單相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理.ppt

1、第一章單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理單相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和分類單相異步電動(dòng)機(jī)只需要單相交流電源，因此應(yīng)用廣泛。例如，小型機(jī)床、輕工設(shè)備、醫(yī)療機(jī)械、家用電器、電動(dòng)工具、農(nóng)用水泵、儀器儀表等許多領(lǐng)域。優(yōu)點(diǎn)：使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、維護(hù)方便等。與三相異步電動(dòng)機(jī)相比，其缺點(diǎn)是體積稍大，性能較差。單相異步電動(dòng)機(jī)的基本類型根據(jù)不同的起動(dòng)方法或運(yùn)行方式，單相電阻起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容起動(dòng)和運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)、單相罩極異步電動(dòng)機(jī)單相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子，其中定子由繞組和鐵芯組成。鐵芯通常由0.5毫米硅鋼片層壓而成。繞組分為主繞組和

2、輔助繞組，主繞組又稱為工作繞組，輔助繞組又稱為起動(dòng)繞組或輔助繞組。單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子也由鐵芯和繞組組成。其中，鐵芯也由0.5毫米的硅鋼片制成，繞組通常是鑄鋁籠。兩相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，最簡(jiǎn)單的兩相定子繞組如下，流經(jīng)繞組的兩相對(duì)稱電流的變化規(guī)律是兩相電流隨時(shí)間變化的曲線，如下圖所示，兩極旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)示意圖如下。從以上分析可以得出以下結(jié)論：當(dāng)一組空間分布相差90電角度的兩相繞組通電時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)與兩相繞組在空間中的位置和繞組中電流的相序有關(guān)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速與電流的頻率有一定的關(guān)系。同步速度的工作原理如下框圖所示。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子繞組電勢(shì)、轉(zhuǎn)子繞組電流、電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)被廣泛使用。單相電容運(yùn)行異

3、步電動(dòng)機(jī)和單相電容起動(dòng)運(yùn)行異步電動(dòng)機(jī)如下圖所示。第二章單相異步電動(dòng)機(jī)的繞組和磁勢(shì)，單繞組磁勢(shì)單相異步電動(dòng)機(jī)的繞組分為單層異步電動(dòng)機(jī)和單層異步電動(dòng)機(jī)。根據(jù)繞組的終端，可分為單層同心繞組、單層交叉繞組、單層鏈?zhǔn)嚼@組和雙層繞組。根據(jù)槽內(nèi)導(dǎo)體的分布，可分為幾種繞組，分布式繞組和正弦繞組。在單層同心繞組的實(shí)例2-1中，已知定子槽數(shù)Q1=24，極數(shù)p=4，并繪制了單層同心繞組的展開(kāi)圖。分極距和槽距角等于4個(gè)槽和120個(gè)相帶的主繞組的2/3。二次繞組占1/3，相當(dāng)于2個(gè)槽，為60相帶。兩個(gè)繞組由3個(gè)槽分開(kāi)，即90度電角度。單層同心繞組的展開(kāi)圖如下所示。對(duì)于電容操作的異步電動(dòng)機(jī)，主繞組和輔助繞組工作時(shí)間較長(zhǎng)，

4、因此兩個(gè)繞組占用的槽數(shù)通常相等。例2-2假設(shè)定子槽數(shù)Q1=16，極數(shù)p=2，畫一個(gè)單層同心繞組展開(kāi)圖。主繞組占極距和槽距角的1/2，即4個(gè)槽，即90相帶，輔助繞組占1/2，即4個(gè)槽，即90相帶。兩相繞組軸由4個(gè)槽分開(kāi)，即90度電角度。單層同心繞組的展開(kāi)圖如下，單層鏈?zhǔn)嚼@組的展開(kāi)圖可根據(jù)例2-1的繞組數(shù)據(jù)繪制。其中定子槽的數(shù)量Q1=24，極的數(shù)量p=4。單層鏈組的線圈形式類似于鏈?zhǔn)?，該繞組的節(jié)距必須是奇數(shù)。下圖所示單層鏈條纏繞展開(kāi)圖為Y=5。單層交叉繞組也能拉動(dòng)繞組膨脹這樣，可以連接雙層繞組，線圈的節(jié)距取為整個(gè)節(jié)距y=2。如下圖所示，如果短節(jié)距設(shè)計(jì)得當(dāng)，諧波磁勢(shì)可以減弱，磁勢(shì)波形可以改善。例如，

