单相异步电动机结构与工作原理讲解_中职中专_职业教育_教育专区。单相异步电动机结构与工作原理讲解

　　章 单相异步电动机结构与工作原理 一 基本结构与分类 单相异步电动机只需单相交流电源供电，因而应用 非常广泛。如，小型机床、轻工设、医疗机械、家用 电器、电动工具、农用水泵、仪器仪表等众多领域。 优点：使用方便、结构简单、运行可靠、价格低廉、 维护方便等等，与三相异步电机相比，缺点为体积稍大、 性能稍差。 ? 单相异步电动机的基本类型 单相异步电动机根据起动方法或运行方式的不同，可以 分为以下几类 ? 单相电阻起动异步电动机 ? 单相电容起动异步电动机 ? 单相电容运转异步电动机 ? 单相电容起动和运转异步电动机 ? 单相罩极式异步电动机 ? 基本结构 单相异步电动机包括定子和转子两部分，其中定子由 绕组和铁心组成。铁心一般由0.5mm的硅钢片叠压而成。 绕组分为主绕组和副绕组，主绕组又称工作绕组，副绕组 又称起动绕组或辅助绕组。 单相异步电动机的转子也由铁心和绕组组成。其中铁 心也由0.5mm的硅钢片叠压而成，绕组常为铸铝笼型。 二 单相异步电动机的工作原理 简单的二相定子绕组如下所示，在绕组中通过的二 相 对称电流的变化规律为 im ? Im cos?t ia ? Im cos(?t ? 90? ) 二相电流随时间变化的曲线如下图所示 两极旋转磁场产生的示意图如下所示 由上述分析可以得出以下结论： I. 一组空间分布相差90°电角度的二相绕组在通以二相对 称交流电时，产生一旋转磁场 II. 旋转磁场的转向与两相绕组在空间的位置和绕组中的电 流相序有关 III. 旋转磁场的转速与电流的频率有一定的关系 其中同步转速为 工作原理如下方框图所示 旋转磁场 转子绕组电势 转子绕组电流 电磁转矩 转子旋转 广泛使用的单相电容运转异步电动机和单相电容起动 和运转异步电动机如下图所示 第二章 单相异步电动机的绕组与磁势 一 绕组磁势 单相异步电动机的绕组按层数分为单层、双层；按端 接分为单层同心式、单层交叉式、单层链式和双层叠绕组； 按槽内导体分布分为几种绕组、分布绕组和正弦绕组等。 ? 单层同心式绕组 例2-1 已知定子槽数Q1=24，极数p=4，画出单层同心式绕 组展开图。 解 极距 ? ? Q1 ? 24 ? 6 p4 槽距角 ? ? p ?180? ? 30? 24 主绕组占2/3，等于4个槽，120°相带。副绕组占1/3, 等于2个槽，为60°相带，两绕组相距3个槽，即90°电 角度。 该单层同心式绕组的展开图如下所示 对于电容运转异步电动机，主副绕组都长期工作，故 通常两绕组所占槽数相等。 例2-2 已知定子槽数Q1=16，极数p=2，画出单层同心式绕 组展开图。 解 极距 ? ? Q1 ? 16 ? 8 p2 槽距角 ? ? p ?180? ? 22.5? Q1 主绕组占1/2,即4个槽，即90°相带，副绕组占1/2,即 4个槽，即90°相带。两相绕组轴线° 电角度。该单层同心式绕组展开图如下所示 ? 单层链式绕组 可以根据例2-1绕组的数据画制绕组展开图。其中定子槽 数Q1=24，极数p=4。单层链式然组的线圈形式有如链型， 这种绕组的节距必须为奇数。如下图所示的单层链式绕组 展开图Y=5。 ? 单层交叉式绕组 同样可以根据上述单相同心式绕组的数据画出绕组展 开图，联成的单层交叉式绕组如下图所示。单层交叉式绕 组的两线圈端部叉开朝不同方向排列，这种绕组的节距为 偶数，下图所示Y=6。 ? 双层叠绕组 双层叠绕组是把定子每个槽分为上、下两层，上层嵌 放在一个线圈的圈边，下层嵌放在另一个线， 极数p=4，画出双层叠绕组展开图。 解 极距 ? ? Q1 ? 8 ? 2 p4 槽距角 ? ? p ?180? ? 90? Q1 主绕组占1/2,即1个槽，90°相带，副绕组占1/2,即1个 槽，90°相带。这样可以联成双层绕组，取线，如下图所示 如果短距设计得当，可以削弱谐波磁势，改善磁势波 形。