三相交流异步电动机在工、农业生产及厂矿、运输行业中应用最为广泛,其制作材料、结构形状及各部分的作用最具代表性。
1. 机壳
三相交流异步电动机机壳的制作材料、制作形状及体积大小与其功率大小、用途及技术要求有关。
(1)制作材料。三相交流异步电动机机壳一般为铸铁,大型电动机有的用钢板焊接而成,小型电动机中也有的用铝铸成。
(2)体积。一般情况下,电动机的功率越大,其体积亦越大。这是因为电动机机壳内部固定其定子,定子内部为转子,定子和转子之间留有一定的空隙。通常,电动机的功率越大,其转子、定子的体积都越大。也就是说,电动机机壳体由其转子、定子的体积决定。
一般说来,功率相等的各种型号的电动机,其机壳体积大小也差不多。
(3)机壳形状。电动机机壳的具体形状主要由转子形状决定。例如,专门用于起重机上的电动机,其机壳多呈细长状。这是因为起重设备运行时,电动机需要频繁地启动、停止、正转、反转,为减低其能耗和工作方便灵活,要求电动机转子直径要小一些,长度适当长一些。这种结构的电动机转动惯量小,其机壳也就呈细长状。当然,起重设备用电动机也可采用双转子电动机,这种设计同样也是为了降低能耗和使用灵活方便。
(4)机壳外面铸有散热筋。交流异步电动机机壳的外面均铸有散热筋(或称散热片),全封闭电动机外壳上则铸有较多的散热筋,以增大散热面积。交流电动机机壳上散热筋多少为最好是一个复杂的技术问题。散热筋较少时,风阻小、风量大,但散热面积小,影响电动机的冷却效果;如果散热筋较多,则散热面积增大,但风阻也增大,风量减小,也要影响电动机的冷却效果。所以,散热筋过多或过少对减小电动机的温升都不利。散热筋的数量应通过大量的科学实验来确定。
(5)机壳端盖外面铸有风叶。电动机机壳端盖外面一般设有风叶,也是为了散热。通常高速电动机的风叶直径较小,而低速电动机的风叶直径较大。这是因为电动机运行时的噪声之一是空气噪声。风叶转动时产生的空气噪声与其结构、尺寸大小、几何形状、转速高低、风阻情况、风路结构等因素有关。一般来说,风扇的直径越大,转速越高,噪音就越大。同时,风扇边缘与通风室的间隙过小,会产生尖叫的笛声或哨音。为了消除这种噪音,高速电动机不宜采用大直径风叶,而都采用直径较小的风叶。
由此可以推知,对体积相同而转速不同的电动机,其端盖外面的风叶是不可以随意更换的。
(6)机壳封闭程度由技术要求决定。如上所述,电动机有开启式、防护式、封闭式、防爆式、防水式、潜水式之分。显然,它们对机壳封闭程度的要求是不一样的。全封闭电动机也不是完全封闭的,一般在机座下面留有1～2个小孔,以便流出凝结水。即使是防爆式电动机,在一定压力之下也要漏气,真正不漏气的电动机是没有的。另外,封闭式三相鼠笼式电动机,其前、后端盖上均有3只带螺钉的孔,这是专门供检查时测定电动机转子和定子间气隙用的。测定时将螺钉拆下,将塞尺插入,即可方便地测出气隙。
另外,为了搬运方便,电动机机座上一般装有吊攀。
2. 定子
一般情况下,定子固定在电动机机壳的内层。三相及单相交流异步电动机的定子由若干0.35～0.5 mm厚的硅钢片(型号为D11)冲片叠装组成,片与片之间彼此绝缘,以减小电动机运行时定子中的涡流损耗。常见单个硅钢片的形状如图5-1(a)所示,其内圈均匀分布的槽口用于嵌放定子绕组(线圈)。
(a)单片定子硅钢片
(b)半闭口梨形凹槽
(c)开口形凹槽
图5-1 单片定子硅钢片形状与凹槽
