物理第八章电动机.ppt

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1、解解:因因而而则则一。机械特性一。机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转速和电磁转矩的关系。电动机的机械特性是指电动机的转速和电磁转矩的关系。电动机中存在两种转矩：电磁转矩和阻力矩。阻力矩由电机的电动机中存在两种转矩：电磁转矩和阻力矩。阻力矩由电机的 负载及机械磨擦等因素产生负载及机械磨擦等因素产生,这两种转矩达到平衡状态时，转子这两种转矩达到平衡状态时，转子 转速将维持恒定。转速将维持恒定。8-3三相鼠笼式异步电动机的机械特性和转矩三相鼠笼式异步电动机的机械特性和转矩 电磁转矩电磁转矩T是三相异步电动机最重要的物理量之一，机械是三相异步电动机最重要的物理量之一，机械 特性是它的主要特性。特

2、性是它的主要特性。1例如例如 在负载不变时，当转子转速偏高，转子受到的在负载不变时，当转子转速偏高，转子受到的电磁转矩变小，迫使转子转速减慢；当转子转电磁转矩变小，迫使转子转速减慢；当转子转速偏低时，转子受的电磁转矩变大，又迫使转速偏低时，转子受的电磁转矩变大，又迫使转子加快转速，结果，使转子转速最后基本稳定在某一转速上。子加快转速，结果，使转子转速最后基本稳定在某一转速上。如果负载改变，电机转速也要改变。例如负载加大，阻力矩如果负载改变，电机转速也要改变。例如负载加大，阻力矩变大，转子转速就会变慢。这是由于负载加大后，平衡被破变大，转子转速就会变慢。这是由于负载加大后，平衡被破坏，阻力矩开始

3、大于电磁转矩，转子转速变慢，转差率增大，坏，阻力矩开始大于电磁转矩，转子转速变慢，转差率增大，感应电流增加，电磁力矩增大，直到电磁转矩重新等于阻力感应电流增加，电磁力矩增大，直到电磁转矩重新等于阻力矩，转子不再进一步减速，而是在较低的转速下作等速运转。矩，转子不再进一步减速，而是在较低的转速下作等速运转。2反之，若阻力矩减小，电机开始加速，转子与反之，若阻力矩减小，电机开始加速，转子与旋转磁场之间相对速度差降低，感应电流变小，旋转磁场之间相对速度差降低，感应电流变小，电磁力矩随之变小，电机将在较高的转速下达电磁力矩随之变小，电机将在较高的转速下达到新的力矩平衡，并作等速转动。如前所述，电机负荷

4、减轻到新的力矩平衡，并作等速转动。如前所述，电机负荷减轻后虽然转速将增加，但不会等于或超过同步转速后虽然转速将增加，但不会等于或超过同步转速图图8-13是反映转速是反映转速n与电磁转矩与电磁转矩T二者关系的曲线。二者关系的曲线。3C0BA图图 8-13 异步电动机的机械特性曲线图中以横轴表示电动机的电磁转矩，图中以横轴表示电动机的电磁转矩，纵轴表示转子的转速。纵轴表示转子的转速。图中标出的三个转矩，图中标出的三个转矩，即起动转矩即起动转矩 最大转最大转矩矩 额定额定转矩转矩 是应用中常遇是应用中常遇到的。下面介绍它们之到的。下面介绍它们之间的关系。间的关系。4电动机刚起动瞬间的转矩称为起动转矩

5、，其值电动机刚起动瞬间的转矩称为起动转矩，其值不大，如图不大，如图8-13中的中的TST;当起动转矩大于轴上当起动转矩大于轴上的反抗转矩（负载力矩电动机风阻、摩擦等产的反抗转矩（负载力矩电动机风阻、摩擦等产生的反抗转矩）时，转子便旋转起来，并逐渐生的反抗转矩）时，转子便旋转起来，并逐渐加速，由机械特性曲线可知，此时电磁转矩沿着曲线加速，由机械特性曲线可知，此时电磁转矩沿着曲线CB部分部分上升，经过最大转矩上升，经过最大转矩TmaxC 以后，又沿着曲线的以后，又沿着曲线的BA部分逐渐下部分逐渐下降；最后当降；最后当 时，就以某一转速等速旋转。时，就以某一转速等速旋转。由此可见，异步电动机一经起动

