1、船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第四章第四章 異步電動機異步電動機本章概述本章概述 交流電機主要分同步電機和異步電機。交流電機主要分同步電機和異步電機。 交流異步電動機的可將交流電能轉換為機械能從而拖交流異步電動機的可將交流電能轉換為機械能從而拖動機械負載。與直流電機及其他電動機相比較，異步電動動機械負載。與直流電機及其他電動機相比較，異步電動機具有結構簡單、起動方便、運行可靠、價格低廉、維護機具有結構簡單、起動方便、運行可靠、價格低廉、維護保養方便等優點。目前船舶上幾乎所有的甲板機械及機艙保養方便等優點。目前船舶上幾乎所有的甲板機械及機艙輔機動

2、力電動機都采用三相鼠籠式異步電動機，而對于一輔機動力電動機都采用三相鼠籠式異步電動機，而對于一些需要進行變速控制的拖動設備，如起貨機、錨機等，目些需要進行變速控制的拖動設備，如起貨機、錨機等，目前也正逐步采用三相異步電動機來替代其它動力設備。異前也正逐步采用三相異步電動機來替代其它動力設備。異步電動機的主要缺點是必須從電網吸收滯后的無功功率，步電動機的主要缺點是必須從電網吸收滯后的無功功率，而輕載時功率因數較低，這對船舶電網以及發電機的運行而輕載時功率因數較低，這對船舶電網以及發電機的運行較為不利。本章主要介紹異步電動機的結構及工作原理。較為不利。本章主要介紹異步電動機的結構及工作原理。船舶電

3、氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第四章第四章 異步電動機異步電動機本章主要講解內容本章主要講解內容第一節第一節 三相異步電動機結構與銘牌數據三相異步電動機結構與銘牌數據第二節第二節 異步電動機的旋轉磁場與工作原理異步電動機的旋轉磁場與工作原理第三節第三節 異步電動機的定子與轉子電路異步電動機的定子與轉子電路 第四節第四節 三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性第五節第五節 三相異步電動機工作特性與選擇三相異步電動機工作特性與選擇第六節第六節 單相異步電動機單相異步電動機船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學

4、院船電系輪機工程學院船電系第一節第一節 三相異步電動機結構與銘牌數據三相異步電動機結構與銘牌數據 一、三相異步電動機的基本結構一、三相異步電動機的基本結構 三相異步電動機按照轉子結構形式不同分為鼠籠式和三相異步電動機按照轉子結構形式不同分為鼠籠式和 繞線式兩種，船舶上大多采用鼠籠式。繞線式兩種，船舶上大多采用鼠籠式。圖圖4-1為一臺為一臺 三相鼠籠式異步電動機的結構分解圖。鼠籠式異步電三相鼠籠式異步電動機的結構分解圖。鼠籠式異步電 動機主要由兩個基本部分組成：靜止不動的定子和可動機主要由兩個基本部分組成：靜止不動的定子和可 以旋轉的轉子。定子和轉子之間有一很窄的空氣隙。以旋轉的轉子。定子和轉子

5、之間有一很窄的空氣隙。 此外還有支撐轉子的端蓋等。此外還有支撐轉子的端蓋等。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-1 4-1 三相鼠籠式異步三相鼠籠式異步電動機結構電動機結構船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1.定子定子 三相異步電動機的定子主要是用來產生旋轉磁場。它三相異步電動機的定子主要是用來產生旋轉磁場。它由機座（外殼）、定子鐵心和定子繞組三部分組成。由機座（外殼）、定子鐵心和定子繞組三部分組成。 （1）機座與端蓋：機座是用來安裝定子鐵心和固定整）機座與端蓋：機座是用來安裝定子鐵心和固定整個電

6、動機用的，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。機座也是散熱個電動機用的，一般用鑄鐵或鑄鋼制成。機座也是散熱部件，其外表面有散熱片。端蓋固定在機座上，端蓋上部件，其外表面有散熱片。端蓋固定在機座上，端蓋上設有軸承室，以放置軸承并支撐轉子。設有軸承室，以放置軸承并支撐轉子。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系（2）定子鐵心：定子鐵心是電動機磁路的一部分，由）定子鐵心：定子鐵心是電動機磁路的一部分，由 于異步電動機中產生的是旋轉磁場，該磁場相對定于異步電動機中產生的是旋轉磁場，該磁場相對定 子以一定的同步轉速旋轉，定子鐵心中的磁通的大子以一定的同步轉速旋轉，定子鐵心中的

7、磁通的大 小及方向都是變化的。小及方向都是變化的。 定子、轉子鐵芯如圖定子、轉子鐵芯如圖4-2所示。所示。 異步電動機常用的定子鐵心槽的形狀如圖異步電動機常用的定子鐵心槽的形狀如圖4-3示。示。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 圖圖4-3 4-3 定子槽形及槽內線圈布置定子槽形及槽內線圈布置圖圖4-2 異步電動機定子、轉子鐵異步電動機定子、轉子鐵芯形狀芯形狀船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系（3）定子繞組：定子繞組是定子中的電路部分。定子）定子繞組：定子繞組是定子中的電路部分。定子 繞組為三相繞組，即

