第2章 電動機基本原理與維修技術

2.1　三相異步電動機的機構及工作原理

2.1.1　三相電動機的結構

三相異步電動機由兩個基本組成部分：靜止部分即定子，旋轉部分即轉子。在定子和轉子之間有一很小的間隙，稱為氣隙。圖2-1所示為封閉式三相籠型異步電動機的外形和內部結構圖。

2.1.1.1 定子

三相異步電動機的定子由機座、定子鐵芯和定子繞組等組成。

（1）機座　如圖2-2所示，機座的主要作用是固定和支撐定子鐵芯，所以要求有足夠的機械強度和剛度，還要滿足通風散熱的需要。

（2）定子鐵芯　如圖2-3所示。定子鐵芯的作用是作為電動機中磁路的一部分和放置定子繞組。為了減少磁場在鐵芯中引起的渦流損耗和磁滯損耗，鐵芯一般采用導磁性良好的硅鋼片疊裝壓緊而成，硅鋼片兩面涂有絕緣漆，硅鋼片厚度一般在0.35～0.5mm之間。

（3）定子繞組　定子繞組是定子的電路部分，其主要作用是接三相電源，產生旋轉磁場。三相異步電動機定子繞組有三個獨立的繞組組成，三個繞組的首端分別用A1、V1、W1表示，其對應的末端分別用A2、V2、W2表示，6個端點都從機座上的接線盒中引出。

2.1.1.2 轉子

三相異步電動機的轉子主要由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成。

（1）轉子鐵芯　如圖2-4所示。轉子鐵芯也是作為主磁路的一部分，通常由0.5mm厚的硅鋼片疊裝而成。轉子鐵芯外圓周上有許多均勻分布的槽，槽內安放轉子繞組。轉子鐵芯為圓柱形，固定在轉軸或轉子支架上。

（2）轉子繞組　轉子繞組的作用是產生感應電流以形成電磁轉矩，它分為籠形和繞線式兩種結構。

① 籠形轉子　如圖2-5所示。在轉子的外圓上有若干均勻分布的平行斜槽，每個轉子槽內插入一根導條，在伸出鐵芯的兩端，分別用兩個短路環將導條的兩端聯結起來，若去掉鐵芯，整個繞組的外形就像一個籠，故稱籠形轉子。籠形轉子的導條的材料可用銅或鋁。

② 繞線式轉子　如圖2-6所示。它和定子繞組一樣，也是一個對稱三相繞組，這個三相對稱繞組接成星形，然后把三個出線端分別接到轉子軸上的三個集電環上，再通過電刷把電流引出來，使轉子繞組與外電路接通。繞線式轉子的特點是可以通過集電環和電刷在轉子繞組回路中接入變阻器，用以改善電動機的啟動性能，或者調節電動機的轉速。

2.1.1.3 氣隙

三相異步電動機的氣隙很小，中小型電動機一般為0.2~21mm。氣隙的大小與異步電動機的性能有很大的關系，為了降低空載電流、提高功率因數和增強定子與轉子之間的相互感應作用，三相異步電動機的氣隙應盡量小，但是，氣隙也不能過小，不然會造成裝配困難和運行不安全。

2.1.2　三相交流異步電動機的工作原理

三相異步電動機是利用定子繞組中三相交流電所產生的旋轉磁場與轉子繞組內的感應電流相互作用而工作的。

三相交流電的旋轉磁場

所謂旋轉磁場就是一種極性和大小不變，且以一定轉速旋轉的磁場。由理論分析和實踐證明，在對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電流時會產生旋轉磁場。如圖2-7所示為三相異步電動機最簡單的定子繞組，每相繞組只用一匝線圈來表示。三個線圈在空間位置上相隔120°，作星形連接。

把定子繞組的三個首端A1、V1、W1同三相電源接通，這樣，定子繞組中便有對稱的三相電流i1，i2，i3流過，其波形如圖2-8所示。規定電流的參考方向由首端A1、V1、W1流進，從末端A2、V2、W2流出。

