罩极电机设计指引

罩极电机设计指引1.概述罩极电机是微型单相感应电动机中最简单的一种，由于它具有结构简单，制造方便，成本低廉，运行可靠，过载能力强，维修方便等优点而被广泛地用于各种小功率驱动装置中。

其缺点是运行性能和起动性能较差，效率和功率因子较低，一般用于空载或轻载起动的小容量场合。

如电风扇、加湿机、空清机等。

2.工作原理一个没有罩极环仅有主绕组的电机，是没有起动转矩，在实际中是无法使用的，为了获得起动转矩，采用附图副绕组的措施。

这个绕组不是靠外接电源供电，而是靠它与主绕组轴线间保持有θ＜90°的偏角，见图1。

主绕组通电后，其中一部分主磁通φm′会穿过这一短路环，感应电势产生电流，短路环则如变压器的副绕组一样，产生去磁通φk，与φm′合成后在罩极区间将是φs，最后决定了罩极环上的电势Ek，这样在主极与罩极的不同区间使有时间相位不同的φm与φs在脉振，构成了椭圆磁场，产生了起动转矩。

在转子是闭路的条件下，转子就会起动。

由于φm是超前φs的，磁场是从超前的磁通移向滞后的，所以电机的旋转方向是由主极移向罩极的顺时针方向。

图1 罩极电机的原理及矢量图3.技术指标及术语3.1技术指标额定功率额定电压额定电流额定转速3.2术语3.2.1效率电机输出功率与输入功率之比。

3.2.2功率因子COSΦ电机输入有效功率与视在功率之比。

3.2.3起动扭力Tst电机在额定电压，额定频率和转子堵住时所产生的扭力。

3.2.4最大扭力Tmax电机在额定电压，额定频率和运行温度下，转速不发生突降时产生的最大转矩。

3.2.5噪音电机在空载稳态运行时A计权声功率级dB(A)。

3.2.6振动电机在空载稳态运行时振动加速度有效值（m/s2）。

4.基本结构罩极电机是结构最简单的一种单相电动机，其结构可以分为两类，一类是隐极式，从外形来看，定转子均匀开槽，转子为鼠笼式。

定子上有主绕组和自行闭路的副绕组或称为罩极绕组。

两绕组可以做成等线圈式，也可以分别做成正弦绕组。

不过两绕组要不成正交的安放，即绕组轴线间夹角小于90度。

它的定子上有主副两套绕组，但其主绕组大多采用集中绕组形式，副绕组则是一个置于局部磁极上的短路线圈，即罩极线圈（也称短路环）。

这类电机又可以分为两种，一种如图2（a）、（b）所示的圆形结构，它的定子可明显的看出凸极型式。

主绕组套在磁极上，罩极环则嵌于磁极一角，且多为一个。

另一种是方形结构，铁芯如变压器一样，见图2（c），主绕组背套于一根铁心柱上，磁极与转子则在铁芯的另一根柱上，在磁极一角多放两个罩环。

在罩极电机中，只要设法产生旋转的气隙磁场，电机就有自起动能力，并可正常运转。

在罩极电机中，定子主副绕组、轴线在空间非正交安置，并为了改善罩极电机的性能，采用了各种措施，如阶梯气隙、磁桥等，出现了磁的不对称，又因副绕组中的电流是靠主绕组感应产生的，造成了电的不对称，分别产生时间和空间相位都不相同的磁势，合成为一个类似旋转磁势的运动磁势，它在空间建立的运动磁场与转子相互作用，就可以使之起动和运转。