5、定子的槽號(hào)Q1=12，極號(hào)p=2。采用縮短1/3極距的短距離繞組，即線圈間距y=4。繪制雙層短距離繞組展開(kāi)圖，如下圖所示。兩個(gè)單相繞組磁勢(shì)，在單相繞組上施加交流電，產(chǎn)生脈沖振動(dòng)磁勢(shì)，其中正向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和反向旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)分別為，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為N，正序轉(zhuǎn)矩T對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率等于負(fù)序轉(zhuǎn)矩，正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)。正序扭矩和轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系如下圖所示。單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率和功率密度低于三相異步電動(dòng)機(jī)的主要原因是負(fù)序磁場(chǎng)的存在。三相繞組的磁勢(shì)，兩相交流電流被施加到兩相繞組。下圖為單相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)繞組電路與電容器串聯(lián)的示意圖，

6、即施加到兩相繞組的電流與施加電壓之間的矢量關(guān)系。其中，主繞組磁勢(shì)和副繞組磁勢(shì)電機(jī)中復(fù)合磁勢(shì)的性質(zhì)可在以下四種情況下討論。兩個(gè)繞組的磁勢(shì)大小相等，相角為90，也就是說(shuō)，有一個(gè)合成磁勢(shì)。因此，在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生沿正向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。兩個(gè)繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)大小不同，但相角仍為90，即電機(jī)中有兩個(gè)圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。這兩個(gè)不同振幅的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)的軌跡是一個(gè)橢圓，如下圖所示，所以它是一個(gè)橢圓旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。另外兩個(gè)案例采用與上述相同的方法進(jìn)行分析。在這兩種情況下，電機(jī)內(nèi)部的磁勢(shì)是橢圓旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。四個(gè)單相異步電動(dòng)機(jī)的諧波磁勢(shì)和單相繞組的諧波磁勢(shì)。通過(guò)對(duì)單相繞組磁勢(shì)的諧波分析，可以得出：?jiǎn)蜗嗬@組磁勢(shì)可以分解為基波和一系列高次

7、諧波的結(jié)論。由于諧波的極數(shù)是基波的倍，如果表示基波磁勢(shì)的極距和諧波極距被表示，在坐標(biāo)原點(diǎn)x=0，如果基波為正，則第三次諧波將為負(fù)，第五次諧波將為正，第七次諧波將為負(fù)。如下圖所示，基于上述基本概念，當(dāng)電流引入二次繞組時(shí)，二次繞組的磁勢(shì)方程為：主繞組軸線在空間上滯后于二次繞組軸線90電角度，主繞組電流在時(shí)間上滯后于二次繞組電流電角度，因此當(dāng)兩相繞組對(duì)稱運(yùn)行時(shí)，主繞組磁勢(shì)方程為兩相繞組的諧波磁勢(shì)，電流相位差為90。主副繞組中各諧波的幅值相等，各諧波的合成情況如下：基波的總合成基波磁勢(shì)為正向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，轉(zhuǎn)速為三次諧波的三次諧波合成磁勢(shì)為反向旋轉(zhuǎn)的圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。根據(jù)同樣的方法，可以得到兩相繞組產(chǎn)生的

