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課題

變壓器與三相異步電動機（二）

課時

2課時（90 min）

教學(xué)目標

知識技能目標：
（1）掌握三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和啟動方法
（2）能夠拆裝三相異步電動機
素質(zhì)目標：
（1）樹立科技成才、技能報國的人生理想
（2）樹立勇于探索、追求真理的職業(yè)精神

教學(xué)重難點

教學(xué)重點：三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和啟動方法
教學(xué)難點：拆裝三相異步電動機

教學(xué)方法

案例分析法、問答法、討論法、講授法

教學(xué)用具

電腦、投影儀、多媒體課件、教材

教學(xué)過程

主要教學(xué)內(nèi)容及步驟

課前任務(wù)

【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負責(zé)人取得聯(lián)系，組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——拆裝三相異步電動機”，并根據(jù)任務(wù)工單進行組內(nèi)分工，同時提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，了解三相異步電動機的相關(guān)知識
【學(xué)生】完成課前任務(wù)

考勤

【教師】簽到
【學(xué)生】班干部報請假人員及原因

任務(wù)導(dǎo)入

【教師】提出以下問題：
什么是三相異步電動機？其主要應(yīng)用對象是什么？
【學(xué)生】思考、舉手回答

傳授新知

【教師】通過學(xué)生的回答引入要講的知識，介紹三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理、啟動方法等內(nèi)容
✈【教師】通過多媒體展示“電機的分類”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
電機是變壓器、發(fā)電機和電動機的總稱，是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的、可實現(xiàn)電能傳遞與轉(zhuǎn)換的一種電磁裝置。其中，把機械能轉(zhuǎn)換成電能的電機稱為發(fā)電機，而把電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機稱為電動機。電機的種類較多。
在工業(yè)生產(chǎn)中，交流電動機的應(yīng)用非常廣泛，特別是三相異步電動機，它因具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行可靠、價格低廉、維護方便等優(yōu)點，而被廣泛地用于驅(qū)動各種金屬切削機床、起重機、鍛壓機、鑄造機械、通風(fēng)機和水泵等。
3.2.1 三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)
✈【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“三相異步電動機的工作特性（1）”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解
三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)，它主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。
✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機的基本結(jié)構(gòu)”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
1．定子
定子主要由機座、定子鐵芯和定子繞組等組成。
1）機座
機座是由鑄鐵或鑄鋼制成的，它是三相異步電動機的外殼，起著支撐三相異步電動機的作用。通常要求機座具有良好的散熱性能，因此機座的外表面一般鑄有散熱片。
2）定子鐵芯
定子鐵芯是三相異步電動機磁路的一部分。為了減少鐵損，定子鐵芯一般由互相絕緣的硅鋼片疊成，其內(nèi)表面有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。
3）定子繞組
✈【教師】通過多媒體展示“定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯”和“定子繞組的Y聯(lián)結(jié)或△聯(lián)結(jié)”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
定子繞組是三相異步電動機電路的一部分，它由三個完全相同的繞組組成，每個繞組為一相，三個繞組在空間上分別相差120°。三個繞組的始端和末端都被引至接線盒內(nèi)，可根據(jù)需要做Y聯(lián)結(jié)或△聯(lián)結(jié)
2．轉(zhuǎn)子
轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組兩部分組成。
1）轉(zhuǎn)子鐵芯
轉(zhuǎn)子鐵芯是三相異步電動機磁路的一部分。它也是由硅鋼片疊成的，硅鋼片外圍有均勻分布的槽，用以嵌放轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯固定在轉(zhuǎn)軸支架上。
2）轉(zhuǎn)子繞組
轉(zhuǎn)子繞組可分為籠型和繞線型兩種，據(jù)此可將三相異步電動機分為籠型三相異步電動機和繞線型三相異步電動機兩種。
✈【教師】通過多媒體展示“籠型繞組”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
籠型繞組是在轉(zhuǎn)子鐵芯的每個槽中插入一根銅條（導(dǎo)條），在銅條兩端各用一個銅環(huán)（端環(huán)）把銅條連接起來，這樣的轉(zhuǎn)子稱為銅排轉(zhuǎn)子，若把鐵芯拿出來，則整個轉(zhuǎn)子繞組的外形很像一個鼠籠。還可以用鑄鋁的方法，把銅條、銅環(huán)及風(fēng)葉用鋁液一次澆鑄成形，這樣的轉(zhuǎn)子稱為鑄鋁轉(zhuǎn)子。
繞線型繞組與定子繞組相同，也為三相繞組，它一般連接成Y形，3根引出線分別接到轉(zhuǎn)軸的3個相互絕緣的集電環(huán)上，通過3個電刷與外電路相連。
經(jīng)驗傳承
為了保證轉(zhuǎn)子能夠自由旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子之間必須留有一定的氣隙。一般情況下，中小型三相異步電動機的氣隙為0.2～1.0 mm。
3.2.2 三相異步電動機的工作原理
✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機工作原理的模擬試驗”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
三相異步電動機的工作原理可通過下面的小試驗進行簡單模擬。磁極與轉(zhuǎn)子之間沒有機械聯(lián)系。當(dāng)轉(zhuǎn)動外面的磁極時，轉(zhuǎn)子隨著磁極沿同一方向一起轉(zhuǎn)動。磁極轉(zhuǎn)得越快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)得也越快。磁極反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子也反轉(zhuǎn)。該試驗說明，使三相異步電動機工作的關(guān)鍵是有旋轉(zhuǎn)磁場。
1．旋轉(zhuǎn)磁場
1）旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生
✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機定子繞組的接法和三相對稱電流的波形”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
三相異步電動機的定子鐵芯中嵌放有三相對稱繞組

