2014!"6# "49$%&"181#’
( EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
风机用单相异步电机的设计与分析
陈志江， 陈揆能， 陈凯阳
( 广东工业大学自动化学院， 广东广州 510006 )
摘 要 具有成本低、 控制简单的优点。 基于 Ansoft / Max单相异步电机是常用的一种电机， well 有限元分析软件建立异步电机的二维模块， 分别使运转电容 C 取不同的值， 获得电机的性能 IA、 IB、 参数（ Tav、 θ） ， 综合对比性能参数得到最佳运转电容 C 值。 为单相异步电机运行电容 C 值 的确定提供一个参考方法， 具有一定的理论依据。 关键词 单相异步电机； Ansoft / Maxwell； 二维模型； 运转电容 文献标识码： A 7281 （ 2014 ） 060010003 文章编号： 1008DOI： 10． 3969 / J． ISSN． 10087281． 2014． 06． 04
+ 中图分类号： TM343 ． 1
Design and Analysis of SinglePhase Induction Motor for Fan Chen Zhijiang，Chen Kuineng，and Chen Kaiyang
（ Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）
Abstract Singlephase induction motor is a kind of common motor，and it has advantages of low cost and simple control． Twodimensional modules of the motor were built based on Ansoft / Maxwell finiteelement analysis software，the performance parameters of the motor （ Tav， IA，IB and θ ） were obtained by separately using different running value of capacitor C． In comprehensive comparison of performance parameters， the best running value of capacitor C can be got． This paper provides the reference method for determining singlephase induction motor running value of capacitor C，it has certain theoretical value． Key words ning capacitor Singlephase induction motor； Ansoft / Maxwell ； twodimensional model ； run-
0
引言
相对于永磁无刷电机控制复杂和成本高， 异 步电机具有简单容易控制和成本较低等优势， 故 其广泛地应用于工农业生产中。单相异步电机同 三相异步电机比较， 定子绕组由三相绕组改为两 相绕组， 电源也采用单相电源， 在单相电源场合中 。 ， 使用极为方便 因此 在小功率的家庭抽风机行 业中广泛应用
［1 ］
然后在 Ansoft / Maxwell 中建立该款电机的二维有 限元模型， 最后针对单相异步电机主副绕组匝数 和电流大小等确定运转电容 C 的值。
1
主要性能指标及结构参数
该款电机的主要性能指标及参数如表 1 所 示。该款电机的长径比为 0． 5 ， 为扁平状， 该电机 内部较容易散热。
表1 名称 定子外径（ mm） 转子外径（ mm） 铁心长度（ mm） 额定电压（ V） 额定功率（ W） 效率（ % ） 转子槽数 转子导条 主要性能指标及参数 性质 80 120 60 220 170 65 24 铸铝 名称 定子内径（ mm） 气隙（ mm） 极数 额定转速（ rpm） ·m） 额定转矩（ N 定子槽数 硅钢片 转子槽 性质 30 0． 5 4 1400 1． 16 16 D23 闭口槽型
。
为提高电机电磁转矩密度， 本方案的转子结 构为外 置 式 （ 亦 即 外 转 子， 转子的转动惯量较 高） ， 具有 电机的转子与风机叶片连在一起转动， 结构紧凑、 节省空间、 设计精巧等特点。工程实践 表明， 优化设计外转子电机有效材料与内转子电 ［2 ］ 机相比， 约节省 15% 左右 。 本文设 计 一 款 单 相 异 步 电 机， 它的极数为 4 极、 额定功率为 170W、 额定转速为 1 400rpm / r。 首先给出该款电机的主要性能指标及结构参数 ， 10
根据起动方法或运转方式的不同， 单相异步
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单 电机可分为五种类型： 单相电阻起动异步电机、 、 、 相电容起动异步电机 单相电容运转异步电机 双
