如何講好“三相異步電動機的工作原理”這一課

“三相異步電動機的工作原理”這一內容是電機與變壓器中的重中之重。因為只有掌握了這一原理，才能深入學習三相異步電動機的啟動、調速、反轉及制動的方法，并且為學習其他類型的電機，如單相異步電動機、直流電動機、同步電動機的工作原理作一個鋪墊，而要想深入淺出地講好這一課，應從以下幾方面入手。

一、相關基礎知識的使用及原理講解中的關鍵點

1. 兩個對稱——即產生旋轉磁場的兩個條件

(1)對稱的三相交流電。三相異步電動機是以三相對稱的正弦交流電作為電源的，所謂“對稱”，就是指這三相電的最大值、角頻率分別相等，而初相位互差120°。

(2)對稱的三相定子繞組。是指三相異步電動機的三相定子繞組在定子鐵心槽內的分布要互差120°的電角度。

2. 法拉第電磁感應定律

(1)通電導體周圍會產生磁場。三相異步電動機是將對稱的三相交流電流通入對稱的三相定子繞組中。通過分析可知，當正弦交流電變化一個周期的過程中，在三相定子繞組周圍產生的磁場是一個旋轉磁場。此時為了使學生充分理解旋轉磁場的含義，應首先畫出三相正弦交流電在一個周期內的波形圖，然后選取幾個關鍵時刻，請學生自己分析產生的磁場，并得出該磁場是一個旋轉磁場的結論。

(2)導體切割磁力線會產生感應電流，所產生的感應電流的方向用右手定則來判斷。在應用右手定則時應著重強調:定則里提到“拇指表示導體在磁場中切割磁力線時的運動方向”。當三相異步電動機在剛接通電源的啟動瞬間，旋轉磁場已經產生，而這時轉子導體由于慣性還處于靜止狀態。所以根據運動的相對性，假設當旋轉磁場做順時針旋轉時，靜止的轉子導體相當于在逆時針地切割磁力線。此時學生很容易將旋轉磁場的運動方向作為轉子導體切割磁力線的運動方向來判斷，造成感應電流方向的判斷失誤。

3. 左手定則的使用

轉子導體切割旋轉磁場，產生感應電流，使其成為了帶電導體，帶電的轉子導體處在旋轉磁場中就會受到力的作用。當我們搞清了力的作用方向，就可以知道轉子必然要在該力的作用下開始轉動。力的作用方向的判斷應使用左手定則。通過判斷可知，轉子會以與旋轉磁場相同的方向進行旋轉。

掌握了以上幾個要點，就可以把三相異步電動機的旋轉原理搞清楚了，但要想對三相異步電動機的各種工作狀態進行分析，光有這些知識是不夠的，還需要掌握它的旋轉特點以及有關的物理量。

二、三相異步電動機的轉動特點

1. 兩個轉速之間的關系

速度為矢量，有大小有方向。所以在討論旋轉磁場的轉速n1與電動機轉子的轉速n之間的關系時應從這兩方面入手。

(1)二者之間的方向關系:若旋轉磁場為順時針轉動，當我們用左手定則判斷轉子導體的受力方向時，可知轉子也受到了使其順時針轉動的力矩。因此，旋轉磁場的轉速與電動機轉子的轉速方向是一致的。

(2)二者之間的大小關系:我們可以使用反證法。首先假定兩個轉速的大小相等。由于已經確定了它們的方向相同，所以這時相當于旋轉磁場與轉子在同步旋轉，即二者處于相對靜止狀態，這時就會失去切割磁力線運動，轉子導體中也就不會再有感應電流產生，也就不會再受到力的作用，這時電機就會停轉。所以假設是不能成立的，也就是說旋轉磁場的轉速和轉子的轉速大小是不同的，這也就是電動機名稱中“異步”的由來。在三相異步電動機中轉子的轉速是要小于旋轉磁場的轉速的，即n

2. 電動機的旋轉方向問題

在原理的分析中已提到，電動機的轉動方向與旋轉磁場的方向相同，所以要想電動機反轉，則首先旋轉磁場要反轉，而旋轉磁場的轉動方向是由通入三相定子繞組交流電的相序決定的。旋轉磁場總是由能入交流電相序超前的一相繞組轉向相序滯后的一相。所以只要改變交流電的相序，旋轉磁場就會反轉，電動機也隨之反轉。具體的做法是:對換電動機任意兩相電源線。由于電工專業的學生在做電力拖動實習操作時，會遇到電動機的正反轉問題，此時，可以讓學生展開討論，把實際操作加以理論解釋。

三、幾個重要的參數及相互關系

1. 旋轉磁場的轉速，即同步轉速n1

兩極磁場的電動機(即磁極對數p=1)當三相交流電變化一個周期時，旋轉磁場轉過一周，而當定子繞組的連接形成的是兩對磁極時，運用相同的方法可以分析出此時電流變化一個周期，磁場只轉過了半圈，即轉速減慢了一半。由此可見，同步轉速n1與磁極對數p是成反比的。所以可以得到同步轉速n1、三相電流的頻率f及磁極對數p之間的關系為:n1=60f/p。其中頻率為我國交流電源的工頻50 Hz。

2. 轉差率S

(1)概念的理解:既然n1與n之間存在速度差，那么就用轉差率這個量來衡量二者之間的關系，公式表達為:S=(n1-n)/n1。

(2)S與n之間的關系:當電動機剛通電啟動瞬間，轉子轉速n為0，由轉差率S的公式可知:S=1，此為轉差率的最大值，而隨著電動機啟動的開始，轉速會逐漸上升，即n逐漸增大，根據公式S會逐漸變小，當轉速上升達到額定值時，即n=nN，轉差率也達到了額定轉差率SN，即SN=(n1-nN)/n1，此值一般在0.01～0.07之間。由以上分析可知，n與S有著相反的變化規律，即n由0增大到nN時，S由最大值1逐漸減小。由于在分析三相異步電動機的機械特性時，S與n要共用一個縱坐標，所以此處一定要將S與n的變化規律講解清楚。

以上就是在三相異步電動機工作原理講解過程中的一些要點，以及學生在分析時的易錯、易疏漏部分的總結。

(張家口機械工業學校)