2.2　單相異步電動機的結構與工作原理

2.2.1　單相異步電動機的結構

如圖2-10所示，單相異步電動機的結構與小功率三相異步電動機相似，由機殼、轉子、定子、端蓋、軸承等部分組成，定子部分由機座、端蓋、軸承、定子鐵芯和定子繞組組成。

由于單相電動機種類不同，定子結構可分為凸極式及隱極式。凸極式主要應用于罩極式電動機，而分相式電動機主要應用隱極結構。

2.2.1.1 罩極電動機的定子

（1）凸極式罩極電動機的定子　如圖2-11所示。凸極式罩極電動機的定子是由凸出的磁極鐵芯和激磁主繞組線包以及罩極短路環組成的。這種電動機的主繞組線包都繞在每個凸出磁極的上面。每個磁極極掌的一端開有小槽，將一個短路環或者幾匝短路線圈嵌入小槽內，用其罩住磁極的1/3左右的極掌。這個短路環又稱為罩極圈。

（2）隱極式罩極電動機的定子　如圖2-12所示。

隱極式罩極電動機的定子由圓形定子鐵芯、主繞組以及短路繞組（短路線圈）組成，用硅鋼片疊成的隱極式罩極電動機的圓形定子鐵芯，上面有均勻分布的槽。有主繞組和短路繞組嵌在槽內。在定子鐵芯槽內分散嵌著隱極式罩極電動機的主繞組。它置于槽的底層有很多匝數。罩極短路線圈嵌在鐵芯槽的外層匝數較少，線徑較粗（常用1.5mm左右的高強度漆包線）。它嵌在鐵芯槽的外層。短路線圈只嵌在部分鐵芯定子槽內。

在嵌線時要特別注意兩套繞組的相對空間位置，主要是為了保證短路線圈有電流時產生的磁通在相位上滯后于主繞組磁通一定角度（一般約為45°），以便形成電動機的旋轉氣隙磁場，如圖2-13所示。

2.2.1.2 分相式單相電動機的定子（如圖2-13所示）

分相式單相電動機，雖然有電容分相式、電阻分相式、電感分相式三種形式，但是其定子結構、嵌線方法均相同。

分相式定子鐵芯一片片疊壓而成，且為圓形，內圓開成隱極槽；槽內嵌有主繞組和副繞組（啟動繞組），主、副繞組的相對位置相差90°。

【提示】　家用電器中的洗衣機電動機主繞組與副繞組匝數、線徑、在定子腔內分布、占的槽數均相同。主繞組與副繞組在空間互相差90°電角度。電風扇電動機和電冰箱電動機的主繞組和副繞組匝數、線徑及占的槽數都不相同。但是主繞組與副繞組在空間的相對位置互相也差90°電角度。

2.2.1.3 單相異步電動機的轉子（如圖2-14所示）

轉子是電動機的旋轉部分，它是由電機軸、轉子鐵芯以及鼠籠組成。

單相異步電動機大多采用斜槽式鼠籠轉子，主要是為了改善啟動性能。轉子的鼠籠導條兩端，一般相差一個定子齒距。鼠籠導條和端環多采用鋁材料一次鑄造成形。鼠籠端環的作用是將多條鼠籠導條并接起來，形成環路，以便在導條產生感應電動勢時，能夠在導條內部形成感應電流。電動機的轉子鐵芯為硅鋼片沖壓成形后，再疊制而成。這種鼠籠式轉子結構比較簡單，不僅造價低，而且運行可靠；因此應用十分廣泛。

2.2.1.4 其他

電動機除定、轉子外，風扇及風扇罩，還有外殼、端蓋，由鑄鐵（或鋁合金）制成，用來固定定、轉子，并在端蓋加裝軸承，裝配好后電機軸伸在外邊，這樣電機通電可旋轉。

電動機裝配好之后，在定、轉子之間有0.2～0.5mm的工作間隙，產生旋轉磁場使轉子旋轉。

（1）機座　機座結構隨電動機冷卻方式、防護型式、安裝方式和用途而異。按其材料分類，有鑄鐵、鑄鋁和鋼板結構等幾種。

鑄鐵機座，帶有散熱筋。機座與端蓋連接，用螺栓緊固。鑄鋁機座一般不帶有散熱筋。鋼板結構機座，是由厚為1.5～2.5mm的薄鋼板卷制、焊接而成，再焊上鋼板沖壓件的底腳。