表2 起动转矩 单相电阻起动 单相电容起动 单相电容运转 双值电容异步电机 罩级异步电机 中等 大 小 大 小 力能指标 不高 不高 高 高 低
值电容单相异步电机、 罩极异步电机。 综合比较 该五种电机的性能， 如表 2 所示。
转速特点 变化不大 变化不大 变化不大 变化不大 变化不大 运行特点 可逆转 、 起动电流大 可逆转 、 起动电流中等 嗓声低 、 不宜于轻载 嗓声低 不能逆转 价格比较 1． 20 1． 35 1． 10 1． 30 0． 65
五种电机的性能的对比
当电机直接与工作机械连接并 由表 2 可知， ， 噪声低的场合 并且要求其性价高， 单相电容运转 异步电机符合其设计的要求。
（ 5 ） 最后， 确定电机瞬态求解过程中各种损 耗、 运动部分、 激励源、 边界条件等。 根据电机额 定要求， 确定求解运动速度、 求解时间、 负载转矩 等
［4 ］
2
电机二维有限元模型的建立
Ansoft 有限元软件是专业一款设计软件， 包
。
括 ＲMxprt 模块和 Maxwell 模块。 Ｒmxprt 模块是 针对电机的磁路计算法设计开发的软件包， 其中 包含了三相异步机、 单相异步电动机、 传统永磁直 流电动机、 电励磁三相同步电机、 永磁无刷直流电 动机等诸多类型的磁路设计。 使用 Ｒmxprt 模块 可以快速计算出电动机的相关性能， 为研发工作 提供了大量的参考数据， 能缩短研发的时间以及 。 Maxwell 研发成本 软件包是 Ansoft 公司是一款 用于电磁场分析的软件 ， 作为世界著名的商用低 Maxwell 在工程电磁场 频电磁场有限元软件之一， 领域得到了广泛的应用， 主要应用于电动机及常 ［3 ］ 用机电 电 磁 元 件 的 有 限 元 仿 真 。 本 文 在 Ansoft / Maxwell 模块中建立该款单相异步电机的二 维有限元模型， 建模过程如下。 （ 1 ） 首先打开 Maxwell 2D 的界面， 确定模型 的求解环境。 （ 2 ） 然后利用 Autocad 2007 专业作图软件， 将电机的定子、 转子、 电枢绕组等二维图一键导入 Maxwell 2D（ 亦可以一键导入 Maxwell 中， 生成该 款电机的有限元模型） 。 （ 3 ） 确定定子电枢绕组的连接方式， 建立 A、 B 两相绕组。 分别对电机各部分尺寸进行剖分， 使之达到合理的剖分效果， 如图 1 所示。 （ 4 ） 利用 ANSYS 软件自带材料或自己定义 材料， 给电机各部分添加材料。 如添加常用铁心 材料 D23 ， 电枢绕组材料为 Copper 等。
图1 电机的二维模型
3
单相电机运转电容的确定
单相电容运转电机使用的电源是单相交流
电， 其定子上有两相绕组， 两者的线圈的轴线在空 间上存在一个差角。 定子槽内主副相绕组， 接入 一交流电， 由副相绕组有一电容存在， 使副相绕组 电流与主绕组电流存在相位差， 致使主副绕组产 生磁势合成为一个旋转的磁势。在进行电机设计 中， 尽可能使绕组空间正交和电流时间相位正交 均要满足 路图。 电容 C 值理论上需要两个条件： 一是应该根 据单相电机在某一转差率下， 额定工作点运行于 圆形磁场条件所需要的值选取； 二是电容器端电 压值应与电源相电压保持一定的比例
［6 、 7 ］ ［5 ］
。如图 2 所示， 该图为该电机的外电
。
分析该款 本文通过选取不同的运转电容 C ， 电机输出转矩大小、 主副相绕组电流幅值及其之 间的相位差。 综合对比不同电容值下的电机性 11
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能， 来确定运转电容值 C 大小。
位差 θ， 如表 3 所示。
表3 C 4uF 5uF 6uF 7uF 8uF 9uF 电机的参数 不同 C 时， I A （ A） 1． 41 1． 55 1． 38 1． 41 1． 51 1． 51 I B （ A） 0． 61 0． 49 0． 61 0． 62 0． 38 0． 38 θ° 156． 9 136． 7 129． 2 110． 5 136． 7 145． 8 Ta（ N ·m） 1． 29 1． 20 1． 16 1． 30 1． 18 1． 18
图2
电机的外电路图
从表 3 可知， 在 C = 6uF 时， 主副相绕组间电 流幅值 和 相 位 差 均 为 最 小， 电机平均输出功率 Pout = Tav × 2 πn N 2 × 3． 14 × 1400 = 1． 16 × = 170W， 60 60
以 C = 6uF 为例分析该电机输出转矩大小、 主 副相绕组电流幅值及其之间的相位差。图 3 为电 机输出转矩的曲线， 图 4 为电机两相电流的曲线。
符合电机设计要求。
4
结语
本文设计一款风机用单相电容运转异步电
机， 利用 Maxwell 有限元软件建立该款电机的模 型， 分析不同运转电容 C 时， 电机的瞬时运行情 IA 、 IB 、 综合比较 θ） ， 况， 得到电机的性能参数（ T av 、
图3 电机输出转矩的曲线
