第2章 电动机基本原理与维修技术

2.1　三相异步电动机的机构及工作原理

2.1.1　三相电动机的结构

三相异步电动机由两个基本组成部分：静止部分即定子，旋转部分即转子。在定子和转子之间有一很小的间隙，称为气隙。图2-1所示为封闭式三相笼型异步电动机的外形和内部结构图。

2.1.1.1 定子

三相异步电动机的定子由机座、定子铁芯和定子绕组等组成。

（1）机座　如图2-2所示，机座的主要作用是固定和支撑定子铁芯，所以要求有足够的机械强度和刚度，还要满足通风散热的需要。

（2）定子铁芯　如图2-3所示。定子铁芯的作用是作为电动机中磁路的一部分和放置定子绕组。为了减少磁场在铁芯中引起的涡流损耗和磁滞损耗，铁芯一般采用导磁性良好的硅钢片叠装压紧而成，硅钢片两面涂有绝缘漆，硅钢片厚度一般在0.35～0.5mm之间。

（3）定子绕组　定子绕组是定子的电路部分，其主要作用是接三相电源，产生旋转磁场。三相异步电动机定子绕组有三个独立的绕组组成，三个绕组的首端分别用A1、V1、W1表示，其对应的末端分别用A2、V2、W2表示，6个端点都从机座上的接线盒中引出。

2.1.1.2 转子

三相异步电动机的转子主要由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。

（1）转子铁芯　如图2-4所示。转子铁芯也是作为主磁路的一部分，通常由0.5mm厚的硅钢片叠装而成。转子铁芯外圆周上有许多均匀分布的槽，槽内安放转子绕组。转子铁芯为圆柱形，固定在转轴或转子支架上。

（2）转子绕组　转子绕组的作用是产生感应电流以形成电磁转矩，它分为笼形和绕线式两种结构。

① 笼形转子　如图2-5所示。在转子的外圆上有若干均匀分布的平行斜槽，每个转子槽内插入一根导条，在伸出铁芯的两端，分别用两个短路环将导条的两端联结起来，若去掉铁芯，整个绕组的外形就像一个笼，故称笼形转子。笼形转子的导条的材料可用铜或铝。

② 绕线式转子　如图2-6所示。它和定子绕组一样，也是一个对称三相绕组，这个三相对称绕组接成星形，然后把三个出线端分别接到转子轴上的三个集电环上，再通过电刷把电流引出来，使转子绕组与外电路接通。绕线式转子的特点是可以通过集电环和电刷在转子绕组回路中接入变阻器，用以改善电动机的启动性能，或者调节电动机的转速。

2.1.1.3 气隙

三相异步电动机的气隙很小，中小型电动机一般为0.2~21mm。气隙的大小与异步电动机的性能有很大的关系，为了降低空载电流、提高功率因数和增强定子与转子之间的相互感应作用，三相异步电动机的气隙应尽量小，但是，气隙也不能过小，不然会造成装配困难和运行不安全。

2.1.2　三相交流异步电动机的工作原理

三相异步电动机是利用定子绕组中三相交流电所产生的旋转磁场与转子绕组内的感应电流相互作用而工作的。

三相交流电的旋转磁场

所谓旋转磁场就是一种极性和大小不变，且以一定转速旋转的磁场。由理论分析和实践证明，在对称的三相绕组中通入对称的三相交流电流时会产生旋转磁场。如图2-7所示为三相异步电动机最简单的定子绕组，每相绕组只用一匝线圈来表示。三个线圈在空间位置上相隔120°，作星形连接。

把定子绕组的三个首端A1、V1、W1同三相电源接通，这样，定子绕组中便有对称的三相电流i1，i2，i3流过，其波形如图2-8所示。规定电流的参考方向由首端A1、V1、W1流进，从末端A2、V2、W2流出。

为了分析对称三相交流电流产生的合成磁场，可以通过研究几个特定的瞬间来分析整个过程。

当t=0°时，i1=0，第一相绕组（即A1、A2绕组）此时无电流；i2为负值，第二相绕组（即V1、V2绕组）中的实际的电流方向与规定的参考方向相反，也就是说电流从末端V2流入，从首端V1流出；i3为正值，第三相绕组（即W1、W2绕组）中的实际电流方向与规定的参考方向一致，也就是说电流是从首端W1流入，从末端W2流出，如图2-8（a）所示。运用右手螺旋定则，可确定这一瞬间的合成磁场。从磁力线图来看，这一合成磁场和一对磁极产生的磁场一样，相当于一个N极在上、S极在下的两极磁场，合成磁场的方向此刻是自上而下。

当Ωt=120°时，i1为正值，电流从A1流进，从A2流出；i2=0，i3为负值，电流从W2流进，从W1流出。用同样的方法可画出此时的合成磁场，如图2-8（b）所示。可以看出，合成磁场的方向按顺时针方向旋转了120°。

