1.2　三相异步电动机的基本结构与工作原理

1.2.1　三相异步电动机的构造

三相异步电动机分成两个基本部分：定子（固定部分）和转子（旋转部分）。三相鼠笼式异步电动机的构造如图1-2所示。

（1）定子　电动机的静止部分称为定子，主要包括有定子铁芯、定子绕组和机座等部件。

①定子铁芯　定子铁芯的作用是作为电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁芯一般由0.35～0.5mm厚、表面具有绝缘层的硅钢片（涂绝缘漆或硅钢片表面具有氧化膜绝缘层）冲制、叠压而成，在铁芯的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放对称的三相绕组AX、BY、CZ，有的连接成星形，有的连接成三角形。

②定子绕组　定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。当三相异步电动机通以三相交流电时，在定子与转子之间的气隙中形成旋转磁场，电动机的转子处以旋转磁场切割转子导体，将在转子绕组中产生感应电动势和感应电流。转子电流产生的磁场与定子所通电流产生的旋转磁场相互作用，根据左手定则，转子将受到电磁力矩的作用而旋转起来，旋转方向与磁场的方向相同，而旋转速度略低于旋转磁场的转速。

小型异步电动机的定子绕组通常用高强度漆包线（铜线）绕制各种线圈后，再嵌放在定子铁芯槽内。大、中型电动机则用各种规格的铜条经过绝缘处理后，再嵌入在定子铁芯槽内。为了保证各导电部分与铁芯之间的可靠绝缘以及绕组本身之间的可靠绝缘，在定子绕组制造过程中采取了许多绝缘措施。三相异步电动机定子绕组的主要绝缘项目有以下三种。

a.对地绝缘：定子绕组整体与定子铁芯之间的绝缘。

b.相间绝缘：各相定子绕组之间的绝缘。

c.匝间绝缘：每相绕组各线匝之间的绝缘。

三相异步电动机绕组的接线方式有星形接线法和三角形接线法两种。定子三相绕组在槽内嵌放完毕后共有6个出线端引到电动机机座的接线盒内，可按需要将三相绕组接成星形（Y）接法或三角形（△）接法。定子绕组的接线方法如图1-3所示。

③机座　机座的作用是固定定子铁芯和定子绕组，并以两个端盖支撑转子，同时起到保护整台电动机的电磁部分和散发电动机运行中产生的热量。

机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，而有些微型电动机的机座采用铸铝件以降低电动质量，封闭式电动机的机座外面设有散热筋以增加散热面积，防护式电动机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可以直接对流，以利于散热。

（2）转子　转子是电动机的旋转部分，包括转子铁芯、转子绕组和转轴等部件。

①转子铁芯　转子铁芯作为电动机磁路的一部分，并随转子绕组旋转，一般用0.5mm厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常都是用定子冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁芯。一般小型异步电动机的转子铁芯直接压装在转轴上，而大、中型异步电动机（转子直径在300～400mm以上）的转子铁芯则借助于转子支架压在转轴上。

②转子绕组　转子绕组的作用是切割定子磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下受力而使转子转动。根据构造的不同可分为鼠笼式转子和绕线式转子两种类型。

a.鼠笼式转子。鼠笼式转子通常有两种结构形式，中、小型异步电动机的鼠笼式转子一般为铸铝式转子，即采用离心铸铝法，将熔化了的铝浇在转子铁芯槽内成为一个完整体，连两端的短路环和风扇叶片一起铸成。图1-4（a）所示为铸铝转子的绕组部分，图1-4（b）所示为整个铸铝转子结构。而所谓离心铸铝法即是让转子铁芯高速旋转，使熔化的铝在离心力作用下能充满铁芯槽内的各部分，以避免出现气孔或裂缝。

