第十一章_其他种类的交流电动机

2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,1,第 十一 章 其他种类的交流电动机,11.1 单相异步电动机,11.2 滑差电机,11.3 三相直线异步电动机,第 十一 章 其他种类的交流电动机,11.1 单相异步电动机,11.2 滑差电机,11.3 三相直线异步电动机,本章基本要求,1. 了解单相异步电动机的工作原理和分类。,2. 了解滑差电机的工作原理。,3. 了解直线电动机的工作原理和结构特点。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,2,11-1 单相异步电动机,和同容量的三相异步电动机相比，单相异步电机的体积较大，运行性能较差，因此单相异步电动机只作成容量较小的，功率约在81000W之间。,单相异步电动机由单相电源供电，它广泛地用于家用电器和医疗器械上如电扇、冰箱、洗衣机等都使用单相异步电动机为原动机。,单相异步电动机在结构上与三相鼠笼式异步电动机相似，转子边为一笼式转子，只是定子上只有一个单相绕组。,本节主要从工作原理、结构特点等对单相异步电动机进行分析。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,3,单相异步电动机,一、单相异步电动机的工作原理,单相异步电动机工作时，定子绕组接单相电源，并流过电流，由该单相电流所产生的磁势为一脉动磁势；,若只取基波分量，其表达式为,一个脉振磁动势可以分解为两个幅值相等（各等于脉振磁动势振幅的一半），转速相同（同步转速），但转向相反的两个旋转磁动势。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,4,单相异步电动机,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,5,单相异步电动机,转向与电动机转向相同的称为正转磁动势 f+；与电动机转向相反的称为逆转磁动势 f-。,一个单相绕组可以用两套结构完全相同，但相序相反的三相绕组串联起来等效，如图所示 。,和三相异步电动机中定子旋转磁势的作用一样，定子上的正转磁势f+ 和反转磁势 f- 所产生的磁场分别在转子中感应电势和电流；,正转磁场和转子电流相互作用产生正转电磁转矩，方向与正转磁场方向相同，准备使转子正转；,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,6,单相异步电动机,同理，反转磁场和转子电流相互作用产生反转的电磁转矩，方向与反转磁场方向相同，准备使转子反转；,电动机产生的有效转矩TM：正转磁动势产生的转矩T+与逆转磁动势所产生的转矩T-的方向是相反的，它们相互抵消后剩下的部分。曲线如图所示。,0,2,TM,T-,T+,0,2,s-=2-s+,s+,1,1,T,1. 电动机静止时，合成转矩为零，电动机无起动转矩；即电动机不能自行起动。,2. 若外力拖动电动机正向或反向转动，撤去外力后，电动机将继续加速到接近同步转速。,单相异步电动机的T-s曲线,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,7,单相异步电动机,正转磁动势转差率：,逆转磁动势转差率：,即 当s+=0时，相当于s-=2；当s-=0时，相当于s+=2,3. 单相感应电动机的过载能力较三相感应电动机小，而在负载转矩相同的，转差率则较大。,一个单相脉振磁动势可以分解为一个正转磁动势和一个反转磁动势，它们幅值相等。,但在转子转动后，由于转子绕组的磁动势对反转磁动势的去磁作用较强，使反转磁通远远小于正转磁通。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,8,单相异步电动机,正常运行，对正转磁场而言，转子绕组的电抗,x2s+=s+ x2 = sx2,对反转磁场而言，转子绕组的电抗,f+ 与f- 的合成磁动势不再是一个脉振磁动势，而是一个空间作正弦分布、幅值变动，非恒速旋转的旋转磁动势，合成磁动势矢量端点描绘的轨迹为一个椭圆，称为椭圆形旋转磁场。,因此单相异步电动机一经转动后，就能够产生电磁转矩，使电动机继续运转。