例如：一台定子槽数Q1=12，极数p=2，采用缩短1/3 极距的短距绕组，即取线，画制双层短距绕组 展开图如下所示 二 单相绕组磁势 单相绕组通以交流电流，产生脉振磁势 f (x,t) ? Fcos x cos?t ? F cos(x ??t) ? F cos(x ??t) 2 2 其中正向旋转磁势和反向旋转磁势分别为 f? (x,t) ? F 2 cos(x ? ?t) f? (x, t) ? F 2 cos( x ? ?t) 如果转子转速为n，对应正序转矩T+的转差率为 s? ? n1 ? n1 n ? s 而对应负序转矩T-的转差率为 s? ? n1 ? n1 n ? 2 ? s 正序旋转磁场产生的转矩使转子顺着正序旋转磁场方 向旋转，而负序旋转磁场产生的转矩使转子顺着负序旋转 磁场方向旋转，正负序转矩与转差率的关系如下图所示 单相异步电动机的转矩、效率、功率密度比三相异步 电动机低的主要原因是存在负序磁场。 三 两相绕组的磁势 两相绕组通以两相交流电流，下图为起动绕组回路串 入电容的单相异步电动机原理图即两相绕组通入电流和外 施电压的向量关系。 其中，主绕组磁势 fm ? Fm cos(x ? 90?)cos(?t ?? ) ? Fm cos[(x ??t) ? (? ? 90?)]? Fm cos[(x ??t) ? (? ? 90?)] 2 2 副绕组磁势 fa ? Fa cos x cos?t 电机内的合成磁势 ? Fa 2 cos(x ? ?t ) ? Fa 2 cos(x ? ?t) f ? fa ? fm 合成磁势的性质可以分下面四种情况讨论。 ? 两个绕组的磁势大小相等，相位角为90°，即 于是有 Fm ? Fa ? F ,? ? 90? fa ? F 2 cos(x ? ?t) ? F 2 cos( x ? ?t) fm ? F 2 cos( x ? ?t) ? F 2 cos(x ? ?t) 因此，合成磁势为 f ? fa ? fm ? F cos(x ? ?t) 因此，电机内部产生的是一个正向旋转的圆形旋转磁势。 ? 两个绕组产生的磁势大小不等，但相位角仍为90°，即 Fm ? Fa ,? ? 90? 于是有 fa ? Fa 2 cos(x ??t) ? Fa 2 cos(x ? ?t) fm ? Fm 2 cos(x ? ?t ) ? Fm 2 cos(x ? ?t) 因此，合成磁势为 f ? fa ? fm ? F? cos(x ? ?t) ? F? cos(x ? ?t) 此时，电机内部存在着两个圆形旋转磁势。这两个 幅值不同的圆形旋转磁势的轨迹为一椭圆，如下图所示， 因此这是一个椭圆形旋转磁势。 ? 应用上面同样的方法对其余的两种情况进行分析 Fm ? Fa ? F ,? ? 90? Fm ? Fa ,? ? 90? 在这两种情况下，电机内部的磁势均为椭圆形旋转磁势。 四 单相异步电动机的谐波磁势 ? 单相绕组的谐波磁势 对单相绕组的磁势进行谐波分析，可以得到如下结论: a) 单相绕组磁势可以分解为基波和一系列高次谐波。 ? b) 由于谐波的极数为基波的? 倍，如果令 1 表示基波磁势 的极距，? ? 表示谐波极距，则 ?? ? 1 ? ? 1, p? ?? p c) 在坐标原点x=0处，如果基波为正值，3次谐波便为负值， 5次谐波又为正值，7次谐波又为负值等等。如下图所示 基于上述基本概念，当副绕组通入电流 ia ? 2Ia cos?t 时，副绕组的磁势方程式为 fa (x,t) ? [Fa1 cos x ? Fa3 cos 3x ? Fa5 cos 5x ? Fa7 cos 7x ? ???]cos?t 主绕组轴线在空间上落后于副绕组轴线°电角度， 且主绕组电流在时间上落后于副绕组电流 电角度，故 主绕组磁势方程式为 fm (x,t) ? [Fm1 cos(x ? 90?) ? Fm3 cos3(x ? 90?) ?Fm5 cos5(x ? 90?) ? Fm7 cos 7(x ? 90?) ? ???]cos(?t ??) ? 两相绕组的谐波磁势 ? 两相绕组对称运行时的谐波磁势 两相绕组对称运行时，电流之间的相位差为90°。 主副绕组各次谐波的幅值相等，此时各次谐波合成情况如 下 ① 基波 fa1 ( x, t ) ? F1 cos x cos ?t ? 1 2 F1[cos(x ? ?t ) ? cos(x ? ?t)] fm1 ( x, t ) ? F1 cos(x ? 