課題一 認識三相異步電動機

交流電動機有同步和異步之分。異步電動機按相數不同，可分為三相異步電動機和單相異步電動機；按其轉子結構不同，又可分為籠型和繞線型，其中籠型三相異步電動機具有結構簡單、運行可靠、價格低廉、維護方便等特點，在生產機械中應用廣泛。本課題主要介紹三相異步電動機的基本結構與工作原理，為后續學習奠定良好基礎。

一、三相異步電動機的基本結構

籠型三相異步電動機由定子和轉子兩個基本部分組成，如圖1-1所示。

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

轉子是旋轉部分，由轉子鐵芯、轉子繞組和轉軸組成。其中轉子鐵芯為圓柱形，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子繞組。

繞線型三相異步電動機的轉子繞組與定子繞組一樣，是由線圈組成繞組放入轉子鐵芯槽里形成的，可以通過電刷和集電環外串電阻以調節轉子電流的大小和相位的方式進行調速。繞線型異步電動機基本結構如圖1-2所示。

二、三相異步電動機的工作原理

籠型與繞線型異步電動機只是在轉子的結構上不同，它們的工作原理是一樣的。電動機定子的三相繞組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。

用瞬時表達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°）

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

旋轉磁場切割轉子導體，便在其中感應出電動勢和電流，如圖1-6所示。

圖1-6中，感應電動勢的方向可由右手定則確定。轉子導體電流與旋轉磁場相互作用便產生電磁力F并施加于導體上，電磁力F的方向可由左手定則確定。由電磁力產生電磁轉矩，從而使電動機轉子轉動起來。

旋轉磁場的轉速n0稱為同步轉速，其大小取決于電流頻率f1和磁場的磁極對數p，對應計算公式為

式中，n0的單位為r/min。

由工作原理可知，轉子的轉速n必然小于旋轉磁場的轉速n0，即所謂“異步”。二者相差的程度用轉差率s進行描述，對應計算公式為

一般異步電動機在額定負載時的轉差率約為1%～9%。

對轉差率計算公式進行變換，可得到三相異步電動機轉子轉速計算公式為

三、三相異步電動機的銘牌

銘牌是電動機的身份證，認識和了解電動機銘牌中有關技術參數的作用和意義，可以幫助用戶正確地選擇、使用和維護電動機。圖1-7所示為我國使用最多的系列三相異步電動機銘牌的一個實例。

1. 型號

如Y-112M-4，其中各字母、數字的含義見圖1-7。

2. 額定值

（1）額定功率PN。指電動機在額定運行時，電動機軸上輸出的機械功率，單位為kW。圖1-7所示型號電動機的額定功率為4.0kW。

（2）額定電壓UN。指電動機在額定運行狀態下加在定子繞組上的線電壓，單位為V。圖1-7所示型號電動機的額定電壓為380V。

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

（4）額定頻率fN。指電動機在額定運行狀態下加在定子繞組上的三相交流電源的頻率。我國規定工業用電的頻率為50Hz，有些國家采用60Hz。圖1-7所示型號電動機的額定頻率為50Hz。

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

3. 噪聲值

噪聲值是指電動機在運行時的最大噪聲。一般電動機功率越大，磁極數越少，額定轉速越高，噪聲越大。圖1-7所示型號電動機的噪聲值為74dB（A）。

4. 工作制式

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

5. 絕緣等級

絕緣等級與電動機內部的絕緣材料和電動機允許工作的最高溫度有關，共分A、B、D、F、H五種等級。其中A級最低，H級最高。在環境溫度額定為40℃時，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所示型號電動機的絕緣等級為B。

6. 接線方式

三相異步電動機引出線接線方式如圖1-8所示。

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

需要指出的是，有些電動機可以兩種連接方式切換工作，但是要注意工作電壓，防止錯誤接線燒毀電動機。此外，高壓大、中型容量的異步電動機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機，通常把定子三相繞組的六根出線頭都引出來，根據需要可接成連接或△連接。

7. 防護等級

IP為防護代號，第一位數字（0～6）規定了電動機防固體的等級標準，第二位數字（0～8）規定了電動機防液體的等級標準。數字越大，防護等級越高，如IP00為無防護。

8. 其他

除了上述重要技術參數外，電動機銘牌一般還給出商標、出廠編號、質量、標準編號和出廠日期等參數。

此外，對于繞線型異步電動機還必須標明轉子繞組接法、轉子額定電動勢及轉子額定電流。有些還標明了電動機的轉子電阻，有些特殊電動機還標明了冷卻方式等。

四、三相異步電動機的選用及維護

三相異步電動機產品種類繁多，性能各異。合理選用及維護保養三相異步電動機，是電氣工程類技術人員的必備技能。

1. 三相異步電動機的選用

正確選用三相異步電動機直接關系到人身的安全和設備的可靠運行。下面介紹選用三相異步電動機一般應遵循的原則。

1）按現有的電源供電方式及容量選擇電機額定電壓及功率

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

（2）電動機功率除了應滿足拖動的機械負載要求外，還應考慮是否具備足夠容量的供電網絡。

2）電機類型選擇

電機類型的選擇要考慮使用要求、運行地點環境污染情況和氣候條件等因素。

3）外殼防護等級選擇

外殼防護等級的選擇直接涉及人身安全和設備的可靠運行，應根據電動機使用場合、防止人體接觸到電機內部危險部件、防止固體異物進入機殼內、防止水進入殼內對電機造成有害影響來選擇。

