電動機知識講座

2024/5/101電動機知識講座主講人:

陳世欽2024/5/1022024/5/103電動機據(jù)說為意大利人阿拉格〔Arago〕實驗創(chuàng)造。如圖4--1所示將磁鐵依箭頭方向沿一塊可自由旋轉之圓銅板移動，因圓板切割從N到S流動之磁力線，圓板內(nèi)感應生電形成渦流，由于渦流與磁鐵與產(chǎn)生電磁力而使圓板旋轉，電動機就是利用這種原理經(jīng)過屢次的改進到現(xiàn)在的實際應用。電動機之原理2024/5/104感應電動機由定子引入電源，定子繞組通過電流后定子鐵心即因電磁感應作用產(chǎn)生旋轉磁場，此旋轉磁場穿過轉子線圈，轉子線圈便發(fā)生割切磁場之作用，因而在轉子線圈感應——副電流〔二次電流〕，此二次電流又產(chǎn)生——轉子磁場。轉子磁場與定子旋轉磁場相互作用即產(chǎn)生一使轉子轉動之力量，此力量便是一般所稱之轉矩〔Torque〕，使電動機繼續(xù)旋轉。2024/5/105由于感應電動機之轉子繞組不與電源相接，轉子發(fā)生電磁作用完全是以感應方式將定子繞組之電能感應過來，而感應電動機——亦即是采電磁感應之“感應〞而得。內(nèi)部磁場交變情形.gif磁力線變化.gif2024/5/106圖4--1旋轉方向磁場2024/5/107感應電動機的進步

第7圖為國內(nèi)某制造廠電動機重量的變動以百分率表示的一例。第8圖為表示其外型的比較，鑄鋁轉子的采用，由鑄鐵框架，且由A級絕緣變成E級絕緣，可知其重量已有大幅度的減輕。第9圖為表示歐洲某制造廠的一例，其傾向也很相似。圖七.doc圖九.doc圖八.doc2024/5/108為了簡單說明，舉個例單純以感應電動機尺寸變?yōu)?0%時，容量變?yōu)槿绾螜z討之。各局部的尺寸如變?yōu)?0%導線的尺寸也成90%，斷面積為0.922=81%，如電流密度之設計一定，電流那么必須減為81%，同樣的磁氣回路的斷面積也變?yōu)?1%，假設磁通密度不變，所經(jīng)過的磁通量變?yōu)?1%，端電壓也可當作81%，因此容量減少為電壓×電流的白分率1.812=65.6%，即如100KW的馬達各部尺寸縮減10%，那么容量減少為65KW。2024/5/109但重量方面，面積變?yōu)?.93=72.9%，假定各局部的材質不變更比重一定，重量那么減為73%，因此，重量只減為73%，但輸出已減為65%，此換言之，如機器的容量愈大，涉及單位重量的資料即減少，有關單位容量的價格就廉價了。此即為推廣單機大容量的理由。2024/5/1010電動機構造2024/5/1011依外殼、冷卻通風、保設方式之綜合分：2024/5/1012電動機之種類,依使用電源分:2024/5/1013依轉速分：定轉速馬達〔ConstantSpeedMotor〕馬達的轉速，不管在無載或全載下皆保持一定，唯一般無載時之轉速約略大于全載時之轉速，如泛用感應電動機。可調(diào)速馬達〔AdjustableSpeedMotor〕馬達之轉速可在一特定范圍內(nèi)漸次增減，而且一旦調(diào)于某一轉速后，那么不管負載變化否，接可保持在該調(diào)定之轉速下運轉。如分激式、復激式直流電動機及整流子電動機。多轉速馬達〔MultiSpeedMotor〕馬達為有階段性之多重轉速，一旦設定于某一轉速后，不論負載變化否，皆保持于約略相同之轉速。如變級馬達。變速馬達〔VaryingSpeedMotor〕馬達轉速隨負載而改變，通常是負載增加，轉速降低。如串激式直流電動機及轉矩馬達。2024/5/1014腳安裝型〔FootMounting〕凸緣型〔FlangeMounting〕埋入型〔BuiltIn〕依安裝構造分：2024/5/1015依軸向方式分：橫型〔HorizontalType〕豎立型〔VertictalType〕：軸向上、軸向下

