3.1 三相异步感应电机的特点、结构与原理
3.1.1 三相异步电机的特点
交流电机可分为同步电机和异步电机两大种类。
如果电机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n1相等，转子与定子旋转磁场在空间同步旋转，这种电机就称为同步电机。如果n不等于n1，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。
异步电机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便和效率较高等优点，因此得到广泛应用。据估计，90%左右的电机均为异步电机。在电网总负荷中，异步电机用电量占60%以上。
异步电机的缺点是功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，故其功率因数小于1。大量的异步电机在电网中运行，使电网的功率因数降低，所以必须用其他的办法进行补偿。
3.1.2 三相异步电机的结构
如图2-19所示为三相异步电机的内部结构。
图2-19 三相异步电机的内部结构
三相异步电机主要由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两个基本部分组成。定子和转子之间有0.25～2mm的气隙。
（1）定子 三相异步电机的定子部分包括机座、装在机座内的圆筒形定子铁芯以及其中的三相定子绕组。
①定子铁芯。交流电机定子铁芯是电机磁路的一部分，并用来安放定子绕组。为了减少定子铁芯中的损耗，铁芯一般用厚度为0.35～0.5mm、表面有绝缘层的硅钢片冲片叠装而成，铁芯的内圆冲有均匀分布的槽，用以安放定子绕组，如图2-20所示。
图2-20 定子铁芯示意
②定子绕组。定子绕组的作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。小型电机定子绕组常用高强度漆包线绕成线圈后再嵌入定子铁芯槽内。三相定子绕组6个出线端引到电机机座的接线盒内，标有U1、V1、W1、U2、V2、W2。其中，U1、U2是第一相绕组的两端，V1、V2是第二相绕组的两端，W1、W2是第三相绕组的两端。如果U1、V1、W1分别为三相绕组的始端（头），则U2、V2、W2是相应的末端（尾）。三相绕组可以按照需要接成星形（Y）或三角形（△），具体连接方式如图2-21所示。
图2-21 定子三相绕组的星形连接和三角形连接
③机座。机座的作用是固定定子铁芯，并通过两个端盖支撑转子，同时保护整个电机的电磁部分和散发电机运行时产生的热量。
（2）转子 转子是电机的旋转部分，由转子铁芯、转子绕组及转轴等组成。
①转子铁芯。转子铁芯是圆柱状的，用0.5mm的硅钢片冲制叠压而成，表面冲有分布均匀的槽孔，用来放置转子绕组。
②转子绕组。转子绕组的作用是与定子相互切割磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下产生电磁力矩而使转子转动。转子绕组根据构造的不同可分为鼠笼式和绕线式两种。
鼠笼式转子绕组的铁芯是圆柱状的，在转子铁芯的槽内放置铜条，其两端用端环相接，呈鼠笼状，所以称为鼠笼式转子绕组。也可以在转子铁芯的槽内浇铸铝液，铸成一个鼠笼，如图2-22所示。这样便可以用铝代替铜，既经济又便于生产。目前，中、小型鼠笼式异步电机几乎都采用铸铝转子。
图2-22 鼠笼式转子绕组结构示意图
1—扇叶；2—端环；3—铝条
如图2-23所示为绕线式转子绕组的接线图。如图2-24所示，绕线式转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，连接成星形。每相绕组的始端连接在三个彼此绝缘的铜质滑环上，滑环固定在转轴上。环与转轴之间都是互相绝缘的。滑环压着碳质电刷，电刷上又连接着三根外接线。启动电阻和调速电阻是借助于电刷与滑环和转子绕组连接的。
图2-23 绕线式转子绕组的接线图
图2-24 绕线式转子绕组结构
③转轴。转轴的作用是传递转矩及支撑转子。
