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交流电动机原理
电动机可分交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为异步电动机和同步电动机。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。在生产上主要用的是交流电动机,特别是三相异步电动机,被用来驱动各种机械。直流电机用于需要均匀调速的生产机械上。同步电动机主要用于功率较大、不需调速、长期工作的各种机械。
1. 异步电动机
1.1 三相异步电动机的转动原理及结构
⑴ 三相异步电动机的转动原理
定子绕组中通人三相电流后,它们共同产生的合成磁场是随电流的交变而在空间不断地旋转着,这就是旋转磁场。它切割转子导体,使其感应出电动势和电流,转子电流同旋转磁场相互作用而产生的电磁转矩使电机转动起来。电动机的转子转动的方向和磁场旋转的方向是相同的,如要电动机反转,必须改变磁场的旋转方向,如将A、B、C三相中的任意二相对调位置, 则旋转磁场反转,电动机也反转。
旋转磁场的转速(同步转速)n0 = ,其大小决定于电源频率f和磁场的极对数p,而后者又决定于三相绕组的安排情况。对异步电动机来说,f和p通常是一定的,所以磁场转速n是个常数。电动机转子转动的方向与磁场旋转的方向相同,但转子的转速不可能达到旋转磁场的转速,即n<n0,因为,如果两者相等,则转子与旋转磁场之间就没有相对运动,因而磁力线就不切割转子导体,则转子电动势、转子电流以及转矩也就都不存在,这样转子就不可能转动,因此,转子转速与磁场转速之间必须要有差别,这就是异步电动机名称的由来。
一般用转差率s表示转子转速n与同步转速n0的相差程度,即
s = 
 转子的转速越接近磁场转速,则转差率越小。通常异步电动机在额定负载时的转差率约为1.5~6%。当n = 0时(起动初始瞬间),s = 1,这时s最大。
⑵ 三相异步电动机的结构
定子部分
定子由机座和装在机座内的园筒形铁芯组成。机座是用铸铁或铸钢制成的,铁芯是互相绝缘的硅钢片叠成的。在定子铁芯内圆均匀地沿轴向分布着许多形状相同的槽,用以嵌放定子绕组。槽的形状与绕组的型式、电机的容量有密切的关系。容量在1000千瓦以下的低压小型异步电机,定子绕组一般采用高强度漆包圆铝线或铜线绕成的软线圈,可经槽口分散嵌人槽内。定子槽形多选用半闭口的梨型槽和梯形槽。高压中型异步电机绕组是由事先包扎好绝缘并浸渍处理过的铝条或铜条绕成的成型线圈组成。容量较大的异步电机都采用双层绕组,这时每一槽内的导线分为上下两层,因有一部分上层线圈和下层线圈不属于同一相,它们之间需要用层间绝缘隔开。10千瓦以下小容量的异步电机,多采用单层绕组,这时每槽只有一层导线,因此只有槽绝缘。槽绝缘一般采用属于E级绝缘的聚脂薄膜青壳纸,槽和层间绝缘的厚度由电机的工作电压决定。
异步电机的定子绕组可根据需要接成三角形或星形。
转子部分
转子由转子铁芯、转子绕组和转轴组成。转轴采用中碳钢制成。转子铁芯用0.5毫米厚的硅钢片叠成圆柱形,表面冲有槽,铁芯装在转轴上,轴上加机械负载。
异步电动机根据转子绕组型式可分两种形式:鼠笼式和绕线式。鼠笼式的转子绕组做成鼠笼状,是在转子铁芯的槽中放铜条,其两端用端环短接,或者在槽中浇铸铝液,铸成一整体鼠笼,鼠笼式电机由此得名。绕线式的转子绕组同定子绕组一样,也是三相的,它联成星形。鼠笼式电动机由于构造简单,价格低廉,工作可靠,使用方便,成为应用最广的一种电机。
1.2 三相异步电动机的转矩与机械特性
