5.2　單相異步電動(dòng)機(jī)

5.2.1　單相異步電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動(dòng)機(jī)一般由機(jī)殼、定子、轉(zhuǎn)子、端蓋、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等組成，有的單相異步電動(dòng)機(jī)還具有啟動(dòng)元件。

（1）定子

定子由定子鐵芯和定子繞組組成。單相異步電動(dòng)機(jī)的定子結(jié)構(gòu)有兩種形式，大部分單相異步電動(dòng)機(jī)采用與三相異步電動(dòng)機(jī)相似的結(jié)構(gòu)，也是用硅鋼片疊壓而成的。但在定子鐵芯槽內(nèi)嵌放有兩套繞組：一套是主繞組，又稱(chēng)工作繞組或運(yùn)行繞組；另一套是副繞組，又稱(chēng)啟動(dòng)繞組或輔助繞組。兩套繞組的軸線在空間上應(yīng)相差一定的電角度。容量較小的單相異步電動(dòng)機(jī)，有的則將其鐵芯制成凸極形狀的，如圖5-13所示。磁極的一部分被短路環(huán)罩住。凸極上放置主繞組，短路環(huán)為副繞組。

（2）轉(zhuǎn)子

單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子與籠型三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相同。

（3）啟動(dòng)元件

單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)元件串聯(lián)在啟動(dòng)繞組（副繞組）中，啟動(dòng)元件的作用是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完畢后，切斷啟動(dòng)繞組的電源。常用的啟動(dòng)元件有以下幾種：

①離心開(kāi)關(guān)。離心開(kāi)關(guān)位于電動(dòng)機(jī)端蓋的里面，它包括靜止和旋轉(zhuǎn)兩部分。其旋轉(zhuǎn)部分安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，它的3個(gè)指形銅觸片（稱(chēng)動(dòng)觸點(diǎn)）受彈簧的拉力緊壓在靜止部分上，如圖5-14（a）所示。靜止部分是由兩個(gè)半圓形銅環(huán)（稱(chēng)靜觸點(diǎn)）組成的，這兩個(gè)半圓形銅環(huán)中間用絕緣材料隔開(kāi)，它裝在電動(dòng)機(jī)的前端蓋內(nèi)，其結(jié)構(gòu)如圖5-14（b）所示。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)，無(wú)論旋轉(zhuǎn)部分在什么位置，總有一個(gè)銅觸片與靜止部分的兩個(gè)半圓形銅環(huán)同時(shí)接觸，使啟動(dòng)繞組接入電動(dòng)機(jī)電路。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的70%～80%時(shí)，離心力克服彈簧的拉力，使動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)脫離接觸，使啟動(dòng)繞組斷電。

②啟動(dòng)繼電器。啟動(dòng)繼電器是利用流過(guò)繼電器線圈的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大小的變化，使繼電器動(dòng)作，將觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)，從而達(dá)到接通或切斷啟動(dòng)繞組電源的目的。

5.2.2　單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理

單相異步電動(dòng)機(jī)的工作原理：在單相異步電動(dòng)機(jī)的主繞組中通入單相正弦交流電后，將在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生一個(gè)脈振磁場(chǎng)，也就是說(shuō)，磁場(chǎng)的位置固定（位于主繞組的軸線），而磁場(chǎng)的強(qiáng)弱卻按正弦規(guī)律變化。

如果只接通單相異步電動(dòng)機(jī)主繞組的電源，電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)。但如能加一外力預(yù)先推動(dòng)轉(zhuǎn)子朝任意方向旋轉(zhuǎn)起來(lái)，則將主繞組接通電源后，電動(dòng)機(jī)即可朝該方向旋轉(zhuǎn)，即使去掉了外力，電動(dòng)機(jī)仍能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，并能帶動(dòng)一定的機(jī)械負(fù)載。單相異步電動(dòng)機(jī)為什么會(huì)有這樣的特征呢？下面用雙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論來(lái)解釋。

雙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)理論認(rèn)為：脈振磁場(chǎng)可以認(rèn)為是由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)合成的，這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的幅值大小相等（等于脈振磁動(dòng)勢(shì)幅值的1/2），同步轉(zhuǎn)速相同（當(dāng)電源頻率為f，電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)為p時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，但旋轉(zhuǎn)方向相反。其中與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相同的磁場(chǎng)稱(chēng)為正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的磁場(chǎng)稱(chēng)為反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（又稱(chēng)逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）。

單相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，可以認(rèn)為是分別由這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩合成的結(jié)果。

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子靜止時(shí)，由于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反，因此它們與轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度大小相等、方向相反，所以在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流大小相等、方向相反，它們分別產(chǎn)生的正向電磁轉(zhuǎn)矩與反向電磁轉(zhuǎn)矩也大小相等、方向相反，相互抵消，于是合成轉(zhuǎn)矩等于零。單相異步電動(dòng)機(jī)不能夠自行啟動(dòng)。