6、后，便立即进入机械特性曲由此可见，异步电动机一经起动后，便立即进入机械特性曲线的线的AB部分部分,而稳定地工作而稳定地工作,电动机在电动机在AB部分工作时部分工作时,如果负如果负5载增大载增大,电动机的转速就要下降电动机的转速就要下降,电磁转矩上升电磁转矩上升,从而与负载保持平衡；如果负载转矩增大到超从而与负载保持平衡；如果负载转矩增大到超过了最大转矩过了最大转矩 则电动机的转速将很快则电动机的转速将很快下降，直到停转，因此，电动机的稳定区域仅限于曲线的下降，直到停转，因此，电动机的稳定区域仅限于曲线的AB部部分。这一部分几乎是一条稍微向下倾斜的直线，这说明电动机分。这一部分几乎是一条稍微向下

7、倾斜的直线，这说明电动机从空载到满载转速下降很少，这样的机械特性称硬特性。一般从空载到满载转速下降很少，这样的机械特性称硬特性。一般金属切削机床就需要用这种硬特性的电动机耒拖动金属切削机床就需要用这种硬特性的电动机耒拖动.显然电动机显然电动机的额定转矩应小于最大转矩，但不能太接近最大转矩的额定转矩应小于最大转矩，但不能太接近最大转矩,否则电动否则电动机略一过载就立即停转机略一过载就立即停转.停转时间过长甚至烧坏电机。停转时间过长甚至烧坏电机。6二。额定转速二。额定转速 定义为异步电动机长期连续运行时，定义为异步电动机长期连续运行时，转轴所输出的最大转矩或者说，电动机在转轴所输出的最大转矩或者说

8、，电动机在额定负载时的转矩。额定负载时的转矩。电动机的额定转矩可以根据额定功率和额定转速来计算。电动机的额定转矩可以根据额定功率和额定转速来计算。由力学知识知道，电动机的额定功率由力学知识知道，电动机的额定功率 可表示为：可表示为：=（8-4）7电动机的额定转矩（牛电动机的额定转矩（牛 米）米）电动机的额定功率（瓦）电动机的额定功率（瓦）电动机的额定转速（电动机的额定转速（转转/分）分）式中式中电动机转子转动的角频率（电动机转子转动的角频率（）若电磁转矩若电磁转矩 的单位是牛的单位是牛 米米 而而 用千瓦，用千瓦，用转用转/分做单位，则式（分做单位，则式（8 -4)可改写成可改写成8式中式中电

9、动机的额定转矩（牛电动机的额定转矩（牛 米）米）;电动机的额定功率（千瓦）电动机的额定功率（千瓦）;电动机的额定转速（电动机的额定转速（）.（8 -5)例例 8-3 已知某两台三相异步电动机额定功率均为已知某两台三相异步电动机额定功率均为55千瓦，电千瓦，电源频率为源频率为50赫，其中第一台电动机的磁极数为赫，其中第一台电动机的磁极数为2，额定转速为，额定转速为2960 第二台电动机的磁极数为第二台电动机的磁极数为8，额定转速为，额定转速为720 9试求它们的转差率及额定转矩各为多少？试求它们的转差率及额定转矩各为多少？则则解（解（1）因）因10由此可见，输出功率相同的电动机，磁极数由此可见，

10、输出功率相同的电动机，磁极数越多，则转速越低，但转矩越大；反之磁极越多，则转速越低，但转矩越大；反之磁极少的转速高，转矩小。少的转速高，转矩小。必须指出电动机的转矩除与转速有关外，还与外加电压必须指出电动机的转矩除与转速有关外，还与外加电压有关。经分析可知，当电源频率及电动机的结构一定时，转有关。经分析可知，当电源频率及电动机的结构一定时，转矩的大小与加在定子绕组上电压的平方成正比，因此，外加矩的大小与加在定子绕组上电压的平方成正比，因此，外加电压的变动对异步电动机的工作有很大电压的变动对异步电动机的工作有很大影响。影响。118-4三相异步电动机的起动，调速和反转。三相异步电动机的起动，调速和

