三相电机是基于电磁感应原理工作的动力设备,主要由定子(固定部分)和转子(旋转部分)组成,其核心是利用三相交流电产生的旋转磁场驱动转子转动。以下是详细原理:
一、定子与旋转磁场的产生
定子结构
1. 定子铁芯内嵌有三组对称分布的绕组(称为三相绕组,分别标记为 U、V、W),三组绕组在空间上互成 120° 角度。
2. 当三相绕组接入三相交流电源时,绕组中会流过相位差为 120° 的交变电流。
旋转磁场的形成
1. 三相交变电流的瞬时值随时间按正弦规律变化,且相位互差 120°。
2. 根据电磁感应定律,每组绕组电流产生的磁场会随电流大小和方向变化而变化。
3. 三组绕组的磁场相互叠加,形成一个转速恒定、方向均匀旋转的合成磁场,称为旋转磁场。
二、转子的电磁感应与转动
1. 转子结构
转子分为笼型(鼠笼式)和绕线式两种,核心均为闭合导体回路。以笼型转子为例,其由导电的铜条或铝条与端环组成,形似鼠笼。
2. 电磁感应过程
旋转磁场以同步转速n0切割转子导体(相当于转子导体反向切割磁场)。
根据法拉第电磁感应定律,转子导体中会产生感应电动势;由于转子导体闭合,进而形成感应电流。
3. 电磁力与转子转动
转子感应电流在旋转磁场中受到安培力作用,力的方向由左手定则确定。
安培力在转子上形成电磁转矩,驱动转子沿旋转磁场的方向转动。
三、异步运行
异步运行:三相电机正常工作时,转子转速n始终小于同步转速n0
(否则无切割磁感线运动,无感应电流和转矩),因此称为异步电机。
转差率的作用:转差率是异步电机的重要参数,其大小影响电机的转矩、效率和功率因数。
转差率的作用:转差率是异步电机的重要参数,其大小影响电机的转矩、效率和功率因数。
四、三相电机的转向与调速
1. 转向控制
旋转磁场的转向由三相电源的相序决定(即 U、V、W 绕组的通电顺序)。
任意调换两相电源的接线(如交换 V、W 相),可改变旋转磁场方向,从而改变电机转向。
2. 调速方法
改变磁极对数(p):通过改变定子绕组的连接方式实现(如多速电机),属有级调速。改变电源频率(f):通过变频器调节电源频率,实现平滑调速(变频调速)。
改变转差率(s):绕线式电机可通过外接电阻或电子设备调节转子回路参数,属耗能调速。
总结
三相电机的工作原理可概括为:三相交流电在定子中产生旋转磁场→旋转磁场切割转子导体产生感应电流→感应电流受磁场力驱动转子转动。其核心是电磁感应与电磁力的相互作用,具有结构简单、运行可靠、效率高等优点,广泛应用于工业驱动、家电等领域。