单相异步电动机工作原理和启动方法

　　单相异步电动机只需要单相电源供电，使用方便，在家用电器、医疗器械中得到广泛应用。其定子为单相绕组，转子一般为鼠笼多相绕组。比同容量的三相异步电动机性能差，故目前多做成功率在750w以下的小容量电机。

　　1．工作原理

　　单相异步电动机的示意图如图（1）所示。当定子工作绕组接到单相电源上时，就会产生脉振磁动势F1，此脉振磁动势可以分解成转速相等，转向相反，幅值各为Fl一半的两个旋转磁动势F_1＋和F_1-，建立起正转磁场Φ₊和反转磁场Φ_-，这两个磁场切割转子导体，产生感应电动势和感应电流，从而形成正反向电磁转矩T_em+、T_em-，叠加后即为推动转子转动的合成转矩T_em。

　　设电动机转速为n，则对正向旋转磁场而言，转差率s₊为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　对反向旋转磁场而言，由于反向旋转磁场的转速为－n₁，则转差率s_-为：

　　　　　（2）

　　单相异步电动机的Tem=f(s)曲线如图（2）所示。虚线表示电磁转矩T_em+和T_em-的关系，而T_em+和T_em-合成的电机T_em=f(s)曲线用实线表示。

图1 单相异步电动机的示意图　　　　　　　　　图2单相异步电动机的T_em=f(s)曲线

　　由图可见，当转子静止时，转子对Φ₊和Φ_-的转差率都等于1，所以转子对Φ₊和Φ_-的反应相同，由于在大小上有F_1＋=F_1-，所以有Φ₊=Φ_-，从而有T_em+和T_em-大小相等、方向相反，合成转矩互相抵消为零，即单相异步电动机无起动转矩。

　　当0＜s+＜1时，对正转磁场说，电机处在电动机运行状态，电磁转矩T_em+为驱动性质转矩。这时1＜s-＜2，即对反转磁场说，电机处在制动运行状态，电磁转矩T_em-为制动性质。由于Te_m+>T_em-，故电机合成转矩T_em为正，且为驱动性质转矩。但因Te_m-存在，合成转矩T_em< T_em+。

　　同理，当0＜s_-＜1时，对0＜s₊＜1的分析结论也同样适用。事实上，如果外力使转子在反转磁场方向转动，也有上述同样结论，此时电机的合成转矩仍为驱动性质转矩，只是转向相反。

　　所以说，单相异步电动机的转向是不固定的，它的转向取决于起动时的转向。

　　由于单相异步电动机中存在正、反转两个磁场，在反向电磁转矩的作用下，合成转矩比同容量的三相异步电动机小，过载能力、功率因数和效率也都比同容量的三相异步电动机低。

　　2．单相异步电动机的起动方法

　　如上述，单相异步电动机不能自起动，但若能有一个起动转矩，则可使电机按起动转矩方向转动。不能产生起动转矩的根本原因，在于单相绕组只产生脉振磁场，为了产生起动转矩，气隙磁动势必须是旋转磁动势，设法使电动机起动时产生一个旋转磁场，是解决单相异步电动机起动的出发点，常用的办法是在定子上另装一个空间轴线与主绕组有一定角度差的起动绕组。按起动方法不同，有不同的类型。

　　1）分相起动电动机

　　图5-38中，空间轴线相差900电角度的主绕组A和起动绕组B，接在同一个电源上，但起动绕组B与电容C串联，因此B绕组电流超前于电压，而A绕组电流滞后于电压，如果电容C配置适当，可使；如果A、B绕组有效匝数N_AK_NA和N_BK_NB又设计适当，则可能使I_AN_AK_NA=I_BN_BK_NB。因此A、B二相绕组电流产生的合成磁势是一个圆形旋转磁动势，并产生气隙旋转磁场，从而在该磁场的作用下，产生起动转矩使电机起动。待电机转速升高到(75％～80％)n₁时，离心开关K自动切断起动绕组，仅靠主绕组接在电源上正常工作。这种靠电容分相起动的电动机称为电容起动电动机。

　　如果起动绕组容许长期接在电源上工作，电容C在运行中仍起着分相作用，

图3 单相电容起动电动机
（a）接线图；（b）电压、电流向量图

　　这种电机就称为电容电动机了。事实上电容电动机是两相电动机，设计合适可使气隙旋转滋场接近圆形，从而改善了电机性能，如功率因数、效率、过载能力都比单相异步电动机高，从而有广泛应用。

　　由于电动机在工作时比起动时所需分相电容值小，所以还有一种电容起动和工作电动机。起动时并联接入C1(起动电容)和C2(工作电容)两组电容使起动时基本上有圆形旋转磁场，从而有较大起动转矩，工作时利用离心开关切除C1，仅C2与起动绕组串联工作，使工作时也有近似圆形旋转磁场，从而有较好的工作特性，这种电动机称为电容起动和工作电动机。

　　电容分相起动的电动机转向，视两个绕组的接法而定，若二绕组为同极性端并接在一起，那末旋转磁场和转子的转向为从带超前电流的相轴线转至有落后电流的相轴线。若要改变转子转向，只需将任一个绕组两端对调接线即可。

　　事实上，由于起动绕组和主绕组二者匝数，线径均不相同，所以即使起动绕组不串接电容器，两个绕组的电流I_A和I_B间也有一定的相位差，此时两相绕组电流产生的合成磁场是一个椭圆形磁场，也会产生一定的起动转矩。这种分相起动常称为电阻裂相起动，其起动转矩较小，只能使用在对起动转矩要求不高的场合。

　　2）罩极电动机

　　罩极电动机定子铁心通常做成凸极式(也有做成隐极式的)，其上绕着主绕组并与单相电源相接，在极靴表面的1/3～1/4处开有一槽，并用一铜环将其套起来，称为罩极，如图4所示。

图4 凸极式罩极电动机
（a）结构简图；（b）磁通结构图

　　其工作原理是：当主绕组A通人单相交流后，产生脉振磁场。极磁通的一部分穿过短路环，从而在环中感应电势和电流，在罩极部分产生与
同相的磁通Φ_K’，与合成穿过环的磁通。极表面未罩极部分磁通为。由图4（b）可见，由和间构成时间相位差，且罩极部分与未罩部分空间位置差一个角度，则和合成气隙的旋转磁场，旋转方向为从未罩部分指向罩极部分，从而使电动机产生一定的起动转矩，使电机转子从未罩部分向罩极部分转动。一旦起动之后，电机按单相电动机工作原理运行。

　　罩极电动机起动转矩较小，但结构简单、制造方便，多用于小型电扇、电唱机和录音机中。容量一般在30～40W以下。这种电动机由于罩极结构已确定，不能靠改变主绕组接线的方式来改变转向。