第九章異步電動機的基本結構和運行分析

異步電動機也稱感應電動機，是工農業生產中應用最為廣泛的一種電機。例

如，中小型軋鋼設備、礦山機械、機床、起重機、鼓風機、水泵、以及脫粒、磨

粉等農副產品用的加工機械，大多采用異步電動機拖動。與其他電動機相比，異

步電動機具有結構簡單、堅固耐用、使用方便、運行可靠、效率高、易于制造和

維修、價格低廉等許多優點。但是，異步電動機的應用也有一定的限制，這主要

是由其調速性能差、功率因數低而引起的。

異步電動機是一種交流電機，它可以是單相的，也可以是三相的。但它的轉

速和電網頻率沒有同步電機那樣嚴格不變的關系。本章將分別介紹三相異步電動

機的基本結構、工作原理、運行特性以及單相異步電動機的基本結構和工作原理

等。

第一節異步電動機的基本結構、分類及銘牌

一、三相異步電動機的基本結構

三相異步電動機由固定的定子和旋轉的轉子兩個基本部分組成，轉子裝在定

子內腔里，借助軸承被支撐在兩個端蓋上。為了保證轉子能在定子內自由轉動，

定子和轉子之間必須有一間隙，稱為氣隙。電機的氣隙是一個非常重要的參數，

其大小及對稱性等對電機的性能有很大影響。圖9-1所示為三相鼠籠式異步電動

機的組成部件。

定子鐵心

圖9-1三相鼠籠式異步電動機的組成部件

1.定子

定子由定子三相繞組、定于鐵心和機座組成。

定子三相繞組是異步電動機的電路部分，在異步電動機的運行中起著很重要

的作用，是把電能轉換為機械能的關鍵部件。定子三相繞組的結構是對稱的，一

般有六個出線端q、。2、匕、匕、陰、也。置于機座外側的接線盒內，根據

需要接成星形（Y）或三角形（△）,如圖9―2所示，定子三相繞組的構成、

連接規律及其作用將在第二節專門介紹。

圖9一2三相鼠籠式異步電動機出線端

定子鐵心是異步電動機磁路的一部分，由于主磁場以同步轉速相對定子旋

轉，為減小在鐵心中引起的損耗，鐵心采用0.5mm厚的高導磁電工鋼片疊成，

電工鋼片兩面涂有絕緣漆以減小鐵心的渦流損耗。中小型異步電機定子鐵心一般

采用整圓的沖片疊成，大型異步電機的定子鐵心一般采用肩型沖片拼成。在每個

沖片內圓均勻地開槽，使疊裝后的定子鐵心內圓均勻地形成許多形狀相同的槽，

用以嵌放定子繞組。槽的形狀由電機的容量、電壓及繞組的型式而定。繞組的嵌

放過程在電機制造廠中稱為下線。完成下線并進行浸漆處理后的鐵心與繞組成為

一^t?整體一同固定在機座內。

機座又稱機殼，它的主要作用是支撐定子鐵心，同時也承受整個電機負載運

行時產生的反作用力，運行時由于內部損耗所產生的熱量也是通過機座向外散

發。中、小型電機的機座一般采用鑄鐵制成。大型電機因機身較大澆注不便，常

用鋼板焊接成型。

2.轉子

異步電動機的轉子由轉子鐵心、轉子繞組及轉軸組成。

轉子鐵心也是電機磁路的一部分，也是用電工鋼片疊成。與定子鐵心沖片不

同的是，轉子鐵心沖片是在沖片的外圓上開槽，疊裝后的轉子鐵心外圓柱面上均

勻地形成許多形狀相同的槽，用以放置轉子繞組。

轉子繞組是異步電動機電路的另一部分，其作用為切割定子磁場，產生感應

電勢和電流，并在磁場作用下受力而使轉子轉動。其結構可分為鼠樹式轉子繞組

和式轉子繞組兩種類型。這兩種轉子各自的主要特點是，鼠籠式轉子：結構

簡單，制造方便，經濟耐用；繞線式轉子：結構復雜，價格貴，但轉子回路可引

人外加電阻來改善起動和調速性能。

鼠籠式轉子繞組由置于轉子槽中的導條和兩端的端環構成。為節約用鋼和提

高生產率，小功率異步電機的導條和端環一般都是融化的鋁液一次澆鑄出來的；

對于大功率的電機，由于鑄鋁質量不易保證，常用銅條插入轉子鐵心槽中，再在

兩端焊上端環。鼠籠式轉子繞組自行閉合，不必由外界電源供電，其外形象一個

鼠籠，故稱鼠籠式轉子，如圖9-3所示。

鋁條

轉子鐵心

(b)

