第一节三相交流异步电动机的工作原理

从事、相交流异步电动机( 以下简称电动机) 的修理人员，首先应了解电动机能够转动的原理。图L1- 1 所示为电动机的直接起动示意图，闸刀汗关合上时，电动机的转轴按箭头方向迅速转动。

—、电动机转动的基本原理

做-个简单的试验，如图1 - 2 所示，一个装有手柄的U 形磁铁，在N、S 两极之间放一个可以自由耗动的、由许多铜条组成的导体，铜条两端用铜环短接，形状与鼠笼相似，称鼠笼式转子。磁极与转子间没有任何机械联系。在U 形磁铁的N 极与S 极间存在着磁场，磁力线方向如罔1 - 2 所承。

图1 - 2 电动机转动原理实验

当摇动手柄使U 形磁铁转动时，发现转子跟着U 形磁铁转动摇得快，转子转动也快; 摇得慢，转子转动也慢; 改变摇动方向，转子也跟着改变转动的方向。究其原因是U 形磁铁的转动，使得U 形磁铣的N 极与S 极之间的磁场在转动，这个转动的磁场称旋转磁场。由上述试验可知，当转子做成一个鼠笼状

的封闭导体时t 它能随着旋转磁场而转动。这就要弄清两个问题,一是转子为什么能随旋转磁场转动，二是在电动机中如何产生旋转磁场的。

1. 转子在旋转磁场作用下的转动

为便于分析, 先了解一下电磁感应现象和磁场对通电导体的作用，然后再分析转子在旋转磁场作用下的转动。

( 1 ) 电磁感应现象。如图1 - 3，将一根导线置于磁场中，导线两端接一只电流表构成闭合[M] 路。当导线

向上运动时，导线切割磁力线，这时电流表指针发生偏转，说明在导线中产生了电流，这种现象称电磁感应现象。电流方向判断方法如下：如图1 - 4 所示，伸出右手，四指并拢，大拇指与四指成垂直方向，手掌朝上，使磁力线穿过手心，大拇指指向导线运动的方向，四指的指向就是产生电流的方向，即右手定则。

图1- 4 感应电动势方向判断

1 -磁力线方向 2-感应电动势方向；3-导体运动方向

( 2 ) 磁场对通电导体的作用. 如图1 - 5 所示，一根通电导线置于磁场中，当它在磁场中所处位置不与磁力线相平行时，将受到磁场的一个推动导线运动的力（F ) 的作用，导线的受力方向（F ) 按左手定则判断，如图1 - 6 所示，左手伸开，四指并拢，大拇指与四指成垂直方向，磁力线穿过手心，四指指向电流方

向，大拇指指向该通电导线的受力方向。

（3）转子在旋转磁场作用下的转动。将图1 - 2 沿着转了铜条的垂直方向连同磁极一起剖开，得到如图1- 7 所示的剖面图。手摇U形磁铁逆时针转动吋产生的旋转磁场，旋转磁场与转子间产生了相对运动。假定旋转磁场不动，则转子相对亍磁场做反方向转动切割磁力线，在转子中产生电流. 电流方向可按右手定则判断，若把电流方向流进纸面以符号㊉表示；流出纸阎的方向以©表忒，则转子中产生电流方向如图1 - 7 所示。在分析磁场对通电导体作用时，知道通电导体在磁场中受到力(F)的作用，转子的上下受到大小相等、方向相反的2 个力（F)

的作用，相对于转轴形成了个转矩，在这个转矩的作用K , 转子在旋转磁场作用下进行转动。

二、旋转磁场的产生

1. 磁场的产生

( 1 ) 一块条形永久磁铁有N 极和S 极，在其内部及四周存在着磁场，磁力线分布如阐1 _ 8 所示& 磁力线由北极（ N ) 出发，进人南极（ S ) ; 在磁铁内部再由南极（S ) 出发回到北极（ N ) 构成一个闭合的环路。

(2) 通电导线的四周会产生磁 场，如图】-9所水。将-根导线垂直 穿过纸板，纸板上撒上一些铁肩，然后 使电流通过导线，jt轻敲纸板，铁肩在 破场的作用下v会有规则的m绕导线 形成许多同心圆，用小磁针测定，小磁 针的N极指向磁力线的切线方向。若 导线中电流方向改变，小磁针的方向 也随之改变，说明通电导线四周有磁图1_9通电导线磁场 场产生。磁场的磁力线方向按右尹定则判断，如图1 -10所示， 用右手握住导线并把大拇指伸出，使大拇指指向电流方向，则环 绕导线的四指方向就指向磁力线的方向D在电动机中产生的磁 场不是用永久磁铁产生的，而是采用通电导线产生的

