单相异步电动机的工作原理

单相鼠笼式异步电动机的工作原理
单相鼠笼式异步动机由单相电源供电,它直接接到 220 伏单相交流电源上就能工作,但要
采取一定的措施,否则启动不起来.我们日常生活用的一些家用电器,如空调器、 电冰箱、 洗衣 机、电扇等广泛应用着单相异步电动机.
单相异步电动机的工作原理
当给三相异步电动机的定子三相绕组通入三相交流电时,会形成一个旋转磁场,在旋转磁
场的作用下,转子将获得启动转矩而自行启动.当三相异步电动机通入单相交流电时就不能产 生旋转磁场.
下面来分析单相异步电动机定子绕组通入单相交流电时产生的磁场情况.如下图所示为
一台简单的单相异步电动机原理图,定子铁心上布置有单相定子绕组,转子为鼠笼结构.
交流电流波形
电流正半周产生的磁场 电流负半周产生的磁场
当向单相异步电动机的定子绕组中通入单相交流电后,由上图可见,当电流在正半周与负
半周不断交变时,其产生的磁场大小与方向也在不断变化〔按正弦规律变化〕 ,但磁场的轴线 则沿纵轴方向固定不动,这样的磁场称为脉动磁场.
当转子静止不动时转子导体的合成感应电动势和电流为 0,合成转矩为 0,因此转子没有
启动转矩.故单相异步电动机如果不采取一定的措施,单相异步电动机不能自行启动,如果用 一个外力使转子转动一下,则转子能沿该方向继续转动下去.
单相异步电动机根据其启动方法或者运行方法的不同,可分为单相电容运行电动机； 单相电
45 90 225 315 360 270 135 180 t
容启动电动机；单相罩极式电动机等.下面分别介绍.单相异步电动机容量普通较小,运行性能较差.
图 1 单相电容运行异步电动机原理图
<a>接线图
<b>电流相量图
图 1 是单相电容运行异步电动机工作原理图.单相电容式异步电动机的定子铁芯上嵌放两套绕组：主绕组 U1—U2 〔主绕组又称工作绕组〕和副绕组 Z1—Z2 〔副绕组又称启动绕组〕 . 两套绕组在空间的位置上互差 90 度电角度.在启动绕 Z1—Z2 中串入一个电容器 C 后再与工作绕组并联,然后接到单相电源上.设流过启动绕组 Z1－Z2 的电流为 iz,流过工作绕组 U1—U2 的电流以为 iu,当接上电源后,由于电容的充放电作用,iz 落后于 iu90 度,流过两套绕组的电流 iz 与 iu 在相位上相差 90 度,如图 2 所示.
设电动机两个绕组接上交流电源后,电流为正值时,电流从绕组的头端进去尾端出来；电流为负值时,电流从绕组的尾端进去头端出来.
从图 2 可看到：在 t＝0 瞬间,iz=0,绕组 Z1—Z2 中无电流流过；而这瞬时 iu 为负的最大值,绕组 U1—U2 中电流由 U2 进 Ul 出.用右手定则可判断,此时电动机中会产生如图 2 所示磁场,其合成磁场方向向下.
从图 2 可看到：在ωt=π/2 瞬间,iu＝0,绕组 U1—U2 中无电流流过；这瞬间 iz 为正的最大值,绕组 Z1-Z2 中电流从 Z1 进Z2 出.此时电动机内磁场分布如图 2 所示,其合成磁场方向较 t=0 时刻顺时针方向旋转了 90 角度.
在ωt=3 π/2 瞬间,iz＝0,绕组 Z1—Z2 中无电流流过；这瞬间 iu 为正的最大值,绕组 U1 —U2 中电流从 U1 进 U2 出.此时电动机内磁场分布如图 2 所示,其合成磁场方向较t=π/2 时刻顺时针方向旋转了 90 角度.
依此类推,可看到单相鼠笼式异步电动机中 iz 与 iu 两个电流在单相异步电动机中产生的合成磁场也是旋转磁场,如图 2 所示.
单相鼠笼式异步电动机转子也是鼠笼式转子,即转子绕组是两端由短路环连接的鼠笼条. 鼠笼条反方向切割旋转磁场 ,产生感应电动势和感应电流 .在旋转磁场作用下,受电磁力使转子转动.只要改变工作绕组或者启动绕组的首端、尾端与电源的接线,就可改变旋转磁场旋转方向,控制电动机的正反转.