圖9-3鑄鋁轉子結構

(a)鑄鋁轉子繞組；(b)鑄鋁轉子

鼠籠式轉子繞組的各相均由單根導條組成，其感應電勢不大，加上導條和鐵

心疊片之間的接觸電阻較大，所示無需專門把導條和鐵心用絕緣材料分開。

繞線式轉子繞組是用絕緣導線組成，嵌放在轉子鐵心槽內的三相對稱繞組。

三相一般為星型接法，三根引出線分別接到固定在轉軸上并互相絕緣的三個集電

環上，再通過安裝在端蓋上的電刷裝置與集電環接觸把電流引出來。這種轉子的

特點是可以通過集電環和電刷在轉子回路中接入附加電阻，用以改善電動機的起

動性能，或調節電動機的轉速。有的繞線轉子異步電動機還裝有一種舉刷短路裝

置，當電動機起動完畢而又不需要調節轉速時，移動手柄使電刷被舉起而與集電

環脫離接觸，同時使三只集電環彼此短接起來，這樣可以減少電刷與集電環間的

磨損和摩擦損耗，提高運行可靠性。與鼠籠式轉子比較，繞線轉子的缺點是結構

復雜，價格較貴，運行的可靠性也較差。因此，繞線轉子異步電動機只用在要求

起動電流小、起動轉矩大，或需要調節轉速的場合，例如，用來拖動頻繁起動的

起重設備。

轉軸是整個轉子部件的安裝基礎，又是力和機械功率的傳輸部件，整個轉子

靠軸和軸承被支撐在定子鐵心內腔中。轉軸一般由中碳鋼或合金鋼制成。

3.氣隙

異步電機的氣隙是很小的，中小型電機一般為0.2?2mm。氣隙越大，磁阻

越大，要產生同樣大小的磁場，就需要較大的勵磁電流。由于氣隙的存在，異步

電機的磁路磁阻遠比變壓器為大，因而異步電機的勵磁電流也比變壓器的大得

多。變壓器的勵磁電流約為額定電流的3%,異步電機的勵磁電流約為額定電流

的30%。勵磁電流是無功電流，因而勵磁電流越大，

功率因數越低。為提高異步電機的功率因數，必須減少它的勵磁電流，最有

效的方法是盡可能縮短氣隙長度。但是汽隙過小會使裝配困難，還有可能使定、

轉子在運行時發生摩擦或碰撞，因此，氣隙的最小值由制造工藝以及運行安全可

靠等因素來決定。

4.其他部件

端蓋：安裝在機座的兩端，它的材料加工方法與機座相同，一般為鑄鐵件。

端蓋上的軸承室里安裝了軸承來支撐轉子，以使定子和轉子得到較好的同心度，

保證轉子在定子內膛里正常運轉。端蓋除了起支撐作用外，還起著保護定、轉子

繞組的作用。

軸承：連接轉動部分與不動部分，目前都采用滾動軸承以減少摩擦。

軸承端蓋：保護軸承，使軸承內的潤滑油不致溢出。

風扇：冷卻電動機。

二、異步電動機的分類

異步電動機按定子相數可分為和異步電動機3類。除約

200W以下的電動機多做成單相異步電動機外，現代動力用電動機大多數都為三

相異步電動機。兩相異步電機主要用于微型控制電機。

按照轉子型式，異步電機可分為鼠籠型轉子和繞線型轉子兩大類。鼠籠傳了

又分為普通鼠籠轉子、深槽型鼠籠轉子和雙鼠籠轉子3種。三相繞線式異步電動

機外形示意圖9-4所示，三相鼠籠式異步電動機外形示意圖如圖9-5所示。

根據機殼不同的保護方式，異步電動機可分為開啟式、防護式、封閉式和防

爆式等。

防護式異步電動機具有防止外界雜物落入電機內的防護裝置，一般在轉軸上

裝有風扇，冷卻空氣進人電機內部冷卻定于繞組端部及定子鐵心后將熱量帶出

來.位素冽I電動機就是鼠籠式轉子防護式異步電動機JR系列電動機是繞線轉子

防護式異步電動機。

封閉式異步電動力的內部和外部的空氣是隔開的。它的冷卻是依靠裝在機殼

外面轉軸上的風扇吹風，借機座上的散熱片將電機內部發散出來的熱量帶走。這

種電機主要用于塵埃較多的場所，例如機床上使用的電機。JOR系列及Y系列電

機就屬于這種類型。

防爆式異步電動機為全封閉式，它將內部與外界的易燃、易爆性氣體隔離。

這種電機多用于有汽油、酒精、天然氣、煤氣等氣體較多的地方，如礦井或某些

化工廠等處。

圖9-5三相鼠籠式異步電動機外形

（a）開啟式；（b）防護式；（c）封閉式

三、異步電動機的銘牌和額定值

每臺異步電動機機殼上都裝有銘牌，把它的運行額定值印刻在上面，如圖

9-6所示。

三相異步電動機

型號Y-ll2M-4編號

4.OkW8.8A

380kV1440r/minLW82dB

接法△防護等級IP4450Hz45kg

標準編號工作制SIB級絕緣年月

電機廠

圖9-6三相異步電動機銘牌

電機按銘牌上所規定的條件運行時，就稱為電機的額定運行狀態。根據國家

標準規定，異步電動機的額定值主要有：

（1）額定功率4：指電動機在制造廠（銘牌）所規定額定運行狀態下運行

時，軸端輸出的機械功率，單位為W或kW。

（2）定子額定電壓UN：指電動機在額定狀態下運行時，定子繞組應加的線

電壓，單位為V或kV。

（3）定子額定電流/,、,：指電動機在額定電壓下運行，輸出額定功率時，流

人定子繞組的電流，單位為A。

對三相異步電動機，額定功率為：

PN=43UNINrjNcos（pN（9-1）

式中心一一額定運行時異步電動機的效率；

cos/v-----額定運行時異步電動機的功率因數。

（4）額定轉速〃Q指電動機在額定狀態下運行時，轉子的轉速，單位為

r/min。

（5）額定頻率打：我國工頻為50HZo

除上述數據外，銘牌上有時還標明定子相數和繞組接法、額定運行時電機的

功率因數、效率、溫升或絕緣等級、定額等。對繞線轉子異步電機還標出定子加

額定電壓、轉子開路時集電環間的轉子電壓和轉子的額定電流等數據。下面對繞

組接法、溫升和定額作簡要說明。

繞組接法：三相異步電動機的定于繞組可接成星形或三角形，視額定電壓和

電源電壓的配合情況而定。例如星形接法時額定電壓為380V,則改為三角形時

就可用于220V的電源上。為了滿足這種改接的需要，通常把三相繞組的6個端

頭都引到接線板上，以便于采用兩種不同接法，如圖9-7所示。

D$

(OOPj

44+

(a)

