第七節單相異步電動機由單相電源供電的異步電動機即為單相異步電動機，其基本原理是建立在三相異步電動機的基礎上的，但在結構和特性方面有不少差別一由單相電源供電的異步電動機的運行——單相異步電動機的工作原理一臺三相異步電動機，其定子繞組僅一相供電，或者一相斷開時的運行，都是在單相電源供電時的實際情況，其接線圖如圖5-25所示。實質上這就是單相異步電動機的運行情況。在“交流繞組磁動勢”中已闡明，由單相交流電流i^2Icosot所建立的磁動勢是一種脈振磁動勢，若僅考慮其基波分量，其表達式為「 兀 1 兀 1 兀 「f=Fcos—xcos①t=—Fcos(—x一①t)+—Fcos(—x+①t)=f+f1 1T 21T 21T + -上式表明，個脈振磁動勢可以分解為兩個幅值相等，且等于脈振磁動勢幅值的一半，旋轉 ?速度相同但旋轉方向相反的兩個旋轉磁動勢。一個稱為正轉磁動勢，向著X方向旋轉，用空間矢量F+表示，另一個稱為反轉磁動勢，向著乂反方向旋轉，用空間矢量F表示，如圖5-25所示。這兩個旋轉磁動勢分別產生正轉和反轉磁場，其磁場分別為。+和①。正、反轉磁場同時在轉子繞組中分別感應產生相應的電動勢和電流，從而產生使電動機正轉和反轉的電磁轉矩Tem+和Tem-。正轉電磁轉矩若為拖動轉矩，反轉電磁轉矩則為制動轉矩，因此對正轉旋轉磁場而言，電動機的轉差率為s=虬一^。正轉電磁轉矩T 與正轉轉差率s的關系TOC\o"1-5"\h\z+n em+ +0Tem+=f(s+)，和三相異步電動機的一樣，如圖5-26中曲線1所示。但對反轉旋轉磁場而言，電動機的轉差率應為s= =氣一氣一〃)=2-s\o"CurrentDocument"-n n +反轉電磁轉矩T 與反轉轉差率s的關系T=f(s)=f(2-s)，其曲線形狀和T=f(s)完全一樣，em- - em-- + em++不過Tem+為正值，而Tem-為負值，并且兩轉差率之間有s疽s_=2的關系，氣一=f(s-)如圖5-26中曲線2所示。曲線1和曲線2分別為正轉和反轉的T^-s曲線，它們相對于原點對稱，電動機的合成電磁轉矩為T^=T^++T。皿一。因此在單相電源供電下，異步電動機或者是單相異步電動機的Tem-s曲線為Tem++Tem-=f(s)，如圖5-26中曲線3所示。從圖5-26所示的曲線可看出，單相異步電動機有兩個特性：1)電動機不轉時，n=0，即s++s=1時，合成轉矩T+T=0，電動機無起動轉矩。2)若用外力拖動電動機向正轉或反轉方向轉動，即s+或s_不為“1”時，合成電磁轉矩不等于零，去掉外力，電動機會被加速到接近同步轉速，換句話說，單相異步電動機雖無啟動轉矩，但一經起動，就會轉動而不停止。這些特性還可以用把脈振磁動勢轉變為旋轉磁動勢的道理去分析。由于單相異步電動機的轉子是籠型的，結構上對稱，不論轉子處于什么位置，從電磁效應考慮，都可以用定子磁動勢及其垂直軸線(以下定子磁動勢軸線稱為直軸，用下標“d”表示，