（3）气隙 定子和转子之间的间隙称为气隙。气隙很小，通常为0.2～1mm。尽管气隙只是定子与转子之间的间隙，但它对电机的性能影响很大，如果气隙不均匀，会造成电机运转不平稳，运行性能变差。
3.1.3 三相异步电机的工作原理
（1）转子转动原理 如图2-25是转子转动原理。当手摇磁极旋转时，转子也跟着旋转。因为磁极旋转时，磁极与转子发生相对运动，转子导体切割磁力线，产生感应电动势和感应电流（其方向可用右手定则确定）。转子导体中的感应电流受到电磁力矩的作用（其方向可根据左手定则确定），于是转子顺着磁铁的转向旋转。
图2-25 转子转动原理
（2）旋转磁场的产生 当定子绕组接通三相正弦交流电后，三相正弦交流电在三相绕组中都产生磁场。由于三相定子绕组按一定规律嵌放，所以它们的合成磁场随电流的交变在空间不断旋转，因此称作旋转磁场。
以两极三相异步电机为例，说明旋转磁场的形成。如图2-26（a）所示是Y形连接的三相两极定子绕组排列图。当三相绕组的首端U1、V1、W1分别接到三相对称电源上时，三相绕组中便有三相对称电流通过。设三相电流的相序为U-V-W，U相的初相位为零，各相电流互差120°的相位角，如图2-26（b）所示。
三相绕组通过三相正弦交流电时，各自产生按正弦规律变化的磁场，三个磁场在定子中形成合成磁场。下面讨论合成磁场的变化规律。在图2-26（b）中，分别取ωt=0，ωt=π/2、π、3π/2、2π等几个时刻，并规定当电流为正时，电流从绕组的首端流进，末端流出；当电流为负时，电流从绕组的末端流进，始端流出。
①当ωt=0时，iU为0，iV为负值，iW为正值。此时，绕组U1-U2中无电流通过，不产生磁场；绕组V1-V2中的电流由V2端流进，V1端流出；绕组W1-W2中的电流由W1流进，W2端流出。运用安培右手螺旋定则可以确定该瞬间的合成磁场为一对磁极，其方向是自上而下。
②当ωt=π/2时，iU为正的最大值，iV、iW均为负值。此时绕组U1-U2中的电流是由U1端流进，U2端流出；绕组V1-V2中的电流是由V2端流进，V1端流出；绕组W1-W2中的电流是由W2端流进，W1端流出。此时电流所产生的合成磁场已在空间按顺时针方向转过90°，且极数不变。
③当ωt=π时用上述方法可推出：合成磁场的方向已从ωt=0时的位置沿顺时针方向转过180°；同理，当t=3π/2时，合成磁场转过270°；当ωt=2π时，合成磁场转过360°，即一周。以上各磁场的方向分别如图2-26（c）所示。
（3）旋转磁场的方向 旋转磁场的方向决定着电机的转向，而旋转磁场的转向由三相交流电的相序确定。因此，只要对调任意两相绕组与电源的连接，就可改变合成磁场的转向，实现电机反转。
（4）旋转磁场的极数 旋转磁场的极数与三相绕组的排列有关。如果各绕组互差120°电角度，则产生两极旋转磁场（P=1）。如果每相绕组有两个线圈串联，各相绕组互差60°电角度，则产生四极旋转磁场（P=2）。因此，只要将三相绕组按一定规律排列，就可得到所需的磁极。旋转磁场的极数也就是异步电机的极数。
（5）旋转磁场的转速 旋转磁场的转速由磁极数决定。当P=1时，交流电每变化一周，磁场也旋转一周（360°）。设交流电的频率为f，则旋转磁场的转速n0=60f，转速的单位为转/分（r/min）。当P=2时，交流电交变一周，磁场在空间旋转1/2周（180°），即n0=60f/2。同理，当P=3时，则n0=60f/3。由此可知
（2-3）
式中 n0——旋转磁场的转速，r/min；
f——三相交流电的频率，Hz；
P——旋转磁场的磁极对数，对。
可见，旋转磁场的转速由电流的频率f和磁极的对数P决定。由于电机的f和P是定值，所以磁场转速是个常数。
（6）转差率 异步电机转子与磁场的旋转方向相同，如果转子转速n等于旋转磁场的转速n0，则转子与磁场间就不存在相对运动，转子也不会产生感应电流和电磁力矩，转子就不可能继续以n的转速旋转。所以，转子转速必须小于旋转磁场的转速。这就是异步电机名称的由来。异步电机转速和旋转磁场转速间的转速差与旋转磁场转速（同步转速）的比值，称为转差率，转差率S常用百分数表示，即
（2-4）
式中 S——转差率，r/min；
n0——旋转磁场的转速，r/min；
n——转子转速，r/min。
一般异步电机在额定工作状态下的转差率为1.5%～5%。