交流异步电动机是将交流电能转换为机械能的一种重要的旋转设备。在工业生产中，因其结构简单、制造容易、运行可靠、维护方便、价格便宜、坚固耐用，且具有较好的稳态和动态特性，因此，它已成为工业生产中使用最为广泛的一种电动机。
7.1.1 三相异步电动机的结构
三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的。
1.三相异步电动机的组成
三相异步电动机主要由定子和转子构成，此外，还有端盖、轴承、接线盒、风扇等其他附件。定子是静止不动的部分，转子是旋转部分，在于定子和转子之间有气隙，图7.1.1所示为其结构图。
2.各部分的组成及作用
1）定子
定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由机座、定子铁心与定子绕组等部分组成。
（1）机座：由铸铁或铸钢浇铸成型，它的作用是保护和固定三相电动机的定子绕组。中、小型三相电动机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电动机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。
（2）定子铁心：异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，用来减小由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗，如图7.1.2所示。硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。
图7.1.1 三相异步电动机的结构图
1—轴承盖；2—端盖；3—接线盒；4—散热筋；5—定子铁心；6—定子绕组；
7—转轴；8—转子；9—风扇；10—风罩；11—轴承；12—机座
（3）定子绕组：定子绕组是三相电动机的电路部分。三相电动机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组在空间相差120°电角度。每个绕组又由若干线圈连接而成，线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2。这六个出线端在接线盒里。
图7.1.2 定子和转子的钢片
1—定子铁心硅钢片；2—定子绕组；
3—转子铁心硅钢片；4—转子绕组
图7.1.3 出线端的排列
三相异步电动机定子绕组的首端和末端通常都安放在电动机接线盒内的接线柱上，如图7.1.3所示。定子绕组的连接方法有星（Y）形和三角（△）形两种，分别如图7.1.4和图7.1.5所示。定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相异步电动机。
定子绕组的连接方式（Y形或△形）的选择与普通三相负载一样，视电源的线电压而定。如对线电压为380V的电源，若三相绕组连接成星形，每相绕组承受相电压220V；三相绕组连接成三角形，每相绕组承受线电压380V。通常电动机铭牌上标有符号Y／△和数字380／220，前者表示定子绕组的接法，后者表示对应于不同接法应加的线电压值。
图7.1.4 星形连接
图7.1.5 三角形连接
2）转子
转子由铁心与绕组组成。
（1）转子铁心：用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同。一方面作为电动机磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组。
（2）转子绕组：异步电动机的转子绕组分为绕线式和鼠笼式两种，由此将交流电动机分为绕线转子异步电动机与鼠笼式异步电动机。
（3）绕线式绕组：与定子绕组一样，它也是一个三相绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转轴上的三个与转轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连，这就有可能在转子电路中串接电阻或电动势以改善电动机的运行性能，如图7.1.6所示。
（4）鼠笼式绕组：在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子，如图7.1.7（a）所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图7.1.7（b）所示。100kW以下的异步电动机一般采用铸铝转子。
图7.1.6 绕线式转子绕组与外加变阻器的连接
1—集电环；2—电刷；3—变阻器；4—转子绕组
图7.1.7 笼形转子绕组
3）其他部分
其他部分包括端盖、风扇等。端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用于支承转子轴。风扇则用来通风冷却电动机。三相异步电动机的定子与转子之间的空气隙一般仅为0.2～1.5mm。气隙太大，电动机运行时的功率因数会降低；气隙太小，会使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。
绕线式异步电动机和鼠笼式异步电动机的转子构造虽然不同，但工作原理基本相同。
7.1.2 三相异步电动机的工作原理
1.旋转磁场的产生
三相异步电动机转子之所以会旋转、实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。
