電機的旋轉(zhuǎn)原理、結(jié)構(gòu)、類型、故障排除全解

電機，在設(shè)備領(lǐng)域無處不在。電機類型、軟啟動方式，選型步驟，損壞原因方式處理方法，優(yōu)劣電機區(qū)別在哪。..。.本期我們就一同來看看。

電機旋轉(zhuǎn)原理

1、電流、磁場和力

首先，為了便于后續(xù)電機原理說明，我們來回顧一下有關(guān)電流、磁場和力的基本定律/法則。雖然有一種懷舊的感覺，但如果平時不常使用磁性元器件，就很容易忘記這些知識。

2、旋轉(zhuǎn)原理詳解

下面介紹一下電機的旋轉(zhuǎn)原理。我們結(jié)合圖片和公式來說明。

當(dāng)導(dǎo)線框為矩形時，要考慮到作用在電流上的力。

作用于邊a、c部分的力F為：

產(chǎn)生以中心軸為心軸的轉(zhuǎn)矩。

例如，當(dāng)考慮到旋轉(zhuǎn)角度僅為θ的狀態(tài)時，與b和d成直角作用的力為sinθ，因此a部分的轉(zhuǎn)

矩Ta由以下公式表示：

以相同的方式考慮c部分，則轉(zhuǎn)矩加倍，并生成由以下公式計算出來的轉(zhuǎn)矩：

由于矩形的面積為S＝hl，因此將其代入上述公式可得出以下結(jié)果：

該公式不僅適用于矩形，也適用于圓形等其他常見形狀。電機就是利用了該原理。

關(guān)鍵要點：

電機的旋轉(zhuǎn)原理遵循電流、磁場和力相關(guān)的定律（法則）。

直流電機 VS 交流電機

1、直流、交流電機區(qū)別

直流電機結(jié)構(gòu)示意圖

交流電機結(jié)構(gòu)示意圖

（1）電源方式不同：

直流電機：使用直流電做為電源；

交流電機：使用交流電做為電源。

（2）結(jié)構(gòu)上不同：

直流電機的原理相對簡單，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維護(hù)。而交流電機原理復(fù)雜但結(jié)構(gòu)相對簡單，而且比直流電機便于維護(hù)。

直流電動機

（3）價格上不同：

功率相同的直流電機高于交流電機，包括控制速度的調(diào)速裝置也是直流調(diào)速裝置高于交流調(diào)速裝置的價格，當(dāng)然結(jié)構(gòu)和維護(hù)也有很大的差異。

（4）性能方面不同：

因為直流電機的速度穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速控制精準(zhǔn)，是交流電機無法打到的，所以在轉(zhuǎn)速的嚴(yán)格要求下不得不采用直流電機替代交流電機。交流電機調(diào)速相對復(fù)雜，但由于化工廠使用交流電源而應(yīng)用廣泛。

同步電機 VS 異步電機

同步異步指的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速是同步（相同）還是異步（滯后），因而只有交流能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，只有交流電機有同步異步的概念。

步進(jìn)電機的工作原理

1、同步電機

原理：靠“磁場總是沿著磁路最短的方向上走”實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極與定子旋轉(zhuǎn)磁場磁極逐一對應(yīng)，轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速相同。

特點：同步電機無論作為電動機還是發(fā)電機使用，其轉(zhuǎn)速與交流電頻率之間將嚴(yán)格不變。同步電機轉(zhuǎn)速恒定，不受負(fù)載變化影響。

2、異步電機

原理：靠感應(yīng)來實現(xiàn)運動，定子旋轉(zhuǎn)磁場切割鼠籠，使鼠籠產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流受力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速必須有轉(zhuǎn)速差才能形成磁場切割鼠籠，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

3、同步和異步的具體區(qū)別：

（1）同步電機可以發(fā)出無功功率，也可以吸收；異步電機只能吸收無功。

（2）同步電機的轉(zhuǎn)速與交流工頻50Hz電源同步，即2極電機3000轉(zhuǎn)、4極1500、6極1000等。異步電機的轉(zhuǎn)速則稍微滯后，即2極2880、4極1440、6極960等。

