洗衣机电容运行洗涤XD-250电机及其控制.doc

洗衣机电容运行洗涤XD-250电机及其控制目 录 摘要 IabstractII前言III第1章绪论11.1 洗衣机的发展历史11.2 洗衣机的种类21.2.1、按洗衣机自动化程度分类31.2.2 按洗衣机的结构和工作方式来分类31.3 洗衣机发展趋势41.4 我国洗衣机现状、质量分析及对策51.4.1 我国洗衣机现状51.4.2 我国洗衣机质量分析51.4.3 提高我国洗衣机产品质量的对策6第2章 单相异步电动机简介82.1 概述82.2 单相异步电动机的种类82.2.1单相电阻起动异步电动机82.2.2 单相电容分相起动异步电动机92.2.3 单相电容运转异步电动机102.2.4 单相电容起动与运转异步电动机102.3 单相异步电动机的工作原理102.4 单相异步电动机的特点14第3章 单相电容起动与运行电动机设计163.1 概 述163.2 单相电容起动与运转异步电动机的原理、特点及故障分析173.2.1单相电容运转异步电动机的原理173.2.2 单相电容运转异步电动机的特点183.2.3单相电容启动异步电动机常见故障及原因分析18513.3单相电容启动式异步电动机保护电路19第4章 单相电容起动与运转电动机电磁方案设计214.1 额定数据与技术要求214.2 主要尺寸及冲片214.3 主绕组设计234.4 主相参数的计算254.5 磁路计算314.6 铁耗和机械风摩耗的计算354.7 副绕组设计364.8 起动性能计算374.9 运行性能计算394.10 有效材料用量44第5章 滚筒洗衣机控制系统465.1 滚筒洗衣机的工作原理465.2 滚筒洗衣机的电路分析465.2.1 供电电路465.2.2 进水电路475.2.3 加热电路475.2.4 洗涤电路485.2.5 脱水电路485.2.6 电机的调速48参考文献49结束语50致谢51湖南工程学院毕业论文洗衣机电容运行洗涤XD-250电机及其控制摘要 ：我国家用洗衣机已经发展进入成熟期。作者针对单相电容起动与运转电动机广泛应用洗衣机行业，分析该电机控制电路和结构特点，提出了改善结构性能的方法，指明了主绕组如何并联适当的电容器的方法,减少或省去电源对电动机提供无功电流,以减少线路损耗,提高电源功率因数,提高电源设备容量的利用率。由于电容运转电机广泛被作为滚筒洗衣机洗涤电动机，作者这里对该电机的研究与探索具有一定的实用价值。关键词：洗衣机;电容起动；电机控制；电容运转 Washing machine capacitor run XD-250 motor and the controlAbstract: The washing machine already develops our country family expenses entering a maturation period. The author starts specifically for single phase capacitance and the turn over electric motor applies washing machine industry broadly, have analysed that electric motor control circuit and the structure characteristic , have brought forward the method improving structure function, the method how the parallel appropriate host winding capacitor to have shown clearly , the utilization ratio falling off or omitting a power source providing idle work electric current to the electric motor, to cut down the circuit spoilage , to improve the power source power factor , to improve power facility capacities. The washing machine washes an electric motor since the capacitance turn over electric motor is a cylinder broadly , the author has certain practical value to the go into and exploration being an electric motors turn here.Keywords: washing machine; Capacitance starts; reactive power洗衣机电容运行洗涤XD-250电机及其控制前言社会的发展增强了人们的消费欲望，用于减轻人们家务劳动的洗衣机逐渐成为一种普遍的消费品。