课题一 认识三相异步电动机

交流电动机有同步和异步之分。异步电动机按相数不同，可分为三相异步电动机和单相异步电动机；按其转子结构不同，又可分为笼型和绕线型，其中笼型三相异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格低廉、维护方便等特点，在生产机械中应用广泛。本课题主要介绍三相异步电动机的基本结构与工作原理，为后续学习奠定良好基础。

一、三相异步电动机的基本结构

笼型三相异步电动机由定子和转子两个基本部分组成，如图1-1所示。

图1-1中，定子是静止不动的部分，由定子铁芯、定子绕组和机座组成。定子铁芯为圆筒形，由互相绝缘的硅钢片叠成，铁芯内圆表面的槽中放置对称的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2。

转子是旋转部分，由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。其中转子铁芯为圆柱形，也用硅钢片叠成，表面的槽中放置由铜条或铝液浇铸而成的笼型转子绕组。

绕线型三相异步电动机的转子绕组与定子绕组一样，是由线圈组成绕组放入转子铁芯槽里形成的，可以通过电刷和集电环外串电阻以调节转子电流的大小和相位的方式进行调速。绕线型异步电动机基本结构如图1-2所示。

二、三相异步电动机的工作原理

笼型与绕线型异步电动机只是在转子的结构上不同，它们的工作原理是一样的。电动机定子的三相绕组U1U2、V1V2、W1W2可以连接成星形也可以连接成三角形，如图1-3所示。

假设将定子绕组连接成星形，并接在三相电源上，绕组中便通入三相对称电流，其波形如图1-4所示。

用瞬时表达式描述上述三相对称电流，则分别为

iU=Imsinωt

iV=Imsin（ωt-120°）

iW=Imsin（ωt+120°）

三相电流共同产生的合成磁场将随着电流的交变而在空间不断地旋转，即形成所谓的旋转磁场，如图1-5所示。

旋转磁场切割转子导体，便在其中感应出电动势和电流，如图1-6所示。

图1-6中，感应电动势的方向可由右手定则确定。转子导体电流与旋转磁场相互作用便产生电磁力F并施加于导体上，电磁力F的方向可由左手定则确定。由电磁力产生电磁转矩，从而使电动机转子转动起来。

旋转磁场的转速n0称为同步转速，其大小取决于电流频率f1和磁场的磁极对数p，对应计算公式为

式中，n0的单位为r/min。

由工作原理可知，转子的转速n必然小于旋转磁场的转速n0，即所谓“异步”。二者相差的程度用转差率s进行描述，对应计算公式为

一般异步电动机在额定负载时的转差率约为1%～9%。

对转差率计算公式进行变换，可得到三相异步电动机转子转速计算公式为

三、三相异步电动机的铭牌

铭牌是电动机的身份证，认识和了解电动机铭牌中有关技术参数的作用和意义，可以帮助用户正确地选择、使用和维护电动机。图1-7所示为我国使用最多的系列三相异步电动机铭牌的一个实例。

1. 型号

如Y-112M-4，其中各字母、数字的含义见图1-7。

2. 额定值

（1）额定功率PN。指电动机在额定运行时，电动机轴上输出的机械功率，单位为kW。图1-7所示型号电动机的额定功率为4.0kW。

（2）额定电压UN。指电动机在额定运行状态下加在定子绕组上的线电压，单位为V。图1-7所示型号电动机的额定电压为380V。

（3）额定电流IN。指电动机在定子绕组上施加额定电压、电动机轴上输出额定功率时的线电流，单位为A。图1-7所示型号电动机的额定电流为8.7A。

（4）额定频率fN。指电动机在额定运行状态下加在定子绕组上的三相交流电源的频率。我国规定工业用电的频率为50Hz，有些国家采用60Hz。图1-7所示型号电动机的额定频率为50Hz。

（5）额定转速nN。指电动机定子施加额定频率的额定电压、轴端输出额定功率时电动机的转速，单位为r/min。图1-7所示型号电动机的额定转速为1440r/min。

3. 噪声值

噪声值是指电动机在运行时的最大噪声。一般电动机功率越大，磁极数越少，额定转速越高，噪声越大。图1-7所示型号电动机的噪声值为74dB（A）。

4. 工作制式

工作制式是指电动机允许工作的方式，共有S1～S10十种工作制式。其中S1为连续工作制式；S2为短时工作制式；其他为不同周期或者非周期工作制式。图1-7所示型号电动机的工作制式为S1。

5. 绝缘等级

绝缘等级与电动机内部的绝缘材料和电动机允许工作的最高温度有关，共分A、B、D、F、H五种等级。其中A级最低，H级最高。在环境温度额定为40℃时，A级允许的最高温度为65℃，H级允许的最高温度为130℃。图1-7所示型号电动机的绝缘等级为B。

6. 接线方式

三相异步电动机引出线接线方式如图1-8所示。

由图1-8可见，三相异步电动机引出线的接线方式有/△（星形／三角形）两种。图1-7所示型号电动机的接线方式为△连接。

需要指出的是，有些电动机可以两种连接方式切换工作，但是要注意工作电压，防止错误接线烧毁电动机。此外，高压大、中型容量的异步电动机定子绕组常采用连接，只有三根引出线。对于中、小容量低压异步电动机，通常把定子三相绕组的六根出线头都引出来，根据需要可接成连接或△连接。

