各种交流电动机的旋转原理.docx

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各种交流电动机的旋转原理

各种交流电动机的旋转原理

目前较常用的交流电动机有两种：

1、三相异步电动机。

2、单相交流电动机。

第一种多用在工业上，而第二种多用在民用电器上。

一、三相异步电动机的旋转原理

三相异步电动机要旋转起来的先决条件是具有一个旋转磁场，三相异步电动机的定子绕组就是用来产生旋转磁场的。

我们知道，但相电源相与相之间的电压在相位上是相差120度的，三相异步电动机定子中的三个绕组在空间方位上也互差120度，这样，当在定子绕组中通入三相电源时，定子绕组就会产生一个旋转磁场，其产生的过程如图1所示。

图中分四个时刻来描述旋转磁场的产生过程。

电流每变化一个周期，旋转磁场在空间旋转一周，即旋转磁场的旋转速度与电流的变化是同步的。

旋转磁场的转速为：

n=60f/P式中f为电源频率、P是磁场的磁极对数、n的单位是：

每分钟转数。

根据此式我们知道，电动机的转速与磁极数和使用电源的频率有关，为此，控制交流电动机的转速有两种方法：

1、改变磁极法；2、变频法。

以往多用第一种方法，现在则利用变频技术实现对交流电动机的无级变速控制。

观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。

相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：

C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。

利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。

一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。

因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

二、单相交流电动机的旋转原理

观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。

相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：

C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。

利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。

一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。

因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

二、单相交流电动机的旋转原理

观察图1还可发现，旋转磁场的旋转方向与绕组中电流的相序有关。

相序A、B、C顺时针排列，磁场顺时针方向旋转，若把三根电源线中的任意两根对调，例如将B相电流通入C相绕组中，C相电流通入B相绕组中，则相序变为：

C、B、A，则磁场必然逆时针方向旋转。

利用这一特性我们可很方便地改变三相电动机的旋转方向。

定子绕组产生旋转磁场后，转子导条（鼠笼条）将切割旋转磁场的磁力线而产生感应电流，转子导条中的电流又与旋转磁场相互作用产生电磁力，电磁力产生的电磁转矩驱动转子沿旋转磁场方向以n1的转速旋转起来。

一般情况下，电动机的实际转速n1低于旋转磁场的转速n。

因为假设n=n1，则转子导条与旋转磁场就没有相对运动，就不会切割磁力线，也就不会产生电磁转矩，所以转子的转速n1必然小于n。

为此我们称三相电动机为异步电动机。

二、单相交流电动机的旋转原理

单相交流电动机只有一个绕组，转子是鼠笼式的。

当单相正弦电流通过定子绕组时，电动机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。

这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩，使得合成转矩为零，所以电动机无法旋转。

当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。

这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

要使单相电动机能自动旋转起来，我们可在定子中加上一个

起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度，即所谓的分相原理。

这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，如图2所示。

在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将起动绕组断开，正常工作时只有主绕组工作。

因此，起动绕组可以做成短时工作方式。

但有很多时候，起动绕组并不断开，我们称这种电动机为电容式单相电动机，要改变这种电动机的转向，可由改变电容器串接的位置来实现。

在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法，又称单相罩极式电动机。

此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。

每个磁极在1/3--1/4全极面处开有小槽，如图3所示，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机。

单相绕组套装在整个磁极上，每个极的线圈是串联的，连接时必须使其产生的极性依次按N、S、N、S排列。

当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，根据楞次定律，其中穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后90度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场使电动机转动起来。

小型直流电机电子稳速电路

图WS-1是常用小型直流电机电子稳速的典型电路。

BG1是调速管，BG2是比较放大管，比较电压由R1、R2R3和电机M所组成的电桥的两端A、B点取得的。

W是速度做微调电阻，当电路在平行状态时，A、B两点电压为零，W无电流流过，BG2不导通。

由于电机旋转时产生一个反响电动势，这个反向电动势的大小是随着电机的转速增高而增高的，这个反电动势越高流过电机中的电流就越小，这也相当于电机内部的电阻变大；反电动势越低流过电机的电流就越大，从而造成A点电位增高，这个增高的电位经过D1、D2藕合到BG2的发射极上，使得BG2的发射极电位增高，相对地BG2的基极电位下降了，所以流过BG2的集电极电流减少，调速管BG1的基流减少，BG1的内阻增大，输出电流减少，电机转速下降。