為了分析對稱三相交流電流產生的合成磁場，可以通過研究幾個特定的瞬間來分析整個過程。

當t=0°時，i1=0，第一相繞組（即A1、A2繞組）此時無電流；i2為負值，第二相繞組（即V1、V2繞組）中的實際的電流方向與規定的參考方向相反，也就是說電流從末端V2流入，從首端V1流出；i3為正值，第三相繞組（即W1、W2繞組）中的實際電流方向與規定的參考方向一致，也就是說電流是從首端W1流入，從末端W2流出，如圖2-8（a）所示。運用右手螺旋定則，可確定這一瞬間的合成磁場。從磁力線圖來看，這一合成磁場和一對磁極產生的磁場一樣，相當于一個N極在上、S極在下的兩極磁場，合成磁場的方向此刻是自上而下。

當Ωt=120°時，i1為正值，電流從A1流進，從A2流出；i2=0，i3為負值，電流從W2流進，從W1流出。用同樣的方法可畫出此時的合成磁場，如圖2-8（b）所示。可以看出，合成磁場的方向按順時針方向旋轉了120°。

當Ωt=240°時，i1為負值；i2為正值；i3=0。此時的合成磁場又順時針方向旋轉了120°，如圖2-8（c）所示。

當Ωt=360°時，i1=0；i2為負值；i3為正值。其合成磁場又順時針方向旋轉了120°，如圖2-8（d）所示。此時電流流向與Ωt=0°時一樣，合成磁場與Ωt=0°相比，共轉了360°。

由此可見，隨著定子繞組中三相電流的不斷變化，它所產生的合成磁場也不斷地向一個方向旋轉，當正弦交流電變化一周時，合成磁場在空間也正好旋轉一周。

上述電動機的定子每相只有一個線圈，所得到的是兩極旋轉磁場，相當于一對N、S磁極在旋轉。如果想得到四極旋轉磁場，可以把線圈的數目增加1倍，也就是每相有兩個線圈串聯組成，這兩個線圈在空間相隔180°，這樣定子各線圈在空間相隔60°。當這6個線圈通入三相交流電時，就可以產生具有兩對磁極的旋轉磁場。

具有p對磁極時，旋轉磁場的轉速為：

式中　n1 ——旋轉磁場的轉速（又稱同步轉速），r/min；

　f1 ——定子電流頻率，即電源頻率，Hz；

　p ——旋轉磁場的磁極對數。

國產三相異步電動機的定子電流頻率都為工頻50Hz。同步轉速n1與磁極對數p的關系，見表2-1。

2.1.3　三相異步電動機的銘牌

2.1.3.1 三相異步電動機的銘牌標注

三相異步電動機的銘牌標注如圖2-9所示。在接線盒上方，散熱片之間有一塊長方形的銘牌，電動機的一些數據一般都在電動機銘牌上標出。在修理時可以從銘牌上參考這些數據。

2.1.3.2 銘牌上主要內容意義

（1）型號 型號：Y-200L6-6：Y表示異步電動機，200表示機座的中心高度，L表示機座（M表示中機座、S表示短機座），6表示6極2號鐵芯。電動機產品名稱代號見表2-2。

在電機機座標準中，電機中心高和電機外徑有一定對應關系，而電機中心高或電機外徑是根據電機定子鐵芯的外徑來確定。當電機的類型、品種及額定數據選定后，電機定子鐵芯外徑也就大致定下來，于是電機外形、安裝、冷卻、防護等結構均可選擇確定了。為了方便選用，在表2-3、表2-4中列出了中、小型三相異步電動機的機座號與定子鐵芯外徑及中心高度的關系。

（2）額定功率 額定功率是指在滿載運行時三相電動機軸上所輸出的額定機械功率，用P表示，以千瓦（kW）或瓦（W）為單位。是電動機工作的標準，當負載小于等于10kW時電動機才能正常工作。大于10kW時電動機比較容易損壞。