单相机电正反原理
只要把工作绕组或者启动绕组的两个接线对调一下就行,产生相反方向的磁场,机电就反转了.
左边是单向运转的电路图.右边是正反转的电路图,如双桶洗衣机的洗涤机电.
正反转的机电,普通将运行绕组与启动绕组做成一样,可以互换.
单相机电有两个绕组：主绕组又称工作绕组或者运行绕组,副绕组又称启动绕组,有的小负载单相机电这两个绕组彻底一样,互相可以交换,但多数单相机电〔带较大负载的农用机电〕为了增大启动力矩,副绕组线圈细、匝数多、阻值大；副绕组与主绕组之间有一启动电容；只要交换两个绕组中的一个绕组的首尾接线就可反转,交换电源 L/N 是无效的.
当两绕组彻底一样,机电可能是三端子接线,1,3 为两绕组的公共接线端,接交流电源的 L, 2/4 端子之间联有启动电容, 如果交流电源的 N 端接端子 2 为正转,则 N 改接端子 4 为反转；如果是四端子,见图四接线；
图 3：三端子单相机电[两绕组相同]
图四：四端子单相机电[两绕组相同]
农用单相机电的主/副绕组不一样,不能采用上面交换主/副绕组的做法,否则,会烧坏机电, 普通应有四个端子:1/2 为主绕组,3/4 为副绕组,正转见图五:
图五
如果要反向转动,正确的做法是交换一个绕组的首尾接线,主副绕组的区分很简单,根据阻
值就可判断出.
<本文转自电子工程世界： eeworld ./mndz/2022/0317/article_15165.html>
一、单相异步电动机的结构
单相异步电动机中,专用机电占有很大比例,它们的结构各有特点,形式繁多.但就其共性而言,电动机的结构都由固定部份---定子、转动部份----转子、支撑部份---端盖和轴承等三大部份组成.
1、机座
2、铁心
3、绕组
4、端盖
5、轴承
6、电容
7、铭牌
1、机座
机座结构随电动机冷却方式、防护型式、安装方式和用途而异.按其材料分类,有铸铁、铸铝和钢板结构等几种.
铸铁机座,带有散热筋.机座与端盖联接,用螺栓紧固.
铸铝机座普通不带有散热筋.
钢板结构机座,是由厚为 1.5-2.5 毫米的薄钢板卷制、焊接而成,再焊上钢板冲压件的底脚.
有的专用电动机的机座相当特殊,如电冰箱的电动机,它通常与压缩机一起装在一个密封的罐子里.而洗衣机的电动机,包括甩干机的电动机,均无机座,端盖直接固定在定子铁心上.
2、铁心
铁心包括定子铁心和转子铁心,作用与三相异步电动机一样,是用来构成电动机的磁路.
3、绕组
单相异步电动机定子绕组常做成两相：主绕组〔工作绕组〕和副绕组〔启动绕组〕 .两种绕组的中轴线错开一定的电角度. 目的是为了改善启动性能和运行性能.定子绕组多采用高强度聚脂漆包线绕制.
转子绕组普通采用笼型绕组.常用铝压铸而成.
4、端盖
相应于不同的机座材料、端盖也有铸铁件、铸铝件和钢板冲压件.
5、轴承
轴承有滚珠轴承和含油轴承.
电风扇电动机结构
单相电容运转异步机电工作原理与故障分析 [复制]
发表于 2022-1-22 14:56:14
一、单相异步机电的定义与标识说明
1、单相异步机电是指由单相电源供电的电动机,但它并不表示机电的定子上惟独一相绕组, 它是由空间上相差90°相位角的两套绕组构成,二者共同产生旋转磁场,在转子上产生转矩而旋转的电动机.
2、YD〔S〕Kaa-bc 所代表的意义
Y—异步； D〔S〕—单〔双〕轴； K—空调用； aa 代表功率名义值； b 代表极数； c 为设计序号或者其它意义
以 YDK24-6 T 为例说明如下设计序列号为 T、功率名义值为 24W 、极数为 6 极的单轴伸空调用异步电动机.
1、固定部份—定子；由定子铁芯、定子绕组和机座〔壳〕组成.定子铁芯是机电磁路的一部份,普通由 0.5mm 硅钢片叠压而成,片与片之间相互绝缘,以减少涡流损耗.定子绕组普通由高强度聚酯漆包线绕制而成.机座〔或者机壳〕普通由A3 钢板冲制而成,大机电〔单相〕则是钢板卷筒后在与铸铝端盖配合而成,三相机电普通均为铸铁机座.
