电机的基本概念与工作原理

1、3-phase AC Motor内容提要1. 电机基本概念；电机基本概念；2. 电机的结构；电机的结构；3. 三相电机的工作原理；三相电机的工作原理；4. 电机基础标准；电机基础标准；5. 工厂目前使用的三相异步电机；工厂目前使用的三相异步电机；6. 电机的启动、维护与保养；电机的启动、维护与保养；3-phase AC Motor2一、一、电机的基本概念电机的基本概念Johnson Controls, Guangzhou Factory 电机是一种机电能量转换的机械，发电机把机械能转换为电能，电动机是把电能转换为机械能。 电机的原理，主要是建立在以下基本定理的基础上：1. 电磁感应定律（电动势

2、的大小与磁通量的变化率成正比 ）； e=N t 其中：N为常数，也可理解为线圈的匝数， 是磁通量的变化量，t是磁通量改变所用的时间 电磁感应定律的主要思想是：变化的磁场产生感应电动势，即磁生电。 电机基本概念3-phase AC Motor42. 安培全电流定律: 磁场强度H 沿着闭合路径的线积分等于该路径所包围的导体电流的代数和。(用于磁路分析)即 3. 电磁力定律: 载流导体在磁场中受力， 电机中，通电导体（转子上）在磁场中会受到切向方向的力，当转子半径为R 时，就会在转子上产生转矩，即电磁转矩 Tem=F*R电机基本概念321IIIdldllllHHlniiIdl1H HBliF 3-p

3、hase AC Motor5 旋转电机主要分类： 1. 按能量转换的形式：发电机、电动机 2. 按电机工作电压的形式：交流电机和直流电机。 异步发电机 发电机 直流发电机 同步发电机 电机 笼型异步电动机笼型异步电动机 异步电动机异步电动机 交流电动机交流电动机 同步电动机 绕线异步电动机 电动机 感应同步电动机 直流电动机旋转电机的主要分类3-phase AC Motor6 1、直流电机：磁极、电枢绕组均使用直流电，没有固定的同步速度 、具有良好的调速和启动性能。 2、同步电机：磁极绕组使用直流电，电枢绕组接交流电，电机转速恒定，效率高，功率因数可调。 3、异步电机：电枢绕组接交流电，电机转

4、速小于同步转速，转速随负载的增加而下降。各类电动机的主要特点3-phase AC Motor 电动机的作用是将电能转换为机械能。电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。 交流电动机分为异步电动机和同步电动机两类。异步电动机按照定子相数的不同分为单项异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。三相异步电动机结构简单，运行可靠，成本低廉等优点，广泛应用于工农业生产中。 7 按转子结构型式，异步电动机可分为： 1、笼型异步电动机笼型异步电动机 转子由置于转子槽中的导条及两端的端环组成闭合回路，整个转子形成一坚实的整体，结构简单牢固。 2、绕线转子异步电动机绕线转子异步电动机 转子由置于转子槽中的插入

5、式绕组或散嵌绕组、集电环和电刷组成回路，回路中可接入外加电阻。绕线转子异步电动机用于要求起动转矩高、起动电流小或窄范围调速的场合。异步电动机的特点 我们工厂所用的三相异步电动机一般是： 全封闭，自扇冷却式鼠笼型三相异步电动机，极数为全封闭，自扇冷却式鼠笼型三相异步电动机，极数为2/4/6极。极。3-phase AC Motor8二、二、电机的结构电机的结构Johnson Controls, Guangzhou Factory冷却方式 IC411防护等级 IP54安装方式 IMB3封闭式笼型异步电机结构3-phase AC Motor10 电机安装方式是根据电机的实际运行环境和工况所决定的。 安

6、装方式安装方式 反映电机结构、安装和轴伸的形式，代号由表征字母“IM”及附加在后的字母和数字组成；例如：安装方式IMB3，说明电机为卧式底脚安装，底脚在下方，两个端盖式轴承。 电机的防护等级和安装方式种类很多，不同形式对应的代号有国家标准。电机的安装方式3-phase AC Motor11StandardAsynchronous motor电机安装方式示意图3-phase AC Motor12 电机一般由以下几部分组成电机一般由以下几部分组成： 定子Stator：包括机座、定子铁心Stator Core、定子绕组Stator windings 、出线盒。 转子Rotor：包括转子铁心Rotor

