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三相异步电动机 编辑词条词条保护

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三相异步电机简介

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三相异步电机(Three-Phase Induction Motor),是以三相对称交流电为驱动源,通过特定的机械结构和电磁作用原理,将电能转换为机械能供给生产机械实现各种运动,5基本工作原理遵循电磁感应定律,磁场对电流的力的作用,使电动机转动。3三相异步电动机可以划分为定子和转子两个部分,其中,定子属于固定部分,转子属于旋转部分。

三相异步电机最早可以追溯到18X,当时丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Ørsted)发现电流会产生磁场,磁场可以对磁铁施加力,这是电动机的原理雏形。61889年,俄国电工科学家多利沃-多布罗沃利斯基发明了世界上X台三相鼠笼式感应电动机。

三相异步电机接入三相电源后,三相定子绕组内便会有旋转磁场产生,旋转磁场的转速将直接由三相电源的实际频率和电动机的具体极数决定。5按转子结构的不同,三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。三相异步电机在机械、冶金、煤炭、石油、化工等工业领域应用十分广泛。

历史沿革

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18X,丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特(Hans Christian Ørsted)发现电流会产生磁场,磁场可以对磁铁施加力,这是电动机的原理雏形。同年9月,受电流磁效应的启发,安德烈-玛丽·安培(André-Marie Ampère)认为两个通电导体之间也一定存在着力的作用,提出安培定则。此后,安培研究了电流对电流的作用,即电X生磁效应,提出了两个电流元之间的作用力与距离平方成反比的公式,即X的安培定律。

18X,英国物理学家迈克尔·法拉第(Michael Faraday)从已有理论中得到灵感,观察到载流导体在磁场中受力的现象,并迅速地研制出了一种早期电机,能够将直流电能转化为机械能。

1886年,特斯拉制成了曲相绕线式交流异步电动机模型。1888年,特斯拉发明了交流电动机,又称感应电动机。

1888年,俄国电工科学家多利沃-多布罗沃利斯基进行了三相鼠笼式电动机的研究工作,并研究三相系统的星形连接方式和三角形连接方式。1889年,世界上X台三相鼠笼式感应电动机诞生,71889年3月8日,多利沃的“三相交流电动机鼠笼电枢”申请德国专利,1889年12月5日,他的“三相绕线式发电机和电动机的星形和三角形连接法”申请英国专利。

1892年,爱迪生电灯公司与汤姆逊——休斯敦电气公司合并成立美国通用电气公司,抛弃了原爱迪生公司对交流电技术的偏见,立即着手设计制造交流电机,1896年制造出150hp感应电动机。

1896年,通用电气公司和西屋公司积极参与三相感应电动机的研制,两家公司签署了感应电动机专利的交叉许可协议,进一步加快了三相感应电动机的商业应用进程。三相电动机因结构简单,工作可靠而得到了大量应用。

20世纪初,交流三相制在电力工业中已占据X的X地位。

步入21世纪后,三相感应电动机的技术不断发展,出现了许多新型的电机控制技术,如矢量控制、直接转矩控制等,这些技术能够提高电机的性能和效率,为三相感应电动机的应用提供了更广阔的发展空间。

三相异步电机工作原理

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三相异步电动机是通过电磁感应原理实现机械能的转换。 作业过程包括启动、运转和停止三个阶段。启动时,三相异步电动机接通电源,定子绕组中通入三相交流电,产生旋转磁场,与转子绕组产生感应电流,使转子旋转。运转时,转子会继续旋转,同时产生自己的磁场,这个磁场会受到旋转磁场的作用而使转子持续旋转。当需要停止时,切断电源,旋转磁场消失,转子因惯性会继续旋转一段时间,然后停止。

动力来源

三相异步电动机的动力来源是三相交流电源,主要由电力变压器提供。三相电源的三个相位差为120度的正弦波,其频率和电压都是50Hz。

传动

三相异步电动机的传动是通过电磁感应原理实现的。当三相电流通过定子绕组时,会产生旋转磁场,这个磁场会与转子绕组产生感应电流,感应电流又会产生自己的磁场,这个磁场会受到旋转磁场的作用而使转子旋转。转子的旋转速度低于旋转磁场的速度,这是因为转子有惯性,需要一段时间来达到旋转磁场的速度。