（3）額定電壓 額定電壓是指接到電動機繞組上的線電壓，用UN表示。三相電動機要求所接的電源電壓值的變動一般不應超過額定電壓的± 5%。電壓高于額定電壓時，電動機在滿載的情況下會引起轉速下降，電流增加使繞組過熱電動機容易燒毀；電壓低于額定電壓時，電動機最大轉矩也會顯著降低，電動機難以啟動即使啟動后電動機也可能帶不動負載，容易燒壞。額定電壓380V是說明該電動機為三相交流電380V供電。

（4）額定電流 額定電流是指三相電動機在額定電源電壓下，輸出額定功率時，流入定子繞組的線電流，用IN表示，以安（A）為單位。若超過額定電流過載運行，三相電動機就會過熱乃至燒毀。

三相異步電動機的額定功率與其他額定數據之間有如下關系式

PN=UNINcosφNηN

式中　cosφN ——額定功率因數；

　ηN ——額定效率。

另外，三相電動機功率與電流的估算可用“1kW電流為2A”的估算方法。例：功率為10kW，電流為20A（實際上略小于20A）。

由于定子繞組的連接方式的不同，額定電壓不同電動機的額定電流也不同。例：一臺額定功率為10kW的三相電動機，其繞組作三角形連接時，額定電壓為220V，額定電流為70A；其繞組作星形連接時額定電壓為380V，額定電流為72A。也就是說銘牌上標明：接法——三角形/星形；額定電壓——220/380V；額定電流——70/72A。

（5）額定頻率 額定頻率是指電動機所接的交流電源每秒鐘內周期變化的次數，用f表示。我國規定標準電源頻率為50Hz。頻率降低時轉速降低定子電流增大。

（6）額定轉速 額定轉速表示三相電動機在額定工作情況下運行時每分鐘的轉速，用nN表示，一般是略小于對應的同步轉速n1。如n1=1500r/min，則nN=1440r/min。異步電動機的額定轉速略低于同步電動機。

（7）接法 接法是指電動機在額定電壓下定子繞組的連接方法。三相電動機定子繞組的連接方法有星形（Y）和三角形（△）兩種。定子繞組的連接只能按規定方法連接，不能任意改變接法，否則會損壞三相電動機。一般在3kW以下的電動機為星形（Y）接法；在4kW以上的電動機為三角形（△）接法。

（8）防護等級 防護等級表示三相電動機外殼的防護等級，其中IP是防護等級標志符號，其后面的兩位數字分別表示電機防固體和防水能力。數字越大，防護能力越強，如IP44中第一位數字“4”表示電機能防止直徑或厚度大于1mm的固體進入電機內殼。第二位數字“4”表示能承受任何方向的濺水。見表2-5。

（9）絕緣等級 絕緣等級是根據電動機的繞組所用的絕緣材料，按照它的允許耐熱程度規定的等級。絕緣材料按其耐熱程度可分為：A、E、B、F、H等級。其中A級允許的耐熱溫度最低60℃，極限溫度是105℃。H等級允許的耐熱溫度最高為125℃，極限溫度是150℃，見表2-6。電動機的工作溫度主要受到絕緣材料的限制。若工作溫度超出絕緣材料所允許的溫度，絕緣材料就會迅速老化使其使用壽命將會大大縮短。修理電動機時所選用的絕緣材料應符合銘牌規定的絕緣等級。根據統計我國各地的絕對最高溫度一般在35～40℃之間，因此在標準中規定+40℃作為冷卻介質的最高標準。溫度的測量主要包括以下三種。

① 冷卻介質溫度測量　所謂冷卻介質是指能夠直接或間接地把定子和轉子繞組、鐵芯以及軸承的熱量帶走的物質；如空氣、水和油類等。靠周圍空氣來冷卻的電機，冷卻空氣的溫度（一般指環境溫度）可用放置在冷卻空氣進放電機途徑中的幾只膨脹式溫度計（不少于2只）測量。溫度計球部所處的位置，離電機1～2m，并不受外來輻射熱及氣流的影響。溫度計宜選用分度為0.2℃或0.5℃、量程為0～50℃為適宜。