电动机的功率不同、用途不同,其定子形状也不尽相同,区别主要集中在内圈的槽口上。常见的几种结构及其对电动机性能的影响如下。
(1)定子内圈槽口形状。定子内圈槽口形状有半闭口梨形及半开口、全开口3种,分别如图5-1(a)(b)(c)所示,依次适用于中、小容量的电动机,较大容量的电动机及大容量电动机。
定子内圈的槽口相当于增加了内部的气隙,从提高交流电动机的性能考虑,槽口越小越好。一般而言,槽口越小,所需的激励磁势越小,其功率因数可提高,磁场波动可减小,由此所产生的损耗、振动都较小;与此相反,槽口越大,励磁电流越大,效率及功率因数等均较低,使电动机的某些性能变坏。对于中、小容量电动机而言,一般使用的电压低(220 V或380 V)、电流小,绕组使用的电磁线细而匝数多,电磁线可一根根放入,所以采用半闭梨形槽口;对于较大容量或大容量电动机,绕组使用的电磁线较粗,有时还需要选用扁导线,电压较高时,绕组要进行绝缘处理,以提高对铁心的绝缘要求,须先将绕组包扎成形及绝缘处理好后整只放入,不得不采用半开口或全开口槽形。
(2)定子内圈槽口数目(简称槽数)Z1与极距τ。鼠笼式三相交流异步电动机定子内圈槽口数目有18、24、30、36、42、48、54、60、72(3的倍数)等9种,变极多速三相交流异步电动机定子内圈槽口数目有24、36、48、54、72等5种,单相异步电动机定子内圈槽口数目有12,24,36等3种。如上所述,定子内圈槽口用以嵌放定子线圈。由物理学知识知道,线圈通电后便形成磁场,类似于一个有N、S极的条形磁铁。若通电定子线圈形成的磁极对数为p,则磁极总数为2p,每个磁极对应的槽口数称为极距,一般用τ表示,则τ=槽口总数Z1/2p。
(3)定子内径。通常情况下,外径相同的定子,磁极对数少的内径较小。电动机通电运行时,其定子绕组中的磁通都要经过定、转子铁心的轭部,如每极磁通太大,就会造成轭部磁感应强度过高,即磁路过饱和,从而给电动机运行带来不利影响。每极磁通是和每极极距成正比的,磁极对数少时每个极的极距就大,从而每极磁通也大。为了使每极磁通有个合理的数值,极数少的就要缩小定子片内径,使轭高相应变大,这样才不会使电动机铁心轭部过分磁饱和。
(4)定(转)子轭部厚度差别与槽楔。一般情况下,转速高的电动机,其定(转)子轭部厚一些。这是因为:尺寸相近但转速不同的电动机,转速高则极数少,且每极的面积大,每极磁通和通过定、转子轭部的磁通都相应增大,为保证一定的轭部磁通密度,轭高需相应增厚。反之,转速低的极数多,每极的面积小,每极磁通和通过定、转子轭部的磁通都相应减小,轭高也相应减薄。
中小型电机由于绝缘和工艺的要求,铁心采用梨形开口槽,一般采用非磁性槽楔封槽口。此时气隙磁场齿谐波增大,转子齿表面铁损耗和脉振损耗增大;由于附加铁损耗增大,会引起电动机效率降低,绕组温升也随之提高。为改善这种状况,有些中、小型电动机采用磁性槽楔,铁损耗一般可降低40%～60%,空载电流下降15%～25%;绕组温升最大可降低20%,具有改善电动机性能、提高效率、减小电能消耗等优点。
