城市轨道交通系统概论：鼠笼式异步电动机的优势和稳定性

（一）三相异步电机电动机基本结构

三相异步电动机主要是由定子和转子两大部分组成的，其中定子为静止不动部分，转子为旋转部分，定子和转子之间是空气隙，如图8-20所示。

图8-20　三相异步电动机的结构

定子是电动机磁路的一部分，它由定子铁心、定子绕组、机座、端盖和轴承等部件组成。其中定子铁心的内圆周表面冲有槽，用以放置对称三相绕组。

转子部分是用来产生电磁转矩从而实现机电能量转换的主要部件。三相异步电动机的转子根据构造上不同分为两种型式：鼠笼式和绕线式。鼠笼式的转子绕组做成鼠笼状，就是在转子铁心的槽中放铜条，其两端用端环联接，如图8-21所示。绕线式的构造如同定子绕组一样，也是三相对称绕组。

鼠笼式和绕线式只是在转子的构造上不同，它们的工作原理是一样的。鼠笼式异步电动机由于构造简单、价格便宜、运行可靠、维护方便，因此成为我们城市轨道车辆中使用最广泛的一种电动机。

（二）三相异步电机基本工作原理

图8-21　鼠笼式转子

1.旋转磁场的产生

三相异步电动机的定子铁心中放有三相对称绕组AX、BY和CZ；三相对称绕组连接成星形，连接到三相对称电源上，如图8-22 （a）所示，这样三相绕组便流过三相对称电流，其瞬时表示式如下：

电流的波形图如图8-22 （b）所示。取绕组首端到尾端的方向作为电流的参考方向。在电流的正半周时，其值为正，其实际方向与参考方向一致；在电流的负半周时，其值为负，其实际方向与参考方向相反。

图8-22　三相对称电流

在ωt=0的瞬时，定子绕组中的电流方向如图8-23 （a）所示。这时i A=0，i B 为负值，其方向与参考方向相反，即自Y 到B 为正；i C 是正的，其方向与参考方向相同，即自C到Z。将每相电流所产生的磁场相加，便得出三相电流的合成磁场。在图8-23 （a）中，合成磁场轴线的方向自上而下。

图8-23　三相电流产生的旋转磁场（p=1）

图8-23 （b）所示的是ωt=60°时定子绕组中电流的方向和三相电流的合成磁场方向。这时合成磁场已在空间转过了60°。

同理可得ωt=90°时的三相电流的合成磁场，它比ωt=60°时的合成磁场在空间又转过了30°，如图8-23 （c）所示。(https://www.daowen.com)

由上述可知，当定子绕组中通入三相电流后，它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着，这就是旋转磁场。

在三相电流中，电流出现正幅值的顺序为A→B→C，因此磁场的旋转方向是与这个顺序一致的，即磁场的转向与通入绕组的三相电流的相序有关。如果将三相电源连接的三根导线中的任意两根的一端对调位置（例如对调了B与C两相），则三相绕组的B相与C相对调，旋转磁场因此反转。

从图8-23中可以看出，上述旋转磁场是一对磁极的。三相异步电动机的极数就是旋转磁场的极数。如果将三相定子绕组作不同的安排，也可产生两对、三对或更多磁极对数的旋转磁场。

2.电动机的转动原理

图8-24为三相异步电动机转子转动的原理图，图中N、S表示两极旋转磁场，转子中只示出两根导条。当旋转磁场向顺时针方向旋转时，其磁通切割转子导条，导条中就感应出感应电动势。电动势的方向由右手定则确定。

在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流。该电流与旋转磁场相互作用，使导条受到电磁力F。电磁力的方向可以用左手定则来确定。由电磁力产生电磁转矩，转子就转动起来。如图8-24所示，转子转动的方向和磁极旋转的方向相同。

图8-24　三相异步电动机转子转动的原理图

3.转差率

由图8-24可见，电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同，但转子的转速n不可能达到与磁场转速n 0 相等，即n<n 0。因为，如果两者相等，则转子与旋转磁场之间就没有相对运动，因而磁通就不切割转子导条，转子电动势、转子电流以及转矩也都不存在。这样，转子就不可能继续以n的转速转动。因此转子转速与磁场转速之间必须要有区别。这就是异步电动机的名称的由来。而旋转磁场的转速n 0 常称为同步转速。我们用转差率S来表示转子转速与磁场转速n 0 相差的程度，即

转差率是异步电动机的一个重要的物理量。转子转速愈接近磁场转速，则转差率愈小。由于三相异步电动机的额定转速与同步转速相近，所以它的转差率很小。通常，异步电动机在额定负载时的转差率约为1%～9%。

（三）三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机在电源电压U 1 和转子电阻R 2 之下，转矩与转差率的关系曲线T=f（S）或转速与转矩的关系曲线n=f（T），称为电动机的机械特性曲线。如图8-25和图8 26所示。其中T N 表示额定转矩，额定转矩是电动机在额定负载时的转矩；T max为最大转矩或临界转矩，当负载转矩超过最大转矩时，电动机就带不动负载了，电动机转速迅速降为零，发生闷车现象；Tst为起动转矩，即S=1时的转矩。

图8-25　三相异步电动机的T=f（S）曲线

图8-26　三相异步电动机的n=f（T）曲线

通常三相异步电动机都工作在图8-26所示特性曲线的ab段。因为交流电动机运行在这段区域内具有机械稳定性。机械稳定性是指电动机在正常工作时，由于偶然的因素引起速度不大的变化时，电动机是否能恢复到原来的稳定运行状态。例如电动机在稳定状态下运行，当负载转矩增大时，在最初的瞬间电动机的转矩小于负载转矩，所以它的转速n开始下降。随着转速的下降，由图8-26可见，电动机的转矩增加了，当转矩增加到与负载转矩相等时，电动机在新的稳定状态下运行。