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第5章 三相异步电动机
5.1 三相异步电动机的基本知识
5.1.1三相异步电动机的分类及基本结构
三相异步电动机种类繁多，若按转子结构可分为笼型和绕线转子异步电动机两大类；若按机壳的防护形式分类，笼型异步电动机可分为防护式、封闭式、开启式，其外形如图3-3所示。按冷却方式异步电动机可以分为自冷式、自扇冷式、管道通风式、液体冷却式。异步电动机分类方法虽不同，但各类三相异步电动机的基本结构却是相同的。
三相笼型异步电动机的结构
由定子、转子和气隙三大部分组成
1.定子部分
定子部分是异步电动机静止不动部分，主要包括定子铁心、定子绕组和机座。
1）定子铁心。它是电动机主磁路的一部分，为减小铁耗常采用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成。铁心内圆上有均匀分布的槽，用以嵌放三相定子绕组。
2）定子绕组。它是电动机的电路部分，常用高强度漆包铜线按一定规律绕制成线圈，分布均匀地嵌入定子内圆槽内，用以建立旋转磁场，实现能量转换。
三相绕组（U、V、W）六个出线端引至机座上的接线盒内与六个接线柱相连，根据设计要求可接成星形或三角形，接线盒内的接线如图3-6所示。在接线盒内，三个绕组的六个线头排成上下两排，并规定下排的三个接线柱自左至右排列的编号为U1、V1、W1，上排自左至右的编号为W2、U2、V2。不论是制造和维修时都按这个序号排列。
3）机座。
机座用于固定和支撑定子铁心和端盖，因此机座应有较好的机械强度和刚度，常用铸铁或铸钢制成。
大型电动机常用钢板焊接而成。
小型封闭式异步电动机表面有散热筋片，以增加散热面积。
2．转子部分
转子部分是电动机的旋转部分，主要由转子铁心、转子绕组、转轴等组成。
转子铁心是电动机主磁路的一部分。采用0.5mm厚硅钢片冲片叠压而成，转子铁心外圆上有均匀分布的槽，用以嵌放转子绕组。如图3-7所示。一般小型异步电动机转子铁心直接压装在转轴上。
转子绕组是转子的电路部分，用以产生转子电动势和转矩，转子绕组有笼型和绕线式两种。
根据转子绕组的结构型式，异步电动机分为笼型异步电动机和绕线式异步电动机两种。
1）笼型转子。笼型转子绕组是在转子铁心每个槽内插入等长的裸铜导条。两端分别用铜制短路环焊接成一个整体，形成一个闭合的多相对称回路，如图3-8a所示。大型电动机采用铜条绕组，而中小型异步电动机笼型转子槽内常采用铸铝，将导条、端环同时一次浇注成型，如图3-8b所示。
2）绕线式转子。绕线式异步电动机的定子绕组与笼型定子绕组相同，而转子绕组与定子绕组类似，采用绝缘漆包铜线绕制成三相绕组嵌入转子铁心槽内，将它接成星形联结，三个端头分别固定在转轴上的三个相互绝缘的集电环上，再经压在集电环上的三组电刷与外电路相连，一般绕线转子电动机在转子回路中串电阻，以改变电动机的启动和调速性能。三个电阻的另一端也接成星形。
3. 气隙
异步电动机定、转子之间的气隙很小，中小型异步电动机一般为0.2~1.5mm。气隙大小对电动机性能影响很大，气隙越大，磁阻也越大，产生同样大的磁通，所需的励磁电流I0也越大，电动机的功率因数也就越低。但气隙过小，将给装配造成困难，运行时定、转子发生摩擦，而使电动机运行不可靠。
5.1.2三相异步电动机的铭牌主要技术参数
在电动机的铭牌上主要标注了电动机的型号和主要的技术数据，电动机在铭牌上规定的技术参数和工作条件下运行为额定运行。
三相异步电动机 型号Y2—200L—4 功率30kW 电流57.63A 电压380V
频率50Hz 接法△ 转速1470r／min LW79dB／A
防护等级IP54 工作制S1 F级绝缘 重量270kg
X X 电 机 厂 三相异步电动机的铭牌
1．型号
产品代号表示电动机的类型
规格代号对于中小型异步电动机包括中心高（mm）、机座长度代号、铁心长度代号及磁极数；
对于大型异步电动机则包括功率（KW）、磁极数/铁心外径。
特殊环境代号使用的字母意义如表3-3所示。
字母 含义 字母 含 义
J、Y 交流异步 S 双笼转子
G 管道通风 B 防爆
D 多速 K 高速
R 绕线转子 Z 起重、冶金
Q 高启动转矩 H 高转差率
字母 含义 字母 含义
G 高原用 T 热带用
H 航海用 TH 湿热带用
W 户外用 TA 干热带用
F 化工防腐用
举例
2．三相异步电动机的额定值
1）额定功率PN：指电动机额定状态下运行时，电动机转轴输出的机械功率。单位为kW或W。对于三相异步电动机，
对于380V的电动机，若只看数值，IN≈2 PN，因此可以根据电动机的额定功率估算出额定电流，即一千瓦两个电流。
2）额定电压UN（V）：指电动机额定工作状态时，加在定子绕组上的线电压。
3）额定电流IN（A）：指电动机额定工作状态时，流入定子绕组的线电流。
4）额定转速nN(r/min)：指电动机额定工作状态时，电动机转速。