90? ) cos(?t ? 90? ) ? 1 2 F1[cos(x ? ?t) ? cos(x ? ?t)] 总的合成基波磁势为 f1(x,t) ? fa1 ? fm1 ? F1 cos(x ??t) 合成基波磁势为一个正向旋转的圆形磁势，转速为 120 f n1 ? (r / min) p ② 三次谐波 fa3 ( x, t) ? F3 cos 3x cos ?t ? 1 2 F3[cos(3x ? ?t) ? cos(3x ? ?t)] Fm3 ( x, t ) ? F3 cos 3(x ? 90? ) cos(?t ? 90? ) ? 1 2 F3[? cos(3x ? ?t) ? cos(3x ? ?t)] 总的3次谐波合成磁势为 f3(x,t) ? fa3 ? fm3 ? F3 cos(3x ? ?t) 即3次谐波合成磁势是一个反向旋转的圆形旋转磁势， 其转速为 n3 ? ? 1 3 n1 ③ 5次谐波 fa5 (x,t) ? F5 cos 5x cos ?t ? 1 2 F5[cos(5x ? ?t ) ? cos(5x ? ?t)] 5f次m5(谐x,t)波? 合F5 c成os 5磁(x势? 9为0?) cos(?t ? 90? ) ? 1 2 F5[cos(5x ? ?t) ? cos(5x ? ?t)] f5(x,t) ? fa5 ? fm5 ? F5 cos(5x ??t) 5次谐波合成磁势是一个正向旋转的圆形磁势，其转 速为 n5 ? 1 5 n1 根据同样的方法，可以得到，在对称运行时，两相 绕组产生的谐波磁势次数可用下式表示即 ? ? 4k ?1(k ? 0, ?1, ?2, ?3,???) 当次数为负号时，表示该次谐波合成磁势反方向旋转； 当次数为正号时，表示该次谐波合成磁势正方向旋转。谐 波磁势的转速为 n? ? 1 ? n1 其中n1是基波旋转磁场的同步转速。 ? 两相绕组不对称运行时的谐波磁势 两相绕组不对称运行时的合成磁势为椭圆形旋转磁势。 取谐波磁势的幅值不等，但所得结论能适用其他情况。 ① 基波 fa1 ( x, t ) ? Fa1 cos x cos ?t ? 1 2 Fa1[cos( x ? ?t ) ? cos(x ? ?t)] fm1 ( x, t ) ? Fm1 cos(x ? 90? ) cos(?t ? 90? ) ? 1 2 Fm1[cos(x ? ?t) ? cos(x ? ?t)] 两相合成的基波磁势为 f1(x, t) ? fa1(x, t) ? fm1(x, t) ? 1 2 ( Fa1 ? Fm1 ) cos( x ? ?t) ? 1 2 ( Fa1 ? Fm1) cos(x ? ?t) 基波合成磁势中，既有正向旋转的圆形旋转磁势，又 有反向旋转的圆形旋转磁势，且转速为基波旋转磁场的同 步转速n1。 ② 3次谐波 fa3 (x, t) ? Fa3 cos 3x cos ?t ? 1 2 Fa3[cos(3x ? ?t ) ? cos(3x ? ?t)] fm3 ( x, t ) ? Fm3 cos 3( x ? 90? ) cos(?t ? 90? ) ? 1 2 Fm3[? cos(3x ? ?t) ? cos(3x ? ?t)] 3次谐波的合成磁势为 f3 (x, t) ? fa3 (x, t) ? fm3(x, t) ? 1 2 ( Fa 3 ? Fm3 ) cos(3x ? ?t) ? 1 2 ( Fa 3 ? Fm3 ) cos(3x ? ?t) 在合成磁势中，既有正向旋转的圆形磁势，又有反 向旋转的圆形磁势，且正反向的转速均为基波同步转速 的1/3。 用同样的方法，可以对任意次谐波进行分析可得，在 不对称运行时，两相绕组所产生每一次谐波磁势都包含两 个分量。因此，不对称运行时的谐波磁势分量要比对称运 行时多一倍。其谐波次数可用下式表示 ? ? ?(4k ?1)(k ? 0, ?1, ?2, ?3,???) 由于绝大多数情况下，单相异步电动机的两相绕组总 是不对称的，谐波分量比较多，所以谐波对单相异步电动 机的影响要比对三相异步电动机严重得多。 谐波磁场对电机性能的影响主要表现在下面三个方面： I. 