结构特点和工作原理

1. 分类及应用

异步电动机使用交流电源属于交流电动机，由于其工作原理也称感应电动机。
异步电动机常见的有单相、两相、三相等，一般用途如下：

三相电机：生产中作为动力使用。
两相电机：两相伺服电动机。
单相电机：使用单相电源的家用电器和小设备

2. 结构特点

定子（固定部分）
定子硅钢片冲压而成，硅钢片为软磁材料，磁导率高，磁滞损耗小。定子上绕有铜质绕组。
定子铁心、定子绕组也有三相、两相、单相的区分。

转子（旋转部分）
由铁芯和绕组、转轴构成，有鼠笼式和绕线式两种。铁芯由硅钢片冲制而成。笼式绕组使用较多。

笼式：构造简单，工作可靠。
绕线式：结构复杂，造价高。

3. 工作原理

如下图，当人为匀速摇动手柄时，由于电磁感应，鼠笼转子也会跟随旋转。当转子和旋转磁铁存在速度差时，转子切割磁感线，转子中产生感应电流，感应电流在磁场中受到电磁力，使得转子运动。也可以使用楞次定律理解此现象。

转子的转速只有在理想空载时才能达到旋转磁场转速nsn_sns，在负载时，转子的转速总比nsn_sns低。
如果“鼠笼”转速同旋转磁场转速相同，则它相对旋转磁场静止，“鼠笼”条就不再切割旋转的磁通，感应电势也就不能产生，感应电流就没有了，电磁转矩也就随之消失。正是旋转磁场与转子的转速之差，使转子导条能持续产生感应电流，且后者与旋转磁场相互作用，产生一定的电磁转矩，以维持与负载转矩的平衡。这就是“异步”二字的来历。
实际的异步电机，旋转磁场由多相交流电流产生。设旋转磁场的转速为nsn_sns；转子绕组的导体处于旋转磁场中将切割磁力线，并感应电势e=Blve=Blve=Blv(方向用右手定则判断)；自成闭路的转子导体将感生电流，则载流的转子导体在旋转磁场中受到电磁力f=Blif=Blif=Bli(方向用左手定则)的作用；电磁力作用在转子上将产生电磁转矩TTT，并驱动转子以转速nnn旋转，以拖动机械负载(电能转换为机械能)。
大致过程：
旋转磁场⟹感应电流⟹电磁转矩(与磁场同向)旋转磁场\implies感应电流\implies电磁转矩(与磁场同向) 旋转磁场⟹感应电流⟹电磁转矩(与磁场同向)
根据以上电磁感应原理，异步电动机也叫感应电动机。
基本结构：旋转磁场加闭合的转子绕组
转子相对于定子滞后的速度，由负载决定。

转子速度小于磁场转速，异步。
转子速度等于磁场转速，电流和转矩为零。
转子速度大于磁场转速，转矩与磁场反向。

旋转磁场

1. 两相电动机相关概念

一相绕组：串联在一起的一组线圈
电机极数：一相绕组通直流电时形成磁场的极数
电角：极对数（p）×机械角º
两相电机：两相绕组轴线的夹角为 90°电角
两相对称绕组：匝数相等，均匀分布
两相对称电流：幅值相等，相位相差90°
ic=Imsin⁡ωtif=Imsin⁡(ωt−90∘)\begin{array}{l} &i_c=I_m \sin \omega t \\ &i_f=I_m \sin \left(\omega t-90^{\circ}\right) \end{array} ic=Imsinωtif=Imsin(ωt−90∘)

2. 两相对称绕组的磁场

2.1. 两相两极电动机

2.2. 两相四极电动机

电流变化一个周期，磁场转过半圈。一相电流反相，磁场反转。

3. 两相电动机旋转磁场的转速

电流变化一个周期时:
两相两极电机磁场：在空间旋转360º机械角——360º电角。
两相四极电机磁场：在空间旋转180º机械角——360º电角。

结论：电流变化一个周期，两相绕组磁场在空间旋转360º电角。
设两相绕组极对数为ppp，电源频率是fffHz 。
旋转磁场的转速（同步转速）ns=60fpr/minn_s=\frac{60f}{p}r/minns=p60fr/min

