2.1.7 异步电机

异步电机也是一种交流旋转电机，基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现机电能量转换。与同步电机不同的是，异步电机在正常工作时，转子的转速与定子旋转磁场的转速必须保持一定的差异，故称为异步电机。异步电机主要作为电动机使用，但也可作为发电机和电磁制动器使用。异步电机用做发电机，主要用于风力发电。

异步电动机品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需求量最大；目前，在电力传动中大约有90%的机械使用交流异步电动机，其用电量约占总电力负荷的一半以上。图2-24是几种异步电机的实物图。

与其他类型的电动机相比，异步电动机的主要优点是结构简单、成本较低、制造、使用和维护方便，运行可靠、效率高；缺点是运行中需从电源吸收无功功率建立磁场，使电力系统功率因数降低；与直流电动机相比，不能平滑调速、调速范围窄，调速性能较差。

异步电机有较高的运行效率和良好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械，以及家用电器和医疗器械等。

在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。而单相异步电动机一般用于三相电源不便于使用的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器、电动工具、医用器械中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器、电钻等。

1. 异步电机工作原理

以鼠笼式三相异步电动机为例，当定子三相对称绕组通过三相对称交流电流后，它们在电动机内部联合产生一个定子旋转磁场，如图2-25所示。这个旋转磁场将以与输入的电源频率f成正比的同步转速n1＝60f/p旋转，则它的磁力线切割转子绕组而产生感应电势。在该电势的作用下，闭合的转子绕组内便有电流通过，电流的有功分量与电势同相位。于是，由电磁力定律可知，转子感应电流与旋转磁场作用形成电磁力，在该电磁力的作用下，电动机转子就以转速n旋转，其转向与旋转磁场的方向相同。这时，如果在转子轴上加上机械负载TL，电动机就拖动机械负载旋转，输出机械功率。转子旋转后，转速为n，只要转速小于旋转磁场同步转速（n＜n1），转子与磁场仍有相对运动，电磁转矩Te使转子继续旋转，稳定运行在Te＝TL情形下。异步电机由电磁感应产生电磁转矩，所以又称为感应电机。

在电动机状态下，异步电机转子的转动方向是与旋转磁场的转动方向是一致的。若让转子反方向旋转，只要改变旋转磁场的旋转方向即可，而旋转磁场的旋转方向由流过三相绕组的电流的相序确定。因此，将三相电源线的任意两个端子对调，就可以方便地达到目的。

三相异步电动机只有在n≠n1时，转子绕组与气隙旋转磁场之间才有相对运动，才能在转子绕组中感应电动势、电流，产生电磁转矩。

通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n1的比值称为转差率，也称转差或者滑差，用s表示，即

虽然s是一个没有量纲的量，但它的大小能体现电机转子的转速。例如：n＝0时，s＝1；n＝n1时，s＝0；n＞n1时s为负。正常运行的异步电动机，转子转速n接近同步转速n1，转差率s很小，一般s＝0.01～0.05。

当异步电机处于电动机状态时，0＜n＜n1，0＜s＜1。由上所述，电机从电网吸收电功率，经过气隙的耦合作用从轴上输出机械功率。

当异步电机处于发电机状态时，n＞n1，s＜0。此时，原动机拖动转子以转速n（＞n1）旋转。磁场转速慢，转子导体与磁场间存在相对运动，切割磁力线产生感应电动势，进而产生电流。电机从轴上吸收机械功率，经过气隙耦合再向电网输出电功率。

当异步电机处于电磁制动状态时，n＜0，s＞1。在电动机状态运行时若先将供电电源降为零，再将三相中其中二相进行对换，再加上电源时，原电动机就成为了一个电磁制动器。这时，转子转向与定子旋转磁场转向相反，转子逆着磁场方向旋转，此时电机既从电网吸收电功率又从轴上吸收机械功率，它们都消耗在电机内部变成损耗。

2. 异步电机的结构

按电机转子结构形式的不同，交流异步电机主要分为鼠笼式、绕线式。图2-26是一台鼠笼式三相异步电动机的结构图，它主要是由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有一个较小的空气隙。此外，还有端盖、轴承、机座、风扇等部件。

