CN102332798A - 一种小功率单相电容电动机及其电容量和匝数的调整方法 - Google Patents

Abstract

一种小功率单相电容电动机，包括定子铁芯、主相绕组、副相绕组和电容器，主相绕组和副相绕组在定子铁芯上布置的空间电角度差为90°；副相绕组和电容器并联后与主相绕组串联接往电源。电动机的电容量和匝数的调整方法包括以下步骤：1)在所述定子铁芯嵌线并使用所述转子制作二相绕组电动机样机，该二相绕组在定子铁芯的空间电角度差为90°，使该电动机在额定工作点达到对称运行，其中一相绕组的有效匝数为W_m，所连接的电源电压为U_m，测定此时该相回路的电导g与电纳b；2)主相有效匝数W_m′、副相有效匝数W_a′和电容量C′调整为：W_m′＝W_m·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；W_a′＝W_m·(g/b)·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；C′＝(b+b³/g²)/(2π·f·U_N ²/(U_m ²(1+(g/b)²)))；式中：U_N——电动机的额定电压；f——电动机的额定频率。相比传统技术，该设计改善绕线工艺和减少计算工作量并获得较佳性能。

Description

一种小功率单相电容电动机及其电容量和匝数的调整方法

技术领域

本发明涉及一种小功率单相电容电动机及其电容量和匝数调整方法，在国际专利分类表中，分类属于H02K3/28、H02K17/08或H02K19/04。

背景技术

传统技术的单相电容电动机是在定子铁芯按规定空间角度差布置主相绕组和副相绕组以及使副相绕组串联电容器后与主相绕组并联接往电源(简称并联式电容电机)，主相绕组的电感特性使主相绕组电流滞后电源电压，副相绕组串联电容器的特性使副相绕组电流超前电源电压，因而超前主相绕组电流，配合在定子铁芯上分布的二相绕组空间角度差，即产生自主相绕组位置向副相绕组位置旋转的旋转磁场，驱动转子旋转。传统技术的问题是，当电动机的功率比较小而额定电压较高时，绕组匝数过多而线径过细，生产中绕线费时且容易发生断线。同时，单相电容电动机的电磁计算比较复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种小功率单相电容电动机及其电容量和匝数调整方法，相比传统技术，可改善绕线工艺和减少计算工作量，使电动机获得较佳的性能。

本发明解决所述技术问题的电动机的技术方案是，一种小功率单相电容电动机，包括定子铁芯、主相绕组、副相绕组和电容器，主相绕组、副相绕组在定子铁芯上按照规定的空间角度差布置，其特征在于：所述副相绕组和电容器并联后与主相绕组串联接往电源。

这样连接的电动机(简称串联式电容电机)的副相绕组电流落后于主相绕组电流，配合在定子铁芯上分布的二相绕组空间角度差，即产生自副相绕组位置向主相绕组位置旋转的旋转磁场，驱动转子旋转，即与传统技术的并联式电容电机相比，二种电动机若主副绕组的布置相同，旋转方向将相反；对其中之一调反主副绕组布置位置或一相绕组连接的首末端，旋转方向即可为相同。

然而，该电动机由于主相回路与副相回路为串联接往电源，二相绕组上的电压将低于电源电压，相比于传统技术二相绕组上的电压等于甚至高于电源电压显著下降，因而可使电动机绕组的匝数减少并使用较粗的线径，从而提高绕线速度和减少断线。

该电动机的电容量和匝数的调整方法包括以下步骤：

1)在所述定子铁芯嵌线并使用所述转子制作二相绕组电动机样机，该样机的二相绕组在定子铁芯上布置的空间电角度差为90°，使该电动机在额定工作点达到对称运行，其中一相绕组的有效匝数为W_m，所连接的电源电压为U_m，测定此时该相回路的电导g与电纳b；

2)拟设计的电动机的主相绕组有效匝数W_m′、副相绕组有效匝数W_a′和副相绕组并联电容量C′按如下公式：

W_m′＝W_m·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

W_a′＝W_m·(g/b)·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

C′＝(b+b³/g²)/(2π·f·U_N ²/(U_m ²(1+(g/b)²)))。

式中：U_N——拟设计的电动机的额定电压；

f——拟设计的电动机的额定频率。

该调整方法巧妙地利用电动机对称运行时不存在负序分量，因而借助于常规的电工实验就可得到的电导g与电纳b作为电动机电磁计算所需正序电导与电纳的数值，从而省略现有技术对正序电导与电纳相当复杂的计算，并以电导g与电纳b为基础，计算出拟设计的电动机的主相绕组有效匝数W_m′、副相绕组有效匝数W_a′和电容量C′；尤其是该实验在必定包括工艺因素的对称电动机上进行，因而直接获得与现有结构工艺一致的准确结果，使拟设计电动机获得较佳的性能。