2024/5/1016依外殼形式分：開放型〔OpenType〕：外型(含拖架與框架)有開孔，外氣空氣可通自由過內(nèi)部。全閉型〔EnclosedType〕：外型及軸承等均完全封閉內(nèi)外空氣不相通風之構造2024/5/1017

依冷卻通風方式分：自然冷卻型：利用馬達外殼自然散熱，無冷

卻裝置。自力通風型：由轉部本身之通風作用或在轉部另加風扇者。他力通風型：附加獨立之送風機做為通風冷卻者。2024/5/1018依環(huán)境保護方式分：a.無保護型：為開放型:機體上半部之開口，無特別保設之構造。b.半保護型：為開放型:機體上半部開口位加以保設者。c.保護型：為開放型:回轉部份輿導電局部不使異物輿之接觸，所有開口均以金屬網(wǎng)或其他之方法加以保護者。此等之開口應以12mmΦ之圓棒通不過之保護為原那么，但輿轉部及導電部離開100mm以上之開口部位，20mmΦ之圓棒應不能通過。2024/5/1019d.防滴型：為開放型。由垂直15O以內(nèi)滴落之水滴，不管是直接、沿外殼外表反彈而進入馬達內(nèi)部時，不能觸及鐵心及絕緣物。e.防沫型：為開放型。由垂直100O以內(nèi)落下之水滴及異物不直接沿機體外表或經(jīng)機體外表反彈而進入機體之內(nèi)部者。f.防水型：為防滴型或防沫型。馬達內(nèi)部一時浸水至軸之下方，仍可使用而不造成故障者。依環(huán)境保護方式分：2024/5/1020g.保護防滴型：為開放型。具有保護型及防滴

型兩重功能者。

大多數(shù)半封閉三相IM皆屬此型。

h.

防塵型：

為全閉型。塵埃、異物不能

侵入馬達內(nèi)部。防水型：

為全閉型。由電動機各個不

同方向以內(nèi)徑25mmΦ之噴

水，水頭水壓10M以上距離

馬達3M，總噴水時間

5Min，拆開馬達，內(nèi)部不

得有水浸入。j.全閉水中型：在規(guī)定時間、規(guī)定壓力，可在

水中連續(xù)使用且不故障者。依環(huán)境保護方式分:2024/5/1021依環(huán)境保護方式分:k.防蝕型：在指定之腐蝕性酸、堿或有害氣體存在之場所可連續(xù)使用而不故障者?？煞譃槿悺?～3級。l.防暴型：馬達使用在有爆炸性物質之場所，馬達故障時產(chǎn)生之火花不致引起外部爆炸性物質著火或爆炸者。有耐壓防暴型、內(nèi)壓防暴型、油中防暴型、微隙防暴型、平安增防暴型及特殊防暴型。m.屋外型：馬達置在屋外〔露天場所〕可連續(xù)使用而不故障者。2024/5/1022感應電動機之絕緣與溫升電動機之絕緣〔Insulation〕絕緣物之壽命因，故絕緣材料有其最高容許溫度之限制。JIS規(guī)格中絕緣等級〔InsulationClass〕有如下之分類：Y級:以木棉、絹、紙等植物纖維所構成，最高容許溫度90C，目前已淘汰。A級：以Y級之材料浸以凡立水或油，最高容許溫度105℃。于1965年已將低壓三相鼠籠式電動機由此種最普遍之馬達絕緣改成E級。2024/5/1023E級：以樹脂〔EpoxyResin〕材料含浸凡立水可耐120℃，為目前最廣用之絕緣材料。B級：以云母、石棉、玻璃纖維等與接著材料共同使用所構成的材料制成。最近馬達為適應耐高溫場所及縮小體積已漸被應用，可耐130℃。F級：同B級材料與矽樹脂等接著劑構成，可耐155℃，在指定耐高溫之場所已漸采用。2024/5/1024H級：以云母、石棉、玻璃纖維等與硅樹脂或等同性質的接著劑共同構成，膠狀或固體狀的硅樹脂單獨使用，可耐

