单相异步电动机的启动方法优化

从前面分析可以知道，单相异步电动机不能自行启动，而必须依靠外力来完成启动过程。单相异步电动机一旦启动，就可朝启动方向连续不断地运转下去。根据启动方式的不同，单相异步电动机可以分为许多不同的形式，常用的有：①罩极式电动机；②分相式电动机；③电容式电动机。下面将分别介绍这些电动机的特性及其启动方法等。

1.罩极式电动机

罩极式电动机的结构示意图如图3.42所示，定子上有凸出的磁极，主绕组就安置在这个磁极上。在磁极表面约1/3处开有一个凹槽，将磁极分成大、小两部分，在磁极小的部分套着一个短路铜环，将磁极的一部分罩了起来，称为罩极，它相当于一个辅助绕组。当定子绕组中接入单相交流电源后，磁极中将产生交变磁通，穿过短路铜环的磁通，在铜环内产生一个相位上滞后的感应电流。由于这个感应电流的作用，磁极被罩部分的磁通不但在大小上与未罩部分不同，而且在相位上也滞后于未罩部分的磁通。这两个在空间位置不一致，且在时间上又有一定相位差的交变磁通，就在电动机气隙中构成脉动变化的近似旋转磁场。这个旋转磁场切割转子后，就使转子绕组中产生感应电流。载有电流的转子绕组与定子旋转磁场相互作用，转子得到启动转矩，从而使转子由磁极未罩部分向被罩部分的方向旋转。

图3.42　罩极电动机的结构示意图

罩极式电动机也有将定子铁芯做成隐极式的，槽内除主绕组外，还嵌有一个匝数较少，与主绕组错开一个电角度，且自行短路的辅助绕组。

罩极电动机具有结构简单、制造方便、价格低廉、使用可靠、故障率低的特点，其主要缺点是效率低、启动转矩小、反转困难等。罩极电动机多用于轻载启动的负荷。罩极电动机可分为凸极式集中绕组罩极电动机和隐极式分布绕组罩极电动机两种。凸极式集中绕组罩极电动机常用于电风扇、电唱机，隐极式分布绕组罩极电动机则用于小型鼓风机、油泵中。

2.分相式电动机

单相分相式电动机又称为电阻启动异步电动机。它的结构简单，主要由定子、转子、离心开关三部分组成。转子为笼形结构，定子采用齿槽式，如图3.43所示。定子铁芯上面布置有两套绕组，运行用的主绕组使用较粗的导线绕制，启动用的辅助绕组用较细的导线绕制。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，这两套绕组在空间上相差90°。辅助绕组只在启动过程中接入电路，当电动机达到额定转速的70%～80%时，离心开关就将辅助绕组从电源电路断开，这时电动机进入正常运行状况。在启动时，为了使启动用的辅助绕组电流与运行用的主绕组电流在时间上产生相位差，通常用增大辅助绕组本身的电阻（如采用细导线），或在辅助绕组回路中串联电阻的方法来达到，即电阻分相式。

由于这两套绕组中的电阻与电抗分量不同，故电阻大、电抗小的辅助绕组中的电流，比主绕组中的电流先期达到最大值，因而在两套绕组之间出现了一定的相位差，形成了两相电流。结果就建立起了一个旋转磁场，转子就因电磁感应作用而旋转。

从前面内容可以知道，单相分相式电动机的启动依赖于定子铁芯上相差90°电角度的主、辅助绕组来完成。若要使主、辅助绕组间的相位差足够大，就要求辅助绕组选用细导线来增加电阻，因而辅助绕组导线的电流密度都比主绕组大，故辅助绕组只能短时工作。启动完毕后必须立即与电源切断，如超过一定时间，辅助绕组就可能因发热而烧毁。

单相分相式电动机的启动，可以用离心开关或多种类型的启动继电器去完成。图3.44所示为用离心开关启动的分相式电动机接线图。

图3.43　分相式电动机的定子示意图

1—主绕组；2—辅助绕组

图3.44　分相式电动机的接线图

图3.45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3.46所示为启动继电器原理图。继电器的衔铁线圈KA 串联在主绕组U1U2 回路中，启动时，主绕组中电流很大，使启动继电器衔铁被吸合，则串联在辅助绕组中Z1Z2 回路中的动合触点闭合，接通辅助绕组电路，电动机处于两组绕组工作状态而开始启动。随着转子转速上升，主绕组中的电流不断下降，衔铁线圈的吸力也随之下降，当达到一定的转速时，电磁铁的吸力小于KA 触点的反力弹簧的弹力，触点断开，电动机正常运行。

图3.45　离心开关的结构示意图

1、2、3—指形铜触片；4—弹簧；5—铜片

图3.46　启动继电器的原理图

分相电动机具有结构简单、价格低廉、故障率低、使用方便的特点。分相式电动机的启动转矩一般是满载转矩的两倍，因此它的应用范围很广，如小型车床、鼓风机、电冰箱、空调机的配套电动机等。