,x2s-=s- x2 = (2-s)x2,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,9,单相异步电动机,椭圆形旋转磁场分析如下：,由于单相异步电动机转子是笼型的，结构对称，因此不论转到什么位置，从电磁效应考虑可以用定子磁势轴线及其垂直轴线上(定子磁势轴线为直轴d与其垂直的称为交轴q)各有两根导条(一个线圈)的转子去代替m条导条均匀分布的实际笼型转子，如图所示。,2,2,1,1,d,q,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,10,单相异步电动机,当电动机不转时，脉动磁场仅在导条1-1组成的线圈中产生电势与电流，其正方向如下图所示。,2-2导条组成的线圈不与脉动磁场相交链，其中无电势和电流。,这时单相电动机好象一台副边短路的单相变压器，作用在导条1-1 上的电磁力互相抵消，不能产生电磁转矩，电动机不能起动。,如用外力拖动转子逆时针方向转动，不论转子处于什么位置，转子导条组成的等值线圈总在d、q轴上； 因而q轴的2-2线圈切割脉动磁场感应电势及电流； d线圈1-1处于磁场中性线不切割磁力线，故无旋转电势和电流，只有变压器电势。,n,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,11,单相异步电动机,在q轴上只有一个等效线圈，线圈好象是一个电抗器，所以对线圈2-2中电流Iq的阻抗，若忽略电阻，可认为是纯电抗，电流iq滞后于eq90，eq与d同相位(上式)；,q轴线圈2-2中感应的旋转电势,若,因此电流iq及其iq产生的脉动磁势fq在时间上滞后于d 90。,这说明：单相异步电动机转动时，存在着在空间和时间上相差90的两种脉磁势，表达式为,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,12,单相异步电动机,其中,上式由两个幅值不同、转向相反、转速相同的两个旋转磁势组成，合成磁势是一个椭圆形旋转磁场。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,13,椭圆形旋转磁场的图解,由以上分析可知，单相异步电动机一经转动后，由于出现交轴磁势，使合成磁势变为旋转磁势，随着转速的增加，因为Eqn；,交轴电流和磁势随转速的增加而增加；所以正转磁势增加，反转磁势减少，合成磁势接近于圆形旋转磁势。,因此单相异步电动机与三相异步电动机一样能够产生电磁转矩，使电动机连续转动。,单相异步电动机,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,14,单相异步电动机,二、单相异步电动机的主要类型和起动方法,根据获得旋转磁场的方式不同(也就是起动方法)，单相异步电动机可分成下列几种主要类型：,1. 分相电动机,空间不同相的绕组中通以时间不同相的电流，其合成磁动势就是一个旋转磁动势。,分相电动机设计原理的依据：,在单相电机中，利用起动绕组使电动机形成两相电动机起动，这样的单相异步电动机称为分相式电动机。,分相式起动的电动机，通常采用下述两种方式。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,15,（1）电阻分相电动机,电动机定子上嵌有两个单相绕组，一个称为主绕组(或称为工作绕组)，一个称为辅助绕组(或称为起动绕组)。 两个绕组在空间相差90电角度，它们接在同一单相电源上，如图所示。,由于工作绕组和起动绕组的阻抗不同，流过两个绕组的电流相位也不同，这样形成了两相电流系统，在电机中同样形成一个旋转磁场，从而产生电磁转矩。,单相异步电动机,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,16,单相异步电动机,特点：产生的起动转矩较小，起动电流较大。,用电阻分相比较简单，而且价格低廉，但由于工作绕组和起动绕组的阻抗都是感性的，因此两相电流相位差不可能太大，更不可能达到90，这样旋转磁场不是一个圆形旋转磁场，而是一个椭圆度比较大的旋转磁场。,通常只用于比较容易起动的场合，例医疗器械、排气扇等场合，容量从几十瓦到几百瓦。,如果要改变分相式电动机的转向，只需将辅助绕组与主绕组相并联的出线端对调即可。,起动绕组是按短时运行而设计的，所以起动后离心开关也自动断开，起动绕组切断电源 。