2. 旋转磁场的产生

电动机中的旋转磁场是定子绕组接通三相交流电源时产生的，假设有3 个线圈（称绕组）分别为U1 - U 2 、Vi - V2 、W1 - W 2 , 其形状如图1 - 1 1 所示。称U1 、V ] 、W1 为绕组的首端，U 2 、V 2 、W 2 为绕组的末端6 U1 - U 2 、V1 - V2 、W 1 - W 2 绕组的两边称为有效边□ 把U1 - U 2 .V1 - V 2 . W1 - W 2 的有效边按绕组首端在空间分别相差] 2 0 P 的空间嵌放在定子铁心槽中，并把绕组末端U2 、V 2 、W 2 联于一点，皆端U1 、V1 、W ] 分别接到三相交流电源的A 、B、C 相上，电流分别为i A w n 、^: 称对称'相电流，如图1 - 1 2 ( a ) 所示。定子绕组接成的形式称力星形，如图1 - 1 2 ( b ) 所沿^ 对称三相电流的波形图如图1 - 1 3 U )所示，电流的大小、方向随时间按正弦规律变化，其三角函数的衣达式为：

式中称为幅值，可见对称三相电流的幅值相等，惟一区别是它们在相位上互差120% 因为电流的方向随时间变化，所以规定电流为IE方向时，电流从江端流进，末端流出；电流为负方向时，从末端流进，首端流出。流进用符号*表承，流出用符号O表示。

在图1- 13U)中，分别取0-3 的4 个瞬间时刻，分析绕组中电流的流向及产生旋转磁场的情况，分析时结合图1 - 1 2 和图1 - 13进行。

当H 时刻，如图1 - 13U) 所示，iA = 0、~< 0、/「 > 0 P ~<0电流从末端V2 流进，从首端VI 流出；i c>0 电流从首端W1 流进，从未端W2 流出，绕组屮电流方向如图1 - 13 ( b ) 所示。绕组导线中流过电流，其导线四周产生碰场,磁力线方向用右手定则判断，如图1 - 1 3 ( b ) 所示。左右都有磁扬，中部为合

成磁场，磁力线由I:至下，这也相当丁上方为N 极，下方为S极。从磁极数看，这是一个两极磁场，这就是定子绕组在这种布置方式卜产生的两极磁场，如果用P 表示磁场的极对数，则P = l c

当时刻，如图1 _ 1 3( a ) 所示，/ A > 0、= 0、之< 0。按上述分析，通过绕组导线中的电流方向如图1 - 1 3 (。) 所示，同样用A 手定则判断两极磁场的方向□ 图I - 1 3 ( c ) 与图〗- 1 3 ( b ) 相比较，两极磁扬在空间按顺时针方向旋转f 1 2 0' 同理，在f = 时刻，电流方向及产生的两极磁场如图1 1 3 ( d ) 所尔，图1 - 1 3 ( d ) 与图1 - 1 3 ( b ) 相比较，两极磁场在空间按顺时针方向旋转了2 4 0° D 在时刻，绕组中电流方向及产生的两极磁场如图1 - 1 3 ( e ) 所示，图1 - 1 3( e) 与图1 - 1 3 ( h ) 相比较，两极磁场在空间按顺时针方向旋转丫3 6 0 % 由此叫知，定子绕组通入对称二相电流时，其形成的两极磁场随着电流的变化在空间不断地旋转，这就形成了旋转碰场。

三、旋转磁场的转速与转向

1 旋转磁场的转速

从上述的说明中可以看出，产生的两极旋转磁场4 = 1 ) ，其旋转速度等于电流每秒钟的交变次数，即频率一般_A =5 0 H z , 则旋转磁场每分钟的转速rtl - 6 0 X / , - 3 0 0 0 r / m i n 0电动机转子的每分钟转速略低于旋转磁场的每分钟转速，也就是说，电动机转f 的转速与旋转磁场的转速不同步，这也就是称为异步电动机的由来。旋转磁场的转速称同步转速记为同步转速与极对数P 和频率F1的关系为：

一般电动机的转速略低于同步转速A 的0 %-6 % ，若已知电动机的极数，则其H步转速A 就可知道了，见表1 - 1 。

2. 旋转磁场的转向

把三相交流电源的A 、B、C 三相中任两相颠倒接入电动机的定子绕组，旋转磁场方向就会改变，电动机的转子转动方向也跟着改变了。