专题二十六 单相异步电动机的基本原理（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题二十六 单相异步电动机的基本原理 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 请指出单相异步电动机主要由哪两部分组成，并说明定子铁芯上通常嵌放的绕组类型 下列电器（如电风扇、洗衣机、冰箱压缩机）中，哪些使用的是单相异步电动机？其启动方式可能属于哪一类？ 为什么单相异步电动机通电后不能自行启动？请简述“分相启动”或“罩极启动”解决启动问题的核心思路 考纲解读—考试要求 能将理论知识与日常生活中的电器结合，判断单相异步电动机的应用场景，初步分析不同启动方式的适用设备。 理解单相交流电产生脉振磁场的特性，以及该磁场无法产生启动转矩的原因；掌握至少一种启动方法的基本原理，无需深入计算，以“定性理解”为主。 能准确区分单相异步电动机与三相异步电动机的结构差异，重点识别定子绕组的组成及转子的笼型结构 4 考纲解读—易考题型 简述单相异步电动机的基本原理和结构 简答题 结合当前智能家居、汽车电子等领域，谈谈单相异步电动机的发展趋势及对这些领域的影响 论述题 单相异步电动机的基本原理是（ ） 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 决定单相异步电动机总体结构的因素很多,如电动机的使用条件、环境、所配套机械负载的特点、冷却方式、防护方式、安装方式和启动方式等。 单相异步电动机总体结构可按不同方式进行分类。 按冷却方式分类:有空气自冷、外风扇自冷、内风扇自冷等; 按防护方式分类:有开启式、防护式、封闭式、防爆式、潜水式、潜油式等。 按安装方式分类:有机座带底脚、端盖无凸缘;有机座无底脚、端盖有小凸缘,轴伸在凸缘端:有机座有底脚、端盖上有小凸缘、轴伸在凸缘端;有机座无底脚、端盖上有大凸缘,轴伸在凸缘端等四种。 按启动方式分类:有分相式和罩极式。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 单相异步电动机中,专用电机占有很大比例,如电风扇电动机、电冰箱电动机、洗衣机电动机、电吹风电动机、空调风扇电动机。它们的结构各有特点,形式繁多。尽管如此,就其共性而言,单相异步电动机的结构都由固定部分——定子、转动部分——转子、支撑部分——机座、端盖和轴承等三大部分组成,如图5-1所示。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (1)机座 机座结构随电动机冷却方式、防护类型、安装方式和用途而异。就其材料分类,有铸铁、铸铝和钢板结构等几种。 铸铁机座——通常带有散热筋。机座与端盖连接,用螺栓紧固。 铸铝机座——往往不带散热筋,常有加强筋和装饰筋采用长螺栓紧固端盖。 钢板结构的机座——是由厚为1.5~2.5mm的薄钢板卷制、焊接而成,再焊上钢板冲压件的底脚。近年来有一次冲压成形与端盖连在一起的。此种结构国内正在普及。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (2)铁心 铁心包括定子铁心和转子铁心,作用同三相异步电动机一样,是用来构成电动机的磁路。其中为减少交变磁通产生的铁损,也是用相互绝缘的电工钢片冲制后叠成。此类电机的铁心冲片已普遍采用无硅低碳电工钢片,性能要求较高的产品则用无取向冷轧硅钢片。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (3)绕组 单相异步电动机定子绕组通常做成两相:工作绕组和启动绕组。两种绕组的中轴线错开一定的电角度。目的是为了改善启动性能和运行性能。定子绕组多数采用高强度聚酯漆包线绕制。通常采用常规绕组,如同心绕组、链式绕组等。为了减少谐波,常常采用正弦绕组。 转子绕组一般采用笼型绕组,通常用铝压铸而成。 (4)端盖 相应于不同的机座材料、端盖也有铸铁件、铸铝件(或铝压铸件)及钢板冲压件三种。根癣似据殮应装要求,有的前端盖带有大凸缘、小凸缘或其他形状的安装孔。对于容量更小的电动机,有时只准有一个端盖,另一只端盖与机壳连成一体,像只杯子。