随着科学技术的日益发展， 洗衣机的性能将会不断完善。滚筒洗衣机由于具有对衣物的磨损小、洗涤量大、节水等特点，越来越得到广大家庭的青睐。人们对滚筒洗衣机的功能多样化、操作简单化也提出了更高的要求。为适应这种变化，滚筒洗衣机的控制器已由机械式、混合式逐步过渡到全电子控制。为了解决一般串激电机的换向困难，噪声大,功率小,价格较高的缺点，新型洗衣机大多采用单相电容运转双速电机，本次毕业设计就是采用这种电机。电动机是滚筒洗衣机的动力源。在洗涤时,电动机低速作正反向交替旋转;脱水时,电动机作高速单向旋转。为提高系统的传动效率，国内一些厂家的滚筒洗衣机采用无级调速，即变频调速。变频调速一般为感应电动机加一变频器，也有用自流变频调速的，系统的效率较高，脱水效果好，但是在现阶段其系统较为复杂，成本较高，噪声较大。故本次课题选用电脑版调速，这是一种性价比较高的调速方式。本课题通过对洗衣机洗涤电机以及控制的设计，学习和掌握单相电容运转异步电动机的基本结构与工作原理。在电机设计的整个过程和流程，本着不断学习和巩固电机设计所必须了解的基本知识，培养自己的动手能力和自学能力，掌握如何查阅文献资料以及相关标准的能力。通过对洗衣机洗涤电动机控制系统的设计从而了解和熟悉整个电机设计的过程，为我今后更好的适应工作做好铺垫。 第1章 绪论1.1 洗衣机的发展历史 在洗衣机出现以前，洗衣服都是一项难于逃避的家务劳动，不断重复的简单的体力劳动，常常使人身心疲惫，洗衣机的出现把人们从繁琐枯燥的劳动解脱出来。 1858年，一个叫汉密尔顿史密斯的美国人在匹茨堡制成了世界上第一台洗衣机。该洗衣机的主件是一只圆桶，桶内装有一根带有桨状叶子的直轴。轴是通过摇动和它相连的曲柄转动的。同年史密斯取得了这台洗衣机的专利权。但这台洗衣机使用费力，且损伤衣服，因而没被广泛使用，但这却标志了用机器洗衣的开端。次年在德国出现了一种用捣衣杵作为搅拌器的洗衣机，当捣衣杵上下运动时，装有弹簧的木钉便连续作用于衣服。19世纪末期的洗衣机已发展到一只用手柄转动的八角形洗衣缸，洗衣时缸内放入热肥皂水，衣服洗净后，由轧液装置把衣服挤干。1874年,“手洗时代”受到了前所未有的挑战，美国人比尔布莱克斯发明了木制手摇洗衣机。布莱克斯的洗衣机构造极为简单，是在木筒里装上6块叶片，用手柄和齿轮传动，使衣服在筒内翻转，从而达到“净衣”的目的。这套装置的问世，让那些为提高生活效率而冥思苦想的人士大受启发，洗衣机的改进过程开始大大加快.1880年，美国又出现了蒸气洗衣机，蒸气动力开始取代人力。经历了上百年的发展改进，现代蒸汽洗衣机较早期有了无与伦与的提高，但原理是相同的。现代蒸汽洗衣机的功能包括蒸汽洗涤和蒸汽烘干，采用了智能水循环系统，可将高浓度洗涤液与高温蒸气同时对衣物进行双重喷淋，贯穿全部洗涤过程，实现了全球独创性的“蒸汽洗”全新洗涤方式。与普通滚筒洗衣机在洗涤时需要加热整个滚筒的水不同，蒸汽洗涤是以深层清洁衣物为目的，当少量的水进入蒸汽发生盒并转化为蒸汽后，通过高温喷射分解衣物污渍。蒸汽洗涤快速、彻底，只需要少量的水，同时可节约时间。对于放在衣柜很长时间产生褶皱、异味的冬季衣物，能让其自然舒展，抚平褶皱。“蒸汽烘干”的工作原理则是把恒定的蒸汽喷洒在衣物上，将衣物舒展开之后，再进行恒温冷凝式烘干。通过这种方式，厚重衣物不仅干得更快，并且具有舒展和熨烫的效果。蒸汽洗衣机之后，水力洗衣机、内燃机洗衣机也相继出现。水力洗衣机包括洗衣筒、动力源和与船相连接的连接件，洗衣机上设有进、出水孔，洗衣机外壳上设有动力源，洗衣筒上设有衣物进口孔，其进口上设有密封盖，洗衣机通过连接件与船相连。它无需任何电力，只需自然的河流水力就能洗涤衣物，解脱了船民在船上洗涤衣物的烦恼，节约时间，减轻家务劳动强度。1910年，美国的费希尔在芝加哥试制成功世界上第一台电动洗衣机。电动洗衣机的问世，标志着人类家务劳动自动化的开端。 1922年，美国玛塔依格公司改造了洗衣机的洗涤结构，把拖动式改为搅拌式，使洗衣机的结构固定下来，这也就是第一台搅拌式洗衣机的诞生。这种洗衣机是在筒中心装上一个立轴，在立轴下端装有搅拌翼，电动机带动立轴，进行周期性的正反摆动，使衣物和水流不断翻滚，相互摩擦，以此涤荡污垢。