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

im I m cos t ia I m cos( t 90 )

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

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 电磁转矩 转子绕组电流 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。 Q1 24 6 解 极距 p 4 p 180 30 槽距角 24 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。

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 Q1 16 8p 2

槽距角

p 180

22.5 Q1

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

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。 Q 8 解 极距 1 2 p 4 p 180 90 槽距角 Q1

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

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

F F f ( x, t ) Fcos x cos t cos( x t) cos( x t) 2 2其中正向旋转磁势和反向旋转磁势分别为 F f ( x, t ) cos( x t ) 2F f ( x, t ) cos( x t ) 2

如果转子转速为n,对应正序转矩T+的转差率为

n1 n s s n1

而对应负序转矩T-的转差率为

n1 n s 2 s n1

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 m Fm cos( x 90 )cos( t ) Fm Fm cos[( x t ) ( 90 )] cos[( x t ) ( 90 )] 2 2

副绕组磁势

电机内的合成磁势

Fa Fa f a Fa cos x cos t cos( x t ) cos( x t ) 2 2

f fa fm

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Fm Fa F ,

90 F F f a cos( x t ) cos( x t ) 2 2 F F f m cos( x t ) cos( x t ) 2 2

f f a f m F cos( x t ) 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。

两个绕组产生的磁势大小不等，但相位角仍为90°,即

Fm Fa , 90 于是有Fa Fa f a cos( x t ) cos( x t ) 2 2fm Fm F cos( x t ) m cos( x t ) 2 2

因此，合成磁势为

f f a f m F cos( x t ) F cos( x t )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。

应用上面同样的方法对其余的两种情况进行分析

Fm Fa F , 90

Fm Fa , 90

在这两种情况下，电机内部的磁势均为椭圆形旋转磁势。

四 单相异步电动机的谐波磁势

a) b)

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: 单相绕组磁势可以分解为基波和一系列高次谐波。 由于谐波的极数为基波的 倍，如果令 1 表示基波磁势 的极距， 表示谐波极距，则 1 1 , p p

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

基于上述基本概念，当副绕组通入电流 ia 2 I a cos t 时，副绕组的磁势方程式为

f a ( x, t ) [ Fa1 cos x Fa 3 cos3x Fa 5 cos5x Fa 7 cos 7 x ]cos t

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f m ( x, t ) [ Fm1 cos( x 90 ) Fm3 cos3( x 90 ) Fm5 cos5( x 90 ) Fm 7 cos 7( x 90 ) ]cos( t )

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

①

基波

总的合成基波磁势为

1 F1[cos( x t ) cos( x t )] 2 1 f m1 ( x, t ) F1 cos( x 90 ) cos( t 90 ) F1[cos( x t ) cos( x t )] 2 f a1 ( x, t ) F1 cos x cos t

合成基波磁势为一个正向旋转的圆形磁势，转速为n1 ②

f1 ( x, t ) f a1 f m1 F1 cos( x t )120 f (r / min) p

三次谐波1 f a 3 ( x, t ) F3 cos3x cos t F3[cos(3x t ) cos(3x t )] 21 Fm3 ( x, t ) F3 cos3( x 90 ) cos( t 90 ) F3[ cos(3x t ) cos(3x t )] 2

总的3次谐波合成磁势为