4. 三相电动机的旋转磁场

定子转子
转子有鼠笼型和绕线式两种。
鼠笼式电动机结构简单，价格低廉，工作可靠，使用方便，成为工业生产中应用最广泛的电动机。
绕线式异步电动机用于对起动、转矩、调速有特殊要求的场合。
定子绕组是三组相同的绕组，均匀分布，相差120º电角——三相对称绕组。

三相对称电流
iA=Imsin⁡ωtiB=Imsin⁡(ωt−120∘)iC=Imsin⁡(ωt+120∘)\begin{aligned} &i_A=I_m \sin \omega t \\ &i_B=I_m \sin \left(\omega t-120^{\circ}\right) \\ &i_C=I_m \sin \left(\omega t+120^{\circ}\right) \end{aligned} iA=ImsinωtiB=Imsin(ωt−120∘)iC=Imsin(ωt+120∘)

三相电流流过三相绕组产生旋转磁场。电流变化1/4周期，磁场转1/4周。
ns=60fpr/minn_s=\frac{60f}{p}r/min ns=p60fr/min
任意二相的端子与电源的连接互换，旋转方向改变。

交流绕组磁场分析

1. 单相绕组的脉振磁场

1.1. 磁势与磁通

绕组中通电后就会产生磁势，磁势在磁路中会产生磁通（磁通=磁势/磁阻）。由于铁磁物质存在磁饱和现象，且磁导率是变化的，因而磁阻是变化的。
结论：磁势可以叠加，符合叠加原理；但磁通不满足叠加原理（只有在磁场不饱和时近似满足）。
交流异步电机的磁通由主磁通和定子、转子的漏磁通两部分构成。

1.2. 概念

极矩：电机定子内圆上相邻异性磁极沿内圆表面的距离
节距：定子上一个绕组线圈两边的距离，节距等于极矩为整矩线圈，节距小于极矩为短矩线圈
集中绕组：绕组的两边分别放在一个槽中

1.3. 特性

线圈的匝数WxW_xWx，线圈的电流为iii。磁路磁势F=WxiF=W_x iF=Wxi
气隙磁阻远大于铁心磁阻，磁势全部落入气隙。磁通两次穿过气隙，每一次穿越气隙的磁势F=Wxi2F=\frac{W_x i}{2}F=2Wxi
定义转子进入定子的磁势为正，反之为负，当线圈中通直流电，直流的磁势是位置固定的方波。

当线圈通过交流电i=2Isin⁡ωti=\sqrt{2} I \sin{\omega t}i=2Isinωt，气隙磁势振幅F=22WxIsin⁡ωtF=\frac{\sqrt{2}}{2}W_{x} I \sin{\omega t}F=22WxIsinωt

交流磁势是方波，位置固定，振幅的大小和正负随时间做周期变化，频率与电流相同。
波形空间位置固定，振幅随时间变化的磁势称为脉动磁势，该磁势建立的磁场为脉动磁场。
脉动磁势的频率为电流频率。

方波分解为傅里叶级数
F(x)=4π⋅22WxIsin⁡ωt(cos⁡x−13cos⁡3x+15cos⁡5x−17cos⁡7x+⋯)=0.9WxIsin⁡ωt∑i=1∞1isin⁡π2cos⁡ixF(x)=\frac{4}{\pi} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} W_x I \sin \omega t\left(\cos x-\frac{1}{3} \cos 3 x+\frac{1}{5} \cos 5 x-\frac{1}{7} \cos 7 x+\cdots\right)=0.9 W_x I \sin \omega t \sum_{i=1}^{\infty} \frac{1}{i} \sin \frac{\pi}{2} \cos i x F(x)=π4⋅22WxIsinωt(cosx−31cos3x+51cos5x−71cos7x+⋯)=0.9WxIsinωti=1∑∞i1sin2πcosix
基波
F1(x)=0.9WxIsin⁡ωtcos⁡x=A1sin⁡ωtcos⁡xF_1(x)=0.9 W_x I \sin \omega t \cos x=A_1 \sin \omega t \cos x F1(x)=0.9WxIsinωtcosx=A1sinωtcosx
基波振幅
F1m(x)=0.9WxIsin⁡ωtF_{1 m}(x)=0.9 W_x I \sin \omega t F1m(x)=0.9WxIsinωt
F=22WxIsin⁡ωtF=\frac{\sqrt{2}}{2} W_x I \sin \omega t F=22WxIsinωt
第i次谐波的最大幅值是基波最大幅值的1/i倍，频率的i倍。

