三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組是一個(gè)空間位置對(duì)稱(chēng)的三相繞組，如果在定子繞組通入三相對(duì)稱(chēng)的交流電流，就會(huì)在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部建立起一個(gè)恒速旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，稱(chēng)為旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，它是異步電動(dòng)機(jī)工作的基本條件。因此，有必要先說(shuō)明旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是如何產(chǎn)生的，有什么特性，然后再討論異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。
一、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
（一）旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的產(chǎn)生
圖3—1為最簡(jiǎn)單的三相異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，每相繞組只有一個(gè)線圈，三個(gè)相同的線圈U1—U2、V1—V2、W1—W2在空間的位置彼此互差120°，分別放在定子鐵心槽中。當(dāng)把三相線圈接成星形，并接通三相對(duì)稱(chēng)電源后，那么在定子繞組中便產(chǎn)生三個(gè)對(duì)稱(chēng)電流，即：
iU=Imsinωt
iv=Imsin(ωt--120°) （3—1）
iw=Imsin(ωt+120°)
其波形如圖3—2所示。
電流通過(guò)每個(gè)線圈要產(chǎn)生磁場(chǎng)，而現(xiàn)在通過(guò)定子繞組的三相交流電流的大小及方向均隨時(shí)間而變化，那么三個(gè)線圈所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)是怎樣的呢？這可由每個(gè)線圈在同一時(shí)刻各自產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行疊加而得到。假如電流由線圈的始端流入、末端流出為正，反之則為負(fù)。電流流入端用“⊕”表示，流出端用“⊙”表示。下面就分別取t=0、T/6、T/3、T/2四個(gè)時(shí)刻所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)作定性的分析（其中T為三相電流變化的周期）。
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圖3—3 兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)
a)t=0；b)t=T/6；c)t=T/3；d)t=T/2
當(dāng)t=T/6時(shí)，U相電流為正，由U1端流向U2端，V相電流為負(fù)，由V2端流向V1端，W相電流為零。其合成磁場(chǎng)如圖3—3b所示，也是一個(gè)兩極磁場(chǎng)，但N、S極的軸線在空間順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)了60°。
當(dāng)t=T/3時(shí)，iU為正，由U1端流向U2端，iv=0，iw為負(fù)，由W2端流向W1端，其合成磁場(chǎng)比上一時(shí)刻又向前轉(zhuǎn)過(guò)了60°，如圖3—3c所示。
用同樣的方法可得出當(dāng)t=T/2時(shí)，合成磁場(chǎng)比上一時(shí)刻又轉(zhuǎn)過(guò)了60°空間角。由此可見(jiàn)，圖3—3描述的是一對(duì)磁極的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。但電流經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的變化時(shí)，磁場(chǎng)也沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一周，即在空間旋轉(zhuǎn)的角度為360°。
上面分析說(shuō)明，當(dāng)空間互差120°的線圈通入對(duì)稱(chēng)的三相交流電流時(shí)，在空間就產(chǎn)生了一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。
國(guó)產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)的電源頻率通常為50Hz。對(duì)于已知磁極對(duì)數(shù)的異步電動(dòng)機(jī)，可得出對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，如表3—1所示。
表3—1 異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速關(guān)系表
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圖3—4 異步電動(dòng)機(jī)工作原理圖
轉(zhuǎn)差率s是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的一個(gè)重要物理量，當(dāng)同步轉(zhuǎn)速n1一定時(shí)，轉(zhuǎn)差率的數(shù)值與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n相對(duì)應(yīng)，正常運(yùn)行的異步電動(dòng)機(jī)，其s很小，一般s=0.01~0.05。
（二）異步電動(dòng)機(jī)空載和負(fù)載運(yùn)行
要使異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，必須產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，它產(chǎn)生的電磁力必須克服軸與軸之間的摩擦和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所受風(fēng)阻等產(chǎn)生的空載轉(zhuǎn)矩，即Tem=T0，電動(dòng)機(jī)才能穩(wěn)定運(yùn)行。而T0一般很小，所以電磁轉(zhuǎn)矩也很小，但其轉(zhuǎn)速很高，幾乎接近同步轉(zhuǎn)速。
異步電動(dòng)機(jī)軸上帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，也必須符合動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，即只有在電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與機(jī)械負(fù)載的反抗力矩相平衡時(shí)，即Tem=TL時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能以恒速運(yùn)行。如果電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩大于反抗力矩，即Tem>TL時(shí)，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生加速運(yùn)行。反之，如果Tem<TL，則電動(dòng)機(jī)將減速運(yùn)轉(zhuǎn)。