电磁转矩是三相异步电动机的最重要的物理量之一,电磁转矩用M表示,关系式为: 
M = KMΦI2cosφ2 = 
由此可知: M除与磁通Φ和转子电流I2有关外,还受到转子功率因数cosφ2的影响。另外,M还与定子每相电压U1的平方成正比,所以,当电源电压变动时,转矩变化很大。 
在电源电压U1和转子电阻R2一定时,转矩M与转差率s的关系曲线M = f (s)或转速与转矩的关系曲线n = f (M)称为电动机的机械特性曲线,如图1—1、图1—2。

图1—1 M = f (s)曲线 图1—2 n = f (M)曲线
研究机械特性的目的是为了分析电动机的运行性能。利用机械特性曲线,讨论三个转矩:
⑴ 额定转矩Me
在等速转动时,电动机的转矩M必须与阻转矩Mc相平衡,M = Mc, Mc =机械负载转矩M2+空载损耗转矩Mo,Mo很小可忽略,则M≈M2 =(P2/2πn)/ 60 = 9.55P2 / n,试中P2是电动机额定负载时的转矩。通常,电机都工作在n = f (M)特性曲线的ab段,当负载转矩增大时,在最初瞬间电动机的转矩M<Mc,所以它的转速n开始下降。随着转速的下降,电动机的转矩增加了,因为这时,I2增加的影响超过cosφ2减小的影响。当转矩增加到M=Mc时,电机在新的稳定状态下运行,这时转速较前略低。但是ab段比较平坦,当负载在空载与额定值之间变化时,电动机的转速变化不大,这种特性称为硬的机械特性。
⑵ 最大转矩Mmax
从机械特性曲线上看,转矩有一个最大值,称为最大转矩。Mmax= ,由此可知,Mmax与 成正比,而与转子电阻R2无关。当负载转矩超过最大转矩时,电动机就带不动了,发生闷车现象。此时电动机的电流立即升高六七倍,电机严重过热,以致烧坏。从另一方面讲,说明电动机的最大过载可以接近最大转矩。如果过载时间较短,电机不至于立即过热是容许的,所以最大转矩也表示电动机短时过载能力。电动机的额定转矩Me比Mmax要小,两者之比称为过载系数,用λ表示,λ= Mmax/Me,一般λ为1.8 ~ 2.0,在选用电动机时,电动机最大转矩,必须大于最大负载转矩。
⑶ 起动转矩Mq
电动机刚启动时的转矩称为启动转矩,此时,n = 0,s = 1,由转矩关系式可知,Mq与U1和R2有关。当电源电压降低时,起动转矩会减小,当转子电阻适当增大时,起动转矩会增大。
1.3 三相异步电动机的起动与调速
⑴ 三相异步电动机的启动
起动性能:
电机刚起动时,由于旋转磁场相对静止的转子有很大的相对速度,磁力线切割转子导
体的速度很快,这时转子绕组中感应的电动势和相应的转子电流都很大,势必导致定子电流增大。一般中小型鼠笼式电动机的定子起动电流大约为额定电流的5~7倍。电动机不是频繁起动时,起动电流对电机本身影响不大。因为起动电流虽大,但起动时间很短(1~3秒),从发热角度考虑没有问题。并且一经起动后,转速很快升高,电流便很快减小了。但当起动频繁时,由于热量的积累,可以使电机过热。因此在实际操作时,应尽可能避免电动机频繁起动。在刚起动时,虽然转子电流较大,但转子的功率因数cosφ2很低,所以由M = KMΦI2cosφ2可知:起动转矩实际上是不大的。由上述可知,异步电动机起动时的主要缺点是起动电流较大。为了减小起动电流,必须采用适当的起动方法。
起动方法:
鼠笼式电动机的起动方法有直接起动和降压启动两种。
a. 直接启动:即利用开关或接触器将电动机直接接到具有额定电压的电源上。此方法虽然简单,由于起动电流较大,将使线路电压下降,影响负载正常工作。
b. 降压启动:如果电动机直接起动时,所引起的线路电压降较大时,必须采用降压起动,就是在启动时,降低加在电动机定子绕组上的电压,以减小起动电流。