反之当电机转速下降时，电机的内部电阻变小，A电电位下降，使得BG2的发射极电位也跟着下降，这相当于BG2的基极电位增高了，BG2的集电极电流增加，BG1的内阻减小输出电流增加，电机转速加快。

小功率交流稳压器的原理

在一些小功率的单相用电设备中，往往要求供电电压稳定才能很好地工作，但往往市电电压都存在着10%的波动，有时还超过此波动值。

为此就需要一个交流稳压器对这些设备提供稳定的供电电压，在这里我和大家讨论一下L、C串联稳压电源的工作原理。

L、C串联型交流稳压电源电路如图WY-1。

它是利用磁饱和原理来稳定电压的。

我们知道铁磁材料如稳压器的线圈L的铁芯---硅钢片，都有一条磁化曲线，称B-H曲线（H是磁场强度，B是感应强度）如图WY-2，从曲线上可看出来，当H由O增加时B增加很快，当H>HM时H再增加B基本上不变，这就叫磁饱和，如果用这种磁材料做线圈L的铁芯，再给L通以不同的交流电流I，则L两端的电压U曲线将随着变化，当I大于某一个值（IM）时铁芯进入饱和状态，I的继续增大从基本上不变，因此我们如将线圈的电流选在I>2~4IM处就可获得较好的稳定的输出电压。

现在来看交流电源是如何工作的。

由于电路由L和C串联而成，因C和L的阻抗是相互抵消的，所以它们的总阻抗等于Z总=LR-CR，因此，流过线圈L的电流增大，适当选配电容C和L的数值使得流过L的电流等于4IM左右且使L上的电压等于所需的电压，这时铁芯将达到一定的饱和深度，当电源电压发生变化时反映在L-C串联电路的电流也会变化，但是要U>HM（I>IM）则输出电压基本不变，此时电容C两端的电压可达400多伏左右。

这是为什么呢？

这是因为C对50HZ交流电源的阻抗是一定值，其两端的电压等于流过它的电流I和容抗ZC的乘积，UC=I*ZC由于线圈L的加入，使流过C的电流增加，所以UC当然也增加了，举个例子设电容为6UF，则容抗为ZC=1/2πFC=530欧，如果直接接入220伏交流电源上，则电流为IC=220/530=0.4安。

由于L的加入，使流过C的电流增至0.8安，此时电容两端的电压UC=530*0.8=424伏。

可见这种C-L串联式交流稳压电源C两端的电压是较高的，选用电容时要选用耐压为600V以上的电容

双鼠笼式电动机

常用的三相交流电动机的转子通常做成“鼠笼式的，当电机通电后，定子将会产生一个旋转磁场，此时转子由于切割磁力线在鼠笼绕组产生电流，我们知道，有电流流过的导体在磁场中会受到力的作用，所以转子获得力矩而产生旋转。

双鼠笼电动机的转子里包含着两个分开的转子绕组（如图ZJ-3所示），分为外鼠笼和内鼠笼两组。

外鼠笼是由电阻率较高的黄铜或青铜等合金材料制成的，而其导体截面积比内鼠笼导体的截面积要小，故具有较高的电阻，内鼠笼的导体是由电阻率较低的纯铜（紫铜）制成的，导体的截面积要比外鼠笼导体的截面积大得多，同时短接导体的两个环又具有足够的导电截面，所以内鼠笼具有较少的电阻。