11、反转。1。起动，电动机接通电源后，转速从零增加到。起动，电动机接通电源后，转速从零增加到稳定转速的过程，称为起动过程，简称起动。若稳定转速的过程，称为起动过程，简称起动。若起动时加在电动机定子绕组上的起动电压是电动机起动时加在电动机定子绕组上的起动电压是电动机的额定电压，就称全压起动，也称直接起动。的额定电压，就称全压起动，也称直接起动。由于电动机刚接通电源的瞬间，转子尚未转动，但旋转磁场由于电动机刚接通电源的瞬间，转子尚未转动，但旋转磁场已经产生，此时已经产生，此时,磁场以最大转速切割转子导体，磁场以最大转速切割转子导体，使转子导体中产生很大的感生电流；和变压器的原理相似，定使转子导体中产生

12、很大的感生电流；和变压器的原理相似，定子绕组相当于变压器的初级，转子绕组相当于变压器的次级，子绕组相当于变压器的初级，转子绕组相当于变压器的次级，12因此电动机的起动的瞬间，在定子绕组中也会出因此电动机的起动的瞬间，在定子绕组中也会出现很大的起动电流。通常全压起动时的起动电流现很大的起动电流。通常全压起动时的起动电流是额定电流的是额定电流的47倍。起动电流过大会产生以下倍。起动电流过大会产生以下严重后果：严重后果：（1）使线路电压降增大，引起电网电压波动，不但使电动机本）使线路电压降增大，引起电网电压波动，不但使电动机本身的起动转矩减小（甚至不能起动），而且还影响到其他电气身的起动转矩减小（甚

13、至不能起动），而且还影响到其他电气设备的正常运行；设备的正常运行；（2）使电动机绕组发热，起动时间越长，发热越严重，容易）使电动机绕组发热，起动时间越长，发热越严重，容易造成绝缘老化，缩短电机使用寿命。造成绝缘老化，缩短电机使用寿命。所以全压起动只适用于电动机的容量不超过电源容量所以全压起动只适用于电动机的容量不超过电源容量1520%13的小型电动机；而大中型异步电动机起动时，的小型电动机；而大中型异步电动机起动时，采用降压起动的方式来限制起动电子电流采用降压起动的方式来限制起动电子电流（约为额定电流的（约为额定电流的22.5倍）。所谓降压起动，倍）。所谓降压起动，就是利用起动设备将电压适当降

14、低后，加到电动机定子绕就是利用起动设备将电压适当降低后，加到电动机定子绕组上进行起动，待电动机起动完毕后，再使电压恢复到额组上进行起动，待电动机起动完毕后，再使电压恢复到额定值。定值。2。调速。调速:异步电动机的调速，也就是用人工的方法改变其转异步电动机的调速，也就是用人工的方法改变其转 子旋转的速度，使之在同一负载条件下，获得不同子旋转的速度，使之在同一负载条件下，获得不同 的转速。由转差率公式可知的转速。由转差率公式可知 14所以异步电动机调速可通过三种方法实现。所以异步电动机调速可通过三种方法实现。（1）改变电源频率）改变电源频率 的调速方法，称为变频调速的调速方法，称为变频调速,由于由

15、于 我国电网频率固定为我国电网频率固定为50赫，必须配置复杂的变频设备赫，必须配置复杂的变频设备 以便对电动机的定子绕组供给不同频率的交流电，由以便对电动机的定子绕组供给不同频率的交流电，由 于变频设备相当复杂，且费用较大，所以目前仅在少于变频设备相当复杂，且费用较大，所以目前仅在少 数有特殊需要的地方（例如有些纺织机械上）采用这数有特殊需要的地方（例如有些纺织机械上）采用这 种调速方法。种调速方法。15（2）改变磁极对数）改变磁极对数 调速，用此种方法调调速，用此种方法调速时，只能成对的改变磁极数，所以这种方速时，只能成对的改变磁极数，所以这种方法是有级调速。改变定子绕组的联接方式，就法是有

