第一章单相异步电动机.docx

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第一章单相异步电动机

第一章单相异步电动机

【教学目标】

1．知识目标：

了解单相异步电动机的基本结构和分类；掌握单相异步电动机的基本工作原理。

2．能力目标：

使学生掌握单相异步电动机的起动、反转、调速的方法；初步具有检修常见故障的能力。

3．情感目标：

激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度，锻炼实际分析能力，培养动手能力。

【教学重点】

单相异步电动机的基本工作原理。

【教学难点】

电动机的反转、调速方法。

【教学方法】

读书指导法、分析法、演示法、练习法。

【课时安排】

2课时（90分钟）。

【教学过程】

〖导入〗（3分钟）

由于单相异步电动机的电源是单相交流电源，在家庭中使用十分方便，所以单相异步电动机被广泛用于各种日用电器中，如电风扇、洗衣机、电冰箱等。

不同日用电器中的单相异步电动机在类型、结构上虽有差别，但其基本结构和工作原理是相同或相似的。

〖新课〗

第一节单相异步电动机的结构和工作原理

一、单相异步电动机的基本结构

拆卸一台单相异步电动机（如电风扇电动机），观察其内部结构。

单相异步电动机的基本结构也是由定子、转子两大部分，以及机壳、端盖、轴承、风扇等部件构成，如图所示。

1．定子

电动机的定子由定子铁心和定子绕组构成，如图所示。

2．转子

转子由转子铁心、转子绕组和转轴构成，如图所示。

转子绕组一般有笼形转子和绕线式转子绕组两种。

3.其他部件

单相异步电动机的其他部件还有机壳、前后端盖、风叶等。

二、单相异步电动机的工作原理

1．运转原理

异步电动机属于感应电动机。

实验装置如图（a）所示，在一个马蹄形磁铁上装有旋转手柄，两磁极之间放一个可以自由转动的笼型转子，磁极和转子之间是空气隙，没有机械或电气的联系。

当我们转动手柄使磁铁旋转时，现象：

（1）笼型转子随着磁极一起转动。

磁极转得快，转子跟着转得快；磁极转得慢，转子也跟着转得慢。

（2）若改变磁极旋转方向，笼型转子也跟着改变旋转方向。

（3）仔细观察还会发现，笼型转子的转速总是低于磁极的转速，两者的转速不能同步，即所谓“异步”。

图（b）来分析说明：

设磁极按逆时针方向旋转，形成一个旋转磁场，置于旋转磁场中的转子导条切割磁感应线，产生感应电动势，由于笼型转子绕组是闭合结构，所以转子绕组中产生感应电流。

根据右手定则，可以判断出位于N极下的导条感应电流方向为进入纸面；而位于S极下的导条感应电流方向为穿出纸面。

又因为载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，根据左手定则可判断出位于N极下的导条受力方向向左；位于S极下的导条受力方向向右。

这样，在笼型转子上就形成一个逆时针方向的电磁转矩，从而驱动转子跟随旋转磁场按顺时针方向转动起来。

若磁极按顺时针方向旋转，同理，转子也会改变方向朝顺时针方向转动。

另外，磁场若加快旋转切割转子速度，转子上感应电流及电磁转矩将增大，则转子转速加快。

“异步”解释：

异步电动机的转子转向与旋转磁场转向一致，如果转子与旋转磁场转速相等，则转子与旋转磁场之间没有相对运动，转子导条不再切割磁感应线，没有电磁感应，感应电流和电磁转矩为零，转子失去旋转动力，在固有阻力矩的作用下，转子转速必然低于旋转磁场转速，所以称其为异步电动机。