電機外殼防護等級由字母IP加二位特征數字組成，第一位特征數字表示防固體，第二位特征數字表示防液體。

如IP44：第一位特征數字是表示防護大于1mm的固體進入電機，能防止直徑或厚度大于1mm的導線或直條觸及或接近機殼內帶電或轉動部件；第二位特征數字是表示防濺水，即電機能承受任何方向的濺水而無有害影響。

又如IP23：第一位特征數字是表示防護大于12mm的固體進入電機，能防止手指或長度不超過80mm的類似物體觸及或接近機殼內帶電或轉動部件，能防止大于12mm的固體異物進入機殼內；第二位特征數字是表示防滴水，即與垂直線成60°角范圍內的滴水應無有害影響。

以上特征數字越大即表示防護等級越高，詳情可查閱GB/T4942.1—2001《旋轉電機外殼防護分級（IP代碼）》標準。

4）安裝結構形式選擇

應按配套設備的安裝要求選用合適的電機安裝形式，安裝形式采用代號IM作為國際統一標注形式。大寫字母B代表臥式安裝，V代表立式安裝，再用1位或2位阿拉伯數字表示結構特點和類型。一般臥式安裝形式表示為IMB3，即兩個端蓋，有機底、底腳，有軸伸，安裝在基礎構件上；一般立式安裝形式表示為IMV1，即兩個端蓋，無底腳，軸伸向下，端蓋上帶凸緣，凸緣帶有通孔，凸緣在電機的傳動端，借凸緣在底部安裝。其他安裝結構可查閱GB/T 997—2003《旋轉電機結構及安裝形式（IM代號）》標準。

5）綜合選擇

綜合考慮投資及運行費用，應使整個驅動系統經濟、節能、合理、可靠和安全。

2. 三相異步電動機的維護保養

三相異步電動機的維護保養包括啟動前的準備、檢查和運行中的維護。

1）電動機啟動前的準備和檢查

（1）檢查電動機及啟動設備接地是否可靠和完整，接線是否正確與良好。

（2）檢查電動機銘牌所示電壓、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機啟動前應檢查繞組相對相、相對地絕緣電阻。絕緣電阻應大于0.5MΩ，如果低于此值，須將繞組烘干。

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

（5）檢查電動機轉動是否靈活，滾動軸承內的油是否達到規定油位。

（6）檢查電動機所用熔斷器的額定電流是否符合要求。

（7）檢查電動機各緊固螺栓及安裝螺栓是否擰緊。

上述各檢查全部達到要求后，可啟動電動機。電動機啟動后，空載運行約30min，注意觀察電動機是否有異常現象。如發現噪聲、震動、發熱等不正常情況，應采取措施，待情況消除后，才能投入運行。

啟動繞線型電動機時，應將啟動變阻器接入轉子電路中。對有電刷提升機構的電動機，應放下電刷，并斷開短路裝置，合上定子電路開關，扳動變阻器。當電動機接近額定轉速時，提起電刷，合上短路裝置，電動機啟動完畢。

2）電動機運行中的維護

（1）電動機應經常保持清潔，不允許有雜物進入電動機內部；進風口和出風口必須保持暢通。

（2）用儀表監視電源電壓、頻率及電動機的負載電流。電源電壓、頻率要符合電動機銘牌數據，電動機負載電流不得超過銘牌上的規定值，否則要查明原因，采取措施，待不良情況消除后方能繼續運行。

（3）采取必要手段檢測電動機各部位溫升。

（4）對于繞線型電動機，應經常注意電刷與集電環間的接觸壓力、磨損及火花情況。電動機停轉時，應斷開定子電路內的開關，然后將電刷提升機構扳到啟動位置，斷開短路裝置。

（5）電動機運行后定期維修，一般分小修、大修兩種。小修屬一般檢修，對電動機啟動設備及整體不做大的拆卸，約一季度一次；大修要將所有傳動裝置及電動機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

1. 簡述交流電動機的分類方法。

2. 三相異步電動機主要由哪些部分組成？各部分作用是什么？

3. 簡述三相異步電動機的工作原理。

4. 三相異步電動機銘牌主要包括哪些技術參數？

5. 簡述三相異步電動機的選用原則。