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (5)轴承 单相异步电动机用的轴承,有滚珠轴承和含油轴承两种。前者价格高而噪声大，但寿命长；后者价格低而噪声小,但寿命短。 电动机专用的滚珠轴承,径向间隙比普通轴承小。国产电动机专用轴承有两种:国内电动机用的,以符号Z标志;出口电动机用的,以符号Z1标志。安装轴承时宜用热套,轻压内圈,切忌用榔头猛敲;拆卸轴承时宜用专用工具。严格控制定子、转子同心度。 含油轴承又可分为球形与圆柱形两种。球形轴承有自定位作用,装配要求低;圆柱形轴承对电动机同心度要求较高,装配较难但噪声较小。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 (6)离心开关或启动继电器和PTC启动器在单相异步电动机中,除了电容运转电动机外,在启动过程中,当转子转速达到同步转速的70%时,常常借助于离心开关,切除单相电阻启动电动机及电容启动电动机的启动绕组,或切除电容启动 及运转电动机的启动电容器。如图5-2所示,离 心开关一般安装在轴伸端盖的内侧。有些电动 机,如电冰箱电动机,由于它与压缩机组装在一 起,并放在密封的罐子里,不便于安装离心开关 ,此时就用启动继电器代替。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 如图5-3所示,继电器的吸铁线圈串联在工作绕组回路中,启动时,主绕组电流很大,衔铁动作,使串联在启动绕组回路中的动合触点K闭合。于是启动绕组接通,电动机处于两相绕组运行状态。随着转子转速上升,工作绕组电流不断下降,吸铁线圈的吸力也随之下降。当到达一定的转速时电磁铁的吸力小于触点K的反作用弹簧的拉力,触点K被打开,这时启动绕组就脱离了电源。 (7)铭牌 单相异步电动机铭牌,用来标示电动机的额定数据及其他必要项目。 一、单相异步电动机的结构 知识点梳理和重点概念复习 1.单相绕组的脉振磁场——现在分析定子绕组通人单相交流电时,所产生磁场的情况。如图5-5所示,假设通入的是正弦变化的交流电。在单相交流电的正半周时电流从定子绕组的左侧流入,从右侧流出,由电流所产生的磁场方向如图5-6所示,该磁场的大小随电流的大小而变化,方向则保持不变。当电流过零时,磁场也为零。当电流变为负半周时,则产生磁场的方向也随之发生变化,如图5-7所示,磁场的大小仍旧随电流的大小而变化。 二、单相异步电动机的基本原理 知识点梳理和重点概念复习 下一个周期重复上一个周期的变化。由此可见,单相异步电动机定子绕组通入单相交流电时,产生磁场的大小及方向在不断地周期变化着。但磁场的轴线(图中纵轴)却固定不变这种磁场称为脉振磁场。 由于定子绕组通入单相交流电所产生的磁场只是脉振而不旋转。如果此时的转子静止不动,尽管在脉振磁场的作用下,转子仍然静止不动,也就是说,单相异步电动机不能自行启动,没有启动转矩。如果用外力去转动一下电动机的转子,则转子导体就切割定子脉振磁场,从而有电动势和电流产生,并在磁场中受到力的作用,转子将顺着外力转动的方向继续转动下去。这时,定子磁场与转子磁场合成为旋转磁场,使转子继续转动下去。 二、单相异步电动机的基本原理 知识点梳理和重点概念复习 2.两相绕组的旋转磁场 要使电动机自行启动就必须有一个旋转磁场,这样就能同三相异步电禀动机那样自行启动。常用的办法是在电动机的定子上安放两相定子绕组,使两相绕组在圆周上相差90°电角度,并将单相电源通过电阻、电容和电抗的合理配合分为有90°相位差的两相电源,将它们分别接在两绕组上,便能产生旋转磁场,在笼型转子上产生启动转矩。如图5-8中,U1U2和Z1Z2代表两相绕组,它们空间位置上相差90°电角度,将两相电流、,分别通入两相绕组,且超前90°,可用下式表示 90° 二、单相异步电动机的基本原理 知识点梳理和重点概念复习 图5-9所示为对两绕组产生磁通势的分析,图5-10所示为两相电流波形图。规定电流为正时,电流从首端流入,末端流出;电流为负时,电流从末端流入,从首端流出。从电流表达式或从波形图可以看出,当时,=0,=,为零时,U1U2绕组内没有电流;为正的最大值,电流从首端Z1流入,末端Z2流出,合成磁场就等于Z1Z2绕组产生的磁场。 