圖9-7三相異步電動機的接線板

(a)星形連接；(b)三角形連接。

溫升：指電機按規定方式運行時，繞組容許的溫度升高，即繞組的溫度比周

圍空氣溫度高出的數值。容許溫升的高低取決于電機所使用的絕緣材料。例如Y

系列電機一般采用B級絕緣，其最高容許溫度為130C,如周圍空氣溫度按40℃

計算,并計入10C的裕量，則B級絕緣的容許溫升為130℃-(40C+10℃)=80℃。

定額：我國電機的定額分為3類，即連續定額、短時定額和斷續定額。連續

定額是指電機按銘牌規定的數據長期連續運行。短時定額和斷續定額均屬于間歇

運行方式，即運行一段時間后就停止運行一段時間。可見，短時定額和斷續定額

方式下，有一段時間電機不發熱，所以，容量相同時這類電機的體積可以做得小

一些，或者連續定額的電機用作短時定額或斷續定額運行時，所帶的負載可以超

過銘牌上規定的數值。但是，短時定額和斷續定額的電機不能按其容量作連續運

行，否則會使電機過熱而損壞。

第二節交流繞組(*)

三相異步電動機的交流繞組是由許多嵌放在走子鐵心槽中的線圈按照一定

的規律分布、排列并連接而成的。本節主要介紹三相異步電動機交流繞組的構成、

連接方法、展開圖繪制方法。

一、交流繞組概述

交流繞組是把屬于同相的導體繞成線圈，再按照一定的規律，將線圖串聯或

并聯起來。交流繞組通常都繞成開啟式，每相繞組的始端和終端都引出來，以便

于接成星形或三角形。

1.繞組的基本術語

(1)線圈、線圈組、繞組

線圈也稱繞組元件，是構成繞組的最基本單元，它是用絕緣導線按一定形狀

繞制而成的，可由一匝或多匝組成；多個線圈連成一組就稱為線圈組；由多個線

圈或線圈組按照一定規律連接在一起就形成了繞組，圖9-8所示為常用的線圈示

意圖。線圈嵌放在鐵心槽內用，不能直接轉換能量，稱為端部。

圖9-8線圈示意圖

(2)極距T

極距是指交流繞組一個磁極所占有定子圓周的距離，一般用定子槽數來表

示。即:

7

T=幺(9-2)

2P

式中z.——定子鐵心總槽數；

2P——磁極數；

T一一極距。

(3)線圈節距Y

一個線圈的兩個有效邊所跨定于圓周的距離稱為節距，一般也用定于槽數來

表示。如某線圈的一個有效邊嵌放在第1而另一個有效邊放在第6槽，則其節距

Y=6-l=5槽。從繞組產生最大磁勢或電勢的要求出發，節距Y應接近于極距T,

即

7

(9-3)

2P

當Y=T時，稱為整距繞組；

Y<T時，稱為短距繞組；

Y>T時，稱為長距繞組。

實際應用中，常采用短距和整距繞組，長距繞組一般不采用，因其端部較長,

用鋼量較多。

(4)機械角度和電角度

一個圓周所對應的幾何角度為360°角度就稱為機械角度。而從電磁方面來

看，導體每經過一對磁極N、S,電勢就完成一個交變周期。對于4電機，P=2

這時導體每旋轉一周要經過兩對磁極，對應的電角度為2x360°=720°,若電機有

P對極，則

電角度=PX機械角度(9-4)

(5)每極每相槽數q

每極每相槽數q是指每相繞組在每個磁極下占的槽數，可由下式計算：

4(9-5)