7. 防护等级

IP为防护代号，第一位数字（0～6）规定了电动机防固体的等级标准，第二位数字（0～8）规定了电动机防液体的等级标准。数字越大，防护等级越高，如IP00为无防护。

8. 其他

除了上述重要技术参数外，电动机铭牌一般还给出商标、出厂编号、质量、标准编号和出厂日期等参数。

此外，对于绕线型异步电动机还必须标明转子绕组接法、转子额定电动势及转子额定电流。有些还标明了电动机的转子电阻，有些特殊电动机还标明了冷却方式等。

四、三相异步电动机的选用及维护

三相异步电动机产品种类繁多，性能各异。合理选用及维护保养三相异步电动机，是电气工程类技术人员的必备技能。

1. 三相异步电动机的选用

正确选用三相异步电动机直接关系到人身的安全和设备的可靠运行。下面介绍选用三相异步电动机一般应遵循的原则。

1）按现有的电源供电方式及容量选择电机额定电压及功率

（1）目前我国供电电网频率为50Hz，主要常用电压等级有110V、220V、380V、660V、1000V（1140V）、3000V、6000V、10000V。

（2）电动机功率除了应满足拖动的机械负载要求外，还应考虑是否具备足够容量的供电网络。

2）电机类型选择

电机类型的选择要考虑使用要求、运行地点环境污染情况和气候条件等因素。

3）外壳防护等级选择

外壳防护等级的选择直接涉及人身安全和设备的可靠运行，应根据电动机使用场合、防止人体接触到电机内部危险部件、防止固体异物进入机壳内、防止水进入壳内对电机造成有害影响来选择。

电机外壳防护等级由字母IP加二位特征数字组成，第一位特征数字表示防固体，第二位特征数字表示防液体。

如IP44：第一位特征数字是表示防护大于1mm的固体进入电机，能防止直径或厚度大于1mm的导线或直条触及或接近机壳内带电或转动部件；第二位特征数字是表示防溅水，即电机能承受任何方向的溅水而无有害影响。

又如IP23：第一位特征数字是表示防护大于12mm的固体进入电机，能防止手指或长度不超过80mm的类似物体触及或接近机壳内带电或转动部件，能防止大于12mm的固体异物进入机壳内；第二位特征数字是表示防滴水，即与垂直线成60°角范围内的滴水应无有害影响。

以上特征数字越大即表示防护等级越高，详情可查阅GB/T4942.1—2001《旋转电机外壳防护分级（IP代码）》标准。

4）安装结构形式选择

应按配套设备的安装要求选用合适的电机安装形式，安装形式采用代号IM作为国际统一标注形式。大写字母B代表卧式安装，V代表立式安装，再用1位或2位阿拉伯数字表示结构特点和类型。一般卧式安装形式表示为IMB3，即两个端盖，有机底、底脚，有轴伸，安装在基础构件上；一般立式安装形式表示为IMV1，即两个端盖，无底脚，轴伸向下，端盖上带凸缘，凸缘带有通孔，凸缘在电机的传动端，借凸缘在底部安装。其他安装结构可查阅GB/T 997—2003《旋转电机结构及安装形式（IM代号）》标准。

5）综合选择

综合考虑投资及运行费用，应使整个驱动系统经济、节能、合理、可靠和安全。

2. 三相异步电动机的维护保养

三相异步电动机的维护保养包括启动前的准备、检查和运行中的维护。

1）电动机启动前的准备和检查

（1）检查电动机及启动设备接地是否可靠和完整，接线是否正确与良好。

（2）检查电动机铭牌所示电压、频率与电源电压、频率是否相符。

（3）新安装或长期停用的电动机启动前应检查绕组相对相、相对地绝缘电阻。绝缘电阻应大于0.5MΩ，如果低于此值，须将绕组烘干。

（4）对绕线型转子应检查其集电环上的电刷装置是否能正常工作，电刷压力是否符合要求。

（5）检查电动机转动是否灵活，滚动轴承内的油是否达到规定油位。

（6）检查电动机所用熔断器的额定电流是否符合要求。

（7）检查电动机各紧固螺栓及安装螺栓是否拧紧。

上述各检查全部达到要求后，可启动电动机。电动机启动后，空载运行约30min，注意观察电动机是否有异常现象。如发现噪声、震动、发热等不正常情况，应采取措施，待情况消除后，才能投入运行。

启动绕线型电动机时，应将启动变阻器接入转子电路中。对有电刷提升机构的电动机，应放下电刷，并断开短路装置，合上定子电路开关，扳动变阻器。当电动机接近额定转速时，提起电刷，合上短路装置，电动机启动完毕。

2）电动机运行中的维护

（1）电动机应经常保持清洁，不允许有杂物进入电动机内部；进风口和出风口必须保持畅通。

（2）用仪表监视电源电压、频率及电动机的负载电流。电源电压、频率要符合电动机铭牌数据，电动机负载电流不得超过铭牌上的规定值，否则要查明原因，采取措施，待不良情况消除后方能继续运行。

（3）采取必要手段检测电动机各部位温升。

（4）对于绕线型电动机，应经常注意电刷与集电环间的接触压力、磨损及火花情况。电动机停转时，应断开定子电路内的开关，然后将电刷提升机构扳到启动位置，断开短路装置。

（5）电动机运行后定期维修，一般分小修、大修两种。小修属一般检修，对电动机启动设备及整体不做大的拆卸，约一季度一次；大修要将所有传动装置及电动机的所有零部件都拆卸下来，并将拆卸的零部件做全面的检查及清洗，一般一年一次。

思考与练习

1. 简述交流电动机的分类方法。

2. 三相异步电动机主要由哪些部分组成？各部分作用是什么？

3. 简述三相异步电动机的工作原理。

4. 三相异步电动机铭牌主要包括哪些技术参数？

5. 简述三相异步电动机的选用原则。