电机与变压器教案(第16讲).doc

茂名市技工学校
文化理论课教案

编号：QD - 0707 - 03 版本号：A/0 流水号：

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科目：电机与变压器 授课班级：09机电高级①、②班 共 8 页
《电机与变压器》 第十六讲
课题：单相异步电动机的原理、结构及分类
授课课时
2节
授课
日期

授
课
方
式
讲授 提问
作业
题数
2
拟用
时间
0.5
教
学
目
的
1.掌握单相异步电动机的工作原理
2.掌握单相异步电动机的启动方法
3.掌握单相异步电动机的反转与调速的方法
选
用
教
具
挂
图
模型、自制挂图
重
点
1.单相异步电动机的工作原理
2.单相异步电动机的启动方法
3.单相异步电动机的反转与调速的方法
难
点
单相异步电动机的工作原理
教
学
回
顾
导
入
课
题

复习：1、三相异步电动机的制动有哪几种方法？
2、三相绕线式异步电动机的调速有什么特点？

导入课题：
单相异步电动机是利用单相电源供电的一种小容量交流电动机。它具有结构简单、运行可靠、维修方便等优点，特别是可以直接用220V 交流电源供电，所以得到广泛应用，例如风扇、洗衣机、冰箱、小型车床等。
单相异步电动机的不足之处是它与同容量的三相异步电动机相比较，体积较大，运行性能较差，效率较低。因此，一般只制成小型和微型系列，容量一般在几瓦到几百瓦之间。
授课教师：黄 文 进 教研组审阅： 科审阅日期：

教 学 过 程
第 7 页
一、讲授新课

一、单相异步电动机的工作原理
1、脉动磁场的分解和合成
在三相异步电动机中曾讲到，向三相绕组通人三相对称交流电，则在定子与转子的气隙中会产生旋转磁场。当电源一相断开时，电动机就成了单相运行（也称为两相运行），气隙中产生的是脉动磁场。
单相异步电动机工作绕组通人单相交流电时，产生的也是一个脉动磁场，脉动磁场的磁通大小随电流瞬时值的变化而变化，但磁场的轴线空间位置不变，因此磁场不会旋转，当然也不会产生启动力矩。但这个磁场可以用矢量分解的方法分成两个大小相等（B1 = B2 ）、旋转方向相反的旋转磁场。两个正、反向旋转的磁场就合成了时间上随正弦交流电变化的脉动磁场。

a)单相电动机工作绕组的脉动磁场 b)脉动磁场的分解
图7—1 单相脉动磁场及其分解

2、单相异步电动机的工作原理
脉动磁场分解成两个大小相等（B1=B2）旋转方向相反的旋转磁场，这两个旋转磁场产生的转矩曲线如图7—2中的两条虚线所示。转矩曲线 是顺时针旋转磁场产生的，转矩曲线是逆时针旋转磁场产生的。在=0 处，两个力矩大小相等、方向相反，合力矩=0 ，在≠0 处，两个力矩大小不相等、方向相反，但合力矩≠0 ，说明单相绕组产生的脉动磁场是没有启动力矩的，但如果外加力矩使电动机启动，则启动后的电动机就有力矩了，电动机正反向都可旋转，方向由所加的外力矩方向决定。
上述分析说明了缺相的三相异步电动机不会自行启动的原因，也说明了运行中的三相异步电动机如缺相后仍会继续转动的原因，但缺相运行的三相异步电动机工作的两相绕组可能会流过超出额定值的电流，时间稍长会过热损坏。
3、两相旋转磁场
（1）两相旋转磁场产生的条件为：
1）定子在空间上有两个相差900电角度的绕组；
2）通入两绕组的电流在相位上相差900，两绕组产生的磁动势相等。
（2）两相旋转磁场的转向
两相旋转磁场的转向是从电流相位超前的绕组转向电流相位落后的绕组。
（2）两相旋转磁场的同步转速：
（）

