第七章 单相交流异步电动机内 容 提 要在前面了解了三相异步电动机的概貌，掌握了三相异步电动机的电磁过程、拖动性质的基础上，本章主要介绍单相异步电动机的结构及其应用、磁场及其力矩特点，结合其工作原理，最后介绍几种常用的单相交流异步电动机的起动方法和具体应用情况7.1 单相交流异步电动机的结构及应用7.1.1 单相交流异步电动机的结构1. 定子部分单相异步电动机的定子包括机座、铁心、绕组三大部分分别介绍如下：（1）机座 采用铸铁、铸铝或钢板制成，其结构型式主要取决于电机的使用场合及冷却方式单相异步电动机的机座型式一般有开启式、防护式、封闭式等几种开启式结构的定子铁心和绕组外露，由周围空气流动自然冷却，多用于一些与整机装成一体的使用场合，如洗衣机等防护式结构是在电机的通风路径上开有一些必要的通风孔道，而电机的铁心和绕组则被机座遮盖着封闭式结构是整个电机采用密闭方式，电机的内部和外部隔绝，防止外界的浸蚀与污染，电机主要通过机座散热，当散热能力不足时，外部再加风扇冷却另外有些专用单相异步电动机，可以不用机座，直接把电机与整机装成一体，如电钻、电锤等手提电动工具等2）铁心部分 定子铁心多用铁损小、导磁性能好，厚度一般为 0.35~0.5㎜的硅钢片冲槽叠压而成。
定、转子冲片上都均匀冲槽由于单相异步电动机定、转子之间气隙比较小，一般在 0.2~0.4㎜为减小开槽所引起的电磁噪声和齿谐波附加转矩等的影响，定子槽口多采用半闭口形状转子槽为闭口或半闭口，并且常采用转子斜槽来降低定子齿谐波的影响集中式绕组罩极单相电动机的定子铁心则采用凸极形状，也用硅钢片冲制叠压而成3）绕组 单相异步电动机的定子绕组，一般都采用两相绕组的形式，即主绕组和辅助绕组主、辅绕组的轴线在空间相差 90°电角度，两相绕组的槽数、槽形、匝数可以是相同的，也可以是不同的一般主绕组占定子总槽数的 2/3，辅助绕组占定子总槽数的 1/3，具体应视各种电机的要求而定单相异步电动机中常用的定子绕组型式有单层同心式绕组、单层链式绕组、双层叠绕组和正弦绕组罩极式电动机的定子多为集中式绕组，罩极极面的一部分上嵌放有短路铜环式的罩极线圈2. 转子部分单相异步电动机的转子主要有转轴、铁心、绕组三部分，现分述如下：（1）转轴 转轴用含碳轴钢车制而成，两端安置用于转动的轴承单相异步电动机常用的轴承有滚动和滑动两种，一般小容量的电机都采用含油滑动轴承，其结构简单，噪声小2）铁心 转子铁心是先用与定子铁心相同的硅钢片冲制，将冲有齿槽的转子铁心叠装后压入转轴。
3）绕组 单相异步电动机的转子绕组一般有两种型式，即笼型和电枢型笼型转子绕组是用铝或者铝合金一次铸造而成，它广泛应用于各种单相异步电动机电枢型转子绕组则采用与直流电机相同的分布式绕组型式，按叠绕或波绕的接法将线圈的首、尾端经换相器连接成一个整体的电枢绕组，电枢式转子绕组主要用于单相异步串励电动机3. 起动装置除电容运转式电动机和罩极式电动机外，一般单相异步电动机在起动结束后辅助绕组都必须脱离电源，以免烧坏因此，为保证单相异步电动机的正常起动和安全运行，就需配有相应的起动装置起动装置的类型有很多，主要可分为离心开关和起动继电器两大类图 7-1 所示为离心开关的结构示意图离心开关包括旋转部分和固定部分，旋转部分装在转轴上，固定部分装在前端盖内它利用一个随转轴一起转动的部件——离心块当电动机转子达到额定转速的 70％～80％时，离心块的离心力大于弹簧对动触点的压力，使动触点与静触点脱开从而切断辅助绕组的电源，让电动机的主绕组单独留在电源上正常运行图 7-1 离心开关结构示意图离心块结构较为复杂，容易发生故障，甚至烧毁辅助绕组而且开关又整个安装在电机内部，出了问题检修也不方便故现在的单相异步电动机已较少使用离心开关作为起动装置，转而采用多种多样的起动继电器。
