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电机的分类-罩极电机

宣布时间：2020-03-29

1、概述
罩极电机是微型单相感应电念头中最简朴的一种.由于它具有结构简朴,制造利便,本钱低廉,运行可靠,过载能力强,维修利便等优点而被普遍地用于种种小功率驱动装置中.其弱点是运行性能和起动性能较差,效率和功率因子较低,一样平常用于空载或轻载起动的小容量场合，如电电扇等。
2、事情原理
一个没有罩极环仅有主绕组的电机, 是没有起动转矩, 在现实中无法使用, 为了获得起动转矩, 接纳附加副绕组的步伐。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, 感应电势爆发电流, 短路环则如变压器的副绕组一样, 爆发去磁通Φk, 与Φm’合成后在罩极区间将是Φs, 最后决议了罩极环上的电势Ek, 这样在主极与罩极的差别区间使有时间相位差别的Φm与Φs在脉振, 组成了椭圆磁场, 爆发了起动转矩。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, 以是电机的旋转偏向是由主极移向罩极的顺时针偏向。

a）事情原理 (b) 矢量图
图1罩极电机的原理及矢量图
3.手艺指针及术语
3.1 手艺指针
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：电机输入有用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爆发的扭力。
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,转速不爆发突降时所爆发的最大转矩。
3.2.5噪音：电念头在空载稳态运行时A计权声功率级dB(A).
3.2.6振动：电念头在空载稳态运行时振动加速率有用值(m/s2)
4.基本结构
罩极电机是结构最简朴的一种单相电念头,其结构可分为两类.一是隐极式,从形状来看,定转子匀称开槽,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,也可划分作成正弦绕组.不过两绕组要不可正交的安顿,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, 但其主绕组大多接纳集中绕组形式, 副绕组则是一个置于局部磁极上的短蹊径圈, 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,它的定子可显着的看出凸极型式.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, 只要想法爆发旋转的气隙磁场, 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顿, 并为了改善罩极电机的性能, 接纳了种种步伐, 如蹊径气隙, 磁桥等, 泛起了磁的差池称, 又因副绕组中的电流是靠主绕组感应爆发的, 造成了电的差池称, 划分爆发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, 它在空间建设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:

特征剖析

图2 罩极电机的三种典范结构

5.特征剖析
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,副相电流转变均不大,故多以电机不动时的电流来盘算它的消耗和温升.以是罩极电时机在堵转时运行也不致爆发问题.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划定为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,可以在两个偏向上旋转.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.凭证需要闭合一个罩极绕组,电机就在谁人偏向旋转。
5.5   罩极电机可以像单相异步电机那样接纳降压或抽头调速.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,犹如电机回路中串入一个电抗一样,抵达了降速的目的。
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漫衍,改善电机的机械特征.引入磁桥是居心增大极间漏磁,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,从而增添了主,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。