2pm

式中m---相數。

q個增所占的區域稱為一個相帶。通常情況下.三相異步電動機每個磁極下

可按相數分為3個相帶，因一個磁極對應的電角度為180°,故每個相帶占有電角

度為60"稱為60°相帶。

（6）相距角a

槽距角是指相鄰的兩個槽之間的電角度。可由下式計算：

（9-6）

4

（7）極相組

極相組是指一個磁極下屬于同一相的線圈按一定方式串聯成的線圈組。

2.交流繞組的基本要求

三相異步電動機交流繞組的構成主要從設計制造和運行兩方面考慮。繞組的

型式有多種多樣，具體要求為：

（1）在一定的導體數下，繞組的合成電勢和磁勢在波形上應盡可能為正弦

波，在數值上盡可能大，而繞組的損耗要小，用鋼量要省。

（2）對三相繞組，各相的電勢和磁勢要求對稱而各相的電阻和電抗都相同。

為此必須保證各繞組所用材料、形狀、尺寸及匝數都相同且各相繞組在空間的分

布應彼此相差120°電角度。

（3）繞組的絕緣和機械強度要可靠，散熱條件要好。

（4）制造、安裝、檢修要方便。

三相交流繞組在槽內嵌放完畢后共有6個出線端引到電動機機座上的接線

盒內。高壓大、中型容量的異步電動機三相繞組一般采用星形接法；小容量的異

步電動機三相繞組一般采用三角形接法。

3.三相交流繞組的分布、排列與連接要求

三相異步電動機交流繞組的作用是產生旋轉磁場，要求交流繞組是對稱的三

相繞組，其分布、排列與連接應按下列要求進行：

（1）各相繞組在每個磁極下應均勻分布，以達到磁場的對稱。為此先將定

子槽數按極數均分，每一等分代表1800電角度（稱為分極）；再把每極下的槽

數分為3個區段（相帶），每個相帶占60°電角度（稱為分相）。

（2）各相繞組的電源引出線應彼此相隔120。電角度。

（3）同一相繞組的各個有效邊在同性磁極下的電流方向應相同，而在異性

磁極下的電流方向相反。

(4)同相線圈之間的連接應順著電流方向進行。

4.交流繞組的分類

按槽內層數來分，可分為單層繞組、雙層繞組和單雙層混合繞組；按每極每

相所占的槽數來分，可分為整數槽繞組和分數槽繞組；按繞組的結構形狀來分，

可分為鏈式繞組、交叉式繞、同心式繞組、疊繞組和波繞組等。以下介紹三相單

層繞組和三相雙層繞組。

二、三相單層繞組

單層繞組是指每一個槽內只有一條線圈邊，整個繞組的線圈數等于定子總槽

數一半的繞組。按照線圈的形狀和端部連接方式的不同，單層繞組可分為鏈式繞

組、交叉式繞組和同心式繞組等幾種形式。根據前面所述對三相繞組的分布、排

列和連接要求，可繪出三相單層繞組的展開圖，下面舉例說明3種常用的三相單

層繞組的結構及展開圖的繪制方法和步驟。

I.鏈式繞組

鏈式繞組是由相同節距的線圈組成，其結構特點是繞組線圈一環套一環，形

如長鏈，其每及每相槽數q一般為2槽。

【例9-1】國產Y90L-4型三相異步電動機，定于繞組為單層鏈式繞組，定

子槽數為24,節距Y=5槽，試繪出其繞組展開圖。

【解】(1)分極、分相

每極所占槽數。T=2=2-=6槽

2p2x2

每極每相槽數q=—=」一=2槽

2pm2x2x3

分極：如圖9-9(a)所示，將定子全部槽數按極數均分則每極下分有6槽。

磁極按S、N、S、N排列。

分相：將每個磁極下的槽數按相數均分為3個相帶，則每個相帶占有2槽。

因一個磁極下有3個相帶，則每對極共有6個相帶，將這6個相帶按UI、W2、

VI、U2、Wl、V2的順序排列，如圖9-9a所示。

(2)標出線圈有效邊的電流方向

按相鄰兩個磁極下線團邊中的電流方向相反的原則進行?設S極下線圈邊的

電流方向向上，則N極下線圈邊的電流方向向下，如圖9-9(a)中箭頭方向所

zj\O

itmiiiiiininniiiiH

I23456789101112131415161718192021222324

iiiiiiiiiiiiiiiiiiniiii

(a)

圖9-9鏈式繞組

(a)分極、分相；(b)U相繞組：(c)三相繞組。

(3)按繞組節距的要求把相鄰異極性下同一相的槽中的線圈邊連成線圈

由圖9-9(a)可知，U相繞組包含第1、2、7、8、13、14、19、208個槽

中的線圈邊。線圈邊1、2與7、8分別處于S極與N極下面，它們的電流方向相

反，故線圈邊1、2中的任意一個與線圈邊7、8中的任意一個都可組成一個線圈;

同樣13、14中任意一個與19、20中任一個也都可組成一個線圈。本題中，節距

Y=5,故可將U相帶下8個槽中的導體組成以下4個線圈：2—7、8—13、14—

19、20—1,如圖9-9(b)所示。同理，V相的4個線圈為6—11、12—17、18

一23、24—5；W相的4個線圈為10—15、16—21、22—3、4—9；如圖9-9(c)

所示。

(4)確定各相繞組的出線端

各相繞組的出線端彼此相隔120°電角度。由于本題電機的槽距角為

360°xp360°x2

a=------=------=30

Z124

則120°電角度相隔段=4槽

30°

將U相繞組出線端的首端山定在第2槽，則V相首端”應定在第6槽(6+2),W

相首端匹在第10槽,如圖9-9(在所示。

(5)順著電流方向把同相線圈連接起來

將U相各線圈沿電流方向連接起來，便形成U相繞組的展開圖，如圖9-9(b)