8、三個完全相同的獨立繞組，一繞組為三相繞組，即三個完全相同的獨立繞組，一 般采用漆包線繞制。般采用漆包線繞制。 定子繞組的兩種接線方法如圖定子繞組的兩種接線方法如圖4-4所示。所示。 接電源接電源圖圖4-4 4-4 三相異步電動機接線盒三相異步電動機接線盒1U2U2W1W2V1V2W2U2V1U1U1V1V1W1W2W2U2V2W1U1W2V2U2U船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.轉子轉子 轉子是電動機的旋轉部分，其作用是在旋轉磁場的作轉子是電動機的旋轉部分，其作用是在旋轉磁場的作用下獲得一個轉動力矩，以帶動生產機械一同轉動。異步用下獲得一個轉

9、動力矩，以帶動生產機械一同轉動。異步電動機的轉子有鼠籠式和繞線式兩種型式。兩種轉子均包電動機的轉子有鼠籠式和繞線式兩種型式。兩種轉子均包括轉子鐵心、轉子繞組、轉軸、軸承、滑環（僅限繞線式括轉子鐵心、轉子繞組、轉軸、軸承、滑環（僅限繞線式中有）等。中有）等。 （1）轉子鐵心：轉子鐵心用厚度為）轉子鐵心：轉子鐵心用厚度為0.5mm硅鋼片疊硅鋼片疊成，壓裝在轉軸上，轉子硅鋼片形狀如圖成，壓裝在轉軸上，轉子硅鋼片形狀如圖4-2（b）所示。）所示。以此片疊成的鐵心外圓的表面有均勻分布且與轉軸平行的以此片疊成的鐵心外圓的表面有均勻分布且與轉軸平行的糟，槽內嵌放轉子繞組。糟，槽內嵌放轉子繞組。 船舶電氣設備

10、與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 （2）鼠籠式轉子繞組：鼠籠式轉子繞組是裸銅條或由）鼠籠式轉子繞組：鼠籠式轉子繞組是裸銅條或由鑄鋁制成。銅條繞組是把裸銅條插入轉子鐵心槽內，兩端鑄鋁制成。銅條繞組是把裸銅條插入轉子鐵心槽內，兩端用兩個端環焊成通路，參見圖用兩個端環焊成通路，參見圖4-5。鑄鋁繞組是將鋁熔化。鑄鋁繞組是將鋁熔化后澆鑄到轉子鐵心槽內，兩個端環及冷卻用的風翼也同時后澆鑄到轉子鐵心槽內，兩個端環及冷卻用的風翼也同時鑄成。一般小型籠式異步電動機都采用鑄鋁轉子。鑄成。一般小型籠式異步電動機都采用鑄鋁轉子。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程

11、學院船電系輪機工程學院船電系 （3）繞線式轉子繞組：繞線式轉子繞組是由漆包銅）繞線式轉子繞組：繞線式轉子繞組是由漆包銅線繞成的三個完全相同的線圈嵌放到轉子鐵心的槽口內。線繞成的三個完全相同的線圈嵌放到轉子鐵心的槽口內。另一端分別接到固定在轉軸上的三個滑環（也稱集電環）另一端分別接到固定在轉軸上的三個滑環（也稱集電環）上，滑環間和滑環與轉軸間要絕緣。滑環上固定著電刷。上，滑環間和滑環與轉軸間要絕緣。滑環上固定著電刷。通過滑環、電刷將轉子繞組電路與外電路相連。通常外電通過滑環、電刷將轉子繞組電路與外電路相連。通常外電路是呈星形連接的電阻，如圖路是呈星形連接的電阻，如圖 4-6 所示。通過轉子電路所

12、示。通過轉子電路接接入適當的附加電阻改善異步電動機的起動性能（增大起動入適當的附加電阻改善異步電動機的起動性能（增大起動轉矩，減小起動電流）或調速性能（通過改變外接電阻的轉矩，減小起動電流）或調速性能（通過改變外接電阻的阻值改變異步電動機的轉速）。阻值改變異步電動機的轉速）。 圖圖4-7 為繞線式異步電動機的外形結構圖。為繞線式異步電動機的外形結構圖。 船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-5 鼠籠式轉子鼠籠式轉子船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-6 繞線式異步電動機轉子結構繞線式異步電動機

13、轉子結構船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-7 繞線式異步電動機的外形結構繞線式異步電動機的外形結構船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3.氣隙氣隙 異步電動機的定子與轉子之間有一很窄的空氣隙。中異步電動機的定子與轉子之間有一很窄的空氣隙。中小型異步電動機的氣隙一般為小型異步電動機的氣隙一般為0.21.0 mm 。氣隙的大。氣隙的大小直接關系到電動機的運行性能。通常，氣隙越小，電動小直接關系到電動機的運行性能。通常，氣隙越小，電動機磁路中的磁阻越小，產生一定量磁通所需要的勵磁電流機磁路中的磁阻越小，

14、產生一定量磁通所需要的勵磁電流就小，電動機運行性能越好。就小，電動機運行性能越好。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、三相異步電動機的銘牌數據二、三相異步電動機的銘牌數據 在每臺電動機的外殼上都有裝有一塊銘牌，該銘牌上在每臺電動機的外殼上都有裝有一塊銘牌，該銘牌上標出這臺電動機的主要技術數據。數據主要包括下列幾標出這臺電動機的主要技術數據。數據主要包括下列幾項：項： 1.型號型號 2.額定電壓額定電壓 3.額定電流額定電流 4.額定功率因數額定功率因數 5.額定功率額定功率 6.額定頻率額定頻率 7.額定轉速額定轉速 8.工作方式工作方式 9.接

