1、第一章 單相異步電動機結構與工作原理一 基本結構與分類 單相異步電動機只需單相交流電源供電，因而應用非常廣泛。如，小型機床、輕工設備、醫療機械、家用電器、電動工具、農用水泵、儀器儀表等眾多領域。 優點：使用方便、結構簡單、運行可靠、價格低廉、維護方便等等，與三相異步電機相比，缺點為體積稍大、性能稍差。單相異步電動機的基本類型 單相異步電動機根據起動方法或運行方式的不同，可以分為以下幾類單相電阻起動異步電動機單相電容起動異步電動機 單相電容運轉異步電動機單相電容起動和運轉異步電動機 單相罩極式異步電動機 基本結構 單相異步電動機包括定子和轉子兩部分，其中定子由繞組和鐵心組成。鐵心一般由0.5mm

2、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。 單相異步電動機的轉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。二 單相異步電動機的工作原理 最簡單的二相定子繞組如下所示，在繞組中通過的二相 對稱電流的變化規律為 二相電流隨時間變化的曲線如下圖所示 兩極旋轉磁場產生的示意圖如下所示 cosmmiItcos(90 )amiIt由上述分析可以得出以下結論：I. 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，產生一旋轉磁場II. 旋轉磁場的轉向與兩相繞組在空間的位置和繞組中的電流相序有關III. 旋轉磁場的

3、轉速與電流的頻率有一定的關系 其中同步轉速為 工作原理如下方框圖所示 旋轉磁場轉子繞組電勢轉子繞組電流電磁轉矩轉子旋轉 廣泛使用的單相電容運轉異步電動機和單相電容起動和運轉異步電動機如下圖所示第二章 單相異步電動機的繞組與磁勢一 繞組磁勢 單相異步電動機的繞組按層數分為單層、雙層；按端接分為單層同心式、單層交叉式、單層鏈式和雙層疊繞組；按槽內導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Q1=24，極數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

4、角度。12464Qp1803024p該單層同心式繞組的展開圖如下所示 對于電容運轉異步電動機，主副繞組都長期工作，故通常兩繞組所占槽數相等。例2-2 已知定子槽數Q1=16，極數p=2，畫出單層同心式繞組展開圖。 解 極距11682Qp 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 118022.5pQ 單層鏈式繞組 可以根據例2-1繞組的數據畫制繞組展開圖。其中定子槽數Q1=24，極數p=4。單層鏈式然組的線圈形式有如鏈型，這種繞組的節距必須為奇數。如下圖所示的單層鏈式繞組展開圖Y=5

5、。 單層交叉式繞組 同樣可以根據上述單相同心式繞組的數據畫出繞組展開圖，聯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，這種繞組的節距為偶數，下圖所示Y=6。 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Q1=8,轉子槽數Q2=17，極數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。這樣可以聯成雙層繞組，取線圈的節距為整距y=2，如下圖所示 1824Qp118090pQ 如果短距設計得當，可

6、以削弱諧波磁勢，改善磁勢波形。例如：一臺定子槽數Q1=12，極數p=2，采用縮短1/3極距的短距繞組，即取線圈節距y=4，畫制雙層短距繞組展開圖如下所示二 單相繞組磁勢 單相繞組通以交流電流，產生脈振磁勢 其中正向旋轉磁勢和反向旋轉磁勢分別為 如果轉子轉速為n，對應正序轉矩T+的轉差率為 而對應負序轉矩T-的轉差率為 ( , )Fcos coscos()cos()22FFf x txtxtxt( , )cos()2Ffx txt( , )cos()2Ffx txt11nnssn112nnssn 正序旋轉磁場產生的轉矩使轉子順著正序旋轉磁場方向旋轉，而負序旋轉磁場產生的轉矩使轉子順著負序旋轉磁場

7、方向旋轉，正負序轉矩與轉差率的關系如下圖所示 單相異步電動機的轉矩、效率、功率密度比三相異步電動機低的主要原因是存在負序磁場。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原理圖即兩相繞組通入電流和外施電壓的向量關系。 其中，主繞組磁勢F cos(90)cos()cos() (90)cos() (90)22mmmmfxtFFxtxt 副繞組磁勢 電機內的合成磁勢 合成磁勢的性質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，電機內部產生的是一個正向旋轉的圓形旋轉磁勢。 F cos coscos()co

8、s()22aaaaFFfxtxtxtamfff,90maFFFcos()cos()22aFFfxtxtcos()cos()22mFFfxtxtcos()amfffFxt兩個繞組產生的磁勢大小不等，但相位角仍為90，即 于是有 因此，合成磁勢為 此時，電機內部存在著兩個圓形旋轉磁勢。這兩個幅值不同的圓形旋轉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磁勢。 ,90maFFcos()cos()22aaaFFfxtxtcos()cos()22mmmFFfxtxtcos()cos()amfffFxtFxt 應用上面同樣的方法對其余的兩種情況進行分析 在這兩種情況下，電機內部的磁勢均為橢圓形旋

9、轉磁勢。 ,90maFFF,90maFF四 單相異步電動機的諧波磁勢 單相繞組的諧波磁勢 對單相繞組的磁勢進行諧波分析，可以得到如下結論:a)單相繞組磁勢可以分解為基波和一系列高次諧波。b) 由于諧波的極數為基波的 倍，如果令 表示基波磁勢的極距， 表示諧波極距，則c) 在坐標原點x=0處，如果基波為正值，3次諧波便為負值， 5次諧波又為正值，7次諧波又為負值等等。如下圖所示 111, pp 基于上述基本概念，當副繞組通入電流 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