【提示】　有的專用電動機的機座相當特殊，如電冰箱的電動機，它通常與壓縮機一起裝在一個密封的罐子里。而洗衣機的電動機，包括甩干機的電動機，均無機座，端蓋直接固定在定子鐵芯上。

（2）鐵芯　鐵芯由磁鋼片沖槽疊壓而成，槽內嵌裝兩套互隔90°電角度的主繞組（運行繞組）和副繞組（啟動繞組）。

鐵芯包括定子鐵芯和轉子鐵芯，作用與三相異步電動機一樣，用來構成電動機的磁路。

（3）端蓋　相應于不同的機座材料，端蓋也有鑄鐵件、鑄鋁件和鋼板沖壓件。

（4）軸承　軸承是支撐轉子的重量，傳遞轉矩，輸出機械功率的主要部件。軸承有滾珠軸承和含油軸承。

2.2.2　單相異步電動機的工作原理

單相異步電動機只有一個繞組，轉子是鼠籠式的。當單相正弦電流通過定子繞組時，電動機就會產生一個交變磁場，這個磁場的強弱和方向隨時間作正弦規律變化，但在空間方位上是固定的，所以又稱這個磁場是交變脈動磁場。當電流正半周時磁場方向垂直向上［如圖2-15（a）所示］，當電流負半周時磁場方向垂直向下［如圖2-15（b）所示］。這個交變脈動磁場可分解為兩個大小一樣、轉速相同、旋轉方向互為相反的旋轉磁場，當轉子靜止時，這兩個旋轉磁場在轉子中產生兩個大小相等、方向相反的轉矩，使得合成轉矩為零，所以電動機無法旋轉。當我們用外力使電動機向某一方向旋轉時（如順時針方向旋轉），轉子與順時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變小；轉子與逆時針旋轉方向的旋轉磁場間的切割磁力線運動變大。這樣平衡就打破了，轉子所產生的總的電磁轉矩將不再是零，轉子將順著推動方向旋轉起來。

通過上述分析可知：單相異步電動機轉動的關鍵是產生一個啟動轉矩，各種單相異步電動機產生啟動轉矩的方法也不同。

要使單相電動機能自動旋轉起來，可在定子中加上一個副繞組，副繞組與主繞組在空間上相差90°，副繞組要串接一個合適的電容，使得與主繞組的電流在相位上近似相差90°的空間角，即所謂的分相原理。這樣兩個在時間上相差90°的電流通入兩個在空間上相差90°的繞組，將會在空間上產生（兩相）旋轉磁場，如圖2-16所示。

在這個旋轉磁場作用下，轉子就能自動啟動，啟動后，待轉速升到一定時，借助于一個安裝在轉子上的離心開關或其他自動控制裝置將啟動繞組斷開，正常工作時只有主繞組工作。因此，啟動繞組可以做成短時工作方式。但有很多時候，啟動繞組并不斷開，我們稱這種電動機為電容式單相電動機，要改變這種電動機的轉向，可由改變電容器串接的位置來實現。

在單相電動機中，產生旋轉磁場的另一種方法稱為罩極法，又稱單相罩極式電動機。此種電動機定子做成凸極式的，有兩極和四極兩種。每個磁極在1/4-1/4全極面處開有小槽，把磁極分成兩個部分，在小的部分上套裝上一個短路銅環，好像把這部分磁極罩起來一樣，所以叫罩極式電動機。單相繞組套裝在整個磁極上，每個極的線圈是串聯的，連接時必須使其產生的極性依次按N、S、N、S排列。當定子繞組通電后，在磁極中產生主磁通，根據楞次定律，其中穿過短路銅環的主磁通在銅環內產生一個在相位上滯后90°的感應電流，此電流產生的磁通在相位上也滯后于主磁通，它的作用與電容式電動機的啟動繞組相當，從而產生旋轉磁場使電動機轉動起來。