制动

三相异步电动机的制动是通过在转子回路中加入电阻或反接电源来实现的。当转子回路中加入电阻时,转子的转速会降低,从而达到制动的目的。当反接电源时,转子的旋转方向会改变,与旋转磁场的旋转方向相反,从而产生制动力。

三相异步电机基本结构

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定子

三相异步电动机定子由定子铁心、定子绕组和机座等部件组成,定子的作用是用来产生旋转磁场。

定子铁心

定子铁心是电动机磁路的一部分,由于异步电动机中的磁场是旋转的,定子铁心中的磁通为交变磁通。为了减小磁场在铁心中引起的涡流及磁滞损耗,定子铁心由导磁性能较好的0.5mm厚、表面具有绝缘层f涂绝缘漆或硅钢片表面具有氧化膜绝缘层)的硅钢片叠压而成。定子铁心叠片内圆冲有均匀分布的一定形状的槽,用以嵌放定子绕组。中小型电动机的定子铁心采用整圆冲片。

定子绕组

定子绕组是电动机的电路部分,由许多线圈按一定的规律连接而成。小型异步电动机的定子绕组由高强度漆包圆铜线或铝线绕制而成,一般采用单层绕组;大、中型异步电动机的定子绕组用截面较大的扁铜线绕制成型,再包上绝缘,一般采用双层绕组。

机座

机座是电动机的外壳,用以固定和支撑定子铁心及端盖,机座应具有足够的强度和刚度,同时还应满足通风散热的需要。小型异步电动机的机座一般用铸铁铸成,大型异步电动机机座常用钢板焊接而成。为了增加散热面积、加强散热,封闭式异步电动机机座外壳上面有散热筋,防护式电动机机座两端端盖开有通风儿或机座与定子铁心间留有通风道等。

转子

转子由转子铁心、转子绕组和转轴等部件构成。转子的作用是用来产生感应电流,形成电磁转矩,从而实现机电能量转换。

转子铁心

转子铁心也是电动机磁路的一部分。通常用定子冲片内圆冲下来的原料做转子叠片,即一般仍用0.5ram厚的硅钢片叠压而成,套装在转轴上,转子铁心叠片外圆冲有嵌放转子绕组的槽。

转子绕组

转子绕组的作用是感应电动势和电流并产生电磁转矩。其结构有笼型和绕线转子两种,在大中型绕线式电动机中,还装设有提刷短路装置。起动时转子绕组与外电路接通,起动完毕后,在不需调运的情况下,将外部电阻全部短接。

转铀

转轴一般用强度和刚度较高的低碳钢制成,其作用是支撑转子和传递转矩。整个转子和轴承和端盖支撑着,端盖一般用铸铁或钢板制成,它是电动机外壳机座的一部分。

气隙

在三相异步电动机定子和转子之间留有均匀的气隙,气隙的大小对异步电动机的参数和运行性能影响很大; 为了降低电动机的励磁电流和提高功率因数,气隙应尽可能做得小些,但气隙过小,将使装配困难或运行不可靠,因此气隙大小除了考虑电性能外,还要考虑便于安装。气隙的最小值常由制造加工工艺和安全运行等因素来决定,异步电动机气隙一般为0.2~2mm左右,比直流电动机和同步电动机定、转子气隙小得多。

三相异步电机主要分类

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按照转子机械结构

笼型转子绕组

在每个转子槽中插入一铜条,在铜条两端各用一铜质端环焊接起来形成一个自身闭合的多相短路绕组,形如鼠笼,称为铜条转子,也可以采用铸铝的方法,把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成,称为铸铝转子。中小异步电动机的笼型转子一般采用铸铝转子。为了提高电动机的启动转矩,在容量较大的异步电动机中,可采用双笼型或深槽式结构的转子。笼型转子结构简单、制造方便、运行可靠,所以得到了广泛应用。

绕线式转子绕组

绕线式转子绕组与定子绕组相似,也是制成三相绕组,一般为星形联结。三根引出线分别接到转轴上彼此绝缘的三个集电环上,通过电刷装置与外部电路相连,转子绕组回路串人三相可变电阻的目的是为了改善起动性能或调节转速。为了消除电刷和集电环之间的机械摩擦损耗及接触电阻损耗。