常用的降压启动方法是采用电机绕组星形三角形(Y/△)换接起动。如果定子绕组是三角形接线的,在起动时,可把它联成星形,等到转速接近额定值时再换接成三角形。这样在起动时就把定子每相绕组上的电压降到正常工作电压的 ,也导致降压起动时的电流为直接启动的1/3。由于转矩和电压的平方成正比,所以起动转矩也减小到直接起动时的1/3,因此,此方法只适合空载或轻载时起动,轴加冷却风机和探头冷却风机即采用这种方法起动。
⑵ 三相异步电动机的调速。
调速是在同一负载下得到不同的转速,以满足生产过程的要求。改变电动机的转速有三种,即改变电源频率f、极对数P及工作电压。
a. 变频调速
由转速公式 可知,只要改变电源频率f,就可以改变电机的转速n,这种调速方法称为变频调速,它是无级调速。
变频器是变频调速过程中的核心设备,它主要由整流器、逆变器、控制及保护装置等构成。交流量的工作电源先由整流器变换成直流量,再经逆变器将直流量变换成频率和电压可调的交流量,供电给电机,控制装置能够根据负载要求的电机转速信号调节逆变器输出的频率和电压值,从而达到调节电机转速的目的。
保护装置提供过流、整流二极管和逆变器晶闸管超温等保护。

b. 变极调速
由n= 可知,当f不变时,只要改变定子绕组的极对数就可得到不同的转速。
c. 改变定子电压
由于M与U成正比,只要改变定子电压值,即可得到不同的转速,如引风机的高低速切换。
1.4 异步电动机的冷却
电机运行时,总是伴随着能量损耗。电机的损耗主要产生在电机的有效部分,即电机的绕组和铁芯,因此温升也主要出现在这些部分。温升过高时,将使电机的绝缘迅速老化,使其机械强度和绝缘性能降低,寿命大大缩短,严重的甚至把电机烧毁。对大型电机,发热和冷却问题是决定电机极限容量的主要因素之一。
电机按通风冷却方式可分为表面冷却和内部冷却两种,此外还有水冷方式。
⑴ 表面冷却方式
表面冷却方式,冷却介质不通过导体内部,而是间接地通过绕组的绝缘表面、铁芯和机壳的表面而将热量带走。中小型电机一般都用表面冷却方式,冷却介质为空气。表面冷却又分为以下几种。
自然冷却式
此类冷却的电机不装设任何专门的冷却装置,仅靠电机各部件表面辐射和空气的自然对流而把电机的热量带走,故散热效能低,只适用于几百瓦以下的电机中。
内部自扇冷却式
此类冷却的电机转子尾端上装有风扇。电机转动时,利用风扇所产生的风压,强迫空气流动,以较高的速度吹过散热表面,使电机散热能力加强。
外部自扇冷却式
此类冷却的电机的转轴上共有两个风扇。一个风扇装在端盖外侧的转轴上,使冷风沿机座外面吹过。另一个风扇装在电机内部,用以加速电机内部空气的循环,使温度分布均匀和热量易于传到机座上。一般用于封闭式电机。
内部冷却方式
内部冷却方式是把冷却介质通入发热的空心导体内部,使冷却介质直接与导体接触并把热量带出。
⑵ 表面水冷却
还有的电机直接同冷却水接触,如炉水循环泵电机,它是把通过冷却器的冷却水,通入电机内部把热量带走。此电机定子绕组及转子均浸在水中。
1.5 异步电动机的常见故障
⑴ 电机过载
电机过载往往是由于辅机过负荷引起,过载后电机电流增大,绕组温度升高,配有过负荷保护时该保护动作将电机跳闸。此时应查明原因并待电机温度降至允许温度以下时再起动电机。
⑵ 匝间短路
电机发生匝间短路时,电源开关首先跳闸,严重时会将接触器或热偶烧损,电机表面温度可达60~70℃,并伴有绝缘的焦糊味,在损坏的线匝绝缘未与铁芯接触时,测绕组绝缘合格。此时,如果判断不明,极易与电机过载混淆,延误消缺,甚至发生扩大事故。
⑶ 回路断相
