单相异步电动机工作原理与应用

5.4　单相异步电动机

在工农业生产和日常生活中，单相异步电动机应用也很广泛，例如电钻、电风扇、洗衣机和电冰箱所用的电动机等。单相异步电动机的转子都是笼型，常用的有电容分相式异步电动机与罩极式异步电动机两种。

5.4.1　电容分相式异步电动机

电容分相式异步电动机结构示意和接线原理如图5-22所示。定子上有两个绕组U₁U₂和V₁V₂，它们在空间上相隔90°，在电路方面则并联于单相交流电源上。但是绕组V₁V₂的电路中还串联有电容器C，使该绕组中的电流i₂在相位上近似地超前U₁U₂绕组中的电流i₁90°，如图5-23所示。这样的两相电流分别通过在空间上相隔90°的两个绕组，也能产生旋转磁场，其原理如图5-24所示，在此旋转磁场作用下，笼型转子将顺着同一转向旋转。

这种单相异步电动机的反转，靠调换电容器C的串联位置来实现，电路如图5-25所示。闭合电源开关S1后，当转换开关S2同“1”端接通时，电容器C与V₁V₂绕组串联，i₂超前i₁90°，合成磁场的旋转方向为顺时针方向，即从V绕组转向U绕组。当开关S2转换到同“2”端接通时，电容器C变为与U₁U₂绕组串联，i₁将超前i₂90°，旋转磁场的转向就变为逆时针方向，即从U绕组转向V绕组，从而实现了电动机的反转。洗衣机电动机就是靠定时器中的自动转换开关来实现这种切换的。

5.4.2　罩极式异步电动机

罩极式异步电动机的结构如图5-26所示。它的定子做成凸极式，并有一条轴向的槽将磁极极掌分为大小不等的两部分，较小的那部分（俗称罩极）嵌有短路铜环，整个磁极的外面绕有励磁线圈。

当将励磁线圈接到交流电源上时，励磁电流产生的磁通穿过凸极极掌面的两个部分，穿过短路环的那部分磁通Φ₂与另一部分磁通Φ₁在空间位置上相差一个角度，如图5-27所示，在随时间变化的进程上，Φ₂又滞后于Φ₁一定的相角差，这是因为在交变磁通的作用下，短路环中产生了感应电流，该感应电流所产生的磁通势要反抗穿过短路环的磁通的变化，致使Φ₂的变化滞后于Φ₁的变化。这种在空间上相差一定角度，在时间上又有一定相位差的两部分磁通，合成效果与上述单相旋转磁场相似。因此，笼型转子要随着转动，旋转方向是从磁极不罩铜环的一侧转向罩有铜环的一侧。

一般风扇上所用的电动机就是这种罩极式单相异步电动机。单相异步电动机的优点是能在单相电源上使用，但它的效率和功率因数较低，过载能力又小，因此容量较小，一般只有几十或几百瓦。

本章小结

1.三相异步电动机由定子和转子两部分组成，这两部分之间由气隙隔开。按转子结构的不同，三相异步电动机分为鼠笼型异步电动机和绕线型异步电动机两种。鼠笼型结构简单，价格便宜，运行、维护方便，使用广泛。绕线型启动、调速性能好，但结构复杂，价格高。

2.异步电动机的转动原理是：首先，当三相定子绕组通入三相交流电流时，定子绕组中的电流产生旋转磁场；其次，旋转磁场切割转子绕组，在转子绕组中产生感应电动势（电流）使转子绕组成为带电导体，从而受电磁力作用而产生电磁力矩驱动转子转动。

转子转速n恒小于旋转磁场转速n1，即转差的存在是异步电动机工作的必要条件。

转差率

转子转向由三相电流相序决定，改变异步电动机的转向只有改变三相电源的相序。

3.电磁转矩的物理表达式T=K_TΦI₂cosφ₂，表明电磁转矩是由主磁通与转子电流的相互作用产生的。

电磁转矩的表达式

由此可描绘出电动机的机械特性曲线。

4.异步电动机的三个特征转矩：额定转矩、最大转矩和启动转矩。

（1）额定转矩，当PN一定时，具有相同功率的异步电动机，其电磁转矩近似与磁极对数P成正比，即磁极对数越多，其输出转矩越大。

（2）最大转矩，它决定了异步电动机的过载能力，。

（3）启动转矩，它反映了异步电动机的启动特性，

以上3个转矩是使用和选择异步电动机的依据。

5.异步电动机启动电流大而启动转矩小。对大容量的鼠笼型异步电动机，为限制启动电流，常用降压启动（Y-△换接启动、自耦补偿器），降压启动在限制启动电流的同时，也降低了本来就不大的启动转矩，故它只适用于空载或轻载启动。(www.xing528.com)

