一台来自美国的设备已在您的车间运行多年。现在驱动电机坏了。铭牌上标的是“5 HP”而不是kW，还有“FRAME 184T”、“460 V, 60 Hz”、“SF 1.15”和“TEFC”。电工看着铭牌问道：“我们直接装一台4 kW的标准电机不行吗？”
简短的回答是：有时可以，但没那么简单。符合美国标准的NEMA电机和符合国际标准的IEC电机，在机座尺寸、轴尺寸、功率等级、电网频率以及防护和能效的标注方式上都有差异。忽视这些差异，最后得到的电机可能装不上底座，或者功率不够。
本文讲解NEMA电机与IEC电机之间最重要的区别，并说明如何安全地更换设备上的美国电机。
安全提示：电气设备和电机接线作业只能由电气专业人员进行，参照德国法定事故保险规程第3号（DGUV Vorschrift 3）和DIN VDE 0105-100的规定。制造商说明和设备文档优先。
两套标准体系：NEMA MG 1与IEC 60034
NEMA是美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association）的缩写。其标准NEMA MG 1规定了电机的机座尺寸、安装尺寸和性能数据等。在欧洲和其他大多数国家，适用的是IEC标准：IEC 60034系列规定旋转电机的电气特性，IEC 60072-1规定机座尺寸和安装尺寸。
两套体系各自都是自洽的，但彼此并不协调。因此，功率相近的NEMA电机和IEC电机几乎从来不能直接互换。
机座尺寸：Frame编号与以毫米计的中心高
IEC电机的机座号等于以毫米计的中心高：机座号112的中心高为112 mm，后面加一个表示机壳长度的字母（S、M、L）。NEMA电机的Frame编号则以英寸为单位编码尺寸。对于三位数的Frame，前两位数字除以4即为以英寸计的中心高。虚构计算示例：Frame 184T的中心高为18 / 4 = 4.5英寸，即114.3 mm。字母T表示目前通用的尺寸系列，附加字母C则表示例如带安装法兰（“C-Face”）。
| NEMA Frame | 中心高 | 轴径 | 最接近的IEC机座号 | IEC中心高 | IEC轴径 |
|---|---|---|---|---|---|
| 56 | 3.5英寸（88.9 mm） | 5/8英寸（15.9 mm） | 90 | 90 mm | 24 mm |
| 143T / 145T | 3.5英寸（88.9 mm） | 7/8英寸（22.2 mm） | 90 S/L | 90 mm | 24 mm |
| 182T / 184T | 4.5英寸（114.3 mm） | 1 1/8英寸（28.6 mm） | 112 M | 112 mm | 28 mm |
| 213T / 215T | 5.25英寸（133.4 mm） | 1 3/8英寸（34.9 mm） | 132 S/M | 132 mm | 38 mm |
| 254T / 256T | 6.25英寸（158.8 mm） | 1 5/8英寸（41.3 mm） | 160 M/L | 160 mm | 42 mm |
这张表说明了根本问题：中心高很接近，但并不相同。轴径、平键、底脚孔距和法兰尺寸也各不相同。表中的对应关系只是按中心高给出的参考，并不保证电机能装上。某一功率对应哪个IEC机座号，请查阅相应制造商的产品目录。
法兰与螺纹
NEMA C-Face法兰带螺纹孔，原理上类似IEC的B14法兰。此外还有带通孔的NEMA D法兰，原理上类似B5。但尺寸不同。另外，固定件和接线盒上用的是英制螺纹：美国电机通常带有符合NPT标准的管螺纹接口，而欧洲电机采用M20或M25等公制电缆密封接头。
60 Hz与50 Hz：转速与功率
美国的电网频率为60 Hz，欧洲为50 Hz。三相电机的同步转速由n = 120 · f / p（p = 极数）得出。四极电机在60 Hz时的同步转速为1800 min⁻¹，在50 Hz时为1500 min⁻¹。由于转差，额定转速都会略低于同步转速。
60 Hz电机接在50 Hz电网上运行时，转速会下降六分之一。在扭矩相同的情况下，输出功率也大致按相同比例下降。同时，电压必须与频率成相应比例，否则电机会过励磁并发热。此外，风扇转速变慢，冷却效果也会变差。60 Hz电机能否在50 Hz下运行，由铭牌或制造商决定。有些美国电机明确按50 Hz和60 Hz设计，铭牌上标有两组数据。
反过来也一样：如果您的设备在美国是按60 Hz设计的，而在欧洲接50 Hz运行，那么工艺速度可能早已比原设计慢了。新电机应提供实际需要的转速，而不是旧铭牌上的转速。
电压与功率：HP、kW及其间的等级
美国工业电机的典型电网电压为60 Hz下的230 V和460 V，许多电机可通过改接线在两者间切换（230/460 V）。在加拿大，575 V也很普遍。欧洲低压电机大多按50 Hz下的230/400 V或400/690 V设计，采用三角形或星形接法。
NEMA以马力（HP）标注功率，IEC则以kW标注。换算关系为：1 HP = 0.746 kW。虚构计算示例：一台10 HP电机相当于7.46 kW，最接近的IEC标准功率为7.5 kW。5 HP（3.73 kW）时，最接近的IEC等级为4 kW。可见两套功率系列并不完全对应。请务必核实最接近的IEC等级是否真能满足要求。
使用系数：隐藏的余量
许多NEMA电机标有使用系数（Service Factor），例如SF 1.15。它表示电机在NEMA MG 1规定的条件下，即在额定电压和额定频率下，可以长期以1.15倍额定功率运行，但温升更高。而IEC电机是通过额定功率和IEC 60034-1规定的工作制来描述的，例如连续工作制S1。IEC体系中通常没有使用系数。