但是，内鼠笼导体的位置在距离转子铁芯表面较远的地方并且深埋在铁芯之中，被强大的磁通所包围，因此内鼠笼导体恰好和外鼠笼导体相反，电阻虽少，但却具有较高的感抗。

在电动机起动的瞬间，转子绕组中所产生的感应电流频率较高（因此时旋转磁场与转子的相对速度很大）。

此时，由于内鼠笼具有较高的感抗使得起动电流大部分集中在电阻较大而感抗较少的外鼠笼绕组。

因此提高了转子的功率因数，使电动机的起动电流少而起动转矩大。

随着电动机转速的逐渐增加，转子中的感应电流频率也逐渐下降，故内鼠笼导体中感抗也随着减少。

随着内鼠笼导体感抗的减少，转子绕组中的电流逐渐移向电阻较少的内鼠笼导体中，当电动机的转速增加到额定值时，转子绕组中的电流则大部分在内鼠笼导体中。

所以双鼠笼式电动机的外鼠笼称起动绕组，内鼠笼称为运行绕组。

三相交流电动机常见故障及处理

三相交流异步电动机是工农业生产中最常见的电气设备，其作用是把电能转换为

机械能。

其中用得最多的是鼠笼型异步电动机，其结构简单，起步方便，体积较

小，工作可靠，坚固耐用，便于维护和检修。

为了保证异步电动机的安全运行，

电气工作人员必须掌握有关异步电动机的安全运行的基本知识，了解对异步电动

机的安全评估，做到尽可能地及时发现和消除电动机的事故隐患，保证电动机安

全运行。

　　电动机在运行中由于种种原因，会出现故障，故障分机械与电气两方面。

一、械方面有扫膛、振动、轴承过热、损坏等故障。

1、异步电动机定、转子之间气隙很小，容易导致定、转子之间相碰。

一般由于轴

承严重超差及端盖内孔磨损或端盖止口与机座止口磨损变形，使机座、端盖、转

子三者不同轴心引起扫膛。

如发现对轴承应及时更换，对端盖进行更换或刷镀处

理。

2、振动应先区分是电动机本身引起的，还是传动装置不良所造成的，或者是机械

负载端传递过来的，而后针对具体情况进行排除。

属于电动机本身引起的振动，

多数是由于转子动平衡不好，以及轴承不良，转轴弯曲，或端盖、机座、转子不

同轴心，或者电动机安装地基不平，安装不到位，紧固件松动造成的。

振动会产

生噪声，还会产生额外负荷。

3、如果轴承工作不正常，可凭经验用听觉及温度来判断。

用听棒（铜棒）接触轴

承盒，若听到冲击声，就表示可能有一只或几只滚珠扎碎，如果听到有咝咝声，

那就是表示轴承的润滑油不足，因为电动机要每运行3000-5000小时左右需换一次

润滑脂。

例如：

电机型号是JR138--8245KW，由于运转一

年多后，轴承发出不正常的声音，用听棒接触轴承盒，听到了“咝咝”的声响，

同时还有微小“哒哒”的冲击声，正赶上对其进行检修，打开发现轴承

盒内缺油，同时轴承滚柱有的以有细微的麻痕。

这样对轴承进行了更换，添加润

滑油脂。

在添润滑脂时不易太多，如果太多会使轴承旋转部分和润滑脂之间产生

很大的磨擦而发热，一般轴承盒内所放润滑脂约为全溶积二分之一到三分之二即

可。

在轴承安装时如果不正确，配合公差太紧或太松，也都会引起轴承发热。

在

卧式电动机中装配良好的轴承只受径向应力，如果配合过盈过大，装配后会使轴

承间隙过小，有时接近于零，用手转动不灵活，这样运行中就会发热。

、电气方面有电压不正常绕组接地绕组短路绕组断路缺相运行等。

1、电源电压偏高，激磁电流增大，电动机会过分发热，过分的高电压会危机电动

机的绝缘，使其有被击穿的危险。

电源电压过低时，电磁转矩就会大大降低，如

果负载转距没有减小，转子转数过低，这时转差率增大造成电动机过载而发热，

长时间会影响电动机的寿命。

当三相电压不对称时，即一相电压偏高或偏低时，

会导致某相电流过大，电动机发热，同时转距减小会发出“翁嗡”声，时间长会

损坏绕组。

总之无论电压过高过低或三相电压不对称都会使电流增加，电动机发

热而损坏电动机。

所以按照国家标准电动机电源电压在额定值±5%内变化，电动

机输出功率保持额定值。

电动机电源电压不允许超过额定值的±10%，；三相电源