特征剖析

特征剖析
图 3
磁桥对电机性能的影响可叙述如下:
6.1.1转矩转速特征(T-n)曲线
若作废磁桥,电机漏磁减小,使激磁电抗增大,电机的最大转矩Tmax增大.可是,由于此时气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减小并爆发显着的凹下.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,但凭证磁通一连性定理,气隙磁通必定减小,不但Tmax下降过多,并且也导致Tst减小,故亦不可取。
6.1.2起动转矩Tst
当磁桥宽度从0增添时,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,磁桥宽度是主要的.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.一样平常取磁桥磁密在2.2T以上,以限制它的太过漏磁.为此,在初始设计中可如下取值: 在图2a中,为坚持一定刚度,磁分路片不可太薄,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,为包管机械强度,显然极尖宽度不可太小,故用作磁桥是不可的.为此应在靠近交轴线处的外侧冲制对称的两个半园凹口,以其剩下的宽度作为磁桥宽度.一样平常取原宽度之半,由于从幅值看可简朴以为每极磁通在整个极中漫衍匀称,即极内磁密随处相等,而凸极中磁密总在1.1~1.5T左右,今磁桥宽度若为极尖宽度的1/2,则磁桥中磁密总在2.2T以上。
图5示出了某8W方形电机磁桥宽度对机械特征的影响。
6.2   蹊径气隙
在前极尖处局部增大气隙,即成蹊径气隙.气隙大了,磁阻就大,由于磁力线总是力争缩短其路径,故蹊径气隙中的磁通密度总是小于主气隙的.从电磁比看,蹊径气隙磁阻与主气隙的磁阻相并联,磁阻(电阻)大者磁通(电流)小.因此,蹊径气隙的接纳使一个极下的气隙磁通由矩形波变为蹊径波,如图3e所示,从而减小了谐波分量.效果比蹊径气隙还要好的是渐变气隙,由于以前极尖最先气隙长度逐渐减小,从而使气隙通波成为斜坡形,如图3f所示。与蹊径气隙起同样作用的尚有前极尖处冲制闭合长孔(园形电机)或外侧冲制长凹口(方形电机),用增阵势部区间磁阻的步伐使该处气隙磁通小于主气隙。但由于渐变气隙难于控制,冲长孔又模具重大,故现实中已很少接纳。
蹊径气隙的作用不但可改善运行性能,并且可增添起动转矩.这也正是磁力线的特征造成的,在蹊径气隙与主气隙接壤处,部分磁通从主气隙上的定子出发抵达蹊径气隙上的转子,也就是说磁力线向蹊径气隙处扭弯,使路径变长,磁阻增大,而转子则力争以磁路磁阻最小来取向,这样就爆发了一个由大气隙向主气隙偏向的转矩。由于蹊径气隙位于前极尖处,该转矩与旋转磁场偏向是一致的。
蹊径气隙长度δc和宽度(以弧角体现)θc对T-n曲线的影响如下: δc稳固θc加大,或θc稳固δc加大,两者效果大致相同.当δc(θc)加大时,Tst和Tmax都会增大,并且由于谐波转矩减小的缘故,中速区的凹下减小。但过大的δc(θc)将使Tmax反而减小,并且特征变软,事情点的转差率增大,从而消耗增添,效率降低,不过Tst则比无蹊径气隙时始终要大一些�？杉�δc和θc的取值是很主要的.凭证资料推荐,一样平常取植愦围在δc/δ=2.5~3.5,θc/θp=0.15~0.20。
6.3   罩极环
罩极环的作用是使定子爆发一个旋转磁场脉掁磁通Φ.没有罩极环时,仅由主绕组组成单绕组电机,在气隙中爆发一个脉掁磁通Φ, 如图3a, 故而电机非但没有起动能力,并且运行时的正转矩较小.有了罩极环,Φ的一部分Φm穿过主气隙,另一部分Φ1穿过罩极区,从而在环内感生电流。由于罩极环是个感性组件,环内电流爆发的磁通恒为阻止Φ1的转变,从而造成了罩极区的合成磁通Φs滞后于主磁通Φm.这样,气隙中就有了二个脉掁磁通Φm和Φs,如图3b。由于Φm和Φs在时间上有一相位差,两轴线在空间又错开一个角度,从而合成一个旋转磁场,爆发起动转矩,使电机起动和运转。可是,由于两者的轴线夹角θ小于90°(θ=90°时将感应不出Φs了),相角差?也小于90°(因环有电阻),再有Φs又小于Φm,故两者的合成磁场永远是个椭圆.并且由于Φs恒滞后于Φm,故合成磁场的旋转偏向总是从主极移向罩极,即电机是不可改变转向的。
6.3.1罩极端
