課題一 認(rèn)識(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)

交流電動(dòng)機(jī)有同步和異步之分。異步電動(dòng)機(jī)按相數(shù)不同，可分為三相異步電動(dòng)機(jī)和單相異步電動(dòng)機(jī)；按其轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，又可分為籠型和繞線型，其中籠型三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在生產(chǎn)機(jī)械中應(yīng)用廣泛。本課題主要介紹三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定良好基礎(chǔ)。

一、三相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

籠型三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成，如圖1-1所示。

圖1-1中，定子是靜止不動(dòng)的部分，由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座組成。定子鐵芯為圓筒形，由互相絕緣的硅鋼片疊成，鐵芯內(nèi)圓表面的槽中放置對稱的三相繞組U1U2、V1V2、W1W2。

轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。其中轉(zhuǎn)子鐵芯為圓柱形，也用硅鋼片疊成，表面的槽中放置由銅條或鋁液澆鑄而成的籠型轉(zhuǎn)子繞組。

繞線型三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組一樣，是由線圈組成繞組放入轉(zhuǎn)子鐵芯槽里形成的，可以通過電刷和集電環(huán)外串電阻以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小和相位的方式進(jìn)行調(diào)速。繞線型異步電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。

二、三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

籠型與繞線型異步電動(dòng)機(jī)只是在轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)上不同，它們的工作原理是一樣的。電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組U1U2、V1V2、W1W2可以連接成星形也可以連接成三角形，如圖1-3所示。

假設(shè)將定子繞組連接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流，其波形如圖1-4所示。

用瞬時(shí)表達(dá)式描述上述三相對稱電流，則分別為

iU=Imsinωt

iV=Imsin（ωt-120°）

iW=Imsin（ωt+120°）

三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場，如圖1-5所示。

旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，便在其中感應(yīng)出電動(dòng)勢和電流，如圖1-6所示。

圖1-6中，感應(yīng)電動(dòng)勢的方向可由右手定則確定。轉(zhuǎn)子導(dǎo)體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力F并施加于導(dǎo)體上，電磁力F的方向可由左手定則確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來。

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率f1和磁場的磁極對數(shù)p，對應(yīng)計(jì)算公式為

式中，n0的單位為r/min。

由工作原理可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n必然小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0，即所謂“異步”。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率s進(jìn)行描述，對應(yīng)計(jì)算公式為

一般異步電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)差率約為1%～9%。

對轉(zhuǎn)差率計(jì)算公式進(jìn)行變換，可得到三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

三、三相異步電動(dòng)機(jī)的銘牌

銘牌是電動(dòng)機(jī)的身份證，認(rèn)識(shí)和了解電動(dòng)機(jī)銘牌中有關(guān)技術(shù)參數(shù)的作用和意義，可以幫助用戶正確地選擇、使用和維護(hù)電動(dòng)機(jī)。圖1-7所示為我國使用最多的系列三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌的一個(gè)實(shí)例。

1. 型號

如Y-112M-4，其中各字母、數(shù)字的含義見圖1-7。

2. 額定值

（1）額定功率PN。指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率，單位為kW。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的額定功率為4.0kW。

（2）額定電壓UN。指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下加在定子繞組上的線電壓，單位為V。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的額定電壓為380V。

（3）額定電流IN。指電動(dòng)機(jī)在定子繞組上施加額定電壓、電動(dòng)機(jī)軸上輸出額定功率時(shí)的線電流，單位為A。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的額定電流為8.7A。

（4）額定頻率fN。指電動(dòng)機(jī)在額定運(yùn)行狀態(tài)下加在定子繞組上的三相交流電源的頻率。我國規(guī)定工業(yè)用電的頻率為50Hz，有些國家采用60Hz。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的額定頻率為50Hz。

（5）額定轉(zhuǎn)速nN。指電動(dòng)機(jī)定子施加額定頻率的額定電壓、軸端輸出額定功率時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1440r/min。

3. 噪聲值

噪聲值是指電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)的最大噪聲。一般電動(dòng)機(jī)功率越大，磁極數(shù)越少，額定轉(zhuǎn)速越高，噪聲越大。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的噪聲值為74dB（A）。

4. 工作制式

工作制式是指電動(dòng)機(jī)允許工作的方式，共有S1～S10十種工作制式。其中S1為連續(xù)工作制式；S2為短時(shí)工作制式；其他為不同周期或者非周期工作制式。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的工作制式為S1。

5. 絕緣等級

絕緣等級與電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的絕緣材料和電動(dòng)機(jī)允許工作的最高溫度有關(guān)，共分A、B、D、F、H五種等級。其中A級最低，H級最高。在環(huán)境溫度額定為40℃時(shí)，A級允許的最高溫度為65℃，H級允許的最高溫度為130℃。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的絕緣等級為B。

