 否起动？电动机若要采用 Y －△换接起动，则 IstY ， TstY 各为多少？能否起动？

1 NN

1

1500 14600.027

1500

n nS

n

∴磁极对数 p= 2, n1=1500r/min

NN

N

109550 9550 N m 65.4N m

1460

PT

n

∵ nN=1460r/min 略小于 n13

NN

N N N

10 10A

3 3 380 0.88 0.88

19.6A

PI

U

Ist = 7 IN =137.2A Tst=1.3TN=85N·m

Tmax=2TN=130.8N·m

Tst (∝ U)2 Tst ′=(0.9)2Tst=68.85N·m

Tst ′> TL ， 可以起动

解：采用 Y －△换接起动 IstY= Ist/3=45.7A

TstY = Tst/3 = 28.3N·m < TL=55N·m

不能起动

返回

例 4 、 Y160M-2 型三相异步电动机 PN=15kW, △联结 , UN=380V, nN=2930r/min, ηN=0.882, λN=0.88, Ist /IN=7, λS = 2, λM= 2.2 ，起动电流不允许超过150A 。若负载转矩 TL=60N·m, 试问能否带此负载(1)长期运行； (2) 短时运行； (3) 直接起动？

NN

N

159550 9550 N m 48.9N m

2930

PT

n

3N

N

N N N

15 10A

3 3 380 0.882 0.88

29.35A

PI

U

Tst=2TN=97.8N·m Tmax=2.2TN=107.58N·m

Ist = 7 IN =205.45A

解： TN< TL=60N·m 不能长期运行

Tmax> TL 能短时运行

Tst> TL

但 Ist>150A 不能直接起动

返回

②. 电网电压下降 10%, 电动机在恒定负载转矩下工作 , 稳定后的状态为 ______

A. 转矩不变 , 转速下降 , 电流减小 ;

B. 转矩不变 , 转速下降 , 电流增大 ;

C. 转矩减小 , 转速不变 , 电流减小；

D. 转矩减小 , 转速不变 , 电流增大；

B

①. 异步电动机起动电流大是因为 ______

A. 起动时轴上静摩擦阻力转矩大 ;

B. 起动时磁通还未产生 , E

1=0 ; C. n=0 , S=1>>

SN , I2很大。

C

返回

例 5 、选择填空。

③. 异步电动机铭牌值为 :UN=380V/220V ，接法Y/△， IN=6.3A/10.9A ，当额定运行时每相绕组电压 UP 和电流 IP 为 ______

A. 380V , 6.3A B. 220V , 6.3A C. 380V , 10.9A D. 220V , 10.9A

B

④.　对于起动并不频繁的三相笼型异步电动机 ,适当降低其起动电流是为了 ______ A. 防止电动机烧坏 B. 防止熔体熔断 C. 防止电网电压过度降低⑤. 绕线转子三相异步电动机在负载不变的情况下 ,增加转子电路电阻会使其转速 ________ A. 增高 B. 降低 C. 稳定不变

C

B

返回

⑥. 三相异步电动机的旋转方向由 _____ 决定。 A. 电源电压大小 B. 电源频率高低 C. 定子电流的相序

C

⑦. 三相笼型异步电动机额定功率 PN=30kW, 额定电压 UN=380V,△接法 , Tst /TN = 1.2,当 TL=0.3

TN 时，应采用 ________________ 起动。Y －△换接起动

TstY/ Tst=1/3

TstY=0.4 Tst > TL= 0.3TN

返回

第六节 单相异步电动机第六节 单相异步电动机

电容分相式异步电动机

罩极式异步电动机

返回返回

一、电容分相式异步电动机

u~

S C

A

B

X

Y

1

2

两个相位差 90° 的电流分别通过在空间上相差 90° 的两个绕组，能产生旋转磁场。从而对转子产生电磁转矩。

返回

A

⊙B Y

X

N S

⊙

A

⊙

B Y

X

N

S

n1

A

⊙B Y

X

N

S

Ai

tBi

45° 90°

ωt＝ 0°ωt＝ 45°ωt＝ 90°

当开关 S 在“ 1” 位置时，电容器与 BY 绕组串联，电动机顺时针方向转动。

当开关 S 接到“ 2” 位置时，电容器与 AX 绕组串联，电动机逆时针方向转动。

返回

i

O

二、罩极式异步电动机 定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。

转子

短路环

返回

定子磁极

第七节 三相同步电动机第七节 三相同步电动机

基本结构

转动原理

功率因数可调性

返回返回

Y

B

Z

X

A

C

定子

定子绕组（三相）

N

S

一、基本结构

凸极转子

三相同步电动机的定子与三相异步电动机的定子绕组相同，可以联结成 Y 形和△形。

三相同步电动机的转子装有磁极和激励绕组，分为凸极式和隐极式。

返回

二、转动原理对称三相电源

定子对称三相绕组

旋转磁场

吸引转子的磁极

n1

n转子旋转

11

60 (r/min)

