单相异步电动机

第七节单相异步电动机由单相电源供电的异步电动机即为单相异步电动机，其基本原理是建立在三相异步电动机的基础上的，但在结构和特性方面有不少差别一由单相电源供电的异步电动机的运行——单相异步电动机的工作原理一台三相异步电动机，其定子绕组仅一相供电，或者一相断开时的运行，都是在单相电源供电时的实际情况，其接线图如图5-25所示。实质上这就是单相异步电动机的运行情况。在“交流绕组磁动势”中已阐明，由单相交流电流i=Icosωt所建立的磁动势是一种脉振磁动势，若仅考虑其基波分量，其表达式为ftxFtxFtxFf)cos(21)cos(21coscosf1111上式表明，一个脉振磁动势可以分解为两个幅值相等，且等于脉振磁动势幅值的一半，旋转速度相同但旋转方向相反的两个旋转磁动势。一个称为正转磁动势，向着X方向旋转，用空间矢量F+表示，另一个称为反转磁动势，向着x反方向旋转，用空间矢量F-表示，如图5-25所示。这两个旋转磁动势分别产生正转和反转磁场，其磁场分别为+和-。正、反转磁场同时在转子绕组中分别感应产生相应的电动势和电流，从而产生使电动机正转和反转的电磁转矩Tem+和Tem-。正转电磁转矩若为拖动转矩，反转电磁转矩则为制动转矩，因此对正转旋转磁场而言，电动机的转差率为s+=00nnn。正转电磁转矩Tem+与正转转差率s+的关系Tem+=f(s+)，和三相异步电动机的一样，如图5-26中曲线1所示。但对反转旋转磁场而言，电动机的转差率应为snnnnnnns2)(2)(00000反转电磁转矩Tem-与反转转差率s-的关系Tem-=f(s-)=f(2-s+),其曲线形状和Tem+=f(s+)完全一样，不过Tem+为正值，而Tem-为负值，并且两转差率之间有2ss的关系，)(emsfT如图5-26中曲线2所示。曲线1和曲线2分别为正转和反转的sTem曲线，它们相对于原点对称，电动机的合成电磁转矩为ememTTTem。因此在单相电源供电下，异步电动机或者是单相异步电动机的sTem曲线为)(sfTTemem，如图5-26中曲线3所示。从图5-26所示的曲线可看出，单相异步电动机有两个特性：1）电动机不转时，n=0，即1ss时，合成转矩0ememTT，电动机无起动转矩。2）若用外力拖动电动机向正转或反转方向转动，即s或-s不为“1”时，合成电磁转矩不等于零，去掉外力，电动机会被加速到接近同步转速，换句话说，单相异步电动机虽无启动转矩，但一经起动，就会转动而不停止。这些特性还可以用把脉振磁动势转变为旋转磁动势的道理去分析。由于单相异步电动机的转子是笼型的，结构上对称，不论转子处于什么位置，从电磁效应考虑，都可以用定子磁动势及其垂直轴线（以下定子磁动势轴线称为直轴，用下标“d”表示，2与定子磁动势轴线垂直的轴线称为交轴，用下标“q”表示）上各有两根导条的转子去代替n跟导条均匀分布的实际笼型转子，如图5-27所示。当电动机不转时，脉振磁动势所建立的脉振磁场仅在q轴上导条1-1组成的线圈内感应产生电动势与电流，其正方向在图5-27中表明，2-2导条组成的线圈不与脉振磁场交链，其中无电动势和电流。这时，单相异步电动机好像一台二次侧短路的单相变压器，作用在导条1-1上的电磁力互相抵消，不能形成电磁转矩，电动机不能起动。和变压器一样，其合成磁动势仍为脉振磁动势，磁动势的方向不变。如果用外力拖动转子逆时针方向转动，由于不论转子处于什么位置，转子上导条组成的等效线圈总是在d、q轴上，而q轴线圈2-2切割脉振磁场，在其中感应产生电动势及电流；d轴线圈1-1因处于磁场中性线上不切割磁场，故其中无电动势和电流。所以当转子转动以后，电动机内的电磁情况有了变化。