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电机及其安装维护技术
第二篇电气工程安装与维护篇? &&* ?第五章电机及其安装维护技术第一节电机设计技术一、 设计技术要求（一） 电机设计依据电机一般依据下列技术要求进行设计： 电机的类型或用途 （电动机、 发电机、 特殊用途电机） 。&） 与之 !） 连接的电系统对电机的要求 （电流、 电压、 频率、 相数等） 。#） 与之连接的电械系统及工作环境对电机的要求 （几何尺寸、 质量、 结构及安装型式、 防护类型、 冷却方式、 飞逸转速或超速转速、 转动惯量等） 。$） 额定数据， 运行方式和不同用途所要求的各种性能指标 （功率、 转速、 工作制、 效率、 功率因数、 起动性能、 换向性能、 励磁 性能、 电压变化率、 电压波形畸变率、 振动与噪声限值以及电机对无线电干扰的限值等） 。%） 电机及各组成部 分承受电气、 机械、 热负载的能力 （如绕组绝缘等级及各部分温升限值、 绕组绝缘的介电强度、 转子的机械强 度等） 。&） 有关国家标准、 专业标准、 设计任务书以及用户提出的其他要求。此外， 还应考虑生产的可能性和 经济的合理性。电机常用的国家标准列于表 % ’ !。 表%’! 序号 ! & # $ % & * 2 1 标准编号 ()*%% ()*%& ()*%* ()11* ()!1*! ()!11# ()#&&* ()$**& 3 ! ()$**& 3 & 标准名称 旋转电机― ― ―定额和性能! 旋转电机圆柱形轴伸 电机圆锥形轴伸 电机结构及安装型式代号 电机线端标志与旋转方向 电机冷却方法 交流电动机电容器 电机尺寸及公差机座号 #& 4 $55 凸缘号 66%% 4 66!525 或 67%% 4 67!525 的电机 电机尺寸及公差机座号 #%% 4 !555 的电机 +,-*& 电机常用标准 对应国际标准 +,-#$―! +./0**% +./0**% +,-#$―* +,-#$―2 +,-#$―&? ’.- ?序号 !& !! !’ !) !% !, !. !& !!2 ’& ’! ’’ ’) ’% ’, ’. ’& ’’2 )& )! )’ )) )% ), ). )& ))2 %& %! 标准编号 #$%&&’ ( ) #$%-’. #$%-)! #$%-)’ #$%2%’ ( ! #$%2%’ ( ’ #$,!&! #$,-%& #$,-%! #$-,.% #$-2!. #$22’. #$!&&.- ( ! #$!&&.- ( ’ #$!&&.2 ( ! #$!&&.2 ( ’ #$!&&.2 ( ) #$!&,-, #$!’),& #$!’),! #$!’.., #$!&’2 #$,&-2 #$&&.% #$-%&2 #$&-2% #$&.! #$!&)’ #$’-!#$,)’! #$,&.& #$.-’标准名称新编电气工程师手册对应国际标准电机尺寸及公差凸缘号 $*!& + $*,& 小型装入式电动 机 电机功率等级 电机产品型号编制方法 大电机振动测定方法 电机外壳防护分级 低压电器外壳防护等级 小功率电动机通用技术条件 换向器与集电环的定义和术语 电机用刷握的定义和术语 水轮发电机组安装技术规范 三相异步电动机负载率现场测试方法 小功率单相串励电动机通用技术条件 旋转电机振动测定方法及限值振动测定方法 旋转电机振动测定方法及限值振动限值 旋转电机噪声测定方法及限值噪声工程测定方法 旋转电机噪声测定方法及限值噪声简易测定方法 旋转电机噪声测定方法及限值噪声限值 中小型同步电机励磁系统基本技术要求 小功率电动机的安全要求 热带型旋转电机环境技术要求 电机在一般环境条件下使用的湿热试验要求 三相同步电机试验方法 交流台扇电动机通用技术条件 汽轮发电机通用技术条件 大中型同步发电机励磁系统基本技术条件 水轮发电机基本技术条件 三相异步电动机额定功率、 电压及转速 （功率自 & ( . + !&&34） 三相异步电动机试验方法 567 系列井用潜水泵三相异步电动机技术条件 用量热法测定大型交流电机的损耗及效率 电压为 ..&9 及以下单速三相笼型异步电动机的起动 性能 吊扇电容运转电动机通过技术条件 /01)%―（ ’ 8） /01)%―!’ /01)%―2 /01)%―% /01’&. /01,.& /01)%―, /01&’第二篇序号 !& !) !! !’ !& !* !+ !% ’, ’( ’& ’) ’! ’’ ’& ’* ’+ ’% &, &( && &) &! &’ && &* &+ &% *, *( *& *) *! 标准编号 #$%&’( #$()(( #$!%%* #$&&’& #$(’+’ #$&&’+ #$’+*& #$*)!! #$*)!’ #$*)!& #$+(&+ #$(,&!( #$(,&!& #$(,!,( #$(,!,& #$(,!,) #$(,!,! #$(,!,’ #$(,*&( #$)’)* #$’&&* #$*,&, #$(,*&, 2 ( 3$ 4 5+(&,―%’ 3$ 4 5+(&(―%’ #$()()+―%( #$9&& #$9&) #$9%! 3$ 4 5&&&’―%& #$&%,, 2 &’ #$&%,, 2 && #$ 4 5()%’*―%& 标准名称电气工程安装与维护篇? &&% ?对应国际标准单相异步电动机试验方法 直流电机试验方法 永磁式低速直流测速发电机 铁氧体永磁直流电动机 微型驱动电机名词术语及代号 小型交流风机通用技术条件 控制微电机包装技术条件 交流伺服电动机通用技术条件 控制微电机基本技术要求 控制微电机基本外形结构型式 单相串励电动机试验方法 旋转变压器通用技术条件 录音机用永磁直流电动机通用技术条件 永磁式直流力矩电动机通用技术条件 磁阻式步进电动机通用技术条件 多极和双通道感应移相器通用技术条件 多极和双通道旋转变压器通用技术条件 控制微电机型号命名方法 热带微电机基本技术条件 洗衣机用 -. 型电机技术条件 轧机辅传动直流电动机 船用电机基本技术要求 小型风力发电机技术条件 16 系列空心转子异步测速发电机 7 8 1 系列交流伺服测速机组 自整角机 笼型转子交流伺服电动机 内转子磁滞同步电动机 微特驱动电机型号命名方法 感应移相器 电工名词术语电机 电工名词术语控制电机 大型三相异步电动机基本系列技术条件 /01)!―()《旋转电机基本技术要求》 的修订版本， 已上报待批。 !国家标准 #$*’’―+*（二） 电机设计基本内容电机设计一般包括电磁设计和结构设计两部分。电磁设计是根据设计技术要求确定电机的电磁负荷、? #7+ ?新编电气工程师手册与电磁性能有关的有效部分的尺寸和绕组数据， 选定材料， 并核算电磁性能及有关参数。 电机设计一般需要进行多种方案的分析、 比较， 或采用优化设计方法， 考虑电机性能、 运行费用、 制造成 本、 运行可靠性等因素， 决定最优的设计。对于生产量大， 使用面广的电机， 一般都成系列设计及制造， 设计 时应充分考虑标准化、 通用化、 系列化的要求， 对于多品种小批量生产的电机产品， 应重视模块化设计。（三） 电机设计标幺值为了便于计算和对不同设计方案或运行状态进行比较， 电机设计时通常用标幺值表示电机参量。电机 各参量的标幺值为其以物理量单位表示的实际值与所选定的基准值之比。基准值的选定是任意的， 通常选 用的各参量的基准值见表 ! & #。 表!&# 参量 电压 电流 功率 频率 阻抗 基准值 额定相电压 ! $ % & 额定相电流 & $ 或功电流 & ’ ( # $ ) *+, % $! $ 额定视在功率 % $ ( $! $ & $ 或额定输出功率 # $ ) *+, 额定频率 & $ % -. !$ % & $ 或 !$ % & ’ %! 电机各参量的基准值注： * / & $、 & ’ 以 0 计； % $ 以 &0 计； # $ 以 12 计； $ 为相数。 “! ” 表示。 # / 各量的标幺值常用物理量符号右上角带 异步电机常用 & ’、 , / 同步电机常用 & $、 % $ 为基准值； # $ ) *+, 为基准值。（四） 计算机在电机设计中的应用计算机由于其突出的快速运算功能、 存储功能以及逻辑判断功能， 在电机设计中得到了广泛使用， 使传 统的电机设计方法发生了深刻变化。 作为电机设计基础的电磁设计程序， 应用了计算机代替繁杂的手工计算后， 便可采用更加符合实际的数 学模型， 改进现有设计计算公式， 从而提高产品设计的精度。例如， 异步电动机的等效电路原是 3 型等效电 路， 以前为了适应手工计算需要， 将其简化为 & 形等效电路。在使用电子计算机后就可以方便地使用 3 型电 路， 计算精度可提高。如果再考虑高次谐波作用， 采用链形等效电路， 则设计计算就更为精确。 另外， 由于运用了计算机， 可对较复杂的数学模型进行数值求解， 从而使过去只能作粗略估算或无法计 算的项目 （例如稳态和瞬态热计算、 瞬态现象研究、 机械强度及轴承承载能力、 临界转速及铁心固有频率等许 多项目） 的计算成为可能。这些项目正在纳入电机设计程序中， 从而使电机设计计算建立在更加可靠的科学 基础上。 电机设计的最终结果是要形成图样和有关文件供制造用。由于计算机绘图技术的迅速发展， 如光笔图 形显示器使设计人员能在屏幕上或数字化仪上进行具体的结构设计绘图， 并可能通过人机对话， 进行实时修 改； 再如精密的自动绘图机可把设计结果直接以图样的形式输出， 从而使电机设计从电磁设计到结构设计， 并包括绘制图样的整个过程均可以借助于计算机的辅助而完成。 计算机辅助设计可显著提高电机设计的效率与计算精度， 缩短产品的研制周期， 能生成标准的图样和文 件， 因此， 这种方法正在逐步取代以经验设计和手工绘图为特征的传统设计方法。另外， 当计算机辅助设计 系统 （ 405） 与计算机辅助制造系统 （ 406） 结合在一起时， 可把电机产品的设计和制造过程变成一个完整的 集成系统， 使许多技术工作实现自动化， 因此， 405 % 406 将为电机制造厂的计算集成化提供技术基础。第二篇电气工程安装与维护篇? &&% ?二、 电机的主要尺寸（一） 电机利用系数表示电机有效部分单位体积、 单位同步转速 （或额定转速） 的计算视在功率 （或计算功率） ， 即 &# *+ !# $ %%& ( ’( )* ! ) %# $& %&’ ― ―电机利用系数 （ ./0 ? ? ； !― 123 4 1+ 或 .5 123 4 1+） ― ―交流电机定子铁心内径或直流电机电枢外径 （1） ； +― !! ― ―交流电机定子铁心有效长度或直流电机电枢有效长度 （1） ； %& ― ― ―交流电机同步转速或直流电机额定转速 （ 6 4 123） ； ’― ― ―绕组因数； ( ’(― ― ―线负荷 （0 4 1） ； )― ― ― ―气隙磁通密度 （7） ； * ! ― ―计算视在功率 （或计算功率） （ ./0 或 .5） 。 &, ― 对交流电机 & 8 ! -./ 9 ) %# * + 式中 ― ―计算视在功率 （ ./0） ； & 8― ― ―定子相数； -― ― ―定子额定相电流 （0） ； / 9― ― ―满载定子绕组每相电动势 （/） 。 .― 对于直流电机 & : ! . ; / ; ) %# * + 式中 ― ―计算功率 （ .5） ； & 8― ― ― ―电枢绕组电动势 （/） ； .; ― ―电枢绕组电流 （0） 。 / ;― 由式 （& $ & * %） 可见， 由机利用系数正比于电磁负荷 （0 与 = ， 反映了材料的利用水平， 随着电机 ! 的乘积） 冷却技术的发展， 材料、 工艺和设计水平的提高， 利用系数也有了相应的提高。另外， 随着电机的特性、 用途 以及功率大小的不同， 利用系数也在一个较大的范围内变动。对于一般空气冷却的电机， 其利用系数约为 而对于直接氢冷或水冷的电机， 其利用系数约为 + & &#。由于利用系数值对不同功率、 不同冷却方式 % $ , & ?； 的电机变化范围颇大， 主要的并不着重于其具体数值的大小， 而着重于研究其随电磁负荷如何变化， 以及明 确其物理意义。 （,-%-%）式中（二） 电磁负荷和主要尺寸比电磁负荷 ) 、 直接影响电机有效材料用量， 更为重要的是 ) 、 * * ! 值不仅决定电机的利用系数， !。值与 电机的运行参数和性能 （功率因数、 起动性能、 过载能力和直流电机的换向性能等） 密切相关。 电负荷 ) （ 表示沿定子内腔 （或电枢） 圆周上单位长度的安培导体数， 即 4 0 4 1） )! 式中 ― ―槽数； 0― ― ―每槽导体数； 1 @― ― ―电流 （0） ； /― ― ―并联支路数。 2― 气隙磁通密度 * !3 4 为 01 @A &+2? &7& ?新编电气工程师手册&& !! ! ! &#$%式中― ―极对数； &― ― ― （#$） ； ! ―每极磁通 ― ―平均磁通密度 （对应于每极磁通 !） 与最大磁通密度之比。对于正弦分布气隙磁场， 其值等于 %― 。 & %&提高电磁负荷乘积 &!!， 可提高有效材料的利用率， 但磁负荷 !! 受到铁心磁路饱和以及铁心中损耗的 限制， 而电负荷 &， 则受导体中产生的损耗、 温升及大部分由槽深所影响的漏抗的限制。电磁负荷推荐值见 表 ’ ( )。 表’() 电磁负荷 !!% * 空冷 &（ % 1& % 2） 3 水冷 导体直接冷却 电磁负荷 & 、 !! 推荐值 异步电机 + , ’ . + , 0’ &+ . 4+ ― ― 直流电机 +,’ . /,/ &+ . 0+ ― ―同步电机 +,- . /,/ )+ . 4+ 4+ . //+ 0+ . &’+电磁负荷及其相互关系很难用固定的原则来确定， 在实际设计中， 较多参考采用已有的同类产品的统计 平均值。 电机主要尺寸比是指电机有效部分长度与直径或极距之比， 其比值用#表示。 对交流电机为定子铁心有效长度与极距之比， 而对直流电机常指电枢铁心长度与直径之比。当电磁负 荷 &、 按式 ’ , / , / 即可初步确定有效部分体积 #& $ 5。故 #值一旦选定后， 即可确定电机有效 !! 范围初定后， 部分的尺寸 # 和 $ 5。比值#较大的电机呈细长形， 一般较经济， 尤其对希望转动惯量较小的调速电机较合 具有较长的端部绕组， 通风冷却条件相对 适， 但其通风冷却条件往往相对较差； 比值#较小的电机呈粗短形， 较好。 值的选择往往参考实际同类电机的平均值。根据不同种类和不同用途， 电机 值的变化范围较大， # # 通常为 + , ’ . 6， 甚至更大。（三） 电机输出功率的限制随着电机单机容量的增长， 单位功率的有效材料消耗降低， 电机效率提高。提高发电机的单机容量有很 大经济意义， 大型设备的电力传动， 也要求电动机单机容量愈来愈大。 大型同步发电机转动部件在运行中承受很大的离心力作用， 转子圆周速度受现有材料的强度限制； 单机 容量受最大转子直径的限制； 而单位体积容量的增加受到冷却条件或铁磁材料饱和的限制。随着冷却技术 的发展， 单机容量不断增长。采用超导体作励磁绕组能大大提高电机的磁负荷， 是增加单位体积容量的一个 重要途径。 直流电机单机容量的增加受到允许的电枢圆周速度及换向条件的限制。 异步电动机运行时要从电网吸取无功功率， 大容量的电力驱动采用同步电动机更合理， 因而目前生产的 异步电动机最大功率约为几兆瓦。第二篇电气工程安装与维护篇? &/& ?三、 电机绕组（一） 电机绕组分类根据所起作用不同， 绕组主要分两大类： 一类是为了产生气隙主磁通的主极励磁绕组； 另一类是与主磁 通相对运动感生电动势的电枢绕组。异步电机的定子绕组兼起励磁绕组的作用， 转子绕组则感生电动势与 电流。直流电机除电枢绕组和励磁绕组外， 为了改善换向， 大都装有换向极绕组和补偿绕组； 同步电机， 为了 防止振荡和改善某些性能， 或因起动需要， 一般装有阻尼绕组或起动绕组， 但对于小型电机， 这些绕组往往可 以省略。 交流电机中的电枢或定子绕组， 简称为交流绕组； 直流电机中的电枢绕组， 称为直流电枢绕组。 交流绕组有多种分类方法： 按绕组布置分类有集中绕组及分布绕组； 按相带分类， 有 !&#$、 %#$和 &#$相带 绕组； 按每极每相槽数 ! 分类， 有整数槽绕组及分数槽绕组； 按槽内线圈边层数分类， 有单层绕组、 双层绕组 和单双层绕组； 按线圈形状和端部连接方式分类， 有叠绕组、 波绕组以及同心式、 链式、 交叉式绕组； 按绕组产 生磁势波形分类， 有正弦绕组和梯形绕组。 直流电枢绕组， 一般按绕组元件与换向片之间连接规律不同而分为叠绕组、 波绕组和蛙绕组。（二） 电机交流绕组绕组的构成原则是： 在一定的导体数下， 绕组的合成磁动势及电动势在空间波形分布上力求接近正弦 !） 波形， 在数量上力求获得较大的基波磁动势和基波电动势， 而且绕组的损耗要小， 用铜量要省； 对多相绕组 &） 各相磁动势和电动势要对称， 电阻和电抗要平衡。 交流绕组根据相数， 有单相、 两相、 三相和六相等接线方法， 大多采用三相， 但在小功率电机中， 单相采用 较多。 常用的三相交流绕组型式有单层同心式、 单层交叉式、 单层链式、 双层叠绕、 双层波绕和单双层绕组。 单层绕组每槽放一个线圈边， 它等效于全距分布绕组。单层同心式绕组由几何尺寸和节距不等的线圈 连成同心形状的线圈组构成。单层交叉式绕组用于 ! 为奇数时， 绕组由线圈个数和节距不等的两种线圈构 成。单层链式绕组由形状、 几何尺寸和节距相同的线圈连成。 双层绕组每槽分上下两层放两个线圈边。双层绕组所有线圈的形状、 几何尺寸相同， 端部排列整齐， 可 选择有利节距， 以改善电动势和磁动势波形。双层绕组分叠绕组及波绕组。叠绕组线圈的合成节距 & ’ ( &! 常取 !； 波绕组 & ’ ( &! * && !& （ 。线圈节距可分为整距 （ &! ( ! ） 、 短距 （ &! + ! ） 或长矩 （ &! , ) && ， ! !为极距） ） ， 但一般不用长距线圈。 ! 双层叠绕组广泛用于大、 中、 小型同步电机及异步电机的定子绕组。双层波绕组可减少线圈组之间的连 接线， 常用于多极数凸极同步电机， 特别是水轮发电机的定子绕组及绕线转子异步电机的转子绕组。 单相交流绕组用于单相电机， 一般由两个轴线在空间错开 -#$ （电角度） 的绕组组成： 一个称为工作绕组 或主绕组， 从电源输入功率， 用以产生主磁场； 另外一个称为起动绕组或辅助绕组。起动时， 两个绕组磁动势 在气隙中建立合成旋转磁动势， 起动电动机。根据不同的运行特性要求， 有些单相电机的主、 辅绕组占总槽 数的比例分别为 & . & 和 ! . &， 有些单相电机则是两个绕组所占槽数相等。 单相绕组有单层、 双层和正弦绕组等不同型式。单层绕组在小功率电机中使用较多， 一般做成同心式绕 组。双层绕组一般采用链式绕组， 当采用节距为 & 可以消除绕组磁动势中的三次谐波， 有利于起动。 !. & 时， 正弦绕组从线圈的形状来看， 与单层同心式绕组相似。但定子每槽内导体数不等， 其目的是使磁动势分布接 近于正弦波形。 正弦绕组能显著地削弱高次谐波， 从而改善电动机的运行性能， 对控制电机， 则可提高电气精度， 但有些 槽的槽满率较低， 绕组因数较小， 影响了铁心和绕组的利用率。为此， 近年来出现了具有大小不同槽形的设 计。? ’2# ?新编电气工程师手册（三） 绕组感应电动势及绕组因数绕组每个线圈的感应电动势可按电磁感应定律求得， 若每极磁通 ! 以频率 ! 相对于匝数为 & ! 的线圈作 周期性变化， 则线圈的感应电动势平均值 # $ % 为 # & # !& !! 和短距的影响， 则绕组感应电动势 # $ % 为 式中 # & # &* ! ! && () ― ―波形因数， 若气隙磁场为正弦分布， （ & *― &* &! , ’! ’） & & - &&。 感应电动势的谐波分量为 #& & # - ## !& ! &&& () & 式中 、 ― ― ―对应于&次谐波的频率、 磁通和绕组因数。 !&、 & () ! & & 绕组因数 & ()是分布因数 & (和短距因数 & )的乘积， 对于基波 & () & & ( & ) 对于&次谐波 & () && &( && ) & 对于整数槽绕组， 分布因数可用下式表示： （ /01 !, ’ ’） （ ( /01 !, ’ ’( ） （ /01 & !, ’ ’） &( & & ( /01 （ & !, ’ ’( ） &( & 短距因数可用下式表示： （ & 4 & /01 !, ’） # （ &4 !, ’） & & /01 # ) ― ―绕组节距比， ， )― ― ―节距， ― ―极距， 均以槽数计） 。 式中 &― #― && # （ （$ - & - 5） （$ - & - &6） （$ - & - 2） （$ - & - 3） （$%&%.） （$%&%$） （$%&%+） （$%&%’） 对交流电机， 感应电动势按有效值计算， 若绕组每相串联匝数为 & ， 并用绕组因数 & () 来考虑线圈分布（$%&%#）（四） 直流电枢绕组， 短路绕组与磁极绕组直流电枢绕组属于闭合绕组， 通过换向器被正负电刷分成若干并联支路， 并通过电刷与外电路相连。 直流电枢绕组可分为叠绕组和波绕组， 以叠绕组为基础与波绕组复合还可组成蛙绕组。根据并联支路 数的多少， 直流电枢绕组又可分为单绕组和复绕组， 如单波绕组、 复波绕组等。 电枢绕组各对支路的对应元件在磁场中的位置都相同时， 称为对称绕组。对称绕组的特点是： 在磁极对 称分布的情况下， 各对支路的电动势都相等， 而每对支路内部环路中的电动势之和等于零， 因此， 空载时绕组 内部没有环流。 实际上， 由于材料的不均匀性， 以及各极下气隙的大小的偏差， 使各极下的总磁通不等， 引起各对支路内 感应电动势之间彼此不平衡， 引起环流而使电机性能恶化。为此， 可将电枢绕组中电位相等的 “等电位点” 用 均压线连接起来， 以消除各对支路间的不平衡现象。 各种绕组的应用范围如下： 单波绕组主要用于正常电压、 电枢电流小于 266 7 &6668 的中小型直流电机 中； 单叠和复波绕组主要用于电枢电流大于 266 7 &6668、 容量为几百千瓦的电机； 两极电机一般都用单叠绕 组， 并联支路数为 ’， 不用均压线； 复叠绕组并联支路较多， 用于低电压、 大电流的直流电机中； 蛙绕组不需接 均压线， 其换向性能较好， 但散热条件较差， 按其基本绕组 （叠绕组） 确定适用范围。 异步电机的笼型转子绕组及同步电机的阻尼绕组一般自成闭合回路， 统称为短路绕组。 异步电机笼型转子绕组由置于铁心槽中的导条及将导条短接的端环组成。导条形状有圆形、 矩形、 梯 形、 特殊形状以及双笼导条， 主要根据电机起动性能的要求选定。常用的有铸铝笼及焊接铜 （或铝） 笼。随着 变频技术的发展， 特殊槽形和双笼导条日趋少用。 应该指出， 为了避免谐波附加转矩和单向磁拉力， 转子槽数的选择非常重要。