f n n

p＝ ＝

返回

三、功率因数可调性 改变转子激励电流，可以调节电动机的功率因数。

正常激励电流－ 功率因数为 1 时的激励电流激励电流 < 正常激励电流－－电动机呈感性

激励电流 > 正常激励电流－－电动机呈容性

返回

第八节 直流电动机第八节 直流电动机

返回返回

基本结构

工作原理

机械特性

直流电动机的使用

N

S

N

S

铁心铁心励磁绕组励磁绕组

机座机座

转子转子

直流电机由定子 (磁极 )、转子(电枢 )和机座等部分构成。

一、基本结构

返回

1. 定子定子的分类：永磁式：由永久磁铁做成。

励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。

2. 2. 转子转子 (( 电枢电枢 )) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。

电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：单个绕组元件组成。电枢绕组：单个绕组元件组成。

返回

二、工作原理

S

b

Na c

d

换向器

电刷

I

F

F

n

电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电枢在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用 e 表示）。

e

e

根据右手定则知， e 和原通入的电流方向相反，电动机电枢绕组受力 (左手定则 ) 按逆时针方向旋转。

返回

EE K nKE ：与电机结构有关的常数n ：电动机转速 ：磁通

三、机械特性 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联接到同一电源上。串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。

复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接 在同一电源上。

返回

1. 他励电动机

a a

a

E

T

U E I R

E K Φn

T K ΦI

a2

E T E

RUn T

K Φ K K Φ

a2Δ

T E

Rn T

K K Φ0

E

Un

K Φ0 Δn n n 其中 ，

MUf

IfIa

UE＋－

返回

n0 ： 理想空载转速 , 即 T=0 时的转速。（实际工作时 , 由于有空载损耗，电机的 T 不会为0 。）根据 n － T 公式得到特性曲线

n0nN

TNT

n

n当 T 时 n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械特性。

返回

O

2. 并励电动机

并励电动机和他励电动机的机械特性一样。

a f =U U U

a fa f

+ = +U E U

I I IR R

MUIf

E＋

－

返回

Ia

3.串励电动机

MU E＋

－a f a

aT

E U R R I

T K ΦI

－（ ＋ ）

a f2

+

E T E

R RUn T

K Φ K K Φ

据此公式得到 T － n 曲线n

T

随转矩 T 的增大， n 下降得很快，这种特性属软机械特性。

返回

O

恒功率负载（ P 一定时， T 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车提升设备等。

直流电动机特性类型的选择 :

恒转矩的生产机械 (TL 一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如： 金属加工、起重机械等。

＊串励电动机在轻载或空载运行时，转速很高，容易使电动机损坏，所以串励电动机不能在轻载或空载运行。

返回

四、直流电动机的使用1. 1. 起动起动直流电动机不允许在额定电压直流电动机不允许在额定电压 UUNN 下直接起动。下直接起动。

IIstst太大会使换向器产生火花，烧坏换向器。

Nst N

a

(10 ~ 20)U

I IR

起动时，起动时， n n =0 =0

起动电流大

起动转矩大

起动时，起动转矩为 (10~20)TN ,

造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。

stT I

返回

Nst N

a st

(1.5 ~ 2.5)U

I IR R

Nst a

st

UR R

I

在满磁下将在满磁下将 RRstst 置最大处，逐渐减小置最大处，逐渐减小 RRstst 使使 nn升升高。高。

(1) (1) 电枢串电阻电枢串电阻 RRst 起动法起动法

(2) 降压起动法最大起动电压 Ust 为

aNastst )5.2~5.1( RIRIU

返回

2. 2. 调速调速 与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好。

（ 1 ）调速均匀平滑，可以无级调速。（ 2 ）调速范围大，调速比可达 200 （他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速比）。