10、對稱運行時的諧波磁勢 兩相繞組對稱運行時，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 2cosaaiIt1357( , )coscos3cos5cos7cosaaaaafx tFxFxFxFxt1357( , ) cos(90 )cos3(90 )cos5(90 )cos7(90 )cos()mmmmmfx tFxFxFxFxt基波 總的合成基波磁勢為 合成基波磁勢為一個正向旋轉的圓形磁勢，轉速為 三次諧波 總的3次諧波合成磁勢為 1111( , )cos coscos()cos()2afx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )

11、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次諧波合成磁勢是一個反向旋轉的圓形旋轉磁勢，其轉速為 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的圓形磁勢，其轉速為 根據同樣的方法，可以得到，在對稱運行時，兩相繞組產生的諧波磁勢次數可用下式表示即 3333( , )cos(3)amf x tffFx

12、t3113nn 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 當次數為負號時，表示該次諧波合成磁勢反方向旋轉；當次數為正號時，表示該次諧波合成磁勢正方向旋轉。諧波磁勢的轉速為 其中n1是基波旋轉磁場的同步轉速。 兩相繞組不對稱運行時的諧波磁勢 兩相繞組不對稱運行時的合成磁勢為橢圓形旋轉磁勢。取諧波磁勢的幅值不等，但所得結論能適用其他情況。 基波 兩相合

13、成的基波磁勢為11nn1111( , )coscoscos()cos()2aaafx tFxtFxtxt1111( , )cos(90 )cos(90 )cos() cos()2mmmfx tFxtFxtxt1111111( , )( , )( , )11()cos()()cos()22amamamf x tfx tfx tFFxtFFxt 基波合成磁勢中，既有正向旋轉的圓形旋轉磁勢，又有反向旋轉的圓形旋轉磁勢，且轉速為基波旋轉磁場的同步轉速n1。 3次諧波 3次諧波的合成磁勢為 在合成磁勢中，既有正向旋轉的圓形磁勢，又有反向旋轉的圓形磁勢，且正反向的轉速均為基波同步轉速的1/3。 3331(

14、 , )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 用同樣的方法，可以對任意次諧波進行分析可得，在不對稱運行時，兩相繞組所產生每一次諧波磁勢都包含兩個分量。因此，不對稱運行時的諧波磁勢分量要比對稱運行時多一倍。其諧波次數可用下式表示 由于絕大多數情況下，單相異步電動機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

15、步電動機的影響要比對三相異步電動機嚴重得多。 諧波磁場對電機性能的影響主要表現在下面三個方面：I.使電機的附加損耗增加；II.引起電機振動，并產生噪聲；III.產生附加轉矩，使電機的起動發生困難。 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子采用斜槽等等。 (41)(0,1,2,3,)kk 五 正弦繞組 組成每相繞組的各個線圈的匝數不相等，每相繞組的導體在空間按余弦規律分布，使其產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，這些磁勢應消耗在兩個空氣 隙上，故作用在每個氣隙上的磁勢為00( )( )2( )xxfxA x dxIn x dx例2-

16、4 每極槽數9槽，如下圖所示。槽距角為20，求正弦繞組的構成。 解 計算每個線圈邊離坐標原點的空間電角度及其余弦值11223344112010 ,cos0.98522332030 ,cos0.86622552050 ,cos0.64322772070 ,cos0.34222每極線圈邊余弦值的總和為 0.985+0.866+0.643+0.342=2.836每個線圈匝數占每極總匝數的百分數為 取單相電容異步電動機Q1=36，p=4，每極串聯匝數為96匝，則Qp=9，槽距角20，于是0.98519100%34.6%2.8360.86628100%30.6%2.8360.64337100%22.7%

17、2.8360.34246100%12.1%2.836線圈占線圈占線圈占線圈占1 996 34.6%33.2332 896 30.6%29.43 796 22.7%21.8224 696 12.1% 11.612線圈：，取 匝線圈：，取29匝線圈：，取匝線圈：，取 匝例2-5 每極槽數9槽，如下圖所示。槽距角為20，1槽和10槽為共槽線圈，求正弦繞組的構成。 解 計算每個線圈邊離坐標原點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 每個線圈匝數占每極總匝數的百分數11223344100 ,cos0.52120 ,cos0.9397240

18、,cos0.766360 ,cos0.50.5110100%18.5%2.7060.939729100%34.7%2.7060.76638100%28.3%2.7060.547100%18.5%2.706線圈占線圈占線圈占線圈占 取單相電容運轉異步電動機Q1=18,p=2,每極串聯匝數為40匝，于是得其正弦繞組的每線圈匝數1 10400 18.5%74742 9400 34.7% 138.81393 8400 28.3% 113.21134 7400 18.5%7474線圈：，取 匝線圈：，取匝線圈：，取匝線圈：，取 匝六 正弦繞組的繞組系數 繞組系數是表示繞組性能的重要參數。在計算正弦繞組的繞組系數時，應注意下面兩個問題。一 正弦繞組都采用同心式繞組，這些線圈的短距系數各不相等，但所有線圈的中心線都重合在一起，正弦繞組的分布系數等于1.二短距系數的定義及計算公式為 下面以例2-4為例說明正弦繞組系數的計算方法。 計算線圈的短距角及短距系數如下cos,2pK短距線圈磁勢其中 為短距角整距線圈磁勢1122334411912020cos0.9848212832060cos0.8662137520100cos0.64282146720140cos0.3422 線圈短距角，短距