设脉振磁场按正弦分布，即xsincosmπtBB，则每极脉振磁通为tlBcos2mπ式中------极距l------定子铁心长度mB------脉振磁场的幅值除在d轴线圈1-1中感应产生所谓变压器电动势de以外，还在q轴线圈2-2中感应产生速度电动势qe，这两种电动势分别为tlBNdtdNddsin2emdπ式中，dN--------等效线圈1-1的匝数tlvBNBlvNmqqcos22eq式中，qN---------等效线圈2---2的匝数q轴上仅有一个线圈，线圈好像电抗器，所以对线圈2-2中电流qI的阻抗，可以认为是一种纯感抗，则qI滞后于qE90电角度，而qE与d同相位[见（式5-67）]。因此，qI以及由qI建立的脉振磁动势qF在时间上滞后于d和建立d的定子脉振磁动势dF90电角度（不计铁心损耗）。单相异步电动机转动时，其中存在着空间和时间上均相差90电角度的两种脉振磁动势，其表达式可写为tFdcosxcosfdπtxFqsinsinfq式中dF、qF------------直、交轴脉振磁动势的幅值。合成磁动势为txFtxFffqdqdsinsincoscosf)tcos()(21)cos(21dxFFtxFFqdq）（)t(cos)(cos-xFtxF从旋转磁动势理论可知，将两个在空间上和时间上均相差90的两个脉振磁动势合成，如脉振磁动势的幅值相等，即1dFFFq，则)cos(f1txF为正转圆形旋转磁动势。如两磁动势幅值不等，即qFFd，若qdFF＞，则2)(2)(qdqdFFFFFF＞，即正转磁动势幅值大于反转磁动势幅值。若用矢量图去描述式（5-69）所表达的合成磁动势，如图5-28所表示，图中F为正转（逆时针）旋转磁动势的矢量，F为反转（顺时针）旋转磁动势的矢量。当t=0时，FF与重合，选,,32,3t等几个特定瞬间，将-FF与合成，结果得出的合成磁动势为正线分布，幅值变动，非恒速旋转的一种磁动势，其矢量矢端的轨迹为一椭圆。合成磁动势的最大幅值（椭圆的长轴）为正转和反转磁动势幅值之和，最小幅值（椭圆的短轴）为正转和反转磁动势幅值之差，旋转方向与正转磁动势相同，这种旋转磁动势称为椭圆形旋转磁动势。从以上分析可知，单相异步电动机一经转动以后，由于出现交轴磁动势，其磁动势即由脉振磁动势变为旋转磁动势（一般为椭圆形旋转磁动势）。随着转速的增大，由于交轴线圈中的电动势qE与转速n（或线速度v）成正比，qqFI及逐渐增大，从式（5-69）可看出，F增大，F减小，合成磁动势会变得接近圆形旋转磁动势，由合成磁动势建立的磁场会变得接近圆形旋转磁场。因此，单相异步电动机和三相异步电动机一样，能够产生电磁转矩使电动机继续转动。如果外力拖动电动机顺时针方向（反转方向）转动，电磁情况完全和逆时针方向转动一样，无非是正、反转旋转磁动势大小和作用互换，所以不加任何起动措施的单相异步电动机旋转方向可以是任意的。如何解决起动问题是单相异步电动机付诸实用的关键问题。二、单相异步电动机的主要类型和启动方法从工作原理可知，单相异步电动机之所以无起动转矩是由于它处于静止状态时，其磁动势是脉振的，这种脉振磁动势由正、反幅值相等的旋转磁动势合成。如果加强正转磁动势、削弱反转磁动势，使磁动势由脉振变为旋转的，可为椭圆形，理想的话可为圆形，则电动机不但能自行起动，且能运行，所以解决单相异步电动机起动的根本措施，就是设法使电动机中再建立一个脉振磁动势，且其相位和位置不同于原来存在的脉振磁动势。根据起动方法和相应结构上的不同，常用的单相异步电动机有下述两种类型1分相式电动机这种单相异步电动机的定子铁心和三相异步电动机一样，定子上除装有单相的主绕组（又称工作绕组）外，另外装一个辅助绕组（又称起动绕组），它与主绕组在空间上相差90电角度，如图5-29所示。主绕组和辅助绕组接在同一单相电源上。接线如图5-30所示，在辅助绕组中串入适当的电容或电阻，也可以是电感，使辅助绕组中电流的相位不同于主绕组中的电流相位，以获得空间上相差90而时间上相差一定电角度的两种脉振磁动势。