異步電動(dòng)機(jī)是依靠轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電磁能量，從而使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩得到相應(yīng)的改變，以適用于負(fù)載變化的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)新的平衡。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速n運(yùn)行時(shí)，假如由于某種原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突然降低，即變?yōu)門(mén)em>TL，電動(dòng)機(jī)將作加速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流減小，從而使電磁轉(zhuǎn)矩減小，直到電磁轉(zhuǎn)矩與新的反抗轉(zhuǎn)矩相平衡，此時(shí)電動(dòng)機(jī)在高于原轉(zhuǎn)速n的情況下穩(wěn)定運(yùn)行。反之轉(zhuǎn)矩由于某種原因增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)將最終穩(wěn)定運(yùn)行在低于原轉(zhuǎn)速的情況下。
?。ㄈ┤喈惒诫妱?dòng)機(jī)的電磁關(guān)系
三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系與變壓器的很相似。異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組相當(dāng)于變壓器的一次繞組，轉(zhuǎn)子繞組相當(dāng)與變壓器的二次繞組，只不過(guò)是短路的繞組。但三相異步電動(dòng)機(jī)的每相繞組不像變壓器那樣集中的繞在鐵心上，而是分布在鐵心內(nèi)壁的槽內(nèi)，每一相繞組是由許多沿周?chē)植嫉木€圈串聯(lián)而成的。另外，三相異步電動(dòng)機(jī)的磁路中有一個(gè)較大的空氣隙。三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電路如圖3—5所示。
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圖3—1三相異步電動(dòng)機(jī)最簡(jiǎn)單的定子繞組 圖3—2 三相電流的波形
當(dāng)t=0時(shí)，由三相電流的波形可見(jiàn)，電流瞬時(shí)值iU=0，iv為負(fù)值，iw為正值。這表示U相無(wú)電流，V相電流是從線圈的末端V2流向首端V1，W相電流是從線圈的始端W1流向末端W2，這一時(shí)刻由三個(gè)線圈電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)如圖3—3a所示。它在空間形成二極磁場(chǎng)，上為S極，下為N極（對(duì)定子而言）。設(shè)此時(shí)N、S極的軸線（即合成磁場(chǎng)的軸線）為零度。
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?。ǘ┬D(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向
由圖3—3中各個(gè)瞬間磁場(chǎng)變化，可以看出，當(dāng)通入三相繞組中電流的相序?yàn)閕U→iv→iw，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在空間是沿繞組始端U→V→W方向旋轉(zhuǎn)的，在圖中即按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如果把通入三相繞組中的電流相序任意調(diào)換其中兩相，例如，調(diào)換V、W兩相，此時(shí)通入三相繞組電流的相序?yàn)閕U→iw→iv,則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。由此可見(jiàn)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向是由三相電流的相序決定的，即把通入三相繞組中的電流相序任意調(diào)換其中的兩相，就可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向。
二、三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理
（一）異步轉(zhuǎn)動(dòng)原理
由上面分析可知，如果在定子繞組中通入三相對(duì)稱(chēng)電流，則定子內(nèi)部產(chǎn)生某個(gè)方向轉(zhuǎn)速為n1的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這時(shí)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)的方向可根據(jù)右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，于是在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，繞組內(nèi)有電流流過(guò)，如圖3—4所示。轉(zhuǎn)子電流與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，便在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生電磁力F。力F的方向可由左手定則確定。該力對(duì)轉(zhuǎn)軸形成了電磁轉(zhuǎn)矩Tem，使轉(zhuǎn)子按旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子之間能量的傳遞是靠電磁感應(yīng)作用的，故異步電動(dòng)機(jī)又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。
轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n是否會(huì)與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1相同呢？回答是不可能的。因?yàn)橐坏┺D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速相同，二者便無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子也不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，也就沒(méi)有電磁轉(zhuǎn)矩了。只有二者轉(zhuǎn)速有差異時(shí)，才能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是略小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速n1。正是由于這個(gè)關(guān)系，這個(gè)電動(dòng)機(jī)被稱(chēng)為異步電動(dòng)機(jī)。
由上式可知n1與n有差異是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的必要條件。通常把同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n二者之差稱(chēng)為“轉(zhuǎn)差”，“轉(zhuǎn)差”與同步轉(zhuǎn)速n1的比值稱(chēng)為轉(zhuǎn)差率(也叫滑差率)，用s表示，即s=（n1-n）/ n1 。
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圖3—5 三相異步電動(dòng)機(jī)的每相電路
