2.2 三相异步电动机的工作原理

学习三相异步电动机的维修，理解和掌握其工作原理有必要吗？

关于这个问题，想说明以下两点：第一，不掌握原理去维修电动机，维修时心里没数，维修后心里没底；相反，若具备扎实的理论，则维修时头绪清楚，不易出错。第二，有些维修人员理论基本功较差，但实践经验丰富，一样也可以把电动机修好。这种现象的确存在，但这些“经验主义者”只能排除以前维修过的或简易的故障，对新机型、新故障及疑难故障，他们就会缺乏应变能力，束手无策。也就是说，这些人的维修只能停留在较低的水平上。真正高水平的技术型维修人员，不仅要具备丰富的实践经验，更要具备丰富的理论知识，用理论去指导实践，用实践去充实理论，不但技术提高得快，而且维修质量高，不易出错，可大大降低返修率。

下面就来探讨三相异步电动机的工作原理。

2.2.1 演示实验

为了方便起见，从一个演示实验开始说起。图2-12所示的是一个装有手柄的蹄形磁铁，磁极间放有一个可以自由转动的、由铜条组成的转子。铜条两端分别用铜环连接起来，形似鼠笼，称为笼型转子。磁极和转子之间没有机械联系。当摇动磁极时，发现转子跟着磁极一起转动，摇得快，转子转得也快；摇得慢，转得也慢；反摇，转子马上反转。

异步电动机转子转动的原理与上述演示实验相似。图2-13（a）所示为采用一匝线圈（铜条）的异步电动机模型，图2-13（b）所示为一个较为真实的异步电动机模型。

当磁极向顺时针方向旋转时，磁极的磁感线切割转子铜条，铜条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则确定。在这里应用右手定则时，可假设磁极不动，而转子铜条向逆时针方向旋转切割磁感线，这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁感线切割转子铜条是相当的。具体判断方法是：伸开右手，使拇指与四指在同一个平面内并与四指垂直，让磁感线垂直穿入手心，使拇指指向导体运动的方向（逆时针），这时四指所指的方向就是感应电流的方向，如图2-13（a）中I的方向。

在电动势的作用下，闭合的铜条中就有感应电流，感应电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子铜条受到安培力F，安培力的方向可用左手定则来判定，判断的方法是：伸开左手，使拇指与四指在同一个平面内并与四指垂直，让磁感线垂直穿入手心，使四指指向电流的方向，这时拇指所指的方向就是导线所受安培力的方向，如图2-13（a）中F的方向。由安培力产生电磁转矩，转子就转动起来，由图2-13（a）可见，转子转动的方向与磁极旋转的方向是相同的。

如果把异步电动机的笼型转子放置在旋转磁场中，如图2-13（b）所示，代替图2-13（a）中的一匝线圈，不难想象，当磁场旋转时，在磁极经过下的每对导条都会产生这样的电磁转矩，在这些电磁转矩的作用下，转子就按顺时针的方向旋转起来。当然，如果磁场按逆时针方向旋转，转子也将按逆时针方向旋转。由此可见，转子的旋转方向同磁场的旋转方向是相同的。

虽然转子同旋转磁场彼此隔离，但从上面的叙述可知，由于有了一个旋转的磁场，在转子的导条中产生了感应电流，而流过电流的导条又在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩，从而使转子转动起来。这就是异步电动机转动的一般原理。

2.2.2 旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子绕组嵌放在定子铁心槽内，按一定规律连接成三相对称结构。三相定子绕组U1 U2、V1 V2、W1 W2在空间互成120°，它可以连接成星形，也可以连接成三角形。若把三相绕组连接成星形，则三相绕组的端面图和接线图如图2-14所示。

当三相绕组接至三相对称电源时，则三相绕组中便通入三相对称电流

iU = Imsinωt

iV = Imsin（ωt -120°）

iW = Imsin（ωt -240°）= Imsin（ωt +120°）

电流波形图、参考方向和旋转磁场示意图如图2-15所示。

取绕组始端（U1、V1、W1）到末端（U2、V2、W2）的方向作为电流的正方向，在电流的正半周内，其值为正，其实际方向与正方向一致，在负半周内，其实际方向与正方向相反。

当ωt=0时，定子各绕组电流的方向如图2-15（a）所示，这时，iU =0，所以定子绕组中的U1 U2始末端用“○”表示，iV是负的，即实际方向为从V2端到V1端，V2入、V1出，故V1用“☉”表示，V2用“⊗”表示。而iW是正的，即实际方向为从W1端到W2端，W1入W2出，故W1用“⊗”表示，W2用“☉”表示。将每相电流所产生的磁场相加，便得到三相电流的合成磁场，在ωt=0时，合成磁场的方向是自上而下，见图2-15（a）。

图2-15（b）所示是ωt=90°时的三相电流合成磁场，这时的合成磁场已在空间转过了90°。同理可得ωt为180°、270°和360°时的合成磁场方向，分别如图2-15（c）、（d）、（e）所示。

由上可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。

旋转磁场同磁极在空间旋转所起的作用是一样的。也就是说，三相电流产生的旋转磁场切割转子导体（铜或铝），便在其中感应出电动势和电流，转子电流同旋转磁场相互作用而产生的电磁转矩使电动机转动起来。

2.2.3 电动机旋转方向的改变

电动机的转子转动的方向和磁场旋转的方向是相同的，如果要电动机反转，必须改变磁场的旋转方向。在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为U1→V1→W1，因此磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将同三相电源连接的三根导线中任意两根的一端对调位置，如对调了V1与W1两相，则电动机三相绕组的V1相与W1相对调（注意：电源三相端子的相序未变），旋转磁场因此反转，电动机也就跟着改变转动方向。

2.2.4 三相异步电动机的极对数与转速

1. 极对数

三相异步电动机的极对数就是旋转磁场的极对数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。在前面介绍的定子绕组中，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°，则产生的旋转磁场具有一个极对数（即一对N、S极）。一般将极对数记作p，对于只有一个极对数的电动机，p=1。

如果将定子绕组安排得如图2-16所示那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间只相差60°，则产生的旋转磁场具有两个极对数，即p=2。

同理，如果要产生三个极对数，即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排的三个线圈串联，三相绕组的始端之间相差40°（120°/p）空间角。

2. 旋转磁场的转速n0和转子的转速n

三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速决定于旋转磁场的极对数。可以证明，在磁极对数p=1的情况下，三相定子电流变化一个周期，所产生的合成旋转磁场在空间也旋转一周。当电源频率为f时，对应的旋转磁场转速n0 =60f。当电动机的旋转磁场具有p对磁极时，合成旋转磁场的转速为

式中的n0即为旋转磁场的转速，其单位为r/min（转/分）。我国电力网电源频率f=50Hz，故当电动机磁极对数p分别为1、2、3、4时，相应的同步转速n0分别为3000r/min、1500r/min、1000r/min、750r/min。

根据前面介绍的知识可知，电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，但需要说明的是，转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n0相等，即n＜n0。因为如果转子转速n=n0，那么转子与旋转磁场之间就没有相对运动，转子导体将不切割磁感线，于是转子导体中不会产生感应电动势和转子电流，也不可能产生电磁转矩，所以电动机转子不可能维持在转速n0状态下运行。可见该电动机只有在转子转速n低于同步转速n0时，才能产生电磁转矩并驱动负载稳定运行。因此这种电动机称为异步电动机。而旋转磁场的转速n0称为同步转速。

由于这种异步电动机的转子绕组不直接与电源线路连接，而是靠旋转磁场的电磁感应作用来产生机械功率，因此也称为感应电动机。