单相感应和小马力电动机.ppt

5 Chapter 第五章單相感應和小馬力電動機5 1單相感應電動機5 2單相感應電動機及同步電動機之啟動及運轉性能5 3單相感應電動機的旋轉磁場理論5 4對稱二相電動機之不平衡運轉 對稱分量觀念5 5步進電動機5 6運轉特性和典型應用5 7總結習題 單相和小馬力電動機主要供應給家庭 辦公室及工廠中各類型的設備 它們與整數馬力電動機在設計及特性使用上有很大的不同 所不同是在於經濟及應用上特殊需求之考慮 許多分數馬力的交流電機設計用於單相應用 於家庭中單相感應馬達是作為電冰箱 空調機 風扇 洗衣機及烘乾機 雖然其構造簡單 但比三相電動機更難以分析 個人電腦輔助裝置像印表機 與廣泛的個人娛樂設備像VCRs 攝影機 及光碟機 CD 玩者的增加 使得步進馬達廣泛的被應用 這些小的交流電動機結合數位控制與電子處理的優點 提供了更具有彈性與控制之需求 圖5 1基本單相感應電動機 Preview 圖5 1基本單相感應電動機 圖5 2單相感應電動機之轉矩 速率特性 以固定正向與反向為基礎之磁通波 考慮在磁通波中之變化 圖5 3分相式電動機 a 接線圖 b 起動之相量圖 及 c 典型的起動 速率操作 二 電容式電動機 電容器起動電動機也是分相電動機的一種 但是兩電流之時間相位移是由電容器串聯輔助繞組而得 如圖5 4 a 所示 於電動機起動之後 輔助繞組再分開 因此輔助繞組及電容器為間歇性服務之最小成本設計 典型的轉矩 速率特性示於圖5 4 c 中 高起動轉矩為顯著的特性 這些馬達用在壓縮機泵 冷凍及空調設備及其他不易起動的負載 電容式起動之電動機剖視圖如5 5所示 電容器必須是最佳起動及最佳運轉值之間的折衷值 因此 起動轉矩必須有所犧牲 其轉矩 速率特性及示意圖如圖5 6所示 圖5 4電容啟動電動機 a 接線圖 b 啟動時之相量圖 及 c 典型的轉矩 速率特性 圖5 5電容器起動感應電動機之剖視圖 起動開關在轉子右側 此電動機為防滴型結構 GeneralElectricCompany 圖5 6永久分離電容器電動機及典型的轉矩 速率特性 圖5 7電容器 起動 電容器 運轉 雙值電容 電動機及典型的轉矩 速率特性 圖5 8蔽極式電動機及典型的轉矩 速率特性 三 蔽極式電動機 如圖5 8 a 說明圖所示 蔽極電動機通常具有凸極 每一磁極的一部分由稱為蔽極線圈 shadingcoil 銅製短路圈所圍繞 便宜 40W以下 四 自行起動磁阻電動機 圖5 9 a 所示 為隨著四極定子而設計的轉子疊片 磁阻轉矩的產生是由於轉子以最小磁阻位置對應於同步正向氣隙磁通波成一直線之趨勢 在轉差率很小時 這種轉矩慢慢地改變方向 在轉矩變動的正半週期間 轉子加速 而負半週則減速 單相磁阻型分相啟動同步電動機之典型轉矩 速率特性如圖5 9 b 所示 注意 感應電動機高轉矩值是為得到滿足同步電動機之特性 而創設了磁阻型同步電動機的架構 使其感應電動機的轉矩相當於同步電動機轉矩的2或3倍 其中 可觀的 槽齒 cogging 是很明顯 亦即轉矩大小隨著轉子位置而上下變化 五 磁滯電動機 在單相電動機中 定子繞組通常是永久 分離 電容式 permanent split capacitortype 如圖5 6所示 被選用的電容器能在電動機繞組中產生近乎平衡兩相情況 定子因而產生近似定值的空間波形的旋轉磁場 以同步速率旋轉 圖5 9四極磁阻式同步電動機之 a 轉子疊片及 b 典型的轉矩 速率特性 如圖5 10 b 所示理想之轉矩 速率特性曲線 這種特質是磁滯電動機的優點之一 與磁阻電動機對比 磁阻電動機必須從感應電動機 轉矩 速率特性 抓住 snap 其負載進入同步 