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1、湖南工程学院毕业设计论文第1章 绪论近年来，随着我国国民经济的发展和人民生活水平的不断提高，空调器的使用已越来越普及，新品种越来越多，性能也越来越优良。通过对空调发展的后风扇时代、纯空调时代、超空调时代和即将来到的网络信息时代回顾,以及几种典型的主流空调技术和产品的分析，可以看出科技创新势不可挡。高科技含量的空调产品必将取代市场上仅仅具备了制冷制热功能的低技术含量空调。未来空调将要朝着“四化”即健康化、节能环保化、人性化、网络化。随着人们生活水平的更一步提高，我们对空调器的要求也越来越高，这就使得各个空调器厂家要为自己的空调器在性能、价格等各个方面加以改进。家用空调正朝着智能化的方向发展，所有
2、这些变化都与空调的风扇电机和它的控制有着密切的关系。空调风扇电机是空调制冷系统中一个重要部件，其性能的好坏直接影响空调整体质量水平和产品的销量。根据单相电容运转空调风扇电机的用户要求和实际使用情况不难发现空调风扇电机运行性能第一个特点就是要求降低噪声，以A计权声功率级的噪声值要求在45dB以下，该项指标是评价空调质量好坏的关键性能之一，直接影响产品的声誉与竞争力。第二个特点是对电机的起动转矩和过载能力要求不高因为该电机的负载是风扇空气和风道，因此要设计好单相电容运转空调风扇电动机除满足用户要求和满足JB4270-86房间空气调节器单相电容运转异步风扇电机技术通用条件标准外，还要最大限度地利用空
3、调风扇的上述特点，用最经济的方法设计电机。根据空调器对风扇电机低噪音的性能特点要求，同时设计时为了减小体积、提高效率、降低噪音外，兼顾简化工艺，降低成本，提高电机性能，根据单相电容运转电机的特点，在设计过程中采用合理的设计参数，如选择较低的气隙磁密、控制气隙磁场椭圆率的大小，选择转子斜槽削弱电机磁场的高次谐波和选择合适的定转子铁心与端盖的配合、轴承与轴承及端盖轴承室的配合降低机械噪音，确保空调风扇电机良好的运行性能。第2章 单相电容运转空调风扇电机设计2.1 风扇电机的工作原理及特点 近代，小功率电动机生产规模之大、应用之广、品种之多、涉及面之宽，已为国内外电工技术、经济界所瞩目。在国民经济和
4、科学技术的各个领域以及人们的日常生活中，它们的应用无不处处可见。风扇电机属于微型单相电容运转异步电动机，其大致工作原理和特点是：定子绕组由两相绕组（主绕组、副绕组）组成，两绕组相轴夹角为90，副相外接电容。当两绕组并联接入电压时，由于电容接于副绕组，会使副绕组电流滞后主绕组电流90电角度，两相绕组产生的磁场合成椭圆磁场，转子即在磁场驱动下旋转。风扇电机中定子产生椭圆磁场，其效率明显低于产生圆形磁场的三相异步电机，其气隙中谐波较大，振动和噪音也较大。小功率电动机是一种在气隙磁场中通过电磁感应实现机电能量转换的电动机，由于其运行转速与电网频率之比不是恒定值，按国家标准规定，在不致引起误解或混淆的情
5、况下，一般也可以称之为异步电动机。各种小功率电动机的容量范围与电机的起动性能（如起动性能、起动转矩等）和运行性能（如效率、功率因数等）有密切的关系。如电容起动电动机的起动电流小而起动转矩大，故它的容量可以做的大一些；电容运转感应电动机的效率和功率因数较高，但它的起动转矩偏小，如欲加大起动转矩，有时可选用较大电容值的电容器，但这又会影响电机的运行性能和成本，故它的容量一般做得偏小。单相异步电动机仅仅是指由单相交流电源供电的异步电动机，并不表示电机的定子上只有一相绕组，因为这种异步电动机不能产生起动转矩。为了产生起动转矩，单相异步电动机的定子上必须有两套绕组。一个称为主绕组(又叫工作绕组)，另一个
