單相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

關(guān)于單相異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三單相罩極式異步電動機(jī)

基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子由繞組和鐵心組成。鐵心一般由0.5mm的硅鋼片疊壓而成。繞組分為主繞組和副繞組，主繞組又稱工作繞組，副繞組又稱起動繞組或輔助繞組。

單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子也由鐵心和繞組組成。其中鐵心也由0.5mm的硅鋼片疊壓而成，繞組常為鑄鋁籠型。第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三二單相異步電動機(jī)的工作原理最簡單的二相定子繞組如下所示，在繞組中通過的二相對稱電流的變化規(guī)律為

二相電流隨時間變化的曲線如下圖所示

兩極旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的示意圖如下所示

第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三由上述分析可以得出以下結(jié)論：

一組空間分布相差90°電角度的二相繞組在通以二相對稱交流電時，產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)磁場

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向與兩相繞組在空間的位置和繞組中的電流相序有關(guān)

旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速與電流的頻率有一定的關(guān)系

其中同步轉(zhuǎn)速為

工作原理如下方框圖所示

旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)子繞組電勢轉(zhuǎn)子繞組電流電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三廣泛使用的單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)和單相電容起動和運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)如下圖所示第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三第二章單相異步電動機(jī)的繞組與磁勢一繞組磁勢

單相異步電動機(jī)的繞組按層數(shù)分為單層、雙層；按端接分為單層同心式、單層交叉式、單層鏈?zhǔn)胶碗p層疊繞組；按槽內(nèi)導(dǎo)體分布分為幾種繞組、分布繞組和正弦繞組等。

單層同心式繞組例2-1已知定子槽數(shù)Q1=24，極數(shù)p=4，畫出單層同心式繞組展開圖。解極距

槽距角

主繞組占2/3，等于4個槽，120°相帶。副繞組占1/3,等于2個槽，為60°相帶，兩繞組相距3個槽，即90°電角度。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三該單層同心式繞組的展開圖如下所示

對于電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)，主副繞組都長期工作，故通常兩繞組所占槽數(shù)相等。例2-2已知定子槽數(shù)Q1=16，極數(shù)p=2，畫出單層同心式繞組展開圖。

解極距第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三槽距角

主繞組占1/2,即4個槽，即90°相帶，副繞組占1/2,即4個槽，即90°相帶。兩相繞組軸線相距4個槽，即90°電角度。該單層同心式繞組展開圖如下所示

第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

單層鏈?zhǔn)嚼@組

可以根據(jù)例2-1繞組的數(shù)據(jù)畫制繞組展開圖。其中定子槽數(shù)Q1=24，極數(shù)p=4。單層鏈?zhǔn)饺唤M的線圈形式有如鏈型，這種繞組的節(jié)距必須為奇數(shù)。如下圖所示的單層鏈?zhǔn)嚼@組展開圖Y=5。第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

單層交叉式繞組同樣可以根據(jù)上述單相同心式繞組的數(shù)據(jù)畫出繞組展開圖，聯(lián)成的單層交叉式繞組如下圖所示。單層交叉式繞組的兩線圈端部叉開朝不同方向排列，這種繞組的節(jié)距為偶數(shù)，下圖所示Y=6。第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

雙層疊繞組

雙層疊繞組是把定子每個槽分為上、下兩層，上層嵌放在一個線圈的圈邊，下層嵌放在另一個線圈的圈邊。例2-3一臺300mm臺扇，定子槽數(shù)Q1=8,轉(zhuǎn)子槽數(shù)Q2=17，極數(shù)p=4，畫出雙層疊繞組展開圖。解極距

槽距角

主繞組占1/2,即1個槽，90°相帶，副繞組占1/2,即1個槽，90°相帶。這樣可以聯(lián)成雙層繞組，取線圈的節(jié)距為整距y=2，如下圖所示

第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

如果短距設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以削弱諧波磁勢，改善磁勢波形。例如：一臺定子槽數(shù)Q1=12，極數(shù)p=2，采用縮短1/3極距的短距繞組，即取線圈節(jié)距y=4，畫制雙層短距繞組展開圖如下所示第12頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三二單相繞組磁勢單相繞組通以交流電流，產(chǎn)生脈振磁勢

其中正向旋轉(zhuǎn)磁勢和反向旋轉(zhuǎn)磁勢分別為

如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n，對應(yīng)正序轉(zhuǎn)矩T+的轉(zhuǎn)差率為而對應(yīng)負(fù)序轉(zhuǎn)矩T-的轉(zhuǎn)差率為

第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三正序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著正序旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子順著負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)，正負(fù)序轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系如下圖所示

單相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率密度比三相異步電動機(jī)低的主要原因是存在負(fù)序磁場。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三三兩相繞組的磁勢兩相繞組通以兩相交流電流，下圖為起動繞組回路串入電容的單相異步電動機(jī)原理圖即兩相繞組通入電流和外施電壓的向量關(guān)系。

其中，主繞組磁勢第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三副繞組磁勢電機(jī)內(nèi)的合成磁勢

合成磁勢的性質(zhì)可以分下面四種情況討論。

兩個繞組的磁勢大小相等，相位角為90°，即

于是有

因此，合成磁勢為

因此，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的是一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。

第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三兩個繞組產(chǎn)生的磁勢大小不等，但相位角仍為90°，即

于是有

因此，合成磁勢為

此時，電機(jī)內(nèi)部存在著兩個圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。這兩個幅值不同的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢的軌跡為一橢圓，如下圖所示，因此這是一個橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。