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,17,转子,单相电容电动机的原理图,工作绕组,起动绕组,单相异步电动机,（2）电容分相电动机,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,18,单相异步电动机,如果电容选择恰当，电动机辅助绕组中的电流相位超前主绕组电流相位 90，从而起动转矩较大，起动电流较小。,若起动绕组是按短时运行设计的，当电动机的转速达到同步转速的70%80%时，装在电机轴上的离心开关就动作，将起动绕组自动切除，这种电机称为电容起动电动机。,如果设计时考虑到起动绕组不仅能供起动时用，而用能长期接在电网上工作，则从电机内部来说，这是它是一台两相异步电动机，可提高过载能力和改善功率因数，这种电机称为电容电动机。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,19,单相异步电动机,由于电动机在工作时所需的电容比起动时小，因此在电动机起动后，必须利用离心开关把多余的电容切除，电容电机通常用在起动转矩较大的场合，如气体压缩机空调器等。,有时需要将三相异步电动机运行于单相电源下，称为三相电机的单相运行，其接线方式又多种，见课本P233图118的接线图。,这种运行方式使电动机的有效功率降低，改接成单相电容电动机时，其有效功率只能等于原三相电动机功率的65%75%；,改接为电容起动电动机时，有效功率只等于原功率的35%45%，因此实际上多改接成前一种。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,20,单相异步电动机,二、罩极式电动机,这种电动机有两种结构形式，即凸极式和隐极式，这里只介绍凸极式罩极电动机。,形状类似直流电动机的定子，如图，但做成有凸出的磁极，每个极上装有集中绕组，称为主绕组，每个极的极靴上开一个小槽，槽中嵌入短路铜环，一般罩住极靴面积的1/3左右。,特点：在电动机内产生一个类似于旋转磁场的“扫动磁场”，实质上是一种椭圆度很大的旋转磁场，使电动机获得一定的起动转矩。,合成磁场推移的方向是从未罩住部分向被短路环罩住部分。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,21,转子,短路环,定子,定子 磁极,单相异步电动机,主极绕组,在该磁场作用下，电机获得一定的起动转矩，随之转子也是沿这个方向旋转的。,罩极电机具有固定的转向。,罩极式电机结构简单但起动转矩小，只能在很轻的负载下起动，多用于风扇，家用鼓风机，电唱机和录音机等，容量一般在几十瓦以下。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,22,11.2 滑差电动机,滑差电动机又称为电磁调速异步电动机，从原理上看，它实际上就是一台带有电磁滑差离合器的普通笼型异步电动机，其原理如图所示。,电磁离合器原理如图,1-电枢,2-磁极,电磁滑差离合器的调速原理：,电磁滑差离合器的工作原理和异步电动机的相同，电磁力矩的大小决定于磁极磁场的强弱和电枢与磁极之间的转差。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,23,滑差电动机,电磁滑差离合器由电枢和磁极两大部分组成，它们能够各自独立旋转，电枢为一铸钢制成的空心圆柱体，这是涡流的通路，起鼠笼导条的作用；,如果励磁电流等于零，则电枢与磁极之间既无电的联系，也无磁的联系，两部分互不相干，磁极所连接的负载不动，这时相当于负载被“离开”。,磁极为凸极式，有励磁绕组，由可控硅整流装置提供的直流电流励磁；,磁极转子与生产机械直接相接，所以电枢、磁极在机械上是分开的。,1. 电磁滑差离合器的组成,电磁离合器的电枢与异步电动机转子联接。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,24,滑差电动机,2. 电磁离合器的工作原理,根据作用力与反作用力大小相等方向相反可以确定磁极转子受到的电磁力 f 的方向，加在磁极上的转矩是逆时针方向的。,当异步电动机带动离合器的电枢以转速n逆时针旋转时，电枢切割磁极的磁通而产生涡流，其方向用右手定则确定；,涡流与磁极相互作用而产生电磁力f和电磁转矩，用左手定则确定电磁力f的方向是顺时针，如图所示。,f,f,n,TM,若励磁电流IB 0时，磁极有了磁性之后，才由电磁作用相互联系起来，所以是一种电磁的离合器。