如果借助外力，沿某一方向推動(dòng)轉(zhuǎn)子一下，單相異步電動(dòng)機(jī)就會(huì)沿著這個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這是為什么呢？因?yàn)榧偃缤饬κ罐D(zhuǎn)子順著正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，將使轉(zhuǎn)子與正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度減小，而與反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度加大。由于兩個(gè)相對(duì)速度不等，因此兩個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩也不相等，正向電磁轉(zhuǎn)矩大于反向電磁轉(zhuǎn)矩，合成轉(zhuǎn)矩不等于零，在這個(gè)合成轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子就順著初始推動(dòng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。

為了使單相異步電動(dòng)機(jī)能夠自行啟動(dòng)，一般是在啟動(dòng)時(shí)，先使定子產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，或使它能增強(qiáng)正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，削弱反向磁場(chǎng)，由此產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為此，人們采取了幾種不同的措施，如在單相異步電動(dòng)機(jī)中設(shè)置啟動(dòng)繞組（副繞組）。主、副繞組在空間一般相差90°電角度。當(dāng)設(shè)法使主、副繞組中流過(guò)不同相位的電流時(shí)，可以產(chǎn)生兩相旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而達(dá)到單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的目的。當(dāng)主、副繞組在空間相差90°電角度，并且主、副繞組中的電流相位差也為90°時(shí)，可以產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，單相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能和運(yùn)行性能最好。否則，將產(chǎn)生橢圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能和運(yùn)行性能較差。

5.2.3　單相異步電動(dòng)機(jī)的基本類(lèi)型

單相異步電動(dòng)機(jī)最常用的分類(lèi)方法：按啟動(dòng)方法進(jìn)行分類(lèi)。不同類(lèi)型的單相異步電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法也不同，常見(jiàn)的有以下幾種：①單相電容分相啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)；②單相電阻分相啟動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)；③單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)；④單相電容啟動(dòng)與運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)；⑤單相罩極式異步電動(dòng)機(jī)。

常用單相異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和典型應(yīng)用見(jiàn)表5-3。

表5-3中的前4種電動(dòng)機(jī)都具有兩個(gè)空間位置上相差90°電角度的繞組，并且用電容或電阻使兩個(gè)繞組中的電流之間產(chǎn)生相位差，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，所以統(tǒng)稱(chēng)為分相式單相異步電動(dòng)機(jī)。

5.2.4　單相異步電動(dòng)機(jī)的使用與維護(hù)

（1）改變分相式單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法

分相式單相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與主、副繞組中電流的相位有關(guān)，由具有超前電流的繞組的軸線轉(zhuǎn)向具有滯后電流的繞組的軸線。如果需要改變分相式單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，可把主、副繞組中任意一套繞組的首尾端對(duì)調(diào)一下，接到電源上即可，如圖5-15所示。

（2）改變罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的方法

罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向是從磁通領(lǐng)先相繞組的軸線（Ф_U的軸線）轉(zhuǎn)向磁通落后相繞組的軸線（Ф_V的軸線），這也就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。在罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)中，磁通Ф_U永遠(yuǎn)領(lǐng)先磁通Ф_V，因此，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向總是從磁極的未罩部分轉(zhuǎn)向被罩部分，即使改變電源的接線，也不能改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。如果需要改變罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，則需要把電動(dòng)機(jī)拆開(kāi)，將電動(dòng)機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子反向安裝，才可以改變其旋轉(zhuǎn)方向，如圖5-16所示。

（3）單相異步電動(dòng)機(jī)使用注意事項(xiàng)

單相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與維護(hù)和三相異步電動(dòng)機(jī)基本相似，但是，單相異步電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上有它的特殊性：有啟動(dòng)裝置，包括離心開(kāi)關(guān)或啟動(dòng)繼電器；有啟動(dòng)繞組及電容器；電動(dòng)機(jī)的功率小，定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙小。如果這些部件發(fā)生了故障，必須及時(shí)進(jìn)行檢修。

使用單相異步電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

①改變分相式單相異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到離心開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)閉合后，再改變電動(dòng)機(jī)的接線。

②單相異步電動(dòng)機(jī)接線時(shí)，應(yīng)正確區(qū)分主、副繞組，并注意它們的首尾端。若繞組出線端的標(biāo)志已脫落，電阻大的繞組一般為副繞組。

③更換電容器時(shí)，應(yīng)注意電容器的型號(hào)、電容量和工作電壓，使之與原規(guī)格相符。

④拆裝離心開(kāi)關(guān)時(shí)，用力不能過(guò)猛，以免離心開(kāi)關(guān)失靈或損壞。

⑤離心開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)板與后端蓋必須緊固，開(kāi)關(guān)板與定子繞組的引線焊接必須可靠。

