三相异步电动机工作原理及其常见故障分析

陈举昆 宝山

摘要：三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场，是随电流的交变而在空间旋转的磁场。这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。本文解析三相异步电动机的工作原理和出现的问题的原因和对策。

关键词：三相异步电动机；原理；对策

中图分类号： TU99文献标识码：A

一、三相异步电动机的工作原理

1.鼠笼式转子的转动原理

三相异步电动机是利用旋转磁场工作的，其工作原理可通过以下演示实验来直观地了解。

一个装有手柄的蹄形磁铁以轴座o1为支撑自由转动；在蹄形磁铁两磁极之间有一个鼠笼转子，鼠笼转子以轴座o2为支撑自由转动；轴座o1和轴座o2在同一条轴线上。蹄形磁铁和鼠笼转子之间没有摩擦力和机械连动关系，二者均可各自独立自由转动或保持静止。当摇动手柄使蹄形磁铁顺时针方向旋转时，磁场的磁感线就切割鼠笼转子上的铜条，相当于转子铜条逆时针方向切割磁感线，闭合的铜条中就会产生感生电流，其方向可用右手定则判定。由于感生电流处在蹄形磁铁的磁场中，因此铜条要受到磁场力f的作用而使转子转动，磁场力f的方向可根据左手定则判定，从判定的结果可知转子转动方向与蹄形磁铁旋转方向一致。手柄摇得快，转子转得也快；手柄摇得慢，转子转得也慢。同理，让蹄形磁铁逆时针方向旋转时，转子也随之按逆时针方向旋转。在上述演示过程中，是由蹄形磁铁旋转产生的旋转磁场使鼠笼转子转动的，而在实际的异步电动机中，并没有永久磁铁旋转，其旋转磁场是如何产生的呢?以下讨论三相异步电动机定子绕组产生旋转磁场的具体过程。

2.旋转磁场的产生

设将定子三相绕组联成星形接法，三相绕组的首端u1、v1、w1分别与三相交流电的相线a、b、c相连接。为了讨论方便，选定交流电在正半周时，电流从绕组的首端流入，从末端流出；反之，在负半周时，电流流向相反。定子绕组在三相交流电不同相位时合成旋转磁场。当ωt=0时，a相电流为零；b相电流为负值，电流由v2端流进，v1端流出；c相电流为正，电流从w1端流进，w2端流出，根据右手螺旋法则，可以判定出此时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向。当ωt=90o时，此时a相电流为正，电流由u1端流入，u2端流出；b相为负，电流由v2端流进，v1端流出；c相为负，电流从w2端流入，w1端流出，这一时刻合成磁场方向已顺时针方向在空间转过了90o。同理，可分别得出ωt=180o、ωt=270o和ωt=360o时定子三相绕组电流产生的合成磁场方向，ωt=360o时与ωt=0o时的合成磁场方向相同。

由此可见，电流变化一个周期，合成磁场在空间也旋转了一周。电流继续变化，磁场也不断地旋转。从上述分析可知，三相电流通过定子绕组所产生的合成磁场，是随电流的交变而在空间旋转的磁场。这种旋转磁场与蹄形磁铁在空间旋转所起的作用是相同的。

二、三相异步电动机一相或两相绕组烧毁（或过热）的原因及对策

如果出现电动机一相或两相绕组烧坏（或过热），一般都是因为缺相运行所致。在这里不作深刻的理论分析，仅作简要说明。

当电机不论何种原因缺相后，电动机虽然尚能继续运行，但转速下降，滑差变大，其中B、C两相变为串联关系后与A相并联，在负荷不变的情况下，A相电流过大，长时间运行，该相绕组必然过热而烧毁。

为三相异步电动机绕组为Y接法的情况：电源缺相后，电动机尚可继续运行，但同样转速明显下降，转差变大，磁场切割导体的速率加大，这时B相绕组被开路，A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大，长时间运行，将导致两相绕组同时烧坏。