15、法接法 船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第二節第二節 異步電動機的旋轉磁場與工作原理異步電動機的旋轉磁場與工作原理一、三相異步電動機的旋轉磁場一、三相異步電動機的旋轉磁場 1. 定子旋轉磁場的產生定子旋轉磁場的產生 以兩極三相異步電動機為例，如以兩極三相異步電動機為例，如圖圖4-8所示，三相異所示，三相異步電動機的定子繞組是結構完全相同的三相繞組，三相繞步電動機的定子繞組是結構完全相同的三相繞組，三相繞組的首、末端分別用組的首、末端分別用U1 - U2、V1 -V2、W1 -W2表示，表示，在制作時三相繞組沿定子鐵心內圓周均勻而對稱地放置在在制作

16、時三相繞組沿定子鐵心內圓周均勻而對稱地放置在內。所謂對稱，即三相線圈的首端（或末端）在定子內圓內。所謂對稱，即三相線圈的首端（或末端）在定子內圓周上彼此相隔周上彼此相隔120，圖圖4-8（a）所示。為分析方便，所示。為分析方便，每相繞組用一匝線圈代替，三相繞組將分布在六個槽口每相繞組用一匝線圈代替，三相繞組將分布在六個槽口中。三相線圈根據需要可以接成星形或者三角形，中。三相線圈根據需要可以接成星形或者三角形，圖圖4-8（b）將它們作星形聯接（把三個末端將它們作星形聯接（把三個末端U2、V2、W2并接并接在一起）。在一起）。 船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程

17、學院船電系圖圖4-8 異步電動機的三相繞組與三相電流異步電動機的三相繞組與三相電流船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 當對稱三相交流電源接入三相繞組的當對稱三相交流電源接入三相繞組的U U1 1 、V V1 1 、W W1 1 端后，三相定子繞組中便有三相對稱電流端后，三相定子繞組中便有三相對稱電流i iA A、 i iB B和和i iC C流流入，三相對稱電流分別為入，三相對稱電流分別為其波形及相位關系如圖其波形及相位關系如圖4-8(c) 4-8(c) 所示。設三相電流的正方所示。設三相電流的正方向是從繞組的首端流人（用向是從繞組的首端流人（用表

18、示），末端流出（用表示），末端流出（用表表示）。下面從幾個不同瞬間來分析三相交流電流流過定子示）。下面從幾個不同瞬間來分析三相交流電流流過定子繞組所產生的合成磁場。繞組所產生的合成磁場。)t(Ii)t(IitIi120sin120sinsinmCmBmA船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系o t t = 0= 0時，時， i iA A = 0 = 0，U U相繞組中沒有電流；相繞組中沒有電流； i iB B是負是負值，即值，即V V相繞組中電流由相繞組中電流由 V V2 2端流進，端流進， V V1 1端流出；端流出； i iC C為正為正值，即電流

19、從值，即電流從 W W1 1端流進，端流進， W W2 2端流出。根據右手螺旋定端流出。根據右手螺旋定則，可確定合成磁場磁軸的方向則，可確定合成磁場磁軸的方向如圖如圖4-94-9（a a）所示。所示。ot t = 60= 60時，時，i iC C= 0= 0； i iA A為正值，電流由為正值，電流由U U1 1 端流端流進，進， U U2 2端流出；端流出； i iB B為負值，電流由為負值，電流由V V2 2端流進，端流進， V V1 1 端流端流出，此時合成磁場出，此時合成磁場如圖如圖4-94-9（b b）所示。相比所示。相比t t = 0= 0時時刻，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉了刻

20、，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉了6060。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系ott= 90= 90時，時， i iA A為正值，而為正值，而 i iB B 、 i iC C 均為負值，同均為負值，同理可得合成磁場的方向如理可得合成磁場的方向如圖圖4-94-9（c c）所示。與所示。與t t = 0= 0時時刻相比，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉了刻相比，合成磁場在空間按逆時針方向旋轉了9090。由此。由此可見，隨著定子繞組中的三相電流隨時間不斷變化，它所可見，隨著定子繞組中的三相電流隨時間不斷變化，它所產生的合成磁場則在空間不斷地旋轉，這就是旋轉

21、磁場。產生的合成磁場則在空間不斷地旋轉，這就是旋轉磁場。這種旋轉磁場如同一對磁極在空間旋轉所起得作用是一樣這種旋轉磁場如同一對磁極在空間旋轉所起得作用是一樣的。的。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90圖圖4-9 4-9 一對極旋轉磁場的形成一對極旋轉磁場的形成船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系產生旋轉磁場必須滿足兩個條件產生旋轉磁場必須滿足兩個條件： （1）至少要有兩個定子繞組，這些繞組之間要有空間）至少要有兩個定子繞組，這些繞組之間要有空間 相位差

22、；相位差； （2）通入這些繞組中的正弦交變電流之間要有時間相）通入這些繞組中的正弦交變電流之間要有時間相 位差。位差。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.2.旋轉磁場的轉向旋轉磁場的轉向 將相序為將相序為ABCABC的三相電壓對應接入三相繞組的三相電壓對應接入三相繞組U U、V V、W W后，三相繞組中電流達到最大值的順序是：先是后，三相繞組中電流達到最大值的順序是：先是 U U 相電流相電流 i iA A 、其次是、其次是V V 相的電流相的電流i iB B ，再次是，再次是 W W 相的電流相的電流i iC C。由。由圖圖4-9 4-9 可看