5）额定频率fN（Hz）：指电动机定子侧电压的频率。我国电网fN=50 Hz。
3．接线
接线是指在额定电压下运行时，电动机定子三相绕组的联结方式，有三角形联结和星形联结两种。
定子绕组采用哪种接线方式取决于定子绕组的耐压等级，若定子绕组能承受220V的电压，电源电压为220V则采用三角形联结，若电源电压为380V，则采用星形联结。
4．工作制
工作制可分为额定连续工作制S1、短时工作制S2、断续工作制S3三种。
5．防护等级
“IP”和其后面的数字表示电动机外壳的防护等级。IP表示国际防护等级，其后面的第一个数字代表防尘等级，共分0~6七个等级；其后面的第二个数字代表防水等级，共分0~8九个等级，数字越大，表示防护的能力越强。
5.1.3三相异步电动机绕组的基本知识
1．交流绕组的几个基本概念
1）线圈（元件）。线圈是由绝缘导线绕制而成，可由一匝或多匝组成。再嵌入定子铁心槽内，按一定规律连接成绕组，故线圈是交流绕组的基本单元，又称元件。
2）极矩τ
两个相邻磁极的中心线之间沿定子铁心内表面所跨过的距离称为极矩τ，极距一般用每个极面下所占的槽数来表示。
其中Z为定子的槽数，p为磁极对数。
3）线圈节距y
一个线圈的两有效边所跨过的定子圆周上的距离称为节距，一般用槽数表示。节距y应等于或接近于极距τ。
当y=τ时，称为整距绕组；
当y<τ时（y=5/6τ或4/5τ），称为短距绕组。
一般采用短距绕组。
4）机械角度与电角度
电机定子圆周所对应的几何角度为360°，该几何角度称为机械角度。
而从电磁观点来看，转子导体每经过一对磁极，所产生的感应电动势也就变化一个周期，即360°电角度。
故一对磁极的电角度便为360°。若电动机有p对磁极，转子导体转一周（机械角度为360°），所产生的感应电动势也就变化p个周期，则电角度为p×360°。
所以：
电角度=p×机械角度
5）槽距角α
相邻两槽之间的电角度称为槽距角，用α表示，由于定子槽在定子圆周内分布是均匀的，所以
式中，Z为定子槽数，p为磁极对数。
6）每极每相槽数q
每一个极面下每相所占的槽数为每极每相槽数，即
其中：m为绕组相数
7）相带
每个磁极下的每相绕组（即q个槽）所占的电角度为相带。因为每个磁极占的电角度为180°，被三相绕组均分，则相带为180°/3=60°，即在一个磁极下一相绕组占60°电角度，称为60°相带。
8）极相组（线圈组）
将一个相带内的q个线圈串联起来就构成一个极相组，又称为线圈组。
2．交流电动机绕组的分布原则和分类
三相电动机应具有三相对称绕组，且在空间上应均匀分布且互差120°电角度；
并且相邻磁极下的导体的感应电动势方向相反。
所以交流电动机的绕组的排列应遵守以下原则：
1）每相绕组所占槽数要相等，且均匀分布。
把定子总槽数Z分为2p等分，每一等分表示一个极距Z/2p；再将每一个极距内的槽数按相数分成3组（三相电动机），每一组所占槽数即为每极每相槽数。
2）根据节距的概念，节距y应等于或接近于极距，所以沿一对磁极对应的定子内圆相带的排列顺序Ul，W2，Vl，U2，W1，V2，这样各相绕组线圈所在的相带Ul，Vl，W1（或U2，V2，W2）的中心线恰好为120°电角度。
如图所示，2极24槽、4极24槽绕组分布图。图中所标的60°为电角度，即60°相带。
3）规定U1、V1、W1为绕组的首端，U2、V2、W2为绕组的尾端，且当电流由首端流入、尾端流出时为正，当电流由尾端流入、首端流出时为负。
这样从正弦交流电波形图的角度看，除电流为零值外的任何瞬时，都是一相为正，两相为负，或两相为正，一相为负。按照图3-11画出的2极24槽、4极24槽绕组分布状况，表明了当iU、iV为正，iW为负时的电流方向。
4）把属于各相的导体顺着电流方向联接起来，便得到三相对称绕组。
三相绕组分布端面图
3．三相单层绕组
（1）单层链式绕组
已知一台Y2-90L-4型三相异步电动机，定子槽数Z=24，2p=4，画出单层链式绕组的展开图。
2）分极分相。
首先将槽依次编号，将定子的全部槽数按极数分，每极下分有6槽，磁极按S、N、S、N排列。
再将每极下的槽数分成U、V、W三相。
要求U1、V1、W1依次相差120°电角度，按60°相带的排列顺序，并将各槽号填入表中。
同样将分极分相画在绕组展开图中，并标出定子导体的电流方向，同一极性下导体的电流方向相同。
磁极 S N 第一对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 1，2 3，4 5，6 7，8 9，10 11，12
第二对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 13，14 15，16 17，18 19，20 21，22 23，24
24槽4极电动机60°相带排列表
3）组成线圈，确定各相绕组的电源引出线，并顺着电流方向把同相线圈连接起来。
