單相異步電動機結(jié)構(gòu)與工作原理

關(guān)于單相異步電動機結(jié)構(gòu)與工作原理第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三單相罩極式異步電動機

基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動機包括定子和轉(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，副繞組又稱起動繞組或輔助繞組。

單相異步電動機的轉(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，共37頁，2023年，2月20日，星期三二單相異步電動機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

第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三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稱交流電時，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場

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)

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(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)第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三廣泛使用的單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機和單相電容起動和運轉(zhuǎn)異步電動機如下圖所示第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第二章單相異步電動機的繞組與磁勢一繞組磁勢

單相異步電動機的繞組按層數(shù)分為單層、雙層；按端接分為單層同心式、單層交叉式、單層鏈式和雙層疊繞組；按槽內(nèi)導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°電角度。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三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，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。

解極距第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三槽距角

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

第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

單層鏈式繞組

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。單層鏈式然組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式繞組展開圖Y=5。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

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。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

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

第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

如果短距設(shè)計得當，可以削弱諧波磁勢，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第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三二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，對應正序轉(zhuǎn)矩T+的轉(zhuǎn)差率為而對應負序轉(zhuǎn)矩T-的轉(zhuǎn)差率為

第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三正序旋轉(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)，而負序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著負序旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，正負序轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如下圖所示

單相異步電動機的轉(zhuǎn)矩、效率、功率密度比三相異步電動機低的主要原因是存在負序磁場。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三三兩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，主繞組磁勢第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三副繞組磁勢電機內(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，電機內(nèi)部產(chǎn)生的是一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。

第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三兩個繞組產(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。

第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

應用上面同樣的方法對其余的兩種情況進行分析

在這兩種情況下，電機內(nèi)部的磁勢均為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。

第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三四單相異步電動機的諧波磁勢

單相繞組的諧波磁勢

對單相繞組的磁勢進行諧波分析，可以得到如下結(jié)論:單相繞組磁勢可以分解為基波和一系列高次諧波。

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

在坐標原點x=0處，如果基波為正值，3次諧波便為負值，5次諧波又為正值，7次諧波又為負值等等。如下圖所示

第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三基于上述基本概念，當副繞組通入電流時，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

第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三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

第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

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

第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三當次數(shù)為負號時，表示該次諧波合成磁勢反方向旋轉(zhuǎn)；當次數(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。

基波兩相合成的基波磁勢為第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三基波合成磁勢中，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。

第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三用同樣的方法，可以對任意次諧波進行分析可得，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，所以諧波對單相異步電動機的影響要比對三相異步電動機嚴重得多。

諧波磁場對電機性能的影響主要表現(xiàn)在下面三個方面：使電機的附加損耗增加；引起電機振動，并產(chǎn)生噪聲；產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，使電機的起動發(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。

第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三五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，這些磁勢應消耗在兩個空氣隙上，故作用在每個氣隙上的磁勢為第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三例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。

解計算每個線圈邊離坐標原點的空間電角度及其余弦值第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三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)的百分數(shù)為

取單相電容異步電動機Q1=36，p=4，每極串聯(lián)匝數(shù)為96匝，則Qp=9，槽距角20°，于是第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三例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)的百分數(shù)第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三取單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機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，共37頁，2023年，2月20日，星期三六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，應注意下面兩個問題。

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)如下第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星