2.6 单相交流异步电动机

单相交流异步电动机功率一般较小（通常小于600W），体积小，结构简单，价格低。由于单相电机由单相交流电源供电，使用方便，因此广泛用于各种电器设备、电动工具及仪器仪表中。单相电机的缺点主要是：启动能力和过载能力较小，功率因数和效率偏低，工作稳定性稍差。

2.6.1 单相交流异步电动机的工作原理与机械特性

1.脉振磁场及相应的特性

单相交流异步电机使用单相交流电流励磁，假设有一套绕组分布于定子空间一周，则通电后产生的磁场如图2.26所示。

在方向和大小都周期性变化的正弦交流电流作用下，磁场沿图中垂直方向周期性改变，磁场大小按正弦规律变化，相当于磁场在垂直方向上做周期性振动，所以称为脉振磁场。脉振磁场可分解为两个磁势幅值及转速值相同但转向相反的旋转磁场，它们共同作用于同一个转子，如图2.27所示。

单独考虑正向或反向旋转磁场对转子的作用时，与三相异步电动机的情况完全相同。原理上，单相异步电机模型相当于两个同轴连接但旋转磁场方向相反的三相异步电机。单相异步电机的机械特性是正向和反向旋转磁场单独作用下机械特性的合成，如图2.28所示。

假设分解出的正向、反向旋转磁场造成的机械特性分别为T+ = f(n)、T- = f(n)，根据合成机械特性可得到以下结论：

● 启动时，n=0，Tst =Ts t++Ts t- =0。如不采取措施，模型电机将因合成启动转矩为零而无法自行启动。

● 定子绕组通电后，若有外力对静止的转子沿任意方向加速，则导致产生该方向的电磁转矩，当它大于阻力矩时，电机可在沿这个初始方向的某个转速下运行，产生自转现象。

2.单相电机工作原理与机械特性

单相交流异步电动机的定子绕组由轴线在空间上错开一定角度的两套绕组构成，分别称为主绕组（又称为工作绕组或运行绕组）和启动绕组。理论分析证明：当两套绕组通入相位不同的正弦交流电流后，将会在铁芯中产生一个类似三相电机的合成旋转磁势，但磁势相量顶点的轨迹一般为椭圆，磁势旋转方向为由电流相位超前的那个绕组空间位置转向另一个绕组所在的空间位置。椭圆形磁势也可分解为两个转速值相同、转向相反但幅值不同的圆形旋转磁场的合成。这样，两个分解磁场单独作用下的机械特性就不再以原点对称，如图2.29所示，曲线1、2分别代表正向、反向分解磁场单独作用下的机械特性，曲线3 代表合成机械特性。由于Tst =Ts t++Ts t- ≠0，因此解决了启动问题。这就是单相交流异步电动机的基本工作原理。

2.6.2 单相交流异步电动机的启动类型

表面上，如果采取措施让单相电机两套绕组中流过的交流电流有一定的相位差就可以启动。如何使两个空间上已错开一定角度的磁势或磁通之间出现一定的相位差，这是解决启动问题的出发点。据此可将单相交流异步电机分为分相式和罩极式两大类。

1.分相式单相电机

分相式单相电机利用电容或电阻串入感性启动绕组中起到移相作用，使启动绕组和工作绕组的电流相位错开，即所谓“分相”。

（1）电容分相单相电机

图2.30（a）所示为电容分相单相电机的原理接线。由于电容的移相作用比较明显，只要在启动绕组中串入适当容量的电容（一般约为5～20μF），就可使两绕组的电流相位差接近于90°，这时的合成旋转磁场接近于圆形旋转磁场，因而启动转矩大同时启动电流较小。这种单相电机应用普遍，启动后可根据需要保留（称为电容运行电机）或切除（称为电容启动电机，由置于电机内部的离心开关执行）。如果需要改变电机的转向，只需将任意一个绕组的出线端对调即可，这时两绕组的电流相位关系相反。

（2）电阻分相单相电机

这种电机启动绕组匝数少、导线细，与运行绕组相比其电抗小、电阻大。采用电阻分相启动时，启动绕组电流超前于运行绕组，合成磁场为椭圆度较大的椭圆形旋转磁场，启动转矩小，仅用于空载或轻载场合，应用较少。电阻分相式单相电机的启动绕组一般按短时工作设计，启动后由离心开关切除，由工作绕组维持运行。图2.30（b）所示为电阻分相单相电机的原理接线。

2.罩极式单相电机

将定子磁极的一部分嵌放短路铜环或短路线圈（组）就构成了罩极式单相电机。罩极式单相电机包括凸极式和隐极式两种类型。图2.31所示为凸极式单相电机原理。

当定子绕组通以单相交流电流后，由它产生的脉振磁场大部分磁通经过气隙直接耦合到转子上，另有少部分磁通则在穿过罩极铜环时产生感应磁通并与之合成后经气隙进入转子磁路。根据楞次定律可知，感应磁通总是阻碍原磁通的变化，且感应磁通相位上落后于原磁通。这样就有了两个在空间上错开一定角度并且又有一定相位差的磁通，合成磁场是一个椭圆度很大的旋转磁场。罩极式电机的旋转方向固定由未罩极部分转向罩极部分，其功率较小，启动转矩小，结构简单，价格低廉，维护简便。罩极式电机一般用于小型鼓风机电机和电扇电机等。