2、转动部份—转子：由转子铁芯、转子绕组〔纯铝〕、转轴〔45＃碳结钢〕组成.
单相电容运转异步机电与三相机电的区别：
三相机电的绕组在空间按120°电角度分布,单相异步机电则按则按90°电角度分布,见下图.
在单相机电中,由于单相绕组产生的是脉振磁场,机电没有起动转矩,不能起动,如右图表示：
i=Icosωt
要使单相机电具有起动转矩并旋转,就必须使其分相,普通的,单相机电分相有以下几种型式：
1、电阻分相
2、电容分相
3、罩极分相
空调风机用单相异步机电几乎均采用第二种方式,即要使单相机电既能运转又能独立启动, 就必须在机电定子铁芯中嵌放轴线在空间相隔90°电角度的两相绕组,其中一相绕组称为主绕组〔用 M 表示〕 .另一相称为副绕组或者起动绕组〔用 A 表示〕 .副绕组串接一移相元件电容器,形成事实上的两相电源.原理如下图示：
在单相机电中,若定子上的主、副两相绕组彻底对称,两相绕组接到两相对称电源上,则与 4 页三相机电图示一样,也产生在空间旋转的圆形旋转磁场.
可见对称两相绕组通入对称两相电流产生的旋转磁势与三相机电产生旋转磁势一样.其
旋转速度与电源频率和机电极数有关：即 n＝2×60f/p,
其中
"f"—电源频率〔Hz〕
"p"—机电极对数
"n"—磁场旋转转速,即机电同步转速〔r/min〕
当机电中磁场以n速度旋转时,处于旋转磁场中的转子导条就会切割磁力线而产生感应电势和感应电流,感应电流在磁场的作用下产生电磁力和电磁力矩,行成一定的转速n’.普通情况下机电转速n’不等于旋转磁场转速n.因为n’= n 时,转子导条相对旋转磁场是静止的, 导条中就不会产生感应电势和感应电流,机电就不会产生电磁力矩,机电转速就会自然下降. 因转子速度始终低于旋转磁场速度,故称此种机电为"单相异步电动机".
前面讲到,单相绕组产生的是一个脉振磁场,因此单相机电的启动转矩为零,即机电不能
自行启动,要使单相机电能够自行启动,就必须如同三相异步机电一样,在机电内部产生一个旋转磁场.产生旋转磁场最简单的方法是在两相绕组中通入相位不同的两相电流.因此在单相异步机电中必须有两套绕组,一套为工作绕组,另一套为副绕组或者启动绕组,工作绕组或者
主绕组 M 与副绕组A 的轴线在空间相隔90°电角度,副绕组串联一个适当的电容 C〔电容选配不当
会使机电系统变差,如片面增大或者减小电容量,负序磁场可能加强,使输出功率减小性能变坏, 磁场可能会由圆形或者近似圆形变为椭圆形〕再与工作绕组并接于电源.由于副绕组串联了电容, 所以副绕组中的电流在相位上超前于主绕组电流,这样由单相电流分解成具有时间相位差
的两相电流 M 和 A<也就是事实上的两相电流>,于是机电的两相绕组就能产生圆形或者椭圆
形的旋转磁场.
由于大多数情况下两相绕组总是不对称的,谐波分量较多,因此单相异步机电的性能总要比
三相异步机电差得多.谐波对机电的影响主要有以下三个方面：
1、使机电的附加损耗增加；
2、引起机电振动并产生噪音；
3、产生附加转矩,使机电的启动发生艰难〔某些位置较大、某些位置又较小、某些位置干
脆就不能启动,削弱办法之一,就是采用斜槽转子.这就是我们看到的转子槽是斜的原因之一〕
作为单相异步电动机其调速方法有三种：
〔1〕变极调速；
〔2〕降压调速；
〔3〕抽头调速.
在单相机电中,有倍极调速和非倍极调速之分.倍极调速机电普通定子上惟独一套绕组,用
改变绕组端部联接方法获得不同的极对数以达到调整旋转磁场的转速.在极数比较大的变极
调速中,定子槽中安放两套不同极数的独立绕组,实际上相当于两台不同极数的单速机电的组合,其原理和性能与普通单相异步机电一样
降压调速方法不少,如串联电抗器〔吊扇〕、串联电容、自耦变压器和串联可控硅调压调速. 空调中最常用的调压调速是可控硅〔塑封〕调压调速.