同时为了改善起动性能和 降低噪声， 可采用导条偏斜 & 7 ’ 个定子槽距离的斜槽转子。第二篇电气工程安装与维护篇? &60 ?同步电机的阻尼绕组结构与异步电机笼型绕组结构相似。阻尼绕组可对负序电流起阻尼作用， 并可抑 制同步电机的振荡， 提高电机运行的可靠性。对于同步电动机还可作为起动绕组使用。 主磁极绕组流过直流电流建立励磁磁场， 它按所需的励磁磁动势设计。隐极同步电机的励磁绕组为同 心式分布绕组， 嵌在转子槽中， 其励磁磁动势的波形为阶梯形波。凸极同步电机和直流电机的磁极绕组为安 装在磁极铁心上的集中绕组， 其磁动势的波形为矩形。四、 气隙磁场与磁路（一） 交流绕组磁动势交流绕组建立的基波磁动势， 在同步电机内是电枢反应磁动势； 而在异步电机内， 它的一个分量是产生 空载气隙磁场的励磁磁动势， 另一个分量用以补偿转子磁动势。 单相分布绕组中流过频率为 ! 的交流电流时， 产生一个在空间呈阶梯形分布、 轴线相对于绕组固定不 动、 大小随时间交变的脉振磁动势， 其脉振频率等于绕组中的电流频率。该脉振磁动势在空间的分布可分解 为基波及一系列高次谐波， 其表达式为 & &$ ) （ & #） ! ! （ ’+, & ’ #$ %&’ ( !， ! ( & ’ #$* %&’ )( !） ## ! % & & $’ #$ ［ （## - ( !! & ’+, !） ! ( & $’ #$ & （## ( ( ］ ［ （## -& （## (& ］ ( ’+, ( &! . / ’+, ( ( ’+, ( !） !） !） ( ! & ― ―相绕组串联匝数； $― ― ―相电流有效值； &― ― ― ! ―距离相绕组轴线的空间角度； ― ― ―高次谐波的次数及其绕组因数； & 及 ’ #$ & ― ― ―电流角频率， # #! & $! 。 由式 （01)1))） 可知， 任何一次脉振磁动势都是由振幅相等、 旋转方向相反的两个旋转磁动势波合成的。 对称三相绕组流过三相对称电流时， 磁动势是三个在时间相位和空间相位都互相间隔 )&23电角度的脉 振磁动势合成磁动势。其空间分布是一个旋转阶梯， 见图 0 - )， 以 4 相绕组轴线为坐标起轴， 三相绕组合成 磁动势表达式为 5 & $& ) （ （## - ( & #） ! ! ［ ’ #$ ’+, !， !） 0 ! ( ) （## - 6 ( （01)1)&） - …］ 7 . ’+, !） 6 #$6 由式 （01)1)&） 可知， 合成基波磁动势是一个正弦分布、 波幅恒定的旋转磁动势。电流在时间相位上变化 的电角度数， 等于磁动势在空间移过的电角度数， 其转向由超前相朝滞后相的方向旋转。当某电流达最大值 （## - 0 ( . ’ #$0 ’+, !） 时， 合成磁动势波幅就与该相绕组轴线重合。合成基波磁动势的极对数为 ( ， 幅值为 5 & $’ #$ &) ! ! & $ ( 其转速即为同步转速 *+ （ 8 9 8 :+,） *+ ! 幅值为 合成&次谐波磁动势的极对数为& $， 5! & $’ #$ & & & &! ( ! & 其同步转速为 （01)1)0） ;2 ! ( （01)1)&） （01)1)5） （01)1))）式中? +0& ?新编电气工程师手册!! & ! &# # $% ! $ ! ! （&’(’(&）图&)(三相合成磁动势在三个瞬时的空间分布波形对于不同的三相绕组， 其所含谐波磁动势的次数见表 & ) *。 表&)* 相带 (+#, 三相绕组谐波磁动势次数 谐波次数& 特点 存在奇次及偶次谐波!! - % . (&#,相带整数槽!! & % . (( ) 奇数时! ! （& % . (） ) + ) 偶数时! ! （- % . (） )存在 & 次及以上的奇次谐波( &#,相带分数槽 & ! ’ . )存在奇次、 偶次及分数次谐波-#,相带& # …。 % ! / (， / +， / -，! ! (+ % . (#存在 (( 次及以上的奇次谐波要求星 ) 三角混合联结法的星形联结部分和三角形联结部分的合成磁动势相等， 空间互差 -#,电角度。（二） 电机空载气隙磁场在直流电机和同步电机中， 由磁极绕组的直流励磁动势建立； 而在异步电机中， 则由定子绕组的交流磁 动势建立。 直流电机主极极弧形状大致有： 均匀气隙； 偏心气隙 （极弧与电枢外圆不同心， 使气隙从主极中心向 (） +）第二篇电气工程安装与维护篇? ):: ?极尖处逐渐增大） ； 极尖削角的均匀气隙 （气隙从极弧两端约 & # $ 长度处至极尖逐渐增大） 。后两种极弧形 !） 状可削弱由电枢反应所引起的气隙磁场畸变。 凸极同步电机的磁极极弧形状大致有两种： 沿极弧范围内气隙是变化的， 得到接近正弦波形的磁场分 &） 布， 要求气隙按照! （ !） 变化； 气隙均匀， 得到近似的矩形磁场分 %! # &’( & （ )） !为磁极中心处气隙长度） # 布。 在异步电机中， 气隙是均匀的， 当铁心不饱和时， 气隙磁场沿定子内圆的分布与每极下的励磁磁动势的 分布波形基本一致， 近似为正弦形。但在实际电机中， 铁心有些饱和， 因此， 每极下的磁场分布呈平顶波形。( )（三） 电机磁路计算原理磁路计算是按给定的电机端电压求得所需的每极主磁通， 进而求取磁路各部分磁通密度和磁位降， 计算 所需的磁动势、 励磁电流以及空载特性。 磁路计算方法的依据是全电流定律 & % ! #?* $ ， 即所需的总磁动势可由磁场强度的线积分求得， 通常 取沿磁通密度最大的路径作为积分回路。实际计算是通过求各段磁路， 例如气隙、 齿、 轭、 极身等部位磁位降 的总和 ) # + $ +。代替积分， 求得总磁动势。图 , - ) 表示一凸极同步电机的磁路， 其磁路可分为下列 , 段： 空 气隙、 定子齿、 定子轭、 磁极、 转子轭。由于电机磁路中磁通变化频率一般不高， 计算时都按似稳场处理。图 , - ) 凸极同步电机的磁路 每极磁路中， 空气隙的磁位降通常占较大的比例 （约占 $./ 0 1./ 或以上） 。五、 电感与电抗（一） 电机绕组主电抗与漏电抗多相交流绕组的每相主电抗 % 2 # & 由下式计算：) （ () *4） 3& . ’ $* # %2 % $ &+)* ( !5― ―电机磁路总磁位降与气隙磁位降之比。 ) (― 对异步电机， 主电抗即为励磁电抗； 对同步电机， 主电抗为电枢反应电抗， 其中隐极电机 ! 6 % ! 2， 而对凸 极电机， 应分解为直轴及交轴电枢反应电抗 ! 6*及 ! 67。 如果以 , 8 # - 8 为基准， 主电抗的标幺值为 )$. . *4 & / # ? !5 0 &. 5( ! 漏磁通是绕组所产生总磁通的一部分， 也能在绕组中感生电动势， 该电动势频率与产生该磁通的电流频 !2 9 % 率相同， 并通常用漏抗压降表示， 因而每一漏抗都与某一部分漏磁通相对应。漏磁通不参与能量转换， 相应 的漏抗有槽、 端部、 齿冠漏抗和谐波漏抗。漏抗 % 6 # & 可用下式计算： ! & . & %% 3 $ () $* & 1+ #式中? &=& ?式中新编电气工程师手册― ― ―单位铁心有效长度的各部分比漏磁导之和， 其中!的计算见参考文献 ［&］ 。 ! ! 以 ! # $ & # 为基准值的漏电抗标幺值为 && # #& ’ #&% ! % ! $ ’( %& ( $漏电抗与 ’ $ ( $ 成正比。正确选择电磁负荷和通过调整电磁负荷的比值来使漏电抗值符合性能要求。 例如， 增加绕组， 匝数 ) ， 使 ’ 增大而使 ( 则漏电抗将增大； 反之减少匝数， 漏电抗将减小。另外改变 $ 降低， 各部分漏磁导! % 也可改变漏电抗的大小。（二） 电机电抗对电机运行性能的影响电抗对交流电机稳态运行性能的影响见表 ) * )。直流电机电枢绕组漏磁通因换向过程中电流的变化 而变化， 在换向元件中感生电抗电动势， 它阻止换向电流变化， 对换向不利。与该漏磁通相应的漏磁导减小， 则电抗电动势越小， 能改善换向。 表)*) 电抗 电抗对交流电机稳态运行性能的影响 影响的参量或性能 短路比 $ - 与静过载系数 $ . 影响情况 静态运行 $ .$ $ - $ / $ * ’ 越小， 稳定性越高 电压变化率越小 * ’ 越小， 允许的线路充电容量越 * ’ 越小， 大 稳态短路电流越大 * ’ 越小， 故 *& 越小， 过载能 + 0+1$ / $ *&， 力越大 故 *& 越小， 起动转矩 + 23$/ $ *&， 越大， 但起动电流也越大 *& 不功率因数般较高#同步电抗 * ’ % * +’ , * 。 （对同步电机）电压变化率线路充电容量稳态短路电流过载能力 （最大转矩 + 0+1） 漏电抗 * & & （对异步电机） 起动性能 （起动转矩 + 23， 及起动 电流 & 23） 功率因数#若调整电磁负荷比值使 45 减小， 这时 4， 也减小， 使励磁电流增大， 则功率因数有可能降低。六、 损耗（一） 电机基本铁耗在铁心中主磁通交变引起磁滞及涡流损耗 , 67 $ 8， 常按下式计算： , 67 % $,/ $ )& (& 式中 ( )& )/ 9:. 67― ―考虑铁心加工、 磁通密度分布不均匀等因素使铁损耗增加的修正系数； ;―第二篇电气工程安装与维护篇? -10 ?― ―频率为 #$%&， 磁通密度为 !’ 时铁心材料 （硅钢片） 的单位损耗 （( & )*） ； !! & #$ ― ― ―铁心磁通密度 （’） ； &― ― ―磁通交变频率 （%&） ； #― ― ―铁心质量 （ )*） 。 $ +,― 应分别计算定子或电枢铁心的齿、 轭部铁损耗， 然后相加。正常运行时， 同步电机的磁极极身主磁通不 变， 异步电机转子内的磁通变化频率很低， 基本铁损耗均可忽略。（二） 电机绕组电阻损耗绕组电阻损耗是电流流过绕组电阻所产生的 %- & 损耗 （铜损耗） 。按国家标准规定计算损耗时， 绕组电 阻应折算到与绕组绝缘等级相对应的基准工作温度。 对多相交流电机， 应为各相绕组损耗之和， 其电阻为直流电阻值； 对直流电机， 除电枢绕组的电阻损耗 外， 还应包括与之串联的换向极绕组及补偿绕组的电阻损耗。 对带励磁绕组的同步电机或直流电机， 应计入励磁绕组的损耗。 若电机有电刷与集电环或换向器时， 还应计算电刷接触损耗。（三） 电机杂散损耗由定、 转子绕组中电流产生的漏磁场及高次谐波磁场， 以及由气隙磁导变化产生的气隙磁场变化而引起 的损耗称为杂散损耗。 杂散损耗， 按产生损耗有效部位， 分为杂散铁损耗和杂散铜损耗； 按产生时的工作状况， 可分为空载和负 载杂散损耗。空载杂散损耗基本上是杂散铁损耗， 常与基本铁损耗一起包括在空载铁损耗中。 杂散铁损耗主要为表面损耗和脉振损耗。空载杂散铁损耗是因定子 （或转子） 开槽导致磁导变化引起气 隙磁通脉动， 在转子 （定子） 表面上所产生的表面损耗和进入齿中磁通脉振所产生的脉振损耗。负载杂散铁 损耗主要是由定子 （或转子） 负载电流所引起的磁动势谐波磁通， 在转子 （或定子） 上产生的表面损耗和脉振 损耗， 还有由端部漏磁在金属构件中产生的涡流损耗和斜槽笼型转子导条间横向电流在叠片铁心中引起的 损耗。 杂散铜损耗包括由槽漏磁通引起导体中电流集肤效应使绕组电阻值增大， 以及导体由多股线并联时， 因 各股线所处位置不同， 感生的漏磁电动势不同， 以致在股线间产生环流而引起的损耗。对异步电机， 还包括 由定子谐波磁通在转子绕组中感生的谐波电流所产生的损耗， 以及斜槽笼型转子因流动于导条间的横向电 流而在导条中所产生的损耗。 