所示。顯然，上述的連接方法是各線圈的“頭接頭、尾接尾”，這種連接方法稱

為反串聯。按同樣的方法，可連成V相繞組和W相繞組，從而得到三相繞組的展

開圖,如圖9-9(c)所示。

國產J02-21-4型、J02-22-4型、Y802-4型等三相異步電動機的定于繞組

都是采用這種鏈式繞組。

2.同心式繞組

同心式繞組的結構特點是各相繞組均由不同節距的同心式線圈連接而成，其

每極每相槽數q一般為4槽。

【例9-2］國產Y100L-2型三相異步電動機，定子繞組為單相同心式繞組，

定子槽數為24,大線圈節距為11槽，小線圈節距為9槽，試繪出其繞組展開圖。

【解】1)分極、分相

每極所占槽數T=2='=12槽

2P2x1

每極每項槽數“=旦=—匕=47槽

2pm2x1x3

由計算可知，該電機每個極下共有12槽，整個定子可分為6個相帶，每相

帶內有4槽。采用與【例9-1】相同的方法分極、分相，如圖9T0(a)所示。

(2)標出線圈有效邊的電流方向

設S極下線圈邊的電流方向向上，則N極下線圈邊電流方向向下，如圖

9T0(a)中箭頭方向所示。

圖9-10同心式繞組

(a)U相繞組：(b)三相繞組。

(3)按繞組節距的要求把同一相的線圈邊按電流方向連成線圈。

由于大線圈邊節距11槽，小線圈邊節距9槽，則對U相繞組來說，可將線

圈邊3與14組成一個大線圈，4與13組成一個小線圈，大小線圈相套形成一個

同心式極相組。同理，線圈邊15與2組成大線圈，16與1組成小線圈，形成另

一個同心式極相組，如圖9T0(b)所示。

用同樣的方法可得：V相的4個線圈為11—22、12—21、23—10、24—9；W

相的4個線圈為19—6、20—5、7—18、8—17,如圖9T0(c)所示。

(4)確定各相繞組的出線端

各相繞組的出線端彼此相隔120°電角度。由于本題電機的槽距角為

360°xp360°xl-

a=-----------=------=15

Z124

則120。電角度相隔等蟲=8槽

15°

將U相統組出線端的首端口定在第三槽，則V相首端％在第11槽，W

相首端M在第19槽，如圖9T0(b)所示。

(5)順著電流方向把同相線圈連接起來

按照“頭接頭、尾接尾”的方法，將U相各線圈沿電流方向連接起來，便形

成U相繞組的展開圖，如圖970(a)所示。同理，可連成V相繞組和W相繞組，

從而得到三相繞組的展開圖，如圖9To(c)所示。

國產JO2T2-2型、JO2-31-2型、YU2M-2型等三相異步電動機的定于繞組

都是采用這種同心式繞組。

3.交叉式繞組

交叉式繞組主要用于每極每相槽數q為3槽的四極或兩極小型三相異步電

動機中。這沖繞組可看成是鏈式繞組和同心式繞組的一個綜合。它采用不等距的

線圈，比同心式繞組的端部短，且便于布置。

【例9-3】國產Y132S-4型三相異步電動機，定于繞組為單層交叉式，定子

槽數為36,大線圈節距為8槽，小線圈節距為7槽，試繪出其繞組展開圖。

【解】(1)分極、分相

每極所占槽數：

Z136八J曲

T=—=--=9槽

2p2x2

每極每相槽數：

36

=3槽

2pm2x2x3

采用與【例9-1】相同的方法分極、分相，如圖9Tl(a)所示。

(2)標出線圈有效邊的電流方向

設S極下線圈邊的電流方向向上，則N極下線圈邊電流方向向下，如圖

9-11(a)中箭頭方向所示。

(3)按繞組節距的要求把同一相的線圈邊按電流方向連成線圈

由于大線圈邊節距8槽，小線圈邊節距7槽，則對U相繞組來說，可將線圈

邊2與10和3與11組成一個雙聯(兩個線圈聯在一起)的大線圈組，12與19

組成一個小線圈組；同理，線圈邊20與28和21與29組成另一個大線圈組，3

與1組成另一個小線圈組，如圖9-ll(a)所示。

用同樣的方法可得,V相4個線圈組為8—16和9—17.18-25.26-34和27

—35、36-7；W相的4個線圈組為14—22和15—23、24-31、32-4和33—5、6

—13,如圖9Tl(b)所示。

圖9T1交叉式繞組

(a)U相繞組；(b)三相繞組。

(4)確定各相繞組的出線端

各相繞組的出線端彼此相隔120°電角度。由于本題電機的槽距角為

.36。。，〃=處1=20。

Z136

則120電。角度相隔1匕70匕°=6槽。

20°

將U相繞組出線端的首端口定在第2槽，則V相首端片在第8槽，W相首端

M在第14槽，如圖9-11(b)所示。

(5)順著電流方向把同相線圈連接起來

按“頭接頭、尾接尾”的方法，將u相各線圈沿電流方向連接起來，便形成

U相繞組的展開圖，如圖9T1（a）所示。同理，可連成V相繞組和W相繞組，從

而得到三相繞組的展開圖，如圖9Tl（b）所示。

國產J0Z-31-4型、J0Z-32-4型、Y132M-4型等三相異步電動機的定子繞組

都是采用這種交叉式繞組。

單層繞組的構成最主要的是確定三相繞組的各個線圈在定子槽中的分布規

律，只要保證每相繞組所屬的槽號及電流方向，改變繞組元件的端接形式，對電

磁效果就基本上沒有影響。上面討論的3種形式的單層繞組，它們從外部結構上

看雖各不相同，但從產生的電磁效果角度看則基本上是一致的。因此到底選用哪

種結構形式，主要要從縮短端接部分的長度（即節省有色金屬）出發，當然也要

考慮嵌線工藝的可能性。同心式繞組因端節部分較長，一般只在嵌線比較困難的

兩極電機中采用，功率較小的4極、6極、8極電機采用鏈式繞組，少部分的兩

極、四極電機采用交叉式繞組。

單層繞組的優點是結構簡單，嵌線比較方便,槽的利用率高（因無層間絕緣）。

其最大的缺點是產生的磁場和電勢波形較差（與正弦波相差較大），從而使電機

鐵損和噪音都較大，起動性能不良，故多用于小容量的三相異步電動機中。

三、三相雙層三繞組

雙層繞組的每個槽內有上層、下層兩個線圈邊，每個線圈的一條邊嵌放在某

一槽的上層，另一條邊嵌放在另一槽的下層，整個繞組線圈數正好等于槽數。

雙層繞組可以選擇最有利的節距，所有線圈具有同樣的形狀和尺寸，便于制

造，端部形狀排列整齊，有利于散熱和增加機械強度，所以容量較大（10kW以

上）的三相異步電動機的定于繞組一般均采用雙層繞組。

雙層繞組可分為疊繞組和波繞組兩種形式。疊繞組在嵌線時，兩個互相串聯

的線圈，總是后一個疊在前一個上面，所以稱為疊繞組。以下僅舉例說明三相雙

層疊繞組的結構及展開圖的繪制方法和步驟。

[例9-4]一臺三相4極異步電動機，定于繞組為雙層疊繞組，定子精數為

36,節距Y=7,試繪出其繞組展開圖。

【解】（1）分極、分相

每極所占槽數7=2=也=9槽

2〃2x2

zl36

每極每相槽數=3槽

2pm2x2x2

由計算可知，該電機每極下共有9個槽，整個定子可分為12個相帶，每相

帶內有3個槽，采用與【例9-1】相同的方法分極、分相，如圖9T2(a)所示。

(2)標出U相線圈有效邊的電流方向

圖9-12中，實線表示上層邊，虛線表示下層邊，每個線圈都由一根實線和

一根虛線組成，各線圈的編號都用其上層邊所在的槽號表示。設S極下線圈上層

邊的電流方向向上，則N極下線圈上層邊電流方向向下，如圖9-12(a)中箭

頭方向所示。

(3)按繞組節距的要求把同一相的線圈邊按電流方向連成線圈并組成極相

組

對U相繞組來說，因線圈節距Y=7槽，則第1槽的上層邊與第8拾的下層被

凌蕩起來構成線圈1，第2槽的上層邊與第9槽的下層邊連接起來構成線圈2,

以此類推，即可構成定子繞組U相的全部12個線圈。

將線圈1、2、3串聯起來，19、20、21串聯起來，分別組成了兩個對應于S

極下的極相組；將線圈10、11、12串聯起來，28、29、30串聯起來，分別組成

了兩個對應于N極下的極相組，如圖9T2(a)所示。

(4)確定各相繞組的出線端

各相繞組的出線端彼此相隔120°電角度。由于本題電機的槽距角為

"幽"幽泣=20。

zl36

則120°電角度相隔絲=6槽。

20°

由于U、V、W三相繞組出線端的首端應相隔120°電角度，將U相出線端的

首端口定在第1槽，則V相首端修在第7槽,W相首端Wi在第定槽，如圖9-12(b)