23、出：磁場旋轉的轉動方向是由可看出：磁場旋轉的轉動方向是由 U U 相線相線圈平面（圈平面（ U U1 1 - - U U2 2 ）經）經 V V 相線圈平面（相線圈平面（ V V1 1 -V -V2 2 ）轉向）轉向W W 相線圈平面（相線圈平面（ W W1 1 -W -W2 2 ）。由此可見，旋轉磁場轉向是與）。由此可見，旋轉磁場轉向是與三相繞組中電流達到最大值的順序是一致的，或者說旋轉三相繞組中電流達到最大值的順序是一致的，或者說旋轉磁場轉動方向是由三相繞組中所通入電流的相序決定的。磁場轉動方向是由三相繞組中所通入電流的相序決定的。 若要改變旋轉磁場的轉向，只需把接入定子繞組的電若要改變旋

24、轉磁場的轉向，只需把接入定子繞組的電源相序改變即可。源相序改變即可。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系（a）t = 0 （b）t = 60 （c）t = 90圖圖4-9 一對極旋轉磁場的形成一對極旋轉磁場的形成船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3.3.旋轉磁場的轉速與磁極對數之間的關系旋轉磁場的轉速與磁極對數之間的關系 在兩極（一對磁極）旋轉磁場的分析中我們知道，在兩極（一對磁極）旋轉磁場的分析中我們知道，當定子繞組中電流變化一周時，旋轉磁場轉了一周，若當定子繞組中電流變化一周時，旋轉磁場轉了一周，若電

25、流的頻率為電流的頻率為f f1 1，則電流每秒變化，則電流每秒變化f f1 1周，旋轉磁場的轉速周，旋轉磁場的轉速為為f f1 1轉轉/ /秒。通常轉速是以每分鐘轉數秒。通常轉速是以每分鐘轉數(r/min)(r/min)計算，若計算，若以以n n0 0表示旋轉磁場的轉速，則有表示旋轉磁場的轉速，則有 當當f f1 1 50 Hz ,50 Hz ,旋轉磁場的轉速為旋轉磁場的轉速為 3 000 3 000 r/min r/min 。 0160nf船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-10 四極異步電動機定子繞組四極異步電動機定子繞組船舶電氣設備與系

26、統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 設電流的頻率為設電流的頻率為 f1 ，電流每分鐘變化的周數為，電流每分鐘變化的周數為 60 f1,故每分鐘旋轉磁場轉過故每分鐘旋轉磁場轉過（60 f1 ）/p轉，故旋轉磁場的轉，故旋轉磁場的轉速為：轉速為： 旋轉磁場的轉速旋轉磁場的轉速n0又稱異步電動機的同步轉速，其又稱異步電動機的同步轉速，其單位為單位為r/min。因為電源的頻率和磁極對數通常是固定。因為電源的頻率和磁極對數通常是固定的，所以一臺異步電動機的同步轉速的，所以一臺異步電動機的同步轉速n0 是一個不變的是一個不變的常數。常數。表表4-1 列出了電源頻率為列出了電源

27、頻率為 50Hz 和和60 Hz時異步時異步電動機的同步轉速電動機的同步轉速 與磁極對數的對應關系。與磁極對數的對應關系。1060 fnp船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系表表4-1 電源頻率為電源頻率為50Hz和和60Hz時異步電動機的同步轉速時異步電動機的同步轉速n0與磁極對數的對應關系與磁極對數的對應關系p123456n0 （f =50Hz）300015001000750600500n0 （f =60Hz）360018001200900720600船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、異步電動機的

28、轉動原理二、異步電動機的轉動原理 異步電動機的轉動原理可以用圖異步電動機的轉動原理可以用圖4-12說明。說明。 轉子轉動的方向與旋轉磁場方向相同，當旋轉磁場方轉子轉動的方向與旋轉磁場方向相同，當旋轉磁場方向反向時，電動機的轉子也跟著反轉。向反向時，電動機的轉子也跟著反轉。 異步電動機的轉動是基于電磁感應，故又稱之為感應異步電動機的轉動是基于電磁感應，故又稱之為感應電動機。電動機。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、異步電動機的轉差率三、異步電動機的轉差率 設旋轉磁場和轉子相對靜止的空間的轉速分別為設旋轉磁場和轉子相對靜止的空間的轉速分別為n0 、

29、n，則旋轉磁場對轉子的的相對轉速差為，則旋轉磁場對轉子的的相對轉速差為 n= n0 n,它它與同步轉速與同步轉速n0的比值稱為異步電動機的轉差率，用的比值稱為異步電動機的轉差率，用s表示，表示，則有則有: 轉差率常用百分率表示，即有轉差率常用百分率表示，即有00nnsn%nnn%s10000%nn n%s10000船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 計算轉差率公式還可以改寫為或計算轉差率公式還可以改寫為或 或或 異步電動機還可能工作于其它非電動機狀態，如轉子異步電動機還可能工作于其它非電動機狀態，如轉子轉速轉速nnnn0 0 , , 轉差率為轉差率