本发明技术方案及其典型设计将在具体实施方式中进一步说明。

附图说明

以下附图用于说明本发明的具体实施方式。

图1是本发明实施例小功率单相电容电动机定子铁心槽型示意图；

图2是本发明实施例小功率单相电容电动机电路图；

图3是本发明实施例为设计调整而制作的二相绕组电动机样机实验接线图；

图4是本发明实施例小功率单相电容电动机电流、电压矢量图。

具体实施方式

本发明实施例小功率单相电容电动机是在现有技术常见的单相电容运转异步电动机的基础上改进而成。

该电动机为内转子电动机，包括定子和鼠笼转子。定子铁芯冲片如图1为方形圆角，开均匀开口平底槽8槽(也可为异性槽、闭口槽和圆底槽)，8个齿中4个齿位于4直线段对称轴，另4个齿位于4角圆弧段的对称轴，每齿各绕一具有绝缘框架的线圈元件6。

绕组结构和接线如图2。连接于端子m1、m2的主相绕组由位于铁芯5冲片4直线段的对称轴(见图1)序号为1、3、5、7(见图2)共4个齿上的4个线圈元件按4极串联组成；连接于端子a1、a2的副相绕组由位于铁芯5冲片4角圆弧段的对称轴上(见图1)序号为2、4、6、8(见图2)共4个齿上的4个线圈元件按4极串联组成，且副相绕组a1-a2并联电容器C后与主相绕组m1-m2串联接往220V单相电源，如图2所示。

显然，该实施例中主副相绕组在定子铁芯上的分布空间角度差为45°，对于4极电动机，相应的分布电角度差即为90°。

为了使本实施例单相电容电动机达到对称运行，获得最高的效率和最小的电磁振动，其电容量和匝数按以下方法调整。

首先，如前述在图1所示定子铁芯嵌线并使用所述转子制作二相绕组电动机样机，定子铁芯上嵌线为二相绕组电动机，按照图3接线为并联式电容电机和联接测试仪表，二相绕组电动机10的主相绕组11的匝数为W_m，副相绕组12匝数为W_a。来自电网的220V单相电源的中性线N极与主相绕组11和副相绕组12的公共连接点相连。自耦调压器20和自耦调压器40的输入端连接于相线A极和中性线N极，自耦调压器20的调压输出端经电参数测量仪30连接主相绕组11的输入端，自耦调压器40的调压输出端经电参数测量仪50和可调电容箱60连接副相绕组12的输入端。电参数测量仪30由电压表31、功率表32和电流表33组成，分别检测输入主相绕组11的电压、电流和功率U_m、I_m和P_m并可以此计算得到或显示其功率因数Φ_m。电参数测量仪50由电压表51、功率表52和电流表53组成，分别检测输入副相绕组12和电容箱60的电压、电流和功率U_ac、I_a和P_a并可以此计算得到或显示其功率因数Φ_a。电容箱60由多个电容器61和换接开关62组成，旋转换接开关62即可改变电容箱60的电容量C。

电动机10按以上电路连接后装机运行，观察电参数测量仪30和电参数测量仪40各仪表的示值，同时观察电动机10的启动和运行性能，必要时把电动机10单独装往电动机测功机，测定其启动力矩和在额定转速点时的功率、效率和噪声振动，同时调整电容箱60的电容量以及自耦调压器20的输出电压和自耦调压器40的输出电压，使所述性能以标准要求为目标达致最佳，并在额定转速点调整为：

W_mI_m＝W_aI_a

P_m＝P_a，或者Φ_m-Φ_a＝90°。

此时，电动机10达到对称运行，记录电参数测量仪30显示的电压、电流和功率U_m、I_m和P_m。

二相绕组电动机也可以嵌线为对称二相绕组电动机(W_m＝W_a)，接往对称二相电源运行。该电动机将总是处于对称运行状态，仅调整电源电压，使所述性能以标准要求为目标达致最佳即可。记录额定转速点主相的电压、电流和功率U_m、I_m和P_m、。

把上述U_m、I_m和P_m值代入如下公式计算相回路的电导g与电纳b：

$\mathrm{COS}{\mathrm{\Φ}}_m=\frac{P_m}{U_m{I}_m}$

$g=\frac{I_m}{U_m}\mathrm{COS}{\mathrm{\Φ}}_m=\frac{P_m}{{U_m}^2}$

$b=\frac{I_m}{U_m}\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_m$

拟设计的串联式电容电动机的主相绕组有效匝数W_m′、副相绕组有效匝数W_a′和电容量C′按如下计算：

W_m′＝W_m·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

W_a′＝W_m·(g/b)·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

C′＝(b+b³/g²)/(2π·f·U_N ²/(U_m ²(1+(g/b)²)))。

串联式电容电动机实验设计实例计算如下。

电动机额定电压U_N为220V和额定频率f为50HZ。

1、对称二相绕组电动机的测试结果

对称二相绕组电动机主副绕组均为2000匝，接往对称二相电源在额定工作点运行，对相回路测得：

$P_m=\sqrt{3}=1.732\left(W\right)$

U_m＝100(V)

