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電動機(jī)是試驗機(jī)常用部件，常用有六種電機(jī)最簡單的就是單項異步電動機(jī)，最簡單的試驗機(jī)上面用的單相異步電動機(jī)是接單相交流電源運行的異步電動機(jī)，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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的工作原理
（一）運行繞組單獨通電時的機(jī)械特性
如果僅將單相異步電動機(jī)的運行繞組接通單相交流電源，流過交流電流時，電機(jī)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(jī)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(jī)中已經(jīng)分析過，并且得出了相應(yīng)的機(jī)械特性。單相異步電動機(jī)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(jī)的機(jī)械特性來分析單相異步電動機(jī)。設(shè)在正轉(zhuǎn)磁動勢作用下單相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T+，機(jī)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(jī)械特性
轉(zhuǎn)磁動勢作用下單相異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為T- ，機(jī)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(jī)械特性，如圖3—47中的曲線1所示。從合成機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械特性
單相異步電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械特性Tem=f（s）如圖3—55中的曲線3所示，從該機(jī)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(jī)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(jī)能夠反方向起動，并反方向運行。
如果電機(jī)中產(chǎn)生的是圓形旋轉(zhuǎn)磁動勢，則單相異步電動機(jī)的機(jī)械特性與三相異步電動機(jī)情況相同。
以上分析表明，單相異步電動機(jī)自行起動的條件是電機(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)械特性
單相異步電動機(jī)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(jī)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(jī)的基本形式
（一）電阻分相單相異步電動機(jī)
圖3—56為電阻分相電動機(jī)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(jī)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(hù)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(jī)
（二） 電容分相單相異步電動機(jī)
電容分相異步電動機(jī)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(jī)。根據(jù)性能要求的不同，電容分相單相異步電動機(jī)又分為以下三種：
1、電容起動單相異步電動機(jī)
圖3—57是電容起動電動機(jī)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(jī)中的磁動勢接于圓形這種電動機(jī)的機(jī)械特性如圖3—58，其中曲線1為接入起動繞組起動時的機(jī)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(jī)械特性。
圖3—57 電容起動電動機(jī) 圖3—58 電容起動電動機(jī)的機(jī)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(jī)
圖3—59是電容運轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)的接線圖，與電容起動單相異步電動機(jī)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(jī)的功率因數(shù)和效率，所以這種電動機(jī)的運行性能優(yōu)于電容起動電動機(jī)。
圖3—59 電容運轉(zhuǎn)電動機(jī) 圖3—60 電容起動運轉(zhuǎn)電動機(jī)
電容運轉(zhuǎn)電動機(jī)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(jī)的起動性能不如電容起動電動機(jī)好。電容運轉(zhuǎn)電動機(jī)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(hù)也簡單一些，使用于風(fēng)扇、洗衣機(jī)等。
3、電容起動式運轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)
圖3—60 為電容起動運轉(zhuǎn)單相異步電動機(jī)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(jī)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(jī)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，維護(hù)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(jī)、小型空壓機(jī)和電冰箱等。
（三）罩極式單相異步電動機(jī)
罩極式單相異步電動機(jī)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(jī)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(jī)
三、單相異步電動機(jī)的調(diào)速與反轉(zhuǎn)
（一）調(diào)速
由于單相異步電動機(jī)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(dá)幾百種，規(guī)格款式數(shù)以千計。由于單相異電動機(jī)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(jī)的調(diào)速方法很多，對于電風(fēng)扇用電動機(jī)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(jī)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(jī)定子繞組上的電壓低于電源電壓，從而達(dá)到降低調(diào)速的目的。因此用串電抗器調(diào)速時，電動機(jī)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(jī)串電抗器調(diào)速電路圖，而圖3－62（b）圖為電容電動機(jī)帶有指示燈的電路。
圖3－62 單相異步電動機(jī)串電抗器調(diào)速電路
（a）罩極電動機(jī)；（b）電容運轉(zhuǎn)電動機(jī)（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(jī)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(jī)繞組抽頭調(diào)速
電容式電動機(jī)較多地采用定子繞組抽頭調(diào)速，此時電動機(jī)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(dá)到改變電動機(jī)內(nèi)部氣隙磁場的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)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(jī)與調(diào)速開關(guān)的接線較多。
圖3－63 電容電動機(jī)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(jī)用電動機(jī)來分析單相異步電動機(jī)的反轉(zhuǎn)。
洗衣機(jī)主要有滾筒式，絆式和波輪式三種。目前我國的洗衣機(jī)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(jī)用電動機(jī)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(jī)工作時要求電動機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一是在電動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)向；二是在電動機(jī)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(jī)所采用的大都是后一種方法，因為洗衣機(jī)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(jī)用電容運轉(zhuǎn)電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制
圖3－64為洗衣機(jī)電動機(jī)與定時器的接線圖，當(dāng)主觸點K與a接觸時，流進(jìn)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(jī)按順時針方向旋轉(zhuǎn)，那么當(dāng)K切換到b點，流進(jìn)繞組II的電流超前繞組I的電流一個電角度，電動機(jī)便逆時針旋轉(zhuǎn)。
洗衣機(jī)脫水用電動機(jī)也是采用電容運轉(zhuǎn)式電動機(jī)，它的原理和結(jié)構(gòu)同一般單相電容運轉(zhuǎn)電動機(jī)相同。由于脫水時一般不需要正反轉(zhuǎn)，故脫水用電機(jī)按一般單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機(jī)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(jī)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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