图7— 补 两相旋转磁场的产生
a)电流波形图 b)旋转磁场

二、单相异步电动机的分类
根据获得启动转矩的方法不同，单相异步电动机的结构也存在较大差异，主要分为罩极式单相异步电动机和分相式单相异步电动机两大类。
分相式单相异步电动机又分为电容分相式单相异步电动机和电阻分相式单相异步电动机两种。
（1）罩极式单相罩极式异步电动机，系列号为YJ 。
（2）电阻分相式电阻启动单相异步电动机，系列号为YU 。
（3）电容分相式又可分为电容运行单相异步电动机，系列号为YY ；电容启动单相步电动机，系列号为YC ；双值电容单相异步电动机，系列号为YL
1、分相式单相异步电动机
分相式电动机常在定子上安装两套绕组，一套是工作绕组或称主绕组)，长期接通电源工作；另一套是启动绕组(或称为副绕组、辅助绕组)，以产生启动转矩和固定电动机转向，两套绕组的空间位置相差900电角度。根据启动方式的不同，可分为电阻启动和电容运行(电容)异步电动机。
(1)电阻启动单相异步电动机
①电路图：如图a所示。
②结构特点：定子铁心上嵌放两套绕组，空间位置上互差900电角度。工作绕组LZ匝数多、导线较粗，可近似看成纯电感负载；启动绕组LF导线较细，又串有启动电阻R，可近似看成纯电阻性负载，通过电阻来分开两个支路电流的相位。
③启动特点：节约了启动电容。启动时工作绕组、启动绕组同时工作，当转速达到额定值的80％左右时，启动开关断开，启动绕组从电源上切断。它具有中等启动转矩(一般为额定转矩的l.2～2.2倍)，但启动电流较大。
实际上许多电动机的启动绕组没有串联电阻R，而是设法增加导线电阻，从而使启动绕组本身就有较大的电阻。
④运行特点：只有工作绕组工作，它在电冰箱压缩机中得到广泛的应用。

图a 单相电阻启动电动机电路图 图b 单相电容运行异步电动机电路图

(2)电容运行(电容)异步电动机
①电路图：如图b所示。
②结构特点：定子铁心上嵌放两套绕组，绕组的结构基本相同，空间位置上互差900电角度。工作绕组LZ接近纯电感负载，其电流相位落后电压接近900；启动绕组LF上串接电容器，合理选择电容值，使串联支路电流超前的相位约900。
③启动特点：空间上有两个相差900电角度的绕组；通入两绕组的电流在相位上相差900，两绕组产生的磁动势基本相等。
④运行特点：单相电容运行电动机结构简单，使用维护方便，堵转电流小，有较高的效率和功率因数；但启动转矩较小，多用于电风扇、吸尘器等。
(3)电容启动异步电动机
①电路图：如图c所示。
②结构特点：单相电容启动异步电动机的结构与单相电容运行异步电动机相类似，但电容启动异步电动机的启动绕组中将串联一个启动开关S。
③启动特点：当电动机转子静止或转速较低时，启动开关S处于接通位置，启动绕组和工作绕组一起接在单相电源上，获得启动转矩。当电动机转速达到额定转速的80％左右时，启动开关S断开，启动绕组从电源上切断，此时单靠工作绕组已有较大转矩，驱动负载运行。
④运行特点：电容启动电动机具有较大启动转矩(一般为额定转矩的l.5～3.5倍)，但启动电流相应增大，适用于重载启动的机械。例如，小型空压机、洗衣机、空调器等。

图c 单相电容启动异步电动机电路图 图d 双值电容异步电动机电路图

(4)双值电容单相异步电动机
①电路图：如图d所示。
②结构特点： C1为启动电容，容量较大；C2为工作电容，容量较小，两只电容器并联后与启动绕组串联。
③启动特点：启动时两只电容器都工作，电动机有较大启动转矩，转速上升到额定转速的80％左右时，启动开关S将启动电容C1断开，启动绕组上只串联工作电容C2，电容量减少，降低运行电流。
④运行特点：双值电容电动机既有较大的启动转矩(为额定转矩的2～2.5倍)，又有较高的效率和功率因数。它广泛地应用于小型机床设备。
2、单相罩极式单相异步电动机
罩极式异步电动机旋转磁场的产生与上述电动机不同，先来了解一下凸极式罩极电动机的结构，如图6 一12 所示。电动机定子铁心通常由厚0.5mm的硅钢片叠压而成，每个磁极极面的l / 3 处开有小槽，在极柱上套上铜制的短路环，就好像把这部分磁极罩起来一样，所以称罩极式电动机。励磁绕组套在整个磁极上，必须正确连接，以使其上下刚好产生一对磁极。如果是四极电动机，则磁极极性应按N 、S 、N 、S 的顺序排列当励磁绕组内通人单相交流电时，磁场变化如下：
凸极式定子铁芯
转子
定子绕组
短路环