7、 Core 、轴Shaft、转子导条或转子绕组Rotor windings 、内风扇，同步电机和绕线电机的集电环。 结构部件：包括端盖Cover 、轴承Bearing 、外风扇、风罩Wind Cover 、底板、换热器、同步电机和绕线电机刷架等。 构成电动机的主要材料构成电动机的主要材料 ： 硅钢片、铜导线、铝锭、绝缘材料、钢材、生铁、轴承。 硅钢片和铜导线作为电机磁路和电路的载体，决定了电机的主要性能，通常称为电机的有效材料；对同一规格电机，有效材料多，则电机的效率就高。电动机的基本组成3-phase AC Motor13电机装配3-phase AC Motor14电机装配15定子冲片3-p

8、hase AC Motor16定子铁芯3-phase AC Motor17绕组定子铁芯3-phase AC Motor18转子冲片3-phase AC Motor19转子20电机(机座+定子+转子)3-phase AC Motor21端盖滑动轴承3-phase AC Motor22三、三、三相电机的工作原理三相电机的工作原理Johnson Controls, Guangzhou Factory机座：铸钢或铸铁机座：铸钢或铸铁定子铁芯是由定子铁芯是由0.5mm厚厚的的，在，在其内圆冲有分布的槽。其内圆冲有分布的槽。3-phase AC Motor24定子绕组根据电源电压和电动机的额定电压可以连接

9、成型或型3-phase AC Motor25鼠笼转子鼠笼转子(1) 鼠笼式转子鼠笼式转子 铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一铁芯槽内放铜条，端部用短路环形成一体。中小型一般采用铸铝绕组体。中小型一般采用铸铝绕组(2) 绕线式转子绕线式转子转子绕组3-phase AC Motor261.旋转磁场的产生 120sin120sinsinmCmBmAtIitIitIi BiAXBYCZAiCiCiAiBiitmIo3-phase AC Motor27旋转磁场iCiAiBitmIo0n 规定规定 i : “+” 首端流入，尾端流出。首端流入，尾端流出。 i : “ .” 尾端流入，首端流出。尾端流入，首

10、端流出。 AYCBZX()电流出电流出( )电流入电流入3-phase AC Motor28三相电流合成磁场的分布情况CiBiAii tAXYCBZAXYCBZAXYCBZNS0 t 60t 0n60 90t 600mIoSNSN29AAXZBCYAAXZBCY分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场分析可知：三相电流产生的合成磁场是一旋转的磁场 即：即：0t 60t 任意调换两根电源进线任意调换两根电源进线(电路如图电路如图)CiAXCZBYAiBi0mICiBiAi tiomINSNS2.3-phase AC Motor303.旋转磁场的极对数P0t 即：1pCiBiAioimI t

11、BiAXBYCZAiCiAXYCBZNS电机的磁极对数磁极对数是指转子（或定子）有多少对N、S极3-phase AC Motor31极对数极对数2p旋转磁场的磁极对数旋转磁场的磁极对数与三相绕组的排列有关与三相绕组的排列有关CYABCXYZAXBZAiBiCiAX XNSZ CZBYB Y A C SNBiCiAiimIt 03-phase AC Motor3.旋转磁场的极对数P (2)32分分）转转 /( 6010fn 工频工频Hz501 f分分）转转 /( 30000 np=1时时0mICiBiAi tiomIAXYCBZNSAXYCBZNSAXYCBZNS4.旋转磁场的转速3-phase