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,25,滑差电动机,电枢上的电磁转TM则成为异步电动机的阻转矩，正如直接联接的联轴器把负载阻力矩传给电机一样。 不同的是，直接联接时电动机的转速与负载的完全相同，现在则不同，磁极转速n一定慢于电枢转速n。,离合器的转差率为,利用可控硅整流装置调节励磁流IB，即可改变电枢中的涡流和电磁力的大小，使转速n发生变化，达到了调速的目的。,3. 电磁滑差离合器的调速性能,滑差离合器的机械特性可近似用下列经验公式表示：,在 TM的作用下，磁极转子便带动生产机械顺着电枢转向以n的转速旋转。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,26,滑差电动机,图中表示了在不同的励磁电流下的机械特性，从图中可见，它的理想空载转速就是异步电动机的转速n。,励磁电流IB越小，特性越软，若要得到较大的调速范围，提高调速的平滑性必须采用闭环系统。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,27,4. 优缺点,优点：利用滑差离合器调速的异步电动机，与其他的调速方法比较，具有调速范围广，平滑性好，同时用闭环系统可扩大笼型转子异步电动机的调速范围。,结构简单可靠、操作方便、成本较低。,广泛用于纺织、造纸、印刷、船舶、冶金等工业中。,如将它和异步电动机的变极调速结合在一起则可基本上消除这一缺点。,缺点：由于离合器是利用电枢中的涡流与磁极磁场相互作用而进行工作的，因此运行时损耗大，效率低（s2），尤其在低速时更为严重，所以它不宜长期在低速下运行。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,28,11.3 三相直线异步电动机,旋转电机将电能转变为旋转运动的机械能而被广泛应用，但在生产机械中，相当多地需要直线运动，这时往往要通过联动装置等转换机构将旋转运动变为直线运动。,直线电动机：把电能转换成直线运动的机械能，其工作原理与笼型异步电动机相同。,一、工作原理,直线异步电动机是从普通的笼式异步电动机发展而来的，设有一直径很大、极数很多的异步电动机沿气隙圆弧取一段来观察，则异步电动机转子沿气隙圆弧这一段运动的轨迹，近似是一直线运动。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,29,旋转电机,直线电机,三相直线异步电动机,实际的直线异步电动机应设想用一轴向平面沿半径方向把笼式异步电动机切开，然后把它拉直便为一台直线异步电动机。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,30,三相直线异步电机,1. 工作原理：直线异步电动机的定子三相绕组中通以三相对称电流后建立三相合成磁势，在合成磁势的作用下，和旋转的异步电动机一样，也产生气隙磁场，不过这个气隙磁场不是旋转的，而是按相序沿直线运动的一种磁场，这种磁场称为行波磁场，显然，行波磁场直线运行速度与旋转磁场在定子内园表面上的线速度是一样的。,行波磁场切割拉直的滑子将在导条中产生感应电流，根据电磁力定律，所有导条中的电流与行波磁场相互作用，便产生电磁力，在电磁力的作用下，滑子（副边）跟随行波磁场移动而移动。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,31,三相直线异步电机,若滑子移动速度为v，则滑差率s为,所以，直线异步电动机的工作原理与旋转异步电动机并无本质上的差异，只是两种电动机的机械运动的方式不同而已。,2. 直线异步电动与旋转异步电动机的差别：,(1)旋转电机的定子绕组是对称的，接到对称的三相电源时定子三相电流也对称；但直线电机的定子三相绕组在空间上的位置不对称，当接到三相对称电源时，三相电流不对称。,（位于边缘的线圈与位于中间的线圈从线圈电感上看差别很大，三相绕组的电抗是不一样的）。,2019年10月10日星期四,山东理工大学电工电子教研室weipeiyu 制作,32,三相直线异步电机,(2)旋转电机的气隙是圆形的，这是连续的，找不到“始端”和“终端”，而直线电动机定、滑子之间相互作用的气隙是区域是片段的，有始端和终端；,当滑子的某一小块导体开始进入和离开气隙时， 将产生边端效应。,(3)由于机械上的原因，直线异步电动机的气隙比旋转异步电动机的气隙往往大得多，因而它的励磁功率较