三相定子绕组断开一相,只有两相绕组接在电源上,形成简单的串联回路,流过同一个电流,所产生的磁场不是旋转磁场,而是一个由两个旋转方向相反磁场合成的脉动磁场,其磁力线都切割转子,在转子导体中感应电流并产生力矩,当转差S=1时,电机处于停止状态,只是定子铁芯在磁场作用下发出嗡嗡声。因此,静止电机在断相情况下起不来。
正在运行的电机突然断相时,在两个旋转方向相反的脉动磁场作用下,在转子上产生两个方向相反的力矩,电机转速下降,会稳定在另一个转差下运行。
⑷ 鼠笼转子断条
鼠笼式电机转子由铸铝或铜条焊接成鼠笼形状,运行中由于焊接不良等原因会发生断条故障,断条后,电动机的电磁力矩降低,造成转速降低,电流时大时小的摆动,因为断条破坏了转子结构的对称性,同时破坏了电磁的对称性,使与转子有相对运动的定子磁场从转子表面不同部位穿入磁场时,转子的反应不一样造成的,同时,也是由于沿整个定子内膛周围的磁拉力不均匀引起的,并伴随着周期性的嗡嗡声。
⑸ 电机内部进水
由于电机周围有水汽管路破裂或漏雨等原因,造成电机内部腔室进水,此时,如果电机正在运行,应该立即停止,如果电机停止则禁止起动,将电机停电,通知检修人员对电机内部进行检查,如果进水较多应该进行烘干处理。
需要强调的是,电机进水后,用摇表测绝缘往往正常,因为内部积水并未破坏绝缘,此时一旦起动电机,转子旋转时会把积水搅起并带入定子深层绕组中造成短路而烧损电机。
⑹ 电机冷却装置故障
对于风冷电机,由于风扇叶片损坏或脱落,水冷电机失去冷却水等原因造成电机失去冷却介质,引起电机发热。

2. 直流电动机
2.1 直流电动机的结构及原理
⑴ 直流电机的结构
直流电机由三部分组成:磁极、电枢和换向器。
磁极,是用来在电机中产生磁场的,它分成极芯和极掌两部分。极芯上放置励磁绕组,极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度的分布最为合理,并用来挡住励磁绕组。磁极是用钢片叠成的,固定在机座上。
电枢,是电机中产生感应电动势的部分。直流电机的电枢是旋转的,电枢铁芯呈圆柱状,由硅钢片叠成,表面冲有槽,槽中放电枢绕组。
换向器,是直流电机中的一种特殊装置,用来改变电势和电流的方向。由楔形铜片、套筒、压圈组成。
⑵ 直流电机的工作原理
直流电机作为电动机运行时,将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。通电后在磁场中转动时,线圈中也要产生感应电动势由此产生电流。直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩。直流电动机的电磁转矩是驱动转矩,它使电枢转动。当轴上的机械负载发生变化时,电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整,以适应负载的变化而保持新的平衡。
例如,当负载增加即阻转矩增加时,电动机的电磁转矩便暂时小于阻转矩,所以转速开始下降。随着n的下降,当磁通不变时,反电动势E必将减小,而电枢电流Ia = 将增加,于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩与阻转矩达到新的平衡后,转速不再下降。
2.2 直流电动机的工作特性
⑴ 电磁力矩和电磁功率
电磁力矩Mdc的大小与磁通Φ和电枢电流Is的乘积成正比,即Mdc= CMΦIs。
电磁功率Pdc = EsIs,即电枢绕组中电势Es和电流Is的乘积,也可以表示为电磁力矩Mdc与转子角速度Ω的乘积,EsIs是电动机从电源吸取的电功率,MdcΩ是由电功率转换的机械功率。
