單相電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理分析

李夢程 劉德川 霍眾望

摘要? ?隨著法拉第電磁感應(yīng)技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技術(shù)及電氣工程自動控制理論的發(fā)展,單相電機(jī)在工業(yè)和生活中有著極其廣泛的應(yīng)用,本文詳細(xì)介紹單相電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理及類別分析。

關(guān)鍵詞 單相電機(jī)，電動機(jī)。

1引言

電動機(jī)是將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械的一種裝置，它將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械的。它主要由一個定子繞組，用于產(chǎn)生磁場，或分布在一個定子組中的電磁鐵繞組或轉(zhuǎn)子所構(gòu)成。利用電線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，并在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生磁電力旋轉(zhuǎn)扭矩，在電流的作用下產(chǎn)生磁場，使電機(jī)轉(zhuǎn)動。

單相電機(jī)( singlephase machine )指的是由220 v 交流電源提供的異步電機(jī)。

2單相電機(jī)的結(jié)構(gòu)

單相電機(jī)主要由:端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、電源接線、機(jī)殼、軸承組成。

電機(jī)定子包括三個部分：定子鐵芯，定子繞組，機(jī)座上裝有成對直流勵磁主磁極，定子的主要功能是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而在旋轉(zhuǎn)的磁場被電力線割斷，從而產(chǎn)生輸出電流。電機(jī)包括轉(zhuǎn)子部分和定子兩個部分，它們是用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子部分和機(jī)械部件的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備。

3單相電機(jī)分類

單相電機(jī)分為兩大類，即分相和罩極式，理論上說，讓單相電機(jī)在兩套繞組之間流過的交流電流存在一定相位差，并使兩個空間中已錯過一定角度的磁勢或磁通之間存在一定相位差，就可以解決開機(jī)問題。

3.1分相式單相電機(jī)

分相式單相電機(jī)利用電容或電阻串啟動繞組起到移相作用,使啟動繞組和工作繞組的電流相位錯開。

(1)電容分相單相電機(jī)

圖( a )顯示的是電容單相相電機(jī)原理連接線路。由于電容移相的作用更為明顯，只要將電容串人大小相當(dāng)(一般為20~ 50μf )，兩個繞組之間的電流相差接近90°，這時合成磁場與圓形旋轉(zhuǎn)磁場相近，因此啟動轉(zhuǎn)矩較大的電容同時起啟動。這種單相電機(jī)的應(yīng)用很廣泛，啟動后根據(jù)需要可以保留(即電容操作的電機(jī))，或切除(即稱為開關(guān)電機(jī)，由置于該電機(jī)內(nèi)的離心開關(guān)來執(zhí)行)。如果要改變電機(jī)轉(zhuǎn)向，只需對任意繞組出線端進(jìn)行調(diào)整即可，此時兩個繞組之間的電流相關(guān)系是反對的。

(2)電阻分相單相電機(jī)

這種電機(jī)啟動繞組匝數(shù)少、導(dǎo)線細(xì),與運(yùn)行繞組相比電抗小、電阻大。采用電阻分相啟動時,啟動繞組電流超前于運(yùn)行繞組,合成磁場為橢圓度較大的卵形旋轉(zhuǎn)磁場,啟動轉(zhuǎn)矩小,僅用于空載或輕載局面,應(yīng)用較少。電阻分相式單相電機(jī)的啟動繞組一般按短時工作設(shè)計,啟動后由離心開關(guān)切除,由工作繞組維持運(yùn)行。圖(b)所示為電阻分相單相電機(jī)的原理接線。

3.2罩極式單相電機(jī)

將定子磁極的一部分嵌放短路銅環(huán)或短路線圈(組)就構(gòu)成了罩極式單相電機(jī)。

當(dāng)定子繞組通通以單相交流電流時，由其產(chǎn)生的脈振磁場中大部分通過氣隙直接與轉(zhuǎn)子相連，另有一小部分通過罩極銅環(huán)產(chǎn)生感應(yīng)磁通，并與其合成后通過氣隙進(jìn)入轉(zhuǎn)子磁路。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)磁通始終阻礙了原磁通變化，而感應(yīng)磁通則落后于原磁通的相位。這樣，就有兩個磁通在空間中錯開了一定的角度，并且有一些相位差，合成的磁場就是一種橢圓型旋轉(zhuǎn)的磁場。罩極式電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向由未蓋極部分的罩極轉(zhuǎn)向，其功率較低，啟動旋轉(zhuǎn)矩小，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。罩極電機(jī)通常用于鼓風(fēng)機(jī)、電扇等小型電機(jī)的使用。

