單相異步電動機的設計與分析

李紅軍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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單相異步電動機的設計與分析

李紅軍

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

摘要對單相異步電動機的工作原理及特點進行了詳細介紹，并對電磁設計中的橢圓形磁勢、正負序感電勢、起動轉矩進行了分析，重點提出單相異步電動機設計中的注意要點，以達到提高電機的運行效率、節能的目的。

關鍵詞單相異步電機;電磁設計;起動轉矩

0引言

近年來隨著工業的發展，我國的單相異步電動機發展很快，需求量的增長帶動著單相異步電動機的產量不斷上升，功率范圍也不斷擴大。作為電能的產生、傳輸、使用和電能特性發生變化的核心裝備，異步電動機在現代化生產行業中占據著越來越重要的地位。其具有較高的運行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內接近恒速運行，能滿足大多數工農業生產機械的傳動要求。隨著電力電子器件以及交流變頻調速技術的發展，由異步電動機和變頻調速器組成的交流調速系統的調速性能、經濟性能已經可與直流調速系統相媲美，且使用維護簡便，因此應用越來越廣泛。

1異步電動機的原理及特點

1.1單相異步電動機的特點

小功率電動機是一種在氣隙磁場中通過電磁感應實現機電能量轉換的電動機。由于其運行轉速與電網頻率之比不是恒定值，按國家標準規定，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機。其工作原理和特點是：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。當兩繞組接入電壓時，由于電容接于副繞組，會使副繞組電流滯后主繞組電流90°電角度，兩相繞組產生的磁場合成橢圓磁場，轉子即在磁場驅動下旋轉。電動機中定子產生橢圓磁場，其效率明顯低于產生圓形磁場的三相異步電機，其氣隙中諧波較大，振動和噪聲也較大。

1.2單相異步電動機與三相異步電動機的區別

單相異步電動機與三相異步電動機的主要區別就在于它的不對稱。三相對稱電動機工作時，內部是圓形旋轉磁場;而單相異步電動機在一般情況下，內部則是橢圓形磁場，僅在某一轉速上滿足條件時才是圓形磁場。一個內部是橢圓形磁場的電機是同樣能工作的，只是它的性能要不及圓形磁場的好；對于一個橢圓形磁場，可看作是一個正序圓形磁場與一個負序圓形磁場共同作用下，當正序轉矩大于負序轉矩時便會向正向旋轉，反之亦然。電容電動機是由定子上處于不同空間位置，并流著不同時間相位電流的主副繞組共同作用產生旋轉磁場的，由這一旋轉磁場作用就會使電機起動運行。

1.3單繞組異步電動機的雙旋轉磁場分析

當一臺三相異步電動機在運行時，如果定子有一相線斷開，開關打開，若電動機軸上所帶的負載不太大的話，則電動機將繼續運行。只不過此時的工作電流增大，電動機的溫升提高，轉速有所下降，但實際上這臺電動機已經處于單相運行了，此時若切斷電源，電動機將停止運轉。若待轉子停轉后，仍使開關處于斷開狀態，再次接通電源后，電動機就不能重新起動，由此可見三相異步電動機在作單相運行時，機械特性較“軟”，效率較低，起動轉矩為零等，異步電動機在單、三相運行時，性能差異的根本原因就在于兩者氣隙磁場的性質是不同的。

2脈振磁勢的設計與分析

2.1橢圓形磁勢

設電動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，分別對時間t作正弦變化的交流電流im和ia，且設時間上ia導前im一個ψ角。

仍取電動機氣隙圓周空間坐標直線x=0與相軸A重合。合成磁勢幅值的失端點軌跡是一個長軸為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，如圖1所示。

有時為了改善電機的性能，故意把電機設計成θ≠90°；有時為了通用定子沖片，也會導致兩相繞組相軸夾角θ≠90°。在這些情況下，為獲得圓形磁場，在相位上就必須考慮θ+ψ=180°這個條件了。總之，橢圓磁勢可以分解為兩個速率相等，轉向相反而幅值不等的旋轉磁勢。當正、負序磁勢大小相等時，就是脈振磁勢，當負序磁勢大于零時，就成了圓形磁勢了。

2.2正、負序感應電勢

定子的正、負序磁勢經與轉子作用后要分別合成正、負序磁場、磁通。將在定、轉子繞組上分別感應有電勢，其效應是迭加的，在電路上就是串聯的。分析時是把多相鼠籠轉子等效為具有主繞組匝數的對稱兩相轉子。這樣在定、轉子繞組上將感應有相同的電勢。獨立觀察每個圓形磁勢的作用，當轉子開路時，所感應的電勢如圖2所示。

實際轉子為短路且旋轉，轉子對于正、負序磁勢的效應，就表現為電路影響著正序磁勢。

2.3起動轉矩的分析

2.3.1起動轉矩要求不高，單向，連續運行

這類負載如：風機、風扇、空調器、磨床等。它們的阻力主要來自風或外加的負載，這類負載的起動阻力矩較小，而起動后，其阻力矩因風葉的性質隨轉速的二次方增大，負載的斜率會超過電機的機械特性在非穩定區的斜率。這樣，便能穩定運行在異步電機的各種轉速上，包括非穩定區間，應用于這類負載上的電機，可能把它的工件重點設計在輸出最大功率處，即接近于最大轉矩外。這種電機的轉子要盡可能小，副繞組和電容的設計就在額定時出現圓形磁場，實現對稱運行為準，以保證力能指標(η、cosθ)高，噪聲小，通用的驅動電動機，如DO2系列電機，就是具有這樣性質的一類電機。

2.3.2起動轉矩要大，雙向旋轉，工作時間短

這類負載如洗衣機、小型提升絞車等。它們的特點是工作時間短，不連續，鑒于電機的工作時間短，故可以在適當降低力能指標的基礎上，從設計上采取一些措施(如增大轉子電阻等)提高起動轉矩，為了實現正、反轉，多使用主、副繞組具有相同匝數。單相電容運轉異步電動機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，副繞組串聯一個工作電容器C(容量比電容器小得多)后，與主繞組并接于電源。

3單相異步電機設計中的注意事項

3.1電的不對稱

就是電在電路上的一些不對稱，

3.2空間位置的不對稱

單相異步電機的各相繞組在空間位置上并不像三相對稱電機那樣要求對稱分布，只要求在空間最佳位置放置繞組，以求得最佳的工作狀態，因此，設計時要考慮到它的空間位置是不對稱的。

3.3磁的不對稱

對于那些功率甚小的單相異步電動機，性能要求不高，結構工藝簡單，就宜采用多極的定子，集中的繞組，這樣繞線、下線方便，可以簡化制造工藝，又可利用它在氣隙中上的不等和磁場上的不稱來改善電機的運行性能。

4結語

單相異步電動機在工業生產和日常家庭電器中的應用非常廣泛，但由于電動機運行時(特別是負載較輕時)，功率因數比較低，會造成供電電源設備容量利用率低以及供電線路有功損耗大等問題。因此，本文對單直異步電動機的設計與各方面的特點進行了分析，希望對研究單相異步電動機的節能控制問題提供可靠的理論依據。

參考文獻

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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

作者簡介：李紅軍1974年生；畢業于哈爾濱理工大學電機專業，現從事電機設計工作.

中圖分類號：TM343+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)01-0006-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.02