单相异步电动机结构与工作原理

1、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

2、。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 cos mm iIt cos(90 ) am iIt 由上述分析可以得出以下结论： u 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 u 旋转磁场的转向与两相绕组在空间的位

3、置和绕组中的电 流相序有关 u 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

4、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。 1 24 6 4 Q p 180 30 24 p 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1 16 8 2 Q p 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 1 180 22.5 p Q 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

5、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

6、/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 1 8 2 4 Q p 1 180 90 p Q 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 ( , )Fcos coscos()cos() 22 FF f x txtxtxt ( , )cos() 2 F

7、 fx txt ( , )cos() 2 F fx txt 1 1 nn ss n 1 1 2 nn ss n 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 F cos(90)cos() cos() (90)cos() (90) 22 mm mm fxt

8、 FF xtxt 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。 F cos coscos()cos() 22 aa aa FF fxtxtxt am fff ,90 ma FFF cos()cos() 22 a FF fxtxt cos()cos() 22 m FF fxtxt cos() am fffFxt 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

9、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。 ,90 ma FF cos()cos() 22 aa a FF fxtxt cos()cos() 22 mm m FF fxtxt cos()cos() am fffFxtFxt 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。 ,90 ma FFF ,90 ma FF 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: u单相绕组磁势可以分解为基波和一系列高次谐波。 u 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

10、距，则 u 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 1 1 1 , pp 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 2cos aa iIt 1357 ( , )coscos3cos5cos7cos aaaaa fx tFxFxFxFxt 13

11、 57 ( , ) cos(90 )cos3(90 ) cos5(90 )cos7(90 )cos() mmm mm fx tFxFx FxFxt u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 u 三次谐波 总的3次谐波合成磁势为 111 1 ( , )cos coscos()cos() 2 a fx tFxtFxtxt 111 1 ( , )cos(90 )cos(90 )cos()cos() 2 m fx tFxtFxtxt 1111 ( , )cos() am f xtffFxt 1 120 ( / min) f nr p 333 1 ( , )cos3 co

12、scos(3) cos(3) 2 a fx tFxtFxtxt 333 1 ( , )cos3(90 )cos(90 ) cos(3)cos(3) 2 m Fx tFxtFxtxt 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 u 5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) am f x tffFxt 31 1 3 nn 555 1 ( , )cos5 coscos(5)cos(5) 2 a fx tFxtFxtxt 555

13、 1 ( , )cos5(90 )cos(90 )cos(5)cos(5) 2 m fx tFxtFxtxt 5555 ( , )cos(5) am f x tffFxt 51 1 5 nn 41(0, 1, 2, 3,)kk 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。 u 基波 两相合成的基波磁势为 1 1 nn 111 1 ( , )cos cosco

14、s()cos() 2 aaa fx tFxtFxtxt 111 1 ( , )cos(90 )cos(90 )cos() cos() 2 mmm fx tFxtFxtxt 111 1111 ( , )( , )( , ) 11 ()cos()()cos() 22 am amam f x tfx tfx t FFxtFFxt 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。 u 3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。 333 1 (

15、, )cos3 coscos(3)cos(3) 2 aaa fx tFxtFxtxt 333 1 ( , )cos3(90 )cos(90 )cos(3)cos(3) 2 mmm fx tFxtFxtxt 333 3333 ( , )( , )( , ) 11 ()cos(3)()cos(3) 22 am amam fx tfx tfx t FFxtFFxt 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

16、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： u使电机的附加损耗增加； u引起电机振动，并产生噪声； u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,)kk 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 ( )(

17、)2( ) xx fxA x dxIn 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 11 22 33 44 11 2010 ,cos0.985 22 33 2030 ,cos0.866 22 55 2050 ,cos0.643 22 77 2070 ,cos0.342 22 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 0.985 191

18、00%34.6% 2.836 0.866 28100%30.6% 2.836 0.643 37100%22.7% 2.836 0.342 46100%12.1% 2.836 线圈占 线圈占 线圈占 线圈占 1 996 34.6%33.233 2 896 30.6%29.4 3 796 22.7%21.822 4 696 12.1% 11.612 线圈：，取 匝 线圈：，取29匝 线圈：，取匝 线圈：，取 匝 例2-5 每极槽数9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 每极线圈边余弦值的总和为 0.5+0.9

19、397+0.766+0.5=2.706 每个线圈匝数占每极总匝数的百分数 11 22 33 44 1 00 ,cos0.5 2 120 ,cos0.9397 240 ,cos0.766 360 ,cos0.5 0.5 110100%18.5% 2.706 0.9397 29100%34.7% 2.706 0.766 38100%28.3% 2.706 0.5 47100%18.5% 2.706 线圈占 线圈占 线圈占 线圈占 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圈匝数 1 10400 18.5%7474 2 9400 34.7% 138.8

20、139 3 8400 28.3% 113.2113 4 7400 18.5%7474 线圈：，取 匝 线圈：，取匝 线圈：，取匝 线圈：，取 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。 u 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. u短距系数的定义及计算公式为 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 cos, 2 p K 短距线圈磁势 其中 为短距角 整距线圈磁势 11 22 33 44 1 1912020cos0.9848 2 1 2832060cos0.866 2 1 37520100cos0.6428 2 1 46720140cos0.342 2 线圈短距角，短距系数