另一种结构为铜条转子，即在转子铁芯槽内放置没有绝缘的铜条，铜条的两端用短路环焊接起来，形成一个鼠笼开关，铜条转子结构如图1-5所示。

笼式电动机由于构造简单、价格低廉、工作可靠、使用方便，成为生产上应用得最广泛的一种电动机。

b.绕线式转子。绕线式异步电动机的定子绕组结构与鼠笼式异步电动机完全一样，但其转子绕组与鼠笼式异步电动机截然不同，绕线式转子绕组也和定子绕组一样做成三相对称绕组，其极对数和定子绕组也相同。三级转子绕组一般都接成星形接法，三相绕组的首端引出线接到固定在转轴上并互相绝缘的3个铜制滑环上，通常就是根据绕线式异步电动机具有3个滑环的构造特点来辨认。由一组安装在端盖上的电刷与滑环接触，转子三相绕组通过三相电刷连接到外电路上（一般为频敏变阻器等），如图1-6所示。

由于绕线式电动机转子结构较复杂（与鼠笼式转子相比），加上电刷与滑环的接触面有可能出现接触不良的故障，因此绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机那样广泛。但由于绕线式电动机的启动及调速性能较好，故在要求一定范围内能进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面被广泛采用。

转轴用以传递转矩及支承转子的质量，一般都由中碳钢或合金钢制成。

（3）其他附件

①端盖　分别装在机座的两侧，起支承转子的作用，一般为铸铁件。

②轴承　连接转动部分与不动部分，目前中、小型电动机采用滚动轴承以减小摩擦，大型及部分中型电动机采用滑动轴承。

③轴承端盖　保护轴承，使轴承内的润滑油不致溢出。

④风扇　冷却电动机。

鼠笼式和绕线式电动机只是转子的构造不同，二者的工作原理是一样的。鼠笼式电动机作为生产上应用得最广泛的电动机，在变频器和软启动开关的配合下，可在很多场合代替绕线式电动机。

1.2.2　三相异步电动机的转动原理

在实践中我们看到，一台三相异步电动机的定子绕组接通三相电源后，转子就会以某种速度转动。通电后电动机为什么会转动，电动机的转速和哪些因素有关？为了理解这些问题，下面我们首先分析讨论使转子旋转的重要因素——旋转磁场。

异步电动机转子转动的演示如图1-7所示，图中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，作为鼠笼式转子。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，转子转得也慢；反摇，转子马上反转。

从这一演示得出两点启示：第一，有一个旋转的磁场；第二，转子跟着磁场转动。异步电动机转子转动的原理是与上述演示相似的。那么，在三相异步电动机中磁场从何而来，又怎么还会旋转呢？下面就首先来讨论这个问题。

（1）旋转磁场

①旋转磁场的产生　三相异步电动机的定子铁芯中放有三相对称绕组AX、BY、CZ，设将三相绕组连接成星形，接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流。

i_A=I_msinωt　　（1-1）

i_B=I_msin（ωt-120°）　　（1-2）

i_C=I_msin（ωt+120°）　　（1-3）

三相对称电流的波形如图1-8所示。取绕组始端到末端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。

三相电流产生的旋转磁场（p=1）如图1-9所示，在ωt=0°的瞬时，定子绕组中的电流方向如图1-9（a）所示。这时i_A=0：i_B是负的，其方向与参考方向相反，即自Y到B；i_C是正的，其方向与参考方向相同，即自C到Z。将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。在图1-9（a）中合成磁场轴线的方向是自上而下。

图1-9（b）所示的是ωt=60°时定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场的方向。这时的合成磁场已在空间转过了60°。

同理可得在ωt=90°时的三相电流的合成磁场，它比ωt=60°时的合成磁场在空间又转过了30°，如图1-9（c）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的，这就是旋转磁场。

②旋转磁场的转向　图1-9（c）所示的情况是A相电流i_A=+I_ω，这时旋转磁场轴线的方向恰好与A相绕组的轴线一致。在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为A到B到C，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。

如果将三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置，例如对调了B与C，则电动机三相绕组的B相与C相对调（注意：电源三相端子的相序未变），旋转磁场因此反转，如图1-10所示。

