6.1.2 三相异步电动机的工作原理
电动机转动原理实验
当三相异步电动机通入三相对称交流电时，电动机会旋转起来，那电动机是如何转动的呢？电动机中的电磁变化过程又是如何的？
1.旋转磁场的产生
旋转磁场是指一种极性和大小不变，且以一定的转速旋转的磁场。理论研究证明，当三相异步电动机的定子绕组中通过三相对称交流电流时会产生旋转磁场。为了分析的方便，假设三相绕组的每一相只有一个线圈，三相绕组的三个首端分别为U1、V1、W1，三个末端分别为U2、V2、W2，三相绕组接成星形。当三相异步电动机的定子绕组中通以三相对称交流电流时，如图6.1.5和图6.1.6所示。
图6.1.5 星形连接的三相绕组通对称的三相交流电流
图6.1.6 对称的三相交流电流波形
假设电流的瞬时值为正时，是从各绕组的首端流入，末端流出；当电流为负值时，与此相反。则分析，当ωt＝0°时刻，可以得到iU＝0，iV＜0，则电流从V2流入，从V1流出（流入用“×”表示，流出用“•”表示），iW＞0（电流从W1流入，从W2流出），根据右手螺旋定则，对应得到了ωt＝0°时刻产生的合成磁场的磁场方向，具体方向为垂直向下，如图6.1.7所示。以此类推，可以得到ωt＝120°、240°和360°时刻所对应的合成磁场方向，如图6.1.8所示。
图6.1.7 ωt＝0°时刻的磁场方向
三相电流与旋转磁场
图6.1.8 不同时刻对应的磁场方向
（a）ωt＝120°；（b）ωt＝240°；（c）ωt＝360°
三相电流产生旋转磁场实验
当三相异步电动机的定子绕组通过三相对称交流电时，将产生旋转磁场，分析这些时刻的磁场方向可知：随着时间的改变，磁极在顺时针方向旋转，即产生的旋转磁场的方向与电源的相序一致，也为U-V-W的顺序，或者说旋转磁场的转向是由三相电流的相序决定的。如果改变流入三相绕组的电流相序，就能改变旋转磁场的旋转方向，即把三相交流电源的三根线任意调换两根与电动机相接，旋转磁场旋转方向随之反向。
分析过程中，涉及的名词概念有以下几个：
1）磁极对数p
上面分析中，得到的旋转磁场的磁极对数为1，磁极对数用字母p表示，三相异步电动机的极数就是旋转磁场的磁极对数（即2p），磁极对数取决于三相异步电动机定子绕组的结构和连接方式。例如当每相绕组只有一个线圈（上述分析过程中，为了分析方便，三相异步电动机的定子绕组为每相绕组只有一个线圈），绕组的始端之间相差120°空间角时，产生的旋转磁场具有一对磁极，即p＝1；当每相绕组为两个线圈串联，绕组的始端之间相差60°空间角时，产生的旋转磁场具有两对磁极，即p＝2。同理，如果要产生三对磁极，即p＝3的旋转磁场，则每相绕组必须有均匀安排在空间的串联的三个线圈，绕组的始端之间相差40°（即120°／p）空间角。
2）旋转磁场的转速n0
三相异步电动机的旋转磁场转速计算方法如下：
式中，n0——旋转磁场转速，也称同步转速，单位为转／分（r／min）；
f——电网频率，单位Hz，我国电网频率为f＝50 Hz；
p——磁极对数。
由上面公式可知：电网频率是固定的，磁极对数和同步转速是反比的关系，且因为磁极对数只能是自然数，所以同步转速n0是有级的。磁极对数和同步转速的对应关系如表6.1.1所示。
表6.1.1 磁极对数和同步转速的对应关系
2.三相异步电动机的转动原理
前面已经分析了旋转磁场的产生过程，当为三相异步电动机的定子绕组通入三相对称交流电流时，会产生与电源相序相同方向的旋转磁场，假设旋转磁场的方向为顺时针方向，且旋转磁场转速为n0，如图6.1.9所示。启动的瞬间，转子（转子导体）是静止的，故在旋转磁场的作用下，转子导体将切割磁感线产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于转子导体两端被短路环短接，如图6.1.10所示，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感应电流（电流流入用“×”表示，流出用“•”表示），感应电流方向如图6.1.9所示。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定），电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转，即转子开始顺时针方向旋转。
图6.1.9 三相异步电动机转动原理示意图
图6.1.10 三相异步电动机结构分析与转动原理示意图
三相异步电动机的结构和工作原理
通过上述分析可以总结出三相异步电动机工作原理为：当电动机的三相定子绕组（各相差120°电角度）通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该转子绕组切割旋转磁场，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电动机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。若要改变电动机的旋转方向，只要改变磁场的旋转方向，即任意对调三相定子绕组两根相线的接法，电动机即可以实现反转。
这里需要强调的是，异步电动机之所以会转动，是由于旋转磁场与转子之间有相对运动，当转子转速达到同步转速时，转子绕组与旋转磁场之间无相对运动，转子绕组中将不能产生感应电流，拖动转子旋转的电磁力也继而消失了，因此转子就不能继续转动。由此可知，异步电动机转子转速总是小于同步转速。由于转子导体中的电流是通过电磁感应产生的，三相异步电动机又称为感应电动机。
把转子转速与同步转速之间的差值称为转差，转差的存在是异步电动机运行的必要条件。为了反映异步电动机转子转速与同步转速相差的程度，通常用转差率s来描述，定义为转差与同步转速之比，转差率通常用百分数来表示。具体计算方法如下式所示。
式中，n0为同步转速；n为转子转速。
转差率是反映三相异步电动机运行性能的一个重要参数，它与负载情况有关。三相异步电动机的实际转速与同步转速接近。启动瞬间，由于转子还未转动，所以此时转速n＝0，转差率达到最大值s＝1；电动机空载（转子不带负载）时，转速很高，转差率很小，一般在0.5%以下；额定负载运行时，转差率为1.5%～6%，即额定运行时，异步电动机的转速和同步转速是非常接近的。