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電動機是試驗機常用部件，常用有六種電機最簡單的就是單項異步電動機，最簡單的試驗機上面用的單相異步電動機是接單相交流電源運行的異步電動機，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，只需單相電源，廣泛應(yīng)用于家用電器、電動工具、醫(yī)療器械等方面，功率從幾瓦到幾百瓦，與三相異步電動機相比，效率和功率因數(shù)稍低，由于容量不大，故此缺點并不突出。
單相異步電動機采用普通鼠籠式轉(zhuǎn)子。定子上有兩相繞組，在空間互差900電角度，一相為主繞組，又稱為運行繞組；另一相為副繞組，又稱起動繞組。一相繞組單獨通入交流電流時，產(chǎn)生的磁動勢。兩相繞組同時通入相位不同的交流電流時，在電機中產(chǎn)生的磁動勢一般為橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢，特殊情況下可為圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢。
一、單相異步電動機的工作原理
（一）運行繞組單獨通電時的機械特性
如果僅將單相異步電動機的運行繞組接通單相交流電源，流過交流電流時，電機中產(chǎn)生的磁動勢為脈振磁動勢。由于一個脈振磁動勢可以分解為兩個轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同、幅值相等的旋轉(zhuǎn)磁動勢F+和F-，所以單相異步電動機的轉(zhuǎn)子在脈振磁動勢作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，應(yīng)該等于正轉(zhuǎn)磁動勢F+和反轉(zhuǎn)磁動勢F-分別作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩之和。
鼠籠式轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁動勢作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩在三相異步電動機中已經(jīng)分析過，并且得出了相應(yīng)的機械特性。單相異步電動機的鼠籠轉(zhuǎn)子在正轉(zhuǎn)磁動勢和反轉(zhuǎn)磁動勢分別作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，因此，可以直接利用三相異步電動機的機械特性來分析單相異步電動機。設(shè)在正轉(zhuǎn)磁動勢作用下單相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為T+，機械特性T+=f（s）或T+=f（n）如圖3—54中的曲線3所示，同步轉(zhuǎn)速為n1。在反
圖3—54 運行繞組通電時的機械特性
轉(zhuǎn)磁動勢作用下單相異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為T- ，機械特性為T-=f（s）或T-=f（n）如圖3—54中的曲線2所示，同步轉(zhuǎn)速為-n1。由于F+=F-，兩條特性曲線是對稱的。合成轉(zhuǎn)矩T=f（s）或T=f（n）就是運行繞組單獨通電時的機械特性，如圖3—47中的曲線1所示。從合成機械特性T=f（n）可以看出：（1）當(dāng)轉(zhuǎn)速n=0時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0，亦即運行繞組單獨通電時，沒有起動轉(zhuǎn)矩，不能自行起動。（2）當(dāng)n>0時，Tem>0，即只要電機已經(jīng)正轉(zhuǎn)，而且在此轉(zhuǎn)速下的電磁轉(zhuǎn)矩大于軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，就能在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下升速至接近于同步轉(zhuǎn)速的某點穩(wěn)定運行。因此，單相異步電動機如果只有運行繞組，可以運行但不能自行起動。
（二）兩相繞組通電時的機械特性
單相異步電動機的運行繞組和起動繞組同時通入相位不同的交流電流時，一般產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢，可以分解為兩個轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同、幅值不等的旋轉(zhuǎn)磁動勢。設(shè)正轉(zhuǎn)磁動勢的幅值F+，大于反轉(zhuǎn)磁動勢的幅值F-，則F+單獨作用于轉(zhuǎn)子式的機械特性F+=f（s）如圖3—55中的曲線1所示，F(xiàn)-單獨作用于轉(zhuǎn)子式的機械特性F-=f（s）如圖3—55中的曲線2所示，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的合成轉(zhuǎn)矩Tem=T++T-，合成機械特性Tem=f（s）如圖3—55中的曲線3所示，從該機械特性看出：F+>F-，以及橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢正轉(zhuǎn)的情況下，n=0時，Tem>0，電機有起動轉(zhuǎn)矩，能自行起動，并正向運行。顯然，如果F+< F-，即橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢反轉(zhuǎn)的情況下，電機能夠反方向起動，并反方向運行。
