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三相异步电动机是工业中最常用的电动机类型。它主要由两部分组成:定子和转子。定子是固定部分,包含三相绕组,分别连接到三相交流电源的三个相位。转子是旋转部分,通常为鼠笼式或绕线式结构。鼠笼式转子由导体棒和端环组成,形似笼子,结构简单坚固;而绕线式转子则包含绕组,可通过外部电阻调节启动性能。
旋转磁场是三相异步电动机工作的基础。当三相交流电流通过定子的三相绕组时,由于这些绕组在空间上相差120度,且通入的电流在时间上也相差120度,因此产生的三相磁场在空间上形成一个旋转磁场。这个旋转磁场以恒定的速度旋转,这个速度称为同步转速,它取决于电源频率和电机的极对数。旋转磁场的形成是电动机能够产生转矩的关键。
当旋转磁场切割转子导体时,根据法拉第电磁感应定律,在转子导体中感应出电动势。由于转子回路是闭合的,这些电动势会驱动转子导体中产生感应电流。根据楞次定律,感应电流的方向总是阻碍产生它的原因,即阻碍旋转磁场的切割作用。在图中,我们可以看到感应电流在某些导体中流出(用点表示),在其他导体中流入(用叉表示)。这些感应电流与旋转磁场相互作用,产生电磁力,从而形成驱动转子旋转的转矩。
当转子导体中的感应电流处于旋转磁场中时,根据电磁力定律,导体会受到电磁力的作用。这些电磁力的合力形成一个电磁转矩,驱动转子沿着旋转磁场的方向旋转。然而,转子的转速总是低于旋转磁场的转速,这种转速差被称为转差。转差率是转子转速与同步转速之差与同步转速的比值,用公式表示为s等于n₁减n₂除以n₁,其中n₁是同步转速,n₂是转子实际转速。转差率是异步电动机的重要参数,它决定了电动机的工作状态和性能特性。正常工作时,转差率通常在2%到8%之间。
总结一下三相异步电动机的运行原理:首先,定子三相绕组通电后产生旋转磁场;其次,旋转磁场切割转子导体,根据电磁感应定律产生感应电流;然后,感应电流与磁场相互作用产生电磁转矩;接着,转子在转矩作用下旋转,但转速低于同步转速;最后,转差率决定了电机的工作状态和性能特性。从性能曲线图可以看出,转矩、电流和效率都随转差率变化。在正常工作区,转差率通常在2%到8%之间,此时电机效率较高。三相异步电动机因其结构简单、运行可靠、维护方便等优点,广泛应用于工业驱动系统,如泵、风机、压缩机和传送带,以及家用电器,如洗衣机、空调和冰箱等。