应该指出， 影响杂散损耗的因素较多， 很难正确计算， 其测试也不易精确， 往往是通过测定总损耗， 然后 从中减去所测定的各基本损耗之和来确定。（四） 电机风摩损耗风扇及通风系统损耗取决于风扇的型式及尺寸、 通风系统结构以及冷却介质密度等。电机转子表面与 冷却介质的摩擦损耗取决于转子直径、 长度及圆周速度， 约与转子直径的五次方、 转速的三次方成正比。轴 承损耗取决于轴承型式、 承受的比压力、 轴颈圆周速度及润滑情况。电刷摩擦损耗取决于电刷的形式、 比压 力、 接触面积、 集电环或换向器的圆周速度。风摩损耗一般情况下为上述各损耗之和。七、 结构设计（一） 电机定子机座按安装结构型式可分为卧式和立式两种， 从国家标准 ./001 《 电机结构及安装型式代号》 中可看出电机 各种安装结构型式。 对电机机座有以下基本要求： 使其在加工、 运输、 起吊、 分瓣放置和运行中能承受各种机械作用力、 ! 2 机座应具有足够的强度和刚度，? !/& ?新编电气工程师手册电磁力而不致产生有害变形。通常具有足够刚度的机座， 也能满足强度要求。 运输、 安装和检修。 ! & 机座应便于加工、 并应满足通风冷却的要求， 直流电机机座还应满足磁路要求。 # & 机座内圆空间应得到充分利用， $ & 机座的中心高和底脚安装尺寸应符合有关标准和技术条件的规定。 应采用隔振措施。氢冷汽轮 % & 大型两极汽轮发电机铁心振动的双倍振幅如达到或超过 #& ’ $& (! ) 时， 发电机的机座应满足密封和氢爆安全的要求。 刚度应满足运输、 吊装要求。 * & 大型水轮发电机的机座应能适应铁心热膨胀的要求， 还应能承受潮湿、 盐雾、 霉菌、 温度骤变、 强冲击等严酷环境 + & 微特电机的机座除应具有足够的强度外， 条件的影响。其材料的热膨胀系数应与定子铁心的接近。（二） 电机定子受力分析及变形电机运行时定子铁心承受切向力及径向力， 并传递到机座， 同时承受自身的重量， 机座的变形影响电机 气隙均匀度， 因此机座应有足够的刚度。对气隙较大的一般同步电机和直流电机， 机座小量变形是允许的， 可不进行精确计算。对于异步电机和功率较大的卧式同步电机以及直流电机， 应计算机座变形量， 机座最大 变形量一般不应超过气隙长度的 , ( ,&。 中、 大型电机应计算定子的固有振动频率， 以避免气隙谐波磁场产生的径向力频率接近而产生共振。（三） 电机定子绕组受力分析定子槽部绕组承受两倍电流频率的交变电磁力， 其大小正比于上、 下层线圈边电流的乘积以及槽内线圈 边的长度。当同槽的两线圈边电流方向相同时， 电磁力将使两线圈边向槽底挤压； 当两线圈边电流方向相反 时， 电磁力将上层线圈边压向槽楔， 下层线圈边压向槽底。该电磁力使槽部绕组周期性振动， 特别在发电机 线端短路及电动机转子堵转时更为严重。因此， 必须使导体与绝缘形成坚固的整体， 防止出现事故时因绕组 受力产生有害变形而损伤绝缘， 以及在正常运行时避免由于振动导致槽楔松动和绝缘磨损。 绕组端部磁场与流过线圈端部的电流相互作用产生电磁力， 线圈端部某单元承受的力与流过该单元的 电流、 单元长度及该单元处磁密成正比。短路时绕组端部承受非常大的应力， 应注意绑扎牢靠或用端箍、 支 架固定。（四） 电机转轴是电机转动部分的关键部件。它要传递转矩， 承受转子全部重力和单边磁拉力， 还要承受弯矩、 轴向推 力和扭振时所产生的交变力矩等。因此， 转轴必须满足下列基本要求： 能承受运行中可能遇到的各种负载而不致产生残余变形和疲劳破坏。 , & 有足够的强度， 转子偏心引起不平衡磁 ! & 有足够的刚度。通常转轴的最大挠度不超过单边气隙的 %- ’ ,&- 。防止定、 拉力， 进一步增大偏心值而产生振动或定、 转子相擦。 汽轮发电 # & 转轴的临界转速至少应离开电机额定转速的 !&- 。变速电机应工作在第一临界转速之下， 机和高速大容量异步电机则常工作在第一和第二临界转速之间， 也有工作在第二和第三临界转速之间的。 （如柴油发电机） 的轴系， 必须使其扭振固有频率离开交变转 $ & 大型电机和承受周期性脉振转矩的电机 矩频率。特别是交流变频调速的电机， 因其频率随转速和负载变化， 应综合考虑这一问题。 中小型电机轴的材料， 常用 #%、 大型电机的轴常用 $% 号钢或合金钢， 并且轴的材料一般都应 $&、 $% 号钢， 经热处理， 以提高材料的机械强度和韧性。有些微型控制电机的轴用不导磁的不锈钢制成。 转轴常用结构钢的力学性能见表 % . *。第二篇表!&# 热处理 方式 截面直径 $ %% &211 01 正火 212 6 011 012 6 !11 !12 6 7!1 &211 212 6 011 0! 正火 012 6 !11 !12 6 7!1 7!2 6 2 6 011 31 正火 012 6 !11 !12 6 7!1 7!2 6 2 6 011 3! 正火 012 6 !11 !12 6 7!1 7!2 6 : 回火 ― 抗拉强度电气工程安装与维护篇转轴常用结构钢的力学性能 屈服点 冲击韧度 （.） 伸长率&? (52 ?断面收缩率 （.）钢种& ) *+ ! ! ( ( （ $ ’ $ %% ） （ $ ’ $ %% ） （ $ , $ -%(） 3!1 331 301 3(1 351 371 3!1 301 321 !#1 !31 !(1 !11 3!1 !#1 !31 !(1 !11 351 3!1 (0! ((! (2! (1! (!3 (3! ((! (2! (1! (53 (73 (#1 (!3 (3! (53 (73 (#1 (!3 (3! ((! (4 (4 (4 (! (4 (! (! (1 (1 (! (1 (1 2! 2! (! (1 (1 2! 2! (1锻造比 /! 23 23 23 20 23 23 20 2( 22 22 22 22 21 22 22 22 22 21 4 ― !! 2( 2( 2( 22 2( 2( 22 21 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 7 23 /! 05 07 0( (5 03 0( 01 (# (3 01 (5 (# (3 (( 01 (5 (# (3 (( ― !! (4 (5 (3 (2 (# (3 (( 24 27 (0 (2 24 25 2# (0 (2 24 25 2# ((第二节三相异步电机安装与维护一、 异步电动机安装前的检查及干燥处理（一） 电动机的一般检查对于容量在 31+; 及以上电动机应进行解体抽芯检查， 即将电机转子从定子内抽出进行检查。其检查 主要内容如下：? #(# ?新编电气工程师手册定子绕组绝缘是否符合标准要求； ! & 检查定子槽楔有无断裂， 检查转子铁芯、 轴颈、 滑环、 电刷等是否清洁， 有无伤痕和锈蚀现象。绕线式转子绕组的绝缘是否符合 #& 绝缘标准， 绑线是否牢靠， 应无松弛现象。鼠笼式转子导条和短路端环有无断裂， 是否连接良好等； 无裂痕， 与风扇壳罩应无撞击等； $ & 冷却风扇应紧固、 还应检查磁极磁轭是否固定良好， 励磁绕组在磁极上应不松动。 % & 对于同步电机和直流电机， 同时， 用压力小于 # 个大气压的清洁、 干燥和无油渍的压缩空气将电机内、 外吹干净， 再用干净砂布擦拭 一遍。 在进行电机解体抽芯检查之前， 还需做转动检查、 轴承检查和气隙检查等。所谓转动检查就是在电动机 转子尚未与所驱动的工作机械连接时， 用手转动转子进行检查。用手可轻松自如地转动转子， 应无卡阻现 象， 不应有机械摩擦碰击声和其他异常声响。 轴承检查就是将轴承内的润滑油先用煤油或其他清洁剂冲洗干净， 轴承滚珠 （柱） 表面应光滑， 无裂纹和 锈蚀斑点。轴承内套不应在轴上滑动松脱， 轴承外套应均匀地压住滚动轴承的外圈上， 应无歪扭现象。轴承 外套与滚动轴承应有不大于 & & !’’ 的间隙。如果发现轴承锈蚀， 磨损严重， 则应采用专用拆卸轴承的工具 再将轴承的钢印牌号朝 进行更换。安装轴承多采用 “热套法” ， 即将轴承浸入 (& ) *&+ 的变压器油内 $&’,-， 外进行热套。轴承安装完毕， 再用变压器油清洗干净后， 在轴承内加入内空间约 # . $ 的润滑油即可。 气隙检查即用塞尺检测电机定、 转子间的气隙是否符合规定要求， 定转子间上、 下、 左、 右的气隙不均匀 度!/0是否在允许范围之内。凸极电机应在各磁极下测定， 隐极电机则为 “四点” 测定， 即在电机定、 转子一侧 或两侧各测量四次， 每次测量后转过 *&1再进行下次测量。对直流电机磁场极下的气隙不均匀度 !/0 的要求 是， 当气隙! 2 $’’ 时， !!#&3 ； ! 4 &$&3 时， !!!&3 。交流电机的气隙不均匀度则不能超过表 5 6 7 的规 定值。 表567 气隙公称值 （’’） & & #5 & & $& & & $5 & & %& & & %5 & & 5& & & 55 & & 9& & & 95 气隙不均匀度定义为 ! ’&/ 6! ’,? !&&3 ! =& 式中 ! ― ―测量四点气隙中的最大值， ’’； ’&/― ― ― ―测量四点气隙中的最小值， ’’； ! ’,! /0 ; （58#8!） 异步电动机气隙不均匀度!/0的最大允许值 气隙公称值 （’） & & 7& & & 75 & & (& & & (5 & & *& & & *5 ! & && :! 不均匀度 （3） !( & 5 !(8& !7 & 5 !7 & & !9 & & !5 & 5 !5 & & !& & &不均匀度 （3） #5 & 5 #% & 5 #$ & 5 #$ & & ## & & #! & 5 #& & 5 !* & 7 !* & &― ―测量四点气隙的平均值， 则! （ ’’。设四点所测气隙大小分别为! ! ! ! ! =& ― !、 #、 $ 和! %， =& ; ! @! # @! $@ .% ! %） 如果所测量的气隙不均匀度超过不均匀度最大允许值， 则应在解体抽芯检查后的回装过程中加以调整。第二篇电气工程安装与维护篇? ’3( ?如所安装的电动机功率不超过 !&#$， 可不用抽出转子检查， 而只需做一般检查即可， 其主要检查内容为： 防锈漆是否有脱落之处， 如防锈漆脱落应及时补漆； % & 检查电动机外壳有无损伤， 风扇叶片是否完好， 有无摩擦碰撞； 转子的转动是否灵活自如， 轴向窜动是否超过规定范 ’ & 风扇壳罩、 围； 功率、 电压等是否与设计图纸相符； ( & 检查电动机的型号、 ! & 测量电动机的绝缘电阻应大于或等于规范要求的最低电阻值。（二） 电动机的干燥处理电动机长期存放而不通电运行， 很易受潮而使绝缘强度降低， 因此， 在安装电动机之前， 应选用合适的兆 欧表测量电动机的各相绕组之间以及各相绕组与机壳之间的绝缘电阻。 在实际测量中， 应根据被测电机的额定电压和绝缘电阻的大致范围选用兆欧表。一般 %&&&) 以下电机， 选用 *&& + %&&&)， 量程为 & + ’*&,! 的兆欧表， 常温下所测得的绝缘电阻值均应在 & & *,! 以上为合格； 而 其定子绕组选用 ’*&&)， 量程为 & + ’*&&,! 的兆欧表测量绝缘电阻， 在运行温度时所 %&&&) 及以上的电动机， 测得的绝缘电阻应不低于是 %,!- #)， 转子绕组则选用 *&& + %&&&)， 量程为 & + ’*&,! 