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電動(dòng)機(jī)是試驗(yàn)機(jī)常用部件，常用有六種電機(jī)最簡單的就是單項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)，最簡單的試驗(yàn)機(jī)上面用的單相異步電動(dòng)機(jī)是接單相交流電源運(yùn)行的異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)相比，效率和功率因數(shù)稍低，由于容量不大，故此缺點(diǎn)并不突出。
單相異步電動(dòng)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(yùn)行繞組；另一相為副繞組，又稱起動(dòng)繞組。一相繞組單獨(dú)通入交流電流時(shí)，產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。兩相繞組同時(shí)通入相位不同的交流電流時(shí)，在電機(jī)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)一般為橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，特殊情況下可為圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。
一、單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理
（一）運(yùn)行繞組單獨(dú)通電時(shí)的機(jī)械特性
如果僅將單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行繞組接通單相交流電源，流過交流電流時(shí)，電機(jī)中產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為脈振磁動(dòng)勢(shì)。由于一個(gè)脈振磁動(dòng)勢(shì)可以分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同、幅值相等的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F+和F-，所以單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子在脈振磁動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩Tem，應(yīng)該等于正轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)F+和反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩在三相異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)的鼠籠轉(zhuǎn)子在正轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)和反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性來分析單相異步電動(dòng)機(jī)。設(shè)在正轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)作用下單相異步電動(dòng)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(yùn)行繞組通電時(shí)的機(jī)械特性
轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)作用下單相異步電動(dòng)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(duì)稱的。合成轉(zhuǎn)矩T=f（s）或T=f（n）就是運(yùn)行繞組單獨(dú)通電時(shí)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(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Tem=0，亦即運(yùn)行繞組單獨(dú)通電時(shí)，沒有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，不能自行起動(dòng)。（2）當(dāng)n>0時(shí)，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(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。因此，單相異步電動(dòng)機(jī)如果只有運(yùn)行繞組，可以運(yùn)行但不能自行起動(dòng)。
（二）兩相繞組通電時(shí)的機(jī)械特性
單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行繞組和起動(dòng)繞組同時(shí)通入相位不同的交流電流時(shí)，一般產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，可以分解為兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同、幅值不等的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)。設(shè)正轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值F+，大于反轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)的幅值F-，則F+單獨(dú)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(dú)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(dòng)勢(shì)正轉(zhuǎn)的情況下，n=0時(shí)，Tem>0，電機(jī)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能自行起動(dòng)，并正向運(yùn)行。顯然，如果F+< F-，即橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)反轉(zhuǎn)的情況下，電機(jī)能夠反方向起動(dòng)，并反方向運(yùn)行。
如果電機(jī)中產(chǎn)生的是圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，則單相異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與三相異步電動(dòng)機(jī)情況相同。
以上分析表明，單相異步電動(dòng)機(jī)自行起動(dòng)的條件是電機(jī)起動(dòng)時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)是橢圓或圓形旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，為此，一般應(yīng)有起動(dòng)繞組，并且要使起動(dòng)繞組與運(yùn)行繞組中電流的相位不同。
起動(dòng)后的單相異步電動(dòng)機(jī)，可以將起動(dòng)繞組斷開，也可以不斷開。若需斷開，可在起動(dòng)繞組回路串聯(lián)一個(gè)開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到同步轉(zhuǎn)速的75%~80%時(shí)，使開關(guān)自動(dòng)打開，切除起動(dòng)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(diǎn)作此開關(guān)，起動(dòng)開始電流大，觸點(diǎn)吸合，轉(zhuǎn)速上升至一定程度時(shí)電流減小，觸點(diǎn)打開。
圖3—55 橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)時(shí)的機(jī)械特性
單相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組由同一單相電源供電，如何把這兩個(gè)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(dòng)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(dòng)機(jī)的基本形式
（一）電阻分相單相異步電動(dòng)機(jī)
圖3—56為電阻分相電動(dòng)機(jī)的原理圖，圖中1為運(yùn)行繞組，2為起動(dòng)繞組，設(shè)計(jì)時(shí)起動(dòng)繞組的匝數(shù)較少，導(dǎo)線截面取得較小，與運(yùn)行繞組相比，其電抗小而電阻大。起動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組并聯(lián)接電源時(shí)，起動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組并聯(lián)電源時(shí)，起動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組并聯(lián)接電源時(shí)，起動(dòng)繞組電流
與運(yùn)行繞組電流
便不同相，超前一個(gè)電角度，從而產(chǎn)生橢圓旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，使電動(dòng)機(jī)能夠自行起動(dòng)。起動(dòng)繞組一般按短時(shí)工作設(shè)計(jì)的，這時(shí)起動(dòng)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(shí)，自動(dòng)斷開，以保護(hù)起動(dòng)繞組和減少損耗，由運(yùn)行繞組維持運(yùn)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(dòng)轉(zhuǎn)矩不大，只能用于空載和輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。
圖3—56 電阻分相電動(dòng)機(jī)
（二） 電容分相單相異步電動(dòng)機(jī)
電容分相異步電動(dòng)機(jī)是在起動(dòng)繞組回路中串一電容器，使起動(dòng)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(dòng)性能和運(yùn)行性能均優(yōu)于電阻分相電動(dòng)機(jī)。根據(jù)性能要求的不同，電容分相單相異步電動(dòng)機(jī)又分為以下三種：
1、電容起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)
