單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1、關(guān)于單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第1頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四單相罩極式異步電動(dòng)機(jī) 基本結(jié)構(gòu) 單相異步電動(dòng)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(dòng)繞組或輔助繞組。 單相異步電動(dòng)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。第2頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四二 單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理 最簡(jiǎn)單的二相定子繞組如下所示，在繞組中通過(guò)的二相 對(duì)稱電流的變化規(guī)律為 二相電流隨時(shí)間變化的曲線如下圖所示 兩極旋轉(zhuǎn)

2、磁場(chǎng)產(chǎn)生的示意圖如下所示 第3頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四由上述分析可以得出以下結(jié)論： 一組空間分布相差90電角度的二相繞組在通以二相對(duì)稱交流電時(shí)，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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) 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(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(chǎng)轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)轉(zhuǎn)子繞組電流電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)第4頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 廣泛使用的單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)和單相電容起動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)如下圖所示第5頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四第二章 單相異步電動(dòng)機(jī)的繞組與磁

3、勢(shì)一 繞組磁勢(shì) 單相異步電動(dòng)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(gè)槽，120相帶。副繞組占1/3,等于2個(gè)槽，為60相帶，兩繞組相距3個(gè)槽，即90電角度。第6頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四該單層同心式繞組的展開圖如下所示 對(duì)于電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)，主副繞組都長(zhǎng)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

4、心式繞組展開圖。 解 極距第7頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 槽距角 主繞組占1/2,即4個(gè)槽，即90相帶，副繞組占1/2,即4個(gè)槽，即90相帶。兩相繞組軸線相距4個(gè)槽，即90電角度。該單層同心式繞組展開圖如下所示 第8頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 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。第9頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 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)

5、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。第10頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 雙層疊繞組 雙層疊繞組是把定子每個(gè)槽分為上、下兩層，上層嵌放在一個(gè)線圈的圈邊，下層嵌放在另一個(gè)線圈的圈邊。例 2-3 一臺(tái)300mm臺(tái)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(gè)槽，90相帶，副繞組占1/2,即1個(gè)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 第11頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2

6、點(diǎn)4分，星期四 如果短距設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以削弱諧波磁勢(shì)，改善磁勢(shì)波形。例如：一臺(tái)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第12頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四二 單相繞組磁勢(shì) 單相繞組通以交流電流，產(chǎn)生脈振磁勢(shì) 其中正向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和反向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)分別為 如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，對(duì)應(yīng)正序轉(zhuǎn)矩T+的轉(zhuǎn)差率為 而對(duì)應(yīng)負(fù)序轉(zhuǎn)矩T-的轉(zhuǎn)差率為 第13頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，正負(fù)序轉(zhuǎn)矩與

7、轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如下圖所示 單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率密度比三相異步電動(dòng)機(jī)低的主要原因是存在負(fù)序磁場(chǎng)。第14頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四三 兩相繞組的磁勢(shì) 兩相繞組通以兩相交流電流，下圖為起動(dòng)繞組回路串入電容的單相異步電動(dòng)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(shì)第15頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 副繞組磁勢(shì) 電機(jī)內(nèi)的合成磁勢(shì) 合成磁勢(shì)的性質(zhì)可以分下面四種情況討論。 兩個(gè)繞組的磁勢(shì)大小相等，相位角為90，即 于是有 因此，合成磁勢(shì)為 因此，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的是一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 第16頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，

8、5月20日，2點(diǎn)4分，星期四兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)大小不等，但相位角仍為90，即 于是有 因此，合成磁勢(shì)為 此時(shí)，電機(jī)內(nèi)部存在著兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。這兩個(gè)幅值不同的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的軌跡為一橢圓，如下圖所示，因此這是一個(gè)橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 第17頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 應(yīng)用上面同樣的方法對(duì)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(shì)均為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。 第18頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四四 單相異步電動(dòng)機(jī)的諧波磁勢(shì) 單相繞組的諧波磁勢(shì) 對(duì)單相繞組的磁勢(shì)進(jìn)行諧波分析，可以得到如下結(jié)論:單相繞組磁勢(shì)可以分解為基波和一系列高次諧波。 由于諧波的

9、極數(shù)為基波的 倍，如果令 表示基波磁勢(shì)的極距， 表示諧波極距，則 在坐標(biāo)原點(diǎn)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 第19頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 基于上述基本概念，當(dāng)副繞組通入電流 時(shí)，副繞組的磁勢(shì)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(shí)間上落后于副繞組電流 電角度，故主繞組磁勢(shì)方程式為 兩相繞組的諧波磁勢(shì) 兩相繞組對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的諧波磁勢(shì) 兩相繞組對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，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(shí)各次諧波合成情況如下 第20頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20

