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单相异步电动机原理及正反转

单相异步电动机是指用单相交流电源供电的异步电动机。单相异步电动机具有结构简单、成本低廉、噪声小、使用方便、运行可靠等优点，因此广泛用于工业、农业、医疗和家用电器等方面，最常见于电风扇、洗衣机、电冰箱、空调等家用电器中。但是单相异步电动机与同容量的三相异步电动机相比，体积较大，运行性能较差。因此，单相异步电动机一般只制成小容量的电动机，功率从几瓦到几千瓦。单相异步电动机在家用电器中的应用特别广泛，与人们的生活密切相关。
单行异步电动机的结构如下图：

一、 单相异步电动机的工作原理和机械特性

图1 单相交变磁场
当单相正弦交流电通入定子单相绕组时，就会在绕组轴线方向上产生一个大小和方向交变的磁场，如图1所示。这种磁场的空间位置不变，其幅值在时间上随交变电流按正弦规律变化，具有脉动特性，因此称为脉动磁场，如图2(a)所示。可见，单相异步电动机中的磁场是一个脉动磁场，不同于三相异步电动机中的旋转磁场。 (a)交变脉动磁场 (b)脉动磁场的分解
图2 脉动磁场分解成两个方向相反的旋转磁场

图3 单相异步电动机的机械特性
为了便于分析，这个脉动磁场可以分解为大小相等，方向相反的两个旋转磁场，如图2(b)所示。它们分别在转子中感应出大小相等，方向相反的电动势和电流。
两个旋转磁场作用于笼型转子的导体中将产生两个方向相反的电磁转矩T + 和 T - ，合成后得到单相异步电动机的机械特性，如图3所示。图中，T + 为正向转矩，由旋转磁场Bm1产生；T - 为反向转矩，由反向旋转磁场Bm2产生，而T为单相异步电动机的合成转矩。
从图3可知，单相异步电动机一相绕组通电的机械特性有如下特点：
1．当n=0时， T + =T - ，合成转矩T=0。即单相异步电动机的启动转矩为零，不能自行启动。
2．当n＞0时，T＞0；n＜0时，T＜0 。即转向取决于初速度的方向。当外力给转子一个正向的初速度后，就会继续正向旋转；而外力给转子一个反向的初速度时，电机就会反转。
3．由于转子中存在着方向相反的两个电磁转矩，因此理想空载转速n0小于旋转磁场的转速n1；与同容量的三相异步电动机相比，单相异步电动机额定转速略低，过载能力、效率和功率因数也较低。
二、 单相异步电动机的启动
单相异步电动机由于启动转矩为零，所以不能自行启动。为了解决单相异步电动机的启动问题，可在电动机的定子中加装一个启动绕组。如果工作绕组与启动绕组对称，即匝数相等，空间互差90°电角度，通入相位差90°的两相交流电，则可在气隙中产生旋转磁场，转子就能自行启动，如图4所示。转动后的单相异步电动机，断开启动绕组后仍可继续工作。

图4 两相绕组产生的旋转磁场

上述启动方法称为单相异步电动机的分相启动，即把单相交流电裂变为两相交流电，从而在单相异步电动机内部建立一个旋转磁场。
三、 单相异步电动机的分类
单相异步电动机的启动绕组和工作绕组由同一单相交流电源供电，如何把这两个绕组中电流的相位分开是很重要的。单相异步电动机根据分相的方法不同可分为：单相电阻启动异步电动机、单相电容启动异步电动机、单相电容运行异步电动机、单相电容启动与运行异步电动机、单相罩极电动机等。
1．单相电阻启动异步电动机

图4是单相电阻启动异步电动机的原理图。单相电阻启动异步电动机的启动绕组匝数少、导线细；工作绕组匝数多、导线粗。
图4 单相电阻启动异步电动机 图5 单相电容启动异步电动机
两个绕组并联接在同一交流电源时，会流过不同相位的电流，启动绕组电流超前于工作绕组电流一个电角度，从而产生旋转磁场，获得启动转矩。当转速上升后，自动断开启动绕组，实行单相运行。单相电阻启动异步电动机常用于电冰箱的压缩机电动机中。为了增大启动绕组电流与工作绕组电流的相位差，启动绕组在绕制时，往往会反绕若干匝数，以便减少有效匝数，达到减小电抗、增大电阻的目的，修理电动机时特别要注意这种情况，否则无法启动。
2．单相电容启动异步电动机
如果在启动绕组中串入一个电容器，就构成了单相电容启动异步电动机，图5是它的原理线路图。由于电容器的作用，使启动绕组中的电流超前于工作绕组电流一定的相位差。当电容量合适时，可使相位差接近90°。这样可使电动机在启动时获得最佳的旋转磁场。所以这种单相异步电动机的启动转矩较大，启动电流较小，启动性能最好。适用于各种满载启动的机械，如小型空气压缩机、木工机械等，在部分电冰箱压缩机中也采用。
上述两种电动机在启动过程接近结束时，离心开关S自动断开启动绕组，只留下工作绕组继续通电，工作在单相运行状态。由于启动绕组工作时间短，所以按短时工作制设计，线径较细，不能长期通电工作。
3．单相电容运行异步电动机
将单相电容启动异步电动机中的启动开关去掉，并将启动绕组的导线加粗，由短时工作方式变成长期运行方式，就组成了单相电容运行异步电动机。如图6所示。这时的启动绕组和电容器不仅在启动时起作用，运行时也起作用，这样可以提高电动机的功率因数和效率，所以这种电动机的工作性能最好。