6.鼠笼型异步电动机的调速方式有：变极调速——属于有级调速，变频调速——属于无级调速。

7.铭牌是电动机的运行依据，其中额定功率是指在额定运行时电动机转子轴上输出的机械功率，只不过是用电功率的单位千瓦（kW）来表示，它并非是电动机从电网取用的电功率。额定电流、额定电压均指线电压和线电流。

8.合理选择电动机关系到生产机械安全运行和投资价值。可根据生产机械所需功率选择电动机容量，根据工作环境选择电动机的结构形式，根据生产机械队调速、启动的要求选择电动机的类型，根据生产机械的转速选择电动机的转速。

9.单相异步电动机的单相绕组通入单相正弦交流电流产生脉动磁场，脉动磁场本身没有启动转矩，故单相异步电动机的关键是解决启动转矩，常用的启动方法有分相启动和罩极启动。

练习题

1.如何使三相异步电动机反转?

2.三相异步电动机在一定负载转矩下运行，如电源电压降低，电动机的电磁转矩、电流和转速有何变化?

3.有一50Hz的异步电动机接到60Hz的电源下运行，设负载转矩不变，试分析同步转速、额定电流时的电动机转速、最大转矩、产生最大转矩时的转差率、启动转矩等该如何变化?

4.增大异步电动机的气隙对励磁电流、最大转矩和启动转矩有何影响?

5.三相异步电动机在正常运行时，如转子被突然卡住而不能转动，有何危险?为什么?

6.试说明三相异步电动机在s=0，0＜s＜1，s=1时分别处于什么运行状态?

7.三相异步电动机在电源电压一定时，若负载转矩增大，电动机的转子电流和定子电流将如何变化?

8.三相异步电动机在断了一根电源线后，为何不能启动?而在运行中断了一根电源线后却能继续运转，为什么?

9.Y180M-4型异步电动机额定技术数据如下：P_N=30kW,U_N=380V,f_N=50Hz,n_N=2940r/min，η_N=89.5%，cosφ=0.89，Y接法。试求：（1）定子相电流、线电流的额定值；（2）输入功率；（3）额定转差率。

10.一台三相异步电动机的电源频率为50Hz，额定转速n_N=1440r/min，试求额定负载运行时的转差率、转子电流频率和磁极对数。

11.一台六极三相异步电动机负载运行，电源频率为50Hz，转差率s=0.05，试求电动机的同步转速和实际转速。

12.Y250S-4型异步电动机，铭牌数据为：n_N=1470r/min,P_N=75kW,f_N=50Hz,U_N=380V,Y连接，I_ST/I_N=7.0，T_ST/T_N=2.0，η_N=0.92，T_m/T_N=2.2，cosφ=0.88，试求：（1）额定转矩T_N；（2）额定转差率s_N；（3）最大转矩T_m；（4）启动转矩T_ST；（5）直接启动电流I_ST。

13.Y280S-8型异步电动机的U_N=380V,P_N=55kW,f_N=50Hz,n_N=740r/min,T_ST=1277.6N·m,T_m=1419.6N·m，试求电动机的启动转矩倍数和过载系数。

14.一台三相异步电动机，额定功率5kW，额定电压380/220V，接法Y/△，额定转速1460r/min，额定功率因数0.86，额定效率0.88，试求定子绕组分别接成Y形和△形电动机额定运行时的输入功率、额定转矩、定子绕组电流。

15.一台三相异步电动机定子绕组△连接，额定功率15kW，额定电压380V,n_N=1450r/min,I_ST/I_N=6.0，额定电流52A,K_S=1.6。试求：（1）采用Y-△启动时的启动转矩和启动电流；（2）启动时负载转矩分别为额定转矩的60%和30%时，电动机能否启动?

16.一台四极三相异步电动机，△连接，P_N=25kW,U_N=380V,f_N=50Hz,s_N=0.03，η_N=0.9，I_ST/I_N=7.0，cosφ=0.85，K_S=1.5，要求电动机启动转矩为额定转矩的80%。试求：（1）自耦变压器的变比；（2）电动机的启动电流；（3）线路上的启动电流。

17.一台六极三相鼠笼式异步电动机，P_N=30kW,U_N=380V，△接法，f_N=50Hz,I_N=59A,cosφ_N=0.87，n_N=980r/min,I_ST/I_N=6.5，K_S=1.7，λ=2.0，启动时负载转矩T_L=170N·m，供电变压器要求I_ST＜165A。试求：（1）电动机能否直接启动?（2）电动机能否采用Y-△启动?（3）有抽头为80%、60%、40%的自耦变压器，可选用哪一抽头降压启动?

18.现有额定功率分别为40kW和50kW的两台三相异步电动机，其刨床加工工件时，须最大功率为25kW，刨床的加工效率η₁=0.65，传动机构效率η₂=0.85，试选择一台功率合适的电动机作为拖动电动机。