异步电机定子与同步电机一样，在圆周均布嵌放定子绕组，但转子结构有所不同。同步电机转子励磁绕组必须通电，且是直流电，异步电机就有所不同。

（1）定子部分

包括铁心、定子绕组、机座等，如图2-27所示。

定子铁心是电机磁路的一部分，并起固定定子绕组的作用。为了增强导磁能力和减小铁耗，定子铁心常选用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，片间涂上绝缘漆。定子铁心内圆均匀冲出许多形状相同的槽，用以嵌放定子绕组。

定子绕组是异步电动机的电路部分，其材料主要采用紫铜。小型异步电动机常采用三相单层绕组，大中型异步电动机常采用三相双层短距叠绕组形式，三相绕组的6个出线端子均接在机座侧面的接线板上，可根据需要将三相绕组接成Y形或△形。

机座是电动机的外壳，支撑电机各部件，并通过机座的底脚将电机安装固定。全封闭式电机的定子铁心紧贴机座内壁，故机座外壳上的散热筋是电机的主要散热面。中小型电机采用铸铁机座，大型电机一般采用钢板焊接机座。

（2）转子部分

异步电动机的转子主要是由转子铁心、转子绕组和转轴三部分组成的。根据转子绕组的结构形式有鼠笼式转子和绕线式转子之分，如图2-28所示。

转子铁心也是电机磁路的组成部分，并用来固定转子绕组。铁心材料用0.5mm或0.35mm厚的硅钢片冲制叠压而成，通常用冲制定子铁心冲片剩余下来的内圆部分制作。转子铁心固定在转轴上，其外圆上开有槽，用来嵌放转子绕组。

在鼠笼式异步电机中，转子绕组是一个自己短路的绕组。转子槽内有导体，导体两端用短路环连接起来，形成一个闭合的绕组。这种转子无须也无法通入电流，转子中的电流是靠定子感应到转子上的电势，在闭合的导体回路中形成的。在工程中，鼠笼式转子的闭合回路有两种形式，一种是一般电机所常用的，槽内导体与两端端环用铝铸为一体，由于铝的导电率低，而且耐热能力也差，所以不适用于要求结构紧凑，转子电流大的场合；另一种是槽内导体和两端端环均为铜或铜合金，两者之间用焊接方式连在一起。

在绕线式异步电机中，转子绕组与定子绕组相似，也是嵌线式的。嵌线后连成三相，再根据需要连成Y形或△形。一般小容量电动机连接成△形，大、中容量电动机连接成Y形。转子绕组的三条引线分别接到转子轴上的三个彼此绝缘的集电环上，用一套电刷装置引出来，转子绕组通过集电环和电刷与外电路可变电阻相连接后短接形成闭合回路，如图2-29所示。通过可变电阻可改变转子回路结构参数，从而改变电动机的运行性能。

（3）气隙

异步电动机的气隙是均匀的。大小为机械条件所能允许达到的最小值。它比同容量直流电动机的气隙要小得多。在中、小型异步电动机中，气隙一般为0.2～2mm左右。

3. 异步电动机铭牌数据

异步电动机铭牌数据主要包括：型号：用以表明电动机的系列、几何尺寸和极数。以“Y132M－4”为例，型号中Y—异步电动机，132—机座中心高（mm），M—机座长度代号（S短、M中、L长），4—磁极数（极对数p＝2）。异步电动机的系列有80多种，例如：Y—异步电动机，YR—绕线转子异步电动机，YK—大型高速（快速）异步电动机，YL—笼型转子立式异步电动机，YHT—换向器调速异步电动机，YDY—单相电容启动异步电动机等。额定功率PN：是指电机在额定运行时轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压UN：定子绕组在指定接线形式下应加的线电压，单位为V。额定电流IN：定子绕组在指定线形式下的线电流，单位为A。额定频率fN：我国标准工频为50Hz。额定转速nN：额定工况下的转子转速，单位为r/min。绕组联结方式：△接法或者Y接法。

另外，还有额定运行时的效率ηN和额定运行时的功率因数cosφN等，鼠笼电机的效率ηN一般在72%～93%。额定负载时的功率因数最大，一般为0.7～0.9，空载时功率因数很低，约为0.2～0.3。在实际应用中应注意电动机的节电降耗，选择合适容量的电机，防止“大马”拉“小车”的现象。