第二节 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性

第二节 三相异步电动机的电磁转矩和机械特性

三相异步电动机转轴上产生的电磁转矩是决定电动机输出的机械功率大小的一个重要

因素，也是电动机的一个重要的性能指标。

一、三相异步电动机的转矩特性

1、电磁转矩的物理表达式

三相异步电动机的工作原理告诉我们，电磁转矩是旋转磁场与转子绕组中感应电流相互

作用产生的，设旋转磁场每极的磁通量用Φ表示，它等于气隙中磁感应强度平均值与每极

面积的乘积。Φ表示了旋转磁场的强度。设转子电流用I2表示。根据电磁力定律，电磁转

矩T em应与Φ成正比、与I2也成正比，即T em∝Φ·I2。此外转子绕组是一个感性电路，转

子电流I2滞后于感应电动势E2，它们之间的相位差角是。考虑到电动机的电磁转矩对外做

机械功，与有功功率相对应。因此电磁转矩T em还与转子电路的功率因数cos有关，即与

转子电流的有功分量I2cos(与E2同相位的电流分量)成正比。

总结以上分析，可列出异步电动机的电磁转矩方程

式中KT是一个与电动机本身结构有关的系数。该公式是分析异步电动机转矩特性的重

要依据。

2、转矩特性

电磁转矩与转差率之间的关系T em＝(S)称为电动机的转矩特性。可以推得

式中KT’、转子电阻R2、转子不动时的感抗X20都是常数，且X20远大于R2。由于

上式用电机定、转子绕组中的电阻、电抗等参数反映电磁转矩T em和转差率S之间的关系，

所以上式又称之为电磁转矩的参数表达式。

由转矩的表达式(4-5)可知，转差率一定时，电磁转矩与外加电压的平方成正比，即T

em∝U12。因此，电源电压有效值的微小变动，将会引起转矩的很大变化。

当电源电压U1为定值时，电磁转矩T em是转差率S的单值函数。图4-13画出了异步

电动机的转矩特性曲线。

二、三相异步电动机的机械特性

当电源电压U1和转子电路参数为定值时，转速n和电磁转矩T的关系n=f（T）称为

三相异步电动机的机械特性。机械特性曲线可直接从转矩特性曲线变换获得。将图4-15中

的转矩特性曲线顺时针转动90°，并将s换成n就可以得到三相异步电动机的机械特性曲线，

如图4-16所示。

1、四个工作点

在机械特性曲线中要抓住以下几个工作点。

●额定工作点C

三相异步电动机额定状态下运行，转速n=nN，s=sN，轴上的输出转矩即为带动轴上的

额定机械负载的额定转矩TN，额定转矩TN为与额定功率PN和额定转速nN关系可用下式

表示：

式中PN——电动机轴上输出的额定功率（kW）

nN——电动机额定转速（r/min）

TN——电动机上的输出的额定转矩（N?m）

在忽略电动机本身的机械损耗转矩（如轴承摩擦等）的情况下，可以认为电磁转矩TemN

与轴上的输出的额定转矩相等，经推导有

式中P2——电动机轴上输出的机械功率（kW）；

n——电动机转速（r/min）。

2）临界工作点B

从曲线中可以看出，曲线的形状以B点为界，AB段与BC段的变化趋势是完全不同的，

B点就是一个临界点，并且B点对应的电磁转矩即为电机的最大转矩Tm，B点对应的转差

率sm 为临界转差率。

可以证明，产生最大转矩时的临界转差率Sm为

从上两式可见，

●Tm与电源电压U1的平方成正比。

不同U1时的机械特性曲线如图4-15所示。由图可见，对于同一负载转矩T2，当电源

电压U1下降时，电动机转速也随之下降。如果电源电压U1继续下降，使负载转矩T2超

过电动机的最大转矩Tm时，电动机将停止转动，转速n=0。这时电动机电流马上升高到额

定电流的若干倍，电动机将因过热而烧毁，这种现象称为“闷车”或“堵转”。

●最大转矩Tm与转子电阻R2无关，但临界转差率Sm与转子电阻R2成正比。

改变R2能使Sm随之改变，例如增加R2，n＝( T em)曲线便向下移动(如图4-16)。

（3）为了保证电动机在电源电压发生波动时，仍能够可靠运行，一般规定最大转矩Tm

应为额定转矩TN的数倍，用λm表示，称为过载系数，即

（4-12）

过载系数λm表示了电动机允许的短时过载运行能力，是异步电动机的一个重要指标。

λm越大，电动机适应电源电压波动的能力和短时过载的能力就越强。一般三相异步电动机

的过载系数λm为1.8~2.5。

●起动工作点A

电动机起动瞬间，n= 0，s=1，所对应的电磁转矩Tst称为起动转矩。Tst与电源电压U1的平方以及转子电阻R2成正比。

显然，只有在Tst大于负载转矩T2时，电动机才能起动。Tst越大，电动机带负载起动的能力就越强，起动时间也越短。Tst与TN的比值称为起动系数，用Kst表示，即

（4-13）

一般笼形转子异步电动机的Kst约为0.8~2。

由图4-16可见，改变转子电阻R2，可使起动转矩Tst=Tm，这在生产上具有实际的意义。例如绕线转子异步电动机起动时，通过在转子电路中串入适当电阻，不仅可以减小转子电流，还可以起到增加起动转矩的作用。

● 理想空载转速点D

曲线与纵坐标的交点即为理想空载转速点D，此时对应的n=n1为同步转速，s=0，电磁转矩T em=0。但实际运行时，由于存在风阻、摩擦等损耗，所以实际转速略低于同步转速n1，故称D点为理想空载转速点。

2、稳定工作区与非稳定工作区

如图4-14所示，机械特性曲线可分为两部分：BD部分(0Sm)称为不稳定区。电动机稳定运转只限于曲线的BD段。电动机在0

如果电动机在稳定运行中，负载阻转矩增加超过了最大转矩，电动机的运行状态将沿着机械特性曲线的BD部分下降越过B点而进入不稳定区，导致电动机停止运转。因此,最大转矩又称崩溃转矩。

由机械曲线可推知：

（1）异步电动机稳定运行的条件是S

（2）如果从空载到满载时转速变化很小，就称该电动机具有硬机械特性。上述表明，三相异步电动机具有硬机械特性。

（3）需要说明的是，上述负载是不随转速而变化的恒转矩负载，如机床刀架平移机构等，它不能在S〉Sm区域稳定运行；但风机类负载，因其转矩与转速的平方成正比，经分

析，可以在S〉Sm区域稳定运行。