如果电动机转子与旋转磁场以相同的转速旋转，这种电动机称为同步电动机。

异步电动机旋转磁场转速（也称同步转速n0）与转子转速n之差称为转差，转差与同步转速n0的比值用“转差率”s表示：

转差率s是反映异步电动机运行状态的一个重要参数。

异步电动机额定转速时的转差率称为额定转差率sN，一般很小（约2%～5%），即异步电动机在额定状态下运行时的转速ｎＮ很接近同步转速ｎ0。

例2-1一台直流电动机在正常运行时外加直流电源电压220V，电枢电流为10A电枢电阻为

，求反电动势。

2．旋转磁场

从上述原理分析可知，单相异步电动机必须首先建立一个旋转磁场，才能驱动笼型转子旋转。

（1）单相绕组的定子磁场

单相异步电动机能电后不能自行起动，需要拨动一下电动机的转子，电动机才能朝拨动的方向转动起来。

结论：

单相绕组只能建立脉动磁场。

在脉动磁场下电动机的起动转矩为零，即电动机不能自行起动，但在外力作用下起动后能够运行。

（2）两相绕组的定子磁场

单相绕组的电动机只有一相绕组，无法建立一个旋转磁场。

异步电动机旋转磁场的同步转速n0为：

式中，f为交流电源的频率；P为定子磁极对数。

单相异步电动机形成圆形旋转磁场的对称条件：

①两相绕组在空间上相差90电角度；

②两相电流的相位相差90电角度；

③两相绕组电流大小相等、匝数相同、分布相同。

圆形旋转磁场的特点：

是在定子内圆任意位置上的磁场强度均相同。

结论：

①两相绕组空间位置不同；两相电流相位不同，就能产生旋转磁场。

其轨迹一般是椭圆。

②旋转磁场的转速n0=60f/P。

③旋转磁场的旋转方向总是从电流超前的绕组转向电流滞后的绕组。

第二节单相异步电动机的分类

分相式单相异步电动机：

电动机定子铁心上嵌放了主绕组（运行绕组或工作绕组）和辅助绕组（起动绕组），且两绕组在空间互差90电角度，如图所示。

为使两绕组在接同一单相电源时能产生相位不同的两相电流，往往在起动绕组中串入电容或电阻（也可以利用两绕组自身阻抗的不同）进行分相的电动机。

一、电阻起动式电动机

1.电路构成

图示为单相电阻起动式异步电动机的原理图。

图中“1”为主绕组，匝数比启动绕组多，主要呈感性。

“2”为启动绕组，匝数较少、导线较细，相对于主绕组呈阻性。

由电流、电压矢量图可以看出，工作时启动绕组中的电流I2超前于工作绕组的电流I1·一个φ角，两者之间有一定的相位差，从而可以形成旋转磁场,产生起动转矩。

2.特点

起动绕组一般是按短时工作设计,因此串有一个起动开关S,当转速上升到一定程度时,开关自动断开起动绕组,由工作绕组维持运行。

由于φ角不大,因此电阻起动式电动机的起动转矩较小。

3.应用

适用于空载或轻载起动的场合。

二、电容起动式电动机

1.电路构成

图示为单相电容起动式电动机的原理图。

电动机的启动绕组中串联了一个电容器，选择合适的电容量，可使工作绕组与启动绕组的电流相位差接近900，产生近似于圆形的旋转磁场。

2.特点

具有较大的启动转矩，且启动电流较小，因而这种电动机的起动性能较好。

电容启动式电动机的起动绕组也是按短时工作设计,因此串有一个起动开关S,当转速上升到一定程度时,开关自动断开起动绕组,由工作绕组维持运行。

三、电容运转式电动机

1.电路构成

图示为单相电容运转式电动机的原理图。

与电容启动式电动机相比较，其启动绕组中不串起动开关S，因此启动绕组和启动电容器在电动机启动后也参与运行，因此称为电容运转式电动机。

2.特点

这种电动机运行时输出功率大、功率因数高、过载能力强、噪声低、振动小。

其缺点是起动性能不如电容起动式电动机好。

3.应用

广泛应用于各种小功率的电动类日用电器中

四、电容起动运转式电动机

为了使电动机的起动和运行性能都比较好，可以在启动绕组中串联两个相互并联的电容器，其中C1与启动开关S串联。

电动机启动时，两个电容器都参与工作；启动结束，由S断开启动电容器，只有C2参与运行，这样电动机的启动与运行性能都能得到保障。

五、罩极式异步电动机

罩极式电动机的转子是笼型的,定子有凸极式和隐极式两种。

图为凸极式罩极电动机结构示意图。

在凸出的定子磁极约1/3处开一小槽,套入罩极线圈（一个短路铜环）,作为副绕组,凸极上的另一个线圈作为主绕组。

罩极式异步电动机结构简单,价格低廉,但起动转矩小且不能改变转向，多用于电唱机、小型电风扇和鼓风机中。