30、為 s 0s1, s1的電磁制動狀態。的電磁制動狀態。00nnsn01n(s)n船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系一、定子電路中各電量的關系一、定子電路中各電量的關系1.定子電路中感應電勢定子電路中感應電勢 由前一節可知三相定子繞組接通交流電源后，定子三由前一節可知三相定子繞組接通交流電源后，定子三相對稱電流在電動機內的空氣隙中形成旋轉磁場。其磁場相對稱電流在電動機內的空氣隙中形成旋轉磁場。其磁場的磁通分兩部分，其中大部分同時穿過定子和轉子繞組，的磁通分兩部分，其中大部分同時穿過定子和轉子繞組，稱為主磁通；另有少量漏磁通分別穿過定子繞組和轉子繞稱為

31、主磁通；另有少量漏磁通分別穿過定子繞組和轉子繞組，組，如圖如圖 4-14所示。所示。 主磁通在定子繞組感應電勢主磁通在定子繞組感應電勢 相位上比主磁通相位上比主磁通 滯后滯后 90 ，其有效值為，其有效值為1E1111444kNf.E 第三節第三節 異步電動機的定子與轉子電路異步電動機的定子與轉子電路船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系定子轉子圖圖4-14 4-14 主磁通和漏磁通主磁通和漏磁通船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.定子電路電壓平衡方程定子電路電壓平衡方程 異步電動機的定子電路的電壓平衡方

32、程為異步電動機的定子電路的電壓平衡方程為 式中式中 是定子一相繞組漏阻抗。由于是定子一相繞組漏阻抗。由于 和和 很小，在定量分析時，常可忽略不計。因此很小，在定量分析時，常可忽略不計。因此 ,即：即：圖圖4-15的左半部分是三相異步電動機定子的等效電路。的左半部分是三相異步電動機定子的等效電路。 1R111111111111UEEI REjI XI REI Z 1111()ZI RjX11UE 11111444kNf.EU1X船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、轉子電路中各電量的關系二、轉子電路中各電量的關系 三相異步電動機運行時閉合的轉子繞組切

33、割旋轉磁三相異步電動機運行時閉合的轉子繞組切割旋轉磁場，且在轉子上產生感應電勢場，且在轉子上產生感應電勢 ，產生轉子電流，產生轉子電流 ，因，因轉子中還存在轉子漏感電勢和轉子繞組電阻壓降，其等效轉子中還存在轉子漏感電勢和轉子繞組電阻壓降，其等效電路與變壓器副邊短路時情況相同。如電路與變壓器副邊短路時情況相同。如圖圖4-14的右半部的右半部分電路所示。分電路所示。2E2I船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-14 4-14 異步電動機一相等效電路圖異步電動機一相等效電路圖1R1X2X2R1U1I1E2E2I船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-

34、16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1.轉子電路電勢頻率轉子電路電勢頻率 當異步電動機轉子以轉速當異步電動機轉子以轉速n旋轉時，旋轉磁場相對于轉旋轉時，旋轉磁場相對于轉子的轉速為子的轉速為 n = n0 n，即旋轉磁場以，即旋轉磁場以 n的轉速切割的轉速切割轉轉子繞組，因此在轉子繞組中感應電勢，該電勢的頻率為：子繞組，因此在轉子繞組中感應電勢，該電勢的頻率為：1000026060sfpnnnn)nn(pf船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.轉子感應電勢轉子感應電勢 每極磁通每極磁通 切割轉子繞組并在其中感應轉子電勢切割轉子繞組并在其中感應轉子

35、電勢E2，其大小為其大小為: 當當n=0時，時，s=1，即，即f2= f1 ，設此時轉子感應電勢，設此時轉子感應電勢的有效值為的有效值為: : 定值定值 并且由前兩式比較可得并且由前兩式比較可得: 2222222ks444444Nf.kNf.E20222222.E4 44f N k4 44s f N k 220EsE船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 與定子漏磁通一樣，轉子電流所引起的漏磁通在轉與定子漏磁通一樣，轉子電流所引起的漏磁通在轉子繞組中也要產生漏磁感應電勢子繞組中也要產生漏磁感應電勢 。222EjI X 2E船舶電氣設備與系統 課 件20

36、22-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3.3.轉子電流轉子電流I I2 2及功率因數及功率因數coscos 2 2 轉子電路中的電阻及電抗分別為轉子電路中的電阻及電抗分別為 、 ，因而轉子，因而轉子電流的有效值為：電流的有效值為： 由于轉子電路為感性電路，所以其電流由于轉子電路為感性電路，所以其電流I I2 2在相位上將在相位上將滯后電勢滯后電勢 ，轉子電路的功率因數為，轉子電路的功率因數為 2022222222220()sEEIRXRsX222220cos()RRsX2X2R2E船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 轉子電流轉子電流I

37、I2 2、功率因數、功率因數coscos 2 2與與s s之間的關系曲線如圖之間的關系曲線如圖4-154-15所示。所示。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系4.4.鼠籠式轉子的磁極對數鼠籠式轉子的磁極對數 繞線式異步電動機的轉子繞組分布與定子繞組相繞線式異步電動機的轉子繞組分布與定子繞組相同，則定、轉子有相同的磁極對數。鼠籠式異步電動同，則定、轉子有相同的磁極對數。鼠籠式異步電動機的轉子繞組是由導電條組成，其磁極對數由定子磁機的轉子繞組是由導電條組成，其磁極對數由定子磁極對數決定，即恒等于定子的磁極對數。極對數決定，即恒等于定子的磁極對數。 圖圖4

