電動機技術發(fā)展現狀、工作原理和運行維護
摘要 近幾十年來，隨著電力電子技術、微電子技術及現代控制理論的發(fā)展，中、小功率電動機在工農業(yè)生產及人們的日常生活中都有極其廣泛的的應用。特別是在鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)及家用電器中，更需要有大量的中、小功率電動機。由于這種電動機的發(fā)展及廣泛的應用，它的使用、保養(yǎng)和維護工作也越來越重要。
電動機機應用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。
本文主要介紹了電動機技術發(fā)展及現狀、工作原理和電動機的運行維護。
關鍵詞 技術現狀 工作原理 運行維護
引言
電動機是一種實現機、電能量轉換的電磁裝置。常見的電動機可分為交流電動機和直流電動機。
電動機是隨著生產力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產力的不斷提高。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機，一個多世紀以來，雖然電動機的基本結構變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經濟指標等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技術的發(fā)展，在一般旋轉電動機的理論基礎上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性﹑好精確度﹑快速響應的特點，已成為電動機學科的一個獨立分支。
第一章 電動機分類、發(fā)展現狀及未來
1.1 電動機分類
電動機機應用廣泛，種類繁多、性能各異，分類方法也很多。
1.根據電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。其中交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。
2.電動機按結構及工作原理可分為異步電動機和同步電動機。 同步電動機還可分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機。異步電動機可分為感應電動機和交流換向器電動機。感應電動機又分為三相異步電動機、單相異步電動機和罩極異步電動機。交流換向器電動機又分為單相串勵電動機、交直流兩用電動機和推斥電動機。
3.電動機按起動與運行方式可分為電容起動式電動機、電容運轉式電動機、電容起動運轉式電動機和分相式電動機。 按用途分類。電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。驅動用電動機又分為電動工具用電動機、家電用電動機及其它通用小型機械設備用電動機?？刂朴秒妱訖C又分為步進電動機和伺服電動機等。
4.電動機按轉子的結構可分為籠型感應電動機和繞線轉子感應電動機。
5.電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。
1.2 電動機技術發(fā)展現狀
電動機是一種實現機、電能量轉換的電磁裝置。它是隨著生產力的發(fā)展而發(fā)展的，反過來，電動機的發(fā)展也促進了社會生產力的不斷提高。從19世紀末期起，電動機就逐漸代替蒸汽機作為拖動生產機械的原動機，一個多世紀以來，雖然電動機的基本結構變化不大，但是電動機的類型增加了許多，在運行性能，經濟指標等方面也都有了很大的改進和提高，而且隨著自動控制系統(tǒng)和計算機技術的發(fā)展，在一般旋轉電動機的理論基礎上又發(fā)展出許多種類的控制電動機，控制電動機具有高可靠性﹑好精確度﹑快速響應的特點，已成為電動機學科的一個獨立分支。