與定子磁動勢軸線垂直的軸線稱為交軸，用下標“q”表示）上各有兩根導條的轉子去代替n跟導條均勻分布的實際籠型轉子，如圖5-27所示。當電動機不轉時，脈振磁動勢所建立的脈振磁場僅在q軸上導條1-1'組成的線圈內感應產生電動勢與電流，其正方向在圖5-27中表明，2-2'導條組成的線圈不與脈振磁場交鏈，其中無電動勢和電流。這時，單相異步電動機好像一臺二次側短路的單相變壓器，作用在導條1-1'上的電磁力互相抵消，不能形成電磁轉矩，電動機不能起動。和變壓器一樣，其合成磁動勢仍為脈振磁動勢，磁動勢的方向不變。如果用外力拖動轉子逆時針方向轉動，由于不論轉子處于什么位置，轉子上導條組成的等效線圈總是在d、q軸上，而q軸線圈2-2'切割脈振磁場，在其中感應產生電動勢及電流；d軸線圈1-1'因處于磁場中性線上不切割磁場，故其中無電動勢和電流。所以當轉子轉動以后，電動機內的電磁情況有了變化。設脈振磁場按正弦分布，即B=Bcos①tsin*x，則每極脈振磁通為。=2B以cosotm T nm式中T——極距l------定子鐵心長度Bm——脈振磁場的幅值①除在d軸線圈1-1'中感應產生所謂變壓器電動勢ed以外，還在q軸線圈2-2'中感應產生速度電動勢e，這兩種電動勢分別為e=—N'牛=N'-BTlosin①tq dddtdnm式中，N——等效線圈1-1'的匝數de=2N'Blv=2N'BIvcosot式中， N' 等效線圈2---2的匝數qq軸上僅有一個線圈，線圈好像電抗器，所以對線圈2-2'中電流I的阻抗，可以認為是一q.二 — 二.二■一、 一.以及由I建立的脈振磁動勢F在時間上滯后于中和建立中的定子脈振磁動勢Fdd d其中存在著空間和時間上均相差.二 — 二.二■一、 一.以及由I建立的脈振磁動勢F在時間上滯后于中和建立中的定子脈振磁動勢Fdd d其中存在著空間和時間上均相差90qq90電角度（不計鐵心損耗）。單相異步電動機轉動時，電角度的兩種脈振磁動勢，其表達式可寫為nI=Fcos—xcosot兀I=Fsin—xsinot式中Fd式中Fd、Fq直、交軸脈振磁動勢的幅值。合成磁動勢為f=f+f=Fcos—xcosot+Fsin—xsinotdqd— q—TOC\o"1-5"\h\z1/「 ，兀 、1 、 ，兀 、（F+F）cos（x一①t）+（F-F）cos（x+①t）2d qt 2 dq' t\o"CurrentDocument"兀 兀=Fcos（—x-①t）+Fcos（—x+①t）從旋轉磁動勢理論可知，將兩個在空間上和時間上均相差90的兩個脈振磁動勢合成，如脈c 兀振磁動勢的幅值相等，即F=F=F，則f=Fcos（x—①t）dq1 1 —為正轉圓形旋轉磁動勢。如兩磁動勢幅值不等，即F^Fq,若Fd>Fq，則「（F+F）,?、_ （F-F）,??'F+=d q%>F=1d q%，即正轉磁動勢幅值大于反轉磁動勢幅值。若用矢量圖去描述式（5-69）所表達的合成磁動勢，如圖5-28所表示，圖中F為正轉（逆時針）旋轉磁動勢的矢量，F為反轉（順時針）旋轉磁動勢的矢量。當s=0時，七與F重合，選?t=：,：,兀，等幾個特定瞬間，將F與F合成，結果得出的合成磁動勢為正3 3 + -線分布，幅值變動，非恒速旋轉的一種磁動勢，其矢量矢端的軌跡為一橢圓。合成磁動勢的最大幅值（橢圓的長軸）為正轉和反轉磁動勢幅值之和，最小幅值（橢圓的短軸）為正轉和反轉磁動勢幅值之差，旋轉方向與正轉磁動勢相同，這種旋轉磁動勢稱為橢圓形旋轉磁動勢。從以上分析可知，單相異步電動機一經轉動以后，由于出現交軸磁動勢，其磁動勢即由脈振磁動勢變為旋轉磁動勢（一般為橢圓形旋轉磁動勢）。隨著轉速的增大，由于交軸線圈中的電動勢E與轉速n（或線速度v）成正比，I及F逐漸增大，從式（5-69）可看出，F增+大，F減小，合成磁動勢會變得接近圓形旋轉磁動勢，由合成磁動勢建立的磁場會變得接近圓形旋轉磁場。