(5)定、转子之间的空隙。一般情况下,异步电动机定、转子之间的空隙较同步电动机要小一些。这是因为电动机定、转子之间的气隙越大,则电动机取自电网的无功励磁电流越大,此时电动机功率因数将显著降低。为了保证感应电动机的功率因数不致过低,希望电动机的气隙较小。电动机定、转子之间的气隙也不能太小,否则除影响轴向通风外,还极易造成扫膛故障(定、转子相摩擦)。同步电动机则不同,其励磁电流不由交流电网供给,而由直流励磁,所以气隙大小不影响功率因数。另一方面,同步电机气隙越大,则其过载能力也越大,故同步电动机的气隙一般比较大。但气隙过大,亦将使直流励磁磁势增加,因而使整个电动机的设计尺寸增大。所以,应该有个合适的气隙。但总的来说,同步电动机的气隙比感应电动机要大一些。
顺便指出,电动机定、转子铁心用硅钢片与电力变压器铁心用硅钢片的型号是不同的。前者为D11,铁损较大、励磁伏安值较小,机械性能较好、脆性较小;后者为D41,性能恰好相反:铁损较小、励磁伏安值较大,机械性能较差、脆性较大。二者不能混用。
3. 定子绕组的结构及其性能特点
电动机定子绕组的作用是产生转子转动所需要的旋转磁场。以三相交流异步电动机为例,电动机运行时,由于定子绕组需接三相交流电源,定子绕组应为匝数、阻抗等电性能相同的3个,在定子内圈凹槽中的嵌放必须空间上呈120°(称电角度)放置,相互之间还应当有序地连接起来,只有这样,才能产生一个技术上符合要求的旋转磁场。除此之外,定子绕组还应当具有可靠的绝缘性能、一定强度的机械性能,以及工艺性能好、节省铜(或铝)材、易于散热、维修方便等特点。
(1)结构与电路代表符号。电动机中使用的线圈多由相应绝缘等级的漆包线或其他外皮绝缘的导线按一定形状、尺寸在模具上绕制而成,可以由几匝或几十匝组成。为了作图方便,常把线圈画成如图5-2所示的近似菱形。
(a)单匝线圈
(b) 多匝线圈
(c) 多匝线圈简化图
图5-2 线圈的电路代表符号
实际应用中,一个匝数较多的定子线圈往往分成几个小线圈(或称子线圈),按一定规律嵌放在定子凹槽中。习惯上,前者称为线圈组,后者则称为线圈。根据电动机运行的需要,几个线圈连接后接交流电源中的某一相,这几个线圈又称为该相电源的绕组。例如,三相交流异步电动机定子中有3个线圈组,故又常被称为三相绕组。
(2)线圈的端部、有效边及节距。线圈在电动机定子凹槽中嵌放时,其直线部分a(即长边)位于凹槽中,称为有效边(俗称长边);伸出凹槽外的部分,称为端部(见图5-2);两个有效边所跨的凹槽数称为线圈的节距y。例如,某线圈的两个有效边分别位于电动机定子的第1号和第6号凹槽(凹槽的编号是任意的)中,则它的节距y=6-1=5(槽)。
(3)常见定子绕组的种类和形式。按结构不同,定子绕组分为单层、双层和单双层混合绕组,按每极每相所占槽数,分为整数槽和分数槽绕组,按绕组的连接方式不同,分为链绕组、同心绕组、交叉绕组、叠绕组、波绕组等,如图5-3所示。
图5-3 绕组的种类
(4)典型定子绕组的结构及特点。具有一个转速的三相交流异步电动机的定子绕组,由3个总匝数相等、电性能基本一样的绕组组成,在空间上彼此之间互成120°角对称地嵌放在定子内圈的凹槽中。具体嵌放时,每个线圈的一个有效边嵌放在某个凹槽的下层,则其另一个有效边则嵌放在另外一个凹槽的上层,即每个凹槽中嵌放有两个线圈的有效边,其中一个在下层,另一个在上层。这种结构的定子绕组接通三相电源时,形成只有一对磁极的旋转磁场。因此,电动机的转速只有一个,一般为2 800 r/min(转/分)。