② 繞組溫度的測量　電阻法是測定繞組溫升公認的標準方法。1000kW以下的交流電機幾乎都只用電阻法來測量。電阻法是利用電動機的繞組在發熱時電阻的變化，來測量繞組的溫度，具體方法是利用繞組的直流電阻，在溫度升高后電阻值相應增大的關系來確定繞組的溫度，其測得是繞阻溫度的平均值。冷態時的電阻（電機運行前測得的電阻）和熱態時的電阻（運行后測得的電阻）必須在電機同一出線端測得。繞組冷態時的溫度在一般情況下，可以認為與電機周圍環境溫度相等。這樣就可以計算出繞組在熱態的溫度了。

③ 鐵芯溫度的測量　定子鐵芯的溫度可用幾只溫度計沿電機軸向貼附在鐵芯軛部測量，以測得最高溫度。對于封閉式電機，溫度計允許插在機座吊環孔內。鐵芯溫度也可用放在齒底部的銅-康銅熱電偶或電阻溫度計測量。

對于正常運行的電機，理論上在額定負荷下其溫升應與環境溫度的高低無關，但實際上還是受環境溫度等因素影響的。

① 當氣溫下降時，正常電機的溫升會稍許減少。這是因為繞組電阻r下降，銅耗減少。溫度每降1℃，r約降0.4%。

② 對自冷電機，環境溫度每增10℃，則溫升增加1.5～3℃。這是因為繞組銅損隨氣溫上升而增加。所以氣溫變化對大型電機和封閉電機影響較大。

③ 空氣濕度每高10%，因導熱改善，溫升可降0.07～0.38℃，平均為0.19℃。

④ 海拔以1000m為標準，每升100m，溫升增加溫升極限值的1%。

電機其他部位的溫度限度如下。

① 滾動軸承溫度應不超過95℃，滑動軸承的溫度應不超過80℃。因溫度太高會使油質發生變化和破壞油膜。

② 機殼溫度實踐中往往以不燙手為準。

③ 鼠籠轉子表面雜散損耗很大，溫度較高，一般以不危及鄰近絕緣為限。可預先刷上不可逆變色漆來估計。

（10）工作定額 工作定額指電動機的工作方式，即在規定的工作條件下持續時間或工作周期。電動機運行情況根據發熱條件分為三種基本方式：連續運行（S1）、短時運行（S2）、斷續運行（S3）。

連續運行（S1）——按銘牌上規定的功率長期運行，但不允許多次斷續重復使用如水泵、通風機和機床設備上的電動機使用方式都是連續運行。

短時運行（S2）——每次只允許規定的時間內按額定功率運行（標準的負載持續時間為10分鐘、30分鐘、60分鐘和90分鐘），而且再次啟動之前應有符合規定的停機冷卻時間，待電動機完全冷卻后才能正常工作。

斷續運行（S3）——電動機以間歇方式運行，標準負載持續率分為4種：15%、25%、40%、60%。每周期為10分鐘（例如25%為2分鐘半工作，7分鐘半停車）。如吊車和起重機等設備上用的電動機就是斷續運行方式。

（11）噪聲限值 噪聲指標是Y系列電動機的一項新增加的考核項目。電動機噪聲限值分為N級（普通級）、R級（一級）、S級（優等級）和E級（低噪聲級）4個級別。R級噪聲限值比N級低5dB（分貝），S級噪聲限值比N級低10dB，E級噪聲限值比N級低15dB，表2-7中列出了N級的噪聲限值。

（12）標準編號 標準編號表示電動機所執行的技術標準。其中“GB”為國家標準，“JB”為機械部標準，后面的數字是標準文件的編號。各種型號的電動機均按有關標準進行生產。

（13）出廠編號及日期 這是指電動機出廠時的編號及生產日期。據此可以直接向廠家索要該電動機的有關資料，以供使用和維修時做參考。