搅拌式洗衣机结构科学合理，受到人们的普遍欢迎。1932年，美国本德克斯航空公司宣布，他们研制成功第一台前装式滚筒洗衣机，洗涤、漂洗、脱水在同一个滚筒内完成。这意味着电动洗衣机的型式跃上一个新台阶，朝自动化又前进了一大步！第一台自动洗衣机于1937年问世。这是一种前置式自动洗衣机。靠一根水平的轴带动的缸可容纳4000克衣服。衣服在注满水的缸内不停地上下翻滚，使之去污除垢。到了40年代便出现了现代的上置式自动洗衣机。随着工业化的加速，世界各国也加快了洗衣机研制的步伐。首先由英国研制并推出了一种喷流式洗衣机，它是靠筒体一侧的运转波轮产生的强烈涡流，使衣物和洗涤液一起在筒内不断翻滚，洗净衣物。1955年，在引进英国喷流式洗衣机的基础之上，日本研制出独具风格、并流行至今的波轮式洗衣机。至此，波轮式、滚筒式、搅拌式在洗衣机生产领域三分天下的局面初步形成。60年代的日本出现了带干桶的双桶洗衣机，人们称之为“半自动型洗衣机”。70年代，生产出波轮式套桶全自动洗衣机。70年代后期，以电脑（实际上微处理器）控制的全自动洗衣机在日本问世，开创了洗衣机发展史的新阶段。80年代，“模糊控制”的应用使得洗衣机操作更简便，功能更完备，洗衣程序更随人意，外观造型更为时尚90年代，由于电机调速技术的提高，洗衣机实现了宽范围的转速变换与调节，诞生了许多新水流洗衣机。此后，随着电机驱动技术的发展与提高，日本生产出了电机直接驱动式洗衣机，省去了齿轮传动和变速机构，引发了洗衣机驱动方式的巨大革命。 之后，随着科技的进一步发展，滚筒洗衣机已经成了大家耳濡目染的产品。伴随着科技的进一步发展，相信新型更适合人们使用的洗衣机会给我们的生活带来新的方式。1.2 洗衣机的种类洗衣机一般可按自动化程度和结构原理两种方法进行分类。1.2.1、按洗衣机自动化程度分类 1、普通型洗衣机; 洗涤、漂洗、脱水各功能的操作都需用手工转换。这种洗衣机结构简单，价格便宜，占地少，容易搬动。它装有定时器，可根据衣物的脏污程度选定洗涤和漂洗时间，到达预定时间，即可自动停机。普通型洗衣机有单桶和双桶两种。不带脱水装置的洗衣机，衣物洗净后需人工拧干再去晾晒。 2、半自动型洗衣机; 在洗涤、漂洗、脱水功能中，其中任意两个功能的转换不用手工操作而能自动进行。一般由洗衣系统和脱水系统两部分组成，常见的为双桶半自动型洗衣机。在洗衣桶中可以按预定时间完成洗涤和漂洗程序，但不能自动脱水，需要人工把衣物从洗衣桶中取出，放入脱水机中甩干。 3、全自动型洗衣机; 洗涤、漂洗、脱水各功能间的转换全部不用手工操作，包括进水、排水在内的各工序都可以用程序控制器自动控制。衣物放入洗衣机后能自动洗涤、漂洗、脱水，全部程序自动完成。当衣物甩干后，蜂鸣器会发出声响。全自动型洗衣机多为套桶洗衣机，即洗衣桶和脱水桶套装一起。有一种带有传感器的高级微电脑全自动洗衣机，具有人工智能，它能根据洗涤物的数量、种类、脏污程度，自动选定对洗涤物的最佳程序，自动进行洗涤。1.2.2 按洗衣机的结构和工作方式来分类1、波轮式洗衣机洗衣特点：微电脑控制洗衣及甩干功能、省时省力。缺点：耗电、耗水、衣物易缠绕、清洁性不佳，适合洗涤衣物：除需要特别洗涤之外的所有衣物。波轮式洗衣机流行于日本、中国、东南亚等地2、滚筒式洗衣机洗衣特点：微电脑控制所有功能,衣物无缠绕。最不会损耗衣物的方式缺点：耗时，时间是普通的几倍，而且一旦关上门，洗衣过程中无法打开，洁净力不强。适合洗涤衣物：羊毛、羊绒以及丝绸、纯毛类织物。流行于欧洲、南美等主要穿毛、绵为主的地区，几乎100的家庭使用的都是滚筒洗衣机。3、搅拌式洗衣机洗衣特点：衣物洁净力最强，省洗衣粉缺点：喜欢缠绕相比前两种方式损坏性加大，噪音最大适合洗涤衣物：除需要特别洗涤之外的所有衣物。4、其他型式的洗衣机比如说波轮与搅拌式洗衣机、喷淋漂洗洗衣机、振动式洗衣机、超声波洗衣机都各有所长，但由于技术和价格的原因应用不广，但前景广阔。1.3 洗衣机发展趋势 现在的洗衣机真的是多种多样，滚筒洗衣机和波轮洗衣机将成为市场的主流，使用洗衣机就是图个方便省力，现在的全自动洗衣机都符合人们的要求。那么洗衣机还会怎样进步或发展呢？归纳起来，有如下几个趋势。高度自动化：现在洗衣机越来越高度自动化，只要衣服放入洗衣机，简单的按两个键，就会自动注水，一些先进的电脑控制洗衣机，还能自动的感觉衣物的重量，自动的添加适合的水量和洗涤剂，自动的设置洗涤的时间和洗涤的力度，洗涤完以后自动的漂洗甩干，更有些滚筒洗衣机还会将衣物烘干，整个洗衣的过程完成以后还会用动听的音乐声提醒用户，用户可以在洗衣的过程做其它的事，节省了不少的时间。