所示。

(5)順著電流方向把各極相組連接起來

U相繞組中各線圈的電流方向如圖9T2(a)所示，沿電流方向將U相繞組

的4個極相組按“頭接頭，尾接尾”的方法連接起來，便形成U相繞組的展開圖,

如圖9-12(a)所示。同理，可連成V相繞組和W相繞組從而得到三相繞組的

展開圖，如圖9T2(b)所示。

圖9T2雙層疊繞組

（a）U相繞組；（b）三相繞組。

上述繞組的連接，是假定繞組的并聯支路數a=1來分析的，即各相繞組的

4個極相組串聯成一條支路。若要求并聯支路數a=2,則只要改變各相繞組的4

個極相組之間的連接。以U相為例，把第一對極中S極下的極相組1-2一3與N

極下的極相組10—11—12用“尾接尾”的方法連接起來組成一條支路，而把另

一對極中S極下的極相組19-20-21與N極下的極相組28-29-30用“尾接尾”

的方法連接起來組成另一條支路，然后再把這兩條支路的首端與首端（線圈1

和線圈19的首端）相連，作為U相繞組的首端U”尾端與尾端（線圈10和線圈

28的首端）相連，作為U相繞組的尾端U2,即得到兩條并聯支路。

由上所述可知，雙層疊繞組每相的極相組數正好等于電機的極數。而每個極

相組都可單獨成為一條支路，因此，雙層疊繞組每相的最大并聯支路數等于電機

磁極數。

第三節交流繞組的電勢和磁勢

一、三相定于繞組的電勢

通過單層鏈式繞組、同心式繞組和交叉式繞組等的展開圖，可以看出，這些

繞組的線圈是按照一定的規律分布排列著，且它們的線圈節距均小于其極距，也

就是說，它們是分布線圈繞組。相比較而言，可以說變壓器原、副邊繞組都是集

中線圈繞組。根據電磁感應定律可以證明，三相異步電動機定于繞組的相電勢

Ei為：

E,=4.44f,N1（PmKwo（9-7）

式（9-7）中，R為三相定子繞組中電流的頻率；N為每相定子繞組總的串聯

匝數；中m為異步電動機的每極磁通；Kw=KR為繞組因數。

K，稱為節距因數，它的數值與線圈節距有關，它表示短距線圈和長距線圈電

勢的減小程度，短距線圈和長距線圈的&V1,整距線圈的4=1。

K”稱為分布因數，它的數值與線圈分布有關，它表示分布線圈電勢的減小程

度，分布線圈的&<1,集中線圈的Kq=l

二、三相定子繞組的磁勢

1.單相繞組的磁勢

在三相定于繞組中通入三相正弦波的電流，則三相定子繞組中的每一個單相

繞組所產生的磁勢為脈動磁勢。所謂脈動磁勢，就是磁勢的軸線（即磁勢幅值所

在的位置）在空間固定不動，但振幅不斷隨時間而變化的磁勢。

可以證明，單相繞組脈動磁勢幾（V的數學表達式可以寫成：

=居>cosxcosw（9~8）

式（9-8）中：￡?為磁勢的幅值;x為空間坐標;t為時間坐標；。為繞組中

正弦交流電的角頻率。

從式（9-8）可見，在任一瞬間，磁勢的空間分布為一余弦波，但在空間任

何一點的磁勢，則又隨時間作余弦變化。或者說，該磁勢既是空間函數又是時間

函數。

可以證明，單相繞組脈動磁勢的幅值心="四@,說明單相統組脈動磁

P

勢的幅值與繞組中的電流I成正比，與相繞組總的串聯匝數W成正比，與繞組

因數K.成正比，與電機的極對數p成反比。

2.三相繞組的磁勢

三相繞組由3個單相繞組組成，這三個單相繞組分別產生脈動磁勢。在三相

異步電動機中，3個單相繞組是對稱的，即U、V、W三相繞組在空間互相間隔的

距離為1200電角度。電機在對稱運行時，通入三相繞組中的三相電流亦是對稱

的，即其幅值相等，在時間相位上互差120°電角度，即

iu--V2/COS69T(9-9)

iv=V2Zcos(krf-120°)(9-10)

iw=421cos((ot-240°)(9-11)

因此，U、V、W三相繞組的磁勢分別為

fw=cosxcoscot(9-12)

幾v=cos(x-1200)cos(69r-120°)(9-13)

兒w=F0COS(X-120°)COS(69/-120°)(9-14)

把幾u、幾v、Znw分別進行分解

七

fw=gcos3-x)+g"cos3+x)(9-15)

7⑷

fw=g73cos_x)+2"cosf+x_240°)(9-16)

幾u=g七cos@r-x)+g品cos@/+x-240°)(9-17)

把上述3個公式相加，可知前三相余弦互相托加，后三相之和為零。故三相

合成磁勢為

cos(x-6yZ)(9~18)

上式表明，當三相對稱電流流過三相對稱繞組時，三相繞組的合成磁勢為一

個圓形旋轉磁勢。

圓形旋轉磁勢的幅值為單相繞組脈動磁勢幅值幾的L5倍，其旋轉速度稱

為同步轉速，用ni；來表示，其計算公式為:

60/

?i(9-19)