当Ωt=240°时，i1为负值；i2为正值；i3=0。此时的合成磁场又顺时针方向旋转了120°，如图2-8（c）所示。

当Ωt=360°时，i1=0；i2为负值；i3为正值。其合成磁场又顺时针方向旋转了120°，如图2-8（d）所示。此时电流流向与Ωt=0°时一样，合成磁场与Ωt=0°相比，共转了360°。

由此可见，随着定子绕组中三相电流的不断变化，它所产生的合成磁场也不断地向一个方向旋转，当正弦交流电变化一周时，合成磁场在空间也正好旋转一周。

上述电动机的定子每相只有一个线圈，所得到的是两极旋转磁场，相当于一对N、S磁极在旋转。如果想得到四极旋转磁场，可以把线圈的数目增加1倍，也就是每相有两个线圈串联组成，这两个线圈在空间相隔180°，这样定子各线圈在空间相隔60°。当这6个线圈通入三相交流电时，就可以产生具有两对磁极的旋转磁场。

具有p对磁极时，旋转磁场的转速为：

式中　n1 ——旋转磁场的转速（又称同步转速），r/min；

　f1 ——定子电流频率，即电源频率，Hz；

　p ——旋转磁场的磁极对数。

国产三相异步电动机的定子电流频率都为工频50Hz。同步转速n1与磁极对数p的关系，见表2-1。

2.1.3　三相异步电动机的铭牌

2.1.3.1 三相异步电动机的铭牌标注

三相异步电动机的铭牌标注如图2-9所示。在接线盒上方，散热片之间有一块长方形的铭牌，电动机的一些数据一般都在电动机铭牌上标出。在修理时可以从铭牌上参考这些数据。

2.1.3.2 铭牌上主要内容意义

（1）型号 型号：Y-200L6-6：Y表示异步电动机，200表示机座的中心高度，L表示机座（M表示中机座、S表示短机座），6表示6极2号铁芯。电动机产品名称代号见表2-2。

在电机机座标准中，电机中心高和电机外径有一定对应关系，而电机中心高或电机外径是根据电机定子铁芯的外径来确定。当电机的类型、品种及额定数据选定后，电机定子铁芯外径也就大致定下来，于是电机外形、安装、冷却、防护等结构均可选择确定了。为了方便选用，在表2-3、表2-4中列出了中、小型三相异步电动机的机座号与定子铁芯外径及中心高度的关系。

（2）额定功率 额定功率是指在满载运行时三相电动机轴上所输出的额定机械功率，用P表示，以千瓦（kW）或瓦（W）为单位。是电动机工作的标准，当负载小于等于10kW时电动机才能正常工作。大于10kW时电动机比较容易损坏。

（3）额定电压 额定电压是指接到电动机绕组上的线电压，用UN表示。三相电动机要求所接的电源电压值的变动一般不应超过额定电压的± 5%。电压高于额定电压时，电动机在满载的情况下会引起转速下降，电流增加使绕组过热电动机容易烧毁；电压低于额定电压时，电动机最大转矩也会显著降低，电动机难以启动即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。额定电压380V是说明该电动机为三相交流电380V供电。

（4）额定电流 额定电流是指三相电动机在额定电源电压下，输出额定功率时，流入定子绕组的线电流，用IN表示，以安（A）为单位。若超过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。

三相异步电动机的额定功率与其他额定数据之间有如下关系式

PN=UNINcosφNηN

式中　cosφN ——额定功率因数；

　ηN ——额定效率。

另外，三相电动机功率与电流的估算可用“1kW电流为2A”的估算方法。例：功率为10kW，电流为20A（实际上略小于20A）。

由于定子绕组的连接方式的不同，额定电压不同电动机的额定电流也不同。例：一台额定功率为10kW的三相电动机，其绕组作三角形连接时，额定电压为220V，额定电流为70A；其绕组作星形连接时额定电压为380V，额定电流为72A。也就是说铭牌上标明：接法——三角形/星形；额定电压——220/380V；额定电流——70/72A。

（5）额定频率 额定频率是指电动机所接的交流电源每秒钟内周期变化的次数，用f表示。我国规定标准电源频率为50Hz。频率降低时转速降低定子电流增大。

（6）额定转速 额定转速表示三相电动机在额定工作情况下运行时每分钟的转速，用nN表示，一般是略小于对应的同步转速n1。如n1=1500r/min，则nN=1440r/min。异步电动机的额定转速略低于同步电动机。

（7）接法 接法是指电动机在额定电压下定子绕组的连接方法。三相电动机定子绕组的连接方法有星形（Y）和三角形（△）两种。定子绕组的连接只能按规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电动机。一般在3kW以下的电动机为星形（Y）接法；在4kW以上的电动机为三角形（△）接法。

（8）防护等级 防护等级表示三相电动机外壳的防护等级，其中IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电机防固体和防水能力。数字越大，防护能力越强，如IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1mm的固体进入电机内壳。第二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。见表2-5。