③旋转磁场的极数　三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。旋转磁场的极数和三相绕组的安排有关。在图1-9所示的情况下，每相绕组只有一个线圈，绕组的始端之间相差120°空间角，则产生的旋转磁场具有一对极，即p=1（p是磁极对数）。如果将定子绕组安排得如图1-11所示那样，即每相绕组有两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角，则产生的旋转磁场具有两对极，即p=2，如图1-12所示。

同理，如果要产生有三对极即p=3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的3个线圈，绕组的始端之间相差40°（=120°/p）空间角。

④旋转磁场的转速　三相异步电动机的转速与旋转磁场的转速有关，而旋转磁场的转速又决定于磁场的极数。在一对极的情况下，由图1-9可见，当电流从ωt=0°到ωt=60°时，磁场在空间也旋转了60°。当电流交变了一次（一个周期）时，磁场恰好在空间旋转了一圈。设电流的频率为f₁，即电流每秒钟变f₁次或每分钟交变60f₁次，则旋转磁场的转速为n₀=60f₁，转速的单位为r/min。

在旋转磁场具有两对极的情况下，由图1-12可见，当电流也从ωt=0°到ωt=60°时，磁场在空间仅旋转了30°。就是说，当电流交变了一次时，磁场仅旋转了半转，比p=1情况下的转速慢了一半，即n₀=60f₁/2。

同理，在三对极的情况下，电流交变一次，磁场在空间仅旋转了1/3转，只是p=1情况下的转速的1/3，即n₀=60f₁/3。

由此推知，当旋转磁场的转速具有p对极时，磁场的转速为

n₀=60f₁/p　　（1-4）

因此，旋转磁场的转速n₀决定于电流频率f₁和磁场的极对数p，而后者又决定于三相绕组的安排情况。对某一异步电动机讲，f₁和p通常是一定的，所以磁场转速n₀是个常数。

在我国工频f₁=50Hz，于是由式（1-4）可得出对应于不同极对数p的旋转磁场转速n₀（r/min），见表1-8。

（2）电动机的转动原理　三相异步电动机转子转动的原理如图1-13所示，图中N、S表示两极旋转磁场，转子中只示出两根导条，导条中应感应出电动势。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，而转子导条逆时针方向旋转切割磁力线，这与实际上磁极顺时针方向旋转时磁力线切割转子导条是类似的。

在电动势的作用下，闭合的导条中产生电流。这个电流与旋转磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F。电磁力的方向可用左手定则来确定。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。由图1-13可见，转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。这就是图1-7所示的演示中转子跟着磁场转动，当旋转磁场反转时，电动机也跟着反转的原理。

由图1-13可见，电动机转子转动的方向与磁场旋转的相同，但转子的转速n不可能达到与旋转磁场的转速n₀相同，即n<n₀。这是因为，如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁通就不切割转子导条，转子电动势、转子电流及转矩也就都不存在，这样转子就不可能继续以n₀的转速转动。因此，转子转速与磁场转速之间必须要有差别。这就是异步电动机名称的由来。而旋转磁场的转速n₀常称为同步转速。

我们用转差率s来表示转子转速n与磁场转速n₀相差的程度，即

s=（n₀-n）/n₀　　（1-5）

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。转子转速越接近磁场转速，则转差率越小。由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以其转差率很小。通常异步电动机在额定负载时的转差率为0.01～0.09。

当n=0时（启动初始瞬间），s=1，这时转差率最大。

式（1-5）也可写为：

n=（1-s）n₀　　（1-6）

【例1-1】有一台三相异步电动机，其额定转速n=975r/min，电源频率f1=50Hz，试求电动机的极数和额定负载时的转差率。

解：由于电动机的额定转速接近而略小于同步转速，而同步转速对应于不同的极对数有一系列固定的数值，见表1-8，显然与975r/min相应的同步转速n₀=1000r/min，与此相应的磁极对数p=3。因此，额定负载时的转差率为：

s=（n₀-n）/n₀=（1000-975）/1000=0.025