三相异步鼠笼式电动机的工莋原理

　　当电动机的三相定子绕组（各相差120度电角度）通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场该旋转磁场切割转子绕组。

　　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，从而在交流电机转子囿线圈作用转轴上形成电磁转矩驱动电动机旋转，并且交流电机转子有线圈作用旋转方向与旋转磁场方向相同

　　鼠笼式转子：转子繞组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成

　　鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同

　　三相鼠笼式异步电动机的结构图解

　　异步电动机的主要结构是由定子和转子两部分组成，定、转子中间是空气隙此外，还有端盖、轴承、机座等部件图1是三相鼠笼式异步电动机的结构图。

　　定子是异步电动机固定不动嘚部分由机座、定子铁芯和定子绕组组成。

　　机座是电动机的外壳起着支撑交流电机转子有线圈作用的作用，通常用铸铁铸成大機座也有用钢板拼焊起来的。

　　定子铁芯是电动机磁路的一部分装在机座内部。它是一个中空圆柱体外壁与机座配合，内壁开槽槽内放定子绕组。为了减少铁芯中的损耗定子铁芯用0．5mm厚的硅钢片叠成。

　　三相异步交流电机转子有线圈作用的定子绕组并不是都按煋形接法联接只有在大容量高电压时，才按星形接法联接一般中、小容量低电压的异步交流电机转子有线圈作用，通常把三相绕组的陸根线头引出来在外面根据需要把它接成三角形或星形接法。这样既可以使交流电机转子有线圈作用适用于两种不同等级的电源电压，例如星形接法用于380V电源；三角接法就可以用于220V电源上又能满足起动的要求，即设计成在三角接法时用于380V电源，起动时改成星形接法，达到降压起动的目的

　　定子绕组用绝缘的铜导线绕成，嵌在定子槽内绕组与槽壁间用绝缘材料隔开。

　　异步交流电机转子有線圈作用的气隙比同容量直流交流电机转子有线圈作用的气隙要小得多在中、小型异步交流电机转子有线圈作用中，一般为0．2～1．0mm这昰因为异步交流电机转子有线圈作用的励磁电流是由电网供给的，气隙大时励磁电流也就大，从而降低了交流电机转子有线圈作用的功率因数为了提高功率因数，应尽量把气隙做得小些但是气隙过小时，将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。

　　电动机的转子是由转子铁芯、转子绕组和转轴组成的转子铁芯也是磁路的一部分，一般由硅钢片叠成铁芯固定在转轴上。

　　转子绕组如果是绕线式的它可以联成星形或三角形。一般小容量的接成三角形；中、大容量的都接成星形绕组的三根引出线接箌三个集电环（集电环固定在转轴上），用一套电刷引出来如图2所示。

　　这就可以把外接电阻连联到转子绕组回路里去串电阻的目嘚是为了改善电动机的特性或者是为了调节转速。

　　鼠笼式转子绕组的结构与定子绕组大不相同在转子铁芯上也有槽，各槽里都有一根导条在铁芯的两端有两个瑞环，分别把所有导条伸出槽外的部分都联接起来形成了短接的回路。如果拿掉转子铁芯绕组的形状就潒一个老鼠笼子，如图3（a）所示导条的材料有用铜的，有用铝的如果是用铜的，就是把事先做好的裸铜条插入转子铁芯槽中再用铜環套在两端铜条的头上，并焊接在一起；如果是用铝做绕组时是用熔化了的铝液直接浇铸在转子铁芯槽内，连同瑞环和风扇叶一次铸成如图3（b）所示。

2．1．1交流永磁同步交流电机转子囿线圈作用的结构

永磁同步交流电机转子有线圈作用的种类繁多按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正

弦波永磁同步交流電机转子有线圈作用(PMSM)和梯形波永磁同步交流电机转子有线圈作用(BLDC)【261正弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用

定子由三相绕组以及铁芯构荿，电枢绕组常以Y型连接采用短距分布绕组；气隙场

设计为正弦波，以产生正弦波反电动势；转子采用永磁体代替电励磁根据永磁体茬

转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用又分为三类：凸装式、嵌入式和内埋式

本文中采用的交流电机转子囿线圈作用为凸装式正弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用，结构如图2一l所示定子绕组一

般制成多相，转子由永久磁钢按一定对数组荿本系统的交流电机转子有线圈作用转子磁极对数为两对，

则交流电机转子有线圈作用转速为n=60f／pf为电流频率，P为极对数

图2一l凸装式囸弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用结构图

目前，三相同步交流电机转子有线圈作用现在主要有两种控制方式一种是他控式(又称为頻率开环

控制)；另一种是自控式(又称为频率闭环控制)[27】。他控式方式主要是通过独立控

N#l-部电源频率的方式来调节转子的转速不需要知道转孓的位置信息经常采用恒压

频比的开环控制方案。自控式永磁同步交流电机转子有线圈作用也是通过改变外部电源的频率来调节转子

的轉速与他控式不同，外部电源频率的改变是和转子的位置信息是有关联的转子

转速越高，定子通电频率就越高转子的转速是通过改變定子绕组外加电压(或电流)

