電容運轉單相異步電動機的效率分析

朱興旺，黃開勝，劉 豐，吳幫超，方 超

（廣東工業大學，廣州510006）

0 引 言

單相電容運轉電動機在生活生產中應用十分廣泛，但是其效率卻普遍低于同規格的三相異步電動機［1］。提高電容運轉單相異步電動機的效率也能減小能源的浪費。在對某款電容運轉單相異步電動機的改進過程中發現，設計的計算方案和樣機的實驗偏差較大。通過分析發現，較好的控制電機負序磁場分量可以提高電機設計方案的準確性。對某公司的電容運轉單相異步電動機的效率進行優化，先從理論的角度分析了電機效率和損耗的關系，然后分析了電機負序磁場分量對電機效率準確性的影響。通過改進電機的繞組和定轉子槽的方法將電機的效率提高了1%，制造樣機驗證了方案的正確性。

1 電機效率分析

1． 1效率與損耗分析

根據電機設計原理，電機效率通常由以下公式決定［2］：

式中：∑p為總損耗；P1為輸入功率；P2為輸出功率。

電機的總損耗∑p：

式中：pCu1為定子繞組銅耗；pAl2為轉子鋁耗；pFe為鐵損耗；pfw為機械損耗；padd附加損耗。下面分別對各項損耗進行分析：

1）定子繞組銅耗由額定運轉時繞組的銅損和電容的損耗組成。

由式（3）可得，降低定子繞組銅耗可以從降低主副繞組電流和降低主副繞組電阻來實現。實際電機里定子繞組電流變化不大，同一適配電容器的電阻不可控制，因此降低定子主副繞組電阻能有效降低定子繞組銅耗。

2）轉子鋁耗主要為滿載時轉子在運行溫度下轉子導條和端環電阻損耗。

與定子繞組銅耗同理，降低轉子鋁耗可通過降低轉子導條和端環電阻來實現。

3）鐵損耗由交變主磁通在定子或轉子鐵心中產生的磁滯和渦流損耗造成。

式中：kFe為鐵損系數；f為電機穩定工作時定子或轉子磁場頻率；a＝1．2～1．6，Bm為磁感強度；G 為鐵磁材料重量。

異步電動機轉子磁場頻率f2＝sf1。因此，在計算三相異步電動機時，由于電機轉差率s的值在正常情況下很小，約為0．02～0．05，即當定子磁場頻率為50 Hz時，轉子磁場頻率理論上僅為1～2．5 Hz，相對于定子磁場頻率來說頻率很小。所以三相異步電動機轉子的鐵心損耗在實際生產設計中可忽略不計。

但是對于單相電容運行異步電動機來說，電機內部的旋轉磁場可分別分解為正、負序旋轉磁場分量。正序旋轉磁場的轉差率為s，因此正序旋轉磁場頻率f2＝sf1，與三相異步電動機轉子鐵耗分析同理，正序旋轉磁場所產生的鐵耗相對于定子來說很小，在實際生產設計中可忽略不計。但由于電機的空氣隙中還存

在著負序旋轉磁場分量，負序旋轉磁場的轉差率為2－s，負序旋轉磁場頻率f2＝（2－s）f1，即當電機的定子磁場頻率為50 Hz、轉差率為0．05時，此時負序磁場頻率大小為97．5 Hz，頻率比定子磁場還要高。因此，由于負序旋轉磁場分量的存在，單相電容運行異步電動機的鐵耗理論上不可忽略。可以降低電機旋轉磁場的負序分量減小電機的鐵損。

4）機械損耗由軸承的摩擦和通風的損耗組成。這往往有電機的制造工藝決定。

5）雜散損耗包括電機空載運轉時鐵心中的損耗與負載運轉時的附加損耗。

1． 2效率計算準確性分析

針對電容運轉單相異步電動機的樣機效率提升的要求，設計一個效率計算值高達89%的方案。然而方案的試驗值卻只有85．5%，與計算值的偏差過大。下面分析影響試驗結果準確性的原因。

對于正常運轉的電機，電機的正序旋轉磁場是驅動電機旋轉的。電機需要從電網中吸取電功率并且將一部分轉換成電機的機械運動，電機的負序旋轉磁場也會吸取電網中電功率。但是這些能量都會轉化成電機轉子的熱損耗，不但消耗了能量又增加了電機的溫升。較大的負序磁場會引起電機較大的損耗和溫升，也將導致電機電磁轉矩的下降和效率的降低［3］。

為分析電容運轉異步電動機的負序磁場分量，提出了表示負序磁場被削弱的程度需要一個比例系數來表征負序磁場分量（反轉旋轉磁勢）占的比重。設電容運行單相異步電動機主、副繞組流有效值分別為Im和Ia，定子電流有效值為I1，主、副繞組電流相位角為φ。主、副繞組的有效匝數分別為