180℃，與F級同漸被采用。C級：以生云母、石棉、磁器等單獨使用或與接著劑共同使用，可耐180℃

以上，目前少用。2024/5/1025低壓感應電動機絕緣2024/5/10262024/5/1027低壓三相鼠籠式感應電動機之噪音基準〔單位唪〕注：1．〔1〕表為JEM-R2066-1972噪音基準2．表內(nèi)數(shù)值容許誤差+3Phon3．表內(nèi)數(shù)值參考IEC、NEMA、VDE之規(guī)格為無負荷噪音。4．特殊規(guī)格馬達或特殊規(guī)格電源時不適用本表。5.(2)表NEMA之規(guī)定(單位:dp)2024/5/1028表一2024/5/1029噪音〔Noise〕

一般泛用三相鼠籠式感應電動機之無負荷時噪音JEM及NEMA有如下表之基準：表二2024/5/1030電動機之振動與噪音2024/5/10312024/5/10322024/5/1033根底計算公式1．1KW之意義為102kg重之物體在1秒鐘舉起至1M高度所需之“力〞。1HP〔英、美制稱戶〕為將76kg重之物體在1秒鐘舉起至1M高度所需之“力〞。1PS為將75kg重之物體在1秒鐘舉起至1M高度所需之“力〞。1HP=746W≈0.75KW1KW≈1.36PS1PS=736W1KW≈4/3HP1KW≈1000W2024/5/1034

2024/5/10352024/5/10362024/5/10372024/5/10382024/5/1039

同步轉速之計算

2024/5/1040各種級數(shù)與頻率之同步轉速2024/5/1041電源電壓與周率變化對感應電動機特性之影響2024/5/1042電氣絕緣的熱劣化絕緣物的實用耐熱壽命，依其機器之運轉時間及其使用期間之負載程度而定。平常運轉或過載運載，雖決定其絕緣壽命，而運轉、停止反覆繼續(xù)使用及負載變動之要素特別重要。絕緣材料每溫度升高10℃，其耐熱壽命減半，即稱為10℃半那么〔10degreerule〕。2024/5/1043引起絕緣破壞有以下諸因素：⑴卷線與其相接局部之膨脹、收縮而引

起的相對的移動時發(fā)生的機械應力，因而引起卷線絕緣劣化，其壽命那么短。⑵機械振動及沖擊，而破壞絕緣。⑶周圍污染空氣及濕氣影響劣化。⑷電氣的應力〔特別是電暈corona〕。⑸其他偶發(fā)因素。2024/5/1044水分隊絕緣的影響水分及濕度對絕緣材料的特性有重大的影響，多孔質的固體材料容易吸收水分，而使其絕緣電阻降低，外表潮濕的材料有大的導電性。多孔性絕緣物的水分吸收速度及水分保有特性與材料的多孔度有關。在100%相對濕度下測定絕緣的靜電容量增加為枯燥時的2倍，功率近于100%，但絕緣電阻的值可能也會降至百分之一。一般吸水性大的多孔質材料的外表容易潮濕，平滑外表者因富有排2024/5/1045排水性，故其外表電阻不易下降。如矽質重合體富有排水性，其外表不易受潮，用于溫度高的場所甚佳。依絕緣體外表的狀態(tài)受付著水分的影響而有很大的差異，即外表有塵埃或其他雜質的存在，尤其是附有汗?jié)n者，極易受潮，那么絕緣體外表具有導電性，致使絕緣電阻值降低，因此絕緣物應予以被覆加工〔Coating〕處理，使外表光滑，到達受水分與濕度的影響至最小限。2024/5/1046