的兆欧表测量， 转子绕 组的绝缘电阻应不低于 & & *,!- #)。如果所测得的绝缘电阻低于上述数值时， 应对电动机进行干燥处理。 电动机的干燥处理方法很多， 下面介绍其中两种常用干燥处理方法。 % & 铁损法 所谓铁损法， 就是利用在电机定子铁芯或机壳上临时缠绕线圈， 并通以交流电流， 在铁芯机壳内产生交 变磁通， 并感生出涡流， 从而使铁芯机壳温度升高， 达到电机干燥的目的。对于小型电机， 可把转子从定子内 抽出， 在定子上缠绕数匝线圈； 对于大中型电机， 可直接在机壳上缠绕数匝线圈进行干燥处理， 如图 * . ( 所 示。图*.( 铁损干燥线圈匝数可按下式计算电机铁损法干燥处理线路图（ /） 抽出转子 （0） 带转子!1 式中!* & * 2 %& .（匝） #$（* & ’ & ’）― ―铁损干燥线圈匝数， 匝； !― ― ―交流电源电压， 一般可用 ’’&) 或 (3&) 电压； &― ― ―磁通密度， （特斯拉） 。一般可取 5 1 & & 6 + & & 74； $― 4 ― ―定子铁芯的有效截面积， 其中 # 为铁芯填充系数， 取 % 1 & & 7 + & & 7*； #― 8’ 。 # 1 %&% ’% ， &% 为定子的 有效铁芯长度， 8； ’% 为定子的有效铁芯厚度， 8。铁损干燥线圈中通过的励磁电流可按下式计算： (1 式中 ― ―铁损线圈电流， (% ― :； ― ―定子铁芯的平均直径， )― 8； ― ―电机铁损干燥时， 铁芯单位长度所需安匝数， 见表 * . 3。 * 9― &)% * 9 ! （* & ’ & (）? /#1 ?新编电气工程师手册表!&# （%） & !（安匝 + ,） $ 例题 &’! )& - #! &’(电机干燥时 ! $ 的选择范围 &’) .0& - .1! &’# .)& - /&& &’* /.! - /#&.&& - ./&一台 2/#&3 & 1 型异步电动机， # 4 5 *&67， $ 4 5 .1#&8 + ,9:， 4 5 *0 ’ *; ， &=& ! &5 & ’ #*。现要进行铁损干燥处理， 试计算铁损线圈匝数， 并选择合适的导线。 解： 由 《实用中小电机手册》 中查得 2/#&3 & 1 型三相异步电动机的定子铁芯长度 0/!,,， 定子外径 内径 0&&,,。如取铁芯填充系数 % 5 & ’ *， 则定子铁芯的有效截面积为： 11!,,， & 5 %’. (. 5 & ’ * ? & ’ 0/! ? @ & ’ 11! & &0 5 & ’ &/./,/ /铁损干燥电源电压取 0#&A， 铁芯磁通密度取 B 5 & ’ )%， 由式 （! ’ / ’ /） 求得所需线圈匝数为： )5 取 ) 5 ./ 匝 当取 B 5 & ’ )% 时， 由表 1 & # 查得 ! $ 5 .1! 安匝 + ,， 则由式 （! ’ / ’ 0） 求得线圈通过的励磁电流为： 0.1 ? #,. ! $ +5 5 ) & ’ 11! C & ’ 0& ? .1! / 5 .1 ’ .0D ./ 1! * 1! ? 0#& ? .& & ! 5 ? .& & ! 5 .. ’ ! 匝 && & ’ &/./ ? & ’ )一般可采用 BE 或 BA 型导线， 并按允许载流量的 (& - )&; 来选用导线截面。故选用 BA & !&& 型， 截面 允许载流量为 /*D， 即 /* ? (&; 5 .) ’ 1D， 符合要求。 / ’ !,,/ ， / ’ 铜损法 铜损法是直接将交流电流或直流电流通入电机绕组， 通过电机绕组本身发热达到电机干燥的目的。铜 损法包括交流干燥法和直流干燥法两种。 交流干燥法。对于鼠笼式三相异步电动机， 可在电动机定子绕组中通入较低的三相交流电流。例如， .） 使电动机空载缓慢旋转； 也可将电动机堵转， 即使电动机处于短路运 0 - (6A 电动机可接入 0#&A 三相电源， 行状态， 但应使定子电流不超过 （!& - )&） 的额定电流。每隔 应暂时切断电源， 并将转子旋转 以防 ; /F .#&G， 其轴长时间受热不均匀而弯曲。这样， 干燥一段时间后再松开转子， 使其空载缓慢旋转， 以散热除潮。然后 再将电动机堵转， 如此反复干燥处理， 使电机满足绝缘强度的要求。 对于绕线式异步电动机， 应通过电刷将转子三相绕组的三端短接后， 再采用上述方法对电机进行干燥处 理。 直流干燥法。在电动机绕组中通入直流电流， 这种方法适用于带有轴承和通风孔较大的交流电动机 /） 的干燥处理。可将是电动机的定子 （绕线式电动机还应包括转子） 三相绕组串联或并联后， 再通入直流电， 但 应注意不应使电流超过其额定电流。 对于严重受潮的电动机不宜采用直流干燥法， 因为直流电对于严重受潮的绕组有一定的电解作用。二、 电动机的机体安装技术中小型电动机一般与工作机械配套整体安装， 用螺栓安装在金属底板或导轨上， 也有些电动机直接安装 在混凝土基础上， 用预埋的底脚螺栓固定电动机， 其就位、 找平、 连接传动轮等工作均在混凝土基础上进行。（一） 混凝土基础钢筋混凝土基础的平面尺寸一般按金属底板或电动机的机座尺寸外加 .&&,, 左右， 基础深度可按底脚 螺栓长度的 . ’ ! - / 倍选取， 但应大于当地土壤的冻土层厚度。在易受振动的地方， 基础还应做成锯齿状， 以第二篇增加抗振性能。电气工程安装与维护篇? *8% ?（二） 底脚螺栓的埋设应先将底脚螺栓的埋设端加工成弯钩状。在制作基础时， 按金属底板或电动机的机座安装孔尺寸， 在基 础上预留埋设度脚螺栓的孔洞， 孔洞应较底脚螺栓弯钩适当加大一些。待基础凝固拆模后， 再将底脚螺栓按 金属底板或电动机的机座安装孔尺寸安放在基础孔眼内， 并用 ! & ! 水泥砂浆埋设。待彻底凝固后， 即可安装 机组或电动机。（三） 机组或电动机的安装用起重机械或人工将机组的金属底板或电动机在基础上安装就位， 并用水准仪或水平尺进行纵向、 横向 水平校正， 用 # $ % & %’’ 厚的钢垫片找平。然后再用水泥砂浆二次浇铸， 将安装面缝隙填实， 抹平基础平面， 同时用底脚螺栓将底板及电动机紧固。（四） 电动机传动装置的调整在电动机与被驱动的生产机械通过传动装置连接之前， 必须对传动装置进行精细的调整， 才能保证电动 机和被驱动生产机械的安全运行。常用的传动装置有皮带传动装置、 联轴器传动装置和齿轮传动装置等三 种， 其调整方法分别介绍如下： 应使电动机的皮带轮轴与被驱动机械的皮带轮 ! $ 皮带传动装置的调整。在进行皮带传动装置调整时， 轴相平行， 其二者轮面中心线应在同一条直线上。在调整时， 先在两轮面上用色笔画出中心圆周线， 如图 % 然后用一条细线绳校验。如果两轮面中心圆周线均与绳线重合， ( ) 所示的皮带轮中心园周线 !、 * 和 +、 )， 则表明两皮带轮轴平行， 否则应进行调整， 直到轴面中心园周线与绳线完全重合时为止。 “靠背轮” ， 当电动机与被驱动机械采用联轴器联接时， 必须使两 * $ 联轴器传动装置的调整。联轴器俗称 轴的轴线在同一条直线上， 以保证电动机和被传动机械平稳安全运行。否则， 将会产生很大振动和噪声， 甚 至会使传动装置及设备损坏。 在调整联轴器传动装置时， 常用的方法是先在联轴器的主动轴轮上装设找中心卡 子， 如图 % ( % 所示， 并在主动轮和被动轮之间穿 ! & * 个联轴螺栓 （不用拧紧） ， 以使两轮 能同时转动， 有相对固定的位置。然后将被动轮按园周划分为 ) 等份， 用色笔画上记号， 用千分表或塞尺在轮面上的 ) 个测试位置分别进行径向和轴向测量， 两轮面园周间的安 装高差， 即径向测试点的间隙 , 一般在 ! & *’’ 以内为宜。两轮端面间的间隙， 即轴向测 试点的间隙 - 应与相应的径向测试点的间隙 , 基本相同， 否则应作适当调整。 测试出各点间隙尺寸后， 可用下式分别计算两轮上、 下， 左、 右径向园周间隙偏差 !!+ 和 !*) ， 即 ［! （ ! ./ ( ! /1） ］ ! ./ 0 2)&0! )（%3*3)）用下式分别计算两轮上、 下， 左、 右轴向端面间隙偏差 #!+ 和 # 4 ( *)， 即 ［! （ # ./ ( # /1） ］ # ./ 0 2) 图%() 皮&0! )（%3*3%）带轮轴平行的 调整校验以上两式中 $ ― ― ―为联轴器轮的上方 “!” 、 左方 “*” 测试位置点； ― ―为联轴器轮的下方 “+” ， 右方 “)” 测试位置点； %― ― ―某一测试位置点的间隙测量次数， 表示对于某一测试位置 &― & 0 5、 *、 +、 )，点的轮面径向间隙或两轮端面间隙要分别测量 ) 次， 每次均转过 6#7。 所计算联轴器两轮径向园周间隙偏差和轴向端面间隙偏差不应超过表 % ( 6 所规定的允许偏差值， 如果 超过应加以适当调整。例如左右偏差过大， 可轻轻调整电动机座位置； 上下偏差过大时， 则可用垫铁片慢慢 调整。当间隙偏差满足要求后， 将联轴器上的全部联轴螺栓穿好并拧紧， 把电动机及被驱动的生产机械的固 定螺栓再紧固一遍。然后再重新用上述方法测试一次， 经检查校验合格后即可交付使用。? 20- ?新编电气工程师手册图!&! 表!&# 轴的转速 （ $ % &’(） )*** . /!** . 1!* . !**在联轴器主动轮上装设找中心线卡子示意图联轴器两轮径向园周、 轴向端面的间隙允许偏差值 固定式 （&&） !* + *, !* + *!* + *0 !* + /* 非固定式 （&&） !* + *!* + *0 !* + /* !* + /!) + 齿轮传动装置的调整 当电动机通过齿轮与被驱动的生产机械联接时， 对于渐开线直齿园柱齿轮来说， 与皮带传动装置的调整 相似， 也必须使主、 从两齿轮轴相互平行， 并按公差要求保证微量的齿侧间隙 （即齿间距略大于齿厚） 。两齿 轮间的齿侧间隙的大小可通过塞尺进行检查， 当各齿侧间隙适当， 均匀时， 则说明两齿轮轴已平行。通常还 可用颜色印迹法来检查主、 从齿轮是否啮合良好， 其轮齿的接触部分一般应不小于齿厚的 2 % )。 所谓齿轮的齿厚， 见图 ! & -， 是指以直径为 3* 的分度园弧所截取的齿厚， 齿厚与齿距二者相等， 可用下 式表示： ! * 4 &* 4 5 % 2 # 4 !$* % & 上式中 ― ―齿轮的齿厚， !* ― &&； ― ―齿轮的齿距， &* ― &&； ― ―分度园上的周节， #― &&； ― ―分度园直径， $* ― &&； ― ―齿轮的齿数。 &― 显然， 周节 # 反应了齿轮的大小。由式 （! + 2 + 1） 得 ’ 4 # %! 4 $* % & 式中 ― ―齿轮模数， 反应齿轮的大小。 ’― （! + 2 + 0） （!626-） （! + 2 + 1）则由式 （! + 2 + 0） 可知， 分度园直径与模数的关系为 $* 4 ’& 。如果所安装的主、 从两齿轮分度园相切， 即 一齿轮的齿厚塞满另一齿轮的齿距， 其两齿轮轴中心距为： （ $*/ 7 $*2） （ 8/ 7 82） (4 %2 4 & %2 式中 ― ―两齿轮轴中心距， (― &&； ― ―分别为主、 从齿轮的分度园直径； $*/ 、 $*2 ― &&； ― ―分别为主、 从齿轮的齿数。 &/ 、 &2 ― 显而易见， 为了避免由于温度升高等原因而发生轮齿卡滞现象， 如上所述， 在安装调整齿轮传动装置时， 应保证有合适的微量齿侧间隙。 对于模数 & 相等、 压力角!相同的渐开线齿轮的传动比为： （! + 2 + #）第二篇电气工程安装与维护篇? %;: ?