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 。head2right 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checkbld 单相电阻起动异步电动机checkbld 单相电容起动异步电动机checkbld 单相电容运转异步电动机checkbld 单相电容起动和运转异步
2、电动机checkbld 单相罩极式异步电动机head2right 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cosm mi I t=cos( 90 )a mi I t = +由
3、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。head2righ
4、t 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 。1 2 4 64Qp = = =180 3024p = =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 1 6 82Qp = = =槽距角主绕组占 1/2,即 4个槽 ，即 90相带 ，副绕组
5、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11 8 0 2 2 .5pQ= =head2right 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。head2right 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。head2ri
6、ght 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1 8 24Qp = = =1180 90pQ= =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
7、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 cos cos( ) cos( )2 2F Ff x t x t x t x t = = + +( , ) cos( )2Ff x t x t+ = ( , ) cos( )2Ff x t x t = +11n ns sn+= =112n ns sn += = 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
8、 ，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 )2 2m mm mf x tF Fx t x t = = + + + +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
9、正向旋转的圆形旋转磁势 。F cos cos cos( ) cos( )2 2a aa a F Ff x t x t x t = = + +a mf f f= +, 90m aF F F = = =cos( ) cos( )2 2a F Ff x t x t = + +cos( ) cos( )2 2m F Ff x t x t = +cos( )a mf f f F x t= + = 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 。,
10、90m aF F =cos( ) cos( )2 2a aa F Ff x t x t = + +cos( ) cos( )2 2m mm F Ff x t x t = +cos( ) cos( )a mf f f F x t F x t + = + = + + 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 。, 90m aF F F = = , 90m aF F 四单相异步电动机的谐波磁势head2right 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
11、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 111 , p p = =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head2right 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2 cosa ai I t=
12、1 3 5 7( , ) cos cos3 cos5 cos7 cosa a a a af x t F x F x F x F x t= + +1 35 7( , ) cos( 90 ) cos3( 90 )cos5( 90 ) cos7( 90 ) cos( )m m mm mf x t F x F xF x F x t = + + 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 三次谐波总的 3次谐波合成磁势为1 1 11( , ) cos cos cos( ) cos( )2af x t F x t F x t x t = = + +1 1 11( , ) cos(
13、 90 )cos( 90 ) cos( ) cos( )2mf x t F x t F x t x t = = +1 1 1 1( , ) cos( )a mf x t f f F x t= + = 1120 ( / min)fn rp=3 3 31( , ) cos3 cos cos(3 ) cos(3 )2af x t F x t F x t x t = = + +3 3 31( , ) cos3( 90 )cos( 90 ) cos(3 ) cos(3 )2mF x t F x t F x t x t = = + +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 5次谐波5次
14、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3 3 3 3( , ) cos(3 )a mf x t f f F x t= + = +3 113n n= 5 5 51( , ) cos 5 cos cos(5 ) cos(5 )2af x t F x t F x t x t = = + +5 5 51( , ) cos 5( 90 ) cos( 90 ) cos(5 ) cos(5 )2mf x t F x t F x t x t = = +5 5 5 5( , ) cos(5 )a m
15、f x t f f F x t= + = 5 115n n=4 1( 0, 1, 2, 3, )k k = + = 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 。 基波两相合成的基波磁势为11n n =1 1 11( , ) cos cos cos( ) cos( )2a a af x t F x t F x t x t = = + +1 1 11( ,
16、 ) cos( 90 )cos( 90 ) cos( ) cos( )2m m mf x t F x t F x t x t = = +1 1 11 1 1 1( , ) ( , ) ( , )1 1( ) cos( ) ( ) cos( )2 2a ma m a mf x t f x t f x tF F x t F F x t = += + + +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。 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
17、1/3。3 3 31( , ) cos 3 cos cos(3 ) cos(3 )2a a af x t F x t F x t x t = = + +3 3 31( , ) cos 3( 90 ) cos( 90 ) cos(3 ) cos(3 )2m m mf x t F x t F x t x t = = + +3 3 33 3 3 3( , ) ( , ) ( , )1 1( ) cos(3 ) ( ) cos(3 )2 2a ma m a mf x t f x t f x tF F x t F F x t = += + + +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
18、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 。(4 1)( 0, 1, 2, 3, )k k = + = 五正弦绕组组成每相绕
19、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0 0( ) ( ) 2 ( )x xf x A x dx I n 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1 12 23 34 41 1 20 10 , cos 0.9852 23 3 20 30 , cos 0.8662 25 5 20 50 , cos 0.6432 27
20、7 20 70 , cos 0.3422 2 = = = = = = = = = = = = =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0.9851 9 100% 34.6%2.8360.8662 8 100% 30.6%2.8360.6433 7 100% 22.7%2.8360.3424 6 100% 12.1%2.836 = = = =线圈 占线圈 占线圈 占线圈 占1 9 96 34.6% 33.2 332 8
21、96 30.6% 29.43 7 96 22.7% 21.8 224 6 96 12.1% 11.6 12 = = = =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+0.9397+0.766+0.5=2.706每个线圈匝数占每极总匝数的百分数1 12 23 34 410 0 , cos 0.521 20 ,cos 0.93972 40 ,cos 0.7663 60 ,cos 0
22、.5 = = = = = = = = =0.51 10 100% 18.5%2.7060.93972 9 100% 34.7%2.7060.7663 8 100% 28.3%2.7060.54 7 100% 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 10 400 18.5% 74 742 9 400 34.7% 138.8 1393 8 400 28.3% 113.2 1134 7 400 18.5% 74 74 = = = =线圈 ： ，取 匝线圈 ： ，取 匝线圈 ： ，取 匝线圈 ： ，取 匝