P

式中f一一三相定子繞組中電流的頻率；

P一一三相異步電動機的磁極對數。

一個三相對稱繞組流過三相對稱電流時，它所產生的合成磁勢一定是一個圓

形旋轉磁勢。這個概念可以進一步用圖9-13來解釋。圖9T3中UU、VM、W,W2

是定子上的三相繞組，它們在空間互相間隔120。電角度。三相電流的變化曲線

如圖9-14所示。

在圖9T3中假設：A、B、C三相電流分別流入U、V、W三相繞組，正值電

流是從繞組的首端流入(用十來表示流入)而從尾端流出(用。來表示流出)，

負值電流則從繞組的尾端流入而從首端流出。

圖9-13旋轉磁場

(a)cot=o時；(b)(yt=120°時;(c)t=240°時;(d)G)t=360°時。

在圖9T4中，當。。t=0時，A相電流具有正的最大值，相應地在圖9-13

(a)中A相電流是從U相繞組的首端口點流入，而從尾端U?點流出，此時B

相及C相電流均為負值，所以電流1B和I,分別從V相繞組及W相繞組的尾端V2

和％流人，而從首端匕和％流出。從圖9-13(a)中電流的分布情況可以清楚地

看到：合成磁勢的軸線正好與U相繞組的中心線相重合。

在圖9T4中，當/t=120°時,B相電流達到正的最大值,A相及C相電流則

為負值，因此相應地在圖9T3(b)中上相電流是從V相繞組的首端片點流入，而

從尾端V?點流出，A相及C電流分別從它們的尾端U?及％點流入，而從首端Ui

及W,點流出，此時合成磁勢的軸線便與V相繞組的中心線相重合。

圖9-14三相電流

根據同樣的方法可以解釋圖9T3（c）,當。t=240°時，C相電流有最大值,

合成磁勢的軸線便與W相繞組的中心線相重合。分析圖9T3（a）、（b）、（c）

3個圖形中磁勢的位置，可以明顯地看出：合成磁勢是一個旋轉磁勢。旋轉磁勢

的軸線總是與電流達到最大值的那一相繞組的中心線相重合。

如果三相繞組流過的是正序電流，則A相電流首先達到最大值，而后依次是

B相及C相電流達到最大值,則合成磁勢的軸線首先與U相繞組的中心線相重合,

而后再依次同V相繞組和W相繞組中心線相重合。所以合成磁勢的旋轉方向是從

U相到V相、再從V相到W相。也就是說：旋轉磁勢的轉向總是從超前電流的相

轉向滯后電流的相。

如果三相繞組流過的是負序電流，則A相電流首先達到最大值，而后依次是

C相及B相電流達到最大值，所以合成磁勢的軸線首先與U相繞組的中心線相重

合，而后再依次同W相繞組和V相繞組中心線相重合。合成磁勢的旋轉方向是從

U相到W相，再從W相到V相。

可見：要改變旋轉磁勢的轉向，只要改變通入電流的相序。也就是說，只要

把三相繞組中的任何兩個出線端的位置對換就可以了。

綜上所述，三相繞組合成磁勢具有以下性質：

（1）三相合成磁勢在任何瞬間保持著恒定的振幅，它是單相脈振磁勢振幅

的1.5倍；

（2）三相繞組合成磁勢的轉速僅決定于電流的頻率和電機的極對數；

（3）當某相電流達到最大值時，合成磁勢波的波幅就與該相繞組的軸線重

合;