起动继电器一般装在电动机机壳上面，维修、检查都很方便常用的继电器有电压型、电流型、差动型三种，下面分别介绍其工作原理1）电压型起动继电器 接线如图 7-2 所示，继电器的电压线圈跨接在电动机的辅助绕组上，常闭触点串联接在辅助绕组的电路中接通电源后，主、辅助绕组中都有电流流过，电动机开始起动由于跨接在辅助绕组上的电压线圈，其阻抗比辅助绕组大故电动机在低速时，流过电压线圈中的电流很小随着转速升高，辅助绕组中的反电动势逐渐增大，使得电压线圈中的电流也逐渐增大，当达到一定数值时，电压线圈产生的电磁力克服弹簧的拉力使常闭触点断开，切除了辅助绕组与电源的联接由于起动用辅助绕组内的感应电动势，使电压线圈中仍有电流流过，故保持触点在断开位置，从而保证电动机在正常运行时辅助绕组不会接入电源7-2 电压型起动继电器原理接线图 7-3 电流型起动继电器原理接线图（2）电流型起动继电器电流型起动 继电器其接线如图 7-3 所示，继电器的电流线圈与电动机主绕组串联，常开触点与电动机辅助绕组串联电动机未接通电源时，常开触点在弹簧压力的作用下处于断开状态当电动机起动时，比额定电流大几倍的起动电流流经继电器线圈，使继电器的铁心产生极大的电磁力，足以克服弹簧压力使常开触点闭合，使辅助绕组的电源接通，电动机起动，随着转速上升， 电流减小。
当转速达到额定值的70％～80 %时，主绕组内电流减小这时继电器电流线圈产生的电磁力小于弹簧压力，常开触点又被断开，辅助绕组的电源被切断，起动完毕3）差动型起动继电器器 其接线如图 7-4 所示 差动式继电器有电流和电压两个线圈，因而工作更为可靠电流线圈与电动机的主绕组串联，电压线圈经过常闭触点与电动机的辅助绕组并联当电动机接通电源时，主绕组和电流线圈中的起动电流很大，使电流线圈产生的电磁力足以保证触点能可靠闭合起动以后电流逐步减小，电流线圈产生的电磁力也随之减小于是电压线圈的电磁力使触点断开，切除了辅助绕组的电源7-4 差动型起动继电器原理接线图7.1.2 单相交流异步电动机的应用单相异步电动机是用单相交流电源供电的一类驱动用电机，具有结构简单、成本低廉、运行可靠及维修方便等一系列优点特别是因为它可以直接使用普通民用电源，所以广泛的运用于各行各业和日常生活，作为各类工农业生产工具、日用电器、仪器仪表、商业服务、办公用具和文教卫生设备中的动力源，与人们的工作、学习和生活有着极为密切的关系和容量相同的三相异步电机比较，单相异步电动机的体积较大，运行性能也较差，所以单相异步电动机通常只做成小型的，其容量从几瓦到几百瓦。
由于只需单相交流 220V电源电压，故使用方便，应用广泛，并且有噪声小、对无线电系统干扰小等优点，因而多用在小型动力机械和家用电器等设备上，如电钻、小型鼓风机、医疗器械、风扇、洗衣机、冰箱、冷冻机、空调机、抽油烟机、电影放映机及家用水泵等，是日常现代化设备必不可少的驱动源在工业上， 、单相异步电动机也常用于通风与锅炉设备以及其他伺服机构上7.2 单相交流异步电动机的磁场7.2.1 单相绕组的脉振磁场 我们知道，单相交流电流是一个随时间按正弦规律变化的电流，因此，它所产生的磁场将是一个脉振磁场即当某一瞬间电流为零时，如图 7-5 所示，电机气隙中的磁感应强度也等于零电流增大时，磁感应强度也随着增强电流方向相反时，磁场方向也跟着反过来但是在任何时刻，磁场在空间的轴线并不移动，只是磁场的强弱和方向像正弦电流一样，随时间按正弦规律作周期性变化为了便于分析问题，通常可以把这个脉振磁场分解成两个旋转磁场来看待这两个磁场的旋转速度相等，但旋转方向相反每个旋转磁场的磁感应强度的幅值等于脉振磁场的磁感应强度幅值的一半7-5 单相异步电动机的脉振磁场这样一来，任一瞬间脉振磁场的磁感应强度都等于这两个旋转磁场的磁感应强度的相量和。