总之，每一项技术的进步部极大地推动了洗衣过程自动化程度的提高。 健康化：现代人对健康格外的重视，对洗衣机也提出了更高的要求，有的洗衣机厂家采用纳米内桶，减少污垢附着，有的洗衣机设置有改进型漂洗程序，彻底漂净衣物上残留的洗涤剂，防止对人体的侵害。还有一些洗衣机采用臭氧进行杀菌，达到彻底灭菌的目的。节能：节能也是用户选择洗衣机时考虑的问题，有些洗衣机具有洗涤剂循环利用系统，可以将在外桶到排水泵之间浓度较高的洗涤剂通过循环水流带回外桶内，循环使用可以节约20%的洗涤剂。有的洗衣机采用专利的无孔内桶省水，普通的波轮洗衣机在注水的时候，内桶与外桶之间也有大量的水，洗涤的时候内桶外的水就浪费了，而无孔内桶只有内桶有水，这样可以充分的利用洗衣机内的水，注水的时候比其它洗衣机少使用40%的水量，同时也可以节省洗涤剂和省电。大容量和微型化：现代人居家总希望有宽敞的空间，因此各厂家都推出了超小型或超薄型的 洗衣机，比较有代表性的有小鸭的迷你滚筒洗衣机，海尔的小小神童波轮洗衣机，惠尔浦的维纳斯系列上开门立式滚筒洗衣机，西门子的40厘米超薄滚筒洗衣机满足了人们对占地空间的要求。品种多样化： 从洗涤形式上分波轮式、滚筒式洗衣机，从洗涤容量上自2公斤到7公斤有很多等级，高中低档洗衣机在功能上，还有很多不同，品种多样化的洗衣机满足了不同偏好的消费者的需求。1.4 我国洗衣机现状、质量分析及对策1.4.1 我国洗衣机现状中国洗衣机出口从 2003 年开始进入快速增长时期，洗衣机出口量平均速度达26%，出口额平均增速更超过 40%。但是进入 2009 年，受到全球金融危机的影响，中国洗衣机出口形势发生了巨大变化。2009 年 1 9月，中国洗衣机出口量和出口额双双以负增长报收，出口量为 967.84万台, 同比下降 14.87%；出口额为 12.04亿美元，同比下降 17.55%，占中国家电产品同期出口总额的 5.2%（详见下表）。中国洗衣机出口总额的80%以上来自波轮洗衣机和滚筒洗衣机，换句话说，这两种全自动洗衣机已经成为中国洗衣机出口的最主要机型，特别是滚筒洗衣机出口额始终保持强势，尤其在后几个月的出口增长趋势更是逐月增强。2009 年 1 9月中国共向171个国家和地区出口洗衣机，出口额超过1亿美元的国家只有日本，出口额超过 1000 万美元的国家多达25个，其中对美国、伊朗、俄罗斯和英国的出口额超过了5000万美元。值得一提的是， 2009 年 1 9月，在对欧盟乃至全球的洗衣机出口市场都出现下挫之时，对日本、英国、德国、摩洛哥、意大利等国的洗衣机出口却逆势增长。1.4.2 我国洗衣机质量分析我国家用洗衣机经过近三十年的发展,已从初期、 成长期进入到成熟期,随着城市居民生活水平的进一步提高及乡村城市化水平进程的加快,其需求量将进一步增加。然而随着近几年竞争压力的增加,一些较大的生产企业为降低成本,将技术含量较低的波轮式家用电动洗衣机转向中小企业定牌生产,而有些中小企业为降低成本,则采取了偷工减料、使用劣质零部件制造家用电动洗衣机,由此而侵害了消费者的合法权益,甚至发生人身伤害的严重事故,因此提高洗衣机产品的质量是目前需要迫切关注的问题 我国洗衣机产品质量问题分析近一段时期以来,国家家用电器质量监督检验中心受理的消费者投诉也逐渐增多,这也表明了这些企业生产的产品总体质量呈下降趋势,随着其产销量的增加也使得我国家用电动洗衣机的总体质量开始下滑。从国家监督抽查结果也明显反映出这一态势,其中问题主要体现在一下几个方面。(1) 工艺和技术不匹配节能降耗和高效一直是洗衣机产品研发工作的出发点,也是家电产业永恒的课题。 恰当解决产品的工艺设计以及零部件间的匹配问题不仅仅是某一家企业、 某一个品牌的重要任务,更是家电行业发展的关键。比如消费者总是喜欢容量大、 价格低的产品。企业就是利用了这个消费心理,在价格和机型不变的情况下标大容量,但是市场上许多5.8kg、 6.8kg、 7.8kg、 8.8kg 的系列机,主体机型却只是一种,有些也只是换了一下电机,就派生出了一个系列,这使得洗衣机的电机或者其他各工作部分与其大容量十分不匹配,洗涤性因此降低许多。(2) 电动机及其他零部件质量低下不合格电动机是洗衣机的心脏部件,也是成本中所占比重较大的一块,许多小型企业多采用质量低劣的低成本电动机,其效率低、 使用时温度高,直接影响洗涤效果,间接影响电机本身及周围部件的绝缘性能近年来原材料的价格上涨使得家用洗衣机的生产成本大幅提高,为了降低生产成本,生产者使用廉价的低质零部件、 在注塑件中加大回收料的用量,使用了这些零部件以后,整机的使用性能必然下降。 整机的损坏首先表现在零部件的损坏上,从而使得整机寿命降低。