罩极电机设计指引

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1、FORM0438 (4-19-2001) Page 1 of 9标题： 罩极电机设计指引 1.概述罩极电机是微型单相感应电动机中最简单的一种.由于它具有结构简单,制造方便,成本低廉,运行可靠,过载能力强,维修方便等优点而被广泛地用于各种小功率驱动装置中.其缺点是运行性能和起动性能较差,效率和功率因子较低,一般用于空载或轻载起动的小容量场合.如电风扇等.2.工作原理一个没有罩极环仅有主绕组的电机, 是没有起动转矩, 在实际中是无法使用, 为了获得起动转矩, 采用附加副绕组的措施。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 90的偏角, 见图 1。主绕组通电后, 其中一部分主磁通

2、m会穿过这一短路环, 感应电势产生电流, 短路环则如变压器的副绕组一样, 产生去磁通 k, 与 m合成后在罩极区间将是 s, 最后决定了罩极环上的电势 Ek, 这样在主极与罩极的不同区间使有时间相位不同的 m 与 s 在脉振, 构成了椭圆磁场, 产生了起动转矩。在转子是闭路的条件下, 转子就会起动。由于 m 是超前 s 的, 磁场是从超前的磁通移向滞后的, 所以电机的旋转方向是由主极移向罩极的顺时针方向。a）工作原理 (b) 矢量图图 1 罩极电机的原理及矢量图FORM0438 (4-19-2001) Page 2 of 93.技术指针及术语3.1技术指针额定功率额定电压额定电流额定转速3.2

3、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 COS电机输入有效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产生的扭力.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,转速不发生突降时所产生的最大转矩.3.2.5噪音电动机在空载稳态运行时 A 计权声功率级 dB(A).3.2.6振动电动机在空载稳态运行时振动加速度有效值(m/s2) 4.基本结构罩极电机是结构最简单的一种单相电动机,其结构可分为两类.一是隐极式,从外形来看,定转子均匀开槽,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

4、成等线圈式,也可分别作成正弦绕组.不过两绕组要不成正交的安放,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, 但其主绕组大多采用集中绕组形式, 副绕组则是一个置于局部磁极上的短路线圈, 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,它的定子可明显的看出凸极型式.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, 只要设法产生旋转的气隙磁场, 电机就有自起动能力, 并可正常运转。在罩极电机中, 定子

5、主副相绕组、轴线在空间非正交安置, 并为了改善罩极电机的性能, 采取了各种措施, 如阶梯气隙, 磁桥等, 出现了磁的不对称, 又因副绕组中的电流是靠主绕组感应产生的, 造成了电的不对称, 分别产生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, 它在空间建立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:FORM0438 (4-19-2001) Page 3 of 9(b) 園形二极電机(a) 園形四极電机轉子(磁分路片)(c) 方形二极電机(磁分路片)轉子(磁分路片)主繞組主繞組罩极環磁橋主繞組罩极環磁橋罩极環磁橋轉子图 2 罩极电机的三种典型结

6、构5.特性分析5.1罩极电机效率是偏低的,仅在=(530)%之间,因此多用在小功率驱动中.5.2罩极电机的主,副相电流变化均不大,故多以电机不动时的电流来计算它的损耗和温升.所以罩极电机会在堵转时运行也不致发生问题.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规定为 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,可以在两个方向上旋转.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.根据需要闭合一个罩极绕组,电机就在那个方向旋转.5.5罩极电机可以像单相异步电机那样采用降压或抽头调速.绕组抽头调

7、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,如同电机回路中串入一个电抗一样,达到了降速的目的.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分布,改善电机的机械特性.引入磁桥是故意增大极间漏磁,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 b 不与转子匝链,从而增加了主,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.FORM0438 (4-19-2001) Page 4 of 9图 3磁桥对电机性能的影响可阐述如下:6.1.1转矩转速特性(T-n)曲线若取消磁桥,电机

8、漏磁减小,使激磁电抗增大,电机的最大转矩 Tmax 增大.但是,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 减小并产生明显的凹下.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,但根据磁通连续性定理,气隙磁通必然减小,不但 Tmax 下降过多,而且也导致 Tst 减小,故亦不可取.6.1.2起动转矩 Tst当磁桥宽度从 0 增加时,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 1.21.5 倍.由此可见,磁桥宽度是重要的.为了既能改善磁

