单相感应电动机以单相电源供电,具有结构简单、成本低廉、运行可靠、维修方便等一系列优点。由于受输、配电系统的限制,城市居民用电和大多数农村及边远地区的用电为单相交流电,单相感应电动机广泛应用于日常生活和各行各业的小功率驱动中,并向大功率驱动发展。由于受到结构的限制,与三相感应电动机相比较,单相感应电动机体积大、造价高、效率低,造成了电能的大量浪费。当电机额定容量超过0.5kW时,使用单相感应电动机是不经济的。随着能源供应日益紧张,高效电动机的生产及应用对节能工作至关重要,单相感应电动机的高效化意义也日趋重要。与普通单相感应电动机相比,三相感应电动机对称运行时效率高并且具有较大的功率定额。连接适当的移相元件及改变电机定子接线方式是三相电机在单相电源上运行的有效途径。采用电容器作为移相元件,是三相感应电动机在单相电源供电时实现对称运行或基本对称运行的最简单实用的方法。对于上述方法的应用,前人已提出了多种接线方式,但是由于受到结构的限制,这些接线方式仅能使三相电机运行在单相电源下,不具有高效率,或是起动电路复杂,不适宜推广。本文提出了一种新型高效的三绕组串联式单相感应电动机结构,以对称分量法和三相感应电动机的瞬态数学模型为基础,全面、深入地研究了该新型电机的设计计算方法、稳态性能和动态性能。主要内容有:提出了一种新型高效单相感应电动机的定子结构。与普通单相感应电动机不同的是,在定子绕组结构上,该新型电机具有三个彼此独立的绕组,绕组轴线在空间上互差120°电角度。三个定子绕组依次串联,与两个电容器连结后可以实现在单相电源下对称运行。在额定负载下工作时,该新型电机具有与三相感应电动机相近的效率和体积,并且功率因数高于三相感应电动机,具有高效率,高功率因数,节约有效材料的特点。在最小不平衡电压条件下,分别利用对称分量法和合成电流法推导了三绕组串联式单相感应电动机对称运行电容与电机结构参数的关系。利用对称分量法和三相感应电动机的等效电路,确定了三绕组串联式单相感应电动机移相电容的计算式;提出了以负序电流系数最小和额定负载下电机效率最高为目标函数的对电容匹配进行优化的方法,根据三绕组串联式单相感应电动机对称度对电机性能影响的程度,在对称运行确定的电容表达式基础上对电容值进行一维优化,确定了理想匹配电容。提出了三绕组串联式单相感应电动机的性能计算方法,采用转子侧电流产生的电磁转矩进行计算,并把零序电流作为定子铜耗来考虑,得到了电机性能计算的解析表达式,该表达式可以作为具有定子对称三绕组结构的单相感应电动机的计算依据。由于在定子三绕组参数相同的三绕组串联式单相感应电动机性能计算中,三个绕组中的电流密度不平衡。从电流密度平衡的角度入手,对电机的定子绕组线径和定子槽尺寸进行重新设计,依据稳态性能计算表达式和有限元分析方法,分别分析了电机的稳态性能和稳定运行时的电流瞬态情况,证明了采用不对称的定子线径和定子槽尺寸,对电机性能影响不大。基于Y2100L1-4型三相感应电动机的尺寸,设计制造了一台4极2.2kW三绕组串联式单相感应电动机样机,并进行了样机性能试验,试验结果与计算结果一致,性能良好。根据三绕组串联式单相感应电动机的实际结构,在定子部分采用三相对称的ABC坐标系,转子部分采用两相对称的d-q坐标系,由定子绕组的端点方程,推导出定子绕组端电压约束条件,建立了统一的动态数学模型。通过实例对起动运行和稳定运行过程进行仿真计算,对仿真结果进行比较分析,研究了三绕组串联式单相感应电动机的动态仿真方法。通过仿真提出了三绕组串联式单相感应电动机单电容起动的电路结构,试验验证了该起动电路的合理性。为了进一步分析三绕组串联式接法的单相感应电动机的性能,利用对称分量法,推导了具有三绕组定子结构的SEMIHEX^TM接法单相感应电动机和Y接法三绕组单相感应电动机的对称运行条件。采用三绕组串联式单相感应电动机动态仿真模型内核,建立了这两种电动机的仿真模型,进行了仿真分析,研究了匹配电容对电机性能的影响。通过仿真和试验结果对比,从综合性能上确定了三绕组串联式接法的单相感应电动机具有效率高,对称度好,最大输出转矩和最大输出功率高的特点,是值得推广的一种高效单相感应电动机。本文对三绕组串联式单相感应电动机的结构、性能、稳态和动态运行过程进行了深入的分析研究,得出了一些有理论价值和工程实用价值的结论。