如果電機中產(chǎn)生的是圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，則單相異步電動機的機械特性與三相異步電動機情況相同。
以上分析表明，單相異步電動機自行起動的條件是電機起動時的磁動勢是橢圓或圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，為此，一般應(yīng)有起動繞組，并且要使起動繞組與運行繞組中電流的相位不同。
起動后的單相異步電動機，可以將起動繞組斷開，也可以不斷開。若需斷開，可在起動繞組回路串聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速的75%~80%時，使開關(guān)自動打開，切除起動繞組電路。此開關(guān)可用裝在電機軸上的離心開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至一定程度靠離心力打開；也可以用電流繼電器的觸點作此開關(guān)，起動開始電流大，觸點吸合，轉(zhuǎn)速上升至一定程度時電流減小，觸點打開。
圖3—55 橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢時的機械特性
單相異步電動機起動繞組和運行繞組由同一單相電源供電，如何把這兩個繞組中的電流的相位分開，即所謂“分相”，是很重要的。單相異步電動機也因分相方法的不同而分為不同的類型。
二、單相異步電動機的基本形式
（一）電阻分相單相異步電動機
圖3—56為電阻分相電動機的原理圖，圖中1為運行繞組，2為起動繞組，設(shè)計時起動繞組的匝數(shù)較少，導(dǎo)線截面取得較小，與運行繞組相比，其電抗小而電阻大。起動繞組和運行繞組并聯(lián)接電源時，起動繞組和運行繞組并聯(lián)電源時，起動繞組和運行繞組并聯(lián)接電源時，起動繞組電流
與運行繞組電流
便不同相，超前一個電角度，從而產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁動勢，使電動機能夠自行起動。起動繞組一般按短時工作設(shè)計的，這時起動繞組回路串有開關(guān)K，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，自動斷開，以保護起動繞組和減少損耗，由運行繞組維持運行。由于這種分相方法，相量與位于電壓相量
的同一側(cè)，它們之間相位差不大，因而起動轉(zhuǎn)矩不大，只能用于空載和輕載起動的場合。
圖3—56 電阻分相電動機
（二） 電容分相單相異步電動機
電容分相異步電動機是在起動繞組回路中串一電容器，使起動繞組中的電流超前于電壓，從而與之間產(chǎn)生較大的相位差，起動性能和運行性能均優(yōu)于電阻分相電動機。根據(jù)性能要求的不同，電容分相單相異步電動機又分為以下三種：
1、電容起動單相異步電動機
圖3—57是電容起動電動機的原理圖，其接線圖如圖3—57a）所示，起動繞組串聯(lián)一個電容器C和一個起動開關(guān)K，再與運行繞組并聯(lián)接單相電源。電容器的大小合適時，起動繞組的電流位差接近900電角度，其相量圖如圖3—57b）所示。這樣可使起動時電機中的磁動勢接于圓形這種電動機的機械特性如圖3—58，其中曲線1為接入起動繞組起動時的機械特性，曲線2的實線部分為起動開關(guān)斷開，起動繞組切除以后的機械特性。
圖3—57 電容起動電動機 圖3—58 電容起動電動機的機械特性
1—運行繞組；2—起動繞組
2、電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機
圖3—59是電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機的接線圖，與電容起動單相異步電動機相比，僅將起動開關(guān)去掉，使起動繞組和電容器不僅起動時起作用，運行時也起作用，這樣可以提高電動機的功率因數(shù)和效率，所以這種電動機的運行性能優(yōu)于電容起動電動機。
圖3—59 電容運轉(zhuǎn)電動機 圖3—60 電容起動運轉(zhuǎn)電動機
電容運轉(zhuǎn)電動機起動繞組所串電容器C的電容量，主要是根據(jù)運行性能要求而確定的，比根據(jù)起動性能要求而確定的電容量要小，為此，這種電動機的起動性能不如電容起動電動機好。電容運轉(zhuǎn)電動機不要起動開關(guān)，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，價格比較便宜，維護也簡單一些，使用于風(fēng)扇、洗衣機等。
3、電容起動式運轉(zhuǎn)單相異步電動機
圖3—60 為電容起動運轉(zhuǎn)單相異步電動機的接線圖，在起動繞組回路中串入兩個并聯(lián)的電容器C1和C2，其中電容器C2串接起動開關(guān)K。起動時，K閉合，兩個電容器同時作用，電容量為兩者之和，電動機有良好的起動性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度，K自動打開，切除電容器C2，電容器C1與起動繞組參與運行，確保良好的運行性能。由此可見，電容起動運行運轉(zhuǎn)電動機雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維護工作量稍大，但其起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，功率因數(shù)和效率較高，適用于空調(diào)機、小型空壓機和電冰箱等。