（3）同步電動機的電流在相位上是超前于電壓的，即同步電動機是一個容性負(fù)載。同步電動機可以用以改進(jìn)供電系統(tǒng)的功率因素。

4、三相異步電動機（鼠籠）

（1）結(jié)構(gòu)：

轉(zhuǎn)子：鼠籠

定子：3繞組

（2）原理：

三相異步電機（Triple-phase asynchronous

motor）是感應(yīng)電動機的一種，同時接入380V三相交流電流（相位差120度）形成旋轉(zhuǎn)磁場，鼠籠產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而運動。靠感應(yīng)來實現(xiàn)運動，定子旋轉(zhuǎn)磁場切割鼠籠，使鼠籠產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流受力使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速必須有轉(zhuǎn)速差才能形成磁場切割鼠籠，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

（3）啟動：

星三角啟動、降壓啟動。

（4）換向：

交換定子三相中任意兩個接頭的接線。

（5）調(diào)速：調(diào)速困難。

（6）特點：

由于三相異步電動機的轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場以相同的方向、不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，存在轉(zhuǎn)差率，所以叫三相異步電動機。三相異步電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子繞組因與磁場間存在著相對運動而產(chǎn)生電動勢和電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)能量變換。

與單相異步電動機相比，三相異步電動機運行性能好，并可節(jié)省各種材料。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電動機可分為籠式和繞線式兩種?；\式轉(zhuǎn)子的異步電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點是調(diào)速困難。

普通電機 VS 變頻電機

1、普通、變頻兩類電機區(qū)別

首先，普通電機不能當(dāng)變頻電機使用。普通電動機是按恒頻恒壓設(shè)計的，不可能完全適應(yīng)變頻器調(diào)速的要求，因此不能多做變頻電機使用。

（1）變頻器對電機的影響主要在電動機的效率和溫升

變頻器在運行中能產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和電流，使電動機在非正弦電壓、電流下運行，里面的高次諧波會引起電動機定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵耗及附加損耗增加，最為顯著的是轉(zhuǎn)子銅耗，這些損耗會使電動機額外發(fā)熱，效率降低，輸出功率減小，普通電動機溫升一般要增加10%－20%。

（2）電動機的絕緣強度問題

變頻器載波頻率從幾千到十幾千赫，使得電動機定子繞組要承受很高的電壓上升率，相當(dāng)于對電動機施加陡度很大的沖擊電壓，使電動機的匝間絕緣承受較為嚴(yán)重的考驗。

（3）諧波電磁噪聲與震動

普通電動機采用變頻器供電時，會使由電磁、機械、通風(fēng)等因素所引起的震動和噪聲變的更加復(fù)雜。變頻電源中含有的各次諧波與電動機電磁部分固有空間諧波相互干涉，形成各種電磁激振力，從而加大噪聲。由于電動機的工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化范圍大，各種電磁力波的頻率很難避開電動機的各結(jié)構(gòu)件的固有振動頻率。

（4）低轉(zhuǎn)速時的冷卻問題

當(dāng)電源頻率較低時，電源中的高次諧波所引起的損耗較大；其次變通電機轉(zhuǎn)速降低時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成正比減小，致使電機熱量散發(fā)不出去，溫升急劇增加，難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。

2、如何區(qū)分普通電機和變頻電機？

（1）絕緣等級要求更高

一般變頻電機的絕緣等級為F級或更高，加強對地絕緣和線匝絕緣強度，特別要考慮絕緣耐沖擊電壓的能力。

（2）變頻電機的振動、噪聲要求更高

變頻電機要充分考慮電動機構(gòu)件及整體的剛性，盡力提高其固有頻率，以避開與各次力波產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

（3）變頻電機冷卻方式不同

變頻電機一般采用強迫通風(fēng)冷卻，即主電機散熱風(fēng)扇采用獨立的電機驅(qū)動。

（4）保護(hù)措施要求不同

對容量超過160KW變頻電動機應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。對恒功率變頻電動機，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過3000/min時，應(yīng)采用耐高溫的特殊潤滑脂，以補償軸承的溫度升高。

（5）散熱系統(tǒng)不同

變頻電機散熱風(fēng)扇采用獨立電源供電，保證持續(xù)的散熱能力。

步進(jìn)電機

步進(jìn)電機是一種直接將電脈沖轉(zhuǎn)化為機械運動的機電裝置， 通過控制施加在電機線圈上的電脈沖順序、 頻率和數(shù)量， 可以實現(xiàn)對步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向、 速度和旋轉(zhuǎn)角度的控制。

在不借助帶位置感應(yīng)的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的情況下、 使用步進(jìn)電機與其配套的驅(qū)動器共同組成的控制簡便、 低成本的開環(huán)控制系統(tǒng)， 就可以實現(xiàn)精確的位置和速度控制。

