鼠笼转子为什么没有绝缘
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上一期说了绝缘是电机的命脉，但鼠笼转子却没有绝缘。为什么没有绝缘？这会不会电死宝宝？会不会短路？会不会电流“乱窜”“费电”？本期老师就跟你说说这些事。
其实没有绝缘的不只是鼠笼异步电机的转子绕组，还有同步电机的阻尼绕组、单相罩极电机的短路环以及交流电磁铁、交流接触器、交流继电器上的短路环等等，这些绕组都有一个共同的特点，就是都是短路绕组。短路绕组为什么没有绝缘呢？通常的解释是因为电压很低，这是一个非常笼统和想当然的说法，并没有真正说清楚其中的主要原因和道理，所谓的电压很低指哪的电压低？低到多少？高到多少才要加绝缘？为什么在许多情况下电压更低同样需要绝缘？这些都没有说清楚。短路绕组没有绝缘的原因远不是一句电压很低那么简单，而是由自身的电路结构和工作原理所决定的，听老师慢慢给你讲。
短路绕组没有外接电源和外接负载的端口，即与外界没有任何直接的电连接关系。工作时其中的电流都是自身的感应电流，也就是说短路绕组中的电流是由穿过其线圈的磁通发生变化产生感应电势，由于线圈自身又是短路的，因此感应电势就在短路环中激励出感应电流，又由于短路环存在电阻和漏抗，电流在漏阻抗上就会产生压降，如图1所示。
图1 短路环中的感应电势和压降
设短路环的材质、形状、结构、是均匀对称的，则在短路环任意单位弧长上的漏阻抗即为常数（设为Z′）；任意单位弧长所产生的感应电势亦为常数（设为E′）。在一个弧长微元dl上产生的感应电势为dE=E′dl；在该弧长微元上产生的电压降为dU=I•Z′dl=U′dl（U′为单位弧长上的压降）。根据基尔霍夫第二定律∑E=∑U，即：
∮dE=∮dU
→∮E′dl=∮U′dl
→E′•C=U′•C （其中C为短路环的周长）
→E′=U′
短路环上任意两点a、b的电位差：
Uab=∫【a～b】E′dl- ∫【a～b】U′dl
=∫【a～b】(E′-U′)dl=0
以上推导可得出如下重要结论：在短路绕组中，任意单位弧长上的电压升等于电压降，短路环上任意两点间的电位差为0，即整个短路环上电位处处相等，是一个等电位体。
有了以上结论，我们再说为什么短路绕组上都没有绝缘。首先说绝缘的作用，什么时候需要绝缘，什么时候不需要绝缘。绝缘是用来将不同电位的带电体隔离开来的，如果两个（或两个以上）导体的电位不同，那么必须在他们之间加以绝缘；若一个导体或若干个导体电位处处相等，这就意味着即使用一根导线将任意两点短接起来，由于这两点的电位相同，短接线上也不会有电流。因此也就没必要将这两点绝缘开来。笼形转子是由多根导条通过两端环自行短接而成的多个短路环，首先每个槽内都只有一根导体，没必要有匝间绝缘。又由于各短路环上的电位处处相等，整个鼠笼都是一个等电位体，而且整个鼠笼与外接电路没有任何直接的电路连接关系，这个等电位体的电位高低并不影响电机的任何性能，我们就完全可以把它的电位置为0（与铁心等电位），这样与铁心之间也就没必要绝缘了，即对地绝缘也可不要。综上所述，任何短路绕组即不需要匝间绝缘又不需要对地绝缘。
接下来再说说宝宝们的一些疑惑：
1 为何绕线式异步电机转子绕组有绝缘。绕线式异步电机转子绕组通常是一套多匝的三相绕组，绕组的端头通过滑环碳刷装置与启动电阻或变频器等外电路装置相连接。既然对外有了电气接口，那这个端口必然要有电压，这样线圈中就不是一个等电位体，匝间就存在电压，因此就必须要有匝间绝缘；绕组不是一个等电位体，就不能将所有点的电位都置为一个相同的0电位，因此不能将所有导体都与铁心相联，也就是说必须有对地绝缘，既然是三相绕组，那么三相绕组之间也必然存在着电位差，因此相间绝缘也是必不可少的。当然可以将这种绕组的某一个点的电位置0，如中性点可以接地，但只能允许一个点接地，其它必须与地绝缘。在许多情况下，绕线式异步电机转子绕组在启动时外接电阻，以提高启动性能，启动结束后就会将转子绕组短路，一旦绕组自行短路，就成为一个等电位体，此时可以不用绝缘，但对于一台制造完成的电机，一旦有绝缘，不可能随着运行工况和运行状态的改变将绝缘去掉，也没有必要去掉绝缘，因此绕线式异步电机转子绕组必须要有绝缘。
2 关于安全问题。许多宝宝对绕组没有绝缘的第一反应就是会不会电死宝宝。我可以肯定一定以及确定地告诉宝宝们，绝对不会因为短路绕组没有绝缘而电死宝宝。第一在电机运行时，宝宝们是不可能用身体接触转子的，一旦你身体的任何部分接触转子，首先担心的不是会不会电死，而是会不会让高速旋转的转子带你飞到天堂的问题；当然这些还不是主要的，我们说第二，即使有胆大的米老鼠为了献身科学事业不顾一切地想回到它那个高速旋转的鼠笼中，也不会触电，因为那个等电位的鼠笼早已被铁心将电位拑于0，也就是说，鼠笼上的电位与机壳等电位，你摸鼠笼和摸机壳是一样一样的。