（三）罩極式單相異步電動機
罩極式單相異步電動機的轉(zhuǎn)子仍為鼠籠式，定子有凸極式和隱極式兩種，圖3—61（a）所示為一臺凸極式罩極單相異步電動機的結(jié)構(gòu)原理圖。定子每個磁極上套有集中繞組，作為運行繞組，極面的一邊約三分之一處于開有小槽，經(jīng)小槽放置一個閉合的銅環(huán)，稱為短路環(huán)，把磁極的小部分罩在環(huán)中。
圖3—61 罩極式單相異步電動機
三、單相異步電動機的調(diào)速與反轉(zhuǎn)
（一）調(diào)速
由于單相異步電動機有一系列的優(yōu)點，所以使得它的使用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其在家用電器的使用上獲得了迅速的發(fā)展。目前，各種家電品種已達幾百種，規(guī)格款式數(shù)以千計。由于單相異電動機只需單相交流電源，所以在家用電器的使用上十分普通。
家用電扇一般都要求能調(diào)速，單相異步電動機的調(diào)速方法很多，對于電風(fēng)扇用電動機調(diào)速，目前常用的有電抗法和抽頭法。
1、串電抗調(diào)速
將電抗器與電動機定子繞組串聯(lián)，通電時，利用在電抗上產(chǎn)生的電壓降施加到電動機定子繞組上的電壓低于電源電壓，從而達到降低調(diào)速的目的。因此用串電抗器調(diào)速時，電動機的轉(zhuǎn)速只能由額定轉(zhuǎn)速往低調(diào)。圖3－62（a）為罩極電動機串電抗器調(diào)速電路圖，而圖3－62（b）圖為電容電動機帶有指示燈的電路。
圖3－62 單相異步電動機串電抗器調(diào)速電路
（a）罩極電動機；（b）電容運轉(zhuǎn)電動機（帶指示燈）
這種調(diào)速方法線路簡單，操作方便。缺點是電壓降低后，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩和功率明顯降低，因此只始用于轉(zhuǎn)矩及功率都允許隨轉(zhuǎn)速降低而降低場合。目前主要用于吊扇及臺扇上。
2、電動機繞組抽頭調(diào)速
電容式電動機較多地采用定子繞組抽頭調(diào)速，此時電動機定子鐵心槽中嵌有工作繞組U1U2，起動繞組Z1Z2和中間繞組D1D2。通過調(diào)速開關(guān)改變中間繞組與起動繞組及工作繞組的接線方法，從而達到改變電動機內(nèi)部氣隙磁場的大小，達到調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的目的，這種調(diào)速方法通常有L形接法和T形接法兩種，如圖3－63（a）（b）兩種。
與串電抗調(diào)速比較，用繞組內(nèi)部抽頭調(diào)速不需電抗器，故材料省，耗電少，缺點是繞組嵌線和接線比較復(fù)雜，電動機與調(diào)速開關(guān)的接線較多。
圖3－63 電容電動機繞組抽頭調(diào)速接線圖
（a）L型接線法；（b）T型接線法
（二）反轉(zhuǎn)
我們通過洗衣機用電動機來分析單相異步電動機的反轉(zhuǎn)。
洗衣機主要有滾筒式，絆式和波輪式三種。目前我國的洗衣機大部分是波輪式，洗衣桶立軸，底部波輪高速轉(zhuǎn)動帶動衣服和水流在洗滌桶內(nèi)旋轉(zhuǎn)，由此使桶內(nèi)的水形成螺旋渦流，并帶動衣物轉(zhuǎn)動，上下翻滾，使衣服與水流和桶壁摩擦以及擰攪的摩擦，在洗滌劑的作用下使衣服污垢（對洗衣機用電動機的主要要求是出力大，起動好，耗電少，溫升低，噪音少，絕緣性能好，成本低等）脫落。
洗衣機工作時要求電動機在定時器的控制下正反交替運轉(zhuǎn)。改變單相電容運轉(zhuǎn)電動機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一是在電動機與電源斷開時，在主繞組或副繞組中任何一組的首尾兩端換接以改變旋磁場的方向，從而改變電動機的轉(zhuǎn)向；二是在電動機運轉(zhuǎn)時，將副繞組上的電容器串接于主繞組上，即主、副繞組對調(diào)，從而改變旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向。洗衣機所采用的大都是后一種方法，因為洗衣機在正反轉(zhuǎn)工作時情況完全一樣，所以兩相繞組可輪流充當(dāng)主副相繞組，因而在設(shè)計時，主副相繞組應(yīng)具有相同的線徑、匝數(shù)、節(jié)距及繞組分布形式。
圖3－64 洗衣機用電容運轉(zhuǎn)電動機的正、反轉(zhuǎn)控制
圖3－64為洗衣機電動機與定時器的接線圖，當(dāng)主觸點K與a接觸時，流進繞組I的電流超前于繞組II的電流某一角度。假如這時電動機按順時針方向旋轉(zhuǎn)，那么當(dāng)K切換到b點，流進繞組II的電流超前繞組I的電流一個電角度，電動機便逆時針旋轉(zhuǎn)。
洗衣機脫水用電動機也是采用電容運轉(zhuǎn)式電動機，它的原理和結(jié)構(gòu)同一般單相電容運轉(zhuǎn)電動機相同。由于脫水時一般不需要正反轉(zhuǎn)，故脫水用電機按一般單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機接線，即主繞組直接接電源，副繞組和移相電容串聯(lián)后再接入電源。由于脫水用電動機只要求單方向運轉(zhuǎn)，所以主副繞組采用不同的線徑和匝數(shù)繞制。
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