使电机的附加损耗增加； II. 引起电机振动，并产生噪声； III. 产生附加转矩，使电机的起动发生困难。 为了削弱谐波磁场，常用的有效措施就是定子采用 正弦绕组及转子采用斜槽等等。 五 正弦绕组 组成每相绕组的各个线圈的匝数不相等，每相绕组的 导体在空间按余弦规律分布，使其产生的磁势在空间的分 布尽可能是一个正弦波。如下图所示 依全电流定律，略去铁中磁阻，这些磁势应消耗在两 个空气 隙上，故作用在每个气隙上的磁势为 x x f (x) ? ?0 A(x)dx ? 2I ?0 n(x)dx 例2-4 每极槽数9槽，如下图所示。槽距角为20°，求正弦绕 组的构成。 解 计算每个线圈边离坐标原点的空间电角度及其余弦值 ?1 ? 1? 2 ? 1 ? 20? 2 ? 10? , cos?1 ? 0.985 ?2 ? 3? 2 ? 3 2 ? 20? ? 30? , cos?2 ? 0.866 ?3 ? 5? 2 ? 5 ? 20? 2 ? 50? , cos?3 ? 0.643 ?4 ? 7? 2 ? 7 2 ? 20? ? 70? , cos?4 ? 0.342 每极线 每个线圈匝数占每极总匝数的百分数为 线 线 线 线 取单相电容异步电动机Q1=36，p=4，每极串联匝数 为96匝，则Qp=9，槽距角20°，于是 线匝 线槽，如下图所示。槽距角为20°，1槽和 10槽为共槽线圈，求正弦绕组的构成。 解 计算每个线圈边离坐标原点的空间电角度及其余弦值 ?1 ? 0? ? 0? , 1 2 cos?1 ? 0.5 ?2 ? 1? ? 20?, cos?2 ? 0.9397 ?3 ? 2? ? 40?, cos?3 ? 0.766 ?4 ? 3? ? 60?, cos?4 ? 0.5 每极线 每个线圈匝数占每极总匝数的百分数 线 线 线 线 取单相电容运转异步电动机Q1=18,p=2,每极串联匝 数为40匝，于是得其正弦绕组的每线匝 线匝 线匝 线匝 六 正弦绕组的绕组系数 绕组系数是表示绕组性能的重要参数。在计算正弦绕 组的绕组系数时，应注意下面两个问题。 一． 正弦绕组都采用同心式绕组，这些线圈的短距系数各不 相等，但所有线圈的中心线都重合在一起，正弦绕组的 分布系数等于1. 二． 短距系数的定义及计算公式为 Kp ? 短距线圈磁势 整距线圈磁势 ? cos ? 2 , 其中? 为短距角 下面以例2-4为例说明正弦绕组系数的计算方法。 计算线圈的短距角及短距系数如下 线?，短距系数 cos 1 2 ?1 ? 0.9848 线?，短距系数 cos 1 2 ?2 ? 0.866 线?，短距系数 cos 1 2 ?3 ? 0.6428 线?，短距系数 cos 1 2 ?4 ? 0.342 线.9848 ? 34 线.866 ? 26.5 线.6428 ? 14.6 线.342 ? 4.14 正弦绕组的绕组系数为 KdP1 ? KP1 ? W1 cos 1 2 ?1 ? W2 cos 1 2 ?2 ? W3 cos W 1 2 ?3 ? W4 cos 1 2 ?4 ? 79.24 100 ? 0.7924 七 转子斜槽 采用正弦绕组可以明显削弱定子绕组产生的磁势谐波， 但不能消除磁势谐波。要使磁势曲线为一正弦波，则导体 必须按余弦规律连续分布。但实际上导体总是放在槽内， 或者为了节省铜线，往往采用一定的空槽，这样导体就不 可能按余弦规律连续分布，而是断续分布的。这种绕组产 生的磁势呈现阶梯形，如下图所示 生产实践通常采用转子斜槽来进一步削弱谐波磁势对 电机起动性能和运行性能产生的不利影响。 所谓转子斜槽，就是转子上的槽不是与转子轴线平行， 而是斜过一个角度。转子槽斜过的距离一定要等于能产生 附加转矩的那一次谐波极距的2倍，如下图所示，即 bsk ? 2?? 转子斜槽程度是根据谐波强度来确定的。采用转子斜槽 不仅可以大大削弱异步附加转矩，还可以削弱转子齿谐波 与定子齿谐波磁场之间的相互作用，减少同步附加转矩、 振动和噪声。 但同时，斜槽也带来不利影响，可使转子漏抗增加， 从而使转矩即功率因数稍有下降。
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