、

和

。設(shè)三相對稱繞組做Y聯(lián)結(jié)，當(dāng)其接入三相電源后，三相對稱繞組中將有三相對稱電流通過，如圖3-14所示。取三相對稱電流的參考方向為從繞組始端指向末端。電流在正半周時，其實際方向與參考方向一致；在負半周時，其實際方向與參考方向相反。因此，三相對稱電流分別為

，

由于各相繞組中的電流是交變的，這些電流所產(chǎn)生的磁場也是交變的，因此三相對稱電流所產(chǎn)生的合磁場是一個旋轉(zhuǎn)磁場。
2）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向
旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與三相對稱電流的相序一致。當(dāng)三相對稱電流的相序為

→

時，旋轉(zhuǎn)磁場按

→

方向進行順時針旋轉(zhuǎn)。若任意調(diào)換三相對稱電流相序中的兩相，如將其變?yōu)?img height="17" src="data:image/wmf;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAABgAAAAaCAYAAACtv5zzAAAAAXNSR0ICQMB9xQAAAAlwSFlzAAAWJQAAFiUBSVIk8AAAABl0RVh0U29mdHdhcmUATWljcm9zb2Z0IE9mZmljZX/tNXEAAADVSURBVEjHY2hsbGSgJWYYtWCEWdDRkcbjIcOwh4GB4T8KlvHYk9bRwQNTV5/nYSjLwPAGnxq8PqjPi1Q1ZmC4y8BgfDcyr14Vl+saoo19ZGVNtsfW10uSFERwn+BwFYpPZD1W4lMzasGoBbS2AJgP8KVxsAXGUb1kFRVRxgwLGRhk33jk1RvizWhuOcVkWQDSDCoCcBlQXx8racQgewqfAwgWdhBfAC3xiK5HDue8aA8vI1mGU4RcT1RpmhdtGiEry3ATuWADlT8e0XleoxXOqAX0sQAAXo2W+Ayxdj0AAAAASUVORK5CYII=" width="16" />→

→

，則旋轉(zhuǎn)磁場將按

→

方向進行逆時針旋轉(zhuǎn)。
3）旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速
三相異步電動機的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速有關(guān)，而旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速則取決于磁場的磁極對數(shù)。由上述分析可知，當(dāng)有一對磁極（

）時，電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周；當(dāng)有兩對磁極（

）時，電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場在空間旋轉(zhuǎn)1/2周。依此類推，當(dāng)有

對磁極時，電流變化一周，旋轉(zhuǎn)磁場就在空間旋轉(zhuǎn)

周，即有

對磁極的旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

應(yīng)為

（3-16）
式中：

——旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分（

）；

——定子繞組中電流的頻率，單位為赫（

）；

——磁極對數(shù)。
旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又稱同步轉(zhuǎn)速。國產(chǎn)三相異步電動機定子繞組額定電流的頻率

為

。于是，根據(jù)式（3-16）可知，對應(yīng)于不同的磁極對數(shù)

，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

是不同的常數(shù)，如表3-9所示。
表3-9 對應(yīng)于不同磁極對數(shù)時旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

	1	2	3	4	5	6
	3 000	1 500	1 000	750	600	500

2．三相異步電動機的轉(zhuǎn)動原理
✈【教師】組織學(xué)生掃碼觀看“三相異步電動機的工作特性（2）”視頻（詳見教材），讓學(xué)生對相關(guān)知識有一個大致地了解
三相異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的簡化原理圖，其中