⑥緊固后端蓋時(shí)，應(yīng)注意避免后端蓋的止口將離心開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)板與定子繞組連接的引線切斷。

（4）離心開(kāi)關(guān)的檢修

單相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組大多數(shù)故障的檢查和修理與籠型三相異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)似，這里僅介紹單相異步電動(dòng)機(jī)特有的離心開(kāi)關(guān)和電容器的檢修。

①離心開(kāi)關(guān)短路的檢修　離心開(kāi)關(guān)發(fā)生短路故障后，當(dāng)單相異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，離心開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)不能切斷副繞組與電源的連接，將會(huì)使副繞組發(fā)熱燒毀。

造成離心開(kāi)關(guān)短路的原因，可能是機(jī)械構(gòu)件磨損、變形；動(dòng)、靜觸點(diǎn)燒熔粘接；簧片式開(kāi)關(guān)的簧片過(guò)熱失效、彈簧過(guò)硬；甩臂式開(kāi)關(guān)的銅環(huán)極間絕緣擊穿以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速的80%等。

對(duì)于離心開(kāi)關(guān)短路故障的檢查，可采用在副繞組線路中串入電流表的方法。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)如副繞組中仍有電流通過(guò)，則說(shuō)明離心開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)失靈而未斷開(kāi)，這時(shí)應(yīng)查明原因，對(duì)癥修理。

②離心開(kāi)關(guān)斷路的檢修　離心開(kāi)關(guān)發(fā)生斷路故障后，當(dāng)單相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，離心開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)不能閉合，所以不能將電源接入副繞組，電動(dòng)機(jī)將無(wú)法啟動(dòng)。

造成離心開(kāi)關(guān)斷路的原因，可能是觸點(diǎn)簧片過(guò)熱失效、觸點(diǎn)燒壞脫落，彈簧失效以致無(wú)足夠張力使觸點(diǎn)閉合，機(jī)械機(jī)構(gòu)卡死，動(dòng)、靜觸點(diǎn)接觸不良，接線螺釘松動(dòng)或脫落，以及觸點(diǎn)絕緣板斷裂等。

對(duì)于離心開(kāi)關(guān)斷路故障的檢查，可采用電阻法，即用萬(wàn)用表的電阻擋測(cè)量副繞組引出線兩端的電阻。正常時(shí)副繞組的電阻一般為幾百歐左右，如果測(cè)量的電阻值很大，則說(shuō)明啟動(dòng)回路有斷路故障。若進(jìn)一步檢查，可以拆開(kāi)端蓋，直接測(cè)量副繞組的電阻，如果電阻值正常，則說(shuō)明離心開(kāi)關(guān)發(fā)生斷路故障。此時(shí)，應(yīng)查明原因，找出故障點(diǎn)予以修復(fù)。

（5）電容器的使用與檢修

①電容器的常見(jiàn)故障及其可能原因

a.過(guò)電壓擊穿。 電動(dòng)機(jī)如果長(zhǎng)期在超過(guò)額定電壓的情況下工作，將會(huì)使電容器的絕緣介質(zhì)被擊穿而造成短路或斷路。

b.電容器斷路。 電容器經(jīng)長(zhǎng)期使用或保管不當(dāng)，致使引線、引線端頭等受潮腐蝕、霉?fàn)€，引起接觸不良或斷路。

②電容器常見(jiàn)故障的檢查方法　通常用萬(wàn)用表電阻擋可檢查電容器是否擊穿或斷路（開(kāi)路）。將萬(wàn)用表?yè)苤?i>R×10kΩ或R×1kΩ擋，先用導(dǎo)線或其他金屬短接電容器兩接線端進(jìn)行放電，再用萬(wàn)用表兩支筆接電容器兩出線端。根據(jù)萬(wàn)用表指針擺動(dòng)可進(jìn)行判斷：

a.指針先大幅度擺向電阻零位，然后慢慢返回?cái)?shù)百千歐位置，則說(shuō)明電容器完好。

b.若指針不動(dòng)，則說(shuō)明電容器已斷路（開(kāi)路）。

c.若指針擺到電阻零位不返回，則說(shuō)明電容器內(nèi)部已擊穿短路。

d.若指針擺到某較小阻值處，不再返回，則說(shuō)明電容器泄漏電流較大。

5.2.5　單相異步電動(dòng)機(jī)常見(jiàn)故障及其排除方法

①分相式單相異步電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障及其排除方法見(jiàn)表5-4。

②罩極式單相異步電動(dòng)機(jī)的常見(jiàn)故障及其排除方法見(jiàn)表5-5。