6、称为副绕组(又叫起动绕组或辅助绕组)，二者共同产生旋转磁场，在转子上产生转矩，用以起动电动机。我们先来看一种最简单的二相定子绕组。如下图1.1所示，图中导体m和导体m组成一个线圈，导体a和导体a组成另一个线圈，二个线圈在空间互相相隔90，每个线圈为一相，通以二相交流电流。假定二相电流的正方向是从绕组的始端到末端，既电流为正时，电流从导体m，a流入纸面，从导体m，a流出纸面。电流为负时则方向相反。在绕组中通过的二相对称电流的变化规律为 im=Imcoswt ig=Imcos(wt+90)二相电流随时间变化。我们知道，当电流通过线圈时，就产生磁场。因此是交变电流，故线圈产生的磁场也是交变的。下面具
7、体观察在几个不同瞬时定子二相绕组产生的合成磁场。 图1.1 最简单的二相绕组 图1.2 二相对称电流 图1.3 两极旋转磁场的产生当wt=0时，由图1.1可以看出，im为正值，电流从导体m流入纸面，从导体m流出纸面；ig0。应用右手螺旋定则，可以确定合成磁场的方向。图1.3表示这一瞬时三相绕组电流分布情况以及所产生的合成磁场方向。当wt=45时，由图1.2可知im为正值，ig为负值。此时二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场如图1.3(b)所示。合成磁场的轴线比wt=0时的轴线沿逆时针方向在空间超前45。用同样的方法，当wt=90，wt135，wt=180 ，wt=270时，由图1.2可以画出
8、相应的二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场，分别表示在图1.3(c)，(d)，(e)，(f)中。当wt360时，又回到了图1.3(a)的情况。 由上述分析可以得出以下结论 1一组空间分布相差90电角度的二相绕组在通以二相对称交流电时，产生一旋转磁场。 2旋转磁场的转向与两相绕组在空间的位置和绕组中的电流相序有关。 3旋转磁场的转速与电流的频率有一定的关系。由图1.3(a)到(b)，电流变化了45，旋转磁场逆时针在空间转过了45；由(b)到(c)，电流又变化了45，旋转磁场逆时针在空间继续转过了45可以推理当电流变化一个周期(即360)，旋转磁场逆时针在空间也转过了一转(即360)，若交流电流
9、的频率f1为50Hz(即每秒变50周)，则旋转磁场在空间每秒也转了50转。所以两极旋转磁场每秒钟的转速为n1f1(rs)，每分钟的转速为n160f13000(rs)。既然一套mm。aa线圈通以二相交流电流产生一两极旋转磁场，那么沿定子圆周布置两套m1m1，a1a1和m2m2，a2a2线圈通以二相交流电流之后既能产生一个4极旋转磁场。图1.3就是这个二套线圈的布置图。用上述方法同样可以画出几个特定瞬时的二相绕组电流分布情况及所产生的合成磁场。这时，当电流变化一个周期（wt360）时，旋转磁场只转过半转。因此4极旋转磁场每秒的转数仅为交流电流频率数值的一半，即n1=f1(r/s)/2，每分钟的转速
10、为n1=60f1/2=1500（r/min）。推广到任意极数P的定子绕组旋转磁场转速为n1=f1(r/s)/(p/2)或n1=f1*50/(p/2)=120f1/p(r/min）由于旋转磁场转速n1于交流电流频率f1有上述固定关系，因此常把n1叫做做同步转速。 如果定子两相绕组产生个2极逆时针旋转磁场。这时，转子绕组的导体与旋转磁场之间便有了相对运动，转子导体在磁场中切割磁力线时便产生感应电势，因而可以用右手定则来确定转子绕组导体中感应电势的方向，如图1.4所示。由于转子绕组是闭合的，所以在感应电势作用下，转子绕组导体中便有电流通过。我们知道，通电的导体在磁场中要受到电磁力的作用，其方向可由左
