單相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1、第一章 單相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理一 基本結(jié)構(gòu)與分類 單相異步電動機(jī)只需單相交流電源供電，因而應(yīng)用非常廣泛。如，小型機(jī)床、輕工設(shè)備、醫(yī)療機(jī)械、家用電器、電動工具、農(nóng)用水泵、儀器儀表等眾多領(lǐng)域。 優(yōu)點：使用方便、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、價格低廉、維護(hù)方便等等，與三相異步電機(jī)相比，缺點為體積稍大、性能稍差。單相異步電動機(jī)的基本類型 單相異步電動機(jī)根據(jù)起動方法或運行方式的不同，可以分為以下幾類單相電阻起動異步電動機(jī)單相電容起動異步電動機(jī) 單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)單相電容起動和運轉(zhuǎn)異步電動機(jī) 單相罩極式異步電動機(jī) 基本結(jié)構(gòu) 單相異步電動機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子由繞組和鐵心組成。鐵心一般由0.5mm

2、的硅鋼片疊壓而成。繞組分為主繞組和副繞組，主繞組又稱工作繞組，副繞組又稱起動繞組或輔助繞組。 單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也由鐵心和繞組組成。其中鐵心也由0.5mm的硅鋼片疊壓而成，繞組常為鑄鋁籠型。二 單相異步電動機(jī)的工作原理 最簡單的二相定子繞組如下所示，在繞組中通過的二相 對稱電流的變化規(guī)律為 二相電流隨時間變化的曲線如下圖所示 兩極旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的示意圖如下所示 cosmmiItcos(90 )amiIt由上述分析可以得出以下結(jié)論：I. 一組空間分布相差90電角度的二相繞組在通以二相對稱交流電時，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場II. 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與兩相繞組在空間的位置和繞組中的電流相序有關(guān)III. 旋轉(zhuǎn)磁場的

3、轉(zhuǎn)速與電流的頻率有一定的關(guān)系 其中同步轉(zhuǎn)速為 工作原理如下方框圖所示 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子繞組電勢轉(zhuǎn)子繞組電流電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 廣泛使用的單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)和單相電容起動和運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)如下圖所示第二章 單相異步電動機(jī)的繞組與磁勢一 繞組磁勢 單相異步電動機(jī)的繞組按層數(shù)分為單層、雙層；按端接分為單層同心式、單層交叉式、單層鏈?zhǔn)胶碗p層疊繞組；按槽內(nèi)導(dǎo)體分布分為幾種繞組、分布繞組和正弦繞組等。 單層同心式繞組例2-1 已知定子槽數(shù)Q1=24，極數(shù)p=4，畫出單層同心式繞組展開圖。解 極距 槽距角 主繞組占2/3，等于4個槽，120相帶。副繞組占1/3,等于2個槽，為60相帶，兩繞組相距3個槽，即90電

4、角度。12464Qp1803024p該單層同心式繞組的展開圖如下所示 對于電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)，主副繞組都長期工作，故通常兩繞組所占槽數(shù)相等。例2-2 已知定子槽數(shù)Q1=16，極數(shù)p=2，畫出單層同心式繞組展開圖。 解 極距11682Qp 槽距角 主繞組占1/2,即4個槽，即90相帶，副繞組占1/2,即4個槽，即90相帶。兩相繞組軸線相距4個槽，即90電角度。該單層同心式繞組展開圖如下所示 118022.5pQ 單層鏈?zhǔn)嚼@組 可以根據(jù)例2-1繞組的數(shù)據(jù)畫制繞組展開圖。其中定子槽數(shù)Q1=24，極數(shù)p=4。單層鏈?zhǔn)饺唤M的線圈形式有如鏈型，這種繞組的節(jié)距必須為奇數(shù)。如下圖所示的單層鏈?zhǔn)嚼@組展開圖Y=5

5、。 單層交叉式繞組 同樣可以根據(jù)上述單相同心式繞組的數(shù)據(jù)畫出繞組展開圖，聯(lián)成的單層交叉式繞組如下圖所示。單層交叉式繞組的兩線圈端部叉開朝不同方向排列，這種繞組的節(jié)距為偶數(shù)，下圖所示Y=6。 雙層疊繞組 雙層疊繞組是把定子每個槽分為上、下兩層，上層嵌放在一個線圈的圈邊，下層嵌放在另一個線圈的圈邊。例 2-3 一臺300mm臺扇，定子槽數(shù)Q1=8,轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2=17，極數(shù)p=4，畫出雙層疊繞組展開圖。解 極距 槽距角 主繞組占1/2,即1個槽，90相帶，副繞組占1/2,即1個槽，90相帶。這樣可以聯(lián)成雙層繞組，取線圈的節(jié)距為整距y=2，如下圖所示 1824Qp118090pQ 如果短距設(shè)計得當(dāng)，可