因此，單相異步電動機和三相異步電動機一樣，能夠產生電磁轉矩使電動機繼續轉動。如果外力拖動電動機順時針方向（反轉方向）轉動，電磁情況完全和逆時針方向轉動一樣，無非是正、反轉旋轉磁動勢大小和作用互換，所以不加任何起動措施的單相異步電動機旋轉方向可以是任意的。如何解決起動問題是單相異步電動機付諸實用的關鍵問題。二、單相異步電動機的主要類型和啟動方法從工作原理可知，單相異步電動機之所以無起動轉矩是由于它處于靜止狀態時，其磁動勢是脈振的，這種脈振磁動勢由正、反幅值相等的旋轉磁動勢合成。如果加強正轉磁動勢、削弱反轉磁動勢，使磁動勢由脈振變為旋轉的，可為橢圓形，理想的話可為圓形，則電動機不但能自行起動，且能運行，所以解決單相異步電動機起動的根本措施，就是設法使電動機中再建立一個脈振磁動勢，且其相位和位置不同于原來存在的脈振磁動勢。根據起動方法和相應結構上的不同，常用的單相異步電動機有下述兩種類型1分相式電動機這種單相異步電動機的定子鐵心和三相異步電動機一樣，定子上除裝有單相的主繞組（又稱工作繞組）外，另外裝一個輔助繞組（又稱起動繞組），它與主繞組在空間上相差90電角度，如圖5-29所示。主繞組和輔助繞組接在同一單相電源上。接線如圖5-30所示，在輔助繞組中串入適當的電容或電阻，也可以是電感，使輔助繞組中電流的相位不同于主繞組中的電流相位，以獲得空間上相差90而時間上相差一定電角度的兩種脈振磁動勢。這樣就會在電動機內形成一種旋轉磁動勢，從而產生起動轉矩。輔助繞組一般是按短時運行狀態設計的，所以在電動機起動以后，為了避免輔助繞組過熱，當轉速到達一定值時，由離心開關S將輔助繞組與電源切斷，這是利用輔助繞組使電動機形成兩相電動機的起動方法。這樣的單相異步電動機稱為分相式電動機。分相式電動機又可分為兩種，電阻分相及電容分相。（1） 電阻分相電動機電阻分相電動機的輔助繞組用較細的導線繞成，與主繞組可以有不同的匝數，使其電阻增大，電流超前于主繞組中的電流，以形成兩相電流。但由于兩個繞組中的阻抗都是感性的，兩相電流的相位差不僅不可能達到90電角度，而且其值也不大。故電動機氣隙內旋轉磁場橢圓度較大，所以產生的起動轉矩較小，而起動電流較大。（2） 電容分相電動機電容分相電動機的輔助繞組中串聯電容，如果電容選擇的恰當，這種電動機輔助繞組中的電流可超前于主繞組中的電流接近90電角度，則在電動機氣隙內建立起橢圓度較小的旋轉磁場，從而獲得較大的起動轉矩，使起動電流較小。由于輔助繞組中串入電容以后，不僅能解決起動問題，而且運行時還能改善電動機的功率因數，提高電動機的過載能力。設計時，如果考慮到輔助繞組不僅作起動用，而且能供工作用，讓串聯電容的輔助繞組在電動機起動后不再與電源切斷，使電動機成為一臺兩相電動機，這種電動機就稱為電容分相式電動機。如果要改變分相式電動機的轉動方向，只需將輔助繞組與主繞組相并聯的接線端子對調即可。有時需要將三相異步電動機運行與單相電源，可按照圖5-31所示接線圖接線，即將一相從中點斷開，串聯電容作為電動機起動用的輔助繞組，另外兩相反向串聯作主繞組使用，使三相異步電動機成為一臺電容分相電動機。2、罩極式電動機罩極式電動機的定子鐵心多制成凸極式，由硅鋼沖片疊壓而成，每極上裝有集中繞組，即為主繞組；每極極靴的一邊開有一個小槽，小槽中嵌入短路銅環，將部分磁極罩起來，這個短路銅環稱為罩極線圈；轉子是籠型結構，其結構示意圖如圖5-32所示。 二?