11、手定则确定图1.4中，箭头表示电磁力F的方向，电磁力作用于圆柱形转子表面，从而产生电磁转矩，电磁转矩作用的方向与旋转磁场的方向一致当电磁转矩克服转子的静摩擦时，转子就会沿逆时针方向转动起来。 图1.4极绕组分布 图1.5 单相异步电动机工作原理如果定子上只有一相绕组，如图1.6所示在一相绕组中通入交流电流后，尽管电流随时间变化，且电机内产生的磁场也随时间变比，但却不能产生一个旋转磁场。在转子静止时转子绕组的导体中虽然也会感应电势从而产生感应电流，并且这些电流与一相绕组在电机内产生的磁场作用也会产生电磁力，但是因为这些电磁力产生购转处相互抵消，转子上没有受转矩作用，所以转子转不起来，仍处于静止状
12、态。因此，一般来说，只有在定子上存在二相绕组并通入二相交流电流时，才能在电机的气隙中产生旋转的磁场，转子才能转动起来。但转子转动起来以后，即使定子上只有一相绕组通电，转子却仍能产生驱动转矩，会使电机在一相绕组下继续以一定转速旋转。图1.6 一相绕组下的情况与一般的通用的单相电动机不同，空调电机的配套主机主要应用在人们活动和休息的场所，按致冷的要求，它必须保持一定的转速，使空调机始终维持足够的排风量，以免在风罩积有灰尘时影响致冷效果，从环保出发，则要求尽可能降低噪声，而从节能节材考虑，则要求有较高的效率相尽可能低的材料消耗。正是空调电机有上述要求，所以空调电机主要有以下两个特点：(1)用户对空调
13、电机的排风量有严格的要求，因此在某一个固定转速下设计其它参数，也就是说输出功率计算公式Pz(Tj一Tb)(1一Sn)一(Pfh十Pfe2)中，转差率Sn必须保持不变。而一般电机设计则是为了保证计算输出功率P2与额定功率Po的差值不大于1，需反复调整改变转差率Sn的值。(2)对于空调电机的环保要求更为严格，噪声低、振动小自然成为空调电机市场竞争的重要指标，因此设计时要求在各种运行条件下，旋转磁场要有尽可能高的圆度。而磁场圆度则取决于主副相磁势之间、主副相功率因数角之间的关系。由于单相电容运转式电机有上述特点和空调电机所处的工作环境的特殊性决定必须加强噪音控制。2.2 单绕组异步电动机的双旋转磁场
14、分析当一台三相异步电动机在运行时，如果定子有一相线断开，例如图1.7中的开关K打开，若电动机轴上所带的负载不太大的话，则电机将继续运转，只不过此时的工作电流增大，电动机的温升提高，而且转速下降了，实际上这台电动机已经处于单运行了，此时，若切断电源，电动机将停止运转，若侍转子停转后，如仍使开关处于断开状态，再次接通电源后，电动机就不能重新启动，由此在可看出三相异步电动机在作单相运行时，机械特性较“软”效率较低，起动转矩为零等，异步电动机在单、三相运行时，性能差异的根本原因就在于两者气隙磁场的性质是不同的。图1.7三相电机接线图2.2.1脉振磁势的分解 一个集中绕组通电后，在空间产生的是随时间脉振
15、的矩形波磁势，分解后将有各奇次谐波分量存在，经适当设计绕组，便可消去高次谐波分量，仅余下基波分量。这样便是在空间以绕组轴线为对称成余弦分布，并随电流周期交变而脉振的磁势。假设t=0时，电流值为最大，则这个余弦分布的脉振磁势可写作：F=Fmcosxcost（式中基波磁势幅值：Fm=0.9Kdp1N1I）这样一个在空间上不动，而幅值随时间脉振的波就是驻波，驻波可以看着是由两个幅值减半方向相反的行波合成，即：F=F+F-就幅值上来看F+=F-=0.5Fm=0.5(0.9Kdp1N1I)随着时间的变化，任一时刻的脉振磁势都可以看着是由两个正序和负序旋转磁势所组成的，见图1.8图1.8脉振磁势的合成与分解脉振磁势的分解，实际上是反映着时间变量向空间向量的转化，其中每一个旋转磁势者具有磁势幅值恒定，转速是频率所确定的同步转速的性质，即为圆形旋转磁势。它们与转子间的作用关糸将因与转子间有不同的转差率而不同。如以s代表正序磁势与转子间的转差率，则有 正序磁式的转差率 s=1-v 负序磁式的转差率2-s=1+v (式中v=n/n1转子的相对转速)每别把每个磁势磁势对转子的作用计算出来以后，再予迭加起来，便是一
