三相異步電動機的工作原理與結構

工作原理

1. 磁鐵旋轉對導體的作用

下面通過一個實驗來說明異步電動機的工作原理。實驗如圖1-1(a)所示，在一個馬蹄形的磁鐵中間放置一個帶轉軸的閉合線圈，當搖動手柄來旋轉磁鐵時發現，線圈會跟隨著磁鐵一起轉動。為什麼會出現這種現象呢？

圖1-1　單匝閉合線圈旋轉原理

圖1-1(b)是與圖1-1(a)對應的原理簡化圖。當磁鐵旋轉時，閉合線圈的上下兩段導線會切割磁鐵產生的磁場，兩段導線都會產生感應電流。由於磁鐵沿逆時針方向旋轉，假設磁鐵不動，那麼線圈就被認為沿順時針方向運動。

線圈產生的電流方向判斷：從圖1-1(b)中可以看出，磁場方向由上往下穿過導線，上段導線的運動方向可以看成向右，下段導線則可以看成向左，根據右手定則可以判斷出線圈的上段導線的電流方向由外往內，下段導線的電流方向則是由內往外。

線圈運動方向的判斷：當磁鐵逆時針旋轉時，線圈的上、下段導線都會產生電流，載流導體在磁場中會受到力，受力方向可根據左手定則來判斷，判斷結果可知線圈的上段導線受力方向是往左，下段導線受力方向往右，這樣線圈就會沿逆時針方向旋轉。

如果將圖1-1中的單匝閉合導體轉子換成圖1-2(a)所示的籠型轉子，然後旋轉磁鐵，結果發現籠型轉子也會隨磁鐵一起轉動。圖中籠型轉子的兩端是金屬環，金屬環中間安插多根金屬條，每兩根相對應的金屬條通過兩端的金屬環構成一組閉合的線圈，所以籠型轉子可以看成是多組閉合線圈的組合。當旋轉磁鐵時，籠型轉子上的金屬條會切割磁感線而產生感應電流，有電流通過的金屬條受磁場的作用力而運動。根據圖1-2(b)的示意圖可分析出，各金屬條的受力方向都是逆時針方向，所以籠型轉子沿逆時針方向旋轉起來。

圖1-2　籠型轉子旋轉原理

綜上所述， 當旋轉磁鐵時，磁鐵產生的磁場也隨之旋轉，處於磁場中的閉合導體會因此切割磁感線而產生感應電流，而有感應電流通過的導體在磁場中又會受到磁場力，在磁場力的作用下導體就旋轉起來 。

2. 異步電動機的工作原理

採用旋轉磁鐵產生旋轉磁場讓轉子運動，並沒有實現電能轉換成機械能。實踐和理論都證明，如果在轉子的圓周空間放置互差120°的3組繞組，如圖1-3所示，然後將這3組繞組按星形或三角形接法接好(圖1-4是按星形接法接好的3組繞組)，將3組繞組與三相交流電壓接好，有三相交流電流流進3組繞組，這3組繞組會產生類似圖1-2所示的磁鐵產生的旋轉磁場，處於此旋轉磁場中的轉子上的各閉合導體有感應電流產生，磁場對有電流流過的導體產生作用力，推動各導體按一定的方向運動，轉子也就運轉起來。

圖1-3　三相電動機互差120°的3組繞組

圖1-4　3組繞組與三相電源進行星形連接

圖1-3實際上是三相異步電動機的結構示意圖。繞組繞在鐵芯支架上，由於繞組和鐵芯都固定不動，因此稱為定子，定子中間是籠型的轉子。轉子的運轉可以看成是由繞組產生的旋轉磁場推動的，旋轉磁場有一定的轉速。旋轉磁場的轉速 n (又稱同步轉速)、三相交流電的頻率 f 和磁極對數 p (一對磁極有兩個相異的磁極)有以下關係：

n =60 f/p

例如，一臺三相異步電動機定子繞組的交流電壓頻率 f =50Hz，定子繞組的磁極對數 p =3，那麼旋轉磁場的轉數 n =60×50/3=1000(r/min)。

電動機在運轉時，其轉子的轉向與旋轉磁場方向是相同的，轉子是由旋轉磁場作用轉動的，轉子的轉速要小於旋轉磁場的轉速，並且要滯後於旋轉磁場的轉速，也就是說轉子與旋轉磁場的轉速是不同步的。 這種轉子轉速與旋轉磁場轉速不同步的電動機稱為異步電動機 。