性能参数 得 到 该 款 电 机 的 最 佳 运 转 电 容 C 值。 该文为单相异步电机运行电容 C 值的确定提供 一个参考方法， 具有一定的理论依据。
参考文献 ［ 1］ 张 尊 睦． 石 材 翻 新 机 用 单 相 感 应 电 机 分 析 与 设 D］ ． 广东工业大学硕士学位论文， 2012． 计［ ［ 2］ 姚丙雷． 单相高效电动机的研究［D］ ． 沈阳大学硕 2007． 士学位论文， ［ 3］ 刘国强． Ansoft 工程磁场有限元分析［ M］ ． 机械工业 2005． 出版社， ［ 4］ ［ 5］ 赵 博， 张 洪 亮． Ansoftl2 在 工 程 电 磁 场 中 的 应 周 睿． 基 于 ANSOFT 的 单 相 电 机 设 计 与 性 能 分 M］ ． 中国水利水电出版社， 2009． 用［ D］ ． 合肥工业大学硕士学位论文， 2011． 析［ ［ 6］ 陈世坤． 电机设计（ 第二版） ［ M］ ． 机械工业出版社， 2000． ［ 7］ 曾宪爽． 小功率单相异步电动机应用高效硅钢的优 D］ ． 上海交通大学硕士学位论文， 2009． 化设计研究［ 作者简介： 陈志江 0721 收稿日期： 2014男 1990 年生； 广东工业大学硕
图4
电机两相电流的曲线
· m。 由图 3 可知， 电机平均输出 T av = 1． 09N A 相输出电流的有效值 I A = 1． 38A， 由图 4 可知， I B = 0． 62A， 在 该 图 标 注 的 时 间 m1 = 37． 60ms， m2 = 44． 35ms， m3 = 77． 75 ms， m4 = 99． 75 ms。 B 相超前 A 相 B 相电流周期 T = m4 － m3 = 22ms， 时间 t = m2 － m1 = 6． 75ms， 故 B 相电流超前 A 相 电流的相位角 Q = t × 360 = 110° 。 以此类推， 分 T
C = 5uF、 C = 7uF、 C = 8uF、 别 得 到 C = 4uF、 C = 9uF 时， IB ， 电机平均输出转矩 T av ， 电机 I A 、 相 12
士研究生． 研究方向为电机与电气 、 电力系统等。
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风机用单相异步电机的设计与分析
陈志江， 陈揆能， 陈凯阳
( 广东工业大学自动化学院， 广东广州 510006 )
摘 要 具有成本低、 控制简单的优点。 基于 Ansoft / Max单相异步电机是常用的一种电机， well 有限元分析软件建立异步电机的二维模块， 分别使运转电容 C 取不同的值， 获得电机的性能 IA、 IB、 参数（ Tav、 θ） ， 综合对比性能参数得到最佳运转电容 C 值。 为单相异步电机运行电容 C 值 的确定提供一个参考方法， 具有一定的理论依据。 关键词 单相异步电机； Ansoft / Maxwell； 二维模型； 运转电容 文献标识码： A 7281 （ 2014 ） 060010003 文章编号： 1008DOI： 10． 3969 / J． ISSN． 10087281． 2014． 06． 04
+ 中图分类号： TM343 ． 1
Design and Analysis of SinglePhase Induction Motor for Fan Chen Zhijiang，Chen Kuineng，and Chen Kaiyang
（ Faculty of Automation， Guangdong University of Technology， Guangzhou 510006， China）
Abstract Singlephase induction motor is a kind of common motor，and it has advantages of low cost and simple control． Twodimensional modules of the motor were built based on Ansoft / Maxwell finiteelement analysis software，the performance parameters of the motor （ Tav， IA，IB and θ ） were obtained by separately using different running value of capacitor C． In comprehensive comparison of performance parameters， the best running value of capacitor C can be got． This paper provides the reference method for determining singlephase induction motor running value of capacitor C，it has certain theoretical value． Key words ning capacitor Singlephase induction motor； Ansoft / Maxwell ； twodimensional model ； run-
