李紅軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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單相異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與分析

李紅軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要對(duì)單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理及特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并對(duì)電磁設(shè)計(jì)中的橢圓形磁勢(shì)、正負(fù)序感電勢(shì)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了分析，重點(diǎn)提出單相異步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)，以達(dá)到提高電機(jī)的運(yùn)行效率、節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞單相異步電機(jī);電磁設(shè)計(jì);起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

0引言

近年來(lái)隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的單相異步電動(dòng)機(jī)發(fā)展很快，需求量的增長(zhǎng)帶動(dòng)著單相異步電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量不斷上升，功率范圍也不斷擴(kuò)大。作為電能的產(chǎn)生、傳輸、使用和電能特性發(fā)生變化的核心裝備，異步電動(dòng)機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)行業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。其具有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。隨著電力電子器件以及交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，由異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速器組成的交流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能、經(jīng)濟(jì)性能已經(jīng)可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，且使用維護(hù)簡(jiǎn)便，因此應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

1異步電動(dòng)機(jī)的原理及特點(diǎn)

1.1單相異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)

小功率電動(dòng)機(jī)是一種在氣隙磁場(chǎng)中通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電動(dòng)機(jī)。由于其運(yùn)行轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率之比不是恒定值，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在不致引起誤解或混淆的情況下，一般也可以稱之為異步電動(dòng)機(jī)。其工作原理和特點(diǎn)是：定子繞組由兩相繞組(主繞組、副繞組)組成，兩繞組相軸夾角為90°，副相外接電容。當(dāng)兩繞組接入電壓時(shí)，由于電容接于副繞組，會(huì)使副繞組電流滯后主繞組電流90°電角度，兩相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)合成橢圓磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子即在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)中定子產(chǎn)生橢圓磁場(chǎng)，其效率明顯低于產(chǎn)生圓形磁場(chǎng)的三相異步電機(jī)，其氣隙中諧波較大，振動(dòng)和噪聲也較大。

1.2單相異步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)的區(qū)別

單相異步電動(dòng)機(jī)與三相異步電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別就在于它的不對(duì)稱。三相對(duì)稱電動(dòng)機(jī)工作時(shí)，內(nèi)部是圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);而單相異步電動(dòng)機(jī)在一般情況下，內(nèi)部則是橢圓形磁場(chǎng)，僅在某一轉(zhuǎn)速上滿足條件時(shí)才是圓形磁場(chǎng)。一個(gè)內(nèi)部是橢圓形磁場(chǎng)的電機(jī)是同樣能工作的，只是它的性能要不及圓形磁場(chǎng)的好；對(duì)于一個(gè)橢圓形磁場(chǎng)，可看作是一個(gè)正序圓形磁場(chǎng)與一個(gè)負(fù)序圓形磁場(chǎng)共同作用下，當(dāng)正序轉(zhuǎn)矩大于負(fù)序轉(zhuǎn)矩時(shí)便會(huì)向正向旋轉(zhuǎn)，反之亦然。電容電動(dòng)機(jī)是由定子上處于不同空間位置，并流著不同時(shí)間相位電流的主副繞組共同作用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的，由這一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用就會(huì)使電機(jī)起動(dòng)運(yùn)行。

1.3單繞組異步電動(dòng)機(jī)的雙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分析

當(dāng)一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，如果定子有一相線斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，若電動(dòng)機(jī)軸上所帶的負(fù)載不太大的話，則電動(dòng)機(jī)將繼續(xù)運(yùn)行。只不過(guò)此時(shí)的工作電流增大，電動(dòng)機(jī)的溫升提高，轉(zhuǎn)速有所下降，但實(shí)際上這臺(tái)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)處于單相運(yùn)行了，此時(shí)若切斷電源，電動(dòng)機(jī)將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。若待轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn)后，仍使開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)，再次接通電源后，電動(dòng)機(jī)就不能重新起動(dòng)，由此可見(jiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)在作單相運(yùn)行時(shí)，機(jī)械特性較“軟”，效率較低，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零等，異步電動(dòng)機(jī)在單、三相運(yùn)行時(shí)，性能差異的根本原因就在于兩者氣隙磁場(chǎng)的性質(zhì)是不同的。

2脈振磁勢(shì)的設(shè)計(jì)與分析

2.1橢圓形磁勢(shì)

設(shè)電動(dòng)的定子鐵心上放有兩套繞組M和A，在空間上，它們軸間的夾角為θ電角度，分別對(duì)時(shí)間t作正弦變化的交流電流im和ia，且設(shè)時(shí)間上ia導(dǎo)前im一個(gè)ψ角。

仍取電動(dòng)機(jī)氣隙圓周空間坐標(biāo)直線x=0與相軸A重合。合成磁勢(shì)幅值的失端點(diǎn)軌跡是一個(gè)長(zhǎng)軸為f+和f-幅值之和，短軸為f+和f-幅值之差的橢圓。這就是所謂的橢圓磁勢(shì)，如圖1所示。

有時(shí)為了改善電機(jī)的性能，故意把電機(jī)設(shè)計(jì)成θ≠90°；有時(shí)為了通用定子沖片，也會(huì)導(dǎo)致兩相繞組相軸夾角θ≠90°。在這些情況下，為獲得圓形磁場(chǎng)，在相位上就必須考慮θ+ψ=180°這個(gè)條件了。總之，橢圓磁勢(shì)可以分解為兩個(gè)速率相等，轉(zhuǎn)向相反而幅值不等的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)。當(dāng)正、負(fù)序磁勢(shì)大小相等時(shí)，就是脈振磁勢(shì)，當(dāng)負(fù)序磁勢(shì)大于零時(shí)，就成了圓形磁勢(shì)了。