电压之间的差值不应大于额定值的±5%。

2、电动机绕组绝缘受到损坏，及绕组的导体和铁心、机壳之间相碰即为绕组接地

。

这时会造成该相绕组电流过大，局部受热，严重时会烧毁绕组。

出现绕组接地

多数是电动机受潮引起，有的是在环境恶劣时金属物或有害粉末进入电动机绕组

内部造成。

电动机出现绕组接地后，除了绝缘已老化、枯焦、发脆外都可以局部

处理，绕组接地一般发生在绕组伸出槽外的交接处（绕组端部），这时可在故障

处用天然云母片或绝缘纸插入铁心和绕组之间，在用绝缘带包扎好涂上绝缘漆烘

干即可，如果接地点在铁心槽内时，如果上成边绝缘损坏，可以打出槽楔修补槽

衬或抬出上成线匝进行处理，若故障在槽底或者多处绝缘受损，最好办法就是更

换绕组。

、绕组中相邻两条导线之间的绝缘损坏后，使两导体相碰，就称为绕组短路。

发

生在同一绕组中的绕组短路称为匝间短路。

发生在两相绕组之间的绕组短路称为

相间短路。

不论是那一种，都会引起某一相或两相电流增加，引起局部发热，使

绝缘老化损坏电动机。

出现绕组短路时，短路点在槽外修理并不难。

当发生在槽

内，如果线圈损坏不严重，可将该槽线圈边加热软化后翻出受损部分，换上新的

槽绝缘，将线圈受损的部位用薄的绝缘带包好并涂上绝缘漆进行烘干，用万用表

检查，证明已修好后，再重新嵌入槽内，进行绝缘处理后就可继续使用，如果线

圈受损伤的部位过多，或者包上新绝缘后的线圈边无法嵌入时，只好更换新的绕

组。

4、绕组断路是指电动机的定子或转子绕组碰断或烧断造成的故障。

定子绕组断部

，各绕组元件的接头处及引出线附近。

这些部位都露在电动机座壳外面导线容易

碰断，接头处也会因焊接不实长期使用后松脱，发现后重新接好，包好并涂上绝

缘漆后就可使用。

例如1：

电机型号是Y132M-47.5KW，在工作

中突然发出声响后停车，经检查后发现绕组一相断路。

打开电动机瓦盖后，发现

电动机壳外导线与绕组连接处断开，其原因就是焊接不实，长期使用后松脱。

打

开捆绳，处理后重新焊接，包好涂上绝缘漆后继续使用。

如果因故障造成的绕组

被烧断则需要更换绕组。

如转子绕组发生断路时，可根据电动机转动情况判断。

一般表现为转速变慢，转动无力，定子三相电流增大和有“嗡嗡”的现象，有时

不能起动。

出现转子绕组断路时，要抽出转子先查出断路的部位，一般是滑环和

转子线圈的交接处开焊断裂所引起，重新焊接后就可使用。

如果是线圈内部一般

使用断条侦察器等专用设备来确定断路部位。

例如2：

电动机

型号JZR212-63.5KW在开车时，突然发现小车无力，并且伴有翁翁的响声。

经检查

发现转子一相断路。

打开抽出转子看到滑环和转子线圈交接处开焊，把接头处用

纱布处理干净，重新用电烙铁焊接，焊接后又可继续使用。

5、三相异部电动机在运行过程中，断一根火线或断一相绕组就会形成缺相运行（

俗称单相），如果轴上负载没有改变，则电动机处于严重过载状态，定子电流将

达到额定值的二倍甚至更高，时间稍长电动机就会烧毁。

在各行业中，因缺相运

行而烧毁的电动机所占比重最大。

一般电动机缺相是由于某相熔断器的熔体接触

不良，或熔丝拧的过紧而几乎压断，或熔体电流选择过小，这样通过的电流稍大

就会熔断，尤其是在电动机起动电流的冲击下，更容易发生熔体非故障性熔断。

有时电动机负荷线路断线，一般是安装不当引起的断线，特别是单芯导线放线时

产生的小圈扭结，接头受损等都可能使导线在运行过程中发生断线。

由于电动机

长期使用使绕组的内部接头或引线松脱或局部过热把绕组烧断电动机出现缺相运

行时。

总之，不管是什么样的缺相，只要能及时发现，对电动机不会造成大的危

害。

为了预防电动机出现缺相运行，除了正确选用和安装低压电器外，还应严格

执行有关规范，敷设馈电线路，同时加强定期检查和维护。

6、电动机的接地装置。

电动机接地是一个重要环节，可是有的单位往往忽视了这