38、-164-16是是2 2對極鼠籠式轉子的展開圖對極鼠籠式轉子的展開圖. .船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系圖圖4-18 4-18 四極鼠籠轉子展開圖四極鼠籠轉子展開圖船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系三、定子和轉子各量的相互關系三、定子和轉子各量的相互關系1.定子磁場和轉子磁場定子磁場和轉子磁場 已知異步電動機定子旋轉磁場的同步轉速為已知異步電動機定子旋轉磁場的同步轉速為n0，轉，轉子轉速為子轉速為n，這時轉子電流也要產生旋轉磁場，設該磁場，這時轉子電流也要產生旋轉磁場，設該磁場相當于轉子的轉速為相當

39、于轉子的轉速為n2 ，則，則 因為轉子相對于定子的轉速為因為轉子相對于定子的轉速為n，所以轉子旋轉磁場，所以轉子旋轉磁場相對靜止空間的轉速應是：相對靜止空間的轉速應是： nnnnnnsnspfpfn0000012260600022)(nnnnnnn船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.定子磁勢與轉子磁勢定子磁勢與轉子磁勢定子磁勢定子磁勢轉子磁勢轉子磁勢空載運行磁勢空載運行磁勢異步電動機的磁勢平衡方程異步電動機的磁勢平衡方程011222111INkINkINk1111INkF2222INkF0110INkF船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16

40、輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3.定子電流和轉子電流定子電流和轉子電流 將磁勢平衡方程各項同除將磁勢平衡方程各項同除k k1 1 N N1 1后可以得到定、轉后可以得到定、轉子電流的平衡關系式，即子電流的平衡關系式，即ikIIINkNkII202112201船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第四節第四節 三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性三相異步電動機的電磁轉矩與機械特性一、電磁轉矩一、電磁轉矩 三相異步電動機的電磁轉矩是指電動機的轉子受到電三相異步電動機的電磁轉矩是指電動機的轉子受到電磁力的作用而產生的轉矩，它由旋轉磁場的每極磁通磁力的作用

41、而產生的轉矩，它由旋轉磁場的每極磁通 與與轉子電流轉子電流 相互作用產生的。相互作用產生的。 異步電動機電磁轉矩為異步電動機電磁轉矩為: 轉矩的另一個表達式轉矩的另一個表達式 22cosTTKI22122220sR UTKR(sX)2I船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、三相異步電動機的轉矩特性與機械特性二、三相異步電動機的轉矩特性與機械特性1.1.電磁轉矩特性電磁轉矩特性T T = = f f ( (s s ) ) 在一定的轉子電阻在一定的轉子電阻R R2 2和電源電壓和電源電壓U U1 1下，電動機的電磁下，電動機的電磁轉矩與轉差率的關系曲線

42、稱為一部電動機的轉矩特性。轉矩與轉差率的關系曲線稱為一部電動機的轉矩特性。 圖圖4-17 4-17 三相異步電動機三相異步電動機 T = f (s )曲線曲線圖圖4-18 4-18 三相異步電動三相異步電動機機械特性曲線機機械特性曲線TTTmaxnS1SSnm00TTTTnstmaxnnnSnmamm0船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.2.機械特性機械特性n = f (T ) 異步電動機的轉子的轉速異步電動機的轉子的轉速 n n與電磁轉矩與電磁轉矩T T的關系稱的關系稱為機械特性。而機械特性很容易通過轉矩特性獲得。為機械特性。而機械特性很容易通

43、過轉矩特性獲得。因為：因為： 故：故： 三相異步電動機的機械特性曲線如三相異步電動機的機械特性曲線如圖圖4-184-18所示。所示。 00nnns0(1)ns n船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系機械特性曲線上有三點反映了它的基本性能和特點：機械特性曲線上有三點反映了它的基本性能和特點： （1 1）最大轉矩）最大轉矩T Tmaxmax，反映過載能力；，反映過載能力； （2 2）起動轉矩）起動轉矩T Tstst ，反映起動性能；，反映起動性能； （3 3）額定轉矩）額定轉矩T TN N ，反映穩定運行的負載能力和特，反映穩定運行的負載能力和特 點。點

44、。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 (1) (1)額定轉矩額定轉矩T TN N 異步電動機在額定負載時軸上輸出的轉矩稱為額定轉矩異步電動機在額定負載時軸上輸出的轉矩稱為額定轉矩T TN N。在異步電動機等速轉動時，電動機的轉矩。在異步電動機等速轉動時，電動機的轉矩T T必須與阻轉必須與阻轉矩相平衡，阻轉矩包括負載轉矩和空載損耗轉矩（電機本矩相平衡，阻轉矩包括負載轉矩和空載損耗轉矩（電機本身的風阻、摩擦阻力等）身的風阻、摩擦阻力等）T T0 0，所以，所以: : 由于由于T T0 0很小一般可忽略，因此可得異步電動機中轉矩很小一般可忽略，因此可得異

45、步電動機中轉矩平衡方程為：平衡方程為： 0LTTTLTT船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系 由于轉軸轉動時輸出機械功率等于角速度與轉矩的乘由于轉軸轉動時輸出機械功率等于角速度與轉矩的乘積，因此電動機的輸出轉矩與輸出功率積，因此電動機的輸出轉矩與輸出功率P P2 2的關系是：的關系是： 實用中，實用中， P P2 2的單位常用千瓦（的單位常用千瓦（kWkW）,n,n的單位是轉的單位是轉/ /分（分（r/minr/min），則上式為），則上式為: : nPPTT222LnPnPT232955060210船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工