如图 7-6 所示，在他 t0 瞬时，两个旋转磁场的磁感应强度相量方向相反，所以合成磁感应强度 B=0在 t1 时，两个旋转磁场的磁感应强度相量都对水平轴线偏转一个角度，t1从图 7-6 中 t= t1 瞬时的矢量图上看，B 1 和 B2 的合成磁感应强度B= B1sin + B2sin =1/2 Bmsin t1+ 1/2Bmsin t1= Bmsin t17-6 脉振磁场分解为两个旋转磁场也可以同样证明，在其它任何瞬时，这两个旋转磁场的磁感应强度 B1 和 B2 的合成磁感应强度，就是脉振磁场的磁感应强度的瞬时值既然可以把一个单相的脉振磁场分解成两个磁感应强度幅值相等、转向相反的旋转磁场，当然也可以认为，单相异步电动机的电磁转矩也是分别由这两个旋转磁场所产生的转矩合成的结果我们下一节再介绍单相异步电动机的力矩特点当电动机静止时，由于两个旋转磁场的磁感应强度大小相等、转向相反，因而在转子绕组中感应产生的电动势和电流大小相等，方向相反故两个电磁转矩的大小也相等、 ，方向也相反，于是合成转矩等于零，电动机不能起动也就是说、 ，单相异步电动机的起动转矩为零这既是它的一个特点，也是它的一大缺点。
但是，如果用外力使转子起动一下，则不是朝正向旋转或反向旋转，电磁转矩都将逐渐增加，电动机将按外力作用方向达到稳定转速7.2.2 两相绕组的旋转磁场 如上所述，单相绕组产生的是一个脉振磁场，其起动转矩等于零，不能自行起动要应用单相异步电动机，首先必须解决它的起动问题在本章第四节我们将详细介绍单相异步电动机的起动问题基于此，一般单相异步电动机（除集中式罩极电动机外）均采用两套绕组一套为主绕组（也叫工作绕组、运行绕组） ，另一套为辅助绕组（也叫起动绕组、副绕组） 主、辅绕组在定子空间布置上相差 90°电角度，同时使两套绕组中的电流在时间上也不同相位例如在辅助绕组中串联一个适当的电容器即可达到这样一个相差 90°电角度的两相旋转磁场就使单相异步电动机旋转起来电动机转动起来后起动装置适时地自动将辅助绕组从电源断开，仅剩下主绕组路上工作我们来分析一下，为什么在看见互差 90°电角度的两套绕组，通入相位上互差 90°的两个电流后，能建立起旋转磁场如图 7-7（a）所示，i 1和 i2两个电流在相位上相差 90°，图 7-7（b）所示为在空间布置上相差 90°电角度的两相绕组将 i1通入绕组 A-X、i 2通入绕组 B-Y。
线端 A、B 为绕组首端，线端 X、Y 为绕组末端正电流从绕组的首端流入，负电流从绕组的末端流入图 7-7（c）各图显示了 i1和 i2两个电流 5 个瞬时所产生的磁场情况，从图中可以看出，当电流变化一周时，磁场也旋转了一周综上所述，我们只要将相位上相差 90°的两个电流，通入在空间相差 90°电角度的绕组，就能使单相异步电动机产生一个两相旋转磁场在它的作用下，转子得到起动转矩而转动起来进行工作7-7 两相绕组产生的两相旋转磁场7.3 单相交流异步电动机的力矩特点上一节我们介绍单相交流异步电动机的磁场时，我们知道一个脉振磁动势可分解为两个幅值相等，并且等于脉振磁动势幅值的一半，旋转转速相同但旋转转速相反的两个磁动势一个称为正转磁动势，另一个称为反转磁动势，这两个磁动势分别产生正转和反转磁场，正反转磁场同时在转子绕组中分别感应产生相应的电动势和电流，从而产生使电动机正转和反转的电磁转矩 Tem+ 和 Tem-正转电磁转矩若为拖动转矩，那么反转电磁转矩为制动转矩，因此对正转旋转磁场而言，电动机的转差率为S+= 0n正转电磁转矩 Tem+与正转转差率 S+的关系 Tem+=f (S+),和三相异步电动机类似，如图 7-8 中的曲线 1 所示。
但对反转磁场而言，电动机的转差率应为S- = snn2)(2)(00反转电磁转矩 Tem-与反转转差率 S- 的关系 Tem-=f (S-)= f (2-S+)，它的曲线形状和 Tem+=f (S+)完全一样，不过 Tem+为正值，而 Tem-为负值，并且两转差率之间有 S++ S。