假設反轉磁勢比例系數kFma為反轉磁勢幅值與正轉磁勢幅值的比，即：

在一般情況下，在kFma在0～1之間，電動機中既有正轉磁勢，也有反轉磁勢，氣隙磁場為橢圓形旋轉磁場。為尋找電機負序磁場對電機設計計算值的影響，對某公司一系列的電機進行了計算值和試驗值的對比分析，如表1所示。

表1 樣機計算值和實驗值的偏差

對比整個系列的電機性能計算值和實驗值的偏差。負序分量比在0．3以內，電機效率的偏差在1%左右。負序分量比在0．3～0．5之間，電機效率的偏差在6%以內。負序分量比大于0．6時，電機效率的偏差將增大到10%以上。較小的負序分量比的電機，效率計算值和實驗值的偏差也會較小。實驗表明，將負序磁場分量比限制在0．3以內，電機效率的軟件仿真計算結果較為準確。

2 電機的效率改進

針對某公司一款電容運轉單相異步電動機進行優化，其電機參數如表2所示。對電機進行了仿真計算，電機的旋轉磁場的負序分量比只有0．04，得到的電機性能參數的計算和試驗值十分接近，如表3所示。分析了樣機的軟件計算結果與試驗結果，二者的各項參數相差不大，說明在電機的旋轉磁場的負序分量比較小的情況下，采用Ansoft軟件的Rmxprt模塊能準確完成電機的性能計算工作。計算了樣機的損耗分布，電機的總損耗123．37 W，其中定子銅耗為

表2 樣機主要參數

52．74 W，轉子鋁耗為28．94 W，兩者占了總損耗的66．21%。采用減小電機的定子銅耗和轉子鋁耗的方法提高電機的效率。

表3 樣機計算結果和試驗結果對比

2． 1繞組的優化

電機的定子電流變化不大，電機的電容電阻不變時，減小繞組的電阻可以減小電機的銅損。通過提高繞組的線徑來減小繞組電阻，重新設計的繞組如圖1所示。繞組改進后和改進前參數對比如表4所示。主繞組的線徑由0．95 mm提高到1．06 mm，副繞組線徑由0．85 mm提高到1 mm。同時為保持定子槽的槽滿率不變［4］，將電機的定子槽加大，如表5所示。

圖1 改進后繞組

表4 繞組改進前后參數對比

表5 改進后定子參數

由于轉子導條電流變化不大，為減小轉子導條的鋁損耗，改進了轉子的槽型，使導條電阻下降。采用Ansof t軟件掃描了轉子槽高對電機效率的影響，確定了轉子的槽高為7 mm，如圖2所示。改進后轉子槽的參數如表6所示。

圖2 轉子槽高對電機效率的影響

表6 改進后轉子槽參數

2． 2負序分量的分析

前文提到，電容運轉單相異步電動機的負序磁場分量比會影響電機計算值和試驗值的偏差，影響計算方案的準確性。同時減小電機磁場的負序分量能夠減小電機的損耗，提高電機的效率［5］。為方便計算電機磁場的負序分量比，設計了Excel程序。分別計算了改進方案和原方案的負序分量比。如表7所示。對比發現改進繞組后的新方案的電機磁場負序分量比只有0．01，比原電機的0．04小，有利于減小電機損耗，能夠使電機效率計算值和試驗值的偏差減小。

表7 電機負序分量比計算表

3 樣機的制造與試驗

對新方案進行了樣機的制造和試驗，實驗結果如表8所示。從表8中可以看到，電機的效率試驗結果為86．8%，原方案效率85．8%，新方案比原電機的效率提高了1%。同時新方案的試驗結果與計算結果的偏差只有0．58%，這也說明當電機負序分量比為0．01時效率計算值的偏差較小。

表8 改進后電機方案實驗參數對比

4 結 語

對于高效率的電容運轉單相異步電動機，進一步提高電機的效率往往是困難的。本文在對某款電容運轉單相異步電動機的效率改進時，發現電機仿真的計算值和實驗值存在較大的偏差。先從理論分析了提高電機效率的方法，接著提出并分析了影響電機仿真計算值的負序磁場分量比。通過分析發現電機負序分量比小于0．3時電機仿真計算值準確性較好。然后對某款電容運轉單相異步電動機進行了改進，設計了新繞組和定轉子槽型，將電機的效率提高了1%。制造了樣機，試驗參數和計算值偏差較小，設計方案是可行的。

［1］ 許實章．電機學［M］．北京：機械工業出版社，1990．

［2］ 胡巖，武建文．小型電動機現代實用設計技術［M］．北京：國防工業出版社，2007．

［3］ 張尊睦．石材翻新機用單相感應電機分析與設計［D］．廣州：廣東工業大學，2012．

［4］ 黃開勝，羅曉鴻．雙排槽單相電運行異步電動機電磁設計［J］．電機技術，1993（3）：8－11．

［5］ ZHONG Hui，WANG Xiuhe，WANG Daohan，et al．Anal ysis and design of a new type high－ef f iciency single－phase induction motor based on negative sequence magnetic f iel d compensation［C］／／Inter national Conf erence on Electrical Machines ＆ Systems，2008：3962－3966．