对更换而言，这意味着：如果旧电机长期在使用系数范围内运行，那么额定功率相同的IEC电机可能不够用。如有疑问，请测量运行中的实际电流，并选择能可靠覆盖这一工作点的IEC功率。
防护形式：TEFC和ODP与IP等级
美国电机通常按其机壳和冷却方式来命名：
- ODP （Open Drip-Proof）：开启式防滴电机，冷却空气流经电机内部。
- TEFC （Totally Enclosed Fan-Cooled）：全封闭外扇冷电机。
- TENV （Totally Enclosed Non-Ventilated）：全封闭，无风扇。
- TEAO （Totally Enclosed Air-Over）：全封闭，由外部气流冷却，例如用于风机中。
IEC电机按IEC 60034-5以IP代码标注防护等级，该代码基于IEC 60529的IP体系，例如IP55。实践中，TEFC电机通常相当于IP54或IP55左右的防护等级，ODP电机则更接近IP23这样的低防护等级。但两者之间没有官方的一一对应关系。关键是您的使用环境要求哪种防护等级。
不要混淆：NEMA 250规定的Type 1、Type 4X或Type 12等NEMA外壳类型，适用于电控柜和接线盒等电气外壳，而不是电机结构形式。它们同样无法精确换算成IP代码。
能效：NEMA Premium与IE等级
IEC 60034-30-1将电网供电电机划分为IE1到IE4的能效等级。在美国，NEMA Premium这一名称很普遍。对许多功率而言，其能效水平大致相当于IE3等级。但数值是按不同方法、在60 Hz下测定的，因此不能一一对比。
对在欧盟的更换而言很重要：生态设计法规（EU）2019/1781对在欧盟投放市场的许多三相电机规定了最低能效等级，0.75 kW以上的大部分功率至少为IE3，部分较大功率为IE4。新采购的替换电机通常必须满足这些要求。存在例外情况，但应经过核实并形成文档。同样重要的是CE标志，并非每台为美国市场制造的电机都带有该标志。
三种更换途径
- 相同的NEMA电机： 机械上最简单。但请核查电网频率、电压、能效等级以及在欧盟运行所需的CE标志。
- 改装IEC电机： 通过转接板、改造底座、轴套或新的联轴器半体安装IEC标准电机。这往往是长远的解决方案，因为以后更换会更容易。但改装必须设计规范、对中准确。
- NEMA尺寸的50 Hz电机： 有些电机采用NEMA结构并带50 Hz数据。这样可以省去机械改动，但供货情况因机座尺寸而异。
如果电机由变频器驱动，转速差异可以通过电气方式补偿。但机械尺寸、防护等级和能效仍需考虑。
更换时应提供哪些信息
- 完整铭牌的照片
- 制造商、型号或目录号、序列号
- 以HP计的功率、电压、频率、额定电流（FLA）、转速
- 包括字母在内的Frame编号，例如184TC
- 使用系数、机壳类型（TEFC、ODP……）、绝缘等级
- 结构形式：底脚、C-Face或D法兰，轴尺寸和平键
- 设备信息：使用地的电网、是否由变频器驱动、所需转速
关于完整询价的更多信息，请参阅 备件询价清单。更换后如何按新的额定电流正确设定电机保护，请参阅文章 如何正确设定电动机保护断路器。关于欧洲工厂中美国组件的背景，请参阅 为什么美国自动化零部件主导欧洲市场.
美国电机难以采购时
NEMA电机及其备件在欧洲并不总能短期买到。KTB Europe是一家来自汉堡的家族企业，自1976年起在全球采购各品牌工业备件，也包括来自美国市场的产品。您可以把铭牌照片、零件号或描述发给我们。我们会寻找原装电机或合适的替代品，并在自有中央仓库检验货物。详情请见 MRO采购 和 停产零部件的页面。如需询价，请访问 联系页面.
结语
NEMA和IEC是两个各自独立的体系。Frame编号以英寸编码尺寸，IEC机座号则以毫米表示。60 Hz电机在50 Hz下运行更慢，输出功率也更低。使用系数、机壳类型和能效等级只能近似换算。因此，更换美国电机时，应完整记录铭牌数据，了解实际工作点，并有意识地在相同的NEMA电机和改装的IEC电机之间做出选择。
常见问题
NEMA电机和IEC电机有什么区别？
NEMA电机遵循美国标准NEMA MG 1，采用Frame编号、英制尺寸和以HP计的功率，大多用于60 Hz。IEC电机遵循IEC 60034和IEC 60072-1系列标准，中心高以毫米计，功率以kW计。因此机座尺寸、轴、法兰和功率等级不能直接对应。
60 Hz电机可以在50 Hz电网上运行吗？
技术上往往可行，但必须经铭牌或制造商确认。转速会下降六分之一，在扭矩相同时功率也相应下降。电压和频率必须成相应比例，否则电机会过励磁并发热。
NEMA电机上的使用系数1.15是什么意思？
使用系数1.15表示电机在额定电压和额定频率下，可以长期以1.15倍额定功率运行，但温升更高。IEC电机没有使用系数。如果旧电机曾在这一范围内运行，IEC替换电机应相应选大一些。
TEFC电机相当于哪种IP防护等级？
两者之间没有官方的对应关系。TEFC表示全封闭外扇冷电机，实践中通常相当于IEC 60034-5规定的IP54或IP55左右的防护等级。更换时的决定因素是安装位置的环境要求哪种防护等级。
NEMA Premium相当于IE3能效等级吗？
对许多功率而言，NEMA Premium的能效水平大致相当于IEC 60034-30-1规定的IE3。但这些数值是在60 Hz下按各自的方法测定的。对于在欧盟使用的替换电机，适用的是法规（EU）2019/1781的要求。