10、日，2點(diǎn)4分，星期四基波 總的合成基波磁勢(shì)為 合成基波磁勢(shì)為一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，轉(zhuǎn)速為 三次諧波 總的3次諧波合成磁勢(shì)為 第21頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 即3次諧波合成磁勢(shì)是一個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，其轉(zhuǎn)速為 5次諧波 5次諧波合成磁勢(shì)為 5次諧波合成磁勢(shì)是一個(gè)正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，其轉(zhuǎn)速為 根據(jù)同樣的方法，可以得到，在對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，兩相繞組產(chǎn)生的諧波磁勢(shì)次數(shù)可用下式表示即 第22頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 當(dāng)次數(shù)為負(fù)號(hào)時(shí)，表示該次諧波合成磁勢(shì)反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)次數(shù)為正號(hào)時(shí)，表示該次諧波合成磁勢(shì)正方向旋轉(zhuǎn)。諧波磁勢(shì)的轉(zhuǎn)速為 其中n1是基波

11、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速。 兩相繞組不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的諧波磁勢(shì) 兩相繞組不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的合成磁勢(shì)為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。取諧波磁勢(shì)的幅值不等，但所得結(jié)論能適用其他情況。 基波 兩相合成的基波磁勢(shì)為第23頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 基波合成磁勢(shì)中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，且轉(zhuǎn)速為基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速n1。 3次諧波 3次諧波的合成磁勢(shì)為 在合成磁勢(shì)中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，且正反向的轉(zhuǎn)速均為基波同步轉(zhuǎn)速的1/3。 第24頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 用同樣的方法，可以對(duì)任意次諧波進(jìn)行分析可得，在不對(duì)稱

12、運(yùn)行時(shí)，兩相繞組所產(chǎn)生每一次諧波磁勢(shì)都包含兩個(gè)分量。因此，不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的諧波磁勢(shì)分量要比對(duì)稱運(yùn)行時(shí)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(dòng)機(jī)的兩相繞組總是不對(duì)稱的，諧波分量比較多，所以諧波對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)的影響要比對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重得多。 諧波磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)性能的影響主要表現(xiàn)在下面三個(gè)方面：使電機(jī)的附加損耗增加；引起電機(jī)振動(dòng)，并產(chǎn)生噪聲；產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的起動(dòng)發(fā)生困難。 為了削弱諧波磁場(chǎng)，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。 第25頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四五 正弦繞組 組成每相繞組的各個(gè)線圈的匝數(shù)不相等，每相繞組的導(dǎo)體在

13、空間按余弦規(guī)律分布，使其產(chǎn)生的磁勢(shì)在空間的分布盡可能是一個(gè)正弦波。如下圖所示 依全電流定律，略去鐵中磁阻，這些磁勢(shì)應(yīng)消耗在兩個(gè)空氣 隙上，故作用在每個(gè)氣隙上的磁勢(shì)為第26頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四例2-4 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(jì)算每個(gè)線圈邊離坐標(biāo)原點(diǎn)的空間電角度及其余弦值第27頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四每極線圈邊余弦值的總和為 0.985+0.866+0.643+0.342=2.836每個(gè)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(dòng)機(jī)Q1=36，p=4，每極串聯(lián)匝數(shù)為96匝，則Qp=9，槽

14、距角20，于是第28頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四例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(jì)算每個(gè)線圈邊離坐標(biāo)原點(diǎn)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(gè)線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)第29頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 取單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)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)第30頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四六 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

15、參數(shù)。在計(jì)算正弦繞組的繞組系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意下面兩個(gè)問(wèn)題。 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.短距系數(shù)的定義及計(jì)算公式為 下面以例2-4為例說(shuō)明正弦繞組系數(shù)的計(jì)算方法。 計(jì)算線圈的短距角及短距系數(shù)如下第31頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四線圈的有效匝數(shù)為正弦繞組的繞組系數(shù)為第32頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四七 轉(zhuǎn)子斜槽 采用正弦繞組可以明顯削弱定子繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波，但不能消除磁勢(shì)諧波。要使磁勢(shì)曲線為一正弦波，則導(dǎo)體必須按余弦規(guī)律連續(xù)分布。但實(shí)際上導(dǎo)體總是放在槽內(nèi)，或者為了節(jié)省銅線，往往采用一定的空槽，這樣導(dǎo)體就不可能按余弦規(guī)律連續(xù)分布，而是斷續(xù)分布的。這種繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)呈現(xiàn)階梯形，如下圖所示 生產(chǎn)實(shí)踐通常采用轉(zhuǎn)子斜槽來(lái)進(jìn)一步削弱諧波磁勢(shì)對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能和運(yùn)行性能產(chǎn)生的不利影響。第33頁(yè)，共37頁(yè)，2022年，5月20日，2點(diǎn)4分，星期四 所謂轉(zhuǎn)子斜槽，就是轉(zhuǎn)子上的槽不是與轉(zhuǎn)子軸線平行，而是斜過(guò)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子槽斜過(guò)的距離一定要等于能產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩的那一次諧波極距的2倍，如下圖所示，即