基于旋转相量的单相交流异步电动机原理讲解

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摘 要：针对单相交流异步电动机原理讲解困难，从旋转相量分析入手，分析了2极4极脉动磁场，总结得单相交流异步电动机原理，并用1台家用排风扇的分相式以4极电机作为对象，利用万用表和光电转速表实践验证，得出可信结论。

关键词：旋转相量 脉动磁场 单相交流异步电动机

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0172-02

1 背景介绍

电动机按用电类型分为交流电机和直流电机，直流电机结构和使用维修较复杂[1]，使用选择顺序依次是交流三相鼠笼式，交流三相绕线式，单相鼠笼式，直流电机等。

单相交流异步电机在工农业生产和家用电器中应用非常广泛[2]，是机电专业学生必学内容[3]，要学习单相交流异步电机工作原理，须先掌握三相交流异步电机工作原理和其转矩特性。在掌握三相交流异步电机工作特性后，通过分析单相电机磁场关系，得出单相电机旋转结论。

2 三相交流异步电动机原理

三相交流异步电动机原理是在三相对称的定子绕组中通入对称三相交流电产生旋转磁场[4，5]，旋转磁场切割转子绕组产生感生电动势。感生电动势在闭合的转子回路中产生感生电流。由感生电流在磁场中产生旋转力矩使电机旋转起来。至此可看出：只要有旋转磁场，而且转子回路是闭合回路就可旋转。

三相交流异步电动机描述转矩特性是根据

M=CMφSE20r2/[r+（SX20）2]

CM为转矩常数；

φ为定子绕组转子绕组共同作用的磁通；

S为转差率；

r2为转子回路电阻值；

E20为转子不转时，转子感生电动势；

X20为转子不转时，转子回路漏电抗。

由上述关系和多次试验等方法得出特性曲线。

虽各类三相交流异步电机转矩特性曲线有一定的差别，但大体走势（如图1）。

单相交流异步电机的讲解和学习，就是建立在前面这些基础理论之上的。讲解方法一般有两种[5，6]：一种是采用在波形图上直接分解成二个相反的旋转磁场；另一种方法是采用三角函数转换进行讲解。这两种方法都要求数学基础好，而多数学生数学知识不足，理解起来比较费劲，笔者经过分析研究采用了旋转相量法进行讲解，效果较好，现介绍如下。

3 单相交流异步电动机原理

单相交流异步电动机是单相绕组中通入单相交流电，由此而产生的磁场是一个脉动磁场（见图2、3）。

以二级电机为例分析，由于通入的电流i=IMsinωt，因此产生的磁感应强度B=BMsinωt。下面我们做个假设：有二个B =BM的相量，以同一圆心ω的角频率相反旋转（见图4）。

当ωt=0时，B=BM-BM=0。

当ωt等于任一值时，

X轴合成为BX=BMcosωt-BMcosωt

Y轴合成为BY=BMsinωt+BMsinωt

=BMsinωt

则总的B=BY=BMsinωt。

既然可以把一个单相的脉动磁场分解成两个磁感应强度幅值相等的转向相反的旋转磁场，则可认为，单相异步电动机的电磁转矩也是由这两个旋转磁场分别产生的电磁转矩合成的结果（见图5）。从图4中可得出四个特点：（1）它的起动转矩为零，不能自行起动。（2）它的旋转方向是不固定的，完全取决于起动时的旋转方向。（3）离开零点后可保证启动（M与n同方向增大）。（4）当n增大到一定程度时，M开始减小，达到平衡时转速稳定。对于4级、6级单相电机分解类同，只是分解角度分别是1/2、1/3，即旋转速度分别是2级电机的1/2、1/3（见图5）。

4 实践验证

4.1 电机参数（见表1）

4.2 测试仪器

万用表AC97，产地：中国；光电转速表DT-2234B，产地：中国台湾。

4.3 验证步骤

步骤1：先测量电源，测定电压，测试为结果，三次分别为226 V、224 V、225 V。满足要求，将交流电通入单相电机（没有接电容），电机不转。用手转动一下转轴则电机迅速起动运转起来，经过一段时间转速稳定，用转速表测定转速，转速测定结果三次分别为1230 rpm，1250 rpm，1240 rpm，停电使电机停转。

步骤2：用上述方法反方向起动运行。测得数据分别为224 V、225 V、225 V；1245 rpm，1240 rpm，1240 rpm，停电使电机停转。

步骤3：接电容后运行测试，转速分别为1420 rpm、1430 rpm、1420 rpm；1430 rpm、1420 rpm、1430 rpm。

5 实验结论

（1）单相电机无法自行启动，旋转方向依靠外部决定，一旦启动后可以保持相对稳定速度。

（2）分相式单相式电机，配以适当电容可以提高转速，方向与电容接线有关。

6 教学结果及注意点

通过这种理论与实践结合的讲解，学员感到思路很新，开扩了学员的眼界，同时通过实践增强了可信度。

该种方法应注意的问题：由于要动用电机，而且在课堂上，（1）必须注意用电安全，电机必须在使用前做绝缘测试，电压选择220V，～50Hz较方便。（2）电机功率不宜选择过大，或过小，过小转速测定误差较大；过大控制困难，危险较大；一般以百瓦左右较合适。极数一般选择4级较好，而且比较好找。（3）在操作时一般以两人为宜，一人负责电机的固定，一人负责通电，用手转动一下转轴测速停电等。（4）通电后观察不动时间不要过长，否则容易烧坏电机。（5）测量用光电转速表测试简单。

参考文献

[1] 向波，周平，等.电动叉车直流电机换向片间短路的快速测量[C]//中国控制会议论文集（CCC2012），2012.

[2] 邱阿瑞.电机与拖动基础[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3] 曾祥富，邓朝平.电工技能与实训[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4] 羌予践.电机与电力拖动基础教程[M].北京：电子工业出版社，2008.

[5] 李发海、王岩.电机与拖动基础学习指导[M].北京：清华大学出版社，2012.

[6] 唐介.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社，2003.