電動機的功能是將電能轉換成機械能，它可以作為拖動各種生產機械的動力，是國民經濟各部門應用最多的動力機械。
在現代化工業(yè)生產過程中，為了實現各種生產工藝過程，需要各種各樣的生產機械。拖動各種生產機械運轉，可以采用氣動，液壓傳動和電力拖動。由于電力拖動具有控制簡單﹑調節(jié)性能好﹑耗損小﹑經濟，能實現遠距離控制和自動控制等一系列優(yōu)點，因此大多數生產機械都采用電力拖動。
按照電動機的種類不同，電力拖動系統(tǒng)分為直流電力拖動系統(tǒng)和交流電力拖動系統(tǒng)兩大類。 縱觀電力拖動的發(fā)展過程，交、直流兩種拖動方式并存于各個生產領域。在交流電出現以前，直流電力拖動是唯一的一種電力拖動方式，19世紀末期，由于研制出了經濟實用的交流電動機，致使交流電力拖動在工業(yè)中得到了廣泛的應用，但隨著生產技術的發(fā)展，特別是精密機械加工與冶金工業(yè)生產過程的進步，對電力拖動在起動，制動，正反轉以及調速精度與范圍等靜態(tài)特性和動態(tài)響應方面提出了新的，更高的要求。由于交流電力拖動比直流電力拖動在技術上難以實現這些要求，所以20世紀以來，在可逆，可調速與高精度的拖動技術領域中，相當時期內幾乎都是采用直流電力拖動，而交流電力拖動則主要用于恒轉速系統(tǒng)。 雖然直流電動機具有調速性能優(yōu)異這一突出特點，但是由于它具有電刷與換向器（又稱整流子），使得他的故障率較高，電動機的使用環(huán)境也受到了限制（如不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用），其電壓等級，額定轉速，單機容量的發(fā)展也受到了限制。所以，在20世紀60年代以后，隨著電力電子技術的發(fā)展，半導體交流技術的交流技術的交流調速系統(tǒng)得以實現。尤其是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，為交流電力拖動的廣泛應用創(chuàng)造了有利條件。諸如交流電動機的串級調速，各種類型的變頻調速，無換向器電動機調速等，使得交流電力拖動逐步具備了調速范圍寬，穩(wěn)態(tài)精度高，動態(tài)響應快以及在四象限做可逆運行等良好的技術性能，在調速性能方面完全可與直流電力拖動媲美。除此之外，由于交流電力拖動具有調速性能優(yōu)良，維修費用低等優(yōu)點，將廣泛應用于各個工業(yè)電氣自動化領域中，并逐步取代直流電力拖動而成為電力拖動的主流。
1.3 電動機的未來 經歷了100多年的技術發(fā)展，電動機自身的理論基本成熟。隨著電工技術的發(fā)展，對電能的轉換、控制以及高效使用的要求越來越高。電磁材料的性能不斷提高，電工電子技術的廣泛應用，為電動機的發(fā)展注入了新的活力。 未來電動機將會沿著體積更小、機電能量轉換效率更高、控制更靈活的方向繼續(xù)發(fā)展。
第二章 電動機的工作原理
2.1 三相異步電動機的結構及工作原理 目前較常用的主要是交流電動機，它可分為三相異步電動機和單相交流電動機兩種。第一種多用在工業(yè)上，而第二種多用在民用電器上。下面以三相異步電動機為例介紹電動機的工作原理。
2.1.1 三相異步電動機的結構 三相異步電動機的結構主要由兩個部分組成，一是固定不動的部分（簡稱定子），二是可以自由旋轉的部分（簡稱轉子）。定子與轉子之間有一個很小的氣隙。此外，還有機座、端蓋軸承、接線盒、風扇等其他部分。 異步電動機根據轉子的繞組的結構不同，可分為鼠籠式和繞線式兩種。鼠籠式異步電動機的轉子繞組本身自成閉合回路，整個轉子形成一個堅實的整體，其結構簡單牢固、運行可靠、價格便宜，應用最為廣泛，小型異步電動機絕大部分屬于這類。繞線式異步電動機的結構比鼠籠式復雜，但啟動性能較好，需要時還可以調節(jié)電動機的轉速。圖2—1所示是三相鼠籠式異步電動機的結構。