(3) 产品安全项目不合格 许多小型企业为了降低成本,多在外壳用料上做文章,例如降低外壳厚度、 加大散热孔面积,加上企业技术人员对标准理解不到位,其厚度降的过低、 开孔过大造成了产品外壳的防触电保护不符合标准要求。还有一些产品出现了发热、 非正常工作、功率不合格,主要是电机发热检验时发生了堵转,出现了冒烟现象;非正常工作检验时因洗涤电机发热过高导致绝缘失效;功率检验时实测值超过了明示额定功率规定的要求等等现象。1.4.3 提高我国洗衣机产品质量的对策(1) 加强洗衣机的科技研究工作,开创自主品牌应该看到很多质量问题,比如,外壳厚度、 散热孔面积不够,电机长时间工作引起温度过高而绝缘实效等等文的其根源是由于洗衣机设计不合理造成的。 目前我国洗衣机产品的研究发展本身的发展却大多集中在表面功能,快捷甚至外型设计上,而洗衣机使用的安全性、 持久性的改进却十分缓慢。 研发是一个企业长期持续发展的动力,国内洗衣机最大制造商海尔集团就十分注重产品的研发,为了进一步引进新的技术,海尔集团海尔洗衣机更是将联合世界500强企业GE进行技术合作,开发具有环保、 节能、 低噪音等特点的高品质的洗衣机产品。(2) 加强原材料以及出厂产品自身的质量检查国内大多数洗衣机制造企业的质量意识和检测装备都有很大的缺陷,这就造成了产品质量上的差距。 做出优质产品,企业需要自觉地采用严于国家标准的企业标准,自觉地做到自我把关,严格的按照国家、 行业的相关标准对即将出厂的产品进行细致的检查和性能测定,杜绝有质量缺陷的产品流入市场。 另外,一味的为了压低成本而使用质量低劣的原材料,不仅是对消费者和社会的不负责任,对企业的长期发展也是极端有害的。 为此,企业还应当培养和保留自己的优秀业务人员,也是提高企业的产品质量,保证企业长期持续发展的根本保证。(3) 政府要加大对定牌产品的管理力度在我国除海尔等少数厂家和某些国外品牌产品制造商以外,许多企业为了扩大自有品牌产品的市场销售份额,降低生产成本,寻找大批名不见经传的企业,组装其品牌产品,这一现象十分普遍。 事实上已经造成了国内众多品牌的产品中,相当一部分产品是由江浙一带的民营企业生产的。在对这些定牌产品进行质量监督抽查检验中,可能会遇到产品认定等方面的实际问题,但这些产品往往又是市场上销量最大的产品。 如果放松对这些定牌产品的质量监督,势必造成在产品质量监督领域内出现真空地带,因此政府质量监督管理部门加大对定牌产品的监管力度是非常必要的。(4) 搞好普法和标准的宣贯工作提高消费者质量意识在质量监督的过程中消费者的作用不容忽视,只有消费者的质量意识提高,才是我国产品质量提高的根本。 因此,要加强对洗衣机行业产品的安全标准和性能标准的宣贯力度。 大力宣传 中华人民共和国产质量法 、 消费者权益保护法 等相关规,生产者、 消费者提高法律意识,自觉制假冒伪劣产品,提高自我保护意识,使国家电的总体水平有所提高。第2章 单相异步电动机简介2.1 概述单相异步电动机又称为单相感应电动机由于单相电动机只需单相交流电源供电，因而被广泛地应用于小型机床、轻工设备、商业机械、食品加工机械、医疗卫生器械、家用电路、日用机电用具、轻小型农副机具等. 单相异步电动机之所以能广泛应用，因为它具有结构简单、价格低廉、运行可靠、噪声低、振动小、维护使用方便等一系列优点。它与同容量三相异步电动机相比较体积稍大，性能差，因而多制成微型和小型近年来单相异步电动机应用范围越来越广，不仅产量增加，品种增多，而且已向高力能指标，整马力系列电机发展。单相异步电动机的定于绕组并非只是一相绕组，因为这样的电动机并不能产生起动转矩。为了产生起动转矩，单相异步电动机定子上必须安放两个绕组，一个为主绕组，另一个为副绕组。转于绕组和一般的笼型转子完全一样。当定于绕组接到单相交流电源以后，在气隙中便产生旋转磁场，依靠电磁感应作用，使转子绕组感生电势和电流，从而产生电磁转矩，以实现电能和机械能的转换。2.2 单相异步电动机的种类单相异步电动机类型：(1)单相电阻分相起动异步电动机；(2)单相电容分相起动异步电动机；(3)单相电容运转异步电动机；(4)单相电容起动与运转异步电动机；(5)单相罩极式异步电动机。2.2.1单相电阻起动异步电动机 将m绕组和a绕组设计成不一样。m相匝数多、导线粗；a相匝数少而导线细。m相电抗大而电阻小；a相电抗小而电阻大。 图2.1 电阻分相启动异步电动机 起动时S合上，m和a通入被“分相”的电流，电动机起动，当转速达到75-80%同步转速时，S自动断开。电动机在m绕组单独驱动下运行。 图2.2 电阻分相启动电流关系及机械特性 曲线1为两绕组都通电的机械特性，曲线2为只有m绕组工作时的机械特性。 