外形與結構

圖1-5列出了兩種三相異步電動機的實物外形。三相異步電動機的結構如圖1-6所示，從圖中可以看出，它主要由外殼、定子、轉子等部分組成。

圖1-5　兩種三相異步電動機的實物外形

圖1-6　三相異步電動機的結構

三相異步電動機各部分說明如下。

(1)外殼

三相異步電動機的外殼主要由機座、軸承蓋、端蓋、接線盒、風扇、罩殼等組成。

(2)定子

定子由定子鐵芯和定子繞組組成。

① 定子鐵芯 。定子鐵芯通常由很多圓環狀的矽鋼片疊合在一起組成，這些矽鋼片中間開有很多小槽用於嵌入定子繞組(也稱定子線圈)，矽鋼片上塗有絕緣層，使疊片之間絕緣。

② 定子繞組 。它通常由塗有絕緣漆的銅線繞制而成，再將繞制好的銅線按一定的規律嵌入定子鐵芯的小槽內，具體見圖1-6局部放大部分。繞組嵌入小槽後，按一定的方法將槽內的繞組連接起來，使整個鐵芯內的繞組構成U、V、W三相繞組，再將三相繞組的首、末端引出來，接到接線盒的U1、U2、V1、V2、W1、W2接線柱上。接線盒如圖1-7所示，接線盒各接線柱與電動機內部繞組的連接關係如圖1-8所示。

圖1-7　電動機接線盒內有六個接線端

圖1-8　接線盒各接線端與內部繞組的連接

(3)轉子

轉子是電動機的運轉部分，它由轉子鐵芯、轉子線組和轉軸組成。

① 轉子鐵芯 。如圖1-9所示，轉子鐵芯是由很多外圓開有小槽的矽鋼片疊在一起構成的，小槽用來放置轉子繞組。

圖1-9　由矽鋼片疊成的轉子鐵芯

② 轉子繞組 。轉子繞組嵌在轉子鐵芯的小槽中，轉子繞組可分為籠式轉子繞組和線繞式轉子繞組。

籠式轉子繞組是在轉子鐵芯的小槽中放入金屬導條，再在鐵芯兩端用導環將各導條連接起來，這樣任意一根導條與它對應的導條通過兩端的導環就構成一個閉合的繞組，由於這種繞組形似籠子，因此稱為籠式轉子繞組。籠式轉子繞組有銅條轉子繞組和鑄鋁轉子繞組兩種，如圖1-10所示。銅條轉子繞組是在轉子鐵芯的小槽中放入銅導條，然後在兩端用金屬端環將它們焊接起來；而鑄鋁轉子繞組則是用澆鑄的方法在鐵芯上澆鑄出鋁導條、端環和風葉。

圖1-10　兩種籠式轉子繞組

線繞式轉子繞組的結構如圖1-11所示。它是在轉子鐵芯中按一定的規律嵌入用絕緣導線繞制好的繞組，然後將繞組按三角形或星形接法接好，大多數按星形方式接線(如圖1-12所示)。繞組接好後引出3根相線，通過轉軸內孔接到轉軸的3個銅製集電環(又稱滑環)上，集電環隨轉軸一起運轉，集電環與固定不動的電刷摩擦接觸，而電刷通過導線與變阻器連接，這樣轉子繞組產生的電流通過集電環、電刷、變阻器構成迴路。調節變阻器可以改變轉子繞組迴路的電阻，以此來改變繞組的電流，從而調節轉子的轉速。

圖1-11　線繞式轉子繞組

圖1-12　按星形連接的線繞式轉子繞組

③ 轉軸 。轉軸嵌套在轉子鐵芯的中心。當定子繞組通三相交流電後會產生旋轉磁場，轉子繞組受旋轉磁場作用而旋轉，它通過轉子鐵芯帶動轉軸轉動，將動力從轉軸傳遞出來。