5.特性分析5.1罩极电机效率是偏低的，仅在=5～30%之间，因此多用在小功率驱动中。

5.2罩极电机的主、副相电流变化均不大，故多以电机不动时的电流来计算它的损耗和温升。

所以罩极电机会在堵转时运行也不至发生问题，运行可靠是它的最大有点。

5.3罩极电机的起动和最大转矩倍数规定为T*st=0.3，T*max=1.3，均属偏小。

因此，罩极电机主要用于对起动转矩要求不高的地方。

5.4罩极电机经特殊设计，可以在两个方向上旋转。

这样的罩极电机磁极在两个极尖上都开有放罩极绕组的槽口。

根据需要闭合一个罩极绕组，电机就在那个方向旋转。

5.5罩极电机可以像单相异步电机那样采用降压或抽头调速。

绕组抽头调速的电机，就是在电机的绕组上附加多绕些调速线圈。

把这些调速线圈串入回路连于电源上去时，如同电机回路中串入一个电抗一样。

达到了降速的目的。

6.结构因素对性能的影响6.1磁桥（磁分路片）磁桥的作用是改善气隙的磁通分布，改善电机的机械特性，引入磁桥是故意增大极间漏磁，虽然低了激磁电抗，使激磁电流增大，最小转矩减小，但由于磁桥磁通Φb不与转子匝链，从而增加了主、副绕组的互磁通，使一个极下的气隙磁通由矩形变为梯形，如图3（d）所示，从而减小了谐波分量。

图3磁桥对电机性能的影响可阐述如下：6.1.1转矩转速特性（T-n）曲线若取消磁桥，电机漏磁减小，使激磁电抗增大，电机的最大转矩Tmax增大。

但是，由于此时气隙磁通由梯形变为矩形波，谐波增大，从而谐波转矩分量（主要是3次）增大，使电机在中低速区的T 减小并产生明显的凹下。

若磁桥太宽，造成漏磁太大，使激磁电抗降低过多，虽然谐波小了，T-n曲线趋（qu）于平滑，但根据磁通连续性定理，气隙磁通必然减小，不但Tmax下降过多，而且也导致Tst 减小，故亦不可取。

6.1.2起动转矩Tst当磁桥宽度从0增加时，Tst先是较快增大，过最大值（此时应为最佳宽度）后逐渐下降。

合适的磁桥宽度可使Tst增大到无磁桥时的1.2～1.5倍。

由此可见，磁桥宽度是重要的。

为了既能改善磁桥磁势波形，又不致使转矩下跌过多，磁桥设计时总使其处于磁密过饱和状态。

一般取磁桥磁密在2.2 T以上，以限制它的过度漏磁。

为此，在初始设计中可如下取值：在图2（a）中，为保持一定刚度，磁分路片不能太薄，故可减小其轴向长度，可取铁芯迭（die）长的1/2～1/3。

在图2（b）（c）中，两凸极由极尖相连而成一体，为保证机械强度，显然极尖宽度不能太小，故用作磁桥是不行的。

为此应在靠近交轴线处的外侧冲制对称的两个半圆凹口，以其剩下的宽度作为磁桥宽度。

一般取原宽度之半，因为从幅值看可简单认为美极磁通在整个极中分布均匀，即极内磁密处处相等，而凸极中磁密总在1.1～1.5 T左右，今磁桥宽度若为极尖宽度的1/2，则磁桥中磁密总在2.2 T以上。

图5示出了某8W方形电机磁桥宽度对机械特性的影响。

6.2阶梯气隙在前极尖处局部增大气隙，即成阶梯气隙。

气隙大了，磁阻就大，由于磁力线总是力图缩短其路径，故阶梯气隙中的磁通密度总是小于主气隙的。

从电磁比看，阶梯气隙磁阻与主气隙的磁阻相连，磁阻（电阻）大者磁通（电流）小。

因此，阶梯气隙的采用使一个极下的气隙磁通由矩形波变为阶梯波，如图3(e)所示，从而减小了谐波分量。

效果比阶梯气隙还要好的是渐变气隙，由于从前极尖开始气隙长度逐渐减小，从而使气隙通波成为斜坡形，如图3（f）所示。

与阶梯气隙起同样作用的还有前极尖处冲制闭合长孔（圆形电机）或外侧冲制长凹口（方形电机），用增大局部区间磁阻的办法使该处气隙磁通小于主气隙。

但由于渐变气隙难于控制，冲长孔又模具复杂，故实际中已很少采用。

阶梯气隙的作用不光可改善运行性能，而且可增加起动转矩。

这也正是磁力线的特征造成的，在阶梯气隙与主气隙交界处，部分磁通从主气隙上的定子出发到达阶梯气隙上的转子，也就是说磁力线向阶梯气隙处扭弯，使路径变长，磁阻增大，而转子则力求以磁路磁阻最小来取向，这样就产生了一个由大气隙向主气隙方向的转矩。

