4 单相单相异步电动机机设计

单相單相异步电动机机只需单相电源供电 使用方便 ， 广泛应用于工业、农业和人民 H 常生活的各个领域、如用在洗衣机、电风扇、冰箱、空调器等日用电器以及驱动水泵、鼓风机、 碾米饲料粉碎机、磨粉机、切肉机和各种电动工具等

本章扼要介绍单相单相异步电动机机的类型 、 特点 、 基木系列及主要性能指标 ； 分析单相笮绕组 、 相轴正交与非正交的仅绕组 、 三绕组以及各种抽头绕组电机的性能 ； 介绍设计原理 ， 决定电机尺寸和绕组参数的具体方法、提供单相单相异步电动机机和罩极式单相单相异步电动机机的设计程序

42 单梠单相异步电动机机嘚类型及特点

根据单相单相异步电动机机起动方法的不同以及起动忭能 、 运行性能的差别 ， 一般分成以 F 几种类型 ：

电阻起动单相单相异步電动机机 ；

电容起动单相单相异步电动机机 >

电容运转单相单相异步电动机机 ；

双值电容单相异歩电动机 （ 即电容起动与电容运转 ） ；

罩极單相单相异步电动机机

各种单相单相异步电动机机的容量范围 ， 与电动机的起动和 ;

能有密切关系 例如 ， 电阻起动电动机 由于起动电鋶大 ， 它的容量上限就受单相电网的限制 ； 电容起动电动机的起动电流小而起动转矩大 所以其容量可大些 ； 电容运转电动机的效率和功率因数高 ， 但起动转矩偏小、为加大起动转矩而选用容量较大的电容器 这又会影响电机的运行性能和成本 ， 故容量一般偏小 ； 双值电容電动机 可兼顾起动及运行性能 ， 它的容量范围可较大 a

1 . 电阻起动单相单相异步电动机机电阻起动单相单相异步电动机机的定子有两套绕组 一套是主绕组 ， 也叫运行绕组 ； 另 … 套是副绕里 也叫起动绕组 ， 如图 4 - la 所示 6 它们的轴线一般在空间上相差9 CT 电角度 副绕组通过一个起动開关和主绕组并联接到单相电源上 。 当转子转速上升到同步速度的 75 %-80 % 时 通过起动开关将副绕组切离电源 ， 由主绕组单独工作 常用的起动開关一种是离心开关 ， 装在电机轴上 当转速达到同步速的 75 %- 80 %

时 ， 依靠离心块的离心力克服弹簧的拉力 （ 或压力 ） 使动触头与静触头搬离接触 ， 切断了副绕組电路另一种是起动继电器 W 的 t 电流型起动继电器 t它的吸引线圈串联在主绕组中 ， 起动时主绕组的起动电流较大 使继電器动作 ， 电机的副绕组通过触头接到电源上 随着转速升高 ， 主绕组中的电流减小 减小到一定程度时 ， 继电器复位 副绕组的触头断開 ， 脱离电源

为使副绕组得到较高的电阻与电抗的比值 以使副绕组中的起动电流在相位上超前于主绕组的起动电流 ， 通常采用如下措施 ：

( 1 )用较细的铜线 以增大电阻 ；

（ 2）部分线圈反绕 ， 以增大电阻减小电抗 ；

（ 3 ) 用电阻率较卨的铝线 ； （ 4 ) 串入一个外加电阻

2 - 电容起动单相單相异步电动机机电较起动单相单相异步电动机机的接线如图心 lb 所示 ， 它的副绕组与起动电容器串联 舒起动幵关与绕组并接后接于电源 。 副绕组 W 路阻抗呈容性 而 i 绕组的阻杭 S 感性 ， 因此 . 起动时副绕组的起动电流较主绕组的起动电浠超前个较大的角度 若电容器容 M 配得合适 ， 可使副绕组电流超削 」 : 绕组电流 90 ° 电角度 从而可得到比电阻起动电动机有更人的起动转矩 ， 而起动电流则较小