（9）绝缘等级 绝缘等级是根据电动机的绕组所用的绝缘材料，按照它的允许耐热程度规定的等级。绝缘材料按其耐热程度可分为：A、E、B、F、H等级。其中A级允许的耐热温度最低60℃，极限温度是105℃。H等级允许的耐热温度最高为125℃，极限温度是150℃，见表2-6。电动机的工作温度主要受到绝缘材料的限制。若工作温度超出绝缘材料所允许的温度，绝缘材料就会迅速老化使其使用寿命将会大大缩短。修理电动机时所选用的绝缘材料应符合铭牌规定的绝缘等级。根据统计我国各地的绝对最高温度一般在35～40℃之间，因此在标准中规定+40℃作为冷却介质的最高标准。温度的测量主要包括以下三种。

① 冷却介质温度测量　所谓冷却介质是指能够直接或间接地把定子和转子绕组、铁芯以及轴承的热量带走的物质；如空气、水和油类等。靠周围空气来冷却的电机，冷却空气的温度（一般指环境温度）可用放置在冷却空气进放电机途径中的几只膨胀式温度计（不少于2只）测量。温度计球部所处的位置，离电机1～2m，并不受外来辐射热及气流的影响。温度计宜选用分度为0.2℃或0.5℃、量程为0～50℃为适宜。

② 绕组温度的测量　电阻法是测定绕组温升公认的标准方法。1000kW以下的交流电机几乎都只用电阻法来测量。电阻法是利用电动机的绕组在发热时电阻的变化，来测量绕组的温度，具体方法是利用绕组的直流电阻，在温度升高后电阻值相应增大的关系来确定绕组的温度，其测得是绕阻温度的平均值。冷态时的电阻（电机运行前测得的电阻）和热态时的电阻（运行后测得的电阻）必须在电机同一出线端测得。绕组冷态时的温度在一般情况下，可以认为与电机周围环境温度相等。这样就可以计算出绕组在热态的温度了。

③ 铁芯温度的测量　定子铁芯的温度可用几只温度计沿电机轴向贴附在铁芯轭部测量，以测得最高温度。对于封闭式电机，温度计允许插在机座吊环孔内。铁芯温度也可用放在齿底部的铜-康铜热电偶或电阻温度计测量。

对于正常运行的电机，理论上在额定负荷下其温升应与环境温度的高低无关，但实际上还是受环境温度等因素影响的。

① 当气温下降时，正常电机的温升会稍许减少。这是因为绕组电阻r下降，铜耗减少。温度每降1℃，r约降0.4%。

② 对自冷电机，环境温度每增10℃，则温升增加1.5～3℃。这是因为绕组铜损随气温上升而增加。所以气温变化对大型电机和封闭电机影响较大。

③ 空气湿度每高10%，因导热改善，温升可降0.07～0.38℃，平均为0.19℃。

④ 海拔以1000m为标准，每升100m，温升增加温升极限值的1%。

电机其他部位的温度限度如下。

① 滚动轴承温度应不超过95℃，滑动轴承的温度应不超过80℃。因温度太高会使油质发生变化和破坏油膜。

② 机壳温度实践中往往以不烫手为准。

③ 鼠笼转子表面杂散损耗很大，温度较高，一般以不危及邻近绝缘为限。可预先刷上不可逆变色漆来估计。

（10）工作定额 工作定额指电动机的工作方式，即在规定的工作条件下持续时间或工作周期。电动机运行情况根据发热条件分为三种基本方式：连续运行（S1）、短时运行（S2）、断续运行（S3）。

连续运行（S1）——按铭牌上规定的功率长期运行，但不允许多次断续重复使用如水泵、通风机和机床设备上的电动机使用方式都是连续运行。

短时运行（S2）——每次只允许规定的时间内按额定功率运行（标准的负载持续时间为10分钟、30分钟、60分钟和90分钟），而且再次启动之前应有符合规定的停机冷却时间，待电动机完全冷却后才能正常工作。

断续运行（S3）——电动机以间歇方式运行，标准负载持续率分为4种：15%、25%、40%、60%。每周期为10分钟（例如25%为2分钟半工作，7分钟半停车）。如吊车和起重机等设备上用的电动机就是断续运行方式。

（11）噪声限值 噪声指标是Y系列电动机的一项新增加的考核项目。电动机噪声限值分为N级（普通级）、R级（一级）、S级（优等级）和E级（低噪声级）4个级别。R级噪声限值比N级低5dB（分贝），S级噪声限值比N级低10dB，E级噪声限值比N级低15dB，表2-7中列出了N级的噪声限值。

（12）标准编号 标准编号表示电动机所执行的技术标准。其中“GB”为国家标准，“JB”为机械部标准，后面的数字是标准文件的编号。各种型号的电动机均按有关标准进行生产。

（13）出厂编号及日期 这是指电动机出厂时的编号及生产日期。据此可以直接向厂家索要该电动机的有关资料，以供使用和维修时做参考。