6. 接線方式

三相異步電動(dòng)機(jī)引出線接線方式如圖1-8所示。

由圖1-8可見，三相異步電動(dòng)機(jī)引出線的接線方式有/△（星形／三角形）兩種。圖1-7所示型號電動(dòng)機(jī)的接線方式為△連接。

需要指出的是，有些電動(dòng)機(jī)可以兩種連接方式切換工作，但是要注意工作電壓，防止錯(cuò)誤接線燒毀電動(dòng)機(jī)。此外，高壓大、中型容量的異步電動(dòng)機(jī)定子繞組常采用連接，只有三根引出線。對于中、小容量低壓異步電動(dòng)機(jī)，通常把定子三相繞組的六根出線頭都引出來，根據(jù)需要可接成連接或△連接。

7. 防護(hù)等級

IP為防護(hù)代號，第一位數(shù)字（0～6）規(guī)定了電動(dòng)機(jī)防固體的等級標(biāo)準(zhǔn)，第二位數(shù)字（0～8）規(guī)定了電動(dòng)機(jī)防液體的等級標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字越大，防護(hù)等級越高，如IP00為無防護(hù)。

8. 其他

除了上述重要技術(shù)參數(shù)外，電動(dòng)機(jī)銘牌一般還給出商標(biāo)、出廠編號、質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)編號和出廠日期等參數(shù)。

此外，對于繞線型異步電動(dòng)機(jī)還必須標(biāo)明轉(zhuǎn)子繞組接法、轉(zhuǎn)子額定電動(dòng)勢及轉(zhuǎn)子額定電流。有些還標(biāo)明了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻，有些特殊電動(dòng)機(jī)還標(biāo)明了冷卻方式等。

四、三相異步電動(dòng)機(jī)的選用及維護(hù)

三相異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品種類繁多，性能各異。合理選用及維護(hù)保養(yǎng)三相異步電動(dòng)機(jī)，是電氣工程類技術(shù)人員的必備技能。

1. 三相異步電動(dòng)機(jī)的選用

正確選用三相異步電動(dòng)機(jī)直接關(guān)系到人身的安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行。下面介紹選用三相異步電動(dòng)機(jī)一般應(yīng)遵循的原則。

1）按現(xiàn)有的電源供電方式及容量選擇電機(jī)額定電壓及功率

（1）目前我國供電電網(wǎng)頻率為50Hz，主要常用電壓等級有110V、220V、380V、660V、1000V（1140V）、3000V、6000V、10000V。

（2）電動(dòng)機(jī)功率除了應(yīng)滿足拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載要求外，還應(yīng)考慮是否具備足夠容量的供電網(wǎng)絡(luò)。

2）電機(jī)類型選擇

電機(jī)類型的選擇要考慮使用要求、運(yùn)行地點(diǎn)環(huán)境污染情況和氣候條件等因素。

3）外殼防護(hù)等級選擇

外殼防護(hù)等級的選擇直接涉及人身安全和設(shè)備的可靠運(yùn)行，應(yīng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)使用場合、防止人體接觸到電機(jī)內(nèi)部危險(xiǎn)部件、防止固體異物進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)、防止水進(jìn)入殼內(nèi)對電機(jī)造成有害影響來選擇。

電機(jī)外殼防護(hù)等級由字母IP加二位特征數(shù)字組成，第一位特征數(shù)字表示防固體，第二位特征數(shù)字表示防液體。

如IP44：第一位特征數(shù)字是表示防護(hù)大于1mm的固體進(jìn)入電機(jī)，能防止直徑或厚度大于1mm的導(dǎo)線或直條觸及或接近機(jī)殼內(nèi)帶電或轉(zhuǎn)動(dòng)部件；第二位特征數(shù)字是表示防濺水，即電機(jī)能承受任何方向的濺水而無有害影響。

又如IP23：第一位特征數(shù)字是表示防護(hù)大于12mm的固體進(jìn)入電機(jī)，能防止手指或長度不超過80mm的類似物體觸及或接近機(jī)殼內(nèi)帶電或轉(zhuǎn)動(dòng)部件，能防止大于12mm的固體異物進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)；第二位特征數(shù)字是表示防滴水，即與垂直線成60°角范圍內(nèi)的滴水應(yīng)無有害影響。

以上特征數(shù)字越大即表示防護(hù)等級越高，詳情可查閱GB/T4942.1—2001《旋轉(zhuǎn)電機(jī)外殼防護(hù)分級（IP代碼）》標(biāo)準(zhǔn)。