16、级调速。改变定子绕组的联接方式，就能改变磁极的对数。能改变磁极的对数。如图如图 8-14（a）所示所示,将定子每相中两组线圈串联将定子每相中两组线圈串联,就就 能产生四极磁场能产生四极磁场 倘若改接成并联绕组倘若改接成并联绕组 如图如图8-14（b）所示，所示，就可成为两极磁场就可成为两极磁场 于于 是这台是这台 电动机就电动机就 有两种速有两种速 度。度。下图为下图为变级调速示意图变级调速示意图16NS（b）NSSN（a）图图 8-14 变极调速示意图17（3）改变转差率的调速）改变转差率的调速 转差率与转子绕组的电阻有关转差率与转子绕组的电阻有关,如果在转子绕组的电路中如果在转子绕组的电路

17、中 接调速变阻器，异步电机转速亦可改变。接调速变阻器，异步电机转速亦可改变。显然，这种方法仅适用于绕线式转子的异步电动机显然，这种方法仅适用于绕线式转子的异步电动机3。反转：由于电动机的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，。反转：由于电动机的旋转方向与旋转磁场的旋转方向一致，所以要使电动机反转，只需改变旋转磁场的旋转方向通常所以要使电动机反转，只需改变旋转磁场的旋转方向通常 是将通入电动机的三根电源线中的任意两根对调即可。是将通入电动机的三根电源线中的任意两根对调即可。188-5三相电机的铭牌数据三相电机的铭牌数据 每台电动机的机座上都有一块铭牌每台电动机的机座上都有一块铭牌,它上面标出了反映该

18、台它上面标出了反映该台电动机性能的一些技术参据电动机性能的一些技术参据,这对使用和维修电动机是不可少这对使用和维修电动机是不可少的表是的表是8-2一块小型电动机的铭牌一块小型电动机的铭牌.电机厂电机厂三相交流鼠笼电动机三相交流鼠笼电动机表表 8-2型号型号容量容量转速转速频率频率Y132M-417千瓦千瓦1460转转/分分50赫赫电压电压 380伏伏电流电流 32.9安安功率因数功率因数 0.88绝缘等级绝缘等级 E接接 法法 定定 额额 连连 续续温温 升升 75 出厂年月出厂年月 年年 月月 19举例举例Y 132 M -4磁极数磁极数机座长度代号本例为短机座机座长度代号本例为短机座机座中

19、心高机座中心高(毫米毫米)三相异步电动机三相异步电动机(2)容量容量 就是额定功率就是额定功率,指电动机在额定情况下运行时指电动机在额定情况下运行时,转轴上所转轴上所 能能输出的机械功率输出的机械功率,单位为瓦或千瓦单位为瓦或千瓦;(3)额定转速额定转速 指电动机在额定情况下运行指电动机在额定情况下运行,轴端有额定功率输出轴端有额定功率输出 时转子的转速时转子的转速,单位为转单位为转/分分.20（4）额定频率）额定频率 这是指加在电动机定子绕组上规定这是指加在电动机定子绕组上规定的电源频的电源频 率，国产异步电动机额定频率为率，国产异步电动机额定频率为50赫；赫；（5）额定电压）额定电压 指定

20、子绕组上规定使用的线电压。单位为伏或指定子绕组上规定使用的线电压。单位为伏或 千伏。千伏。（6）额定电流）额定电流 指在额定情况下运行，轴端有额定负载指在额定情况下运行，轴端有额定负载 输出时定子电路取用的线电流。单位为安；输出时定子电路取用的线电流。单位为安；（7）绝缘等级）绝缘等级 指绝缘材料的耐热等级；指绝缘材料的耐热等级；（8）接法）接法 指电动机定子绕组的连接方式。若铭牌上的电压写指电动机定子绕组的连接方式。若铭牌上的电压写 380伏，接法写伏，接法写 时时，就表明定子每相，就表明定子每相 绕组的额定电压绕组的额定电压21如图如图8-15所示所示是是380伏，当电源电压为伏，当电源电