12、 AC Motor33X NSA X ABZCYZ C Y B SN0t 60tp=2时时BiCiAiit mI0分分）转转/( 150026010 fn0n30AX XZ CZBYB Y A C NSNS3-phase AC Motor4.旋转磁场的转速 (2)34)/( 6010分分转转pfn 旋转磁场转速旋转磁场转速n0与频率与频率f1和极对数和极对数p有关。有关。3-phase AC Motor旋转磁场35极对数极数每个电流周期每个电流周期磁场转过的空间角度磁场转过的空间角度同步转速同步转速(f1=50Hz)P = 123603000 rpmP = 241801500 rpmP = 3

13、61201000 rpmP = 4890750 rpm电机同步转速与极对数的关系3-phase AC Motor36AXYCBZ分分）转转/( 6010pfn BlvBliFvF0nNS3-phase AC Motor370nn 如果如果:0nn 3-phase AC Motor383-phase AC Motor转转 S=(n0-n)/n039异步电机动的转差率计算异步电机动的转差率计算转子转速亦可由转差率求得：转子转速亦可由转差率求得：0)(1nsn根据公式根据公式 例例1 1：一台三相异步电动机，其额定转速一台三相异步电动机，其额定转速 n= =975 r/min，电源频率，电源频率 f

14、1 1= =50 Hz。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：速的关系可知：n0=1000 r/min , 2.5%100%10009751000%10000 nnns3-phase AC Motor00)/(nnns一般情况下，异步电动机在运行中：一般情况下，异步电动机在运行中：%)9(1s40四、四、电机的基础标准电机的基础标准Johnson Controls, Guangzhou Factory额定功率额定功率PN在额定方式下运行时，转轴上输出的机械

15、功（kW）。额定电压额定电压UN在额定方式运行时，定子绕组应加的线电压（V）。额定电流额定电流IN在额定电压和额定功率状态下运行时，流入定子绕组的额定线电流（A）。额定频率额定频率f通常为50Hz和60Hz。额定转速额定转速nN指在额定状态下运行时的转子转速（rmin），异步电机转速略低于下面公式的计算值。 电动机的额定值3-phase AC Motor42效率效率输出功率与输入功率的比值，效率高则节能，但过高追求高指标会使电机成本大幅增加。功率因数功率因数cos由于无功功率的存在而引入的性能指标，功率因数高则输入电流就小，电机的效率就高。最大转矩最大转矩MK电机在不失步的情况下所能达到的瞬时

16、过载能力，通常用最大转矩MK/额定转矩MN的值表示。堵转转矩堵转转矩Ma电机在启动时所产生的转矩，堵转转矩大则加速时间短，通常用堵转转矩Ma/额定转矩MN的值表示。堵转电流堵转电流Ia电机在启动时，输入电机的电流值，堵转电流大，则电机启动时对电网的冲击就大，通常用堵转电流Ia/额定电流IN的值表示。额定转矩额定转矩MN 电动机的主要性能指标3-phase AC Motor43 绝缘等级是电机电气绝缘性能的重要指标,它和电机的允许温度有关，绝缘等级越高，电机的允许温度也越高，电机的体积就能缩小。 电机中常用的等级其及最高允许工作温度如下： Y级绝缘 - 90 ； A级绝缘 - 105 ； E级绝

17、缘 - 120 ； B级绝缘 - 130 ； F级绝缘 - 155 ； H级绝缘 - 180 ； C级绝缘 - 180 以上 。 电机的绝缘等级注意：电机运行时温度超过绝缘材料的容许工作温度时，电机的使用寿命将缩短。注意：电机运行时温度超过绝缘材料的容许工作温度时，电机的使用寿命将缩短。 3-phase AC Motor44 电机温升是指电机某部分的温度与周围冷却介质的温度差，电机的温升主要取决于电机内部损耗的大小和散热情况。 决定绝缘材料寿命的因素是温度而不是温升，冷却介质的温度越高，容许的温升就越低。 电机最常见的绝缘等级为B级和F级，用电阻法测量，其温升限值B级为80K， F级为105K