可控硅调速是改变可控硅导通角的方法,改变电动机端电压的波形,从而改变了电动机的端
电压的有效值.可控硅导通角α1=180°时,机电端电压为额定值,α1＜180°时电压波形如下
图实线部份,机电端电压有效值小于额定值,α1 越小,电压越低,如下图：
塑封 PG 机电就是可控硅降压调速.对于塑封 PG 机电,其绕组工作原理与抽头机电一致,但不
同之处在于塑封 PG 机电的输入电压不是直接接到电源上的,而是通过可控硅的输出端施加电
压于机电上的,其可控硅的输出电压是可调节的.其电气原理图见图 3,调速是利用机电输出转
矩与机电输入电压成近似一次关系,通过改变机电输入电压来改变机电的输出转矩,起到调节
机电转速的作用,其原理如下图示：
该结构是在机电的轴上装有一个磁环,它普通有 6 极磁环与 2 极磁环 2 种.当机电转子旋转
一圈时,磁环也旋转一圈,磁环与 PG 板中的霍尔元件相感应,6 极磁环会在 PG 板的 OUTPUT〔白〕
脚中输出 3 个脉冲,2 极磁环会输出 1 个脉冲,这样根据输出脉冲的数量就可以知道机电的转速.在可控硅中设定有预定的转速值,将它与从 PG 块中采样取得的转速值相比较,当转速偏低时,则提高可控硅的输出电压〔可控硅导通角变大〕 ,当转速偏高时,则降低可控硅的输出电压〔可控硅导通角变小〕 ,这样通过 PG 信号的反馈调节可控硅输出电压就实现了对机电的平滑
调速.由于可控硅的输出电压不会高于其输入电压,因此在机电设计时要保证机电达到高风档
的转速时其可控硅的电压不高于工作的额定电压.如我国额定电压为 220VAC,则设计时的可控
硅电压普通设计为 180VAC~200VAC 摆布.此参数值设定太低则造成机电材料浪费,且可控硅若
损坏击穿后机电直通市网电压,其机电温升会较高；若此参数值设定过高则会造成市网电压降
低时,有可能达不到设定的额定转速,影响空调的能力
电容运转电动机在调速范围不大时,普遍采用定子绕组抽头调速.此时定子槽中放置有主绕组、副绕组与调速绕组,通过改变调速绕组与主、副绕组的联接方式,调整气隙磁场大小与椭
圆度来实现调速的目的.
普通电容运转单相机电,主绕组与副绕组嵌在不同的槽中,绕组与铁芯间由聚酯纤维无纺布〔DMDM 或者 DMD〕隔开,其在空间普通相差 90 度电角度,且副绕组通过串联一个工作电容器后
与主绕组并接于电源.当机电通电后,主绕组与副绕组在气隙中共同形成一个有方向有幅值
强度的旋转磁场.其方向与主、副绕组所处的空间位置等有关,它决定了机电的转向；其幅
值强度则与主副绕组的参数设计有关,它决定了机电输出力矩的大小.该旋转磁场与转子鼠
笼转子相互作用,使电动机按一定的方向旋转.若调换主副绕组的空间位置,则旋转磁场的旋
转方向会相反,该反方向的旋转磁场与转子相互作用,使电动机的转向也会相反.
抽头调速可分为 T 型抽头调速和 L 型抽头调速.L 型抽头调速又可分为主绕组抽头L-1 型和
副绕组抽头 L-2 型. 目前最常用的是 T 型抽头调速和副绕组抽头L-2 型调速.原理路线图见下T 型抽头调速优点：中、低档运行绕组温升低；缺点：机电高档效率低,主绕组易形成匝
间短路〔见企业技术标准 13 设计案例的 DC03.043-001"YDK29-8E 机电匝间短路案例分析"〕. L 型抽头调速优点：机电高档效力高,绕组不易形成匝间短路；缺点：中、低档运行绕组温
升高.
不论哪种调速,都各有优缺点,选用哪种除要考虑设计时要达到哪个结果,还要考虑机电的
经济性,普通 L 型较经济〕 .
A> 空载输入电流：是指机电在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行〔轴
上输出功率为零〕情况下,流入电动机的电流称为空载电流.单位： A 或者mA.