一点，因为电动机不明显接地也可以运转，但这给生产及人身安全埋下了不安全

隐患。

因为绝缘一旦损坏后外壳会产生危险的对地电压，这样直接威胁人身安全

及设备的稳定性。

所以电动机一定要有安全接地。

所谓的电动机接地就是将电气

设备在正常情况下不带电的某一金属部分通过接地装置与大地做电气连接，而电

动机的接地就是金属外壳接地。

这样即使设备发生接地和碰壳短路时电流也会通

过接地向大地做半球形扩散，电流在向大地中流散时形成了电压降，这样保证了

设备及人身安全。

三、结束语

　　综上所述，为了能采用正确的方法进行电动机的故障修理，就必须熟悉电动

机常见故障的特点及原因，才能少走弯路，节省时间，尽快地将故障排除，恢复

电动机故障，使电动机处于正常的运转状态。

做好电动机的定期检查和维护工作

，也是保证电动机安全运行，延长寿命的有效措施之一。

同步电动机的原理

同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同。

它的转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度是一样的，所以称为同步电动机。

正由于这样，同步电动机的电流在相位上是超前于电压的，即同步电动机是一个容性负载。

为此，在很多时候，同步电动机是用以改进供电系统的功率因素的。

同步电动机在结构上大致有两种：

1、转子用直流电进行励磁。

这种电动机的转子如图1所示，从图中可看出来，它的转子做成显极式的，安装在磁极铁芯上面的磁场线圈是相互串联的，接成具有交替相反的极性，并有两根引线连接到装在轴上的两只滑环上面。

磁场线圈是由一只小型直流发电机或蓄电池来激励，在大多数同步电动机中，直流发电机是装在电动机轴上的，用以供应转子磁极线圈的励磁电流。

由于这种同步电动机不能自动启动，所以在转子上还装有鼠笼式绕组而作为电动机启动之用。

鼠笼绕组放在转子的周围，结构与异步电动机相似。

当在定子绕组通上三相交流电源时，电动机内就产生了一个旋转磁场，鼠笼绕组切割磁力线而产生感应电流，从而使电动机旋转起来。

电动机旋转之后，其速度慢慢增高到稍低于旋转磁场的转速，此时转子磁场线圈经由直流电来激励，使转子上面形成一定的磁极，这些磁极就企图跟踪定子上的旋转磁极，这样就增加电动机转子的速率直至与旋转磁场同步旋转为止。

2、转子不需要励磁的同步电机

转子不励磁的同步电动机能够运用于单相电源上，也能运用于多相电源上。

这种电动机中，有一种的定子绕组与分相电动机或多相电动机的定子相似，同时有一个鼠笼转子，而转子的表面切成平面，如图2所示。

所以是属于显极转子，转子磁极是由一种磁化钢做成的，而且能够经常保持磁性。

鼠笼绕组是用来产生启动转矩的，而当电动机旋转到一定的转速时，转子显极就跟住定子线圈的电流频率而达到同步。

显极的极性是由定子感应出来的，因此它的数目应和定子上极数相等，当电动机转到它应有的速度时，鼠笼绕组就失去了作用，维持旋转是靠着转子与磁极跟住定子磁极，使之同步。

直流电机中的整流子

直流电机中的整流子

在直流发电机中的转子，往往有一个由很多组铜片所组合而成的元件称为整流子，绕嵌在转子的线圈按一定的规则焊接在各铜片上，并由两个碳刷将转子中产生的电压输出，这个整流子在直流发电机中起整流的作用（在电动机中则称它为换向器），其整流原理如下：

从图ZJ-1我们可看出，当线圈ABCD沿箭头方向旋转时，线圈切割由定子线圈所产生的磁场的磁力线，根据右手定则可知，线圈AB端所产生的电压是负极，CD端所产生的电压是正极，两电刷输出的电压是上负下正。

当线圈继续转至图ZJ-2所示的位置时（即两线圈边位置互换），线圈中CD所产生的电压为负极，AB产生的电压为正极，两电刷输出的电压仍是上负下正。

由此我们可知，由于上电刷正对应于磁场N极，下电刷正对于磁场S极，所以转子中每个线圈在通过该点时均产生上负下正的电势。

所以电刷输出的电压将永远是上负下正。

这就是整流子的整流原理。