具有2个转速的三相交流异步电动机,除了通过改变线圈接法的途径获得不同的转速外,有时将嵌放线圈的定子凹槽分做两层,其中高转速的绕组嵌放在凹槽的里层,低转速的绕组嵌放在凹槽的外层。这是因为,电动机在低速运转时的性能比高速运转时差,为了改善低速运转时的性能,将低速绕组嵌置在槽的上层,既可以减小槽漏磁,又有利于绕组散热。高速绕组嵌置在槽的下层,即使漏抗稍大些,对运行性能影响也不大。又因其转速高,绕组虽在下层,散热也很好。另外,高速绕组极距大、端部长,嵌置在下层也较方便。
在上述各种电动机中,为防止定子绕组匝间或各绕组间击穿短路,除应当选用高强度漆包线绕制外,还要进行浸漆处理,进一步提高彼此间的绝缘性能。另外,各绕组在定子槽中的固定应十分牢固,不能有松动现象。
4. 转子
在结构上,电动机转子与其定子一样,由0.35～0.5 mm厚、相互间绝缘的硅钢片冲片叠压而成。转子的中心为转轴,转轴通过轴承、端盖固定在机壳上,并向外输出转动机械能;转子的外周冲有均匀分布的凹槽,以便嵌放转子绕组。转子绕组的作用是在定子绕组产生的旋转磁场作用下产生感应电流,进而产生电磁力矩,使转子转动起来,实现电能转变为机械能。
(1)转子有鼠笼式和绕线式两大类。鼠笼式转子和绕线式转子的最大区别是,前者凹槽中直接铸铝或插入铜条,两端相连后类似于一个鼠笼,故称其为鼠笼式转子;后者的凹槽则嵌放线圈。
鼠笼式转子有单笼式、双笼式和深槽式等3种。后两种多用于大型三相交流异步电动机中。
(2)鼠笼式转子凹槽中一般为端部相互短接的铸铝或铸黄铜。常用鼠笼式电动机转子的这种结构,铝条或黄铜条间的电压很低,而且其两端已被短接,所以彼此之间即使不绝缘也不会在铁心中形成电流,因此铸铝条或铸黄铜条不需要与转子铁心绝缘。
电动机的转子制作起来较为麻烦,但不能直接用铜、铝或铁质的圆柱体来制作。这是因为鼠笼式异步电动机的转子之所以能转动,是因为转子上带电流的导体与旋转磁场相互作用而产生转矩。产生的转矩M可由下式表示:
M=CmΦ0I2cos2
式中:Cm为常数,由电动机结构决定;
Φ0为旋转磁场主磁通;
I2为转子导体中的电流;
2为转子导体与电势间的相位差。
如果转子用铜或铝的圆柱体制成,其磁导率很小,为了产生同样大小的旋转磁场主磁通Φ0以达到额定转矩,定子绕组的电流要很大或匝数要很多,这样就会造成电动机的铜耗很大。如果转子用圆柱形铁心制成,虽然解决了转子磁导率的问题,但铁的电阻率比铜或铝大得多,因此转矩M要减小,转速n要下降,同时转子中的损耗也将增加。所以,鼠笼式转子必须采用硅钢片叠加铁心、铜或铝鼠笼绕组的结构。对于异步电动机而言,异步电动机定子的磁场是以同步转速旋转的,而转子又是与磁场同向旋转的,因此转子铁心中磁场的交变频率非常低,故其中的铁损很小,所以转子铁心冲片可以不涂绝缘漆,直接叠加即可;而对直流电动机而言,其磁场是不动的,电枢旋转时铁心内磁场的交变频率较高,且与极数和转速成正比。为了减少铁心内的涡流损耗,直流电动机的电枢冲片一般都需要经过涂漆处理以加强绝缘。
对于转子采用黄铜条的电动机(例如吊车用鼠笼式电动机),当其黄铜条断裂后不宜用紫铜条代替。因为转子用黄铜条的目的,是因其电阻较大,能得到较大的启动转矩。如换用电阻小的紫铜条,启动力矩将减小很多,一般不能满足电动机启动特性的要求。
另外,铜排转子双鼠笼感应电动机外笼和内笼通常各自采用独立的短路环,因双鼠笼感应电动机要求两个鼠笼中导体电阻不同,因此通过的电流不同,发热程度也不同。采用独立的短路环时,上、下笼可以互不相干地热胀冷缩。如合用一环,则会因上、下热胀冷缩长度不同而造成机械应力,对延长转子的工作寿命不利。另外,两环分开在设计时启动电阻值也比较容易掌握。