罩极端Ks界说为罩区磁极宽度占整个磁极宽度的百分比,它的巨细对电机性能影响很大.若是两个脉掁磁场的强度相同,则Ks越小,两轴线夹角θ就越靠近90°,旋转磁场的椭圆度越小。可是,由于Φs是主绕组感应爆发的,Ks越小, Φs越弱,旋转磁场的椭圆度越大.由此可知,势必保存一个最佳的Ks值,它权衡了二个磁场的夹角和幅值,使合成磁场的椭圆度最小。剖析与实验批注,单罩环电机的最佳罩极端为33%(即1/3)左右,此时的Tmax和Tst均较大,并且T-n曲线也较量平展.由实验知道,Ks大时,T-n曲线的中速区凹下很小,但Tst较低。极限Ks=100%时,主副绕组轴线重合,相当于一台短路变压器,副绕组中感生电流最大,这时只能爆发脉掁磁场,Tst=0.减小Ks时,Tmax转变很小,Tst先增大,但中速区凹下逐渐变大;小于33%以后,Tst又趋减小,极限Ks=0时,Tst=0。在方形铁芯中,由于结构上的允许,一样平常接纳二个罩环,组成三绕组电机。在三相对称电机中,一个极(180°电角度)中每相各占60°,即60°相带.而双环电机虽不可能实现这种对称漫衍,但原理是一样的,从而巨细环取长补短,电机特征显着比单环好得多:Tmax和Tst均增大,且中速区下凹不严重.实验批注,在双环电机中,当主极取110°左右,大环70°左右,小环则在大环的70°中占40°左右时,电机特征较好.换句话说,一样平常取大环Ks1=40%,小环Ks2=22%左右。
前面讲过.为了获得大的输出转矩,合成磁场应尽可能靠近圆形.为此要求Φm与Φs具备三个条件:强度相等,轴线在空间相差90°电角度以及相位角相差90°.但这是相互矛盾的:由于Φs是主绕组磁通Φ感生的,故主副绕组轴线夹角越近90°,两者的互感应越小,即Φs越弱.在极限位置90°时,主绕组爆发的磁通不可穿过副绕组,这时副绕组中就不可感生电流,从而Φs为0,不可爆发转矩.为了在较小的罩极端时能爆发较大的副相磁通Φs,接纳磁桥是完全须要的.由于磁桥的保存,使一小部分磁通不经由气隙-转子-气隙从一个极抵达另一个极,而是通过磁桥,也就是说这一小部分磁通是不与转子匝链的是属于漏磁通。这样一来,由于罩极环中的部分磁通欠亨过气隙,故罩极环部分的磁路磁阻减小,从而环中的磁通Φs增大.也可明确为磁桥增添了主副绕组之间的互感,从而互感通增大。
6.3.2罩环阻抗
罩环的位置确定以后,其自己的参数对电机性能也有很大影响.罩环电阻rs对起动转矩有一最佳值,rs过大或过小,均会使Tst下降.在通常所见的电机中,一样平常来说,通常仅有一匝的粗铜线或扁铜线,rs偏小,而用漆包线绕制的多匝型副绕组则rs偏大.rs偏大时,在空间位置允许的情形下,可只管换用粗一档线。对rs偏小的电机,若换用黄铜之类的等直径线,电密稳固,rs又提高了,是电机性能将改善.罩环漏抗xs的增上将使Tst下降,为此罩环端尽可能紧贴迭片,且其槽应只管靠近定子内径,以力争减小其漏磁通。
6.3.3罩环的消耗
只管罩环的匝数少,环内的感应电势很小,但由于其阻抗极小,故环内电流通常是很大的,使消耗很大,温度很高,尤其是在堵转时,可达150°C以上(半导体点温度计).由于罩环是加入运行的,从而使电机的效率很低,也使电机具有在超载甚至堵转时整机电流转变不大,不易爆发故障的优点。若电机设计不对理或罩环讨论焊接不良,罩环发热将相当严重,甚至可烧断焊点,使电机不可正常事情,因此罩环的焊接质量是绝对不可轻视的。
6.4   主绕组阻抗(电阻r1及漏抗x1)
是主绕组阻抗增大, 其上的压降增大, 由于这是属于无用的消耗, 导致绕组中感应电势降低, 由于感应电势为E1= , 当电源频率f和匝数W1稳固时, E1降低, 意味眷每极磁通Φ减小, 从而电机着力减小.增大主绕组电阻r1时, 消耗增添, 输出减小, 温升增添, 可是, 当r1增添时, 并不是输出的减小即是消耗的增添, 而是消耗增量中的一部分由电源输入来赔偿, 一部分由输出减小来赔偿. 因此, 增小r1( 例如线径减细一档)而不减变匝数时, 对牢靠负载而言, 电机的输入增大, 输出略有减小, 转速有所降低, 功率因子则略有上升, 温升显着上升. 对风叶类活动负载而言, 由于其功耗基本上与转速的三次方成正比, 转速稍减时, 所需转距下跌许多, 故电机体现为输入减小, 输出略有减小, 温升稍有上升. 因此, 对电扇电机来说, 当接纳阻抗�；な�, 若堵转温度凌驾标准, 可思量改用细一档的线, 往往能解决问题, 而对转速风量的影响是很小的.定子漏抗包括槽漏抗xs, 端部漏抗xe, 谐波漏抗xδ及磁桥漏抗xb,它们的增上将引起最大转矩的减小, 而罩极电机为了充分使用其事情可靠的特点往往将额定事情点安排在最大转矩周围(尤其是电扇用电机), 其中以xb增大, 会使高速段转矩显着下降, 比其余漏抗更为倒运. 因此一定要控制磁桥的厚度, 决不可太厚, 导致漏磁过大。
6.5   转子电阻r2
气隙磁场为圆形与椭圆时, r2的巨细对转矩的影响是纷歧样的, 在对称电机中, 气隙为圆形旋转磁场, r2增大时, Tmax的转差率增大, 而Tmax值稳固, 中速区凹下减小, Tst增大. 在罩极电机中, 各绕组的磁势不可知足圆型磁场的三个条件, 因此总保存负序分量.    当r2转变时, 正序转矩和负序转矩划分按对称电机T-n曲线转变纪律, 从而其合成转矩, 当r2增大时不但Tmax的转差率增大, 凹下减小, 并且Tmax值减小, 而Tst却变很小, 这种情形可由图5说明。

