三相交流異步電動機(jī)工作原理的分析技巧研究

張麗麗

摘? ?要：三相交流異步電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力拖動裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價格便宜、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點，在各種電動機(jī)中應(yīng)用最廣，需求量最大。文章從電磁轉(zhuǎn)化的角度，詳細(xì)分析了三相交流異步電動機(jī)的工作原理，并總結(jié)了一些規(guī)律，為學(xué)生或電氣工程技術(shù)人員掌握三相交流異步電動機(jī)的工作原理提供了技巧。

關(guān)鍵詞：交流;異步電動機(jī);電磁;技巧

三相交流異步電動機(jī)是利用定子三相對稱繞組中通以三相對稱交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)的感應(yīng)電流相互作用而旋轉(zhuǎn)的，由于涉及電磁轉(zhuǎn)化關(guān)系，因此，對于初學(xué)者來說非常困難，可以用“電生磁、磁生電、電磁力”9個字來概括其工作原理。

1? ? 三相交流電

三相交流異步電動機(jī)是一種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電力拖動裝置，電機(jī)要想轉(zhuǎn)動，首先要在定子繞組中通入三相對稱的交流電，其為幅值相等、頻率相同、相位互差120°的正弦交流電。其中，以順時針的相序為正[1]。

若iB=imsinωt

則iA=imsin（ωt+120°）

iC=imsin（ωt-120°）

2? ? 旋轉(zhuǎn)磁場

2.1? 旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生

如圖1（a）所示，為兩極三相異步電動機(jī)三相定子繞組的布置方式，每相繞組由一個線圈組成，首端和尾端相差180°分布，為了和三相交流電一致，每相繞組的首端U1，V1與W1直接也相差120°對稱布置。當(dāng)定子繞組上通對稱的三相交流電源，如圖1（b）所示，便有順時針對稱的三相交流電流iU，iV，iW產(chǎn)生。

2.2? 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向

當(dāng)在兩極（1對磁極）的電動機(jī)定子繞組中通入對稱的三相交流電，就會有旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生，具體的產(chǎn)生過程分析如下。

圖2（a）為ωt=0時，根據(jù)正弦交流電的波形圖可知：

iU=0，即U相繞組無電流。

iV<0，即V2流向V1;V2流進(jìn)為叉電流，V1流出為點電流。

iW>0，即W1流向W2;W1流進(jìn)為叉電流，W2流出為點電流。

W1和V2都為叉電流，根據(jù)右手螺旋定則，通電的導(dǎo)體周圍存在磁場，且磁場相互增強(qiáng)，因此，可判斷出磁力線箭頭，如圖3中所示，而V1和W2都為點電流，根據(jù)右手螺旋定則，也可判斷出來磁力線的方向。在靠近轉(zhuǎn)子的一側(cè)，靠近U1處發(fā)磁力線的，相當(dāng)于磁場的N極，靠近U2處接收磁力線的，相當(dāng)于磁場的S極。

隨著時間的推移，交流電場在變化，同樣的方法分析出ωt=，ωt=，ωt=2π的磁場所在的位置如圖2所示。所以當(dāng)通入定子繞組的電流和電源的相序一致為順時針時，正弦交流電變化一周時，產(chǎn)生的兩極的旋轉(zhuǎn)磁場也為順時針，且在空間正好旋轉(zhuǎn)了一周[2]。

有以下結(jié)論：

（1）旋轉(zhuǎn)磁場在空間的旋轉(zhuǎn)方向是由電流相序決定的。

（2）若電流相序按順時針排列，并且互差120°電角度，故旋轉(zhuǎn)磁場是按順時針方向旋轉(zhuǎn)。

（3）若把定子繞組與三相電源連接的三根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)位置，即電機(jī)定子繞組得到的是逆時針的電流相序，則旋轉(zhuǎn)磁場也將按逆時針旋轉(zhuǎn)。這就是電機(jī)安裝時通過任意兩根電源對調(diào)實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制的原因。

同樣的方法可分析四極（兩對磁極）的三相交流異步電動機(jī)，當(dāng)正弦交流電變化一周時，合成磁場在空間旋轉(zhuǎn)180°，極對數(shù)增加一倍，合成磁場的旋轉(zhuǎn)角度減小1/2。由此可見，旋轉(zhuǎn)磁場的極對數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速越低，成反比。