1.定子 定子是用來產生旋轉磁場的，主要由定子鐵心、定子繞組和機座等部分組成。鼠籠式和繞線式異步電動機的定子結構是完全一樣的。
2.轉子 轉子是異步電動機的轉動部分，它在定子繞組旋轉磁場的作用下獲得一定的轉矩而旋轉，通過聯(lián)軸器或皮帶輪帶動其他機械設備做功。轉子由轉子鐵心、轉子繞組和轉軸等部分組成。
3.機座 機座是電動機的外殼和支架，它的作用是固定和保護定子鐵心、定子繞組并支撐端蓋，所以要求機座具有足夠的機械強度和剛度，能承受運輸和運行過程中的各種作用力。 中、小型異步電動機通常采用鑄鐵機座，定子鐵心緊貼在機座的內壁，電動機運行時鐵心和繞組產生的熱量主要通過機座表面散發(fā)到空氣中去，因此，為了增加散熱面積，在機座表面裝有散熱片。 對大型異步電動機，一般采用鋼板焊接機座，此時為了滿足通風散熱的要求，機座內表面與鐵心隔開適當距離，以形成空腔，作為冷卻空氣的通道。
2.1.2 三相異步電動機的工作原理
圖2—2所示為用圖解法分析旋轉磁場的電機繞組結構圖。圖中交流電機的定子上嵌放著對稱的三相繞組U1—U2、V1—V2、W1—W2，電流的流入端用符號 表示，流出端用⊙表示。
三相對稱電流波形如圖2—3所示。假定電流從繞組首端流入為正，末端流出為負。
對稱三相交流電流通入對稱三相繞組時，便產生一個旋轉磁場。下面選取各相電流出現最大值的幾個瞬間進行分析。
在圖2—2中，當 =0°時，U相電流達到正最大值，電流從首端U1流入，用 表示，從末端U2流出，用⊙表示；V相和W相電流均為負，因此電流均從繞組的末端流入，首端流出，故末端V2和W2應填上 ，首端V1和W1應填上⊙，如圖2—2（a）所示。從圖可見，合成磁場的軸線正好位于U相繞組的軸線上。
當 =120°時，V相電流為正的最大值，因此V相電流從首端V1流入，用 表示，從末端V2流出，用⊙表示。U相和W相電流均為負,則U1和W1端為流出電流，用⊙表示，而U2和W2為流入電流，用 表示，如圖2—2（b）所示。由圖可見，此時合成磁場的軸線正好位于V相繞組的軸線上，磁場方向已從 =0°時的位置沿逆時針方向旋轉了120°。
當 =240°和 =360°時，合成磁場的位置分別如圖2—2（c）、（d）所示。當 =360°時，合成磁場的軸線正好位于U相繞組的軸線上，磁場方向從起始位置逆時針方向旋轉了360°，即電流變化一個周期，合成磁場旋轉一周。
由此可見，對稱三相交流電流通入對稱三相繞組所形成的磁場是一個旋轉磁場。旋轉的方向從U→V→W，正好和電流出現正的最大值順序相同，即由電流超前相轉向電流滯后相。 如果三相繞組通入負序電流，則電流出現正的最大值的順序是U→W→V。通過圖解法分析可知，旋轉磁場的旋轉方向也為U→W→V。
綜上分析可知，三相異步電動機轉動的基本工作原則是：
(1)三相對稱繞組中通入三相對稱電流產生圓形旋轉磁場，其轉速為異步轉速（ 1）且 1= 式中： 為電源頻率，單位為Hz； 為電機極對數。
(2)轉子導體切割旋轉磁場產生感應電動勢和電流。
(3)轉子載流導體在磁場中受到電磁力的作用，從而形成電磁轉矩，驅使電動機轉子轉動，其轉速（ ）小于同步轉速（ 1）。異步電動機的轉速不可能達到定子旋轉磁場的轉速，即同步轉速，因為如果到達同步轉速，則轉子導體與旋轉磁場之間沒有相對運動，隨之在轉子導體中不能感應出電勢和電流，也就不能產生推動轉子的電磁力。因此，異步電動機的轉速總是低于同步轉速，即兩種轉速之間總是存在差異，異步電動機因此而得名。又因為異步電動機轉子電流是通過電磁感應作用產生的，所以又稱為感應電動機。