直流电动机调速的优点：

返回

改变电压调速改变电压调速

由转速公式知：由转速公式知：调电压调电压 UU ，， nn00 变化，变化，但斜率不变，所以调速但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。特性是一组平行曲线。

n0"n0'

电电压压增增大大

n0

n

TO

KTnTΦKK

R

ΦK

Un

ETE

02a

改变电压调速的特点改变电压调速的特点 ::

工作时电压不允许超过 UUNN ，而 n n U U, 所以调速只能向下调。

机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好，适合于恒转矩调速。 均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。 调速幅度较大。

返回

可见：在可见：在 U U 一定的情况下，改变一定的情况下，改变可改变转速可改变转速 n n

。。

改变磁通调速改变磁通调速

RRff IIff nn

一般只采用减少励磁电流一般只采用减少励磁电流 (( 减弱磁通减弱磁通 )) 的方法的方法调速调速 , , 即即

＊磁通＊磁通只能减小，只能减小，nn只能上调。只能上调。

改变改变时的机械特性如图。时的机械特性如图。0n

0n ''0n '

TTLLT

n （（

减小减小

））RRf

增增加加

O

a2

E T E

RUn T

K Φ K K Φ

返回

调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限， n 不能太高。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。机械特性较硬，稳定性较好。若调速后若调速后 IIaa 保持不变，电动机在高速运转时保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。其负载转矩必须减小。这种调速方法只适用于恒功率调速这种调速方法只适用于恒功率调速 (( 如用于切如用于切削机床削机床 )) 。。

变磁通调速特点：变磁通调速特点：

返回

电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速

电枢中串入电阻 , 使 n ， n0 不变，即电机的特性曲线变陡 (斜率变大 ) ，在相同力矩下 ,n。特性曲线如图。

nn0

T

a02 Δ

E T E

RUn T n n

K Φ K K Φ

电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此 用电阻，电阻增大则转速下降，因此 n n 只能只能下调。下调。

电电阻阻增增大大

返回

O

设备简单，操作方便。 机械特性软，稳定性差。 能量损耗大，只用于小型直流电机。

变电枢电阻调速特点：变电枢电阻调速特点：

2. 反 转电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。

（ 1 ）改变励磁电流的方向。（ 2 ）或改变电枢电流的方向。

改变直流电机转向的方法：注意：注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。电流两者的方向不能同时变。

返回

3. 制动 与异步电动机相似，直流电机制动的所采用的常用方法： 反接制动、能耗制动

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第九节 控制电动机第九节 控制电动机

返回

伺服电动机

测速发电机

步进电动机

一、伺服电动机

伺服电动机可分为两类：伺服电动机可分为两类：

伺服电动机又称执行电动机。其功能功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。角位移和角速度，驱动控制对象。

交流伺服电动机交流伺服电动机 直流伺服电动机直流伺服电动机

伺服电动机可控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。

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1. 交流伺服电动机

交流伺服电动机就是一台两相交流异步电机。它的定子上装有空间互差 90的两个绕组：励磁绕组和控制绕组。

返回

励磁绕组串联电容 C , 是为了产生两相旋转磁场。 适当选择电容的大小，可使通入两个绕组的电流相位差接近 90,从而产生所需的旋转磁场。

SM~CU

CI

+

–U+

–

U

fI

fU

+–

+–

放大器

励磁绕组

控制绕组

工作时两个绕组中产生的电流工作时两个绕组中产生的电流 İİf 和和 İİC 的的相位差近于相位差近于 90º90º ，因此便产生两相旋转磁场。，因此便产生两相旋转磁场。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。在旋转磁场的作用下，转子便转动起来。

返回

TT

UU220.8 U

2

0.6 U2

0.40.4 U U

22o

n交流伺服电动交流伺服电动机的机械特性机的机械特性

在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的在励磁电压不变的情况下，随着控制电压的下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，下降，特性曲线下移。在同一负载转矩作用时，电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。电动机转速随控制电压的下降而均匀减小。

加在控制绕组上的控制电压反相时加在控制绕组上的控制电压反相时 ((保保持励持励磁电压不变磁电压不变 )) ，由于旋转磁场的旋转方向发生变，由于旋转磁场的旋转方向发生变化，使电动机转子反转。化，使电动机转子反转。