图7—3 凸极式分相罩极电动机的结构
（1）当电流由零开始增大时，则电流产生的磁通也随之增大，但在被铜环罩住的一部分磁极中，根据楞次定律，变化的磁通将在铜环中产生感应电动势和电流，并阻止磁通的增加，从而使被罩磁极中的磁通较疏，未罩磁极部分磁通较密，如下图a 所示。
（2）当电流达到最大值时，电流的变化率近似为零，电流产生的磁通虽然最大，但基本不变。这时铜环中基本没有感应电流产生，铜环对整个磁极的磁场无影响，因而整个磁极中的磁通均匀分布，如下图b 所示。
（3）当电流由最大值下降时，则电流产生的磁通也随之下降，铜环中又有感应电流产生，以阻止被罩磁极部分中磁通的减小，因而被罩部分磁通较密，未罩部分磁通较疏，如下图b 所示。

a)电流增加时 b)电流近于不变时 c)电流减少时
图7— 4 罩极电动机中磁场分布
从以上分析可以看出，罩极电动机磁极的磁通分布在空间上是移动的，由未罩部分向被罩部分移动，好似旋转磁场一样，从而使笼型结构的转子获得启动转矩，并且也决定了电动机的转向是由未罩部分向被罩部分旋转：其转向是由定子的内部结构决定的，改变电源接线不能改变电动机的转向。
罩极电动机的主要优点是结构简单、制造方便、成本低、运行时噪声小、维护方便。按磁极形式的不同，可分为凸极式和隐极式两种，其中凸极式结构较为常见：罩极电动机的主要缺点是启动性能及运行性能较差，效率和功率因数都较低．方向不能改变主要用于小功率空载启动的场合，如计算机后面的散热风扇、各种仪表风扇、电唱机等。
三、单相异步电动机的启动开关
单相异步电动机的启动开关主要有以下3种。
1、电磁启动继电器
它主要用于专用电动机，如冰箱压缩电动机等，有电流启动型和电压启动型两种类型。
电流启动型继电器的线圈与工作绕组串联，电动机启动时工作绕组电流大，继电器动作，触头闭合，接通启动绕组。随着转速上升，工作绕组电流减小，当电磁启动继电器的电磁引力小于继电器铁心的重力及弹簧反作用力时，继电器复位，触头断开，切断启动绕组。

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2、离心开关
它是较常用的启动开关，一般安装在电动机端盖边的转子上。当电动机转子静止或转速较低时，离心开关的触头在弹簧的压力下处于接通位置；当电动机转速达到一定值后，离心开关中的重球产生的离心力大于弹簧的弹力，重球带动触头向右移动，触头断开。
3、PTC元件
PTC是一种以钛酸钡为主要原料具有正温度系数的半导体元件。它的电阻随着温度韵升高而急剧增大。PTC元件串联在电动机的启动绕组上。室温时，PTC元件的电阻较低，启动绕组接通，启动绕组的电流也流过PTC元件，使PTC嚣件发热升温；其电阻也迅速增大，近似于切断了启动绕组。运行时，启动绕组仍有15 mA左右的电流流过，以维持PTC元件的高阻状态。
停机后，要相隔3 min以上才能再次启动，以便使PTC元件降温，减小电阻值。
二、课堂小结

本节我们学习单相异步电动机的工作原理、及单相异步电动机的主要类型及称相方式等内容，希望同学们课后认真复习，深刻领会。
三、课堂练习

练习册P28课题一的填空题。
四、布置作业

练习册P28～P29课题一。
2010 年 06 月 14 日