二、单相异步电动机的基本原理 知识点梳理和重点概念复习 通过理论分析,两相绕组在转子上产生的电磁转矩与两个绕组通过电流后产生的磁通和,及它们的电流相位差的正弦乘积成正比,即 因此,要想得到理想的启动电磁转矩,就必须设法增大φ角,当时,转矩最大。 二、单相异步电动机的基本原理 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：鼠笼式转子由铸铝或铜条与端环构成，结构简单、坚固耐用且成本低，广泛应用于单相异步电动机。 1.单相异步电动机的转子多采用（ ）结构，制造简单、成本低。 A. 永磁式 B. 绕线式 C. 鼠笼式 D. 罩极式 20 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：端环将转子导条两端短接，形成闭合的“鼠笼”结构，使导条中能产生感应电流；铁芯起导磁作用，绕组是定子部件，轴承用于支撑转子。 2.单相异步电动机转子上的导条两端通过（ ）连接，形成闭合回路。 A. 铁芯 B. 端环 C. 绕组 D. 轴承 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：端环是转子鼠笼结构的组成部分；启动绕组、运行绕组嵌在定子铁芯上，机座用于固定定子铁芯，均属于定子部分。 3.下列部件中，不属于单相异步电动机定子部分的是（ ）。 A. 启动绕组 B. 运行绕组 C. 端环 D. 机座 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：电容可使启动绕组电流相位超前于运行绕组，形成约90度的相位差，从而产生旋转磁场帮助电机启动，并非主要用于降压、储能或滤波。 4.单相电容启动异步电动机中，启动绕组串联的电容主要作用是（ ）。 A. 降压 B. 储能 C. 移相 D. 滤波 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：启动绕组需通过较大电流产生启动转矩，故线径较粗；运行绕组长期工作，线径较细以控制铜损。 5.单相电阻启动异步电动机的启动绕组与运行绕组相比，其线径通常（ ）。 A. 更粗 B. 更细 C. 相同 D. 无法确定 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：罩极式电机的定子磁极部分套有短路铜环，通电时铜环内产生感应电流，使磁极不同部位磁场产生相位差，形成旋转磁场；其他类型电机无需此结构。 6.下列哪种单相异步电动机的定子铁芯上会设置短路铜环（ ）。 A. 电阻启动式 B. 电容启动式 C. 罩极式 D. 电容运转式 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：导条需要良好导电性以产生较大感应电流，从而获得足够电磁驱动力；铝和铜导电性优良，且成本适中、易于铸造。 7.鼠笼式转子的导条通常采用铝或铜制造，主要是因为这些材料（ ）。 A. 导磁性好 B. 绝缘性好 C. 导电性好 D. 硬度高 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：电机核心工作过程是定子磁场在转子导条中感应电流，电流与磁场作用产生电磁力驱动转子转动，基于电磁感应定律。 8.单相异步电动机的工作原理主要基于（ ）。 A. 电磁感应定律 B. 欧姆定律 C. 库仑定律 D. 楞次定律 27 常考习题练习与讲解—填空题 答案：旋转的转子在脉振磁场中会产生附加转矩（或“转子惯性及磁场与转子间的相对运动维持转矩”） 解析：启动后转子旋转，脉振磁场对旋转转子的作用不再对称，可产生维持运转的转矩。 1.当单相异步电动机启动后，若切除副绕组，电机仍能继续运转，这是因为______。 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：提供运行转矩（维持电机运转）；帮助电机启动（产生启动所需的相位差） 解析：二者功能不同，主绕组是运行核心，副绕组聚焦启动辅助。 2.单相异步电动机主绕组的作用是______，副绕组的主要作用是______。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：端环 解析：端环将转子导条连接成整体，使导条中产生的感应电流能形成闭合回路，进而产生电磁力。 