、、二當主繞組中通過單相交流電流時，產生脈振磁通，在短路銅環中感應產生電動勢E和電流I，s s罩極部分的電磁情況和短路的變壓器一樣，穿過短路銅環的總磁通由"可認為是由穿過罩極部分的磁通小'（主繞組中電流產生）與I產生的磁通①所合成的，即①'+①=①〃。它S s s與未穿過罩極部分的磁通①之間形成一定的相位差，如圖5-33的向量圖所示。由于0①與①〃在空間上處于不同位置，時間上又有相位差，所以他們的合成磁場是一種“掃動0 2 -?二■■ -、 . .. .. ... .磁場”，掃動的方向為從超前的中掃向滯后的中。這種掃動磁場實質上是一種橢圓度很大0的旋轉磁場。在該種磁場的作用下，電動機將獲得一定的起動轉矩。罩極式電動機也有將定子鐵心做成隱極式的，槽內除主繞組外，還嵌有一個匝數較少，與主繞組錯開一個電角度，且自行短路的輔助繞組。三、單相異步電動機的用途雖然單相異步電動機的功率因數、效率和過載能力都比同容量的三相異步電動機低，體積也較同容量的三相異步電動機大，但是僅需單相電源供電，如果容量不大，所述這些缺點就不很突出，所以小容量單相異步電動機在日常生活、家用電器、醫療器械和某些工業裝置中應用很廣。罩極式電動機主要用于小臺扇、電唱機和錄音機中，容量一般在幾十瓦以下；電容分相式電動機應用于需要較大起動轉矩的裝置，如空氣壓縮機、空氣調節器、電冰箱等，容量在幾百瓦以下。第八節直線異步電動機生產機械除絕大多數作旋轉運動外，還需要作直線機械運動。直線異步電動機就是能作直線運動的異步電動機。直線電動機是在與旋轉電動機相同的電磁理論基礎上，綜合直線運動的特點發展起來的，可以看成是由旋轉電動機演變而來的一種電動機。因此，從理論上，直流、異步和同步等幾大類型的旋轉電機都可以做成直線電動機，當然具體結構要結合應用情況來設計。直線異步電動機也和旋轉的異步電動機一樣，具有結構簡單、使用方便、運行可靠等優點，本節僅就該類型電動機的工作原理，結構特點與使用場合作簡單的介紹。一、工作原理設想將一臺籠型異步電動機，沿其徑向剖開，然后拉直便為一臺直線異步電動機，如圖5-34所示。當直線異步電動機的初級三相繞組中通入對稱三相交流電流以后，就建立了三相合成磁動勢，在合成磁動勢作用下，和旋轉的異步電動機一樣，也產生氣隙磁場。不同的是，這個氣隙磁場不是旋轉的，而是按A、B、C相序沿直線移動的行波磁場，如圖5-35所示。顯然，行波磁場直線移動速度與旋轉磁場在定子內圓表面上的線速度是一樣的，即行波磁場切割拉直的轉子，即所形成的次級導條，將在其中感應產生電動勢及電流。根據電磁力定律，所有導條中的電流與氣隙中行波磁場相互作用，便產生電磁力。若初級固定，次級條鐵將沿著移動磁場方向移動。條鐵線速度為v，則轉差率s為_v-vV0正如在旋轉電機中，改變極對數即可改變同步轉速一樣，在直線異步電動機中，改變極距T，也可改變行波磁場的線速度v0。由此可知，直線異步電動機的工作原理與旋轉異步電動機并無本質上的差異，只是兩種電動機的機械運動方式不同而已。二、結構形式及其特點1、 結構形式直線異步電動機有三種形式（1） 扁平式由旋轉異步電動機演變而來的直線異步電動機是扁平形的直線異步電動機，如圖5-34所示。（2）管形 若將扁平形直線異步電動機的初級沿著與移動磁場方向平行的軸線卷成圓筒，便成為管形直線異步電動機如圖5-36所示，此時磁場沿圓筒的軸向移動。（3） 圓盤形如將扁平形直線異步電動機拉直的轉子條鐵，在改制成扁平的圓盤狀，并能繞經過圓心的軸自由轉動，而將拉直的定子裝置