8、諧波磁勢(shì)的頻率可以用下面的公式表示：當(dāng)頻率為負(fù)時(shí)，表示諧波合成磁勢(shì)反方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)次數(shù)為正數(shù)時(shí)，表示合成磁三次諧波的合成磁勢(shì)是在合成磁勢(shì)中既有正旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，也有反向旋轉(zhuǎn)的圓形磁勢(shì)，正向和反向旋轉(zhuǎn)速度是基波同步旋轉(zhuǎn)速度的1/3。用同樣的方法，我們可以分析任何諧波，并且我們可以得到，在不對(duì)稱運(yùn)行中，兩相繞組產(chǎn)生的每個(gè)諧波磁勢(shì)包含兩個(gè)分量。因此，不對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的諧波磁勢(shì)分量是對(duì)稱運(yùn)行時(shí)的兩倍。諧波頻率可由以下公式表示。在大多數(shù)情況下，單相異步電動(dòng)機(jī)的兩相繞組總是不對(duì)稱的，并且有許多諧波分量，因此諧波對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)的影響比三相異步電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重得多。諧波磁場(chǎng)對(duì)電機(jī)性能的影響主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)

9、增加電機(jī)的附加損耗；使電機(jī)振動(dòng)并產(chǎn)生噪音；會(huì)產(chǎn)生額外的扭矩，這使得電機(jī)難以啟動(dòng)。為了削弱諧波磁場(chǎng)，常用的有效措施是定子采用正弦繞組，轉(zhuǎn)子采用斜槽。五個(gè)正弦繞組，每個(gè)相繞組的每個(gè)線圈的匝數(shù)不相等，每個(gè)相繞組的導(dǎo)體按照余弦定律在空間中分布，使得空間中磁勢(shì)的分布盡可能為正弦波。如下圖所示，根據(jù)全電流定律，鐵中的磁阻被忽略，這些磁勢(shì)應(yīng)該在兩個(gè)氣隙中被消耗掉，所以在例2-4中，作用在每個(gè)氣隙上的磁勢(shì)是每極9個(gè)槽，如下圖所示。槽距角為20，計(jì)算正弦繞組的組成。計(jì)算遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的每個(gè)線圈側(cè)的空間電角度和余弦值。每個(gè)線圈側(cè)的余弦值之和為0.9850.8660.6430.342=2.836。每個(gè)線圈匝數(shù)占每極總

10、匝數(shù)的百分比取單相電容異步電動(dòng)機(jī)Q1=36，p=4，每極串聯(lián)匝數(shù)為96匝，然后Qp=9，槽距角為20。因此，例2-5槽距角為20，1槽和10槽為普通槽線圈，并計(jì)算正弦繞組的組成。每個(gè)線圈側(cè)遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)的空間電角度及其余弦值計(jì)算為0.50.93970.7660.5=2.706。每個(gè)線圈匝數(shù)占每極總匝數(shù)的百分比取為Q1=18，p=2，每極串聯(lián)匝數(shù)為40。因此，獲得了每個(gè)正弦繞組的匝數(shù)、六個(gè)正弦繞組的繞組系數(shù)，這是表示繞組性能的重要參數(shù)。計(jì)算正弦繞組的繞組系數(shù)時(shí)，應(yīng)注意以下兩個(gè)問(wèn)題。正弦繞組都是同心繞組，這些線圈的短距離系數(shù)不同，但所有線圈的中心線重合，正弦繞組的分布系數(shù)等于1。短程系數(shù)的定義和計(jì)算公式如下：以實(shí)例2-4為例，說(shuō)明正弦繞組系數(shù)的計(jì)算方法。線圈的短距離角和短距離系數(shù)計(jì)算如下。線圈的有效匝數(shù)為正弦繞組，繞組系數(shù)為七個(gè)轉(zhuǎn)子斜槽。正弦繞組能明顯削弱定子繞組產(chǎn)生的磁勢(shì)諧波，但不能消除磁勢(shì)諧波。如果磁勢(shì)曲線是正弦波，導(dǎo)體必須按照余弦定律連續(xù)分布。但實(shí)際上，導(dǎo)線總是放在槽中，或者為了節(jié)省銅線，經(jīng)常使用某些空槽，這樣導(dǎo)線就不能按照