罩极电机设计指引

罩极电机设计指引

标题: 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, 为了获得起动转矩,

采用附加副绕组的措施。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待有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。FORM0438 (4-19-2001) Page 1 of 12

a)工作原理 (b) 矢量图

图1罩极电机的原理及矢量图

3. 技术指针及术语

3.1 技术指针

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COSØ

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,转速不发生突降时所产生的最大转矩.

3.2.5 噪音

电动机在空载稳态运行时A计权声功率级dB(A).

3.2.6 振动

2) 电动机在空载稳态运行时振动加速度有效值(m/s

4. 基本结构

罩极电机是结构最简单的一种单相电动机,其结构可分为两类.一是隐极式,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.两绕组可以作成等线圈式,也可分别作成正弦绕组.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. 它的定子上有主副相两套绕组, 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).这类电机又可分为两种,一种如图1(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.另一种是方型结构,铁芯如变器一样,见图1(a),主绕组被套于一根铁心柱上,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, 定子主副相绕组、轴线在空间非正交安置, 并为了改善罩极电机的性能, 采取了各种措施, 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。

其结构形式如图2所示:

FORM0438

(4-19-2001) Page 3 of 12

罩极環磁橋轉子罩极環主繞組罩极環磁橋磁橋主繞組(磁分路片)(磁分路

片)(磁分路片)

主繞組轉子轉子

(a) 園形四极電机(b) 園形二极電机(c) 方形二极電机

图2 罩极电机的三种典型结构

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致发生问题.运行可靠是它的最大优点.

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)

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,虽降低

了激磁电抗,使激磁电流增大,最大转矩减小,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3d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

FORM0438

(4-19-2001) Page 5 of 12

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2.2T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2a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,可取铁芯迭长的

1/2~1/3.在图2b,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