18、，电阻和温度的关系如下：电机的温升3-phase AC Motor45电机的防护等级IP为标记字母，第一标记数字表示接触保护和外来物保护等级接触保护和外来物保护等级，第二标记数字表示防水保护等级防水保护等级。第一个数字防护范围第二个数字防护范围0无防护0无防护1防护50mm直径和更大的固体外来体1防滴水2防护12.5mm直径和更大的固体外来体2电机倾斜15时，防滴水3防护2.5mm直径和更大的固体外来体3防与垂直线成60范围内的淋水4防护1.0mm直径和更大的固体外来体4防溅水5防护灰尘5防喷水6灰尘封闭6防强射水，防海浪7防浸水，一般是短时浸水8防长期浸水，即防潜水例如：我们通常使用的电机是

19、IP54的防护等级，为 防尘防溅水防尘防溅水3-phase AC Motor46电机的极数与极对数电机的磁极对数磁极对数是指转子（或定子）有多少对N、S极。磁极对数与电源频率和同步转速的关系如下式： p=60f/n其中：n 交流电动机的同步转速； f 交流电源频率； p 交流电动机的磁极对数。 极数极数是N、S极总共的个数，即： 极数 = 磁极对数 * 2。 若极数未知，磁极对数的确定方法： 1、如果铭牌上额定频率f(Hz)、额定转速n(rpm)已知，可以利用60*f/n计算极对数。 2、通某一频率的交流电，测电机转速，再利用转速和频率的关系即60*f/n计算。 用变频控制器驱动，可以读出转速

20、和频率。 3、把转子旋转一周，观察其反电势，看有几个周波，就是其极对数。 3-phase AC Motor47电机的转速 我国的交流电标准频率为50Hz（即每秒50周波），所以交流电机的同步转速： n = 60*50*2 / 极数 = 6000 / 极数 2极电机 （1对磁极） - 3000rpm 4极电机 （2对磁极） - 1500rpm 6极电机 （3对磁极） - 1000rpm 8极电机 （4对磁极） - 750rpm 10极电机（5对磁极） - 600rpm 交流异步电动机的额定转速小于、接近于同步转速，按其额定转速就可确定其同步转速，进而按上述内容就可推算出它的磁极对数。极数越多极数

21、越多转速越低转速越低3-phase AC Motor48在末端机组的选型中，电机极数的确定 目前我们选用的电机极数有目前我们选用的电机极数有2、4、6极，一般的原则是（仅供参考）极，一般的原则是（仅供参考） ： 风机转速风机转速2200rpm时，选用时，选用2极电机极电机3-phase AC Motor49 电机的通风冷却方式和电磁、结构有关系，主要有开启式、管道通风式、密闭循环式和气候防护式等，代号由表征字母“IC”及附加在后的数字和字母组成。 开启式开启式环境温度在0 40 ，空气灰尘不大，无有害和危险性气体；该形式散热条件好，电机造价低，一般优先采用。 管道通风式管道通风式电机周围环境温

22、度高于40 ，空气灰尘较多，将冷却空气通过管道引入或将热空气引出电机，管道中需安装抽风机。 密闭循环式密闭循环式周围环境和管道通风相似，电机有内、外两个冷却回路；内部回路为密闭式循环，内、外冷却介质相互独立，常见的形式有空-空冷却和空-水冷却；该形式的电机电机造价较高。 气候防护式气候防护式冷却空气直接和外界进行交换，电机外罩上设有滤尘、防风、防雨的结构；与密闭循环式相比，电机造价低。 电机功率大，产生的热量就大，因此功率大的电机通用采用管道通风或密闭循环空-水冷的通风方式。电机的通风冷却方式3-phase AC Motor50 电机冷却方法使用的标记代号，以字母”IC”开始，后面由数字和字母

23、组成。 完整的标记比如：IC 8 A 1 W 7 1. 标志字母 2. 冷却回路的布置 3. 初级冷却介质 4. 初级冷却介质运动的推动方法 5. 次级冷却介质 6. 冷级冷却介质运动的推动方法 注：当冷却介质为空气时，标记为A，在简化标记中字母A可以省略。电机的通风冷却方式的表示方式3-phase AC Motor511、电磁噪声: 电机气隙中磁场互相作用产生随时间和空间变化的径向力,使定子铁心和机座随时间周期性变形，即定子发生振动；一般情况下它随电机的功率增大而增加，是带负载时噪声增大的根源。2、机械噪声: 机械噪声主要有轴承噪声、旋转振动（及摩擦）噪声、动平衡的低频噪声等。3、通风噪声:

24、 通风噪声主要是风扇叶片在转动时使周围气体产生涡流，空气产生扰动而产生的； 电机的噪声限值噪声限值: 电机在单台空载稳定运行时的A计权声功率级值，单位：dB(A)电机的噪声及噪声源3-phase AC Motor521、电磁振动： 随着电压的升高而增大，振动幅值随电压的升高而增大，以径向为主；若电机断电则电磁振动立即消失； 电磁振动频率高，人耳较敏感。2、动平衡振动： 转子残留的不平衡造成，只形成径向振动，频率为电机异步转速，若转速不变则幅值也不变。3、轴承振动： 频带范围较宽，但又以100300HZ为主，电机断电后，只要转子仍旋转，其幅值逐渐降低。 电机的振动限值振动限值: 电机在空载稳定运

25、行时的振动速度值，单位：mm/s电机的振动及振动源3-phase AC Motor53电机的接线380V.3 N.PE.50Hz电 气 连 接 ：1.虚 线 用 户 电 气 接 线 可 参 照 接 线 图1或 图2自 配 ， 标 准 机 组 无 此 配 置 。 该 接 线 请 用 户 务 必 拧 紧 。2.所 有 电 气 连 接 需 符 合 当 地 的 电 气 安 装 规 范 。3.机 组 提 供 的 接 地 点 需 接 至 机 组 控 制 箱 接 地 端 子 中 。 图 1PENPE 图 2380V.3 N.PE.50HzPE L1L3L2PE L1L3L2用 户 自 配工 厂 配 置N3-

26、phase AC Motor54五、五、工厂目前使用的三相异步电机工厂目前使用的三相异步电机Johnson Controls, Guangzhou Factory工厂目前使用的三相电机类型类型系列系列品牌品牌供应商供应商备注备注普通三相普通三相异步电机异步电机Y2YORK华达华达IP55, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承Y2YORK东莞、河北东莞、河北IP54, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承QAABBABBIP55, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承M2QAABBABBIP55, F级绝缘级绝缘, 进口轴承进口轴承1LG0SiemensSiemensIP55, F级绝缘级绝缘, 国

27、产轴承国产轴承多速电机多速电机Y2DTYORK华达、东莞、河北华达、东莞、河北IP54, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承QADABBABBIP55, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承变频电机变频电机Y2VPYORK华达华达IP54, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承Y2VFYORK东莞东莞IP54, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承QABPABBABBIP55, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承1LA7/1LG4SiemensSiemensIP55, F级绝缘级绝缘, 纯进口电纯进口电机机隔爆电机隔爆电机YB2YORK华达、东莞华达、东莞IP54, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴

28、承M2JAABBABBIP55, F级绝缘级绝缘, 国产轴承国产轴承3-phase AC Motor56工厂目前使用的三相电机 - 多速电机多速电机n 通过变极调速，可选2/4，4/6，4/8等双速电机；n 由于会产生额外的电磁噪声，不推荐在HVAC系统中采用三速电机。目前工厂使用的多速电机是Y2DT （YORK） ，执行标准：JB/T 8681-1998；QAD （ABB） ，执行标准：JB/T 7127-1993 。3-phase AC Motor57工厂目前使用的三相电机 变频调速电机变频调速电机n 具有独立的冷却风扇，配合变频器使用；n 变频调节范围：5-100Hz；n 50Hz以下为

29、恒转矩调速，50Hz以上为恒功率调速。 注意：普通电机的推荐调速范围：注意：普通电机的推荐调速范围：3050Hz.3-phase AC Motor58 变频器供电时频率与电压要成比例地改变，即改变频率的同时控制变频器输出电压。 采用变频器供电，随着电机的加速相应提高频率和电压，起动电流可被限制在150%额定电流以下，而如果用工频电源直接起动时，起动电流为67倍，因此，将产生机械电气上的冲击。采用变频器传动可以平滑地起动，起动转矩为70%120%额定转矩。采用变频器供电时电机运行情况 低转速时的冷却问题： 1.当电源频率较低时，电源中高次谐波所引起的损耗较大。 2.普通异步电动机在转速降低时，冷