3.笼型转子的导条两端通过______短路，形成闭合回路。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：同步；定子绕组极对数 解析：同步转速公式为（f为电源频率，p为极对数），体现了极对数和频率对其的影响。 4.旋转磁场的转速称为______转速，其大小与______和电源频率有关。 31 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：改变主、副绕组的相位关系（如调换主绕组或副绕组与电源的接线），可改变旋转磁场方向，进而改变电机转向。 1.改变单相异步电动机主绕组的接线方式，可改变电机的转向。（ ） 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：旋转磁场切割转子导条，导条中产生感应电动势和感应电流，这是异步电动机工作的电磁感应基础。 2.笼型转子导条中的电流是由电磁感应产生的。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：单相异步电动机必须接入单相交流电源，且需通过启动措施产生旋转磁场才能启动。 3.单相异步电动机无需电源即可自行启动运转。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：硅钢片具有低磁滞损耗特性，叠压结构可减少涡流，从而降低定子铁芯的铁损耗。 4.定子铁芯采用硅钢片叠压而成，目的是减少铁损耗。（ ） 35 常考习题练习与讲解—简答题 电机启动后转子已获得一定转速，此时定子脉振磁场对旋转的转子作用不再对称。从转子视角看，脉振磁场可视为一个正向旋转磁场和一个反向旋转磁场，但正向旋转磁场（与转子转向相同）的相对转速低于反向旋转磁场。总转矩不为零，且方向与转子转向一致，因此即使切除副绕组，电机仍能在脉振磁场作用下继续运转。 1.相异步电动机启动后，即使切除副绕组仍能继续运转，原因是什么？ 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：笼型转子由转子铁芯、笼型导条和端环组成。转子铁芯由硅钢片叠压而成，外圆开有槽；导条通常用铜条或铝条制成，嵌入转子铁芯槽内；端环为金属圆环，将所有导条两端短路，形成闭合的笼状结构。 2.简述笼型转子的结构特点。 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：分相启动法是单相异步电动机常用的启动方法，通过在定子上设置主绕组和副绕组，并在副绕组中串联电容或电阻等元件实现启动。 3.什么是分相启动法？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：二者核心区别在于产生旋转磁场的方式不同。 罩极式：定子磁极的一部分套有短路环。当绕组通电产生脉振磁场时，短路环内会产生感应电流，该电流阻碍磁场变化，使被罩部分的磁场与未被罩部分的磁场产生相位差。-分相启动式：通过主、副绕组串联不同元件，使两绕组电流产生相位差，进而形成旋转磁场，无需依赖短路环。 4.罩极式单相异步电动机的启动原理与分相启动式有何不同？ 39 重点复习知识点： 1. 基本结构：单相异步电动机主要由定子和转子构成。定子铁芯上嵌放两套空间互差90°电角度的绕组，即主绕组（工作绕组）和副绕组（启动绕组）；转子通常为笼型结构，由转子铁芯、笼型绕组和转轴组成，结构简单且坚固。 2. 启动核心问题：单相交流电通入定子绕组时，产生的是脉振磁场（大小随时间变化，方向固定）。该磁场无法在转子导体中产生使电机旋转的启动转矩，因此单相异步电动机自身不能自行启动，需借助启动装置解决。 3. 工作原理：通过分相法（在副绕组串电容/电阻，使主、副绕组电流相位差近90°）或罩极法（利用短路环产生相位差），将脉振磁场转为旋转磁场。旋转磁场切割转子导体产生感应电流，载流转子在磁场中受电磁力形成转矩，驱动电机旋转；启动后部分电机可切除副绕组维持运行。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 40 $