（4）異步電動機的旋轉方向始終與旋轉磁場的旋轉方向一致，而旋轉磁場的方向又取決于異步電動機的三相電流相序，因此，三相異步電動機的轉向與電流的相序一致。要改變轉向，只要改變電流的相序即可，即任意對調電動機的兩根電源線，便可使電動機反轉。 第三章 電動機的運行維護 3.1 電動機啟動前的準備 為了保證電動機正常安全地啟動，一般啟動前應作好下述準備：
（1） 檢查電源是否有電，電壓是否正常，若電源電壓過高或過低，都不宜啟動。
（2） 啟動器是否正常，如零部件有無損壞，使用是否靈活，觸頭接觸是否良好，接線是否正確、牢固等。
（3） 熔絲規(guī)格大小是否合適，安裝是否牢固，有無熔斷或損傷。
（4） 電動機接線板上接頭有無松動或氧化。
（5） 檢查傳動裝置，如皮帶輕緊是否合適，連接是否牢固，聯(lián)軸器的螺絲、銷子是否緊固等。
（6） 傳動電動機轉子和負載機械的轉軸，看其轉動是否靈活。
（7） 檢查電動機及啟動電器外殼是否接地，接地線有無斷路，接地螺絲是否松動、脫落等。
（8） 搬開電動機周圍的雜物并清除機座表面灰塵、油垢等。
（9） 檢查負載機械是否妥善地作好了啟動準備。
（10）對正常運行中的繞線式電動機，應經常觀察電動機滑環(huán)有無偏心擺動現象；觀察滑環(huán)的火花是否發(fā)生異常現象。滑環(huán)上碳刷是否要更換。
3.2 啟動時應注意的問題
（1） 接通電源后，如果電動機不轉，應立即切斷電源，絕不能遲疑等待，更不能帶電檢查電動機發(fā)故障，否則將會燒毀電動機和發(fā)生危險。
（2） 啟動時應注意觀察電動機、傳動裝置、負載機械的工作情況，以及線路上的電流表和電壓表的指示，若有異?，F象，應立即斷電檢查，待故障排除后，載行啟動。
（3） 利用手動補償器或手動星三角啟動器啟動電動機時，特別要注意操作順序。一定要先將手柄推到啟動位置，待電動機轉速穩(wěn)定后再拉到運轉位置，防止誤操作造成設備和人身事故。
（4） 同一線路上的電動機不應同時啟動，一般應由大到小逐臺啟動以免多太電動機同時啟動，線路上電流太大。電壓降低過多，造成電動機啟動困難引起線路故障或使開關設備跳閘。
（5） 啟動時，若電動機的旋轉方向反了，應立即切斷電源，將三相電源線中的任意兩相互換一下位置，即可改變電動機轉向。
3.3 電動機運行中的監(jiān)視 電動機在運行時，值班工作人員可以通過儀表和感覺器官監(jiān)視其運行情況，以便及早發(fā)現問題，減少或避免故障的發(fā)生。
3.3.1 監(jiān)視電動機的溫度 電動機正常運行時會發(fā)熱，使電動機溫度升高，但不應超出允許的限度。
如果電動機負載過大，使用環(huán)境溫度過高，通風不暢或運行中發(fā)生故障，就會使其溫度超出允許限度，導致繞組過熱燒毀，因此電動機溫度的高低是反映電動機運行的主要標志，在運行中經常檢查。判斷電動機是否過熱，可以用以下方法：
（1） 憑手的感覺：如果以手接觸外殼，沒有燙手的感覺，說明電動機溫度正常；如果手放上去燙得馬上縮回來，說明電動機已經過熱。
（2） 在電動機外殼上滴2-3滴水，如果只冒熱氣沒有聲音，則說明電動機沒有過熱，如果水滴急劇汽化同時伴有"咝咝"聲，說明電動機已經過熱。
（3） 判別電動機是否過熱的準確方法還是用溫度計測量。 發(fā)現電動機過熱應該立即停車檢查，等查明原因，排除故障后再行使用。
3.3.2 監(jiān)視電動機的電流 一般容量較大的電動機應裝設電流表，隨時對其電流進行監(jiān)視。若電流大小或三相電流不平衡超過了允許值。應立即停車檢查。容量較小的電動機一般不裝電流表，但也經常用鉗形表測量。