3.电容式电动机

单相电容式电动机可分为电容启动式电动机、电容运行式电动机、电容启动与运行式电动机三种形式。电容式电动机与同样功率的分相式电动机，在外形尺寸、定子铁芯、转子铁芯、绕组、机械结构等都基本相同，只是添加了1～2个电容器而已。

分相式电动机的定子有两套绕组，且在空间上相差90°，在启动时，接入在时间上具有不同相位的电流后，产生了一个近似的两相旋转磁场，从而使电动机转动。但在实际应用中，每套绕组的电阻和电抗不可能完全减少为零，所以两套绕组中电流90°相位差是不可能获得的。从实用出发，只要相位差足够大时，就能产生近似的两相旋转磁场，从而使转子转动起来。(www.xing528.com)

若在电动机的辅助绕组中串联一个电容器，它的电流在相位上就将比电路电压超前。将绕组和电容器容量适当设计，两套绕组相互就可以达到90°相位差的最佳状况，这样就改进了电动机的性能。但实际启动时，定子中的电流关系还随转子的转速而改变。因此，要使它们在这段时间内仍有90°的相位差，那么电容器电容量的大小就必须随转速和负载的改变而改变，显然这种办法是做不到的。由于这个原因，根据电动机所拖动负载的特性而将电动机进行适当设计，这样就有了三种形式的电容式电动机。

1）电容启动式电动机

如图3.47所示，电容器经过离心开关S接到启动用的辅助绕组，主、辅助绕组的出线U1、U2、V1、V2 接通电源，电动机开始运转。当转速达到额定转速的70%～80%时，离心开关动作，切断辅助绕组的电源。

在电容式电动机中，电容器一般装在机座顶上。由于电容器只在极短的几秒钟启动时间内才工作，故可采用电容量较大、价格较便宜的电解电容器，为加大启动转矩，其电容量可适当选大些。

2）电容运行式电动机

如图3.48所示，电容器与启动用辅助绕组中没有串接启动装置，因此电容器与辅助绕组将和主绕组一起长期运行在电源电路上。在这类电动机中，要求电容器能长期耐较高的电压，故必须使用价格较贵的纸介质或油浸纸介质电容器，不能采用电解电容器。

电容运行式电动机省去了启动装置，从而简化了电动机的整体结构，降低了成本，提高了运行可靠性。同时，由于辅助绕组也参与运行，这样就实际增加了电动机的输出功率。

图3.47　单相电容启动式电动机接线图

1—离心开关；2—辅助绕组；3—主绕组

图3.48　单相电容运行式电动机接线图

1—辅助绕组；2—主绕组

3）电容启动与运行式电动机

如图3.49所示，电容启动与运行式电动机兼有电容启动式电动机和电容运行式电动机两种电动机的特点。启动用辅助绕组经过运行电容C1 与电源接通，并经过离心开关S与容量较大的启动电容C2 并联。接通电源时，电容C1 和C2 都连接在启动用辅助绕组回路中。这时电动机开始启动，当转速达到额定转速的70%～80%时，离心开关S动作，将启动电容C2 从电源电路切除，而运行电容C1 仍留在电路中运行。

显然，这种电动机需要使用两个电容器，又要装启动装置，因而结构复杂，并且增加了成本。

在电容启动与运转式电动机中，也可以不用两个电容量不同的电容器，而用一个自耦变压器，如图3.50所示。启动时跨接电容器两端的电压增高，使电容器的有效容量比运转时大4～5倍。这种电动机用的离心开关S是双掷式的，电动机启动后，离心开关接至图示位置，降低了电容器的电压和等效电容量，以适应运行的需要。

图3.49　电容启动与运行式电动机接线图

1—辅助绕组；2—主绕组

图3.50　电容器和自耦变压器组合启动接线图

1—离心开关（双掷式）；2—辅助绕组；3—主绕组

单相电容式电动机三种类型的特性及用途如下。

（1）单相电容启动式电动机具有较高的启动转矩，一般为满载转矩的3～5倍，故能适用于满载启动的场合。由于它的电容器和辅助绕组只在启动时接入电路，所以它的运转与同样大小并有相同设计的分相式电动机的基本相同。单相电容启动式电动机多用于电冰箱、水泵、小型空气压缩机及其他需要满载启动的电器和机械。

（2）单相电容运行式电动机的启动转矩较低，但功率因数和效率均比较高。它体积小、质量轻、运行平稳、振动与噪声小、可反转、能调速，适用于直接与负载连接的场合。如电风扇、通风机、录音机及各种空载或轻载启动的机械，但不适于空载或轻载运行的负载。

（3）单相电容启动与运行式电动机具有较好的启动性能，较高的功率因数、效率和过载能力，可以调速，适用于带负载启动和要求低噪声的场合，如小型机床、泵、家用电器等。