图!&#渐开线直齿园柱齿轮各部分名称、 符号 !$% &!$ &’% ($ & & !% &’$ (%（! ) % ) $’）式中― ―齿轮传动比； !$% ― ― ―分别为主、 从齿轮的角速度， *+, - .。 !$ 、 !% ― 渐开线齿轮的正确啮合条件是齿轮分度园上的模数及压力角都分别相等， 这也是在安装调整齿轮传动装置时进行互换齿轮的必要条件。三、 电动机的电气安装及调试电动机的电气部分安装主要是定子三相绕组与电源的连接和机壳的保护接地等。三相异步电动机定子 绕组的接线有星形联接 （/） 和三角形联接 （0） 两种接方法。在电动机接入电源之前， 应按照规范要求进行必 要的交接试验， 以保证电动机能安全投入运行。（一） 绕组直流电阻的测量打开电动机接线盒， 先用万用表检查三相绕组是否短路， 与盒内接线柱连接是否可靠。必要时可用直流 电桥法或伏安法来测量绕组的直流电阻， 其目的是检查三相绕组的直流电阻是否平衡， 与原始测量数据或同 类型电动机的数据是否相符， 以判断电机是否存在匝间短路、 接头接触不良等故障。 $ ) 直流电桥法 与测量电力变压器绕组直流电阻的方法和要求相同， 对于电机绕组电阻在 $’! 1 $’#! 中值电阻范围内， 可选用单臂电桥； 对于绕组电阻小于是 $’! 的低值电阻， 必须选用双臂电桥， 因为双臂电桥能够较好排除连 接导线电阻及其与接线柱接触电阻的影响， 从而提高了测试精度。此外还可以使用 //%!$% 直流低阻分选仪 和 23 & !$ 型数字毫欧表测量。如前所述， 在使用直流电桥时必须注意以下事项： 在不测量时应通过锁扣 $） 旋钮将检流计 4 锁住， 测量时再松开检流计。若检流计指针不在零位， 应调节到零位； 估计被测绕组电阻 %） 的大小， 选择适当的桥臂比率。在选择桥臂比率时， 应使比较臂可调电阻的各档能被充分利用， 以提高测试 结果的准确度； 测量时应先按下电桥的电源按钮 6（或转换开关 ， 待电桥中的电流稳定后， 再按检流计 5） 3） 7 按钮 4； 适当调节桥臂比率旋钮和比较臂的各档旋钮， 直到使检流计指针指零后， 再读取电阻值； 测量完 7） !） 毕先松开检流计 4 的按钮， 再松开电桥电源按钮 8 （或转换开关 ， 然后拆线， 以避免检流计受到电流冲击； 3） 7 对于双臂电桥， 连接导线应有 7 根， 其中从电位接点 5、 #） 7 引出的连接线应比电流接点 59、 79所引出的连接线 更靠近被测电阻， 并且导线接头应接触良好， 连接导引截面应适当选大一些。 % ) 伏安法? #== ?新编电气工程师手册所谓伏安法就是用直流电流表测量每相绕组所通过的直流电流， 用直流电压表测量被测绕组两端的直 流电压， 然后根据欧姆定律 ! ! & # $ ， 计算绕组的直流电阻值。用伏安法测量电阻值时应注意以下问题： &） 为了保护电压表， 应在接通电源之后再接入电压 测量电源应采用蓄电池或其他电压较稳定的直流电源； #） 表， 在断开电源之前先将电压表测量棒 （笔） 离开测量端， 并应注意同时读取电压表和电流表的读数； 为了 $） 减小电表的内阻对测量精确度的影响， 在测量具有较低直流电阻的绕组时应按图 % & ’ （ (） 接线， 其绕组直流 电阻大小为： % )* ! & （ + ,& 式中 ― ―绕组直流电阻， % )*― !； ― ―电压表内阻， % -― !。 & ） %（% . # . &&）图%&’用伏安法测量绕组直流电阻接线图（ (） 低电阻绕组测量线路 （/） 高电阻绕组测量线路在测量具有较高直流电阻的绕组时应按图 % & （ 接线， 其绕组直流电阻大小为： ’ /） （ & & $% 1） % )0 ! +$ 式中 ― ―绕组直流电阻， % )0― !； ― ―电流表内阻。 % 1― 绕组直流电阻的高、 低界限， 应根据实际选用仪表的内阻大小和绕组直流电阻的大小来确定， 并采用使 测量误差最小的接线方式； 测量时的电流不应超过绕组额定电流的 #34 ， 并应尽可能快地读取试验数据， 2） 以免因电机绕组发热而影响测量准确度； 每一相绕组应在不同的电流数值下测量三次， 取其算术平均值作 %） 为绕组直流电阻值， 最后将所测得各相绕组直流电阻的相间差值和线间差值， 分别与原始出厂数据相比较。 《电气装置安装工程施工及验收规范》 （ 56%3&%3―7&） 中规定， &33389 以上或者 &338) 以上的电动机各相间 直流电阻差值不应超过其最小值的 #4 ， 线间直流电阻差值不应超过其最小值的 &4 。 值得注意的是， 绕组直流电阻的大小是随温度变化的， 在测量绕组直流电阻时， 要同时测量绕组的温度， 以便换算， 其换算公式为： !# & : ’ # ! !& & : ’ & 式中 ― ―绕组在温度 ’& ;& 时的电阻， !& ― !； ― ―绕组在 ’# & 时的电阻， !# ― !； ― ―为常数， 铜导体 & ! #$%， 铝导体 & ! ##=。 &― 在测量电机绕组温度时， 应将温度计球部紧贴在电机机壳表面， 最好插入吊攀的螺孔之内， 使其有良好 的热传导， 并在测量点以及温度计球部还应采用棉花、 石棉、 油灰等绝缘材料覆盖， 以免受到外界热气流或热 （% . # . &$） （% . # . &#）第二篇电气工程安装与维护篇? /BC ?辐射的影响， 减少温度测量的误差。另外， 在有交变磁场存在的部位不能使用水银温度计， 因为水银温度计 在交变磁场中会产生涡流， 使温度计本身发热而影响测量准确度， 所以应采用酒精温度计。（二） 绕组绝缘电阻的测量制造电机所用的绝缘材料很多， 按其耐热能力共分为 ! 个等级， 但多采用 & 级和 # 级绝缘， 在重要使用 场所， 则采用 $ 级或 % 级绝缘。 电动机的绝缘电阻一般应满足： 应与额定电压相同的同类型合格电动机相比较， 或用下式计算电机应达 到的最低绝缘电阻值： ! &! & ’（ ( )*** + 式中 ― ―电动机运行温度时的最低绝缘电阻值， ! &― 1!； ― ―电动机额定电压， & ’― 2； ― ―电动机额定功率， # ’― 34。 但对于额定电压 )***2 以下低压中小型电动机， 常温下绝缘电阻值应按 * . -1! 以上计取。另外温度变 化对电机绝缘电阻的影响， 应按下式将绕组温度 56 时测得的绝缘电阻 ! 5 换算到运行温度 &76 时 （或称热态 时） 的电阻值， 即［ ;&8 = 5 87& 9 : &7 = 5 ］ )* ;&/#, ） )**（- . / . )0）（- . / . )-）对于热塑性绝缘的运行温度为 !-6 ， 所以要求换算到 !-6 或 & 级热固性绝缘的运行温度为 )**6 ， 还可利用吸收比来判断电动机的受潮 )**6 时的绝缘电阻 !7 & 应不低于 ! &。对于 )***2 及以上大中型电机， 程度， 要求吸收比&9 !&* ( !)- &) . /。 因为任何绝缘材料在施加一定直流电压时， 都有极微弱的电流流过， 此电流由充电电流、 吸收电流和泄 漏电流等三部分组成。其中充电电流和吸收电流随时间而迅速衰减， 尤其是充电电流衰减最快， 在 )-? 内可 衰减为零； 而泄露电流的大小和吸收电流的衰减速度则与绝缘材料的干燥、 洁净程度和耐压性能等因素有 关。当绝缘材料干燥、 清洁干净和耐压性能良好时， 泄漏电流就很小， 吸收电流衰减较慢， 需几十秒到数分钟 才达到稳定。由此可见， 所测得的绝缘电阻值将随测量时间的增加而增大。当绝缘材料受潮或损坏时， 泄漏 电流较大， 吸收电流的影响作用减小。因此， 对于某种绝缘材料来说， 不论是否受潮， 用兆欧表测量其 )-? 时 的绝缘电阻 !)- 约为一常数， 而 &*? 时的绝缘电阻 8&* 随绝缘材料受潮程度的增加而明显降低。如果吸收比& ， 即可认为电动机内部没有受潮和损坏， 如果&@ ) . /， 则应进行干燥绝缘处理。 &) . / 为了减化计算， 也可按表 - = )* 给出的换算系数# ， 将所测得的电动机定子绕组绝缘电阻值换算到运行 温度时的绝缘电阻。按上述所介绍的方法将绝缘电阻换算后， 再与电动机绕组的绝缘电阻满足条件 （或与电 动机出厂原始数据或同类型电机） 相比较， 应无显著下降。 表 - = )* 换算 系数 # 例题 & 级热固性绝缘 电动机定子绕组绝缘换算到运行温度 $ 6 时的绝缘电阻换算系数 )/B B! )* C* . &B . ! /* 0- . A 0A A* // . & /& . B 0* )) . A )& . B -* -.! )* . &* /.B &.& !* ).0 0.)定子绕组测试温度 （6） 热塑性绝缘某台三相异步电动机， 为热塑性绝缘材料。在定子绕组温度为 )*6 时， 用兆欧表测得绝缘电阻为 )**1!， 试计算运行温度时的绝缘电阻值。 解： 对于热塑性绝缘材料， 其运行温度取 & 9 !-6 ， 则由式 （- . / . )-） 得：［ D& ! = 5 !7& 9 : &7 = & ］ ［ !- = )* ］ )* ;&/ 9 : D&)** = )* E D&/ 9) . )1!也可按表达式 （- = )*） 给出的温度换算系数计算运行温度时的绝缘电阻值。对于热塑性绝缘材料， 当 % 时， 温度换算系数 ， 则换算到 时的绝缘电阻为： 9 )*6 $ 9 !-6 #9 C* . -? /’& ?新编电气工程师手册!!& # ! & $!# %&& $ ’& ( ) # % ( %*&（三） 三相绕组首末端的确定如图 ) + , 所示， 电动机定子组出线端在接线盒内按规定要求布置后， 当三角形接法时， 只需用连接片将 并作为电源接线端； 而星形接法时， 则只需用连接片将下面 -% 与 ./ 、 0% 与 -/ 、 .% 与 0/ 分别上下连接起来， 三个出线端 ./ 、 上面三个出线端 -% 、 （也可用连接片将上 -/ 、 0/ 连接起来作为中性点， 0% 、 .% 作为电源接线端 面三个出线端连接起来作为中性点， 而下面三个出线端作为电源接线端） 。但在接线之前， 应注意严格校验 绕组的极性， 即检查校验三相绕组的首末端。否则， 如果首末端接错， 会使电动机的感应电动势和阻抗发生 严重不平衡， 而引起电动机三相电流不平衡， 会出现噪声、 振动和过热现象， 甚至会引起电动机烧毁事故。图)+,三相异步电动机定子绕组接线方法（ 1） 三角形接线 （2） 星形接线在测试时先用万用表确定出哪两个线端属于同一相绕组， 然后将其中任意两相绕组串联， 用蓄电池 3 通过开关 45 与另两出线端连接， 剩下的一相绕组出线端与毫伏表或毫安表连接， 如图 ) + ’ 所示。图)+’三相异步电动机绕组首末端判定试验线路图（ 1） 两相绕组的首末端连接 （2） 两相绕组的首、 首端 （或末、 末端） 连接第二篇电气工程安装与维护篇? &’! ?由于三相定子绕组各相在空间位置上互差 !&#$电角度， 所以如果两相绕组为首末端连接时， 见图 % & ’ （(） ， 则与毫伏表相连接的绕组正好匝链其合成磁通， 在 )* 闭合或断开瞬时， 将出现毫伏表指针摆动辐度较 （ +） ， 则与毫伏表相连接的绕组基 大的现象； 如果两相绕组为首端与首端 （或末端与末端） 连接时， 见图 % & ’ 本上不匝链其合成磁通， 在 )* 闭合或断开瞬时， 将出现毫伏表指针不摆动或摆动辐度很小的现象。这样就 可以确定出串联的两相绕组的首末对应端， 然后用同样的方法接线， 再确定出第三相绕组的首末对应端。