〖板书〗

第一节单相异步电动机的结构和工作原理

一、单相异步电动机的基本结构

二、单相异步电动机的工作原理

例2-1

第二节单相异步电动机的分类

一、电阻起动式电动机

二、电容起动式电动机

三、电容运转式电动机

四、电容起动运转式电动机

五、罩极式异步电动机

第二章 单相异步电动机

新授课

【教学目标】

1．知识目标：

了解单相异步电动机的反转、调速的原理和方法。

2．能力目标：

使学生掌握解决单相异步电动机反转和调速的方法。

3．情感目标：

激发学生浓厚的学习兴趣，培养学生严谨的科学态度。

【教学重点】

调速方法。

【教学难点】

控制电路理解。

【教学方法】

读书指导法、分析法、演示法、练习法。

【课时安排】

2课时（90分钟）。

【教学过程】

〖导入〗（3分钟）

师生互动

提问：

单相异步电动机的转动原理？

它的转动方向如何确定？

跟什么有关？

（磁场方向）

〖新课〗

第三节 单相异步电动机的反转和调速

一、单相异步电动机的反转

1.分相式电动机的反转

改变单相异步电动机的起动绕组或工作绕组的电流方向。

就可以改变单相异步电动机的转向，电路原理如图所示。

思考

改变工作绕组或启动绕组其中一个的电流方向，就可实现单相异步电动机的反转，若同时改变两个绕组中的电流方向，结果如何？

2.罩极式电动机反转

罩极式电动机的转向由定子磁极的结构决定的，故运行时无法改变，只有把定子绕组铁心从机座中抽出来，反相后再装。

或在定子槽中增加一套主绕组或罩极线圈。

二、单相异步电动机的调速

1.调速原理和方法

通过改变电源电压或电动机结构参数的方法，从而改变电动机转速的过程，称为调速。

常用的调速方法有两种：

第一是外电路降压法，；第二种是通过改变定子绕组的匝数调速。

2.外电路降压调速

（1）串联电抗法，如图。

将电动机主、副绕组并联后再与电抗器串联。

调速开关接高速档，电机绕组直接接电源，转速最高；调速开关接中、低速档，电机绕组串联不同的电抗器，总电抗增大，转速降低。

用此方法调速比较灵活，电路结构简单，维修方便，但需要专用电抗器，成本高，耗能大，低速起动性能差。

（2）采用PTC零件调速

如图为具有微风挡的电风扇调速电路。

微风——风扇在500r/min以下送出的风。

如采用一般的调速方法，电动机在这样低的转速下很难启动，电路利用常温下PTC电阻很小，电动机在微风挡直接起动，起动后，PTC阻值增大，使电动机进入微风挡运行。

（3）晶闸管调压调速

晶闸管调压调速是通过改变晶闸管的导通角来改变电动机的电压波形，从而改变电压的有效值已达到调速的目的。

图示为吊扇使用的双向晶闸管调压调速电路。

3.绕组抽头法调速

绕组抽头法调速，实际上是把电抗器调速法的电抗嵌入定子槽中，通过改变中间绕组与主、副绕组的连接方式，来调整磁场的大小和椭圆度，从而调节电动机的转速。

采用这种方法调速，节省了电抗器，成本低、功耗小、性能好，但工艺较复杂。

实际应用中有L型和T型绕组抽头调速两种方法。

（1）L型绕组的抽头调速

（2）T型绕组的抽头调速

4．其他调速方法

自耦变压器调压调速、串电容器调速和变极调速等。

练习：

提问为什么改变定子旋转磁场的同步转速，可以近似成倍地改变电动机的转速？

总结本章所学知识点。

小结：

单相异步电动机的调速方法，参照电路图，区别各种调速方法，总结特点。

板书：

第三节 单相异步电动机的反转和调速

一、单相异步电动机的反转

1.分相式电动机的反转

思考

2.罩极式电动机反转

二、单相异步电动机的调速

1.调速原理

2.外电路降压调速

3.绕组抽头法调速

本章小结

1．单相异步电动机的结构

2.单相异步电动机的工作原理

3.单相异步电动机的分类、结构和工作原理

4.单相电源产生的脉动磁场

（1）起动转矩为零——不可自行起动

（2）旋转方向不能确定——取决于起动时的转向。

5.分相式电动机：

定子上安装空间上有相位差的两绕组，主（工作）绕组和副（起动）绕组。

6.根据获得绕组空间位置差和电流相位差的方法不同，分相式异步电动机分：

电阻起动、电容起动、电容运转、电容起动运转四类。

7.罩极式单相异步电动机。

8.单相异步电动机多采用调压方法来调速，常用串电抗器调速，晶闸管调压调速和定子绕组抽头法等。