2.2正、負(fù)序感應(yīng)電勢(shì)

定子的正、負(fù)序磁勢(shì)經(jīng)與轉(zhuǎn)子作用后要分別合成正、負(fù)序磁場(chǎng)、磁通。將在定、轉(zhuǎn)子繞組上分別感應(yīng)有電勢(shì)，其效應(yīng)是迭加的，在電路上就是串聯(lián)的。分析時(shí)是把多相鼠籠轉(zhuǎn)子等效為具有主繞組匝數(shù)的對(duì)稱兩相轉(zhuǎn)子。這樣在定、轉(zhuǎn)子繞組上將感應(yīng)有相同的電勢(shì)。獨(dú)立觀察每個(gè)圓形磁勢(shì)的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子開(kāi)路時(shí)，所感應(yīng)的電勢(shì)如圖2所示。

實(shí)際轉(zhuǎn)子為短路且旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子對(duì)于正、負(fù)序磁勢(shì)的效應(yīng)，就表現(xiàn)為電路影響著正序磁勢(shì)。

2.3起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分析

2.3.1起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，單向，連續(xù)運(yùn)行

這類負(fù)載如：風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、空調(diào)器、磨床等。它們的阻力主要來(lái)自風(fēng)或外加的負(fù)載，這類負(fù)載的起動(dòng)阻力矩較小，而起動(dòng)后，其阻力矩因風(fēng)葉的性質(zhì)隨轉(zhuǎn)速的二次方增大，負(fù)載的斜率會(huì)超過(guò)電機(jī)的機(jī)械特性在非穩(wěn)定區(qū)的斜率。這樣，便能穩(wěn)定運(yùn)行在異步電機(jī)的各種轉(zhuǎn)速上，包括非穩(wěn)定區(qū)間，應(yīng)用于這類負(fù)載上的電機(jī)，可能把它的工件重點(diǎn)設(shè)計(jì)在輸出最大功率處，即接近于最大轉(zhuǎn)矩外。這種電機(jī)的轉(zhuǎn)子要盡可能小，副繞組和電容的設(shè)計(jì)就在額定時(shí)出現(xiàn)圓形磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)稱運(yùn)行為準(zhǔn)，以保證力能指標(biāo)(η、cosθ)高，噪聲小，通用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如DO2系列電機(jī)，就是具有這樣性質(zhì)的一類電機(jī)。

2.3.2起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大，雙向旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)間短

這類負(fù)載如洗衣機(jī)、小型提升絞車(chē)等。它們的特點(diǎn)是工作時(shí)間短，不連續(xù)，鑒于電機(jī)的工作時(shí)間短，故可以在適當(dāng)降低力能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，從設(shè)計(jì)上采取一些措施(如增大轉(zhuǎn)子電阻等)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為了實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，多使用主、副繞組具有相同匝數(shù)。單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)的定子具有主繞組和副繞組，它們的軸線的空間相位上相差90°電角度，副繞組串聯(lián)一個(gè)工作電容器C(容量比電容器小得多)后，與主繞組并接于電源。

3單相異步電機(jī)設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

3.1電的不對(duì)稱

就是電在電路上的一些不對(duì)稱，

3.2空間位置的不對(duì)稱

單相異步電機(jī)的各相繞組在空間位置上并不像三相對(duì)稱電機(jī)那樣要求對(duì)稱分布，只要求在空間最佳位置放置繞組，以求得最佳的工作狀態(tài)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它的空間位置是不對(duì)稱的。

3.3磁的不對(duì)稱

對(duì)于那些功率甚小的單相異步電動(dòng)機(jī)，性能要求不高，結(jié)構(gòu)工藝簡(jiǎn)單，就宜采用多極的定子，集中的繞組，這樣繞線、下線方便，可以簡(jiǎn)化制造工藝，又可利用它在氣隙中上的不等和磁場(chǎng)上的不稱來(lái)改善電機(jī)的運(yùn)行性能。

4結(jié)語(yǔ)

單相異步電動(dòng)機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)和日常家庭電器中的應(yīng)用非常廣泛，但由于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)(特別是負(fù)載較輕時(shí))，功率因數(shù)比較低，會(huì)造成供電電源設(shè)備容量利用率低以及供電線路有功損耗大等問(wèn)題。因此，本文對(duì)單直異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與各方面的特點(diǎn)進(jìn)行了分析，希望對(duì)研究單相異步電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制問(wèn)題提供可靠的理論依據(jù)。

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Design and Analysis on Single-Phase Induction Motor

LiHongjun

(Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper introduces the working principle and characteristics of single-phase induction motor in detail, analyzes the elliptical magnetomotive force, positive-and negative-sequence induced electromotive force as well as starting torque in electromagnetic design, and emphatically proposed key attentions in design of single-phase induction motor to achieve purposes of improving operation efficiency and saving energy.

Key wordsSingle-phase induction motor；electromagnetic design；starting torque

收稿日期：2015-08-26

作者簡(jiǎn)介：李紅軍1974年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)工作.

中圖分類號(hào)：TM343+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-7281(2016)01-0006-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.02