46、程學院船電系輪機工程學院船電系第五節第五節 三相異步電動機工作特性與選擇三相異步電動機工作特性與選擇一、異步電動機的工作特性一、異步電動機的工作特性 三相異步電動機的主要工作特性是指電動機在額定電三相異步電動機的主要工作特性是指電動機在額定電壓和額定頻率下運行時，電動機的定子電流壓和額定頻率下運行時，電動機的定子電流 、效率、效率 及定子繞組功率因數及定子繞組功率因數 隨輸出功率隨輸出功率P P2 2的變化關系。的變化關系。 圖圖4-234-23是一臺是一臺10kW10kW的三相異步電動機的工作特性曲的三相異步電動機的工作特性曲線。線。 1I1cos船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16

47、輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系06圖圖4-23 4-23 三相異步電動機的工三相異步電動機的工 作特性曲線作特性曲線024681012246810121416182022. 0204.08.10船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1.1.定子電流特性定子電流特性I I1 1=f(P=f(P2 2) ) 異步電動機空載運行時，定子電流近似為勵磁電流異步電動機空載運行時，定子電流近似為勵磁電流I I0 0。隨著輸出功率。隨著輸出功率P P2 2的增加，轉子電流增大，定子電流的增加，轉子電流增大，定子電流I I1 1也相應增大。所以其特性曲線是一條從

48、也相應增大。所以其特性曲線是一條從I I0 0逐漸增大的曲逐漸增大的曲線，當輸出功率線，當輸出功率P P2 2超過額定功率之后，轉子電流增大較超過額定功率之后，轉子電流增大較快，定子電流也相應增大很快。快，定子電流也相應增大很快。 異步電動機空載和輕載時，定子電流較大，其空載電異步電動機空載和輕載時，定子電流較大，其空載電流流I I0 0與額定電流與額定電流I IN N之比約為之比約為20205050。這是因為電動機。這是因為電動機的磁路存在氣隙，磁阻較大，所以產生一定量的磁通所需的磁路存在氣隙，磁阻較大，所以產生一定量的磁通所需要的電流就大。要的電流就大。2P0I船舶電氣設備與系統 課 件2

49、022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.2.效率特性效率特性 =f(P2) =f(P2) 電動機軸上輸出的機械功率電動機軸上輸出的機械功率P P2 2與定子輸入功率與定子輸入功率P P1 1之比之比稱為效率稱為效率 。即。即 通常一般三相異步電動機的額定效率約為通常一般三相異步電動機的額定效率約為0.720.720.930.93。電動機容量越大效率相對越高。電動機容量越大效率相對越高。PPPPP2212船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3.功率因數特性功率因數特性 因為電動機是電感性負載，定子相電流比相電壓滯后因為電動機是電感性負載

50、，定子相電流比相電壓滯后一個一個 角，角，cos 就是電動機的功率因數。就是電動機的功率因數。 三相異步電動機的空載功率因數很低，約為三相異步電動機的空載功率因數很低，約為0.2左左右，當輸出功率增加時，定子電流中有功分量增大，使功右，當輸出功率增加時，定子電流中有功分量增大，使功率因數提高，當接近額定功率時，功率因數達最大值。如率因數提高，當接近額定功率時，功率因數達最大值。如果負載繼續增大，由于轉差率的增加，轉子功率因數降低果負載繼續增大，由于轉差率的增加，轉子功率因數降低較大，定子功率因數開始逐漸減小。較大，定子功率因數開始逐漸減小。 12cosf P11船舶電氣設備與系統 課 件202

51、2-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系二、三相異步電動機的選擇二、三相異步電動機的選擇 在船舶上三相異步電動機的使用非常廣泛，正確的在船舶上三相異步電動機的使用非常廣泛，正確的選用電動機是關系到船舶安全運行和經濟運行的重要保選用電動機是關系到船舶安全運行和經濟運行的重要保障。選擇電動機應按照生產機械的實際要求，正確選擇障。選擇電動機應按照生產機械的實際要求，正確選擇電動機的容量、種類、型式等。電動機的容量、種類、型式等。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系1.1.功率的選擇功率的選擇 電動機的額定功率等于或稍大于生產機械的功率。若電動機的額

52、定功率等于或稍大于生產機械的功率。若功率選擇太小，電動機會因過載而損壞，甚至燒毀；選擇功率選擇太小，電動機會因過載而損壞，甚至燒毀；選擇得太大，則不但增加投資，而且電動機沒有充分發揮它的得太大，則不但增加投資，而且電動機沒有充分發揮它的作用，效率和功率因數都會降低。作用，效率和功率因數都會降低。 一般對連續運行的恒定負載，如果生產機械的功率為一般對連續運行的恒定負載，如果生產機械的功率為 ，則電動機的功率，則電動機的功率P P可按下式算出：可按下式算出： 211PP 1P船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.種類的選擇種類的選擇 一般選擇電動機種類

53、主要從以下幾方面考慮：交流一般選擇電動機種類主要從以下幾方面考慮：交流還是直流、機械特性（硬特性或軟特性）、調速與起動還是直流、機械特性（硬特性或軟特性）、調速與起動性能、維護及價格等。性能、維護及價格等。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系3. 3. 結構型式的選擇結構型式的選擇電動機的結構型式主要有：電動機的結構型式主要有：（1 1）開啟式：）開啟式：這種電動機的帶電部分和旋轉部分沒有任何這種電動機的帶電部分和旋轉部分沒有任何防護裝置。散熱好，造價低。用于干燥無灰塵的場所。防護裝置。散熱好，造價低。用于干燥無灰塵的場所。（2 2）防護式：）防護式