图6 单相电容运行异步电动机 图7 单相电容启动与运行异步电动机
单相电容运行异步电动机的电容器容量是根据运行性能确定的，容量较小，所以启动性能不如单相电容启动异步电动机好，但是由于这种电动机不要启动开关，电容量小，结构简单，价格低，工作可靠，运行性能好，所以广泛应用于电风扇、洗衣机等单相用电设备中。
4．单相电容启动与运行异步电动机
为了使单相异步电动机有好的启动性能，应该在启动绕组中串入一个大容量的电容器；而好的运行性能只需一个小容量电容器。为了兼顾两者，可在启动绕组的回路中串入两个并联的电容器，其中容量较大的电容器串一个启动开关，图7就是单相电容启动与运行异步电动机的接线原理图。启动时，两个电容器同时作用，电容量较大，电动机有较好的启动性能，当转速上升到一定程度时，开关S自动断开，只保留一个小电容器参与运行，确保运行时有较好的性能。由此可见，单相电容启动与运行异步电动机，虽然结构复杂、成本较高，但各种性能是最好的，所以适用于空调、小型空气压缩机等功率较大的设备中。
5．单相罩极式异步电动机
单相罩极式异步电动机是结构最简单的一种单相异步电动机。按磁极形式不同可分为凸极式和隐极式两种。凸极式按绕组形式又可分为集中绕组和分布绕组两种，转子都采用笼型结构，如图8所示。

（a） 凸极式集中绕组罩极电动机 （b） 凸极式分布绕组罩极电动机
图8 单相罩极式异步电动机的结构

单相罩极式异步电动机在每个磁极的1/3~1/4处开有小槽，将磁极分成两部分。在极面较小的那部分磁极上套装铜制短路环，就好像把这部分磁极罩起来一样，所以称罩极式电动机。
当罩极式电动机的定子绕组通入单相交流电后，在气隙中会形成一个连续移动的磁场，使笼型转子受力而旋转。在交流电上升过程中，磁通量增加，根据楞次定律，短路环中产生感应电动势和电流，阻止磁通进入短路环，这时的磁通主要集中在磁极的未罩部分。如图3—81中的电流时刻①和磁通方向①所示。交流电达最大值时，电流和磁通量基本不变，短路环中的电动势和电流很小，基本上不起作用，磁通在整个磁极中均匀分布。如图9中的电流时刻②和磁通方向②所示。交流电下降过程中，磁通量减少，根据楞次定律，短路环中的电动势和电流阻止磁通量减少，使每个磁极中的磁通集中在被罩部分。如图9中的电流时刻③和磁通方向③所示。交流电改变方向后，磁通同样由磁极的未罩部分向被罩部分移动。这样转子就跟着磁场移动的方向转动起来。
罩极式电动机的主要优点是结构简单，制造方便，成本低，便于自动化流水线生产，主要缺点是启动性能和运行性能都较差；转向只能由未罩部分向被罩部分旋转。主要用于小功率空载启动的场合。如微型电风扇、仪器仪表的风扇、电吹风等。
四、 单相异步电动机的正反转
要使单相异步电动机反转必须使旋转磁场反转，从图4两相旋转磁场的原理图中可以看出，有两种方法可以改变单相异步电动机的转向。

（a） 单相交流电流 （b）罩极电动机的磁场
图9 单相罩极式异步电动机的工作原理
（1） 将工作绕组或启动绕组的首末端对调
因为单相异步电动机的转向是由工作绕组与启动绕组所产生磁场的相位差来决定的，一般情况下，启动绕组中的电流超前于工作绕组的电流，从而启动绕组产生的磁场也超前于工作绕组，所以旋转磁场是由启动绕组的轴线转向工作绕组的轴线。如果把其中一个绕组反接，等于把这个绕组的磁场相位改变180°，若原来启动绕组的磁场超前工作绕组90°，则改接后变成滞后90°，所以旋转磁场的方向也随之改变，转子跟着反转。这种方法一般用于不需要频繁反转的场合。