由于阶梯气隙位于前极尖处，该转矩与旋转磁场方向是一致的。

阶梯气隙长度δc和宽度（以弧角表示）θc对T-n曲线的影响如下：δc不变，θc加大；或θc不变，δc加大；两者效果大致相同。

当δc（θc）加大时，Tst和Tmax都会增大，而且由于谐波转矩减小的缘故，中速区的凹下减小。

但过大的δc（θc）将使Tmax反而减小，并且特性变软，工作点的转差率增大，从而损耗增加，效率降低，不过Tst则比无阶梯气隙时始终要大一些，可见δc和θc的取值是很重要的。

根据资料推荐，一般取值范围在：δc/δ=2.5～3.5，θc/θp=0.15～0.20.6.3罩极环罩极环的作用是使定子产生一个旋转磁场脉振磁通Φ。

没有罩极环时，仅由主绕组构成单绕组电机，在气隙中产生一个脉振磁通Φ，如图3（a），故而电机非但没有起动能力，而且运行时的正转矩较小。

有了罩极环，Φ的一部分Φm穿过主气隙，另外一部分Φl穿过罩极区，从而在环内感生电流。

由于罩极环是个感性组件，环内电流产生的磁通恒为阻止Φl的变化，从而造成了罩极区的合成磁通Φs滞后于主磁通Φm。

这样，气隙中就有了两个脉振磁通Φm和Φs，如图3（b）。

由于Φm和Φs在时间上有一相位差，两轴线在空间又错开一个角度，从而合成一个旋转磁场，产生起动转矩，使电机起动和运转。

但是，由于两者的轴线夹角θ小于90°（θ=90°时将感应不出Φs了），相角差φ也小于90°（因环有电阻），再有Φs又小于Φm，故两者的合成磁场永远是个椭圆。

并且由于Φs恒滞后于Φm，故合成磁场的旋转方向总是从主极移向罩极，即电机是不能改变转向的。

6.3.1罩极度罩极度Ks定义为罩区磁极宽度占整个磁极宽度的百分比，它的大小对电机性能影响很大。

假如两个脉振磁场的强度相同，则Ks越小，两轴线夹角θ就越接近90°，旋转磁场的椭圆度越小。

但是，由于Φs是主绕组感应产生的，Ks越小，Φs越弱，旋转磁场的椭圆度越大。

由此可见，势必存在一个最佳的Ks值，它权衡了两个磁场的夹角和幅值，使合成磁场的椭圆度最小。

分析与实验表明，单罩环电机的最佳罩极度为33%（即1/3）左右，此时的Tmax和Tst均较大，而且T-n曲线也比较平坦。

由实验知道，Ks大时，T-n曲线的中速区凹下很小，但Tst较低。

极限Ks=100%时，主副绕组轴线重合，相当于一台短路变压器，副绕组中感生电流最大，这时只能产生脉振磁场，Tst=0。

减小Ks时，Tmax变化很小，Tst先增大，但中速区凹下逐渐变大；Ks＜33%以后，Tst又趋减小，极限Ks=0时，Tst=0。

在方形铁芯中，由于结构上的允许，一般采用两个罩环，构成三绕组电机。

在三相对称电机中，一个极（180°电角度）中每相各占60°，即60°相带。

而双环电机虽不可能实现这种对称分布，但道理是一样的，从而大小环取长补短，电机特性明显比单环好得多：Tmax和Tst均增大，且中速区下凹不严重。

实验表明，在双环电机中，当主极取110°左右，大环70°左右，小环则在大环的70°中占40°左右时，电机特性较好。

换句话说，一般取大环Ks1=40%，小环Ks2=40%左右。

前面讲过：为了获得大的输出转矩，合成磁场应经可能接近圆形。

为此要求Φm和Φs具备三个条件：强度相等，轴线在空间相差90°，电角度以及相位角相差90°。

但这是相互矛盾的，由于Φs是主绕组磁通Φ感生的，故主副绕组轴线夹角越近90°，两者的互感应越小，即Φs越弱。

在极限位置90°时，主绕组产生的磁通不能穿过副绕组，这时副绕组中就不能感生电流，从而Φs为0，不能产生转矩。