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引言
相对于永磁无刷电机控制复杂和成本高， 异 步电机具有简单容易控制和成本较低等优势， 故 其广泛地应用于工农业生产中。单相异步电机同 三相异步电机比较， 定子绕组由三相绕组改为两 相绕组， 电源也采用单相电源， 在单相电源场合中 。 ， 使用极为方便 因此 在小功率的家庭抽风机行 业中广泛应用
［1 ］
然后在 Ansoft / Maxwell 中建立该款电机的二维有 限元模型， 最后针对单相异步电机主副绕组匝数 和电流大小等确定运转电容 C 的值。
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主要性能指标及结构参数
该款电机的主要性能指标及参数如表 1 所 示。该款电机的长径比为 0． 5 ， 为扁平状， 该电机 内部较容易散热。
表1 名称 定子外径（ mm） 转子外径（ mm） 铁心长度（ mm） 额定电压（ V） 额定功率（ W） 效率（ % ） 转子槽数 转子导条 主要性能指标及参数 性质 80 120 60 220 170 65 24 铸铝 名称 定子内径（ mm） 气隙（ mm） 极数 额定转速（ rpm） ·m） 额定转矩（ N 定子槽数 硅钢片 转子槽 性质 30 0． 5 4 1400 1． 16 16 D23 闭口槽型
。
为提高电机电磁转矩密度， 本方案的转子结 构为外 置 式 （ 亦 即 外 转 子， 转子的转动惯量较 高） ， 具有 电机的转子与风机叶片连在一起转动， 结构紧凑、 节省空间、 设计精巧等特点。工程实践 表明， 优化设计外转子电机有效材料与内转子电 ［2 ］ 机相比， 约节省 15% 左右 。 本文设 计 一 款 单 相 异 步 电 机， 它的极数为 4 极、 额定功率为 170W、 额定转速为 1 400rpm / r。 首先给出该款电机的主要性能指标及结构参数 ， 10
根据起动方法或运转方式的不同， 单相异步
( EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
2014!"6# "49$%&"181#’
单 电机可分为五种类型： 单相电阻起动异步电机、 、 、 相电容起动异步电机 单相电容运转异步电机 双
表2 起动转矩 单相电阻起动 单相电容起动 单相电容运转 双值电容异步电机 罩级异步电机 中等 大 小 大 小 力能指标 不高 不高 高 高 低
值电容单相异步电机、 罩极异步电机。 综合比较 该五种电机的性能， 如表 2 所示。
转速特点 变化不大 变化不大 变化不大 变化不大 变化不大 运行特点 可逆转 、 起动电流大 可逆转 、 起动电流中等 嗓声低 、 不宜于轻载 嗓声低 不能逆转 价格比较 1． 20 1． 35 1． 10 1． 30 0． 65
五种电机的性能的对比
当电机直接与工作机械连接并 由表 2 可知， ， 噪声低的场合 并且要求其性价高， 单相电容运转 异步电机符合其设计的要求。
（ 5 ） 最后， 确定电机瞬态求解过程中各种损 耗、 运动部分、 激励源、 边界条件等。 根据电机额 定要求， 确定求解运动速度、 求解时间、 负载转矩 等
［4 ］
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电机二维有限元模型的建立
Ansoft 有限元软件是专业一款设计软件， 包
。
括 ＲMxprt 模块和 Maxwell 模块。 Ｒmxprt 模块是 针对电机的磁路计算法设计开发的软件包， 其中 包含了三相异步机、 单相异步电动机、 传统永磁直 流电动机、 电励磁三相同步电机、 永磁无刷直流电 动机等诸多类型的磁路设计。 使用 Ｒmxprt 模块 可以快速计算出电动机的相关性能， 为研发工作 提供了大量的参考数据， 能缩短研发的时间以及 。 Maxwell 研发成本 软件包是 Ansoft 公司是一款 用于电磁场分析的软件 ， 作为世界著名的商用低 Maxwell 在工程电磁场 频电磁场有限元软件之一， 领域得到了广泛的应用， 主要应用于电动机及常 ［3 ］ 用机电 电 磁 元 件 的 有 限 元 仿 真 。 本 文 在 Ansoft / Maxwell 模块中建立该款单相异步电机的二 维有限元模型， 建模过程如下。 （ 1 ） 首先打开 Maxwell 2D 的界面， 确定模型 的求解环境。 （ 2 ） 然后利用 Autocad 2007 专业作图软件， 将电机的定子、 转子、 电枢绕组等二维图一键导入 Maxwell 2D（ 亦可以一键导入 Maxwell 中， 生成该 款电机的有限元模型） 。 （ 3 ） 确定定子电枢绕组的连接方式， 建立 A、 B 两相绕组。 分别对电机各部分尺寸进行剖分， 使之达到合理的剖分效果， 如图 1 所示。 （ 4 ） 利用 ANSYS 软件自带材料或自己定义 材料， 给电机各部分添加材料。 如添加常用铁心 材料 D23 ， 电枢绕组材料为 Copper 等。