第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

應(yīng)用上面同樣的方法對其余的兩種情況進(jìn)行分析

在這兩種情況下，電機(jī)內(nèi)部的磁勢均為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。

第18頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三四單相異步電動機(jī)的諧波磁勢

單相繞組的諧波磁勢

對單相繞組的磁勢進(jìn)行諧波分析，可以得到如下結(jié)論:單相繞組磁勢可以分解為基波和一系列高次諧波。

由于諧波的極數(shù)為基波的倍，如果令表示基波磁勢的極距，表示諧波極距，則

在坐標(biāo)原點(diǎn)x=0處，如果基波為正值，3次諧波便為負(fù)值，5次諧波又為正值，7次諧波又為負(fù)值等等。如下圖所示

第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三基于上述基本概念，當(dāng)副繞組通入電流時，副繞組的磁勢方程式為

主繞組軸線在空間上落后于副繞組軸線90°電角度，且主繞組電流在時間上落后于副繞組電流電角度，故主繞組磁勢方程式為

兩相繞組的諧波磁勢

兩相繞組對稱運(yùn)行時的諧波磁勢

兩相繞組對稱運(yùn)行時，電流之間的相位差為90°。主副繞組各次諧波的幅值相等，此時各次諧波合成情況如下

第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三基波總的合成基波磁勢為合成基波磁勢為一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，轉(zhuǎn)速為

三次諧波總的3次諧波合成磁勢為

第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三

即3次諧波合成磁勢是一個反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，其轉(zhuǎn)速為5次諧波5次諧波合成磁勢為5次諧波合成磁勢是一個正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，其轉(zhuǎn)速為

根據(jù)同樣的方法，可以得到，在對稱運(yùn)行時，兩相繞組產(chǎn)生的諧波磁勢次數(shù)可用下式表示即

第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三當(dāng)次數(shù)為負(fù)號時，表示該次諧波合成磁勢反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)次數(shù)為正號時，表示該次諧波合成磁勢正方向旋轉(zhuǎn)。諧波磁勢的轉(zhuǎn)速為

其中n1是基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速。

兩相繞組不對稱運(yùn)行時的諧波磁勢

兩相繞組不對稱運(yùn)行時的合成磁勢為橢圓形旋轉(zhuǎn)磁勢。取諧波磁勢的幅值不等，但所得結(jié)論能適用其他情況。

基波兩相合成的基波磁勢為第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三基波合成磁勢中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢，且轉(zhuǎn)速為基波旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1。3次諧波3次諧波的合成磁勢為

在合成磁勢中，既有正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，又有反向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢，且正反向的轉(zhuǎn)速均為基波同步轉(zhuǎn)速的1/3。

第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三用同樣的方法，可以對任意次諧波進(jìn)行分析可得，在不對稱運(yùn)行時，兩相繞組所產(chǎn)生每一次諧波磁勢都包含兩個分量。因此，不對稱運(yùn)行時的諧波磁勢分量要比對稱運(yùn)行時多一倍。其諧波次數(shù)可用下式表示

由于絕大多數(shù)情況下，單相異步電動機(jī)的兩相繞組總是不對稱的，諧波分量比較多，所以諧波對單相異步電動機(jī)的影響要比對三相異步電動機(jī)嚴(yán)重得多。

諧波磁場對電機(jī)性能的影響主要表現(xiàn)在下面三個方面：使電機(jī)的附加損耗增加；引起電機(jī)振動，并產(chǎn)生噪聲；產(chǎn)生附加轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的起動發(fā)生困難。

為了削弱諧波磁場，常用的有效措施就是定子采用正弦繞組及轉(zhuǎn)子采用斜槽等等。

第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三五正弦繞組組成每相繞組的各個線圈的匝數(shù)不相等，每相繞組的導(dǎo)體在空間按余弦規(guī)律分布，使其產(chǎn)生的磁勢在空間的分布盡可能是一個正弦波。如下圖所示

依全電流定律，略去鐵中磁阻，這些磁勢應(yīng)消耗在兩個空氣隙上，故作用在每個氣隙上的磁勢為第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三例2-4每極槽數(shù)9槽，如下圖所示。槽距角為20°，求正弦繞組的構(gòu)成。

解計(jì)算每個線圈邊離坐標(biāo)原點(diǎn)的空間電角度及其余弦值第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三每極線圈邊余弦值的總和為0.985+0.866+0.643+0.342=2.836每個線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)為

取單相電容異步電動機(jī)Q1=36，p=4，每極串聯(lián)匝數(shù)為96匝，則Qp=9，槽距角20°，于是第28頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三例2-5每極槽數(shù)9槽，如下圖所示。槽距角為20°，1槽和10槽為共槽線圈，求正弦繞組的構(gòu)成。

解計(jì)算每個線圈邊離坐標(biāo)原點(diǎn)的空間電角度及其余弦值每極線圈邊余弦值的總和為0.5+0.9397+0.766+0.5=2.706

每個線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分?jǐn)?shù)第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三取單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動機(jī)Q1=18,p=2,每極串聯(lián)匝數(shù)為40匝，于是得其正弦繞組的每線圈匝數(shù)第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期三六正弦繞組的繞組系數(shù)繞組系數(shù)是表示繞組性能的重要參數(shù)。在計(jì)算正弦繞組的繞組系數(shù)時，應(yīng)注意下面兩個問題。

正弦繞組都采用同心式繞組，這些線圈的短距系數(shù)各不相等，但所有線圈的中心線都重合在一起，正弦繞組的分布系數(shù)等于1.短距系數(shù)的定義及計(jì)算公式為下面以例2-4為例說明正弦繞組系數(shù)的計(jì)算方法。

計(jì)算線圈的短距角及短距系數(shù)如下第31頁，共37頁，2023年，2月20日，星