由丁起动电容器只在起动时使用 ， a 通电时间不长 而一般要求电容量较大 ， 故常选用电解电容器 t

3 .电容运转单相单相异步电动机机电容运转单相单相异步电动机機的接线图如图 4 - lu 所示 这种电动机不仅在起动时 ， 而且在运行时也是… 个两相电机 所以运行时在气隙屮吋以产生较强的旋转磁场 ， 提高叻它的运行性能 因而它的功率因数 、 效率 、 过载能力都比电阻起动和电容起动的单相电动机好 。 由于副绕组 ? 长期运行 故副绕组电密應与主绕组电密差不多 。 副绕组串人的电容器 考虑到长期工作的要求 ， 应选用耐压较高的聚丙烯电容器 电容运转单相异歩电动机的起動性能不如电容起动的单相电动机 ， 它的起动转矩较低 起动电流也较大 。

4 .双值电容单相单相异步电动机机双值电容单相单相异步电动机機的副绕组与两个并联的电容器串联后接到电源 如图 4 - ld 所示 。 当电机转速达 75 % 80 % 同步转速时 通过起动开关将起动电容器切离电頫 ， 而工作电嫆与副绕组继续参与运行 这种电动机的特点是 ： 运行性能及起动性能都较好 ， 电机噪声较小 所以它是单相电机中比较理想的一种电机 。

5 . 罩极式单相单相异步电动机坏 1 ? L 罩极式单相单相异步电动机机的结构分为凸极式和隐极式两种 其原理完全相同 。 凸极式结构简单 如图 4 - 2 所示 s 隐极式具有分布绕组 ， 其绕组连接方法在 4 . 7 节中叙述 凸极式

电机的每个极上有集中绕组( 即主绕组 ）。 极面的一边约 1 /图 4 2 罩 极 式 单 相 异 步 3 處开有小槽 小槽中放有短电动机结构原理路的铜环 （ 叫短路环 ） . 铜环把部分磁极罩了起来 ， 故有罩极电动机之称 ? 罩极电动机产生的起動转矩很小 它只能使用在轻载起动 ， 即起动转矩小于额定转矩5 倍的情况 由于它的结构简单 ，制造方便 所以常用在小型电风扇 、 电唱機等起动转矩较小的场合 。

4.3额定數据及主要性能指标

单相单相异步电动机机的额定数据一般包括 ：

( 1 )额定功率额定运行时 轴上的有效输出功率 （ W ) ;

( 4 )额定转速心 ； 额定运行时的转速 （ r / min ) .单相单相异步电动机机的主要性能指标一般包括 ：

( 3 )起动转矩倍数

（ 5 )最大转矩倍数

（6 ) 最小转矩倍数

4.4 運行性能的分祈与计算

目前 * 常见的单相异步电机电磁设计程序 ， 多采用双旋转磁场法来分析计算它的性能 本手册对电磁计算程序将叙述單相单绕组和相轴正交的单相双绕组电机运行性能的计算方法 ， 而相轴非正交双绕组 Y 联结三绕组 、 抽头调速单相单相异步电动机机性能汾析与计算的理论基础与单相单绕组和相轴正交的单相双绕组电机的相同 . 本节介绍用双旋转磁场法推导出的几种绕组类型电机的等效电路 、 电压平衡方程式和正 、 负序电流的计算公式 3 在此基础上 ， 只要按 F 述公式 即可求得对应电机的电磁转矩 、 输出功率 、 损耗和各项性能 。

丅面用双旋转磁场分忻法 简要分析几种类型绕组单相电机的性能 .

4 * 4.1 单相单绕组电机运行时的等效电路与性能计算

从理论上看 ， 单相单绕组電机运行性能的分析 是单相多绕组电机性能分析的基础 。 任何单相多绕组电机总可 H 算为一台等效的单相单绕组电机来进行分析计算 . 实际仩 电阻起动和电容起动单相异歩电动机的正常运行状态 ， 就是单相单绕组电机运行的实例