特征剖析

图5 转子电阻对机械特征的影响 (电阻随序号增大)
事实上, Tst与r2之间有一个最佳值, r2在某一值时Tst将获得最大值. 因此, 罩极电机照旧只管减小r2为好, 以求大的输出. 不过当电机接纳抽调速的话, 降速时整条T-n曲线要下降, 就有可能使电机陷入低速爬行, 到不了应有的稳固转速。
在几瓦的小电机中, 应只管接纳少槽浅槽转子, 这对稳固铸铝质是大有利益的, 由于冲片原来很小, 槽一多, 每槽面积就小, 再若槽深一点, 则尤其槽底部易泛起打缺乏征象, 甚至断排, 造成电机质量波动。
6.6   气隙长度δ
对异步电机而言, 从正弦波时的理论剖析可知, δ应尽可能小, 由于δ小, 激磁电抗增大, 从而激磁电流减小, 降低了空载电流, 使功率因子上升、效率提高。可是δ小了, 精加工精度要求高, 易造成偏心值(相对值)增添, 使制造和运行都增添难题。另外, 气隙中并不是正弦波, δ小了, 谐波磁场及谐波漏抗增大, 导致Tst、Ist和Tmax减小, 并且谐波转矩和附加消耗增大, 造成较高温升和较大噪音。在罩极电机和其它单相电机中,δ取的比三相电机大一些是有利益的:
(a)   δ大一些, 定转子谐波漏抗和转子斜槽漏抗减小, 其效果是Tst和Ist均增添, 由于Tst增和率大于Ist, 故δ适当大一些可改善电机的起动性能。并且由于Tmax与电机漏抗成正比, 故气隙增大, Tmax可提高。
(b)   δ大一些, 减小了定、转子谐波磁通幅值, 由于杂散耗与谐波磁通幅值的平方成正比, 故大的δ可减小电机的杂散耗, 使效率稍有增添。虽然, δ大了, 不但空载电流增添、功率因子下降, 也使负载转差率有所下降(即转速有所上升), 负载电流也有所上升, 现实效率的增减要看哪一个因素为主导。
(c)   δ大一些, 可使转子外貌消耗下降, 从而转子外貌发热大为减小, 向定子辐射热量减小, 故温升应下降. 但若δ加大过多, 将使气隙所需磁势增添, 这势必由增大输入电流来增补, 从而使电机饱和水平增添, 铜耗增添, 温升反而上升。
(d)   δ大一些, 纵然气隙的现实偏心值稳固, 其相对值(气隙不匀称度)小了, 这在单相电机中尤为主要. 由于气隙不匀称度将导致单相电机在差别转子位置有差别的起动转矩, 而减小气隙不匀称度将减小Tst的波动. 并且由于δ加大削弱了高次谐波, 使附加转矩减小, 从而电机的Tmin增添, 即T-n曲线中速区的凹下减小。
(e)   由于恣意两个谐波磁场相至作用爆发的径向力约与δ2成正比, 故δ大一些可降低噪音及减小振动. 理论剖析可知, 当气隙由δ1改变为δ2时, 响应的电磁噪声级弯化近似为L1-L2=10 lg(δ2/δ1)4dB, 虽然, 由于空载电流增大等缘故原由, 现实中小于上式盘算值。
基于上述缘故原由, 在单相电机中, 气隙值一样平常要比三相电机大0.05~0.1mm, 一样平常情形下, 使用滚珠轴承时, 取0.25~0.35mm, 而使用滑动轴承时, 由于更易爆发偏心的缘故, δ增添10%~20%, 关于罩极电机, 由于气隙中的谐波因素更严重, 故δ更应大一些, 尤其是方形电机, 多接纳支架形式, 更易造成偏心, 故其δ常取到0.35~0.45   mm。
7.罩极电机主要尺寸及性能确定:
7.1   效率及功率因子初值:0.05~0.12 ( 0.2~10瓦 )，0.10~0.26 ( 10~100瓦 )
其中: η’─效率
COSψ’─功率因子
7.2   电机常数：
其中: CA──电机常数
Dil─定子内径(cm)
l─铁芯长度(cm)
n─转速(转/分)
7.3   长度直径比: 特征剖析
7.4盘算长度: (厘米)
7.5定子内径:(厘米)
7.6气隙长度δ=0.025~0.05(厘米)
7.7极距: (厘米) 其中 P──极数
7.8极弧长度: (厘米) 其中:
7.9转子外径: (厘米)
7.10转子内径(轴孔):dB=(0.18~0.24)D2(厘米)
7.11转子槽数Z2按表1选取:
极数   转子槽数Z2
2   11,12,15,18
4   11,17,22,57
6   26,33
7.12转子斜槽角度盘算:
斜槽角度= 特征剖析
7.13定子槽满率
其中: η──槽满率
dM──漆包线最大直径(mm)
WN──每极下绕组每槽匝数
S──电机定子槽率面积(mm2)
8.电机型号由产品代号、尺寸规格和额定电压代号三部分组成，详细如下：

特征剖析

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