单相异步电动机结构与工作原理

第一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、轻工设备、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最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cosmmiItω=cos(90)amiItω°=+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。解极距槽距角主绕组占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。12464Qpτ===1803024pα°°×==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11682Qpτ===槽距角主绕组占1/2,即4个槽，即90°相带，副绕组占1/2,即4个槽，即90°相带。两相绕组轴线相距4个槽，即90°电角度。该单层同心式绕组展开图如下所示118022.5pQα°°×==
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圈的圈边。例2-3一台300mm台扇，定子槽数Q1=8,转子槽数Q2=17，极数p=4，画出双层叠绕组展开图。解极距槽距角主绕组占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，取线圈的节距为整距y=2，如下图所示1824Qpτ===118090pQα°°×==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，即取线圈节距y=4，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，产生脉振磁势其中正向旋转磁势和反向旋转磁势分别为如果转子转速为n，对应正序转矩T+的转差率为而对应负序转矩T-的转差率为(,)Fcoscoscos()cos()22FFfxtxtxtxtωωω==-++(,)cos()2Ffxtxtω+=-(,)cos()2Ffxtxtω-=+11nnssn+-==112nnssn-+==-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Fcos(90)cos()cos[()(90)]cos[()(90)]22mmmmfxtFFxtxtωθωθωθ°°°=--=-+-++-+副绕组磁势电机内的合成磁势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°，即于是有因此，合成磁势为因此，电机内部产生的是一个正向旋转的圆形旋转磁势。Fcoscoscos()cos()22aaaaFFfxtxtxtωωω==-++amfff=+,90maFFFθ°===cos()cos()22aFFfxtxtωω=-++cos()cos()22mFFfxtxtωω=--+cos()amfffFxtω=+=-•两个绕组产生的磁势大小不等，但相位角仍为90°，即于是有因此，合成磁势为此时，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。,90maFFθ°≠=cos()cos()22aaaFFfxtxtωω=-++cos()cos()22mmmFFfxtxtωω=--+cos()cos()amfffFxtFxtωω+-=+=-++•应用上面同样的方法对其余的两种情况进行分析在这两种情况下，电机内部的磁势均为椭圆形旋转磁势。,90maFFFθ°==≠,90maFFθ°≠≠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，如果令表示基波磁势的极距，表示谐波极距，则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υ1τυτ11,ppυυττυυ==基于上述基本概念，当副绕组通入电流时，副绕组的磁势方程式为主绕组轴线在空间上落后于副绕组轴线90°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
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2cosaaiItω=1357(,)[coscos3cos5cos7]cosaaaaafxtFxFxFxFxtω=-+-+⋅⋅⋅θ1357(,)[cos(90)cos3(90)cos5(90)cos7(90)]cos()mmmmmfxtFxFxFxFxtωθ°°°°=---+---+⋅⋅⋅-①基波总的合成基波磁势为合成基波磁势为一个正向旋转的圆形磁势，转速为②三次谐波总的3次谐波合成磁势为1111(,)coscos[cos()cos()]2afxtFxtFxtxtωωω==-++1111(,)cos(90)cos(90)[cos()cos()]2mfxtFxtFxtxtωωω°°=--=--+1111(,)cos()amfxtffFxtω=+=-1120(/min)fnrp=3331(,)cos3cos[cos(3)cos(3)]2afxtFxtFxtxtωωω==-++3331(,)cos3(90)cos(90)[cos(3)cos(3)]2mFxtFxtFxtxtωωω°°=--=--++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③5次谐波5次谐波合成磁势为5次谐波合成磁势是一个正向旋转的圆形磁势，其转速为根据同样的方法，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3333(,)cos(3)amfxtffFxtω=+=+3113nn=-5551(,)cos5cos[cos(5)cos(5)]2afxtFxtFxtxtωωω==-++5551(,)cos5(90)cos(90)[cos(5)cos(5)]2mfxtFxtFxtxtωωω°°=--=--+5555(,)cos(5)amfxtffFxtω=+=-5115nn=41(0,1,2,3,)kkυ=+=±±±⋅⋅⋅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基波两相合成的基波磁势为11nnυυ=1111(,)coscos[cos()cos()]2aaafxtFxtFxtxtωωω==-++1111(,)cos(90)cos(90)[cos()cos()]2mmmfxtFxtFxtxtωωω°°=--=--+1111111(,)(,)(,)11()cos()()cos()22amamamfxtfxtfxtFFxtFFxtωω=+=+-+-+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。②3次谐波3次谐波的合成磁势为在合成磁势中，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。3331(,)cos3cos[cos(3)cos(3)]2aaafxtFxtFxtxtωωω==-++3331(,)cos3(90)cos(90)[cos(3)cos(3)]2mmmfxtFxtFxtxtωωω°°=--=--++3333333(,)(,)(,)11()cos(3)()cos(3)22amamamfxtfxtfxtFFxtFFxtωω=+=--+++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。(41)(0,1,2,3,)kkυ=±+=±±±⋅⋅⋅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00()()2()xxfxAxdxInxdx==∫∫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11223344112010,cos0.98522332030,cos0.86622552050,cos0.64322772070,cos0.34222αααααααααααα°°°°°°°°==×====×====×====×==每极线圈边余弦值的总和为0.985+0.866+0.643+0.342=2.836每个线圈匝数占每极总匝数的百分数为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0.98519100%34.6%2.8360.86628100%30.6%2.8360.6433