3.3.3 監(jiān)視電動機的電壓 電動機的電源上最好裝設一只電壓表和轉換開關，以便對其三相電源、壓進行監(jiān)視。電動機的電源電壓過高、過低或三相電壓不平衡，特別是三相電源缺相，都會帶來不良后果。如發(fā)現這種情況應立即停車，待查明原因，排除故障后再使用。
3.3.4 注意電動機的振動、響聲和氣味 電動機正常運行時，應平穩(wěn)、輕快、無異常氣味和響聲。若發(fā)生劇烈振動，噪音和焦臭氣味，應停車進行檢查修理。
3.3.5 注意傳動裝置的檢查 電動機運行時要隨時注意查看皮帶輪或聯(lián)軸器有無松動，傳動皮帶是否有過緊、過松的現象等，如果有，應停車上緊或進行調整。
3.3.6 注意軸承的工作情況 電動機運行中應注意軸承聲響和發(fā)熱情況。若軸承聲音不正?；蜻^熱，應檢查潤滑情況是否良好和有無磨損。
3.3.7 注意交流電動機的滑環(huán)或直流電動機的換向器火花 電動機運行中，電刷與換向器或滑環(huán)之間難免出現火花。如果所發(fā)生的火花大于某一規(guī)定限度，尤其是出現放電性的紅色電弧火花時，將產生破壞作用，必須及時加以糾正。
3.4電動機的定期檢查和保養(yǎng) 為了保證電動機正常工作，除了按操作規(guī)程正確使用，運行過程中注意監(jiān)視和維護外還應進行定期檢查和保養(yǎng)。間隔時間可根據電動機的類型、使用環(huán)境決定。
主要檢查和保養(yǎng)項目如下[9][10]：
（1） 及時清除電動機機座外部的灰塵、油泥，如使用環(huán)境灰塵較多，最好每天清掃一次。
（2） 經常檢查接線板螺絲是否松動或燒傷。
（3） 定期測量電動機的絕緣電阻，若使用環(huán)境比較潮濕更應經常測量。
（4） 定期用煤油清洗軸承并更換新油（一般半年更換一次），換油時不應上滿，一般占油腔的1/2~1/3，否則，容易發(fā)熱或甩出，油要從一面加人，可以把沒有清洗干凈的雜質，從另一面擠出來。
（5） 定期檢查啟動設備，看觸頭和接線有無燒傷，氧化，接觸是否良好等。
（6） 絕緣情況的檢查。絕緣材料的絕緣能力因干燥程度不同而異，所以保持電動機繞組的干燥是非常重要的。電動機工作環(huán)境潮濕、工作間有腐蝕性氣體等因素的存在，都會破壞
電動機的絕緣。最常見的是繞組接地故障即絕緣損壞，使帶電部分與機殼等不應帶電的金屬部分相碰，發(fā)生這種故障，不僅影響電動機正常工作。還會危及人身安全。所以電動機在使用中，應經常檢查絕緣電阻，還要注意查看電動機機殼接地是否可靠。
（7） 除了按上述幾項內容對電動機定期維護外，運行一年后要大修一次。大修的目的在于，對電動機進行一次徹底、全面的檢查、維護，增補電動機缺少、磨損的元件，徹底清除電動機內外的灰塵、污物，檢查絕緣情況，清洗軸承并檢查其磨損情況。
結論 電動機從發(fā)展至今，一代代的產品的問世，都是圍繞著基本的工作原理而開發(fā)的，如何去運行和維護電動機是我們目前主要工作的重中之重。 電動機在我國的經濟建設中擔當著重要的角色，隨著我國加入WTO后，我國電動機行業(yè)所面臨的國際社會的巨大競爭壓力和挑戰(zhàn)日益加劇。從節(jié)約能源，保護環(huán)境出發(fā)，高效率電動機是目前國際發(fā)展的趨勢。這樣看來，推廣中國的高效率電動機是非常有必要的。
致謝
本論文在各位老師的悉心指導和嚴格要求下已完成。在學習和生活期間，也始終感受著導師的精心指導和無私的關懷，我受益匪淺。在此向各位老師表示深深的感謝和崇高的敬意。不積跬步何以至千里，本論文能夠順利的完成，也歸功于各位任課老師的認真負責，使我能夠很好的掌握和運用專業(yè)知識，并在設計中得以體現。同時我在網上也搜集了不少資料，才使我的畢業(yè)論文順利完成。在此向學院工程系的全體老師表示由衷的謝意。
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