基本結(jié)構(gòu)：

工作原理：

步進(jìn)電機驅(qū)動器根據(jù)外來的控制脈沖和方向信號， 通過其內(nèi)部的邏輯電路， 控制步進(jìn)電機的繞組以一定的時序正向或反向通電， 使得電機正向/反向旋轉(zhuǎn)， 或者鎖定。

以1.8度兩相步進(jìn)電機為例：當(dāng)兩相繞組都通電勵磁時， 電機輸出軸將靜止并鎖定位置。在額定電流下使電機保持鎖定的最大力矩為保持力矩。如果其中一相繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機將順著一個既定方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。

同理， 如果是另外一項繞組的電流發(fā)生了變向， 則電機將順著與前者相反的方向旋轉(zhuǎn)一步（ 1.8度）。當(dāng)通過線圈繞組的電流按順序依次變向勵磁時， 則電機會順著既定的方向?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)， 運行精度非常高。對于1.8度兩相步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一周需200步。

兩相步進(jìn)電機有兩種繞組形式：雙極性和單極性。雙極性電機每相上只有一個繞組線圈， 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時電流要在同一線圈內(nèi)依次變向勵磁， 驅(qū)動電路設(shè)計上需要八個電子開關(guān)進(jìn)行順序切換。

單極性電機每相上有兩個極性相反的繞組線圈， 電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)時只要交替對同一相上的兩個繞組線圈進(jìn)行通電勵磁。驅(qū)動電路設(shè)計上只需要四個電子開關(guān)。在雙極性驅(qū)動模式下， 因為每相的繞組線圈為100%勵磁， 所以雙極性驅(qū)動模式下電機的輸出力矩比單極性驅(qū)動模式下提高了約40%。

電機的選型步驟

電機選型需要的基本內(nèi)容有：所驅(qū)動的負(fù)載類型、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速、其他條件。

負(fù)載類型

直流電機

異步電機

同步電動機

負(fù)載平穩(wěn)，對起、制動無特殊要求的連續(xù)運行的生產(chǎn)機械，宜優(yōu)先選用普通鼠籠型異步電動機，其廣泛用于機械、水泵、風(fēng)機等。

起動、制動比較頻繁，要求有較大的起動、制動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械，如橋式起重機、礦井提升機、空氣壓縮機、不可逆軋鋼機等，應(yīng)采用繞線式異步電動機。

無調(diào)速要求，需要轉(zhuǎn)速恒定或要求改善功率因數(shù)的場合，應(yīng)采用同步電動機，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機、提升機、磨機等。

調(diào)速范圍要求在1∶3以上，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調(diào)速的生產(chǎn)機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調(diào)速的鼠籠式異步電動機或同步電機，例如大型精密機床、龍門刨床、軋鋼機、提升機等。

要求起動轉(zhuǎn)距大，機械特性軟的生產(chǎn)機械，使用串勵或復(fù)勵直流電動機，例如電車、電機車、重型起重機等。

一般來說，提供了驅(qū)動的負(fù)載類型、電機的額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速便可以將電機大致確定下來。但如果要最優(yōu)化地滿足負(fù)載要求，這些基本參數(shù)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。還需要提供的參數(shù)包括：頻率，工作制，過載要求，絕緣等級，防護(hù)等級，轉(zhuǎn)動慣量，負(fù)載阻力矩曲線，安裝方式，環(huán)境溫度，海拔高度，戶外要求等，根據(jù)具體情況提供。

電機故障處理 經(jīng)驗總結(jié)

電動機運行或故障時，可通過看、聽、聞、摸四種方法來及時預(yù)防和排除故障，保證電動機的安全運行。

一、看

觀察電動機運行過程中有無異常，其主要表現(xiàn)為以下幾種情況。

1.定子繞組短路時，可能會看到電動機冒煙。

2.電動機嚴(yán)重過載或缺相運行時，轉(zhuǎn)速會變慢且有較沉重的“嗡嗡”聲。

3.電動機維修網(wǎng)正常運行，但突然停止時，會看到接線松脫處冒火花;保險絲熔斷或某部件被卡住等現(xiàn)象。

4.若電動機劇烈振動，則可能是傳動裝置被卡住或電動機固定不良、底腳螺栓松動等。

5.若電動機內(nèi)接觸點和連接處有變色、燒痕和煙跡等，則說明可能有局部過熱、導(dǎo)體連接處接觸不良或繞組燒毀等。

二、聽

電動機正常運行時應(yīng)發(fā)出均勻且較輕的“嗡嗡”聲，無雜音和特別的聲音。若發(fā)出噪聲太大，包括電磁噪聲、軸承雜音、通風(fēng)噪聲、機械摩擦聲等，均可能是故障先兆或故障現(xiàn)象。