30、却风量与转速成比例的减小，致使电动机的低速冷却状况变坏，温升急剧增加，难以实现恒转矩输出。3-phase AC Motor59 普通异步电动机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。低频时的电磁声尤为突出。 普通异步电动机在变频器输出的非正弦电源下运行，其温升一般要增加10%-20%。 从上面我们可以了解到变频电机的特点，因此对于用变频器供电的电机，其电磁、从上面我们可以了解到变频电机的特点，因此对于用变频器供电的电机，其电磁、绝缘结构、通风结构是需要根据电机的实际工况特殊设计的；绝缘结构、通风结构是需要根据电机的实际工况特殊设计的； 用普通电机代替变频电

31、机，其寿命会大大降低。用普通电机代替变频电机，其寿命会大大降低。采用变频器供电时电机运行情况3-phase AC Motor60工厂目前使用的三相电机 隔爆电机隔爆电机n 用于环境中含爆炸性混合物的场合（我们使用的一般是气体防爆）；n 由于电机老化后由于绕组绝缘损伤，导电连结件松弛造成火化火电弧；n 隔爆电机经过特殊设计使得内部的爆炸性混合物产生爆炸时，隔爆外壳应不损坏，并且内部火焰不能通过隔爆外壳结合面，引起外部爆炸性混合物的爆炸。目前工厂使用的隔爆电机是YB2 （YORK） ；M2JA （ABB） 。3-phase AC Motor61六、六、电机的起动、维护与保养电机的起动、维护与保养J

32、ohnson Controls, Guangzhou Factory 交流电动机加上对称三相电压后，电动机从静止状态过渡到稳定运行状态的过程，标志电动机起动性能的主要指标为堵转转矩倍数堵转转矩倍数和堵转电流倍数堵转电流倍数。通常要求电动机堵转转矩大，使设备能快速达到正常转速而进行工作，又希望起动时电流不要太大，以免电网产生的冲击，影响电网其它设备的正常运行。电动机的起动 交流电动机起动主要有三种方式： 全压直接起动全压直接起动：起动转矩大，操作简单，不需要很多辅助设备，但起动时电流大，需要电网有足够的容量。 降压起动降压起动：电源容量不够大时，采用降压起动可以减小起动电流，但电机的起动转矩也下

33、降，只适用于对起动转矩要求不高的场合。 变频起动变频起动：起动转矩恒定，起动时没有压降，但辅助设备投资大（需要增加变频器等）。3-phase AC Motor63交流电动机起动线路图3-phase AC Motor64序号 常见故障 原因分析 排除方法1不能起动 1电源电路不通。 1检查连接线、控制开关、熔断器、等是否有断开。 2定子绕组故障。 2检查绕组是否短路或开路。 3负载过大或设备被卡死 3减轻负荷；检查设备故障。 2启动慢 1. 电源电压过低。 2. 电源缺相。 3. 线圈接地或者短路。 4.负载转动惯量太大。 1检查电动机接线柱电压，控制开关。 2检查电源和所有连接的开关和线路。 3检查电动机的绕组。 4. 换匹配的电动机3空载运行正常，带负载运行跳闸 1. 开关和熔断器容量不够，负载大。 2. 电压过低，负载大。 3. 负载过大。1. 更换大容量的开关和熔断器。2. 检查线路情况和电源电压，减低负载。3. 换电动机或减轻负荷。4电动机外壳有电 1. 电源线和接地线搞错。 2. 绕组老化或受潮。 1. 纠正接线。 2. 绕组进行干燥处理，绝缘老化更换绕组。电动机常见故障与分析排除3-phase AC Motor65序号 常见故障 原因分析 排除方法5电动机