按电动机结构尺寸

大型电动机

指电动机机座中心高度大于630mm,或者16号机座及以上。或定子铁芯外径大于990mm者。称为大型电动机。

中型电动机

指电动机机座中心高度在355一630mm之间。或者11-15号机座。或定子铁芯外径在560~990mm之间者。称为中型电动机。2

小型电动机

指电动机机座中心高度在80-315mm.或者10号及以下机座,或定子铁芯外径在125-560mm之间者。称为小型电动机。

按电动机控制方法

定频三相异步电动机

定频三相异步电动机是指工作频率固定的三相异步电动机。这种电动机通常用于工业自动化、电力、交通等领域,通过三相交流电源供电,工作频率固定不变。定频三相异步电动机的结构与普通的三相异步电动机基本相同,包括定子和转子两个主要部分。其中,定子主要由铁心、绕组和机座等部分组成,转子则由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。由于工作频率固定不变,所以电动机的转速也是恒定的,不会随着负载的变化而变化。

定频三相异步电动机具有高效率、低噪音、高可靠性、易于维护和调试等优点,在泵、风机、压缩机等设备的驱动中,通常会选择使用定频三相异步电动机来保证设备的稳定性和可靠性。

变频三相异步电动机

变频三相异步电动机是一种应用变频器控制的三相异步电动机。通过变频器的控制,可以实现电机的调速、节能等功能。变频三相异步电动机具有高效率、低噪音、高可靠性、易于维护和调试等优点,在结构方面,变频三相异步电动机与普通的三相异步电动机基本相同,通常包括定子和转子两个主要部分。其中,定子主要由铁心、绕组和机座等部分组成,转子则由转子铁心、转子绕组和转轴等部分组成。变频三相异步电动机主要依靠定子绕组中的三相交流电X生的旋转磁场来驱动转子旋转。当改变定子绕组中的电流频率时,旋转磁场的转速就会发生变化,从而实现电机的调速控制。24

三相异步电机参数指标

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三相异步电动机的主要参数指标包括以下几项。

(1)额定功率三相异步电动机:额定运行状态下的轴上输出机械功率,kW。

(2)额定电压三相异步电动机:额定运行状态下加在定子绕组上的线电压,V或kV。

(3)额定电流三相异步电动机:额定电压下电动机输出额定功率时定子绕组的线电流,A。

对额定电流,还可以采用如下经验公式进行估算:

三相异步电动机式中:功率的单位为kW,电压的单位为V。

(4)额定转速三相异步电动机:电动机在额定输出功率、额定电压和额定频率下的转速,三相异步电动机

(5)额定频率三相异步电动机:电动机电源电压标准频率。我国工业电网标准频率为50Hz。

三相交流电动机轴上额定输出功率与输人电功率的关系为:

三相异步电动机式中:三相异步电动机是电动机在额定运行状态下定子侧的功率因数;三相异步电动机为额定运行状态下电动机的效率。

技术特点

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优点

三相异步电动机,特别是鼠笼式异步电动机,则具有结构简单、坚固耐用、维护方便、起动容易以及成本较低等优点,广泛用于工业系统做电力驱动设备,例如各类机床、水泵、风机、起重设备、加工设备等的动力源。

缺点

三相异步电动机也存在一些缺点,如转速不易调节,起动性能较差,所以对起动和调速要求较高的场合,异步电动机不如直流电动机。另外,异步电动机必须由电网供给激磁电流,增加了电力系统的无功负担,造成系统的功率因数下降,为了改善功率因数常采用同步电动机。28虽然调速特性和功率因数方面略逊于直流电动机和同步电动机。因此在一般应用场合下仍是应用最广泛的电动机。

主要应用

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工业生产

三相异步电动机可以应用于各种工业生产中的机器和设备,如压缩机、泵、风机、输送机、研磨机、切割机等。三相异步电动机,其特点主要是具有结构简单、维护简单、经济性好,制造方便等。

交通运输

在各种交通运输工具中都有应用,如电动汽车、电动火车、电动船等。比如新能源电X,电动机通过驱X辆的电机控制器,将电池中的电能转化为机械能,从而驱X辆行驶。相比传统燃油车,电动汽车具有更高的能源利用效率和更低的排放,是未来交通发展的重要方向。

