单相异步电动机的设计与分析

李红军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



单相异步电动机的设计与分析

李红军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

摘要对单相异步电动机的工作原理及特点进行了详细介绍，并对电磁设计中的椭圆形磁势、正负序感电势、起动转矩进行了分析，重点提出单相异步电动机设计中的注意要点，以达到提高电机的运行效率、节能的目的。

关键词单相异步电机;电磁设计;起动转矩

0引言

近年来随着工业的发展，我国的单相异步电动机发展很快，需求量的增长带动着单相异步电动机的产量不断上升，功率范围也不断扩大。作为电能的产生、传输、使用和电能特性发生变化的核心装备，异步电动机在现代化生产行业中占据着越来越重要的地位。其具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能、经济性能已经可与直流调速系统相媲美，且使用维护简便，因此应用越来越广泛。

1异步电动机的原理及特点

1.1单相异步电动机的特点

小功率电动机是一种在气隙磁场中通过电磁感应实现机电能量转换的电动机。由于其运行转速与电网频率之比不是恒定值，按国家标准规定，在不致引起误解或混淆的情况下，一般也可以称之为异步电动机。其工作原理和特点是：定子绕组由两相绕组(主绕组、副绕组)组成，两绕组相轴夹角为90°，副相外接电容。当两绕组接入电压时，由于电容接于副绕组，会使副绕组电流滞后主绕组电流90°电角度，两相绕组产生的磁场合成椭圆磁场，转子即在磁场驱动下旋转。电动机中定子产生椭圆磁场，其效率明显低于产生圆形磁场的三相异步电机，其气隙中谐波较大，振动和噪声也较大。

1.2单相异步电动机与三相异步电动机的区别

单相异步电动机与三相异步电动机的主要区别就在于它的不对称。三相对称电动机工作时，内部是圆形旋转磁场;而单相异步电动机在一般情况下，内部则是椭圆形磁场，仅在某一转速上满足条件时才是圆形磁场。一个内部是椭圆形磁场的电机是同样能工作的，只是它的性能要不及圆形磁场的好；对于一个椭圆形磁场，可看作是一个正序圆形磁场与一个负序圆形磁场共同作用下，当正序转矩大于负序转矩时便会向正向旋转，反之亦然。电容电动机是由定子上处于不同空间位置，并流着不同时间相位电流的主副绕组共同作用产生旋转磁场的，由这一旋转磁场作用就会使电机起动运行。

1.3单绕组异步电动机的双旋转磁场分析

当一台三相异步电动机在运行时，如果定子有一相线断开，开关打开，若电动机轴上所带的负载不太大的话，则电动机将继续运行。只不过此时的工作电流增大，电动机的温升提高，转速有所下降，但实际上这台电动机已经处于单相运行了，此时若切断电源，电动机将停止运转。若待转子停转后，仍使开关处于断开状态，再次接通电源后，电动机就不能重新起动，由此可见三相异步电动机在作单相运行时，机械特性较“软”，效率较低，起动转矩为零等，异步电动机在单、三相运行时，性能差异的根本原因就在于两者气隙磁场的性质是不同的。

2脉振磁势的设计与分析

2.1椭圆形磁势

设电动的定子铁心上放有两套绕组M和A，在空间上，它们轴间的夹角为θ电角度，分别对时间t作正弦变化的交流电流im和ia，且设时间上ia导前im一个ψ角。

仍取电动机气隙圆周空间坐标直线x=0与相轴A重合。合成磁势幅值的失端点轨迹是一个长轴为f+和f-幅值之和，短轴为f+和f-幅值之差的椭圆。这就是所谓的椭圆磁势，如图1所示。

有时为了改善电机的性能，故意把电机设计成θ≠90°；有时为了通用定子冲片，也会导致两相绕组相轴夹角θ≠90°。在这些情况下，为获得圆形磁场，在相位上就必须考虑θ+ψ=180°这个条件了。总之，椭圆磁势可以分解为两个速率相等，转向相反而幅值不等的旋转磁势。当正、负序磁势大小相等时，就是脉振磁势，当负序磁势大于零时，就成了圆形磁势了。

2.2正、负序感应电势

定子的正、负序磁势经与转子作用后要分别合成正、负序磁场、磁通。将在定、转子绕组上分别感应有电势，其效应是迭加的，在电路上就是串联的。分析时是把多相鼠笼转子等效为具有主绕组匝数的对称两相转子。这样在定、转子绕组上将感应有相同的电势。独立观察每个圆形磁势的作用，当转子开路时，所感应的电势如图2所示。

实际转子为短路且旋转，转子对于正、负序磁势的效应，就表现为电路影响着正序磁势。

2.3起动转矩的分析

2.3.1起动转矩要求不高，单向，连续运行

这类负载如：风机、风扇、空调器、磨床等。它们的阻力主要来自风或外加的负载，这类负载的起动阻力矩较小，而起动后，其阻力矩因风叶的性质随转速的二次方增大，负载的斜率会超过电机的机械特性在非稳定区的斜率。这样，便能稳定运行在异步电机的各种转速上，包括非稳定区间，应用于这类负载上的电机，可能把它的工件重点设计在输出最大功率处，即接近于最大转矩外。这种电机的转子要尽可能小，副绕组和电容的设计就在额定时出现圆形磁场，实现对称运行为准，以保证力能指标(η、cosθ)高，噪声小，通用的驱动电动机，如DO2系列电机，就是具有这样性质的一类电机。

2.3.2起动转矩要大，双向旋转，工作时间短

这类负载如洗衣机、小型提升绞车等。它们的特点是工作时间短，不连续，鉴于电机的工作时间短，故可以在适当降低力能指标的基础上，从设计上采取一些措施(如增大转子电阻等)提高起动转矩，为了实现正、反转，多使用主、副绕组具有相同匝数。单相电容运转异步电动机的定子具有主绕组和副绕组，它们的轴线的空间相位上相差90°电角度，副绕组串联一个工作电容器C(容量比电容器小得多)后，与主绕组并接于电源。

3单相异步电机设计中的注意事项

3.1电的不对称

就是电在电路上的一些不对称，

3.2空间位置的不对称

单相异步电机的各相绕组在空间位置上并不像三相对称电机那样要求对称分布，只要求在空间最佳位置放置绕组，以求得最佳的工作状态，因此，设计时要考虑到它的空间位置是不对称的。

3.3磁的不对称

对于那些功率甚小的单相异步电动机，性能要求不高，结构工艺简单，就宜采用多极的定子，集中的绕组，这样绕线、下线方便，可以简化制造工艺，又可利用它在气隙中上的不等和磁场上的不称来改善电机的运行性能。

4结语

单相异步电动机在工业生产和日常家庭电器中的应用非常广泛，但由于电动机运行时(特别是负载较轻时)，功率因数比较低，会造成供电电源设备容量利用率低以及供电线路有功损耗大等问题。因此，本文对单直异步电动机的设计与各方面的特点进行了分析，希望对研究单相异步电动机的节能控制问题提供可靠的理论依据。

参考文献

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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

作者简介：李红军1974年生；毕业于哈尔滨理工大学电机专业，现从事电机设计工作.

中图分类号：TM343+.1

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)01-0006-003

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.01.02