21、压为380伏时，定子绕组伏时，定子绕组则应接成则应接成 形形：若铭牌上的电压写：若铭牌上的电压写 ，接法写接法写 就表明电动机每相定子绕组的额定就表明电动机每相定子绕组的额定电压是电压是220伏，所以，当电源电压为伏，所以，当电源电压为380伏伏时，定子绕组应接成时，定子绕组应接成Y形，当电源电压为形，当电源电压为220伏时，定子绕组伏时，定子绕组应接成应接成 形，形，22 图图 8-15 定子绕组的联接定子绕组的联接 W1V1U1U2W2W2U2V2接电源接电源接电源接电源W2U2V2V2U1U2V1V2W1W2型接法型接法（b）星型接法星型接法（a）u1v1w1u1v1w123（9）定额：

22、指电动机的运转状态，通常分连续、短时和断续定额：指电动机的运转状态，通常分连续、短时和断续 三三 种；种；（10）温升在规定的环境温度下（通常温升在规定的环境温度下（通常 ），电动机各），电动机各 部分允许超出的最高温度称为温升。部分允许超出的最高温度称为温升。表表 8-3异步电动机定子绕组出线异步电动机定子绕组出线端端标志标志定子绕定子绕组相数组相数习惯标志习惯标志1980年国家标准年国家标准首端首端尾端尾端首端首端尾端尾端第一相第一相第二相第二相第三相第三相ABCXYZU1V1W1U2V2W224 8-6单相异步电动机单相异步电动机用单相交流电源供电的电动机叫单相异步电动机，用单相交流电源

23、供电的电动机叫单相异步电动机，它被广泛用于日常生活、医疗器材和某些工业设它被广泛用于日常生活、医疗器材和某些工业设备上，如民用电扇、洗衣机、电冰箱、某些医疗器械和手枪备上，如民用电扇、洗衣机、电冰箱、某些医疗器械和手枪电钻中都有用单相电动机做动力，其功率较小，一般为几瓦电钻中都有用单相电动机做动力，其功率较小，一般为几瓦至几百瓦。至几百瓦。一。结构一。结构1。结构：它的结构和三相异步电动机相似，有定子和鼠笼。结构：它的结构和三相异步电动机相似，有定子和鼠笼式转子式转子两个基本部分，定子绕组嵌置在定子槽中，但它是单相的。两个基本部分，定子绕组嵌置在定子槽中，但它是单相的。25二。工作原理二。工作

24、原理单相异步电动机的定子绕组通以单相电流后，单相异步电动机的定子绕组通以单相电流后，会产生脉动磁场，这个磁场的磁通随时间按会产生脉动磁场，这个磁场的磁通随时间按正弦规律作周期性变化，并且是沿着轴线正弦规律作周期性变化，并且是沿着轴线 垂直上下垂直上下变化的，变化的，如图如图8-16所示。所示。YYSYYSNN(b)(a)图图8-16 单相定子脉冲磁场26电流在正半周时，磁通方向垂直向上；电流在正半周时，磁通方向垂直向上；电流负半周时，其磁通方向垂直向下，它电流负半周时，其磁通方向垂直向下，它的轴线在空间是固定不动的。此磁场可以认为是由两个大的轴线在空间是固定不动的。此磁场可以认为是由两个大小相

25、等、转速相同、但转向相反的旋转磁场而合成的，与小相等、转速相同、但转向相反的旋转磁场而合成的，与电动机转向相同的磁场称为正向旋转磁场，与电动机转向电动机转向相同的磁场称为正向旋转磁场，与电动机转向相反的，称为逆向旋转磁场。相反的，称为逆向旋转磁场。如图如图 8-17 所示所示27B8-17 脉动磁场分成两个转向相反的旋转磁场28当电动机的转子静止时两个旋转磁场分别在当电动机的转子静止时两个旋转磁场分别在转子上产生两个转矩，其大小相等、方向相转子上产生两个转矩，其大小相等、方向相反，互相抵消即合成转矩为零。因此，转子不能自行起动。反，互相抵消即合成转矩为零。因此，转子不能自行起动。如果用外力使转