I_m＝0.02(A)

$\mathrm{COS}{\mathrm{\Φ}}_m=\frac{P_m}{U_m{I}_m}=\frac{\sqrt{3}}{2}$ Φ_m＝30°

2、对称二相电动机相阻抗的计算

z_a＝z_m＝U/I＝100/0.02＝5000(Ω)

Φ_a＝Φ_m＝Φ＝30°

Z_a＝Z_m＝5000e^j30°(Ω)

$g=\frac{I_m}{U_m}\mathrm{COS}{\mathrm{\Φ}}_m=\frac{0.02}{100}\·\frac{\sqrt{3}}{2}=0.0001\sqrt{3}=0.0001732\left(S\right)$

$b=\frac{I_m}{U_m}\mathrm{Sin}{\mathrm{\Φ}}_m=\frac{0.02}{100}\·\frac{1}{2}=0.0001\left(S\right)$

3、拟转化的串联式电容电动机副相/主相绕组有效匝数比K和副相并联电容量C的计算

$K=\frac{g}{b}=\sqrt{3}=1.732$

$b_c=-\frac{\mathrm{gK}+b}{K^2}=-\frac{0.0001\sqrt{3}\×\sqrt{3}+0.0001}{{\left(\sqrt{3}\right)}^2}=-\frac{0.0004}{3}=-0.0001333\left(S\right)$

$C=\frac{-b_c}{2\mathrm{\π}\·f}=\frac{0.0001333}{314}=0.4244\left(\mathrm{\μF}\right)$

4、转化后的串联式电容电动机运行性能的计算

副绕组阻抗：

电容器导纳： $Y_c=-j{b}_c=j\frac{0.0004}{3}\left(S\right)$

电容器阻抗：

副绕组与电容器并联的阻抗：

主相电流(总电流)：

(参考正弦量)

主相电压：

副相电压：

电源电压：

副绕组电流：

电容器电流：

各电压和电流相位关系如图4所示。可见，计算结果

和

符合

的关系，

和

符合

的关系，即该串联式电容电动机达到了对称运行。

5、按额定电压U_N运行的串联式电容电动机对电源电压U_L折算后的计算结果

电压折算系数：K_U＝U_N/U_L＝220/200＝1.1

主相绕组有效匝数：W_m′＝W_m·K_U＝2000×1.1＝2200

副相绕组有效匝数： ${W_a}^{\′}=W_m\·K{\·K}_U=2000\×\sqrt{3}\×1.1=3810$

副相绕组并联电容量：C′＝C/K_U ²＝0.4244/1.1²＝0.3507(μF)

以已知参数代入本发明推荐的公式也将得到与上述相同的计算结果，即：

W_m′＝W_m·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)＝2200；

W_a′＝W_m·(g/b)·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)＝3810；

C′＝(b+b³/g²)/(2π·f·U_N ²/(U_m ²(1+(g/b)²)))＝0.3507(μF)。

Claims (3)

1.一种小功率单相电容电动机，包括定子铁芯、主相绕组、副相绕组和电容器，所述主相绕组和副相绕组在定子铁芯上布置的空间电角度差为90°；其特征在于：所述副相绕组和电容器并联后与主相绕组串联接往电源。

2.一种如权利要求1所述小功率单相电容电动机的电容量和匝数的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在所述定子铁芯嵌线并使用所述转子制作二相绕组电动机样机，该样机的二相绕组在定子铁芯上布置的空间电角度差为90°，使该电动机在额定工作点达到对称运行，其中一相绕组的有效匝数为W_m，所连接的电源电压为U_m，测定此时该相回路的电导g与电纳b；

2)拟设计的电动机的主相绕组有效匝数W_m′、副相绕组有效匝数W_a′和副相绕组并联电容量C′按如下公式：

W_m′＝W_m·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

W_a′＝W_m·(g/b)·U_N/(U_m(1+(g/b)²)^0.5)；

C′＝(b+b³/g²)/(2π·f·U_N ²/(U_m ²(1+(g/b)²)))；

式中：U_N——拟设计的电动机的额定电压；

f——拟设计的电动机的额定频率。

3.按照权利要求2所述小功率单相电容电动机的电容量和匝数的调整方法，其特征在于，所述对称运行是副相绕组电流与主相绕组电流的相位差为90°，且副相绕组电流与副相绕组有效匝数的乘积等于主相绕组电流与主相绕组有效匝数的乘积。

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