单相串励异步电动机结构设计.doc

单相串励异步电动机结构设计 第1章 概 述 一、 选题的依据和意义 　 自十九世纪八十年代发明旋转电机以来，随着技术、材料的不断进步与发展，电机的性能得到逐步的提高，呈现出大容量和小型化趋势。为配合电动工具、家用电器的发展需求，单相串励电动机应运而生，其特点是交直流两用，转速高、转速随着负载变化而变化、启动转矩大及调速方便等。用于家用电器的有吸尘器、电吹风、食物搅拌器、果汁机、洗碗机、洗衣机、电动缝纫机等。而电动工具上则有剪枝机、手电钻、电刨、电动锯、电动螺丝刀、打磨机、抛光机、打蜡机、电动扳手、除草机、清洗机，喷漆机、草坪机、吹树叶机等。因此，其使用面非常的普及。二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。这种电机应用十分广泛，主要在于它具备以下一些优点： (1)使用方便 这种电机虽然跟串励式直流电机的结构一样，但是它能在交流电源下使用。改变输入电压的大小，可以改变转速，所以调速也很方便。 (2)转速高，体积小，重量轻 其它的交流电机的转速，都与电源的频率有关，当电源的频率为60Hz时，转速不可能超过3600rad/min，但是单相串励电动机的转速却不受电源频率的限制，它的转速一般可以设计在3000~30000rad/min之闯。电机的转速越高，电机中铁磁材料的用量越小，因此电机的体积重量相应减少。 (3)软的机械特性 单相串励电动机具有软的机槭特性，转速随着负载的改变而改变。负载越大转速越低。它的电磁转矩几乎与电流的平方成正比，再加上串励电动机的软的机械特性，使其特别适用于电气牵引和卷扬机械。因为这类机械需要经常启动，并且还有可能过载。当负载增大时，串励电动机的转速将急剧降低，以便保证安全：当负载减小时，串励电动机的转速将迅速上升，以便提高生产效率。由于机械功率等于转矩和转速的乘积，因此，当负载转矩变大时，电动机的输出功率和由电网提供给电动机的电功率也可以保持在比较稳定的数值，两不致有很大的波动。 （4)启动力矩大，过载能力强 单相串励电动机的启动力矩很大，12000rad/min电动机的启动转矩高达额定转矩的4～6倍。而其它的单相交流电动机大多为1倍以下。所以比较实用于电动工具，不容易被卡住，有较大的过载能力。 诸如以上优点单相串励电动机的前景广阔。 1.2单相串励电动机的发展近况与发展趋势 二十世纪六十年代，随着电动工具、家用电器和装饰行业的迅猛发展，对单相串励电动机的研究渐趋活跃。近年来，由于市场需求量大，对单相串励电动机的研究更加深入，在制造工艺上也有长足发展。但是，单相串励电动机也有很多的缺点，现在的最主要发展方向是尽可能抑制其缺点。单相串励电动机主要存在以下缺点： （1）高速运转的单相串励电动机又容易产生谐波，这使电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除电力系统中谐波的方法，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常重要的意义。谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。 （2）单相串励电动机在交流电源下工作，其换向情况复杂，加上该类型电机一般在高速下工作其转速可达30000r/min，由此产生的换向火花(振动和异常噪声也更为严重。单相串励电动机的噪声和其他类型电动机大致相同，主要分为机械噪声和动力噪声以及磁噪声。 （3）由于单相串励磁电动机需要换向器装置，因此，其寿命存在一些问题。 由于单线串励电动机存在比较多的缺点，现在对单相电动机的研究主要倾向于解决单相电动机的这些缺点。 电机设计包括电磁设计和结构设计两个设计内容，习惯上所指的电机设计往往是指电磁设计。本次设计内容也主要是电磁设计，单相串励电动机由于转速高、机械特性软、换向条件严酷以及功率比较小等特点，因此，在电磁设计中有其特点和要求：其一，额定工作点，也就是保证转速、力矩为额定值。因此在电磁设计中往往提高额定点的设计转速5％～10％，以保证电机输出功率不低于额定功率；其二，控制换向火花，对于换向条件严酷的单相串励电机控制影响换向火花的电磁因素尤为重要。至于其他性能指标，一般电机设计的一些基本要求对单相串励电机也是适用的，但由于单相串励电机自身的特点，往往对有些性能指标不作考核，有的指标则允许有较大的偏差。如单相串励电动机的启动转矩、最大转矩、功率因数(一般高达0.9左右)都比一般交流异步电机高得多，所以不作严格要求。但值得注意的是，功率因数和效率在设计中仍需要严格核算。 当前，用于永磁同步电机电磁性能分析的方法主要有等效磁路法、电磁场数值计算法以及场路结合法，其中电磁场数值计算法中用得最多的是有限元法。