9、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.一般取磁桥磁密在 2.2T 以上,以限制它的过度漏磁.为此,在初始设计中可如下取值: 在图 2a 中,为保持一定刚度,磁分路片不能太薄,故可减小其轴向长度,可取铁芯迭长的 1/21/3.在图 2b,cFORM0438 (4-19-2001) Page 5 of 9中,两凸极由极尖相连而成一体,为保证机械强度,显然极尖宽度不能太小,故用作磁桥是不行的.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.一般取原宽度之半,因为从幅值看可简单认为每极磁通在整个极中分布均匀,即极内磁密处处相等,而凸极中磁密

10、总在 1.11.5T 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性的影响.6.2阶梯气隙在前极尖处局部增大气隙,即成阶梯气隙.气隙大了,磁阻就大,由于磁力线总是力图缩短其路径,故阶梯气隙中的磁通密度总是小于主气隙的.从电磁比看,阶梯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,阶梯气隙的采用使一个极下的气隙磁通由矩形波变为阶梯波,如图 3e 所示,从而减小了谐波分量.效果比阶梯气隙还要好的是渐变气隙,由于从前极尖开始气隙长度逐渐减小,从而使气隙通波成为斜坡形,如图 3f 所示.与阶梯气隙起同样

11、作用的还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),用增大局部区间磁阻的办法使该处气隙磁通小于主气隙.但由于渐变气隙难于控制,冲长孔又模具复杂,故实际中已很少采用.阶梯气隙的作用不光可改善运行性能,而且可增加起动转矩.这也正是磁力线的特征造成的,在阶梯气隙与主气隙交界处,部分磁通从主气隙上的定子出发到达阶梯气隙上的转子,也就是说磁力线向阶梯气隙处扭弯,使路径变长,磁阻增大,而转子则力求以磁路磁阻最小来取向,这样就产生了一个由大气隙向主气隙方向的转矩.由于阶梯气隙位于前极尖处,该转矩与旋转磁场方向是一致的.阶梯气隙长度 c 和宽度(以弧角表示)c 对 T-n 曲线的影响如下:

12、 c 不变 c 加大,或 c 不变c 加大,两者效果大致相同.当 c(c)加大时,Tst 和 Tmax 都会增大,而且由于谐波转矩减小的缘故,中速区的凹下减小.但过大的 c(c)将使 Tmax 反而减小,并且特性变软,工作点的转差率增大,从而损耗增加,效率降低,不过 Tst 则比无阶梯气隙时始终要大一些.可见 c 和 c 的取值是很重要的.根据资料推荐,一般取值荡围在 c/=2.53.5,c/p=0.150.20.6.3罩极环罩极环的作用是使定子产生一个旋转磁场脉掁磁通 .没有罩极环时,仅由主绕组构成单绕组电机,在气隙中产生一个脉掁磁通 , 如图 3a, 故而电机非但没有起动能力,而且运行时的

13、正转矩较小.有了罩极环, 的一部分 m 穿过主气隙,另一部分 1 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,环内电流产生的磁通恒为阻止 1 的变化,从而造成了罩极区的合成磁通 s 滞后于主磁通 m.这样,气隙中就有了二个脉掁磁通m 和 s,如图 3b.由于 m 和 s 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,产生起动转矩,使电机起动和运转.但是,由于两者的轴线夹角 小于90(=90时将感应不出 s 了),相角差也小于 90(因环有电阻),再有 s 又小于 m,故两者的合成磁场永远是个椭圆.并且由于 s 恒滞后于 m,故合成磁场的旋转方向总是从主极移向

14、罩极,即电机是不能改变转向的.6.3.1罩极度罩极度 Ks 定义为罩区磁极宽度占整个磁极宽度的百分比,它的大小对电机性能影响很大.假如两个脉掁磁场的强度相同,则 Ks 越小,两轴线夹角 就越接近 90,旋转磁场的椭圆度越小.但是,由于 s 是主绕组感应产生的,Ks 越小, s 越弱,旋转磁场的椭圆度越大.由此可知,势必存在一个最佳的 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.分析与实验表明,单罩环电机的最佳罩极度为 33%FORM0438 (4-19-2001) Page 6 of 9(即 1/3)左右,此时的 Tmax 和 Tst 均较大,而且 T-n 曲线也比较平坦.

15、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,这时只能产生脉掁磁场,Tst=0.减小 Ks 时,Tmax 变化很小,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,一般采用二个罩环,构成三绕组电机.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分布,但道理是一样的,从而大小环取长补短,电机特性明显比单环好得多:Tmax 和 Tst 均增大,且中速区下凹不严重.实验表明,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,电机特性较好.换句话说,一般取大