这种单相异步电动机两相电流相位相差不大，起动转矩较小Tst=(1.1-1.8)TN。 改变转向的方法：单独改变m或者a绕组的通电极性。 2.2.2 单相电容分相起动异步电动机 给a绕组中串接一个起动电容C，使得2绕组的阻抗不同，达到分相的目的。 图2.3 电容分相启动异步电动机接线图图2.4 电容分相启动电流关系及机械特性 优点：(1)配备合适的电容器可以使得m相和a相绕组的电流相位差接近90度。(2)这种电机的a绕组匝数不受限制，可以做成与m绕组一样，从而在起动时得到较为接近圆形的旋转磁势，提高起动转矩。(3)合成电流较小，即起动电流较小，而起动转矩较大，适合于对起动转矩要求较高的负载。 2.2.3 单相电容运转异步电动机 没有开关，a绕组不仅参与起动，而且参与运行。 图2.5 电容运转单相异步电动机接线图 实际上是两相运行电机。运行时气隙磁势接近圆形。电机的运行性能较好，功率因数、效率、过载能力都比电阻分相或者电容分相起动的单相电动机好。 副绕组要按照长期运行的设计标准设计。另外，由于阻抗随着转速变化，圆形起动和圆形运行难以兼顾，所以该类电动机起动性能不如电容分相起动单相异步电动机。 2.2.4 单相电容起动与运转异步电动机 为了克服电容运转电动机不能兼顾圆形起动和圆形运转的缺憾，在a绕组中采用两个并联的电容器。C为长期运行电容器，Cs为起动电容器。 图2.6 电容启动和运转单相异步电动机接线图起动时，串联在a绕组的总电容为C+Cs，较大，可以产生较圆形的旋转磁势；转速达到一定值后，Cs被开关甩开，运行时的磁势也接近圆形。 该类单相电动机中最理想的一类，起动转矩、最大转矩、功率因数、效率都提高了；电机噪声较小。2.3 单相异步电动机的工作原理单相异步电动机的定子上有两套绕组。一个称为主绕组(又叫工作绕组)，另一个称为副绕组(又叫起动绕组或辅助绕组)，二者共同产生旋转磁场，在转子上产生转矩，用以起动电动机。 我们先来看一种最简单的二相定子绕组。如下图2.7所示，图中导体m和导体m组成一个线圈，导体a和导体a组成另一个线圈，二个线圈在空间互相相隔90，每个线圈为一相，通以二相交流电流。假定二相电流的正方向是从绕组的始端到末端，既电流为正时，电流从导体m，a流入纸面，从导体m，a流出纸面。电流为负时则方向相反。在绕组中通过的二相对称电流的变化规律为 im=Imcoswt ig=Imcos(wt+90)二相电流随时间变化的曲线如图2.8所示。我们知道，当电流通过线圈时，就产生磁场。因此是交变电流，故线圈产生的磁场也是交变的。下面具体观察在几个不同瞬时定子二相绕组产生的合成磁场。 图2.7 最简单的二相绕组 图2.8 二相对称电流图2.9 两极旋转磁场的产生当wt=0时，由图2.8可以看出，im为正值，电流从导体m流入纸面，从导体m流出纸面；ig0。应用右手螺旋定则，可以确定合成磁场的方向。图2.9(2)表示这一瞬时三相绕组电流分布情况以及所产生的合成磁场方向。 当wt=45时，由图2.8可知im为正值，ig为负值。此时二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场如图2.9(b)所示。合成磁场的轴线比wt=0时的轴线沿逆时针方向在空间超前45。 用同样的方法，当wt=90，wt135，wt=180 ，wt=270时，由图2.8可以画出相应的二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场，分别表示在图2.9(c)，(d)，(e)，(f)中。当wt360时，又回到了图2.9(a)的情况。 由上述分析可以得出以下结论 （1）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。 （2）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。 （3）旋转磁场的转速与电流的频率有一定的关系。 由图29(a)到(b)，电流变化了45，旋转磁场逆时针在空间转过了45；由(b)到(c)，电流又变化了45，旋转磁场逆时针在空间继续转过了45可以推理当电流变化一个周期(即360)，旋转磁场逆时针在空间也转过了一转(即360)，若交流电流的频率f1为50Hz(即每秒变50周)，则旋转磁场在空间每秒也转了50转。所以两极旋转磁场每秒钟的转速为n1f1(rs)，每分钟的转速为n160f13000(rs)。既然一套mm。