1、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 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 cosmmiItcos(90 )amiIt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
2、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。 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
3、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。12464Qp1803024p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11682Qp 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 118022.5pQ 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
4、=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1/2,即1个槽，90相
5、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 1824Qp118090pQ 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()22FFf x txtxtxt( , )cos()2Ffx txt( , )cos()2Ffx txt11nnssn11
6、2nnssn 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)22mmmmfxtFFxtxt 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，
7、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()22aaaaFFfxtxtxtamfff,90maFFFcos()cos()22aFFfxtxtcos()cos()22mFFfxtxtcos()amfffFxt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。 ,90maFFcos()cos()22aaaFFfxtxtcos()cos()22mmmFFfxtxtcos()cos
8、()amfffFxtFxt 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。 ,90maFFF,90maFF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: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, 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
9、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 2cosaaiIt1357( , )coscos3cos5cos7cosaaaaafx tFxFxFxFxt1357( , ) cos(90 )cos3(90 )cos5(90 )cos7(90 )cos()mmmmmfx tFxFxFxFxt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 1111( ,
10、)cos coscos()cos()2afx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )cos()cos()2mfx tFxtFxtxt1111( , )cos()amf xtffFxt1120( / min)fnrp3331( , )cos3 coscos(3) cos(3)2afx tFxtFxtxt3331( , )cos3(90 )cos(90 ) cos(3)cos(3)2mFx 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 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
11、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)amf x tffFxt3113nn 5551( , )cos5 coscos(5)cos(5)2afx tFxtFxtxt5551( , )cos5(90 )cos(90 )cos(5)cos(5)2mfx tFxtFxtxt5555( , )cos(5)amf x tffFxt5115nn41(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
12、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11nn1111( , )coscoscos()cos()2aaafx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )cos() cos()2mmmfx tFxtFxtxt1111111( , )( , )( , )11()cos()()cos()22amamamf x tfx tfx tFFxtFFxt 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
13、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。 3331( , )cos3 coscos(3)cos(3)2aaafx tFxtFxtxt3331( , )cos3(90 )cos(90 ) cos(3)cos(3)2mmmfx tFxtFxtxt3333333( , )( , )( , )11()cos(3)()cos(3)22amamamfx tfx tfx tFFxtFFxt 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。
14、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。 (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
15、应消耗在两个空气 隙上，故作用在每个气隙上的磁势为00( )( )2( )xxfxA 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11223344112010 ,cos0.98522332030 ,cos0.86622552050 ,cos0.64322772070 ,cos0.34222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
16、.98519100%34.6%2.8360.86628100%30.6%2.8360.64337100%22.7%2.8360.34246100%12.1%2.836线圈占线圈占线圈占线圈占1 996 34.6%33.2332 896 30.6%29.43 796 22.7%21.8224 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+0.9397+0.766+0.5=2.7
17、06 每个线圈匝数占每极总匝数的百分数11223344100 ,cos0.52120 ,cos0.9397240 ,cos0.766360 ,cos0.50.5110100%18.5%2.7060.939729100%34.7%2.7060.76638100%28.3%2.7060.547100%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%74742 9400 34.7% 138.81393 8400 28.3% 113.21134 7400 18.5%7474线圈：，取
18、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。一 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1.二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,2pK短距线圈磁势其中 为短距角整距线圈磁势1122334411912020cos0.9848212832060cos0.8662137520100cos0.64282146720140cos0.3422 线圈短距角，短距
19、系数线圈短距角，短距系数线圈短距角，短距系数线圈短距角，短距系数线圈的有效匝数为正弦绕组的绕组系数为1122334411 9Wcos34.6 0.9848 34212 8W cos30.6 0.866 26.5213 7W cos22.7 0.6428 14.6214 6W cos12.1 0.342 4.142线圈有效匝数线圈有效匝数线圈有效匝数线圈有效匝数11223344111111W cosW cosW cosW cos79.2422220.7924100dPPKKW七 转子斜槽 采用正弦绕组可以明显削弱定子绕组产生的磁势谐波，但不能消除磁势谐波。要使磁势曲线为一正弦波，则导体必须按余弦
20、规律连续分布。但实际上导体总是放在槽内，或者为了节省铜线，往往采用一定的空槽，这样导体就不可能按余弦规律连续分布，而是断续分布的。这种绕组产生的磁势呈现阶梯形，如下图所示 生产实践通常采用转子斜槽来进一步削弱谐波磁势对电机起动性能和运行性能产生的不利影响。 所谓转子斜槽，就是转子上的槽不是与转子轴线平行，而是斜过一个角度。转子槽斜过的距离一定要等于能产生附加转矩的那一次谐波极距的2倍，如下图所示，即 转子斜槽程度是根据谐波强度来确定的。采用转子斜槽不仅可以大大削弱异步附加转矩，还可以削弱转子齿谐波与定子齿谐波磁场之间的相互作用，减少同步附加转矩、振动和噪声。2skb 但同时，斜槽也带来不利影响，可使转子漏抗增加，从而使最大转矩即功率因数稍有下降。