在单相单绕组电动机运行时 ， 气隙中的基波磁场一般总存在与电动机转向一致的正序磁场和转向相反的负序磁场 正序磁场与转子相互作用 ， 使电机处于电动机运行状态 转差率为負序磁场与转子相互作用 ， 使电机处干电磁制动状态 转差率为 （ 2 —走子电流 A 产生的正 、 负序磁动势大小相等 、 速率相同且方向相反 I 面由轉子正序电流产生的正序磁动势以及负序电流“产生的负序磁动势 ， 各与定子电流产生的正 、 负序磁动势同步旋转 除 s = l 的工况外 ， 转子产苼的正 、 负序磁动势大小不等H面定 、 转子合成的正 、 负序气隙磁动势的大小也不相等 ?它们在定子绕组所感应的正序电动势五 / 与负序电动勢忆大小也不相等 ^ 单相单绕组运行时的等效电路 如图 4 - 3 所示 。

进一步简化图 4 _ 3 中的正 、 负序磁场所对应的并联回路 并分

4 - 4.2相袖正交的双狭组電机运行时的等效电路与性能计算相轴正交的双绕组电机运行是一种最常见的工況 a 从结构上看 ， 它比单相单绕组单相异步电动机机多了一套相轴正交的副绕组 . 单相电容运转电动机以及单相电容起动 、 电阻起动单相异步电动机机的起动过程均是运行于这种工况 设电动机的定孓铁心上放有两套绕组兄和在空间上 ， 它们相轴间的夹角为 9 ( T 电角度 分别流经对时间 r 做正弦变化的交流电流夂和艾 ， 且^时间上超前夂一个 p 角 如图 4 , 5 所示 。

当电动机的参数 、 电座及转差率为已知时 就可算得对应的正 、 负序阻抗 ； 进一步利用等效电路 ， 就可求得电流 、 电磁转矩 、电磁功率 、 损耗 、 效率 、 功率因数等一系列的性能参数

4.4 . 3相轴非正交的双绕组电机的运行性能分析

图 4 _ 7 中表示了一台筚相双绕组单相异步电动机机的接线原理图 。

M 绕组的相轴 M 与 A 绕组的相轴 S 所夹的角度为 0 电角度 由双旋转磁场分析法 ， 可得等效的合成正 、 负序电流为

4.4 , 4 Y 联结三繞组单相电容运转单相异步电动机机的运行性能分祈

图 4 - 9 是一台 Y 联结三绕组单相电容运转单相异步电动机机的接线图 它的 = - : 个绕组的相  

轴夹角为 120 ° 电角度 a 设正序磁场旋转方向为逆时针方向 a其中 ：

M 绕组是基准绕组 ， 电流为 A 绕组是副绕级 它对 M

绕组的有效匝比 a 设为 1 ， 电流为i 绕缀是Φ间绕组 它对M 绕组的有效匝比是七 ， 电流为一 （ 气 + / JP ,将 A 绕组及 i 绕组向基准绕组 M 归算 求得等效的合成正 、

负序电流 / _ r 和 使 " 、 A 流经 M 绕组产生的囸 、 负序磁动势与原电机完全相同 。 为此 对电流 （ 即磁动势 ） 要进行大小和相位h 的修正

4 . 4.5抽头调速单相电容运转单相异步电动机机的运行性能分析

利用绕组抽头进行调速的接线方法很多 ， 有主绕组抽头 、 副绕 m 抽头 、 L 型抽头 、 T 型抽头 Y 型抽头 、 单绕组抽头 、 多绕组抽头等 ， 对偠求速比不人的调速方式 可以采闬抽头调速 。 本节仅讨论两个例子 即 L 型联结 、 主 、 副绕组双抽义调速以及了型联结 . 副绕组柚头调速 。 其它抽头型式读者可举一反三

例 1 L 型联结主 、 副绕组双抽头调速电动机的运行性能分祈 」m MI 是接线原理罔 。 电机的绕组由

主绕组 M 是基准绕组 它包括了中间绕组 al部 分 。 漏 阻 抗 为 除 了d 部分外 流过的电流为

ai 是中间绕组 ， 它对M 绕组的有效匝比是漏阻抗为乙 , 流过的电流是 （ / m + / 丄

副绕組 A 分 为 两 段a 2 和 a 3 D 在抽头状态 ，部分是副绕组的本体 它对 M 绕组的有效匝比是心 ， 漏阻抗为它包括了外接电容器的阻抗 流经的电流是

U 绕组为Φ间绕组 ， 对 IV ! 绕组的有效匝比是心 漏阻抗是Zi 2 , 流经的电流为 （ 一九丄等效的合成正 、 负序电流为