返回

2. 直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构与直流电动直流伺服电动机的结构与直流电动

机基本相同。只是为减小转动惯量，电机机基本相同。只是为减小转动惯量，电机做得细长一些。做得细长一些。

直流伺服电动机的直流伺服电动机的工作原理也与直流电动机相同。

SM Uf

IfI

UC

放放大大器器

U

+ +

– –

直流伺服电机的机械特性与他励直流电机相同一样。

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由机械特性可知：由机械特性可知：(1) (1) 一定负载转矩下，当一定负载转矩下，当磁通磁通不变时，不变时， UU22 nn。。(2) (2) UU22=0=0 时，电机立即停时，电机立即停转。转。

电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。反转。

C a2

E E T

U Rn T

K K K

机械特性曲线

UC0.8U

C0.6U

C0.4U

C

n

TO

返回

二、测速电动机 测速发电机是一种转速测量传感器。在许多自动控制系统中，它被用来测量旋转装置的转速，其输出的电压大小与转速成正比。

测速发电机分为交流和直流两种类型。 直流测速发电机分永磁式和他励式两种。两种电机的电枢相同。但永磁式的定子使用永久磁铁产生磁场，因而没有励磁线圈；他励式的结构与直流伺服电机相同，工作时励磁绕组加直流电压 Uf励磁。

返回

TG RL

Ia

U

+

–Ra

－

＋

EUf

+

–

当被测装置转动轴带动发电机电枢旋转时，电枢产生电动势 E ，其大小为：

EE K n

a a aL

E

UU E R I K n R

R

L

a1

EK Φn

R

R

则：

返回

可见，当励磁电压 Uf保持恒定时（ 亦恒定），若 Ra 、 RL 不变，则输出电压 U 的大小与电枢转速 n 成正比。

O n

U RL1>RL2 RL=

RL2

RL1

＊由于直流电机中存在着电枢反应现象，使得输出电压 U 与转速 n

有一定的线性误差。 RL越小、 n 越大，误差越大。因此，在使用中应对 RL 的大小有要求。 返回

三、步进电机 步进电动机是利用电磁铁的作用原理，每输入一个电脉冲，电动机就转动一定的角度或前进一段距离，所以步进电动机是一种将电脉冲信号转换为角位移或直线位移的执行元件。

1．基本结构A

BC

定子转子 定子内圆周均匀分布着六个磁极，磁极上有励磁绕组，每两个相对的绕组组成一相。

返回

2．工作原理 步进电动机工作时，定子各相绕组要轮流输入脉冲压电通电，从一次通电到另一次通电称为一拍，每一拍转子转过的角度称为步距角，步距角的大小与通电方式有关。 三相单三拍

34

12

A

A'

C'

C

B'

B

A 相绕组通电， B 、 C

相不通电。由于在磁场作用下，转子的 1 、 3齿与 A 、A′ 极对齐。

C'

3

4 1

2

A

B'

BC

A'

B 相通电时，转子会转过 30角， 2 、 4齿和 B 、B´ 磁极轴线对齐。

当 C 相通电时，转子再转过 30角， 1 、 3齿和 C´ 、 C 磁极轴线对齐。

1

34

2

B

B'

A

A'

C'

C

返回

按 AB C A …… 的顺序给三相绕组轮流通电，转子便一步一步转动起来。每一拍转过 30°( 步距角 ) ，每个通电循环周期(3拍 ) 转过 90°( 一个齿距角 ) 。 改变定子三相绕组通电顺序 AC B

A …… 转子反向一步一步旋转。

360

ZN

θ 为步距角， Z 为转子齿数， N 为拍数，f 为信号频率。

60 fn

ZN则：

返回

三相双三拍三相双三拍

按 AB BC CA 的顺序给三相绕组轮流通电。

C3

41

2

C'

B

B'

A

A'

A 、 B 相同时通电， A 、A' 磁极拉住 1 、 3齿， B 、B' 磁极拉住 2 、 4齿，转子转过 30。

3

4 1

2

A'

A

B

B' C'

C

A 、 B 相同时通电，A 、 A' 磁极拉住 1 、 3齿，B 、 B' 磁极拉住 2 、 4齿，转子转过 30。

改变三相绕组通电顺序 ACCB BA ，步进电机反向旋转。

返回

三相六拍三相六拍

按 AAB B BC C CA 的顺序给三相绕组轮流通电，是三相单三拍和三相双三拍的交替混合方式。 要完成一个循环，要经过六次换接绕组的通电状态，所以称为三相六拍，其步距角 θ=15° 。

返回

返回