電動機之轉矩特性

電動機自開始轉動(稱起動)起,使負載機械加速,乃至定常運轉為止之速度及轉矩之關系入圖1-1所示。而此圖被稱之為速度—轉矩曲線(S-TCurve)。2024/5/10472024/5/1048(1)最小起動轉矩(LockedRotorTorque)

在額定電壓、頻率之基準下,電動機之轉部行將開始時所產(chǎn)生之轉矩。依轉部之構造,其大小有所不同(請參看圖1-2)

2024/5/10492024/5/1050(2)拉升轉矩(PullupTorque)

電動機于自零速度起到相當于制動轉矩速度之間

所發(fā)生之最小值。一般為起動轉矩之80%左右。(3)制動轉矩(BreakdownTorque)

將電動機之負載逐漸增加時,其轉差率(Slip)會增

大終至停止轉動。此乃指電動機之已到耐不住帶

動當時之負荷所致,而此停止轉動瞬間前之轉矩

之值稱之為制動轉矩(最大轉矩)。2024/5/10512024/5/1052【例題】額定出力3.7KW、額定回轉速

1750rpm之電動機之額定轉矩為多少?【答】由式(1-1)

2024/5/10531-3負載之轉矩特性為了使所有之機械連續(xù)運轉,必須給予某種程度之轉矩。為了使此機械轉動所必要之轉矩即為電動機之負載轉矩(或為對抗轉矩)。電動機與負載轉矩之關系如圖1-3所視。T為電動機之轉矩特性,Te,T’e為某負載之轉矩曲線。2024/5/10542024/5/1055

在零速度因T>Te而開始回轉,并以T>Te之范圍加速之,且在T=Te之點P2做定常運轉。亦即點P2為安定之平衡點。在點P2時,即使以任何之原因致速度上升時,亦因Te較T為大而使速度下降,結果回復到P2之平衡點。相反地,速度下降時,造成T>Te而加速,并拉回至點P2。其次點P1時,一旦速度上升時,由于T>T’e,故會加速而速度逐漸上升,相反地,速度下降時終至最后之停止轉動。此種現(xiàn)象點P1即為不安定之平衡點,且使之連續(xù)安定之運轉是不可能的。2024/5/1056

速度0~Nm之領域,僅為加速時通過之用,電動機轉矩與負載轉矩不得相交始可。

因此,對于負載機械之起動時之轉矩特性做好充分之理解是非常之重要。

圖1-4所示為代表性負載機械之起動時轉矩特性,而表1-3、表1-4所示為負載別分類例。2024/5/10572024/5/10582024/5/10592024/5/10602024/5/1061出力額定之選擇方法2-1標準出力電動機之出力必須配合負載機械之所要動力者加以選定始可。出力之選定如果過大時，須采用價昂之大馬力電動機，然后其效率及功因變差而不經(jīng)濟。又，相反地作過小之選定時，會造成起動不良，且由于以連續(xù)不停地超載運轉，乃造成故障之原因。一般之負載，如將電源電壓之變動等亦考慮進去，而以電動機出力之75%～100%程度為選定目標可說是恰當之值吧。電動機之出力，其標準值如表2-1之所示者，故盡可能采用標準出力極為重要。2024/5/10622024/5/10632-2電動機之使用及額定對于電動機之使用方法，在JISC4004「回轉電氣機械通那么」有如表2-2之規(guī)定。2024/5/10642-3出力之決定方法⑴連續(xù)使用實質上在一定之負載下，電動機之溫升達穩(wěn)定之時間以上做連續(xù)運轉之使用謂之連續(xù)使用，而連續(xù)額定之電動機均適用于如此之使用。預估負載機械之效率之誤差、裕，以所需動力追加5～15%左右之值，從標準出力中選定之。標準大同馬達為連續(xù)額定。2024/5/1065⑵短時間使用實質上在一定之負載下，于電動機之溫升未達最終穩(wěn)定值之指定時間做連續(xù)運轉之后，將電動機停止，至下一次之起動時，電動機之溫升須降至與周圍溫度之相差至2℃以內(nèi)之使用謂之短時間使用，而短時間額定之電動機均適用于如此之使用。