1）旋转磁场的产生
当电动机定子绕组通以三相电流时，各相绕组中的电流将产生自己的磁场。由于电流随时间变化，它们产生的磁场也将随时间变化，而三相电流产生的合成磁场不仅随时间变化，而且在空间上旋转，故称旋转磁场。
如图7.1.8所示，U1U2、V1V2、W1W2为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°，接成星形。当三相绕组的首端U1、V1、W1接在三相对称电源上，则有三相对称电流通过三相绕组。若电源的相序为U、V、W且U相的初相角为零，则各相电流的瞬时值为
其电流波形图如图7.1.9所示。
图7.1.8 三相定子绕组
假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。当ωt＝0°的瞬间，iU＝0，iV为负值，iW为正值，根据“右手螺旋定则”，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图7.1.10（a）所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即两极），右边是N极，左边是S极。
图7.1.9 三相交流电流波形图
当ωt＝60°时，即经过1／6周期后，iU由零变成正的最大值，iV仍为负值，iW＝0，如图7.1.10（b）所示，这时合成磁场的方位与ωt＝0°时相比，已按逆时针方向转过了60°。
应用同样的方法，可以得出如下结论：当ωt＝120°时，合成磁场就按逆时针方向转过了120°，如图7.1.10（c）所示；当ωt＝180°时合成磁场按逆时针方向旋转了180°，如图7.1.10（d）所示；按此分析，当ωt＝360°时合成磁场按逆时针方向旋转了360°，即转一周，此时又如图7.1.10（a）所示一样。
图7.1.10 两极旋转磁场示意图
由以上分析可知，当对称三相电流iU、iV、iW分别通入对称三相绕组U1U2、V1V2、W1W2中，所产生的合成磁场随时间变化且在空间上产生旋转，这样了就产生了旋转磁场。它是三相异步电动机产生旋转的主要原因。
2）旋转磁场的转速（同步转速）
三相电动机定子旋转磁场的转速n0，与定子电流频率f及磁极对数p有关，其关系是
式中：f为电源频率，我国的为50Hz；p为电动机的磁极对数。
当电动机的磁极对数p＝1时，同步转速为3 000r／min；当电动机的磁极对数为p＝2时，同步转速为1 500r／min；当电动机的磁极对数为p＝3时，同步转速为1 000r／min。
3）旋转磁场的旋转方向
旋转磁场的旋转方向由三相交流电的相序决定，改变三相交流电的相序，即将A－B－C变为C－B－A则旋转磁场反向。因此，若要改变电动机的转向，只要将定子绕组接到电源的三根导线中的任意两根相线对调就可以实现了。
图7.1.11 三相异步电动机的转动原理示意图
2.三相异步电动机的转动原理
图7.1.11为三相异步电动机的转动原理示意图。三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速为
。旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。若转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻上为北极N，下为南极S，如图7.1.11所示，则此时转子导体相当于沿逆时针方向旋转切割磁力线（或磁通）。根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示，在下半部则由外向里，用⊕表示。导条在磁场中受力f的方向用左手定则来确定，如图7.1.11所示。
转子受电磁力f作用形成电磁转矩，推动转子以转速n顺n0方向旋转，转子旋转后，转速为n，只要n＜n0（即异步），转子导条与旋转磁场即产生相对运动，切割磁力线形成感应电流并产生电磁力和电磁转矩T，同时实现电能到机械能的变换，T的方向仍旧为顺时针方向，转子继续旋转，最后稳定运行在T＝TL的情况下。
由于转子电流的产生和电能的传递基于电磁感应现象，所以异步电动机也称为感应电动机。另外从物理本质分析，异步电动机的运行与变压器的运行相似。
3.三相异步电动机的转差率
1）转差率的定义
由于转子转速不等同于同步转速，所以将这种电动机称为异步电动机，而将转速差n0－n与同步转速n0的比值称为异步电动机的转差率，用S表示，即
式中：n0为旋转磁场的转速（同步转速）；n为转子的转速。
2）转差率与电动机的运行状态
（1）当0＜n＜n0时，即0＜S＜1时，电动机为电动运行状态（电能→机械能）；
（2）当n＞n0时，即S＜0时，电动机为发电运行状态（机械能→电能）；
（3）当n＜0时，即S＞1时，电动机为电磁制动运行状态（机械能和电能→热能）；
（4）当n＝0时，即S＝1时，电动机为停止状态。
通常异步电动机在额定负载时，n接近于n0，转差率S很小，为0.015～0.060。
思考与练习
7.1.1 简述三相异步电动机的转动原理。
7.1.2 三相异步电动机的转差率是怎样定义的？有一台异步电动机的额定转速为2 970r／min，电源频率为50Hz，求它的转差率SN和磁极数。
7.1.3 旋转磁场的转向取决于什么？怎样改变旋转磁场的转向？试绘出改变转向的旋转磁场图。
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