aa线圈通以二相交流电流产生一两极旋转磁场，那么沿定子圆周布置两套m1m1，a1a1和m2m2，a2a2线圈通以二相交流电流之后既能产生一个4极旋转磁场。由2.10就是这个二套线圈的布置图。用上述方法同样可以画出几个特定瞬时的二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场。这时，当电流变化一个周期（wt360）时，旋转磁场只转过半转。因此4极旋转磁场每秒的转数仅为交流电流频率数值的一半，即n1=f1(r/s)/2，每分钟的转速为n1=60f1/2=1500（r/min）。 推广到任意极数P的定子绕组旋转磁场转速为n1=f1(r/s)/(p/2)或n1=f1*50/(p/2)=120f1/p(r/min）由于旋转磁场转速n1于交流电流频率f1有上述固定关系，因此常把n1叫做做同步转速。如果定子两相绕组产生个2极逆时针旋转磁场。这时，转子绕组的导体与旋转磁场之间便有了相对运动，转子导体在磁场中切割磁力线时便产生感应电势，因而可以用右手定则来确定转子绕组导体中感应电势的方向，如图2.11所示。由于转子绕组是闭合的，所以在感应电势作用下，转子绕组导体中便有电流通过。我们知道，通电的导体在磁场中要受到电磁力的作用，其方向可由左手定则确定图2.11中，箭头表示电磁力F的方向，电磁力作用于圆柱形转子表面，从而产生电磁转矩，电磁转矩作用的方向与旋转磁场的方向一致当电磁转矩克服转子的静摩擦时，转子就会沿逆时针方向转动起来。 图2.10 4极绕组分布 图2.11 单相异步电动机工作原理如果定子上只有一相绕组，如图2.12所示在一相绕组中通入交流电流后，尽管电流随时间变化，且电机内产生的磁场也随时间变比，但却不能产生一个旋转磁场。在转子静止时转子绕组的导体中虽然也会感应电势从而产生感应电流，并且这些电流与一相绕组在电机内产生的磁场作用也会产生电磁力，但是因为这些电磁力产生购转处相互抵消，转子上没有受转矩作用，所以转子转不起来，仍处于静止状态。 因此，一般来说，只有在定子上存在二相绕组并通入二相交流电流时，才能在电机的气隙中产生旋转的磁场，转子才能转动起来。但转子转动起来以后，即使定子上只有一相绕组通电，转子却仍能产生驱动转矩，会使电机在一相绕组下继续以一定转速旋转。图2.12 一相绕组下的情况2.4 单相异步电动机的特点单相异步电机与三相异步电机相比较，其最大的不同，最主要的就是不对称，三相异步电机是具有三相对称绕组的电机，在外加三相电源对称条件下，实现平行运转，而单相异步电机则不然，供给它的是单相电源，为了使单相异步电机能够具有或接近三相异步电机的运行性能，采取了种种措施，如电的，磁路的，空间位置上的不对称。用这些不对称来应付电源上的不对称，这就是单相异步电机最本质的特点，分别介绍之。（1）电的不对称：电的不对称，就是在电路上的一些不对称，对于仅有单相绕组工作的电机，即分相电机，是没有办法使它工作在平衡条件下的，性能上总是有所失的。对于具有两相或三相绕组的电容电机，在单相电源条件下要它能实现平衡运行，就得要求各相电流在时间上要有相位差，这就需要各相回路参数不等，即电路不对称才行，假如各绕组是对称的，就应该通过外接移相电容元件（多是电容），来造成各回路的不对称，通常都是将电容电机设计成不对称的多相绕组，即各相绕组在槽形，槽数，匝数，线径上不相同，再配以移相元件，使电机能在平衡的条件下运行。（2）空间位置的不对称：单相异步电机的各相绕组在空间位置上并不像三相对称电机那样要求对称分布，只要求在空间最佳位置放置绕组，以求得最佳的工作状态。（3）磁路的不对称： 对于那些功率甚小的单相异步电机，性能要求不高，但求结构工艺简单，就宜采用多极的定子，集中的绕组，这样绕线、下线方便，可以简化制造工艺，又可利用它在气隙中上的不等和磁路上的不称来改善电机的运行性能。第3章 单相电容起动与运行电动机设计3.1 概 述单相电容异步电动机的副相绕组分相元件是电容器，如果此分相电容器在电机起动和运行时始终参与工作，则称为工作电容，这种电机就称为单相电容运转异步电动机。如果分相电容除了工作电容器外，还并联一个起动电容器，电机起动时，起动电容器和工作电容器同时参与工作，而当转子起动到75-80同步转速时，起动电容器由起动开关切离电源，仅留下工作电容器参与电机运行时的工作，则构成单相双值电容异步电动机，又称单相电容起动和运转异步电动机。可见，在电机正常运行时，这两种电机都只有一个工作电容器工作，其工作特性是完全相同的。只是在起动时，单相电容起动和运转异步电动机因为还有起动电容器同时参与工作，而且其值一般比工作电容器大得多，所以，只要电容选择得当，就可以获得良好的起动性能。