说到这，老师再说点题外的，说说同步发电机的事，在实际工程中经常会遇到发电机绕组的绝缘受潮或淋水，绝缘电阻很低，不能启动发电机组运行，需要把发电机烘干才可以安全启动运行，通常的方法是把发电机拆下来放到烘箱里烘干，也有的发电机里装有防冷凝的加热装置，这种加热装置虽然也可以开启对绕组进行加热，但从名称上就可知道，“防冷凝加热器”的作用是用来防止电机停机后出现冷凝水的，其加热功率很小，如果用它加热烘干电机需要很长的时间（通常要一天以上），还有聪明的宝宝用电吹风、电灯泡来烘烤，但都需要很长时间，甚至有时现场这些条件都没有，怎么办？老师免费教宝宝们一招，就是用短路的办法来自烘干。先将发电机的三相定子绕组短路，并将绕组与大地（机壳）短接起来，无论是高压发电机还是低压发电机，都可以这样先短路，注意短接线的截面不低于绕组导线截面，短接线可以是裸线；然后用一个它励直流电源（可用机组启动蓄电池）为发电机提供励磁；然后启动原动机，调节励磁电流使定子短路电流不超过额定电流为宜，这样转上个把小时；然后停机检测绕组绝缘电阻，那一定是杠杠滴！然后恢复原来的接线即可安全启动机组运行。这其中的原理就是我们前面说的，当绕组自行短路时，绕组就是一个等电位体，又由于把这个等电位的绕组与大地也短接起来，就把绕组的电位钳制在0伏，这样无论是匝间绝缘还是对地绝缘和相间绝缘两端都没有电压，不会承受电场强度，因此这样运行绝缘是绝对安全的，而且人身也是绝对安全的，你甚至可以用手直接去触摸绕组也不会触电（老师不在现场还是建议不要这样做），只有强大的电流在绕组中欢快地流动、发热，直到将自身烘干！齐活！这就相对于柴油机燃烧柴油把电机烘干。
3 没有绝缘会不会电流“乱窜”、会不会“费电”？这个问题是个好问题，但搞电的宝宝以后千万不要这么说，这么说的千万别说你认识老师，老师丢不起这个人！之所以把“乱窜”、“费电”用引号引起来，就是这种问法本身就很不专业！正确的问法应该是：绕组没有绝缘会不会通过铁心接触而在铁心中形成短路电流？进而增大损耗？这样问就显得你很专业！很有学问！
要解释这个问题，首先要看前面的图1和后面的假设，图1所画出的那个短路环是一个圆环，后面假设“短路环的材质、形状、结构、是均匀对称的，则在短路环任意单位弧长上的漏阻抗即为常数（设为Z′）；任意单位弧长所产生的感应电势亦为常数（设为E′）”。这说明接下来的一系列推导均是基于短路环任意单位弧长上的漏阻抗和感应电势为常数的情况下得出的结论。事实上如果短路环为匀质圆环，且圆环在磁场中所处的相对位置也是对称的，当穿过圆环的磁通发生变化时，圆环各处的感应电势都会相同，这样上面得出的“短路环是一个等电位体”的结论是没有任何问题的，此时用一根导线将任意两点连接起来，导线上都不会有电流，因此不存在铁心把鼠笼短接而在铁心中形成短路电流的问题。但在实际电机中，往往短路绕组并不是严格的匀质对称，例如异步电机的鼠笼转子，往往端环与导条的截面、形状都不一样，鼠笼绕组各处在磁场中所处的位置也并不严格对称，感应电势主要集中在导条上，端环上基本没有感应电势，再加之存在斜槽、转子槽数不能整除极数等等许多不匀质不对称的情况，所以运行时鼠笼绕组并不是严格的等电位体，某些局部的两点间可能会存在少许的电位差，因此可能在铁心中存在少许的附加电流，通常称其为横向电流，这些横向的附加电流会引起一些附加损耗（或称杂散损耗），电机的效率会受到一些影响。需要指出的是由于这些局部存在微小电位差和附加横向电流在量值上很小，不会导致人身和设备的安全问题，只是影响电机的效率和发热、温升等问题，为了减小横向电流和杂散损耗，鼠笼异步电机转子常采用一些特殊的工艺处理措施，如“脱壳”处理等工艺，以增大导条与铁心的接触电阻，减小横向电流，减小杂散损耗。
OK！本期的话题就说到这里，给宝宝们留个作业，这一期是瞎想系列的第九十九期，下一期瞎想将迎来第一百期，这是一个伟大的时刻，我想这第一百期的话题就不要再整些枯燥的天书类的东东，免得影响宝宝们的心情，应该整点轻松的，能看懂的。下期写点什么好呢？希望宝宝们帮我出出主意，有好的点子可在文后留言。本公众号号自2016年底注册以来，历经近一千个日日夜夜，期间共发表原创文章一百余篇，到目前宝宝数量达5300余人，衷心感谢宝宝们倾情陪伴！是你们的热情、信任、陪伴和鼓励给了我无穷的瞎想动力！今后本公众号还会一如既往地坚持原创！坚持免费为宝宝们分享各个方面的知识和快乐！也希望宝宝们继续一如既往地给予关注、扩散、支持！谢谢！
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