（四） 电机交流耐压试验电动机交流耐压试验与电力变压器的交流耐压试验方法基本相同， 其目的是进一步检查电动机的绝缘 性能， 其定子绕组的交流耐压标准见表 % & !!。绕线式异步电动机转子绕组的交流耐压值， 对于转子工况为 不可逆运行者， 其试验电压标准为 ! , （ 但不应低于 !/0； 对于转子工况为可逆运行者， 其试验 % & !&- . # , %） /0， 电压标准为 ! , （ 但不应低于 &/0。 !& - 为在定子绕组施加额定电压时， 转子绕组开路所测得 % & !& - . # , %） /0， 的转子电压， 称为转子额定电压或转子开路电压。同步电动机转子绕组的交流耐压试验标准为其额定励磁 电压的 1 , % 倍， 且不低于 ! , &/0， 但不得高于出厂试验电压值的 1%2 。 表 % & !! 额定电压 !（ - /0） 试验电压 （ /0） # , 3% ! 电动机定子绕组交流耐压试验标准 #,% !,% & 3 4 % 5 !# !# !5试验时需将各相绕组分别对机壳及地进行耐压试验。对于大中型电动机， 还需采用球隙过电压保护装 置， 并在被试验绕组端并接入电压互感器和电压表， 以监视试验电压的大小， 其试验方法及试验线路可参考 三相电力变压器工频交流耐压线路（五） 电动机短路试验电动机短路试验的目的是进一步检查电动机的绝缘是否存在缺陷， 其试验线路及其等效线路如图 % & !# 所示。图 % & !# 交流异步电动机短路试验线路 所谓异步电动机短路， 是指等值电路中串联的附加电阻 （即模拟机械功率的等效电阻） （! & & ） 67& 8 & 的状 态， 其等值电路如图 % & !# （ +） 所示。在电动机堵转 （ # 9 #， 情况下进行试验， 故也称之为堵转试验。为 & 9 !） 了使堵转时的短路电流不致于过大， 应在降低电源电压的条件下进行。一般应从额定电压 ! - 的 # , 3 倍开始 （但短路电流不得超过其额定电流 $ - 的 ! , & 倍） ， 从 ! , & $ - : # , & $ - 之间均匀测取 % : 1 点， 每次记录端电压、 （ (） 。 短路电流和短路功率值， 并测量定子绕组的直流电阻， 试验线路见图 % & !# 由图 % & !# （ +） 电动机短路试验等效线路可见， 由于 ;7&! ;=， 故可认为 励磁支路开路， 铁 $ = 励磁电流， 机械损耗 %! 和输出功率 @& 均为零， 全部输入功率 % / 均转变成定子、 转子铜耗， 即 耗 % &?、& & %A 9 （ 4 $& 9 4 $& &4 $（ ! &! . $ 7& & 7&） / &! . 3& ） / &/（%B&B!5）式中― ―电机短路损耗， 即定子、 转子短路铜耗， % /― C； ― ―短路电流， $ /― $! & $ 7& 9 $ /， *； ― ―短路电阻， & /― & / 9 &! . & 7&， !。? ’0’ ?电机短路阻抗为：新编电气工程师手册!! & &! # ! $ #! 则电机短路电抗为： $! & 式中’ ! * %! !!’（%&’&()） （%&’&(+）― ―电机短路电抗， $ !― $ ! & $( , $& ’ ， !。 对于大中型交流异步电动机， 可以近似认为 $( & $& ’ ； 极对数为 (、 (--!. 以下电动机， ’、 $ 者取 $& ! & - / 极对数 2、 0) $ 1； % 者取 $& ’ & - / %) $ 1。（六） 电源相序的测定我们知道， 旋转磁场的旋转方向由通入定子绕组电流的相序决定， 是从电流相序在前的绕组转向电流相 序在后的绕组。所以， 一些要求单向运转的设备， 电动机只能向要求的转向转动， 必须先对接入电动机的电 源相序进行严格测定， 以保证设备的安全运行。 三相电源相序的测定可用图 % * (( 所示的相序指示器进行测定， 可由一个电容器 ’ 和两个白炽灯泡连 接成星形电路。设白炽灯泡电阻为 ( ， 且使 ( & ( #&’ 并接入三相交流电源， 如图 % * (’ 所示。 按节点电压法， 则有 ) 334 & & ) 56 ). ( ,* )8 ( * 7, * & ( ( ( ( + ’, , ! ( ( ) +* -9 , * # * (’-9 , * # * ’2-9 & # +,’ （ ） & * - / ’ , 6- / : *. 相白炽灯泡端电压为： ) .34 & & ) .3 * & ) 334 & * # * (’-9 * （ * - / ’ , ;- / :） & * （ * - / $ * +( / 2::） & * 其有效值大小为： & .34 & ( / 20: * 8 相白炽灯泡端电压为： ) 834 & & ) 83 * & ) 334 & * # * (’-9 * （ * - / ’ , ;- / :） * & （ * - / $ * +- / ’::） & * 其有效值大小为： & .34 & - / 2-( *图 % * (’ 图 % * (( 三相交流电源相序指示器用相序指示器测试电源相序接线图由此可见， 接通电源后， 如图 % * (’ 所示， 若设电容器 ’ 所接的那一相为 5 相， 则白炽灯泡较亮的那一 相为 . 相， 而较暗的那一相为 8 相。 此外， 绕线式电动机转子还需要做转子开路耐压试验； 对大中型电动机， 还应进行电动机空载试验和轴第二篇承绝缘检查等。电气工程安装与维护篇? !0& ?在完成上述电动机安装试调和接线的基础上， 还应检查电机外壳接地或接零是否符合要求。一般电动 机的电源线保护管采用水煤气管暗敷， 且引出基础 !&&## 以上， 并将接地线与电动机的接地螺钉及焊接钢 管连接起来。若有多台电动机外壳接地时， 每台电机必须单独设接地线 （支线） ， 然后将这些接地支线分别与 接地干线或等电位接地母线相连接， 不能把几个接地支线相互串联后， 再用一根接地线与接地干线或接地体 相连接。接地线截面应按相线允许载流量确定， 即接地干线的允许载流量应不小于供电网中最大的相线载 流量的 $ % !， 接地支线的允许载流量应不小于该设备相线载流量的 $ % &。但钢导线截面不大于 $&&##! ， 铝导 线截面不大于 &’##! ， 铜导线截面不大于 !’##! 。 然后， 经检查三相电源电压正常后， 即可通电试验。电动机在空载情况下运行时间宜为 !(， 并且要监视 电动机有无磨擦声或其他不正常声音， 有无局部过热或焦臭气味， 记录电动机空载电流， 检查线路电流是否 超过规定值等等。经过 !( 空载运转和数次起动， 如未发现异常现象， 即可投入正常运行、 交付使用， 电动机 控制本章从略， 可参阅本书第 ) 章电梯安装调试和 《建筑电气控制技术》 课程的有关内容。第三节同步电机运行与维修一、 同步发电机的原理与特性（一） 同步发电机的构造与等效电路$ * 定子的构造 上一节已经描述和分析了同步电机的定子。三相定子电流产生以同步转速旋转的磁通。同步转速决定 于电频率和磁极的个数。 ! * 转子的构造 同步电机的转子是一个直流电磁铁。可以通过电刷滑环为转子供给直流电流， 也可以通过将转子中分 离绕组感应的交流电压整流后供给直流电流。图 ’ + $& 给出了一个柱形转子结构和一个凸极转子结构。柱 形转子的磁结构是对称的， 转子磁动势的衰减分布产生了正弦衰减的转子磁通。凸极转子的磁结构是不对 称的： 绕在磁极上的线圈将直流线圈磁动势集中于一点， 正弦磁通分布通过衰减空气隙的宽度实现。为产生 转矩， 定子和转子中的极对数必须相等。从电路上来讲， 转子传送励磁电流， 也就是说它上面有很多匝细导 线， 导线中的电流相对较小。图 ’ + $& （ ,） 柱形转子； （ -） 凸极转子 & * 场生电动势 设转子以同步转速旋转， 正方向为!! 的方向。因为空间中的转子磁通密度为正弦分布， 所以 !! . &/的? -;0 ?新编电气工程师手册磁通密度是一个可以用相量表示的正弦时间函数。从转子 ! 磁轴通过!! & #$的时刻开始计时， 所以转子磁 通密度相量 %& 为： （’ ( ) ( *） %& & #& !#$ 电频率为 （+, $ -） 此电压又在定子和负载 式中 #& 是最大转子磁通密度， ! .。磁通波在定子线圈上产生电压， 中产生电流。这里主要研究图 ’ / *0 中的 % / %& 导线环。可以确定这个环的电动势为： & # & ? （’5)5-） 1&2 3 4# %&2! &%&+ 式中 2 是电机的轴长， & 是空气隙的标称半径。 1 的极性是 6 端为正， 6& 端为负。整个线圈的相量磁动势 ’ 7 近似值为： ’ 7 & -82 &%& $ !#( ! （’5)5)） 该电压是由转子磁场旋 式中 ) 是以 % / %& 为中心的线圈的匝数。如果没有定子电流， 9 * 就是线圈中的电压， 转产生的。05 定子电流的作用 但根据右手定则， 定子电流产生的磁通 #+ 滞后 ;#$ （ & / ,） 。给 % / %& 中电流 : 的相位决定于负载阻抗， 出磁通密度为： ) &) : （’5)50） - -式中， 如果存在定子电流， 空气隙中的磁 - 是空气隙的宽度， ) & - 是其了两相使旋转磁通增大的倍数。因此， %+ & / , 通密度 %&. 等于转子磁通和定子磁通的和： %&. & %& = %. 将式 ’5)5’ 两边乘以 -* 可以变化为电压方程： &8， ! -# / &) %&. + )/ ,! - - $ ) &# /& : 0+ （’5)5’）{&{/ &) %& -# 9*（’ ( ) ( &）’5 式 ’5-5-0 电路解释 如果 : 为零， 转子磁通旋转产生的电压为 9 * ； 可以将它看用发电机的戴维南电压。+ 项是有定子电流时 发电机的输出电压， 因为 %&. 是空气电机的输出电压， 因为 %&. 是空气隙中的磁通密度。式 ’5-5-0 的后一项 表示一个感性电抗： 1+ & # )-& 0 其中， !- & !- # + ) &# /& （’5)5?）式中 0+ 是定子绕组的有效电感。 1+ 是交流频率时的有效电抗。{第二篇电气工程安装与维护篇? $3# ?!& 单相等效电路 式 （#&$&$%） 的部分推导是近似的， 但其形式和解释是正确的， 可以得到有效的单相等效电路， 如图 # & ’# （(） 所示。转子磁通的作用由励磁电压 !& 表示， 它由直流励磁电流 #& 控制， 如图 # & ’# 所示。但不应将励磁 电压看作电机中实际存在的电压， 因为转子磁通占据的空间与定子电流产生的磁通占据的空间相同， 后者由 单相同步感抗 $% 表示。电机中实际存在的磁通是转子―定子磁通。根据法拉第定律， 由于结构中总磁通运 动而在定子线圈中感应的单相电压必然是单相终端电压 )。图 # & ’# （ (） 同步电动机的单相等效电路； （ *） 励磁电流决定了励磁电压 + & 的大小 ,& 小结 图 # & ’! 给出了同步发电机中的因果关系。电路用图 # & ’# （ (） 中的单相等效电路表示， 它用励磁电压 表示旋转转子磁通， 用同步电抗与定子电流的积表示旋转的定子磁通。定子磁通和转子磁通的和是电机中 实际存在的磁通， 它在等效电路中由励磁电压和同步电抗上电压降的和来表示。法拉第定律变为： ) - + & & &$% . 路仅适用于柱形转子电机， 因为它忽略了凸极转子磁结构的不对称性。 （#&/&0） 定子电路中的损耗和泄磁通已被忽略。