当然，经过合理选择工作电容器，也可以得到与单相电容运转异步电动机同样良好的运行性能。通常，这两种电机的主相绕组和副相绕组分别占有相同的定子槽数。但是，在一般情况下，主、副相绕组的匝数各不相等，是不对称的两相绕组，再加上副绕组回路又串接电容，主、副相绕组回路的阻抗不等，其中的电流也不相等是不对称的两相电流，所以，气隙中的合成旋转磁势一般都是椭圆形的。单相异步电动机设计中应注意的有关问题：（1）主、副绕组用铜比例关系 在多数场合，电动机输入功率的大部分分配在主相绕组中，此时如把过半数的槽分配给主绕组，往往可获得较好的运转性能。一般随着电动机额定功率的下降，副绕组用铜量比例上升。在小容量电动机中，有时甚至需要让副绕组用铜量超过主绕组。对电容起动与运行式单相异步电动机而言，副绕组用铜量比例比电容运转电动机略小一些。（2）副绕组对主绕组的有效匝比a 电容运转电动机的有效匝比a的去职范围颇大：a=1-2。a值的选取原则有时是为了使电动机在正常运行点的气隙磁场接近圆形磁场，有时则是为了使电容器的端电压Uc接近电动机的运行电压。有时，调整a值的目的纯粹是为了使Uc接近于市售的电容器的标准规格所规定的电压。因过高的a值会使起动转矩下降，故电容起动与运行式单相异步电动机的a值上限，取决于启动条件。（3）电容器端电压Uc的计算 设主绕组电压为U，副绕组的电压为aU，且两者时间上的相位差为90，则电容器端电压为Uc=U式中 Uc电容器端电压，单位V由于电容器已经标准化生产，设计电动计时，C的计算值与市售标准值不一定相等。如果所选用的标准电容值小于设计计算值，则实际的Uc值会比上式计算值略高。由上式可见，a的上限值也受Uc的限制。3.2 单相电容起动与运转异步电动机的原理、特点及故障分析3.2.1单相电容运转异步电动机的原理单相电容运转异步电动机的接线图如图3-1所示。图3.1单相电容运行电动机接线图单相电容运转异步电动机的定子具有主绕组和副绕组，它们的轴线的空间相位上相差90电角度，副绕组串联一个工作电容器C（容量比电容器小得多）后，与主绕组并接于电源。它是在副相接以电容器与主相绕组并联于电网上的一种电动机，由于它的副绕组始终要通电。所以，它不需要起动继电器切除副回路。由于副绕组需长期运行，故副绕组与主绕组电密差不多，它的副绕组与电容器的选配，多是以工作时能有较好的性能指标为准则。副绕组串入电容器，考虑到长期工作的要求，应选用耐压较高的聚丙烯金属膜纸介电容器，容量较小，电容运转单相异步电动机的起动性能，如电容起动的单相电动机，它的起动转矩较低，起动电流也较大，电容电动机工作时，内部接迫害圆形磁场，因而效率与功率因数单绕组的异步电动机要高，且振动和噪音都比较低，因而房间空气调节器的电动机多数是用单相电容运转异步电动机，这种电动机不仅在起动时，而且在运行时也是一个两相电机，所以运行时在气隙中可以产生较强的旋转磁场，提高了它的运行性能，因而它的功率因数、效率、过载能力都比电阻起动和电容起动单相电机要好得多。3.2.2 单相电容运转异步电动机的特点单相电容电动机优点是：结构简单、成本低廉、噪音小、只需单相交流电源供电。单相电容电机的缺点是：故障率较高，主要表现为电机严重发热、转动无力、启动困难、烧保险丝等。3.2.3单相电容启动异步电动机常见故障及原因分析故障1:电源正常，通电后电机不能启动。原因是:1电机引线断路；2主绕组或副绕组开路；3离心开关触点合不上；4电容器开路；5轴承卡住；&转子与定子碰擦。故障2:空载能启动，或借助外力能启动，但启动慢且转向不定。原因是:1副绕组开路；2离心开关触点接触不良；3启动电容开路或损坏。故障3:电机启动后很快发热甚至烧毁绕组。原因是:1主绕组匝间短路或接地；主、副绕组之间短路；3启动后离心开关触点断不开；4主、副绕组相互接错；5定子与转子摩擦。故障4:电机转速低，运转无力。原因是:1主绕组匝间轻微短路；2运转电容开路或容量降低；3轴承太紧；4电源电压低。故障5:烧保险丝。原因是:1绕组严重短路或接地；2引出线接地或相碰；3电容击穿短路。故障6:电机运转时噪音太大。原因是:1绕组漏电；2离心开关损坏；3轴承损坏或间隙太大；4电机内进入异物根据负载性质的不同，电容电动机基本有以下两类（1）起动转矩要求不高，单向，连续运行这类负载如：风机、风扇、空调器、磨床等。它们的阻力主要来自风或外加的负载，这类负载的起动阻力矩较小，而起动后，它的阻力矩因风叶的性质随转速的二次方增大，负载的斜率，会超过电机的机械特性在非稳定区的斜率，这样，便能稳定运行在异步电机的各种转速上，包括非稳定区间，应用于这类负载上的电机，可能把它的工件重点设计在输出最大功率处，即接近于最大转矩外，这种电机的