圖3—57是電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的原理圖，其接線圖如圖3—57a）所示，起動(dòng)繞組串聯(lián)一個(gè)電容器C和一個(gè)起動(dòng)開關(guān)K，再與運(yùn)行繞組并聯(lián)接單相電源。電容器的大小合適時(shí)，起動(dòng)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(dòng)時(shí)電機(jī)中的磁動(dòng)勢(shì)接于圓形這種電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖3—58，其中曲線1為接入起動(dòng)繞組起動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性，曲線2的實(shí)線部分為起動(dòng)開關(guān)斷開，起動(dòng)繞組切除以后的機(jī)械特性。
圖3—57 電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī) 圖3—58 電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性
1—運(yùn)行繞組；2—起動(dòng)繞組
2、電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)
圖3—59是電容運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)的接線圖，與電容起動(dòng)單相異步電動(dòng)機(jī)相比，僅將起動(dòng)開關(guān)去掉，使起動(dòng)繞組和電容器不僅起動(dòng)時(shí)起作用，運(yùn)行時(shí)也起作用，這樣可以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率，所以這種電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能優(yōu)于電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
圖3—59 電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī) 圖3—60 電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)
電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)繞組所串電容器C的電容量，主要是根據(jù)運(yùn)行性能要求而確定的，比根據(jù)起動(dòng)性能要求而確定的電容量要小，為此，這種電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能不如電容起動(dòng)電動(dòng)機(jī)好。電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)不要起動(dòng)開關(guān)，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，價(jià)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(dòng)式運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)
圖3—60 為電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)單相異步電動(dòng)機(jī)的接線圖，在起動(dòng)繞組回路中串入兩個(gè)并聯(lián)的電容器C1和C2，其中電容器C2串接起動(dòng)開關(guān)K。起動(dòng)時(shí)，K閉合，兩個(gè)電容器同時(shí)作用，電容量為兩者之和，電動(dòng)機(jī)有良好的起動(dòng)性能。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定程度，K自動(dòng)打開，切除電容器C2，電容器C1與起動(dòng)繞組參與運(yùn)行，確保良好的運(yùn)行性能。由此可見，電容起動(dòng)運(yùn)行運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)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(dòng)機(jī)
罩極式單相異步電動(dòng)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(tái)凸極式罩極單相異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。定子每個(gè)磁極上套有集中繞組，作為運(yùn)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(gè)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(dòng)機(jī)
三、單相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與反轉(zhuǎn)
（一）調(diào)速
由于單相異步電動(dòng)機(jī)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，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(jì)。由于單相異電動(dòng)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(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，對(duì)于電風(fēng)扇用電動(dòng)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(dòng)機(jī)定子繞組串聯(lián)，通電時(shí)，利用在電抗上產(chǎn)生的電壓降施加到電動(dòng)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(shí)，電動(dòng)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(dòng)機(jī)串電抗器調(diào)速電路圖，而圖3－62（b）圖為電容電動(dòng)機(jī)帶有指示燈的電路。
圖3－62 單相異步電動(dòng)機(jī)串電抗器調(diào)速電路
（a）罩極電動(dòng)機(jī)；（b）電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)（帶指示燈）
這種調(diào)速方法線路簡單，操作方便。缺點(diǎn)是電壓降低后，電動(dòng)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(chǎng)合。目前主要用于吊扇及臺(tái)扇上。
2、電動(dòng)機(jī)繞組抽頭調(diào)速
電容式電動(dòng)機(jī)較多地采用定子繞組抽頭調(diào)速，此時(shí)電動(dòng)機(jī)定子鐵心槽中嵌有工作繞組U1U2，起動(dòng)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(dòng)繞組及工作繞組的接線方法，從而達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣隙磁場(chǎng)的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)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(diǎn)是繞組嵌線和接線比較復(fù)雜，電動(dòng)機(jī)與調(diào)速開關(guān)的接線較多。
圖3－63 電容電動(dòng)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(dòng)機(jī)來分析單相異步電動(dòng)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(dòng)帶動(dòng)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(dòng)衣物轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)洗衣機(jī)用電動(dòng)機(jī)的主要要求是出力大，起動(dòng)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(shí)要求電動(dòng)機(jī)在定時(shí)器的控制下正反交替運(yùn)轉(zhuǎn)。改變單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一是在電動(dòng)機(jī)與電源斷開時(shí)，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(chǎng)的方向，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向；二是在電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將副繞組上的電容器串接于主繞組上，即主、副繞組對(duì)調(diào)，從而改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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?yàn)橄匆聶C(jī)在正反轉(zhuǎn)工作時(shí)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(jì)時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制
圖3－64為洗衣機(jī)電動(dòng)機(jī)與定時(shí)器的接線圖，當(dāng)主觸點(diǎn)K與a接觸時(shí)，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(shí)電動(dòng)機(jī)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，那么當(dāng)K切換到b點(diǎn)，流進(jìn)繞組II的電流超前繞組I的電流一個(gè)電角度，電動(dòng)機(jī)便逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。
洗衣機(jī)脫水用電動(dòng)機(jī)也是采用電容運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)，它的原理和結(jié)構(gòu)同一般單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相同。由于脫水時(shí)一般不需要正反轉(zhuǎn)，故脫水用電機(jī)按一般單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)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(dòng)機(jī)只要求單方向運(yùn)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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