直流电动机的电势方程式是U = Es十IsRs。
直流电动机的力矩方程式是Mdc= M2十M0。 
Mdc是电磁力矩,M2是轴上的有效输出力矩,M0是空载制动力矩。
⑵ 并励电动机的机械特性
直流电动机按励磁方式可分为他励、并励、串励和复励,其中,并励电动机和他励电动机比较常用,下面以并励电动机为例进行分析。
在电源电压U和励磁电路的电阻Rf为常数的条件下表示转速n与转矩M之间的关系曲线n = f (M)称为机械特性曲线,如图2—1。

图2—1 并励电动机的机械特性曲线
2.3 直流电动机的起动(以并励电动机为例)
当电动机稳定运行时,其电枢电流为Is = , 在起动瞬间n = 0,E = 0,这时电枢电流Is = U / Rs , 由于Rs很小,起动电流很大,起动转矩也很大,它对转子产生机械冲击。所以必须限制起动电流,限制起动电流的方法是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rq,以限制起动电流,待起动后,转速上升接近额定转速时把它切除。一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5~2.5倍。

3. 特殊电动机
3.1 伺服电动机
⑴ 交流伺服电动机
此电机广泛用于控制系统中,当有电信号输入到伺服电动机的控制绕组时,它就马上拖动被控制对象旋转,当信号消失时,它就立即停止转动,此电机就是两相异步电动机。它的定子上装有两个绕组,一个是励磁绕组,另一个是控制绕组,它们在空间上相隔90°,如图3—1所示。

图3—1 交流伺服电动机接线图
励磁绕组1与电容C串联后接到交流电源上,其电压为V。控制绕组2常接在电子放大器的输出端,控制电压V2即为放大器的输出电压。励磁绕组串联电容器的目的是为了产生两相旋转磁场,适当选择电容C的大小,可使励磁电压V1与电源电压V之间有90°的相位差。而控制电压V2与电源电压V有关,两者频率相等,相位相同或相反。所以V1和V2也是频率相等,相位差90°。两个绕组中产生的电流I1和I2的相位差90°,这样就和单相异步电动机电容分相起动相似。在空间相隔90°的两个绕组分别通人在相位上相差90°的两个电流,便产生两相旋转磁场,在此磁场作用下,转子便转动起来。当电源电压V为一常数而信号控制电压V2的大小变化时,则转子的转速相应变化。控制电压大,电动机转得快,反之转得慢,当控制电压反相时,旋转磁场和转子也都反转,由此控制电动机的转速和方向。在运行时,一旦V2 = 0,电动机立即停转。此时虽然电动机处于单相状态,但是与一般单相异步电动机不同,此电机的转子电阻设计得大,可以使S≥1,使合成转矩的方向与转动方向相反,因而电动机便能立即停转。
⑵ 直流伺服电动机
此类电机的结构和一般直流电动机一样,只是为了减小转动惯量而做得细长一些。它的励磁绕组分别由两个独立电源供电,也有永磁的,通常采用电枢控制,就是励磁电压V1一定,建立的磁通Φ也是定值,而将控制电压V2加在电枢上,如图3—2所示。

图3—2 直流伺服电动机接线图 图3—3 n = f (M)曲线
此电机的机械特性和他励电动机一样。
图3—3是在V1一定时,不同控制电压下的机械特性曲线n = f (M)。
由图可见,在一定负载转矩下,当磁通不变时,如果升高电枢电压,电机的转速就升高,反之,降低电枢电压,转速就下降。当V2 = 0时,电动机就立即停转,要电动机反转,可改变电枢电压的极性。与交流伺服电动机相比,此电机的机械特性较硬,可应用于功率稍大的系统中。
3.2 湿式异步电机—炉水循环泵电机