同步电动机磁极表面上装有像鼠笼转子那样的铜条和端环,它的作用是:当电动机同步转速时,定子的旋转磁场对转子无相对运动,不能在上述铜条和端环内产生感应电流,不起什么作用。当电动机的转速高于或低于同步转速时,即在其中产生感应电流,因而产生力矩,这个力矩将使转速趋于同步。另外,在电动机启动时,它的作用相当于鼠笼转子,使电动机能够有适当的力矩而自动启动。
(3) 鼠笼式转子的凹槽方向。鼠笼式转子凹槽通常呈倾斜方向,有的分成不同倾斜方向的两段,并在其表面处开一个小的槽口,如图5-4所示。
(a)倾斜状凹槽
(b)两段式凹槽
图5-4 转子的凹槽形状
由电磁学中的左手定则可知,在磁场中的带电导体总受到垂直于该导体的力的作用。鼠笼式电动机的转子大多采用斜槽的形式,这时作用在铸铝或铸黄铜导体上的力不仅在轴上产生一个有用的转矩,而且沿轴向也产生一个无用的分力。显然,轴向分力既对转子两端的轴承产生破坏作用,又会使电动机转子产生轴向移动。当斜槽的斜度不变时,该轴向力与电动机输出力矩成正比,对大容量电动机来说尤为严重。解决的方法之一是将转子分成如图5-4(b)所示的斜槽方向不同的两段,使它们的轴向力正好相抵消。另外,采用这种结构还能减小电动机的附加损耗、附加力矩和噪音。
转子槽在其表面处开一个小槽口的作用与定子凹槽的作用相同,都是为了减小漏磁,如图5-5所示。但对于中频异步电动机而言,则多为闭口槽。这是因为中频异步电动机的电源频率为100～1 000 Hz,并且转速很高(达6 000～60 000 kr/min),因此转子绕组要承受较大的离心力。为增大转子绕组的机械强度,故常采用闭口槽。闭口槽还有利于减小气隙谐波磁势的幅值和减小磁与空气涡流的噪声。
图5-5 转子凹槽开口的作用
电动机鼠笼式转子槽数一般不等于定子槽数,而且不为奇数。这是因为:三相异步电动机的定子绕组中通过三相交流电时,会产生定子基波旋转磁场及谐波磁场,并在转子绕组中感应电流,产生转子基波旋转磁场及谐波磁场,定、转子基波旋转磁场是同步旋转的,它们互相作用,产生了电动机的基波力矩,使电动机旋转;定、转子谐波磁场相互作用,会产生附加力矩,在不同的转子转速下,这个力矩的大小、方向是不同的。如果定、转子槽数的配合选择不当,就会引起定、转子同次谐波磁场相互作用而产生较大的附加力矩。在电动机启动转速较低的情况下,会出现较大的反方向附加力矩,造成电动机转速不能继续升高到额定转速,严重时会导致电动机不能正常使用。因此,普通的鼠笼式异步电动机不采用定、转子相等的槽数。因为奇数的转子槽会产生偶次齿谐波磁势,与定子的奇次谐波磁势作用,产生振动力矩,使电动机发生机械振动和噪音,所以,一般不采用奇数转子槽。
(4) 鼠笼式转子对机壳不要求绝缘,而绕线式转子对机壳则必须绝缘。鼠笼式转子的相数等于每对磁极下的槽数,每相只有一根导条(二分之一匝),所以每相感应电势很小;同时,硅钢片的电阻比鼠笼绕组的电阻大很多,所以电流绝大部分从绕组流过。因此,鼠笼式绕组对机壳无需绝缘。绕线式转子绕组中,其相数和定子绕组相同,每相绕组的匝数较多,所以每相的感应电势很大。若绕组对机壳不绝缘,就会产生对地短路甚至烧毁电动机。