、

表示兩極旋轉(zhuǎn)磁場的磁極，轉(zhuǎn)子中只畫出了兩根銅條用于示意。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場以

的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)磁場與靜止的轉(zhuǎn)子銅條之間就存在相對運動，相當(dāng)于轉(zhuǎn)子銅條切割磁力線，銅條中就會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，其方向可由右手定則確定。
✈【教師】通過多媒體展示“三相異步電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的簡化原理圖”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
通電的銅條在旋轉(zhuǎn)磁場中將會受到電磁力

的作用，電磁力的方向可用左手定則判斷。電磁力作用到三相異步電動機的轉(zhuǎn)軸上將會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而帶動轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同。
3．轉(zhuǎn)差率
盡管三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向相同，但轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

不能與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

相等，且必須使

。這是因為若兩者相等，則轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間將沒有相對運動，轉(zhuǎn)子中就不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流，也不會有電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就不可能繼續(xù)以轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)動了。因此，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速之間必須有一定差值，即它們不同步，三相異步電動機就是因此得名的。
為了便于分析計算，人們引入了轉(zhuǎn)差率s這個參數(shù)。轉(zhuǎn)差率是旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

的差值與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

之比，即

（3-17）
轉(zhuǎn)差率是分析三相異步電動機的一個重要參數(shù)。在三相異步電動機的啟動瞬間，

，

，此時轉(zhuǎn)差率最大；若轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速

達到旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速

，則

。因此，轉(zhuǎn)差率

的變化范圍為0～1，一般用百分數(shù)表示。通常，三相異步電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)差率為1%～9%。
式（3-17）也可寫為

（3-18）
3.2.3 三相異步電動機的啟動方法
三相異步電動機的啟動是指其從靜止狀態(tài)過渡到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。在啟動瞬間，由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為零，因此定子和轉(zhuǎn)子的繞組中都有很大的啟動電流，其大小一般為額定電流的4～7倍。過大的啟動電流會使電網(wǎng)電壓明顯減小，同時還會影響接在同一電網(wǎng)上的其他負載的正常運行，嚴重時會使三相異步電動機本身也無法正常工作。如果是頻繁啟動，則不但會使三相異步電動機的溫度大幅上升，還會對其造成過大的電磁沖擊，從而影響三相異步電動機的使用壽命。
在三相異步電動機啟動瞬間，盡管啟動電流很大，但轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)

很低，因此此時的啟動轉(zhuǎn)矩較小。啟動轉(zhuǎn)矩過小會使三相異步電動機的啟動時間延長，這樣既影響生產(chǎn)效率，又會使三相異步電動機的溫升過快。如果啟動轉(zhuǎn)矩小于機械負載轉(zhuǎn)矩，則三相異步電動機將不能啟動。
綜上所述，三相異步電動機在啟動時既要把啟動電流限制在一定數(shù)值之內(nèi)，又要保證具有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，以便縮短啟動時間，提高生產(chǎn)效率。
下面以籠型三相異步電動機為例，介紹三相異步電動機的啟動方法。籠型三相異步電動機常用的啟動方法有直接啟動和降壓啟動兩種。
1．直接啟動
直接啟動又稱全壓啟動，是指利用刀開關(guān)（又稱閘刀開關(guān)）或接觸器將籠型三相異步電動機直接接到具有額定電壓的電源上。這種啟動方法操作簡單，設(shè)備少，成本低，但啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩小，因此只適用于小容量（7.5 kV·A以下）籠型三相異步電動機的啟動。對較大容量的籠型三相異步電動機，可參考以下經(jīng)驗公式進行核定，即

（3-19）
式中：

——電源的總?cè)萘�，單位為千伏安（kV·A）；

——籠型三相異步電動機的額定功率，單位為千瓦（kW）。
只有滿足式（3-19），籠型三相異步電動機才能直接啟動。
2．降壓啟動
降壓啟動是指啟動時減小加在籠型三相異步電動機定子繞組上的電壓，啟動過程結(jié)束后再將其增大至額定電壓的啟動方法。降壓啟動的主要目的是減小啟動電流，但同時也限制了啟動轉(zhuǎn)矩，因此這種情況只適用于空載或輕載情況下的啟動。常用的降壓啟動有Y-△降壓啟動和自耦變壓器降壓啟動兩種。
1）Y-△降壓啟動
Y-△降壓啟動適用于正常運行時定子繞組做△聯(lián)結(jié)的籠型三相異步電動機。在啟動時，可先將定子繞組做Y聯(lián)結(jié)，啟動結(jié)束時再做△聯(lián)結(jié)。這樣，啟動時定子繞組上的電壓就可以減小為額定電壓的