这里需要特别指出，如果停止的电动机缺一相电源合闸时，一般只会发生嗡嗡声而不能启动，这是因为电动机通入对称的三相交流电会在定子铁心中产生圆形旋转磁场，但当缺一相电源后，定子铁心中产生的是单相脉动磁场，它不能使电动机产生启动转矩。因此，电源缺相时电动机不能启动。但在运行中，电动机气隙中产生的是三相谐波成分较高的椭圆形旋转磁场，所以，正在运行中的电动机缺相后仍能运转，只是磁场发生畸变，有害电流成分急剧增大，最终导致绕组烧坏。

相应对策：无论电动机是在静态还是动态，缺相运行带来的直接危害就是电机一相或两相绕组过热甚至烧坏。与此同时，由于动力电缆的过流运行加速了绝缘老化。特别是在静态时，缺相会在电机绕组中产生几倍于额定电流的堵转电流。其绕组烧坏的速度比运行中突然缺相更快更严重。所以在我们对电机进行日常维护和检修的同时，必须对电机相应的MCC功能单元进行全面的检修和试验。尤其是要认真检查负荷开关、动力线路、静动触点的可靠性。杜绝缺相运行。

三、电机绕组局部烧毁的原因及对策

1.由于电机本身密封不良，加之环境跑冒滴漏，使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体，电机绕组绝缘受到侵蚀，最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短路现象，从而导致电机绕组局部烧坏。

相应对策：

①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象；

②检修时注意搞好电机的每个部位的密封，例如在各法兰涂少量704密封胶，在螺栓上涂抹油脂，必要时在接线盒等处加装防滴溅盒，如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应做保护罩；

③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期，严重时要及时进行中修。

2.由于轴承损坏，轴弯曲等原因致使定、转子磨擦（俗称扫膛）引起铁心温度急剧上升，烧毁槽绝缘、匝间绝缘，从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成：

①轴承装配不当，如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损，导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小，出现跑内圈现象，装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁，特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升，只要轴承完好，允许间断性跑外圈现象存在。

②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净，运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。

③轴承重新更换加工，电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时摩擦力增加，温度急剧上升直至烧毁。

④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够，致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。

⑤由于电机本体运行温升过高，且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。

⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。

⑦轴承本身存在制造质量问题，例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。

⑧备机长期不运行，油脂变质，轴承生锈而又未进行中修。

相应对策：

①卸装轴承时，一般要对轴承加热至80℃~100℃，如采用轴承加热器，变压器油煮等，只有这样，才能保证轴承的装配质量。

②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗，轴承腔内不能留有任何杂质，填加油脂时必须保证洁净。

③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。

④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中，不得错位。

⑤电机外壳洁净见本色，通风必须有保证，冷却装置不能有积垢，风叶要保持完好。

⑥禁止多种润滑油脂混用。

⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。

⑧对于长期不用的电机，使用前必须进行必要的解体检查，更新轴承油脂。

3.由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦，导致绕组局部烧坏。

相应对策：

①电机在更新绕组时，必须按原数据嵌线。

②检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组，电机转子抽芯时必须将转子抬起，杜绝定、转子铁芯相互磨擦。

③动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。

④电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。

4.由于长时间过载或过热运行，绕组绝缘老化加速，绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。

相应对策：

①尽量避免电动机过载运行。

②保证电动机洁净并通风散热良好。

③避免电动机频繁启动，必要时需对电机转子做动平衡试验。

5.电机绕组绝缘受机械振动（如启动时大电流冲击，所拖动设备振动，电机转子不平衡等）作用，使绕组出现匝间松弛、绝缘裂纹等不良现象，破坏效应不断积累，热胀冷缩使绕组受到磨擦，从而加速了绝缘老化，最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。

相应对策：

①尽可能避免频繁启动，特别是高压电机。

②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。

四、结束语

通过对三相异步电动机的原理了解和常见问题的分析，不断总结实践经验，对三相异步电动机的认识有了很大的提高。初步理顺了电动机的管理体制，建立了一套较规范的检修管理流程，使检修工作走上规范化管理道路。