（2） 将电容器从一个绕组改接到另一个绕组

图10 洗衣机正反转控制电路
在单相电容运行异步电动机中，若两相绕组做成完全对称，即匝数相等，空间相位相差90°电角度，则串联电容器的绕组中的电流超前于电压，而不串联电容器的那相绕组中的电流落后于电压。转向由串联电容器的绕组转向不串联电容器的绕组。电容器的位置改接后，旋转磁场和转子的转向自然跟着改变。用这种方法来改变转向，由于电路比较简单，所以用于需要频繁正反转的场合。洗衣机中常用的正反转控制电路如图10所示。
单相罩极式电动机和带有离心开关的电动机，一般不能改变转向。
1. 单相异步电动机的调速
单相异步电动机与三相异步电动机一样，转速的调节也比较困难。如果采用变频调速则设备复杂，成本高。因此，一般只采用简单的降压调速。
（1） 串电抗器调速
将电抗器与电动机定子绕组串联，利用电流在电抗器上产生的压降，使加到电动机定子绕组上的电压低于电源电压，从而达到降低电动机转速的目的。因此用串电抗器调速时电动机的转速只能由额定转速往低调。图11为吊扇串电抗器调速的电路图。改变电抗器的抽头连接可得到高低不同的转速。
（2） 定子绕组抽头调速
为了节约材料、降低成本，可把调速电抗器与定子绕组做成一体。由单相电容运行异步电动机组成的台扇和落地扇，普遍采用定子绕组抽头调速的方法。这种电动机的定子铁心槽中嵌放有工作绕组1、启动绕组2和调速绕组3，通过调速开关改变调速绕组与启动绕组及工作绕组的接线方法，从而达到改变电动机内部旋转磁场的强弱，实现调速的目的。图12是台扇抽头调速的原理图。这种调速方法的优点是不需要电抗器、节省材料、耗电少。缺点是绕组嵌线和接线比较复杂，电动机与调速开关之间的连线较多，所以不适合于吊扇。

图11 串电抗器调速 图12 定子

（3）绕组抽头调速双向晶闸管调速

图13 双向晶闸管调速
如果去掉电抗器，又不想增加定子绕组的复杂程度，单相异步电动机还可采用双向晶闸管调速。调速时，旋转控制线路中的带开关电位器，就能改变双向晶闸管的控制角，使电动机得到不同的电压，达到调速的目的，如图13所示。具体的线路和原理将在电力电子技术的内容中介绍。这种调速方法可以实现无级调速，控制简单，效率较高。缺点是电压波形差，存在电磁干扰。目前这种调速方法常用于吊扇上。
五、 单相异步电动机的常见故障与处理
单相异步电动机的维护与三相异步电动机相似，要经常注意电动机转速是否正常，能否正常启动，温升是否过高，声音是否正常。振动是否过大，有无焦味等。
单相异步电动机的常见故障及处理方法见表1。
表1 单相异步电动机常见故障及处理方法
故障现象
可能的故障原因
处理方法
无法启动
1. 电源电压不正常
2. 定子绕组断路

3. 电容器损坏
4. 离心开关触点接触不良
5. 转子卡住

6. 过载
1. 检查电源电压是否过低
2. 用万用表检查定子绕组是否完好，接线是否良好
3. 用万用表检查电容器的好坏
4. 修理或更换
5. 检查轴承是否灵活，定转子是否相碰，传动机构是否受阻
6. 检查所带负载是否正常
启动缓慢，转速过低
1. 电源电压偏低
2. 绕组匝间短路
3. 电容器击穿或容量减小
4. 电机负载过重
1. 找出原因提高电源电压
2. 修理或更换绕组
3. 更换电容器
4. 检查轴承及负载情况
电动机过热
1. 绕组短路或接地
2. 工作绕组与启动绕组相互接错
3. 离心开关触点无法断开，启动绕组长期运行
1. 找出故障处、修理或更换
2. 调换接法

3. 修理或更换离心开关
电动机噪声和振动过大
1. 绕组短路或接地
2. 轴承损坏或缺润滑油
3. 定子与转子的气隙中有杂物
4. 电风扇风叶变形
1. 找出故障点，修理或更换
2. 更换轴承或加润滑油
3. 清除杂物
4. 修理或更换