（4）合成磁勢的旋轉方向決定于電流的相序。

第四節三相異步電動機的工作原理及運行分析

一、三相異步電機的工作原理

三相異步電機工作原理示意圖如圖9-15所示，定子上的三相繞組接到三相

交流電源上，轉子繞組自成閉合回路。三相異步電機的工作可分為3種情況，以

下分別作介紹。

1.三相異步電機作為電動機運行

三相異步電機作為電動機運行是其最普遍的工作狀態。三相電流流入三相定

于繞組產生旋轉磁勢，并在氣隙中產生相應的旋轉磁場。旋轉磁場也是以同步轉

速11在旋轉。為了電角度，即便于說明問題，在圖9—15中用一對旋轉的磁極

來表示該旋轉磁場。

（a）示意圖；（b）電動機運行；（c）發電機運行；（d）制動狀態。

當旋轉磁場切割轉子導體時，在其中產生感應電勢，使轉子導體中有電流流

過。其方向可利用右手定則判斷。轉子電流與旋轉磁場作用而產生電磁轉矩，使

轉子以轉速n旋轉，從而把電能轉換成機械能，作電動機運行。由左手定則判斷

可知：轉子方向與磁場旋轉方向相同，如圖9T5（b）所示。

當異步電機作為電動機運行時，為了克服負載的阻力轉矩，三相異步電動機

的轉速n總是略低于同步轉速n“以便氣隙中的旋轉磁場能夠切割轉子導體而在

其中產生感應電勢和感應電流，從而能夠產生足夠的電磁轉矩來拖動轉子旋轉。

如果轉子的轉速與同步轉速相等，轉向又相同，則氣隙旋轉磁場與轉子導體之間

沒有相對運動，因而轉子導體中就不會產生感應電勢和電流，電機的電磁轉矩也

將為零。可見，異步電機產生電磁轉矩的必要條件是，磁場的同步轉速n1和轉

子的轉速n不相等，即niwn。

把同步轉速ni和轉子轉速n的差值稱為轉差，轉差與同步轉速n?的比值稱

為轉差率，轉差率用s來表示，即

轉差率是異步電機的一個基本變量，它可以表示異步電機的各種不同運行狀

態。

(1)在電機剛起動時，轉子轉速n=0,則s=l,轉子切割旋轉磁場的相對

速度為最大，轉子中的電勢及電流也最大。如果電動機產生的電磁轉矩足以克服

機械負載的阻力轉矩，轉子就開始旋轉，轉速會不斷上升。

(2)隨著轉子轉速n的上升，轉差率s減小，轉子切割旋轉磁場的相對速

度減小，轉子中的電勢及電流也減小。在額定狀態下，轉差率S的數值通常都是

很小的，中小型異步電動機的轉差率約為0.01—0.07,轉子轉速與同步轉速相

差并不很大。而空載時，因阻力矩很小，轉子轉速”很高，轉差率則更小，約為

0.004-0.007,可以認為轉子轉速近似等于同步轉速。

(3)假設n=n「則轉差率s=0,此時轉子導體不切割旋轉磁場，轉子

中就沒有感應電勢及電流，也不產生電磁轉矩。

可見，作電動機運行時，轉速n在0~勤；的范圍內變化，而轉差率則在「0

的范圍內變化。

三相異步電動機的轉速可用轉差率來計算，即

n=(1-s)ni(9—21)

2.三相異步電動機作為發電機運行

若異步電機的轉軸上不是機械負載，而是用一原動機拖動異步電機的轉子以

大于同步轉速的速度與旋轉磁場同方向旋轉，如圖9-15(c)所示。此時，轉

子導體相對于旋轉磁場的運動方向與圖9—15(b)相反，轉子導體中的電勢及電

流也反向。由左手定則可知，轉子導體所產生的電磁轉矩也與轉子轉向相反，起

著制動作用。為了克服電磁轉矩的制動作用，使轉子能繼續旋轉下去，并保持n

>n,,原動機就必須不斷向電機輸人機械功率，而電機則把輸人的機械功率轉

換為電功率輸出給電網，此時異步電機成為發電機。異步發電機運行時，轉差率

s為負值。

3.三相異步電機在制動狀態下運行

若在外力作用下，使轉子逆著旋轉磁場方向轉動，如圖9—15(d)所示。比

較圖9—15(b)和圖9—15(d)可見，此時，轉子導體相對于磁場的運動方向

與電動機運行狀態相同，故轉子導體中的電勢和電流方向仍與電動機狀態相同，

作用在轉子上的電磁轉矩方向與旋轉磁場方向一致，但卻與轉子轉向相反，起了

阻止轉子旋轉的作用，故稱為三相異步電動機的制動運行。在這種情況下，它一

方面消耗原動機的機械功率，同時也從電網吸收了電功率，這兩部分功率

均變為三相異步電動機內部的損耗。制動運行時，由于轉子逆著磁場方向旋

轉，n<0o則轉差率S>1。

在3種運行狀態下，轉子轉速總是與旋轉磁場轉速(同步轉速)不同，因而

稱為異步電機。又由于異步電機的轉子繞組并不直接與電源相接，而是依靠電磁

感應的原理來產生感應電勢和電流，從而產生電磁轉矩使電動機旋轉，因而異步

電機又稱為感應電機。

實際上，異步電機絕大多數都是作為電動機運行Z異步發電機的性能不如同

步發電機優越，因此僅用在特殊場合。制動運行往往是吊車等設備的一種特殊運

行狀態。

二、三相異步電動機的功率和轉矩平衡關系

1.三相異步電動機中各個功率、損耗的含義

電機是機電能量轉換的機械，在能量轉換過程中必然會有功率平衡關系，必

然會有損耗。

當三相異步電動機接在電網上穩定運行時，由電網供給的電功率稱為三相異

步電動機的輸入功率Pi。

P]=3UiI1cos^>i(9-22)

式中U,一一三相異步電動機定子繞組相電壓；

I,——三相異步電動機定子繞組相電流；

外一一相電壓口與相電流L之間的相位角；

cos⑦一一三相異步電動機功率因數。

輸入功率中的一小部分將消耗于定子繞組的電阻上，該部分稱為定于繞組銅

耗Pcul

PCU1=3I2R(9—23)

式中R,一一三相異步電動機定于繞組相電阻。

輸入功率的另外一小部分將消耗于定子鐵心上，該部分稱為鐵耗Ppeo

轉子鐵心損耗可忽略不計。這是因為正常運行時，三相異步電動機轉子轉速

接近旋轉磁場的同步轉速，轉差率s很小，轉子鐵心中磁通變化的頻率很小，再

加上轉子鐵心和定子鐵心都是用硅鋼片造成，因而轉子鐵心中鐵耗很小。所以，

三相異步電動機的鐵耗主要是定于鐵心損耗。

輸入功率減去定子銅耗和鐵耗以后，余下的功率全部送入轉子，這部分功率

稱為電磁功率P,。電磁功率是借助電磁感應作用通過氣隙旋轉磁場由定子傳遞到

轉子的。

PM=P1—Pcul—Pre(9—24)

傳遞到轉子的電磁功率，一部分將消耗于轉于繞組中的電阻上，這部分功率

稱為轉子繞組銅耗P.：u2

P,“2=3I；RZ(9—25)

式中I2一—三相異步電動機轉子繞組相電流；

R2一一三相異步電動機轉子繞組相電阻。

傳遞到轉子的電磁功率減去轉子銅耗P“,2余下的功率，稱為全機械功率P*

P^=PM-Pcu2(9—26)

全機械功率實際上是傳遞到電機轉軸上的機械功率，它是轉子繞組中的電流

與旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩，帶動轉子以轉速n旋轉時所對應的功率。

電機轉子轉動時，會產生軸承摩擦及風阻等阻力轉矩，為克服此阻力轉矩將

消耗一部分功率，這部分功率稱為機械損耗PQ。

定子及轉子繞組中流過電流時，除產生基波磁通外，還產生高次諧波磁通及

其他漏磁通,這些磁通穿過導線、定子及轉子鐵心、機座、端蓋等金屬部件時，

在其中感應電勢和電流并引起損耗，這部分稱為雜散損耗Ps。雜散損耗的大小

與氣隙的大小和制造工藝等因素有關。