(5)绕线式转子应具有相应的供电装置。一般情况下,绕线式转子的外周凹槽中嵌放着与定子绕组相同极数的线圈。例如,三相交流异步电动机的绕线式转子也为空间位置上对称、性能一样的3个绕组。在接线方式上,3个绕组一般为星形连接,即3个绕组的末端接在一起,3个绕组的首端分别接到转轴上3个与转轴绝缘的滑环上,再通过安装在机壳端盖上的电刷装置与供电线路相连接,如图5-6所示。
图5-6 绕线式转子的接线
有些绕线式转子电动机设置有“举刷”装置,电动机启动完毕、进入正常运行后,可启动“举刷”装置将电刷抬起,以减小电刷与滑环间的磨损。此时,转子3个绕组的首端在滑环上被短接。
(6)转子常用钻孔或车一凹槽的方法调整其动平衡。在电动机制造中,若所加工的电动机转子的动平衡未达设计要求,就会使电动机在高速运转时产生振动和噪声。因此,制造厂经常要对所加工的电动机转子“校动平衡”。对不平衡的鼠笼式转子而言,常采用在鼠笼式转子端部钻掉一些铸铝或在转子铁心上钻洞的方法来达到校正动平衡的目的。这种方法简单、方便,而且在钻去量不大的情况下,对电动机的性能不会产生明显的影响。由于转子动平衡状态的离散性,加之采用上述方法难以一次校正,也就使得所钻的“平衡孔”不规则了。
(7)转子端环一般铸有铝质散热风叶。转子端环上的风叶可将转子内部的热量直接传导到叶面,使与叶面相接触的高速冷空气迅速地将热量带走,冷却效果较好。相对而言,若另外加上风叶,即使通风情况相等,由于转子产生的热量不能直接传导到叶面上,冷却效果也较差。至于所铸风叶以多少为好,则是一个较为复杂的技术问题。风叶太少,散热效果显然较差。但风扇叶片过多也并不一定能提高散热能力,而且风扇片增加,会造成铸铝工艺复杂,增加铝的消耗,使转子的动平衡调整更加复杂。
另外,安装防护式电动机转子时应注意,其端环上的风叶不能离挡风板太远,以防止风叶所打出来的气流与吸风口的空气形成涡流,从而减弱直接吹在最需冷却的绕组端部和定子铁心的气流。所以,除了满足电动机在机械上的要求外,转子风叶离挡风板的距离不能太远,以免影响冷却效果。
(8)转子轴两端固定有轴承和轴承盖。转子轴两端的轴承,一是对转轴起支撑作用,二是减小摩擦。轴承内注有润滑油脂,为防其外溢,均加装内、外轴承盖。
(9)转子体积大小由其功率决定,对其启动力矩影响很大。电动机转子体积主要由其功率决定,电动机的功率越大,需要的转子体积也越大。除此之外,转子的外径与其定子内径必须保持一定的数量关系。也就是说,转子不能太粗,也不能太细。一般而言,转子粗一点容易发生扫膛(转子与定子相摩擦)故障,而且影响轴向通风,因此转子不能太粗;转子细一点,对感应电动机而言,其启动力矩会增大。这是因为感应电动机的启动转矩近似与定、转子漏抗成反比例。将转子外径适当车小些,增大了空气隙的长度,使漏抗减小,启动转矩会增大。但空气隙长度的增加,却使空载电流增大,功率因数降低。所以,用减小转子外径提高启动转矩的办法是具有一定限度的。
在实际生产过程中,有时通过车小鼠笼式电动机转子端环的方法提高其启动转矩。这是因为感应电动机启动转矩与启动时功率因数成正比。将端环车小了,转子绕组的电阻增大,启动时有功电流增加,启动转矩增大。但转子端环不能车去过多,否则会使电机效率降低,温升增高。
作为应急使用,不同型号的鼠笼式电动机的转子可以装入尺寸相同的定子中使用(如将四极转子装入六极定子中),但运行性能较差。特别当定、转子槽数配合不当时,可能在启动过程中产生附加力矩,甚至不能启动;也可能在运行时发生噪音;运行时的技术指标也将下降。