。
✈【教師】通過多媒體展示“Y-△降壓啟動電路”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
Y-△降壓啟動電路。設(shè)定子每相繞組的阻抗模為

，電源額定電壓為

，當(dāng)采用△聯(lián)結(jié)直接啟動時，其線電流為

當(dāng)采用Y聯(lián)結(jié)降壓啟動時，每相繞組的相電壓為

，其線電流為

由以上兩式可知

（3-20）
即Y-△降壓啟動時的啟動電流為直接啟動時的1/3。
由于啟動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，因此Y-△降壓啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩也減小到直接啟動時的1/3。
Y-△降壓啟動具有操作方便、啟動設(shè)備簡單、運行可靠等特點。
2）自耦變壓器降壓啟動
自耦變壓器降壓啟動適用于容量較大或正常運行時定子繞組做Y聯(lián)結(jié)的籠型三相異步電動機，它利用自耦變壓器將電源電壓減小后再加到籠型三相異步電動機的定子繞組上，以減小啟動電流。
✈【教師】通過多媒體展示“自耦變壓器降壓啟動電路”圖片（詳見教材），幫助學(xué)生對這些內(nèi)容有更直觀地認識
自耦變壓器降壓啟動電路。啟動時，將開關(guān)扳到“啟動”位置，自耦變壓器一次側(cè)接電源，二次側(cè)接籠型三相異步電動機定子繞組，以實現(xiàn)降壓啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，再將開關(guān)扳向“運行”位置，從而斷開自耦變壓器，使籠型三相異步電動機直接接電源運行。
因為自耦變壓器的一、二次電壓之比等于一、二次繞組的匝數(shù)之比，且啟動電流與啟動電壓成正比，所以引入自耦變壓器前后啟動電流的關(guān)系為

（3-21）
式中：

——電源向自耦變壓器一次側(cè)提供的降壓啟動電流，單位為安（A）；

——電源向籠型三相異步電動機提供的直接啟動電流，單位為安（A）；
K ——自耦變壓器的變比。
由式（3-21）可知，引入自耦變壓器后的降壓啟動電流為直接啟動電流的1/

。由于啟動轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比，因此引入自耦變壓器后的降壓啟動轉(zhuǎn)矩也為直接啟動轉(zhuǎn)矩的1/

。
自耦變壓器通常備有多組抽頭，具有多種變比，可根據(jù)所要求的啟動轉(zhuǎn)矩來選擇（如電源電壓的73%、64%、55%）。這種啟動方法的設(shè)備成本較高，且不宜頻繁啟動。
【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄

課堂實踐

【教師】準備器材，帶領(lǐng)學(xué)生到實驗室進行試驗操作
1）拆卸籠型三相異步電動機
（1）切斷電源，拆下籠型三相異步電動機與電源的連接線，并將電源連接線的線頭做好絕緣處理。
（2）脫開皮帶輪或聯(lián)軸器與負載的連接，松開地腳螺栓和接地螺栓。
（3）依次拆卸皮帶輪或聯(lián)軸器、罩殼和風(fēng)扇、軸承蓋和端蓋。
（4）從定子中抽出轉(zhuǎn)子。
2）裝配籠型三相異步電動機
（1）對籠型三相異步電動機轉(zhuǎn)子的軸承洗油，并在軸承上涂抹軸承潤滑脂。
（2）依次安裝軸承、后端蓋、轉(zhuǎn)子、前端蓋和軸承蓋、風(fēng)扇和罩殼。
（3）安裝皮帶輪或聯(lián)軸器。
……（詳見教材）
【學(xué)生】以小組為單位進行試驗，根據(jù)分工填寫“任務(wù)工單——拆裝三相異步電動機”
【教師】巡堂輔導(dǎo)，及時解決學(xué)生遇到的問題，根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)填寫考核評價表

探索活動

【教師】組織學(xué)生以小組為單位完成以下任務(wù)：
三相異步電動機在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛。請查閱有關(guān)資料，分析我國三相異步電動機的發(fā)展現(xiàn)狀。
【學(xué)生】查閱、分析、討論，由小組代表上臺發(fā)表討論結(jié)果
【教師】與學(xué)生一起評價各組的發(fā)言，并進行總結(jié)

課堂小結(jié)