农业生产

在农业生产中,为农机配置动力主要考虑的是安全性、经济性和实用性。由于农业生产上常用的是三相交流电,如果没有特殊要求,大多采用三相异步电动机,这是因为在功率相同的条件下,三相电动机比单相电动机具有体积小、重量轻、振动小、价格低等优点。从经济角度考虑,应尽量选择Y系列节能形电动机。这是中国80年代设计生产的新产品,具有重量轻、体积小、效率高、功率等级多、起动转矩大、噪声低等优点。

家用电器

相异步电动机也可以应用于家庭和商业领域中的各种电器和设备,如空调、冰箱、洗衣机、吸尘器、电风扇等。以冰箱为例,三相异步电动机被用于驱动冰箱的制冷系统,保证冰箱能够正常运转。同时,一些高端的冰箱还利用三相异步电动机驱动风门和搅拌器等部件,实现更精确的温度控制和食物保鲜效果。

标准法规

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中国

三相异步电动机产品执行标准主要有:GB/T 14711-2013 《中小型旋转电机通用安全要求》、GB/T 1032-2012 《三相异步电动机试验方法》、GB/T 755-2008《旋转电机定额和性能》、GB/T 755-2019《旋转电机定额和性能》、GB/T 1971-2006《旋转电机线端标志与旋转方向》、GB/T 10068-2008 《轴中心高为56mm及以上电机的机械振动振动的测量、评定及限值》、GB/T 10068-2020《轴中心高为56 mm及以上电机的机械振动振动的测量、评定及限值》、GB 18613-2012《中小型三相异步电动机能效限定值及能效等级》、GB18613-2020 《电动机能效限定值及能效等级》、GB/T10069.1-2006《旋转电机噪声测定方法及限值第1 部分:旋转电机噪声测定方法》、GB/T 10069.3-2008《旋转电机噪声测定方法及限值第3 部分:噪声限值》。

国外

IECTS60034–17第4版“旋转电机一第17部分:变频器供电笼形感应电动机—应用指南”,IEC TS60034–25“旋转电机一第25部分:变频器供电专用笼型感应电动机设计与性能指南”。

美国NEMA MGl第30部分“具有谐波含量的正弦波电网供电恒速电动机和调压控制器或调频控制器或调压调频控制器供电通用电动机的应用条件”和第3l部分“变频器供电专用电动机(1998)”。

ANSI/APl 541–2003美国石油学会标准“500马力及以上成型绕组笼型感应电动机”,2004年6月第4版。

德国DIN VDE0530标准中关于变频电动机部分也随IEC的有关标准。

发展趋势

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节能

三相异步电动机的使用的电量占用中国每年总耗电量的一半以上,所以,如果通过节能技术手段来对三相异步电动机的耗电量进行必要的控制,将大大降低国家电能消耗。例如,通过可控硅及移相触发电路部分,这部分基本会使用在接收控制板的信号和转变控制电压,另外,对于信号检测板部分而言,这一部分主要作用是接收传感器的信号同时做出相应的处理,利用信号获取适当的电流值和电压值,借此取得功率因数;除此之外还有单片机控制板部分,这一部分的作用是接收信号检测板的信号,并且以此来操纵运算产生的控制信号到移相触发电路来调节取得X功率因数,不但如此,这一部分还可以对控制器上的参数进行调节,还可以显示出控制器的运行情况。通过对硬件的设计和制作,来获得功率因数角,使节能技术更加完善。

大电机

大型交流电动机的容量等级不断增大,技术含量、产品性能、质量和可靠性不断提高,普通基本系列的大型电机将逐步取代大型直流轧钢电机,大力发展高技术含量、不同防护等级和冷却方式的特种专用大型电机替代进口产品。

智能化

随着人工智能、物联网等技术的发展,智能化控制将成为三相异步电动机的未来发展趋势。通过引入传感器、控制器和执行器等智能元件,实现三相异步电动机的远程监控、故障诊断、自适应控制等功能,提高电动机的运行效率和可靠性。

模块化

未来三相异步电动机的发展还将注重模块化和组合化的设计。通过将电动机、变速器、控制器等部件集成在一起,实现模块化和组合化设计,提高产品的互换性和适应性,方便用户进行安装和使用。

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