2.3? 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

通過前面的分析，具有一對磁極旋轉(zhuǎn)磁場中，當(dāng)電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間正好轉(zhuǎn)過一周，對于50 Hz的工頻交流電來說，旋轉(zhuǎn)磁場每秒鐘將在空間旋轉(zhuǎn)50周，故旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1=60 f1=60×50 r/min=3 000 r/min。具有兩對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場，當(dāng)電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間正好轉(zhuǎn)過0.5周，轉(zhuǎn)速下降1/2。即n1=60 f1/2=1 500 r/min。當(dāng)旋轉(zhuǎn)磁場具有P對磁極時，磁場的旋轉(zhuǎn)速度n1為：

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又叫同步轉(zhuǎn)速，它是由電源頻率f1和磁極對數(shù)P決定的，與電源頻率成正比，與磁極對數(shù)成反比。

3? ? 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動原理下面以兩極電機(jī)為例分析其轉(zhuǎn)動原理

3.1? 電生磁

如前面的分析，當(dāng)定子繞組中通入三相順時針相序的交流電之后，定子電流會產(chǎn)生一個順時針旋轉(zhuǎn)的磁場，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為n1，在ωt=0時，運(yùn)用右手螺旋定則判斷出磁力線方向如圖3所示。

圖3? 三相交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理

3.2? 磁生電

由于轉(zhuǎn)子本來是靜止的，相當(dāng)于磁場靜止而轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動切割磁場，利用右手定則，掌心伸開，磁力線垂直穿過手心，拇指的方向為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的切線方向，判斷出轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢e的方向，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體是閉合的，因此，判斷出轉(zhuǎn)子電流I2上半部分為出紙面的點電流，下半部分為進(jìn)紙面的叉電流。

3.3? 電磁力

感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電流I2的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體處在定子的旋轉(zhuǎn)磁場中，根據(jù)左手定則，通電的導(dǎo)體在磁場中會受到力的作用，伸開左手，使拇指與其余4指垂直，并都與手掌在同一平面上。使磁力線垂直地進(jìn)入手心，其余4指指向電流方向，這時拇指所指的方向就是磁場對電流作用力的方向。由此判斷出轉(zhuǎn)子受到電磁力F的方向如圖3所示，由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體是沿圓周均勻分布的，電磁力F對轉(zhuǎn)軸有順時針轉(zhuǎn)動的效果，所以轉(zhuǎn)子也就順時針轉(zhuǎn)動起來了，和定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向一致。設(shè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為n，但是轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n和旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1大小是不可能相等的，假設(shè)相等，兩者之間就沒有相對運(yùn)動，就不切割磁力線，也就沒有電磁力，轉(zhuǎn)子就會停止轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n必須小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n1，即有轉(zhuǎn)速差。所以才稱為三相交流異步電動機(jī)。

4? ? 結(jié)語

只有靈活運(yùn)用右手螺旋定則、右手定則和左手定則分析清楚了“電生磁、磁 生電、電磁力”電磁相互轉(zhuǎn)化的3大過程，才能巧妙掌握三相交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動原理。

[參考文獻(xiàn)]

[1]許翏.電機(jī)與電氣控制技術(shù)[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2]呂梅梅.淺談異步電機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].合作經(jīng)濟(jì)與科技，2014（14）：179-180.

Study on the working principle of three-phase AC asynchronous motor

Zhang Lili

（Liuzhou Railway Vocational Technical College， Liuzhou 545616， China）

Abstract：The three-phase AC asynchronous motor is a kind of electric power driving device for converting electric energy into mechanical energy. It has the advantages of simple structure， reliable operation， low price， strong overload capacity and the like. The three-phase AC asynchronous motor is the most widely used in various electric motors and the demand is the largest. In this paper， the working principle of the three-phase AC asynchronous motor is analyzed in detail from the angle of electromagnetic conversion， and some rules are summarized， and the working principle of the three-phase AC asynchronous motor is provided for the students or the technical personnel of the electric engineering.

Key words：alternating current; asynchronous motor; electromagnetic; skill