26、子顺时针转动一下，这时就会出现正向转如果用外力使转子顺时针转动一下，这时就会出现正向转矩矩 大于反向转矩大于反向转矩 转子在合成转矩转子在合成转矩 的作用下，的作用下，就会按顺时针方向不停地旋转。当然，反方向旋转也是如此。就会按顺时针方向不停地旋转。当然，反方向旋转也是如此。由于单相异步电动机没有起动转矩，因此要用某种特殊由于单相异步电动机没有起动转矩，因此要用某种特殊的起动装置。的起动装置。291。电容起动式电动机。电容起动式电动机BSC图图 8-18 电容分相式异步电动机30图图8-18所示的是电容分相式异步电动机。在它的所示的是电容分相式异步电动机。在它的定子中放置一个起动绕组定子中放置

27、一个起动绕组B，它与工作绕组它与工作绕组A在空在空间相隔间相隔 。绕组。绕组B与电容器串联，使两个绕组中与电容器串联，使两个绕组中的电流在相位上近于相差的电流在相位上近于相差 这就是分相。这样，在空间相差这就是分相。这样，在空间相差 的两个绕组，分别通入在相位上相差的两个绕组，分别通入在相位上相差 （或接近（或接近 ）的两相电流，也能产生旋转磁场。的两相电流，也能产生旋转磁场。设两相电流为设两相电流为它们的正弦曲线如图它们的正弦曲线如图8-19所示。所示。31图图 8-19 两相电流两相电流032图图 18-20 两相旋转磁场我们只要回忆一下三相电流是如何产生旋转磁场的，我们只要回忆一下三相电

28、流是如何产生旋转磁场的，AAABBB33从图从图8-20中就可理解到两相电流所产生的合中就可理解到两相电流所产生的合成磁场也是在空间旋转的。在这旋转磁场的成磁场也是在空间旋转的。在这旋转磁场的作用下，电动机的转子就转动起来。在接近额定转速时，借助作用下，电动机的转子就转动起来。在接近额定转速时，借助离心力的作用把开关离心力的作用把开关S断开（在起动时是靠弹簧使其闭合的），断开（在起动时是靠弹簧使其闭合的），以切断起动绕组。以切断起动绕组。2。罩极式单相异步电动机。罩极式单相异步电动机罩极式单相异步电动机的结构如图罩极式单相异步电动机的结构如图8-21所示。所示。34图图 8-21罩极式单相异步

29、电动机的结构图35单相绕组绕在磁极上，在磁极的约单相绕组绕在磁极上，在磁极的约 部分套一短路铜环。部分套一短路铜环。在图在图8-22中，中，图图 8-22罩极式电动机的 移动磁场36 是励磁电流是励磁电流 产生的磁通，产生的磁通，是是 产生的另一部分磁通（穿过短铜环）和短产生的另一部分磁通（穿过短铜环）和短铜环中的感应电流所产生的磁通的合成磁通。由于短路环中铜环中的感应电流所产生的磁通的合成磁通。由于短路环中的感应电流阻碍穿过短路环磁通的变化，使的感应电流阻碍穿过短路环磁通的变化，使 和和 之间之间产生相位差，产生相位差，滞后于滞后于 当当 达到最大值时，达到最大值时，尚小；尚小；而当而当 减小时，减小时，才增大到最大值才增大到最大值.这相当于在电动机内这相当于在电动机内形成一个向被罩部分移动的磁场，它便使鼠笼式转子产生转形成一个向被罩部分移动的磁场，它便使鼠笼式转子产生转矩而起动。矩而起动。罩极式单相电动机结构简单，工作可靠，但起动转矩较小，罩极式单相电动机结构简单，工作可靠，但起动转矩较小，常用于对起动转矩要求不高的设备中，如风扇、吹风机等。常用于对起动转矩要求不高的设备中，如风扇、吹风机等。3738