54、：在機殼或端蓋下面有通風罩，可防水滴、鐵在機殼或端蓋下面有通風罩，可防水滴、鐵屑等雜物從上面或與垂直方向成屑等雜物從上面或與垂直方向成4545 角以內掉入電動機內角以內掉入電動機內部。部。（3 3）封閉式：）封閉式：有封閉外殼保護，電動機靠自身風扇或外部有封閉外殼保護，電動機靠自身風扇或外部風扇冷卻，外殼帶有散熱片。適用于潮濕、塵埃多、水土風扇冷卻，外殼帶有散熱片。適用于潮濕、塵埃多、水土飛濺的場所。飛濺的場所。（4 4）防爆式：）防爆式：外殼完全封閉，適用于有爆炸氣體的場所，外殼完全封閉，適用于有爆炸氣體的場所，例如船上的蓄電池室。例如船上的蓄電池室。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-

55、16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系4.電壓與轉速的選擇電壓與轉速的選擇 電動機電壓的選擇是根據使用地點的電源來決定的。電動機電壓的選擇是根據使用地點的電源來決定的。電動機額定轉速的選擇應由生產機械的轉速和傳動設備的電動機額定轉速的選擇應由生產機械的轉速和傳動設備的情況來決定，通常電動機的轉速應盡量與生產機械的轉速情況來決定，通常電動機的轉速應盡量與生產機械的轉速一致，以便直接傳動，避免傳動裝置復雜化。一致，以便直接傳動，避免傳動裝置復雜化。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系第六節第六節 單相異步電動機單相異步電動機 用單相電源供電，且只有一相

56、定子主繞組的異步電動用單相電源供電，且只有一相定子主繞組的異步電動機稱為單相異步電動機。機稱為單相異步電動機。 單相異步電動機也是由轉子和定子兩部分組成。轉子單相異步電動機也是由轉子和定子兩部分組成。轉子全部采用普通的鼠籠式結構；而定子通常有兩個繞組，一全部采用普通的鼠籠式結構；而定子通常有兩個繞組，一個為單相運行繞組（也稱為主繞組）；另一個為起動繞組個為單相運行繞組（也稱為主繞組）；另一個為起動繞組（又稱為輔助繞組），在空間相隔（又稱為輔助繞組），在空間相隔90放置。通常起動繞放置。通常起動繞組通過一個離心開關組通過一個離心開關S與運行繞組并聯接入單相電源，當與運行繞組并聯接入單相電源，當轉

57、子轉速達到額定轉速的轉子轉速達到額定轉速的75左右，此開關在離心力的作左右，此開關在離心力的作用下把該電路切斷。用下把該電路切斷。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系一、單相異步電動機的工作原理一、單相異步電動機的工作原理 1.脈動磁場脈動磁場 單相異步電動機的定子運行繞組接入正弦交流電后產單相異步電動機的定子運行繞組接入正弦交流電后產生一個振幅隨時間作正弦變，磁極在繞組軸線方向的空間生一個振幅隨時間作正弦變，磁極在繞組軸線方向的空間保持不變的脈動磁場，如保持不變的脈動磁場，如圖圖4-24所示。所示。 脈動磁場在轉子繞組中產生感應電勢和電流，此時轉脈

58、動磁場在轉子繞組中產生感應電勢和電流，此時轉子電流與磁場作用產生的轉矩大小相等，方向相反，因此子電流與磁場作用產生的轉矩大小相等，方向相反，因此作用在轉子上的合成轉矩為零。電動機不能轉動。如加一作用在轉子上的合成轉矩為零。電動機不能轉動。如加一外力預先推一下轉子向任意方向轉動，則接通電源后電動外力預先推一下轉子向任意方向轉動，則接通電源后電動機即可沿著這個方向轉動起來，并能帶動一定的機械負機即可沿著這個方向轉動起來，并能帶動一定的機械負載。載。船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系n圖4-24 單相定子脈動磁場圖圖4-24 單相定子脈動磁場單相定子脈動

59、磁場船舶電氣設備與系統 課 件2022-3-16輪機工程學院船電系輪機工程學院船電系2.電磁轉矩特性電磁轉矩特性 脈動磁場分解的兩個旋轉磁場對轉子的作用與三相異步脈動磁場分解的兩個旋轉磁場對轉子的作用與三相異步電動機相同，分別會在轉子上產生電磁轉矩電動機相同，分別會在轉子上產生電磁轉矩T+和和T-，而總，而總轉矩為二者的合成。轉矩為二者的合成。 當電動機接通電源轉子處于靜止尚未轉動時，當電動機接通電源轉子處于靜止尚未轉動時， T+與與T- 大小相等，方向相反，合成轉矩為零，所以單相異步電動大小相等，方向相反，合成轉矩為零，所以單相異步電動機沒有起動轉矩，不能自行起動。機沒有起動轉矩，不能自行起動。 當轉子借助外力沿某一方向（如正向旋轉磁場的方向）當轉子借助外力沿某一方向（如正向旋轉磁場的方向）轉動時，轉子相對于兩個反向旋轉磁場的轉差率不同。轉轉動時，轉子相對于兩個反向旋轉磁場的轉差率不同。轉子對于與其同方向的旋轉磁場的轉差率為子