4工作原理

當(dāng)單相正弦電流經(jīng)過定子繞組后，電機(jī)產(chǎn)生了一個交變磁場，這個電機(jī)的強(qiáng)度和方向在時間上隨正弦的規(guī)律而變化，但在空間方向上是固定的，因此又稱該磁場為交變脈動的磁場。這個交變脈動磁場可以分解成兩個旋轉(zhuǎn)的磁場，它們以相同的旋轉(zhuǎn)速度和相反的方向，當(dāng)轉(zhuǎn)子停止時，這兩個旋轉(zhuǎn)的磁場產(chǎn)生了一個大小相同、方向相反的矩，使合成的磁場為零，因此電機(jī)不能旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們利用外力將電動機(jī)旋轉(zhuǎn)到某一方向(如順時針方向旋轉(zhuǎn))，這時在順時針方向的轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場之間的切割磁線運(yùn)動會變??；轉(zhuǎn)子和逆時針旋轉(zhuǎn)的磁場之間，切割出的磁力線的運(yùn)動會變大。這樣的平衡會被打破，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的電磁矩不再是零，轉(zhuǎn)子會順著推進(jìn)方向旋轉(zhuǎn)。

為了使單相電機(jī)自動旋轉(zhuǎn)，我們在定子內(nèi)加上起動繞組，與主繞組相差90度，起動繞組應(yīng)串接合適的電容，使與主繞組相差近似90度，這樣在時間上兩個相差90度的電流就會通入空間中相差90度，兩個相差1990度的繞組將在空間中相差90度，從而使兩個繞組能夠在空間中相差。間部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)(兩個相)磁場，在這種旋轉(zhuǎn)磁場的感應(yīng)下，轉(zhuǎn)子可以自動啟動，起始后，待轉(zhuǎn)速上升到某一值時，借助于安裝在轉(zhuǎn)子上的離心開關(guān)或其它自動控制設(shè)備，將起動繞組切斷，在正常工作中只有一個主繞組。因此，起動繞組可作短時工作的方式。但是，有很多情況下，起動繞組不斷地打開，我們把這種電機(jī)稱為單相電機(jī)，要改變它的轉(zhuǎn)向，只需將輔助繞組接線的端頭改變方向。

5啟動方式

220 V交流單相電機(jī)啟動方式:

第一個，分相啟動，是通過輔助開始繞組進(jìn)行啟動的.它不會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。運(yùn)行速度基本保持正常。主要用于電機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)等電動機(jī)的制造。

第二個，電機(jī)在處于靜止工作電態(tài)下離心控制開關(guān)自動接通，在自動給機(jī)供電之后由被啟動的離心電容直接參與自動開機(jī)時的工作，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動旋速已經(jīng)達(dá)到一定質(zhì)量值70%至80%的速度時候，離心控制開關(guān)就開機(jī)會自動停止跳出，啟動后的電容直接完成開機(jī)任務(wù)并被自動切斷。啟動時的繞流機(jī)組未同時參與電機(jī)工作但是當(dāng)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)動時并繞過一圈使該線圈仍在運(yùn)行工作，然后電機(jī)啟動。

第三個，電機(jī)在處于靜止工作電態(tài)下離心控制開關(guān)自動接通，在自動給機(jī)供電之后由被啟動的離心電容直接參與自動開機(jī)時的工作，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動旋速已經(jīng)達(dá)到一定質(zhì)量值70%至80%的速度時候，離心控制開關(guān)就開機(jī)會自動停止跳出，啟動后的電容直接完成開機(jī)任務(wù)并被自動切斷。而開始運(yùn)行的每個電容器字串則連接到一個開始繞組上來進(jìn)行開始運(yùn)作。帶有全離心式啟動開關(guān)的柴油電機(jī)，如果機(jī)組不能很短的工作時間完全啟動，那么它圍繞在機(jī)組內(nèi)的線圈就可能會很快被燒毀。

6結(jié)論

家用電器的發(fā)展和工業(yè)大量生產(chǎn)促進(jìn)單相電機(jī)的迅速發(fā)展,單相電機(jī)設(shè)計成本低,裝配結(jié)構(gòu)拆卸簡單,適合于大批量生產(chǎn)?？傊?單相電機(jī)在生產(chǎn)生活上的應(yīng)用非常廣泛,學(xué)習(xí)單相電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理也很容易,該技術(shù)也可以用在可持續(xù)發(fā)展的除草機(jī),噴灑農(nóng)藥機(jī)等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率,單相電機(jī)技術(shù)在電機(jī)學(xué)領(lǐng)域會有更加廣闊的前景。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]. 電機(jī)學(xué)[M].中國電力出版社,周鶚主編,1995

[2].M.波羅亞多夫:《直線感應(yīng)電機(jī)理論》,科學(xué)出版社1985年

[3]. 上海電器科學(xué)研究所s《中小型三相異步電動機(jī)電磁計算程序》, 1971年