4）安裝結(jié)構(gòu)形式選擇

應(yīng)按配套設(shè)備的安裝要求選用合適的電機(jī)安裝形式，安裝形式采用代號IM作為國際統(tǒng)一標(biāo)注形式。大寫字母B代表臥式安裝，V代表立式安裝，再用1位或2位阿拉伯?dāng)?shù)字表示結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和類型。一般臥式安裝形式表示為IMB3，即兩個(gè)端蓋，有機(jī)底、底腳，有軸伸，安裝在基礎(chǔ)構(gòu)件上；一般立式安裝形式表示為IMV1，即兩個(gè)端蓋，無底腳，軸伸向下，端蓋上帶凸緣，凸緣帶有通孔，凸緣在電機(jī)的傳動(dòng)端，借凸緣在底部安裝。其他安裝結(jié)構(gòu)可查閱GB/T 997—2003《旋轉(zhuǎn)電機(jī)結(jié)構(gòu)及安裝形式（IM代號）》標(biāo)準(zhǔn)。

5）綜合選擇

綜合考慮投資及運(yùn)行費(fèi)用，應(yīng)使整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、合理、可靠和安全。

2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)包括啟動(dòng)前的準(zhǔn)備、檢查和運(yùn)行中的維護(hù)。

1）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前的準(zhǔn)備和檢查

（1）檢查電動(dòng)機(jī)及啟動(dòng)設(shè)備接地是否可靠和完整，接線是否正確與良好。

（2）檢查電動(dòng)機(jī)銘牌所示電壓、頻率與電源電壓、頻率是否相符。

（3）新安裝或長期停用的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前應(yīng)檢查繞組相對相、相對地絕緣電阻。絕緣電阻應(yīng)大于0.5MΩ，如果低于此值，須將繞組烘干。

（4）對繞線型轉(zhuǎn)子應(yīng)檢查其集電環(huán)上的電刷裝置是否能正常工作，電刷壓力是否符合要求。

（5）檢查電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，滾動(dòng)軸承內(nèi)的油是否達(dá)到規(guī)定油位。

（6）檢查電動(dòng)機(jī)所用熔斷器的額定電流是否符合要求。

（7）檢查電動(dòng)機(jī)各緊固螺栓及安裝螺栓是否擰緊。

上述各檢查全部達(dá)到要求后，可啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，空載運(yùn)行約30min，注意觀察電動(dòng)機(jī)是否有異常現(xiàn)象。如發(fā)現(xiàn)噪聲、震動(dòng)、發(fā)熱等不正常情況，應(yīng)采取措施，待情況消除后，才能投入運(yùn)行。

啟動(dòng)繞線型電動(dòng)機(jī)時(shí)，應(yīng)將啟動(dòng)變阻器接入轉(zhuǎn)子電路中。對有電刷提升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)，應(yīng)放下電刷，并斷開短路裝置，合上定子電路開關(guān)，扳動(dòng)變阻器。當(dāng)電動(dòng)機(jī)接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，提起電刷，合上短路裝置，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢。

2）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的維護(hù)

（1）電動(dòng)機(jī)應(yīng)經(jīng)常保持清潔，不允許有雜物進(jìn)入電動(dòng)機(jī)內(nèi)部；進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口必須保持暢通。

（2）用儀表監(jiān)視電源電壓、頻率及電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流。電源電壓、頻率要符合電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)，電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流不得超過銘牌上的規(guī)定值，否則要查明原因，采取措施，待不良情況消除后方能繼續(xù)運(yùn)行。

（3）采取必要手段檢測電動(dòng)機(jī)各部位溫升。

（4）對于繞線型電動(dòng)機(jī)，應(yīng)經(jīng)常注意電刷與集電環(huán)間的接觸壓力、磨損及火花情況。電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)斷開定子電路內(nèi)的開關(guān)，然后將電刷提升機(jī)構(gòu)扳到啟動(dòng)位置，斷開短路裝置。

（5）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行后定期維修，一般分小修、大修兩種。小修屬一般檢修，對電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)設(shè)備及整體不做大的拆卸，約一季度一次；大修要將所有傳動(dòng)裝置及電動(dòng)機(jī)的所有零部件都拆卸下來，并將拆卸的零部件做全面的檢查及清洗，一般一年一次。

思考與練習(xí)

1. 簡述交流電動(dòng)機(jī)的分類方法。

2. 三相異步電動(dòng)機(jī)主要由哪些部分組成？各部分作用是什么？

3. 簡述三相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理。

4. 三相異步電動(dòng)機(jī)銘牌主要包括哪些技術(shù)參數(shù)？

5. 簡述三相異步電動(dòng)機(jī)的選用原則。