B>空载输入功率：是指机电在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行〔轴
上输出功率为零〕情况下,输入电动机的功率.这部份功率消耗主要表现在磁场储能,定、转子
绕组铜耗和铝耗,交变磁通在铁芯损耗,通风、轴承磨擦产生机械损耗.单位： W 〔瓦〕
C>负载输入电流：是指电动机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容、带额定负载运
行在额定转速下,所输入机电的电流.单位： A 或者mA.
D>额定负载输出功率：是指电动机在额定电压、额定电源频率、额定电容、带额定负载运
行在额定转速下,轴伸所输出的有功功率.单位： W 〔瓦〕
E>温升：指电动机在额定测试条件下运行,内部绕组与铁芯部份的温度相对于测试环境温度
的升高值. 目前较常用的测试温升方法为绕组电阻法.
F>噪音：机电噪音可分为机械噪音和电磁噪音.机械噪音通常由机电装配不良定、转子磨擦
与轴承声等形成.电磁噪音通常由定、转子气隙不均匀或者磁场过于饱和造成,定、转子气隙
不均匀受装配零部件同轴度的影响较大,磁场过于饱受所设计功率较大机电的材料限创造成.噪音用分贝 dB 表示.
A〕整机噪音与振动：机电噪音值在某一频段存在峰值,此噪音峰值频段与整机固有频率相
接近或者重合,形成共鸣、共振和整机噪音.整机预防与解决措施：在机电确认阶段将机电噪
音峰值频段与整机固有频率错开〔这就是普通情况下一次送样不能成功的原因之一,也是我
们一般遵循的,只要是系统中的对机电有影响的零部件如支架和风轮风叶等的改变,就必须装整机做噪音等测试〕机电,空调钣金件上加阻尼胶,调整风叶形状、增加机电支架刚性〔如04 年今年 3 月份汕头浮现较多 71S振动和噪音严重的问题,后将机电支架加强后上述现象全部消失〕、机电安装脚上加胶垫,调整空调板金件的形状、厚度,调整机电极数、定转子的槽配合、定转子直径、定转子气隙、转子斜槽度、铁芯长度、轴承距离等.
B>转速不一致：风叶的变化〔不同厂家不同模号〕、蒸发器片距变化、风道的变化、测试环境的变化〔温度、湿度〕、机电工艺波动的原因〔铝环、定子端部高度控制、绕线模具变化、气隙变化、硅钢片材料变化等〕 .
C>电磁声：定子椭圆、同轴度大、轴承距过大、端盖强度不够、磁路设计不对称.
D>轴承声：装配过程轴承损坏、轴承油脂声、轴承与轴承室配合松动.
E>磨擦声：定转子相擦、错片、异物、漆瘤与风轮风叶变形和转轴弯曲等.
F>转速低：转子导条和端环截面过小、定转子气隙偏大；
G>温升高：铁芯长度偏低、漆包线截面偏小〔即铁、铜耗过大〕、散热不良；
H>机电冒烟：
〔1〕绕组匝间短路；
〔2〕焊接线不良导致接触电阻过大,机电发热；
<3>电容器击穿,导致电路的容性成份消失,机电单相运行〔事实上机电无法运行,处于堵转状态〕；
I〕机电漏电：机电内部或者引出线绝缘不良；
J〕机电转速下降
机电部份绕组匝间短路；
电容器容量衰减；
转子断条：
K〕机电失速〔保护〕或者不转
霍尔元件失效；
可控硅击穿.即使霍尔元件正常,信号有反馈,但因可控硅已经击穿,电压已不可调；
转子被异物卡滞或者机电无电和烧毁；
在机电设计已是最优化状态下,下述要求可增加成本：
1、负载不变情况下,要求提高转速〔即提高功率〕；M∝P/V M：力矩 P：功率 V：转速
2、负载不变情况下,要求降低温升；
1．气隙〔mm,普通选 0.25 到 0.35mm〕变小.气隙越小,谐波漏抗越大,导致最大转矩和启动转矩降低；同时杂耗增大、效率降低、温升增高；
2．增多槽数.槽数多了,机电的漏抗减小,导致最大转矩和启动转矩有所增加,效率和功率因数有所增加,因为绕组分散,绕组接触铁芯的散热面积增加,温升会降低；
3.定转子槽配合.如果槽配合选择不当,可引起较大的附加转矩〔使启动性能变坏,甚至启动不起来〕、附加损耗增大,导致温升增高；
4．增加铁芯长度以降低磁密〔磁密很饱和时〕、增大漆包线直径以降低电密、使用铁损小的硅钢等从而降低温升.。