图1 电机的二维模型
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单相电机运转电容的确定
单相电容运转电机使用的电源是单相交流
电， 其定子上有两相绕组， 两者的线圈的轴线在空 间上存在一个差角。 定子槽内主副相绕组， 接入 一交流电， 由副相绕组有一电容存在， 使副相绕组 电流与主绕组电流存在相位差， 致使主副绕组产 生磁势合成为一个旋转的磁势。在进行电机设计 中， 尽可能使绕组空间正交和电流时间相位正交 均要满足 路图。 电容 C 值理论上需要两个条件： 一是应该根 据单相电机在某一转差率下， 额定工作点运行于 圆形磁场条件所需要的值选取； 二是电容器端电 压值应与电源相电压保持一定的比例
［6 、 7 ］ ［5 ］
。如图 2 所示， 该图为该电机的外电
。
分析该款 本文通过选取不同的运转电容 C ， 电机输出转矩大小、 主副相绕组电流幅值及其之 间的相位差。 综合对比不同电容值下的电机性 11
2014!"6# "49$%&"181#’
( EXPLOSION-PROOF ELECTRIC MACHINE )
能， 来确定运转电容值 C 大小。
位差 θ， 如表 3 所示。
表3 C 4uF 5uF 6uF 7uF 8uF 9uF 电机的参数 不同 C 时， I A （ A） 1． 41 1． 55 1． 38 1． 41 1． 51 1． 51 I B （ A） 0． 61 0． 49 0． 61 0． 62 0． 38 0． 38 θ° 156． 9 136． 7 129． 2 110． 5 136． 7 145． 8 Ta（ N ·m） 1． 29 1． 20 1． 16 1． 30 1． 18 1． 18
图2
电机的外电路图
从表 3 可知， 在 C = 6uF 时， 主副相绕组间电 流幅值 和 相 位 差 均 为 最 小， 电机平均输出功率 Pout = Tav × 2 πn N 2 × 3． 14 × 1400 = 1． 16 × = 170W， 60 60
以 C = 6uF 为例分析该电机输出转矩大小、 主 副相绕组电流幅值及其之间的相位差。图 3 为电 机输出转矩的曲线， 图 4 为电机两相电流的曲线。
符合电机设计要求。
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结语
本文设计一款风机用单相电容运转异步电
机， 利用 Maxwell 有限元软件建立该款电机的模 型， 分析不同运转电容 C 时， 电机的瞬时运行情 IA 、 IB 、 综合比较 θ） ， 况， 得到电机的性能参数（ T av 、
图3 电机输出转矩的曲线
性能参数 得 到 该 款 电 机 的 最 佳 运 转 电 容 C 值。 该文为单相异步电机运行电容 C 值的确定提供 一个参考方法， 具有一定的理论依据。
参考文献 ［ 1］ 张 尊 睦． 石 材 翻 新 机 用 单 相 感 应 电 机 分 析 与 设 D］ ． 广东工业大学硕士学位论文， 2012． 计［ ［ 2］ 姚丙雷． 单相高效电动机的研究［D］ ． 沈阳大学硕 2007． 士学位论文， ［ 3］ 刘国强． Ansoft 工程磁场有限元分析［ M］ ． 机械工业 2005． 出版社， ［ 4］ ［ 5］ 赵 博， 张 洪 亮． Ansoftl2 在 工 程 电 磁 场 中 的 应 周 睿． 基 于 ANSOFT 的 单 相 电 机 设 计 与 性 能 分 M］ ． 中国水利水电出版社， 2009． 用［ D］ ． 合肥工业大学硕士学位论文， 2011． 析［ ［ 6］ 陈世坤． 电机设计（ 第二版） ［ M］ ． 机械工业出版社， 2000． ［ 7］ 曾宪爽． 小功率单相异步电动机应用高效硅钢的优 D］ ． 上海交通大学硕士学位论文， 2009． 化设计研究［ 作者简介： 陈志江 0721 收稿日期： 2014男 1990 年生； 广东工业大学硕
图4
电机两相电流的曲线
· m。 由图 3 可知， 电机平均输出 T av = 1． 09N A 相输出电流的有效值 I A = 1． 38A， 由图 4 可知， I B = 0． 62A， 在 该 图 标 注 的 时 间 m1 = 37． 60ms， m2 = 44． 35ms， m3 = 77． 75 ms， m4 = 99． 75 ms。 B 相超前 A 相 B 相电流周期 T = m4 － m3 = 22ms， 时间 t = m2 － m1 = 6． 75ms， 故 B 相电流超前 A 相 电流的相位角 Q = t × 360 = 110° 。 以此类推， 分 T
C = 5uF、 C = 7uF、 C = 8uF、 别 得 到 C = 4uF、 C = 9uF 时， IB ， 电机平均输出转矩 T av ， 电机 I A 、 相 12
士研究生． 研究方向为电机与电气 、 电力系统等。