炉水循环泵电机为三相湿式感应电动机,定子转子都浸在高压水中。定子绕组采用经辐射处理的聚乙烯绝缘材料。泵和电机腔室中的高压水是连通的,电机相当于一个高压容器,泵内介质高温由隔热屏与电机隔绝。推力轴承盘兼有副叶轮,它的作用是将电机内的高压水加压使之循环,以冷却绕组并润滑导向轴承和推力轴承。
电机内介质温度是保证电机正常运行的主要因素。试验表明:电机内监测水温为65℃时,电机短时间运行其寿命不受影响。水温85℃时,电机在短时间或长期运行时其寿命将缩短或损坏。控制电机温度主要依靠隔热屏和电机冷却器。隔热屏是阻止高温炉水热量向电机传导的有效部件,它设有空气冷却室和低压冷却水环形通道,隔热屏低压冷却水流量的大小对电机影响很大,为此在炉水循环泵系统中,设置有低压冷却水流量报警装置,通常规定低压冷却水流量不能低于额定值的75%。运行中电机内功率损耗产生的热量需由冷却水消除。但是当泵停止运行时,电机冷却器的高压水停止循环,隔热屏仍需低压冷却水进行冷却。停泵后如隔热屏不通冷却水,电机内温度在30分钟内升到80℃,影响电机寿命,因此要求停泵后隔热屏冷却水继续运行。
电机内温度是通过设置在电机与隔热屏之间的空腔中的温度计和热电偶监测的。60℃时报警,65℃时跳闸。
⑴ 湿式电机对水质要求
此电机轴承采用水润滑,若水中杂质颗粒直径超过轴承水膜厚度,就会划破水膜,使轴承承载力下降,加剧轴承磨损。最小润滑水膜厚度以H0>8um为设计原则。为保证进人电机内水的清洁度,在向电机充水的过程中设有2种过滤器。其中之一的过滤能力<5um,电机本身也设有外置式过滤器,过滤的最小微粒直径约为12um。水质对湿式电机的寿命影响很大,聚乙烯绕组在施加电压时产生“小树枝”的几率,在具有一定电导率的水中成倍增加。按一定配方配制试验用污水,污水浓度增加,绕组寿命下降,若污水浓度增加4倍,绕组寿命值下降约10%左右,一般采用给水或凝结水向电机内充水。电机绕组的使用寿命除了受温度、水质等因素影响外,还同工频电压和水压有关。在温度、水压和水质相同而试验电压不同的条件下,绕组发生击穿破坏的时间不同。实际应用时采用测量绕组的绝缘电阻作为电机绕组寿命的评定。
⑵ 炉水泵电机的冷却及其外部设备
该电机的冷却是通过高压冷却水冷却。高压冷却水由电动机底部进入,依靠电动机的推力盘使冷却水升压,进入马达组件内,经过轴承圈,从隔热体出口返回到冷却器重复循环,而高压冷却器的水通过低压冷却水冷却。
外部设备:
隔热体:其作用是将电动机与泵壳中的高温高压炉水分隔开,以防电动机受炉水的高温作用而损坏。在隔热体的上端横截面积缩小,以便进行空气冷却。在隔热体的下端沿隔热体环向有一垫圈空心通道与低压冷却水系统相接,以便进行水冷却。
泵的转动组件:泵的转动组件主要由主轴上的叶轮和推力盘组成。主轴驱动上端的叶轮以获得所需的扬程,同时驱动主轴下端的推力盘,保持转子的定位。推力盘本身又是一个小型叶轮,它用来提升电动机高压冷却水的压头。
轴承:泵的主轴在径向由一只上部带颈轴承和一只下部带颈轴承来定位,在轴向由一只辅助kmgsbury型推力轴承来支承。带颈轴承绕主轴的保护衬套转动,同时推力轴承的转子则在上下推力垫块之间转动。
高压冷却水系统:由高压冷却器、过滤器、管路组成。其作用是带走电机和轴承所产生的热量。冷却水通过推力轴承盖进入马达组件内,经过轴承、马达线圈,从隔热体出口返到冷却器,重复循环。
⑶ 炉水泵电机的保护
炉水泵电机的容量比较大,也是较重要的辅机,因此,该电机不但配备了过流保护,还配备了差动保护。
过电流保护的动作时限应大于电动机满载时在最低允许电压下的自起动时间。差动保护可反应炉水泵电机单相和相间的各种故障,灵敏性高,动作可靠。