这样就会在电动机内形成一种旋转磁动势，从而产生起动转矩。辅助绕组一般是按短时运行状态设计的，所以在电动机起动以后，为了避免辅助绕组过热，当转速到达一定值时，由离心开关S将辅助绕组与电源切断，这是利用辅助绕组使电动机形成两相电动机的起动方法。这样的单相异步电动机称为分相式电动机。分相式电动机又可分为两种，电阻分相及电容分相。（1）电阻分相电动机电阻分相电动机的辅助绕组用较细的导线绕成，与主绕组可以有不同的匝数，使其电阻增大，电流超前于主绕组中的电流，以形成两相电流。但由于两个绕组中的阻抗都是感性的，两相电流的相位差不仅不可能达到90电角度，而且其值也不大。故电动机气隙内旋转磁场椭圆度较大，所以产生的起动转矩较小，而起动电流较大。（2）电容分相电动机电容分相电动机的辅助绕组中串联电容，如果电容选择的恰当，这种电动机辅助绕组中的电流可超前于主绕组中的电流接近90电角度，则在电动机气隙内建立起椭圆度较小的旋转磁场，从而获得较大的起动转矩，使起动电流较小。由于辅助绕组中串入电容以后，不仅能解决起动问题，而且运行时还能改善电动机的功率因数，提高电动机的过载能力。设计时，如果考虑到辅助绕组不仅作起动用，而且能供工作用，让串联电容的辅助绕组在电动机起动后不再与电源切断，使电动机成为一台两相电动机，这种电动机就称为电容分相式电动机。如果要改变分相式电动机的转动方向，只需将辅助绕组与主绕组相并联的接线端子对调即可。有时需要将三相异步电动机运行与单相电源，可按照图5-31所示接线图接线，即将一相从中点断开，串联电容作为电动机起动用的辅助绕组，另外两相反向串联作主绕组使用，使三相异步电动机成为一台电容分相电动机。2、罩极式电动机罩极式电动机的定子铁心多制成凸极式，由硅钢冲片叠压而成，每极上装有集中绕组，即为主绕组；每极极靴的一边开有一个小槽，小槽中嵌入短路铜环，将部分磁极罩起来，这个短路铜环称为罩极线圈；转子是笼型结构，其结构示意图如图5-32所示。当主绕组中通过单相交流电流时，产生脉振磁通，在短路铜环中感应产生电动势sE和电流sI，罩极部分的电磁情况和短路的变压器一样，穿过短路铜环的总磁通可认为是由穿过罩极部分的磁通（主绕组中电流产生）与sI产生的磁通s所合成的，即s。它与未穿过罩极部分的磁通0之间形成一定的相位差，如图5-33的向量图所示。由于与0在空间上处于不同位置，时间上又有相位差，所以他们的合成磁场是一种“扫动磁场”，扫动的方向为从超前的0扫向滞后的。这种扫动磁场实质上是一种椭圆度很大的旋转磁场。在该种磁场的作用下，电动机将获得一定的起动转矩。罩极式电动机也有将定子铁心做成隐极式的，槽内除主绕组外，还嵌有一个匝数较少，与主绕组错开一个电角度，且自行短路的辅助绕组。三、单相异步电动机的用途虽然单相异步电动机的功率因数、效率和过载能力都比同容量的三相异步电动机低，体积也较同容量的三相异步电动机大，但是仅需单相电源供电，如果容量不大，所述这些缺点就不很突出，所以小容量单相异步电动机在日常生活、家用电器、医疗器械和某些工业装置中应用很广。罩极式电动机主要用于小台扇、电唱机和录音机中，容量一般在几十瓦以下；电容分相式电动机应用于需要较大起动转矩的装置，如空气压缩机、空气调节器、电冰箱等，容量在几百瓦以下。第八节直线异步电动机生产机械除绝大多数作旋转运动外，还需要作直线机械运动。直线异步电动机就是能作直线运动的异步电动机。直线电动机是在与旋转电动机相同的电磁理论基础上，综合直线运动的特点发展起来的，可以看成是由旋转电动机演变而来的一种电动机。因此，从理论上，直流、异步和同步等几大类型的旋转电机都可以做成直线电动机，当然具体结构要结合应用情况来设计。直线异步电动机也和旋转的异步电动机一样，具有结构简单