由于采用短距绕组，y=τ-1=6-1=5，按绕组节距要求把相邻异极下的同一相槽中的线圈边连成线圈，所以U1相带中的槽中的线圈边与U2相带中槽中的线圈边组成4个线圈：2~7，8~13，14~19，20~1。然后顺着电流方向把同相线圈连接起来，如图所示。可以看出线圈的连接规律是“头接头，尾接尾”。构成U相绕组的展开图。
磁极 S N 第一对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 1，2 3，4 5，6 7，8 9，10 11，12
第二对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 13，14 15，16 17，18 19，20 21，22 23，24
同样V相组成4个线圈：6~11，12~17，18~23，24~5；
W相组成4个线圈：10~15，16~21，22~3，4~9。
各相绕组的电源引出线U1、V1、W1应依次相差120°电角度，由于相邻两槽相隔的电角度为30°，则120°电角度应相隔 4槽，现将U1定在2号槽，则V1应定在2+4=6号槽，W1应定在6+4=10号槽。
然后顺着电流方向把同相线圈连接起来，则构成了三相绕组的展开图。如图所示。由图可见，链式绕组的每个线圈的节距相等，制造方便，连接线较短，主要用于q=2的电动机中。
24槽4极单层链式三相绕组的展开图
（2）同心式绕组
同心式绕组的特点是：在q个线圈中，线圈的节距不等，有大小线圈之分，大线圈总是套在小线圈的外面，线圈的轴线重合，所以称为同心式。如图所示。
首先组成线圈，U相：1~8组成一个节距等于7的大线圈，2~7组成一个节距等于5的小线圈，同样，13~20组成大线圈，14~19组成小线圈。同心的大小线圈套在一起顺着电流方向串联起来，构成一相绕组。
V相： 5~12组成一个节距等于7的大线圈，6~11组成一个节距等于5的小线圈，同样，17~24组成大线圈，18~23组成小线圈。
W相：9~16组成一个节距等于7的大线圈，10~15组成一个节距等于5的小线圈，同样，21~4组成大线圈，22~3组成小线圈。
各相绕组的电源引出线U1、V1、W1应依次相差120°电角度，现将U1定在1号槽，则V1在5号槽，W1在9号槽。顺着电流方向把同相线圈连接起来，则构成了三相绕组的展开图。如图3-15所示。由图可见同心式绕组的端部连接线较长。
（3）单层交叉式绕组
已知一台Y2-132S-4型三相异步电动机，Z=36槽，2p=4极。画出三相交叉式绕组展开图。
2）分极分相。首先将槽依次编号，将定子的全部槽数按极数分，每极下分有9槽，磁极按S、N、S、N排列。再将每极下的槽数分成U、V、W三相。要求U1、V1、W1依次相差120°电角度，按60°相带的排列顺序，并将各槽号填入表中。同样将分极分相画在绕组展开图中，并标出定子导体的电流方向，同一极性下导体的电流方向相同。
磁极 S N 第一对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 1，2，3 4，5，6 7，8，9 10，11，12 13，14，15 16，17，18
第二对极 相带 U1 W2 V1 U2 W1 V2
槽号 19，20，21 22，23，24 25，26，27 28，29，30 31，32，33 34，35，36
36槽4极电动机60°相带排列表
3）组成线圈，并确定各相绕组的电源引出线，并顺着电流方向把同相线圈连接起来。
U1相带中任何一槽的线圈边与U2相带任何一槽的线圈边都可以组成一个线圈，但考虑采用短距绕组，节距应尽可能短。
将2~10和3~11组成节距等于8的大线圈，并串联成一组，将 12~19组成节距等于7的小线圈；
同样将20~28，21~29组成大线圈，并串联成一组，将30~1组成一个小线圈。
将U相的4组大小不同的线圈顺着电流方向连接起来，得到U相绕组的展开图。
由图可以看出，它是大小线圈交叉连接，故称为交叉式
同样V1相带中的槽中的线圈边与V2相带中槽中的线圈边组成4组线圈：8~16，9~17两个大线圈，串成一组线圈，18~25组成一个小线圈，26~34，27~35两个大线圈，串成一组线圈，36~7组成一个小线圈；
W1相带中的槽中的线圈边与W2相带中槽中的线圈边组成4组线圈：14~22，15~23构成一组大线圈，24~31构成小线圈，32~4，33~5构成一组大线圈，6~13构成小线圈。
各相绕组的电源引出线U1、V1、W1应依次相差120°电角度，由于相邻两槽相隔的电角度为20°，则120°电角度应相隔6槽，现将U1定在2号槽，则V1应定在2+6=8号槽，W1应定在8+6=14号槽。然后顺着电流方向把同相线圈连接起来，则构成了三相绕组的展开图。
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