6、以削弱諧波磁勢，改善磁勢波形。例如：一臺定子槽數(shù)Q1=12，極數(shù)p=2，采用縮短1/3極距的短距繞組，即取線圈節(jié)距y=4，畫制雙層短距繞組展開圖如下所示二 單相繞組磁勢 單相繞組通以交流電流，產(chǎn)生脈振磁勢 其中正向旋轉(zhuǎn)磁勢和反向旋轉(zhuǎn)磁勢分別為 如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，對應(yīng)正序轉(zhuǎn)矩T+的轉(zhuǎn)差率為 而對應(yīng)負(fù)序轉(zhuǎn)矩T-的轉(zhuǎn)差率為 ( , )Fcos coscos()cos()22FFf x txtxtxt( , )cos()2Ffx txt( , )cos()2Ffx txt11nnssn112nnssn 正序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著正序旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場

7、方向旋轉(zhuǎn)，正負(fù)序轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如下圖所示 單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率密度比三相異步電動機(jī)低的主要原因是存在負(fù)序磁場。三 兩相繞組的磁勢 兩相繞組通以兩相交流電流，下圖為起動繞組回路串入電容的單相異步電動機(jī)原理圖即兩相繞組通入電流和外施電壓的向量關(guān)系。 其中，主繞組磁勢F cos(90)cos()cos() (90)cos() (90)22mmmmfxtFFxtxt 副繞組磁勢 電機(jī)內(nèi)的合成磁勢 合成磁勢的性質(zhì)可以分下面四種情況討論。 兩個繞組的磁勢大小相等，相位角為90，即 于是有 因此，合成磁勢為 因此，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的是一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。 F cos coscos()co

8、s()22aaaaFFfxtxtxtamfff,90maFFFcos()cos()22aFFfxtxtcos()cos()22mFFfxtxtcos()amfffFxt兩個繞組產(chǎn)生的磁勢大小不等，但相位角仍為90，即 于是有 因此，合成磁勢為 此時，電機(jī)內(nèi)部存在著兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。這兩個幅值不同的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的軌跡為一橢圓，如下圖所示，因此這是一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。 ,90maFFcos()cos()22aaaFFfxtxtcos()cos()22mmmFFfxtxtcos()cos()amfffFxtFxt 應(yīng)用上面同樣的方法對其余的兩種情況進(jìn)行分析 在這兩種情況下，電機(jī)內(nèi)部的磁勢均為橢圓形旋

9、轉(zhuǎn)磁勢。 ,90maFFF,90maFF四 單相異步電動機(jī)的諧波磁勢 單相繞組的諧波磁勢 對單相繞組的磁勢進(jìn)行諧波分析，可以得到如下結(jié)論:a)單相繞組磁勢可以分解為基波和一系列高次諧波。b) 由于諧波的極數(shù)為基波的 倍，如果令 表示基波磁勢的極距， 表示諧波極距，則c) 在坐標(biāo)原點x=0處，如果基波為正值，3次諧波便為負(fù)值， 5次諧波又為正值，7次諧波又為負(fù)值等等。如下圖所示 111, pp 基于上述基本概念，當(dāng)副繞組通入電流 時，副繞組的磁勢方程式為 主繞組軸線在空間上落后于副繞組軸線90電角度，且主繞組電流在時間上落后于副繞組電流 電角度，故主繞組磁勢方程式為 兩相繞組的諧波磁勢 兩相繞組

10、對稱運行時的諧波磁勢 兩相繞組對稱運行時，電流之間的相位差為90。主副繞組各次諧波的幅值相等，此時各次諧波合成情況如下 2cosaaiIt1357( , )coscos3cos5cos7cosaaaaafx tFxFxFxFxt1357( , ) cos(90 )cos3(90 )cos5(90 )cos7(90 )cos()mmmmmfx tFxFxFxFxt基波 總的合成基波磁勢為 合成基波磁勢為一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，轉(zhuǎn)速為 三次諧波 總的3次諧波合成磁勢為 1111( , )cos coscos()cos()2afx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )

11、cos()cos()2mfx tFxtFxtxt1111( , )cos()amf xtffFxt1120( / min)fnrp3331( , )cos3 coscos(3) cos(3)2afx tFxtFxtxt3331( , )cos3(90 )cos(90 ) cos(3)cos(3)2mFx tFxtFxtxt 即3次諧波合成磁勢是一個反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，其轉(zhuǎn)速為 5次諧波 5次諧波合成磁勢為 5次諧波合成磁勢是一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，其轉(zhuǎn)速為 根據(jù)同樣的方法，可以得到，在對稱運行時，兩相繞組產(chǎn)生的諧波磁勢次數(shù)可用下式表示即 3333( , )cos(3)amf x tffFx

12、t3113nn 5551( , )cos5 coscos(5)cos(5)2afx tFxtFxtxt5551( , )cos5(90 )cos(90 )cos(5)cos(5)2mfx tFxtFxtxt5555( , )cos(5)amf x tffFxt5115nn41(0, 1, 2, 3,)kk 當(dāng)次數(shù)為負(fù)號時，表示該次諧波合成磁勢反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)次數(shù)為正號時，表示該次諧波合成磁勢正方向旋轉(zhuǎn)。諧波磁勢的轉(zhuǎn)速為 其中n1是基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。 兩相繞組不對稱運行時的諧波磁勢 兩相繞組不對稱運行時的合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。取諧波磁勢的幅值不等，但所得結(jié)論能適用其他情況。 基波 兩相合