但是磁滯電動機不管多大的慣量都可將它所承擔的負載加速到同步 到達同步之後 電動機仍持續以同步速率旋轉 並調整其轉矩角以產生負載所需要的轉矩 磁滯電動機本質安靜並使其負載平滑轉動 而且轉子能產生與定子磁場相同的磁極數 電動機可提供多速同步轉速運轉 其中定子分成幾組繞組繞製而成 並且 以極數變換的接法來達成 磁滯電動機能夠使高慣量的負載加速且同步化 因為其轉矩從靜止到同步速率都是均勻的 圖5 10磁滯電動機的氣隙與轉子中磁場的一般性質 b 理想的轉矩 速率特性 SKIP 圖5 11單相感應電動機的等效電路 a 轉子堵住 靜止 b 轉子堵住 顯示其正向磁場及反向磁場之效應 c 轉動情況 SKIP SKIP 其中是 5 7 式所定義的反向磁場阻抗之電阻性分量 反向磁場之轉矩是在正向磁場的反方向 因此 內部淨轉矩T為 比較 4 17 及 4 18 式得到證明 由旋轉磁場所引起的轉子損等於磁場轉差率乘以從定子吸收之功率 因此正向磁場轉子反向磁場轉子總轉子 圖5 12在平衡情形下兩相電動機之等效電路 a 順向磁場 b 逆向磁場 圖5 13由兩個平衡相序 相反的系統之和所合成的不平衡兩相系統 SKIP SKIP 此種運算在圖5 14的相量圖中說明 很明顯地 同樣也可得到繞組m中電流的相量對稱分量及 以相中的特定相量電流及表示 於是 SKIP 圖5 14兩相不平衡電壓分解成對稱分量 SKIP 圖5 15四相步進電動機的基本圖形 圖5 16對圖5 15的步進電動機的轉矩 角度曲線 a 永久轉子及 b 可變磁阻轉子 永磁轉子的另一特色是由繞組電流所定的轉子位置 不會含糊 然而鐵磁轉子對於每一繞組電流圖型 patterns 都有兩個可能位置 圖5 17顯示一種多級 multistack 可變磁阻步進電動機 此電動機包括一系列的堆疊 stack 每一軸狀地位移完全相同的幾何構造而被單相繞組激勵 如圖5 18所示 在圖5 17中 轉子極是對齊的 但是定子則抵銷 offset 三分之一極距 polepitch 角度位移 經由連續地對個別的相激勵 轉子可以增量位移角度轉動 圖5 17三相三疊堆可變磁阻步進電動機的剖面圖 圖5 18一堆疊且多相的圖表 像在圖5 17中 多堆疊可變磁阻步進電動機 對n堆疊電動機轉子或定子 但不是兩者 在每一堆疊的位移是乘上極齒距 polepitch 混合式步進電動機從多堆疊可變磁阻步進電動機有明顯的變化 圖5 21 b 顯示一個混合步進電動機從末端看到的簡圖 此定子有4極 1相繞組繞在垂直極 而2相繞組繞在水平極 轉子顯示N極端靠近電動機的末端 而南 S 極在遠端 實際的混合型步進電動機 為了得到更好的角解析度 通常使用比圖5 21所示的簡視圖更多的轉子極數來建立 相對地 定子極通常為城堡式 castleated 以更為增加角度的解析度 混合型步進電動機之設計提供了比以往所討論的永磁式設計更多的優點 它可簡單地達成小步尺寸 且含有一簡單的磁性結構 然而一個純粹的永磁式步進電動機 需要多極的永久磁鐵 圖5 192相永磁式轉子的簡視圖 顯示出1相被激勵的形式當轉子北極 N極 垂直的向上對齊 圖5 2018 步混合型步進電動機的分解圖 圖5 21混合式步進電動機簡視圖 a 2堆疊轉子 顯示軸狀的直接的永久磁性 且極塊位移二分之一極齒距 b 從轉子的北 N 極端看 且顯示南 S 極在遠端 斜線陰影所示 顯示出當定子的1相激勵 使轉子對齊 表5 1單相交流馬達之特性和應用 資料來源 M Liwschitz GarikandC C Whipple 電機機械 第二冊 princeton N J D VanNostrandCo Inc 1946 表5 2單相電動機之特