脉振物理量是空间和时间的函数，空间的位置（最大值或波形对称轴的位置）固定，振幅的大小和正负随时间周期变化。
交流电的磁势是脉振磁势，基波和谐波都是脉振磁势。
脉振磁势的典型表达式 F1=A1sin⁡ωtcos⁡xF_1=A_1 \sin{\omega t} \cos{x}F1=A1sinωtcosx
在任何时刻，在空间都按余弦规律分布。磁势分布曲线幅值的位置cos⁡x=1⟹x=0\cos{x}=1 \implies x=0cosx=1⟹x=0，位置始终不变。磁势幅值的大小A1sin⁡ωtA_1 \sin{\omega t}A1sinωt和符号随时间周期变化。

1.4. 单相分布绕组

分布绕组：由qqq个绕组串联而成,分布在qqq个连续槽中。
单相分布绕组的磁势为各集中绕组磁势之和。单相分布绕组的磁场是阶梯波，脉振磁场。
有qqq个线圈分布在qqq个槽中，每个槽中有WxW_xWx匝，傅里叶级数
0.9qWxIsin⁡ωt(kb1cos⁡x−13kb3cos⁡3x+15kb5cos⁡5x−17kb7cos⁡7x+⋯)0.9 q W_x I \sin \omega t \left(k_{b1} \cos x-\frac{1}{3} k_{b3} \cos 3 x+\frac{1}{5} k_{b5} \cos 5 x-\frac{1}{7} k_{b7} \cos 7 x+\cdots\right) 0.9qWxIsinωt(kb1cosx−31kb3cos3x+51kb5cos5x−71kb7cos7x+⋯)
基波
F1=0.9qWxIkb1sin⁡ωtcos⁡x=0.9WpIkb1sin⁡ωtcos⁡x=kWIsin⁡ωtcos⁡x=A1sin⁡ωtcos⁡xF_1=0.9 q W_x I k_{b1} \sin \omega t \cos x=0.9 \frac{W}{p} I k_{b1} \sin \omega t \cos x=k W I \sin \omega t \cos x=A_1 \sin \omega t \cos x F1=0.9qWxIkb1sinωtcosx=0.9pWIkb1sinωtcosx=kWIsinωtcosx=A1sinωtcosx
式中 WWW 为每相绕组匝数; ppp 为极对数; A1A_1A1 为基波磁势的最大值。
如果绕组电流为 i=2Isin⁡(ωt−θ)i=\sqrt{2} I \sin (\omega t-\theta)i=2Isin(ωt−θ), 绕组轴线的位置 (即磁势分布曲线幅值的位置) 是 x0x_0x0 ，则磁势的基波分量 F1F_1F1 为
F1=kWIsin⁡(ωt−θ)cos⁡(x−x0)=A1sin⁡(ωt−θ)cos⁡(x−x0)F_1=k W I \sin (\omega t-\theta) \cos \left(x-x_0\right)=A_1 \sin (\omega t-\theta) \cos \left(x-x_0\right) F1=kWIsin(ωt−θ)cos(x−x0)=A1sin(ωt−θ)cos(x−x0)

1.5. 结论

单相绕组通入交流电流产生的磁势是一个脉冲磁势。它既是时间的函数，又是空间位置的函数。
脉振磁势的基波在空间为余弦分布，基波幅值位

3. 脉振磁势分解与旋转磁势

3.1. 脉振磁势分解

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