13、成的基波磁勢為11nn1111( , )coscoscos()cos()2aaafx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )cos() cos()2mmmfx tFxtFxtxt1111111( , )( , )( , )11()cos()()cos()22amamamf x tfx tfx tFFxtFFxt 基波合成磁勢中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，且轉(zhuǎn)速為基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1。 3次諧波 3次諧波的合成磁勢為 在合成磁勢中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，且正反向的轉(zhuǎn)速均為基波同步轉(zhuǎn)速的1/3。 3331(

14、 , )cos3 coscos(3)cos(3)2aaafx tFxtFxtxt3331( , )cos3(90 )cos(90 ) cos(3)cos(3)2mmmfx tFxtFxtxt3333333( , )( , )( , )11()cos(3)()cos(3)22amamamfx tfx tfx tFFxtFFxt 用同樣的方法，可以對任意次諧波進(jìn)行分析可得，在不對稱運行時，兩相繞組所產(chǎn)生每一次諧波磁勢都包含兩個分量。因此，不對稱運行時的諧波磁勢分量要比對稱運行時多一倍。其諧波次數(shù)可用下式表示 由于絕大多數(shù)情況下，單相異步電動機(jī)的兩相繞組總是不對稱的，諧波分量比較多，所以諧波對單相異

15、步電動機(jī)的影響要比對三相異步電動機(jī)嚴(yán)重得多。 諧波磁場對電機(jī)性能的影響主要表現(xiàn)在下面三個方面：I.使電機(jī)的附加損耗增加；II.引起電機(jī)振動，并產(chǎn)生噪聲；III.產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的起動發(fā)生困難。 為了削弱諧波磁場，常用的有效措施就是定子采用正弦繞組及轉(zhuǎn)子采用斜槽等等。 (41)(0,1,2,3,)kk 五 正弦繞組 組成每相繞組的各個線圈的匝數(shù)不相等，每相繞組的導(dǎo)體在空間按余弦規(guī)律分布，使其產(chǎn)生的磁勢在空間的分布盡可能是一個正弦波。如下圖所示 依全電流定律，略去鐵中磁阻，這些磁勢應(yīng)消耗在兩個空氣 隙上，故作用在每個氣隙上的磁勢為00( )( )2( )xxfxA x dxIn x dx例2-

16、4 每極槽數(shù)9槽，如下圖所示。槽距角為20，求正弦繞組的構(gòu)成。 解 計算每個線圈邊離坐標(biāo)原點的空間電角度及其余弦值11223344112010 ,cos0.98522332030 ,cos0.86622552050 ,cos0.64322772070 ,cos0.34222每極線圈邊余弦值的總和為 0.985+0.866+0.643+0.342=2.836每個線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)為 取單相電容異步電動機(jī)Q1=36，p=4，每極串聯(lián)匝數(shù)為96匝，則Qp=9，槽距角20，于是0.98519100%34.6%2.8360.86628100%30.6%2.8360.64337100%22.7%

17、2.8360.34246100%12.1%2.836線圈占線圈占線圈占線圈占1 996 34.6%33.2332 896 30.6%29.43 796 22.7%21.8224 696 12.1% 11.612線圈：，取 匝線圈：，取29匝線圈：，取匝線圈：，取 匝例2-5 每極槽數(shù)9槽，如下圖所示。槽距角為20，1槽和10槽為共槽線圈，求正弦繞組的構(gòu)成。 解 計算每個線圈邊離坐標(biāo)原點的空間電角度及其余弦值 每極線圈邊余弦值的總和為 0.5+0.9397+0.766+0.5=2.706 每個線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)11223344100 ,cos0.52120 ,cos0.9397240

18、,cos0.766360 ,cos0.50.5110100%18.5%2.7060.939729100%34.7%2.7060.76638100%28.3%2.7060.547100%18.5%2.706線圈占線圈占線圈占線圈占 取單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)Q1=18,p=2,每極串聯(lián)匝數(shù)為40匝，于是得其正弦繞組的每線圈匝數(shù)1 10400 18.5%74742 9400 34.7% 138.81393 8400 28.3% 113.21134 7400 18.5%7474線圈：，取 匝線圈：，取匝線圈：，取匝線圈：，取 匝六 正弦繞組的繞組系數(shù) 繞組系數(shù)是表示繞組性能的重要參數(shù)。在計算正弦繞組的繞組系數(shù)時，應(yīng)注意下面兩個問題。一 正弦繞組都采用同心式繞組，這些線圈的短距系數(shù)各不相等，但所有線圈的中心線都重合在一起，正弦繞組的分布系數(shù)等于1.二短距系數(shù)的定義及計算公式為 下面以例2-4為例說明正弦繞組系數(shù)的計算方法。 計算線圈的短距角及短距系數(shù)如下cos,2pK短距線圈磁勢其中 為短距角整距線圈磁勢1122334411912020cos0.9848212832060cos0.8662137520100cos0.64282146720140cos0.3422 線圈短距角，短距