1. 對于電磁噪聲，如果電動機發(fā)出忽高忽低且沉重的聲音，則原因可能有以下幾種：

（1）定子與轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻，此時聲音忽高忽低且高低音間隔時間不變，這是軸承磨損從而使定子與轉(zhuǎn)子不同心所致。

（2）三相電流不平衡。這是三相繞組存在誤接地、短路或接觸不良等原因，若聲音很沉悶則說明電動機嚴(yán)重過載或缺相運行。

（3）鐵芯松動。電動機在運行中因振動而使鐵芯固定螺栓松動造成鐵芯硅鋼片松動，發(fā)出噪聲。

2.對于軸承雜音，應(yīng)在電動機運行中經(jīng)常監(jiān)聽。監(jiān)聽方法是：將螺絲刀一端頂住軸承安裝部位，另一端貼近耳朵，便可聽到軸承運轉(zhuǎn)聲。若軸承運轉(zhuǎn)正常，其聲音為連續(xù)而細(xì)小的“沙沙”聲，不會有忽高忽低的變化及金屬摩擦聲。

若出現(xiàn)以下幾種聲音則為不正?，F(xiàn)象：

（1）軸承運轉(zhuǎn)時有“吱吱”聲，這是金屬摩擦聲，一般為軸承缺油所致，應(yīng)拆開軸承加注適量潤滑脂。

（2）若出現(xiàn)“唧哩”聲，這是滾珠轉(zhuǎn)動時發(fā)出的聲音，一般為潤滑脂干涸或缺油引起，可加注適量油脂。

（3）若出現(xiàn)“喀喀”聲或“嘎吱”聲，則為軸承內(nèi)滾珠不規(guī)則運動而產(chǎn)生的聲音，這是軸承內(nèi)滾珠損壞或電動機長期不用，潤滑脂干涸所致。

3.若傳動機構(gòu)和被傳動機構(gòu)發(fā)出連續(xù)而非忽高忽低的聲音，可分以下幾種情況處理。

（1）周期性“啪啪”聲，為皮帶接頭不平滑引起。

（2）周期性“咚咚”聲，為聯(lián)軸器或皮帶輪與軸間松動以及鍵或鍵槽磨損引起。

（3）不均勻的碰撞聲，為風(fēng)葉碰撞風(fēng)扇罩引起。

三、聞

通過聞電動機的氣味也能判斷及預(yù)防故障。打開接線盒用鼻子嗅?？词欠裼薪购?，若發(fā)現(xiàn)有特殊的油漆味，說明電動機內(nèi)部溫度過高;若發(fā)現(xiàn)有很重的糊味或焦臭味，則可能是絕緣層維修網(wǎng)被擊穿或繞組已燒毀。如果沒有味道，還需要用兆歐表測其繞組與外殼之間的絕緣阻值低于0.5兆，得進(jìn)行烘干處理。阻值為零，說明已經(jīng)損壞。

四、摸

摸電動機一些部位的溫度也可判斷故障原因。為確保安全，用手摸時應(yīng)用手背去碰觸電動機外殼、軸承周圍部分，若發(fā)現(xiàn)溫度異常，其原因可能有以下幾種。

1.通風(fēng)不良。如風(fēng)扇脫落、通風(fēng)道堵塞等。

2.過載。致使電流過大而使定子繞組過熱。

3.定子繞組匝間短路或三相電流不平衡。

4.頻繁啟動或制動。

5.若軸承周圍溫度過高，則可能是軸承損壞或缺油所致。

電機軸承溫度規(guī)定、出現(xiàn)異常的原因及處理

規(guī)程規(guī)定，滾動軸承最高溫度不超過95℃，滑動軸承最高溫度不超過80℃。并且溫升不超過55℃（溫升為軸承溫度減去測試時的環(huán)境溫度）；

具體見HG25103-91 軸承溫升過高的原因及處理：

（1）原因：軸彎曲，中心線不準(zhǔn)。

處理；重新找中心。

（2）原因：基礎(chǔ)螺絲松動。

處理：擰緊基礎(chǔ)螺絲。

（3）原因：潤滑油不干凈。

處理：更換潤滑油。

（4）原因：潤滑油使用時間過長，未更換。

處理：洗凈軸承，更換潤滑油。

（5）原因：軸承中滾珠或滾柱損壞。

處理：更換新軸承。

審核編輯 ：李倩