励磁电压的大小由直流励磁电流控制。图 # & ’# （ (） 中的等效电图 # & ’! 同步发电机的因果关系。 发电机的有效电压 ) 由有效功率密度 1’( 产生（二） 工作于独立电力系统中的发电机’& 系统特性 多数同步发电机用于大型电力系统， 并与其他许多发电机串联使用。但是同步发电机也可用作独立电 力系统的惟一发电机。在本节， 将研究同步发电机在这样一个独立系统中的应用。 图 # & ’, 表示一个独立系统。注意发电机的两个输入： 机械驱动器上的调节杆和直流励磁电流。这个 电力系统有如下特性： （’） 其频率由机械驱动器的速度决定。电频率为 （ ) 2 $） 其中 !* 是转子机械速度。因此， 如果系统频 !* ， 率需要保持恒定， 比如说为了计时， 就要求对速度进行严密控制。在其他情况下， 在不降低负载特性的前提 下系统频率可以稍微有些变化。 （$） 系统的电压部分由励磁电流控制。励磁电流增大可以使产生的电压增大。但是下例中系统的电压 也受负载水平影响。 例 独立发电机? %/) ?新编电气工程师手册图 ! & #$独立电力系统四极、 功率因数为 ’ . （ 。发电机的同步电 一个 %&’(、 )’*+ 三相发电机需要为一个负载提供 #’,-， / 滞后） 抗为 & . ’!， 忽略所有损耗和泄电抗如果断开负载， 发电机的输入电压为多少？ 解： 没有负载时， 输出电压为 !& ， 它可以由图 ! & #! （ 0） 中的等效电流确定。单相电压和电流为： (1 和 #’’’’ &# 1 %$ . /& & %! . 829 & & 567 （’ . /） & 4 ! %&’ 4 ’ . / 解方程式 （!:&:8） 可以确定励磁电压： 31 %&’ & =& . ’ 4 %$ . /&%! . 82 1 #8! . &&%& . ’2 & ! 这个单相电压与 &%#( 的三相电压等效。 ; & 1 ( & #$% 3 1 思考题： 电动机驱动发电机所需的转矩为多少？ %: 小结 独立同步发电机需要控制系统来调节发电机速度和输出电压。前者决定了电频率， 后而决定于负载。 （!:&:/） %&’ &’2 & !（!:&:#’）（三） 功率角#: 功率角的定义 研究了转子磁通和定子磁通结合起来得到转子―定子磁通。在推导过程中， 介绍了 & 它们分别 & 和& %， 是转子磁通和定子磁通相对于总磁通的实际角度。这里对这些功率角进行更详细的研究。这些功率角对应 于总磁通各分量之间的实际角度， 也对应于可以看作相量的正弦量的相位角。 %: 功率角和相量图 图 ! & #8 （ 0） 以实际角度给出了几个功率角， 图 ! & #8 （ ?） 给出了!’ 1 ’2时的相量磁通。转子磁通密度相 量与转子的 @ 极对准， 因为它使磁通沿正方向 （向外） 通过空气隙。而定子磁通密度相量与定子的 A 极对准， 因为它使磁通沿正方向 （向外） 通过空气隙。转子磁通和定子磁通结合起来构成转子―定子磁通。当转子磁 极超前于空气隙的最大磁通时， 转子功率角&& 为正。 &: 转矩和功率角 重写式 （! & #8）&*+, , &*+, , （ （!:&:##） ( BC 1 &# -&-) 7DE 1 &# -&-&) 7DE &) ） #& % % &&) % % && $’ $’ 它用转子功率角给出了电机的输出转矩。第二种形式非常有用， 因为它的两个磁通量被限制为可控制 量； 转子磁通由直流励磁电流控制， 转子―定子磁与输出电压联系在一起。对于固定励磁通和输出电压， 转 矩决定于转子功率角&& 。 现在说明磁通与上例中独立系统的相量图之间的一致性。电路与相量图如图 ! & #/ 所示。定子绕阻中 产生的电压 ( 为相应参考。图中给出了电流和励磁电压。励磁电压与转子磁通密度同相， 定子中产生的电 压与转子―定子磁通密度同相， 因此 !& 和 ( 之间的相位角为转子功率角 && 。转子功率角对于理解同步发 电机在大型电力系统中的工作状态尤其重要。 #$% 3 的相反数表示定子磁通密度。[][]第二篇电气工程安装与维护篇? ,*4 ?图 ! & #$转子磁通和定子磁通结合起来得到总磁通。磁极设置同上例。（ %） 磁极设置； （&） !! ’ ()时表示电流和磁通密度的相量图 ! & #* （ %） 电路； （ &） 独立发电机的相量关系。 磁极设置与磁通密度如图 ! & #$ 所示（四） 工作于大型电力系统中的同步发电机在本节， 将研究同步发电机工作于大型电力系统时的特性。在大型电力系统中， 许多负载和许多发电机 在一定地理区域内互相连接。这种内部连接可以提供可靠性、 可以对各发电机进行保养、 并允许特定电力公 司之间进行电力交换。 # + 电力网 在这种电力网中， 许多发电机串联在一起工作。所有的发电机都是同步的， 并通过远程传输线互相连接 在一起。从某单个发电机的角度来看， 电力系统是一个负载， 发电机向其中输送有效功率和无功功率。但是 这种负载的特性与无源负载的特性有着显著不同。 , + 无穷总线 电力系统可以用无穷总线模拟。在无穷总线中， 其频率恒定、 电压恒定 （包括幅度和相位） ， 与所研究发 电机的工作状态无关。系统的频率可以看作一个常数， 它由许多发电机的可控制旋转决定。因此， 如果提高 某单个发电机的机械驱动器， 总线中的频率不会像独立工作那样使频率升高， 而是向电力网中输送更多的有 效功率。同样， 如果增大某单个发电机的直流励磁电流， 也不会像独立工作那样提高输出电压， 而是会改变 向系统输送的无功功率。下面的分析将说明这种对有效输出功率和无功输出功率的独立控制。 - + 在无穷总线中运转 图 ! & ,( 给出了工作于无穷总线中的同步发电机的单相电路。发电机的有效输出功率为： （!3-3#,） & ./0 ’ - #$ 1.2 ! 式中!是单相输出电压和电流之间的角度， 和 是单相均方根值。这一系统的相量图如图 # $ ! & ,# 所 示。 现在考虑当直流励磁电流变化时相量图的变化， 然后再考虑励磁电压的变化对相量图的影响。设机械 驱动器的转矩和转速保持恒定， 那么， 发电机的输入和输出有效功率也保持恒定。无穷总线的线电压是固定? #:9 ?新编电气工程师手册图 ! & #$工作于无穷总线中同步发电机的单相模型图 ! & #%工作于无穷总线中的同步发电机的单相相量图。两条虚线表示当励磁电压的大小变化时， 励 磁电压和电流相量保持输出功率恒定的轨迹 的， 因此， 由式 （! & ’ & %#） 可以看出， ! ()* !也必然保持恒定。电流相量的顶端沿垂直虚线通过实轴达到传送有 效功率所需的同相电流。当直流励磁电流变化时， 输出电压的幅值和相位也变化， 但电流中与总线电压同相 的分量保持不变。 图 ! & #% 给出了转子功率角!& ， 它是励磁电压 #$ 超前于总线电压又的相位角。根据 +,-， 励磁电压是 根据图 ! & #% 中的几何关系， 可以得到： , 和 ./* 0 工的相量和。因此， %&! ()* & 1 #$ *23 !& 式中 #$ 是单相励磁电压的大小。因此， 可以将式 （%! & 45） 修改为以下形式： ’()* 1 ’ +#$ *23 !& %& （! & ’ & %4） （! & ’ & %’）也保持恒定。励磁电压相量的顶端沿着图 ! & 因此， 对于恒定功率 （驱动器控制） 和恒定线电压， 6.*237， #% 中的垂直虚线移动。 4 & 直流励磁电流对功率因数的影响 利用这两个轨迹， 就可以估算直流励磁电流的变化对无穷总线中同步发电机的影响。例如， 考虑直流励 磁电流降低对图 ! & #% 中相量图的影响。励磁电流降低会使 #$ 的大小减小， 它使 6 $ 的顶端沿垂直虚线向 点 ) 移动。同时， 输出电压 , 固定。相量 ,%& 0 与 , 和 6 $ 的连线平行， 它必然向一垂直位置移动。因此， 电流 而其顶端仍然留在垂直虚线上。所以， 当直流励磁电流降低时， 电流与输出电压 ! 必然向一水平位置移动， 的同相部分磁大， 功率因数趋向于单位 %， 电流的大小降低。在点 ) 处， 电流与单相输出 6 $ 位于 , 的正上方， 电压同相。在这一点， 得到一个直角， 励磁电压为：# # （ %&! ） ## $) 1 + 8（! & ’ & %!）式中 #$) 是功率因数为单位 % 时所需励磁电压的大小。当 6 $ 的大小下降很多时， 电流将超前于输出电 压。电流相对于输出电压的角度可以由励磁电压的大小控制， 励磁电压的大小又由直流励磁电流控制。电第二篇电气工程安装与维护篇? #66 ?流的同相分量为定值， 而异相分量的大小和符号都可以变化。因此， 发电机与电力系统之间交换的无功功率 由直流励磁电流控制。 图 ! & ## 给出了直流励磁电流对同步发电机电流的大小和功率因数的影响， 输出功率保持恒定。励磁 电流很小时称为欠励磁发电机， 其输出电流超前于输出电压， 当励磁电流增大时， 输出电压降低。在功率因 数为单位 $ 的 ! 点电压降至最低点， 然后电流增大， 并开始滞后于输出电压， 这种情况称为过励磁发电机。 ! % 小结 输出有效功率由发电机机械驱动器的调节杆控制。无功功率的符号和大小由直流励磁电流控制。对于 过励磁发电机， 发电机输出正的无功功率。对于欠励磁发电机， &’ 超过了图 ! & #$ 中的 ! 点， & & 位于图 ! & 发电机输出负的无功功率。式 （! % ( % $!） 定义了过励磁特性和欠励磁特性的边界， 并与单位 #$ 中 ! 点的左侧， 功率因数对应。图 ! & ## 励磁电流对同步发电 机输出的影响， 输出功率保持恒定 例 提供无功功率 一个 )**+ （线电压） 三相同步发电机的输出功率 #!,-。同步电抗为 $* % *!。计算使功率因数为单位 $ 的激励电压， 并计算励磁电压为多少时， 发电机可以在有效功率之外提代 . $*,+/0 的无功功率。 解： 要使功率因数为 $， 所需线电流为： $ #! 2 $*( 1 1 #3 ’ $/ (% （ ( )** & ! (） 因此， 根据式 （!4(4$!） 得到所需励磁电压为： #1# # # （ )# # ） （)** & ! （$* ’ * 2 #3 ’ $） (&! 1 !%# . 1! 1 3##+ (） .（!4(4$)）（!4(4$5）注意， 计算过程中采用单相电压。对于问题的第二部分， 求视在功率：# # （!4(4$6） （#!） （$*） * 1 ! $ # . +# 1 ! 1 #) % 6,+/ . $ 功率因数为 $, 1 #! & #) ’ 6 1 * ’ 6#7， 电流的相位角为! 1 89:-（ ， 新电流 #/ 的大小为： $* & #!） 1 #$ ’ 7（ . 滞后）# #3 ’ $ 1 1 #! % 6/ $, * ’ 6#7 根据式 （!4(47） ， 新的励磁电压相量 &; ’ 为： #/ 1 &; & 1 + . 0)1 &; 1（!4(4$6）)** . 0$* % * 2 #! % 6&#$ % 7= 1 !*3&#7 % !=+ ( ! 因此， 为使发电机多输出 . $*,+/0 的无功功率， 励磁电压应比单位功率因数所需励磁电压增大 $6& 。 ) % 输出功率和功率角 图 ! & #( 给出了式 （! % ( % $3） 的图像以及转子功率角对发电机功率的影响， 其中输出电压和励磁电压保 持恒定。转子功率角&2 ， 是一个空间角， 其单位为电单位， 它是转子的物理轴超前于空气隙中}