频率的大小来调节的。由于自控式同步交流电机转子有线圈作用不存在他控式同步交流电机转子有线圈作用的夨步和振荡问

题并且永磁同步交流电机转子有线圈作用永磁体做转子也不存在电刷和换向器，降低了转子的体积和质

量提高了系统的響应速度和调速范围，且具有直流电动机的性能所以本文采用了

自控式交流永磁同步交流电机转子有线圈作用。当把三相对称电源加到彡相对称绕组上后自然会产生同

步速的旋转的定子磁场，同步交流电机转子有线圈作用转子的转速是与外部电源频率保持严格的同步苴

2．1．2交流永磁同步交流电机转子有线圈作用的工作原理

本系统采用的是自控式交直交电压型交流电机转子有线圈作用控制方式，由整流橋、三相逆变电路、

控制电路、三相交流永磁交流电机转子有线圈作用和位置传感器构成其结构原理图如图2—2所示。在

图2—2中50HZ的市电經整流后，由三相逆变器给交流电机转子有线圈作用的三相绕组供电三相对称

电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作鼡产生转矩，拖动转子同步

旋转通过位置传感器实时读取转子磁钢位置，变换成电信号控制逆变器功率器件开

关调节电流频率和相位，使定子和转子磁势保持稳定的位置关系才能产生恒定的

转矩，定子绕组中的电流大小是由负载决定的定子绕组中三相电流的频率和楿位随

转子位置的变化而变化的，使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场通过电力电

子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电鋶的换相，代替了机械换向器

 图2—2自控式交流电机转子有线圈作用结构原理图

正弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用属于自控式交流電机转子有线圈作用，只是电动机的定子反电势和电流波形均为

正弦波并且保持同相，其可以获得与直流交流电机转子有线圈作用相同嘚转矩特性而且能实现恒转矩

的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步交流电机转子有线圈作用来实现位置伺服功能的

2．1．3旋转式编码器

由自控式正弦波PMSM构成的伺服系统，需要实时检测交流电机转子有线圈作用转子的位置及转速

本系统是通过旋转编码器来獲取相关的信息。根据编码器的工作原理不同可分为磁性

编码器和光学编码器而根据编码器的输出信号的不同又分为增量式(incremental)

和绝对式(absolute)编碼器两种。绝对式编码器可以直接测得转子的绝对位置每次为

检测到转子的位置提供一个独一无二的编码数字值。绝对式型编码器(旋转型)码盘

上有许多道光通道刻线每道刻线依次以2线、4线、8线、16线??编排，在编码

器的每一个位置通过读取每道刻线的通、暗，获得一组从2嘚零次方到2的n-1次

方的唯一的2进制编码这就称为n位绝对编码器。这样的编码器是由光电码盘的机

械位置决定的它不受停电、干扰的影响。

增量式编码器每次只能返回转子的相对位置增量型只能测角位移(间接为角速度)

增量，以前一个时刻为基点光电式增量式编码器(旋转型)由一个中心有轴的光电

码盘，其上有环形通、暗的刻线有光电发射和接收器件读取，获得四组正弦波信号组

合成A、B、C、D每个正弦波楿差90度相位差(相对于一个周波为360度)，将C、

D信号反向叠加在A、B两相上，可增强稳定信号；另每转输出一个Z相脉冲以代

表零位参考位由于A、B两相脉冲信号相差90度，可通过比较A相在前还是B相

在前以判别编码器的正转与反转，通过零位脉冲可获得编码器的零位参考位。编

码器以每旋转360度提供多少的通或暗刻线称为分辨率也称解析分度、或直接称多

少线，一般在每转分度5～10000线

光学增量式编码器和磁性增量式编码器，输出信号信息基本上一样的光学编码

器的主要优点是对潮湿气体和污染敏感，但可靠性差而磁性编码器不易受尘埃和结

露影响，同时其结构简单紧凑可高速运转，响应速度快(达500～700kHz)体积比

光学式编码器小，而成本更低【28】本系统采用的是旋转式增量磁性編码器，其适应

环境能力强响应速度快，非常适用于在高速旋转运动中检测电动机的速度和位置

2．2交流永磁同步交流电机转子有线圈莋用的数学模型

正弦波PMSM定子与普通的电励磁的三相同步交流电机转子有线圈作用是基本一样的，并且反电动势

也是正弦波那么其数学模型和电励磁的三相同步交流电机转子有线圈作用也是一样的。在定子通三相绕

组瞬时电流如图2—3所示。三相定子绕组流过平衡电流分别為iaib，ic在空间

上互差120。瞬时电流表达式如下：

式中Im为电流最大值。

 图2—3三相瞬时电流图

交流电机转子有线圈作用的三相对称绕组如图2—4所示在定子静止三相坐标系下，建立交流电机转子有线圈作用的定子

式2-2中％、％、甜。是定子三相绕组相电压；o‘、‘是定子三相繞组相电流；

鲴(pb，鲈是三相定子绕组的磁链；r是定子三相绕组阻抗磁链方程为【29】：

式2—3中乞，厶三c分别是三相绕组的自感；厶=厶。k=乞，k=k分别是

两相绕组间的互感；纷是永磁转子的磁链秒=rot+岛是转子与三相静止坐标系a轴

的夹角，皖为转子的初始位置为了简化分析，现作如下假定：

1)交流电机转子有线圈作用铁磁部分的磁路为线性不计饱和，剩磁磁滞和涡流的影响；

2)定子三相绕组对称且为集中式繞组；

3)忽略电枢反应对气隙磁场的影响；

这样就可使各相绕组的自感和互感与转子的位置角无关，且永磁同步交流电机转子有线圈作用的彡相绕组

都为常量乞+‘+之=0，由此整理磁链方程如下：

式2．5中国是同步角速度

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