单相交流电动机的工作过程有趣实用

一台电动机最重要的特点就是能在通电的状态下转动，即实现电能到机械能的转换，那么单相交流电动机是如何实现这一转换过程的呢？下面我们深入到单相交流电动机的转动原理中去，探究一下这个好玩的工作过程，从学习中找到乐趣。

1.单相交流异步电动机的转动原理

将闭环的线圈（绕组）置于磁场中，交变的电流加到定子绕组中，它所形成的磁场是变化的，闭环的线圈受到磁场的作用会产生电流，如图4-8所示。

图4-8 闭环线圈感应电流的状态

将多个闭环的线圈（转子绕组）交错地置于磁场中，并安装到转子铁心中，就形成如图4-9所示的状态，当定子磁场旋转时，转子绕组受到磁场力也会随之旋转，这就是电动机的转动原理。

图4-9 电动机的转动原理

单相交流电是一种频率为50Hz的正弦交流电，如果电动机定子只有一个运行绕组，当单相交流电加到电动机的定子绕组时，定子绕组就会产生交变的磁场，该磁场的强弱和方向是随时间按正弦规律变化的，但在空间上是固定的。

图4-10 单相交流异步电动机定子交变磁场的分解

这个磁场可以分解为两个转矩相同、旋转方向相反的旋转磁场，如图4-10所示，当转子静止时，这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等，方向相反的转矩，合成转矩为零，所以转子无法转动。当外力使转子转动时，上述平衡就会打破，转子所受到的转矩不再为零，则会沿着驱动的方向旋转起来。

要使单相交流异步电动机能自动起动，通常是在电动机的定子上增加一个起动绕组，起动绕组与运行绕组在空间上相差90°。外加电源经电容器或电阻器接到起动绕组上，起动绕组的电流与运行绕组相差90°，这样在空间上相差90°的绕组，在外电源的作用下形成相差90°的电流，于是在空间上就形成了两相旋转磁场，如图4-11所示。在旋转磁场的作用下，转子就能自动起动，起动后当转子转速到达一定的值后，起动绕组可以断开，只有运行绕组工作，也可以不断开参与运行工作。而且，只要改变一下起动绕组的接头即可实现对转动方向的控制。

图4-11 单相交流电源与单相交流异步电动机合成磁场的方向

【资料】

前面所说的采用凸极式定了的单相异步电动机又称单相罩极式异步电动机，该类电动机的转动原理如图4-12所示。图4-13所示为其磁通的波形。

图4-12 单相罩极式异步电动机的转动原理

图4-13 单相罩极式异步电动机磁通的波形

2.单相交流异步电动机起动电路的工作原理

单相交流异步电动机起动电路的形式有多种，常用的主要有：电阻分相式起动；电容分相式起动；离心开关式起动；运行电容、起动电容、离心开关式起动；正反转切换式起动等。

（1）电阻分相式起动电路

电阻分相式起动电路是在单相交流异步电动机的起动绕组（辅助绕组）供电电路中设有起动电阻器，起动时电源经电阻器为起动绕组供电，在起动绕组与运行绕组的共同作用下产生起动转矩，使电动机旋转起来，如图4-14所示。

图4-14 典型电阻分相式起动电路

（2）电容分相式起动电路

电容分相式起动电路是在单相交流异步电动机的起动绕组（辅助绕组）供电电路中设有起动电容器，起动时电源经电容器为起动绕组供电，在起动绕组与运行绕组的共同作用下产生起动转矩，使电动机旋转起来，如图4-15所示。(www.xing528.com)

图4-15 典型电容分相式起动电路

图4-16 典型离心开关式起动电路

（3）离心开关式起动电路

离心开关式起动电路是指在单相交流异步电动机在起动电路中设有离心开关，如图4-16所示，当电动机静止和起动时离心开关是闭合的。

当接通电源时，电源同时为起动绕组和运行绕组供电，电动机起动，当电动机转速到达额定转速的70%～80%时，离心开关断开，起动电容器完成起动任务，起动绕组停止工作，只有运行绕组工作。图4-17所示为采用离心开关起动方式的电动机的运行状态。

图4-17 采用离心开关起动方式的电动机的运行状态

这种起动方式在要求输出功率大、稳定性不高的机床、切割机、压缩机等设备中常采用。

提问

在单相交流异步电动机起动电路中不设离心开关，仅提供起动电阻器和起动电容器进行起动，这种电路方式中起动绕组与运行绕组一样是一直工作的吗？在我们平时能够接触到的范围内，什么设备用到这种电路呢？

回答

若单相交流异步电动机的起动电路中未设离心开关，这种电路结构比较简单，起动电容或起动电阻在起动时起作用，在运行时也起作用，无须断开。这样还有助于提高单相交流异步电动机的功率因数。这种方式可用较小容量的电容器，但起动性稍差。一般来说，风扇电动机、洗衣机电动机等都采用这种起动方式。

（4）运行电容、起动电容、离心开关式起动电路

运行电容、起动电容、离心开关式起动电路采用了离心开关式、起动电容器和运行电容器相结合的电路，如图4-18所示。

当电动机起动时，交流电源经离心开关S和启动电容C₁为起动绕组供电，起动绕组与运行绕组形成旋转磁场，使电动机起动，起动后电动机转度到额定转速70%～80%时，离心开关断开，起动电容器不起作用，但运行电容器仍起作用，运行电容器和起动绕组都参与电动机的运行。

图4-18 典型运行电容、起动电容、离心开关式起动电路

图4-19所示为典型的运行电容、起动电容、离心开关式起动电路的工作原理。

图4-19 典型的运行电容、起动电容、离心开关式起动电路的工作原理

（5）正反转切换式起动电路

在前述的单相交流异步电动机起动电路中，如果将运行绕组或起动绕组的接头对调一下，即可实现单相交流异步电动机的正反转控制。

对于经常需要进行正反转切换的单相交流异步电动机，则需要设置一个正反转切换开关，将起动绕组和运行绕组互相转换一下即可，如图4-20所示。

图4-20 典型正反转切换起动电路