单相异步电机的原理 浅谈单相异步电机故障分析

　　本文主要是关于单相异步电机的相关介绍，并着重对单相异步电机的工作原理及其故障进行了详尽的阐述。

　　单相异步电机

　　采用单相交流电源的异步电动机称为单相异步电动机。单相异步电动机由于只需要单相交流电，故使用方便、应用广泛，并且有结构简单、成本低廉、噪声小、对无线电系统干扰小等优点，因而常用在功率不大的家用电器和小型动力机械中，如电风扇、洗衣机、电冰箱、空调、抽油烟机、电钻、医疗器械、小型风机及家用水泵等。由于中国的单相电压是220V，而国外的单相电压如美国120V、日本100V、德国英国法国230V，所以在使用国外的单相异步电动机时需要注意电机的额定电压与电源电压是否相同。

　　单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。单相异步电动机常常被制成小型的电机设备，它的电机容量很小，只需要用单相的交流电源供电，作为驱动用电机，单相异步电动机的功率仅需几瓦、几十瓦或者几百瓦。

　　单相异步电动机功率小，主要制成小型电机。它的应用非常广泛，如家用电器（洗衣机、电冰箱、电风扇）、电动工具（如手电钻）、医用器械、自动化仪表等。

　　安装

　　电动机安装前应测量定子绕组对机壳及主绕组与辅绕组之间的绝缘电阻，其常温阻值不低于10MΩ，否则应对绕组进行烘干助理，可采用灯泡加热法。

　　电动机的轴伸直径出厂时已经磨至标准公差尺寸，因此要求用户所配套的带轮或其他配套的零件内径要选国家标准的附件。安装时用手推入或轻轻敲击轴伸台即可，严禁用锤子猛击，否则容易振碎离心开关，造成电动机不能起动、损坏轴承、增大电动机的运行噪声。

　　电动机在安装至配套机械之前，要仔细检查电动机的底脚部分有无裂纹和影响机械强度等问题，一旦发现有问题，禁止安装使用。电动机要安装在带固定孔的平板上，并用同底脚孔相适应的螺栓固定。

　　为确保安全，在电动机运行前，务必把接地导线连接到电动机的接地螺钉上，并可靠接地，接地线应选用截面积不小于1m㎡的铜导线。

　　用是时间继电器代替离心开关。

　　单相异步电动机使用的离心开关属于机械式开关，当电动机的转速达到额定转速的70%以上时，触点断开让辅绕组（起动绕组）断开或让起动电容断开不参加工作。当离心开关损坏或农村电压较低经常烧毁起动电容时，可改用延时继电器（220V型）来代替离心开关。方法是将电动机内部离心开关上的两根线接在一起，在机外串入延时继电器的常闭触点（为了让触点耐用，需将多组触点并联使用或再增加中间继电器）。时间继电器的线圈的供电可与主绕组并联来实现，动作时间调在2~6s。经多次实践，效果很好，在农村电压较低时也能避免烧毁起动电容的情况，用户很满意。

　　实践继电器有机械式和数字式两种产品，选用哪种产品都行。大多采用机械式延时继电器，因价格便宜，用户容易接受。

　　单相异步电机的原理

　　单相异步电动机是由单相交流电源供电的旋转电机 ，其定子绕组为单相。当接入单相交流电时 ，它在定转子气隙中会产生一交变脉动磁场 ，所以单相异步电动机不能自启动。 ［2］ 在交流电机中，当定子绕组通过交流电流时，建立了电枢磁动势，它对电机能量转换和运行性能都有很大影响。所以单相交流绕组通入单相交流产生脉振磁动势，该磁动势可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁动势和，从而在气隙中建立正转和反转磁场和。这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流 。

　　该电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩。正向电磁转矩企图使转子正转；反向电磁转矩企图使转子反转。这两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩。

　　不论是正转磁场还是反转磁场，他们的大小与转差率的关系和三相异步电动机的情况是一样的。若电动机的转速是n，

　　则对正转磁场而言，转差率为：s+=（n1-n）/n1=s

　　对反转磁场而言，转差率为：s-=（-n1-n）/-n1=s

　　单相异步电动机的T-s曲线见左图

　　由图可知单相异步电动机的主要特点有：

　　（1）n=0，s=1，T=T++ T- =0，说明单相异步电动机无启动转矩，如不采取其他措施，电动机不能启动。

　　（2）当s≠1时， T≠0，T无固定方向，它取决于s的正、负。

　　（3）由于反向转矩存在，使合成转矩也随之减小，故单相异步电动机的过载能力较低。

　　电容分相式起动工作原理

　　启动时开关K闭合，使两绕组电流I1，I2相位差约为90°，从而产生旋转磁场，电机转起来；转动正

　　常以后离心开关被甩开，启动绕组被切断。

　　罩极式单相电机的工作原理

　　定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场，使转子转起来。

　　上图中电机的转动方向：瞬时针旋转。因为没有短路环部分的磁通比有短路环部分的磁通领先。

　　单相电机启动和运行原理图解

　　启动原理：当单相正弦电流通过定子绕组时，电机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转 。..

　　启动原理：当单相正弦电流通过定子绕组时，电机就会产生一个交变磁场，这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化，但在空间方位上是固定的，所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场，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，使得合成转矩为零，所以电机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时（如顺时针方向旋转），这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小；转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了，转子所产生的总的电磁转矩将不再是零，转子将顺着推动方向旋转起来。

　　单相电不能产生旋转磁场。要使单相电动机能自动旋转起来，可在定子中加上一个起动绕组，起动绕组与主绕组在空间上相差90度，起动绕组要串接一个合适的电容，使得与主绕组的电流在相位上相差90度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组，将会在空间上产生（两相）旋转磁场，在这个旋转磁场作用下，转子就能自行启动旋转起来 。

　　

　　它有两个绕组，一般主绕组线径较大一点，还有一个启动绕组（副绕组），启动绕组串联一个电容器，是它的电压迟后电流90度，这样两组绕组得到不同的磁场，形成了旋转磁场，电动机就转起来了。

　　以分相起动式为例，简单说一下，如图1所示，系由辅助起动绕组来辅助启动，其起动转矩不大。运转速率大致保持定值。主要应用于电风扇，空调风扇电动机，洗衣机等电机。

　　单相电容运转异步电机工作原理及故障分析

　　可见对称两相绕组通入对称两相电流产生的旋转磁势与三相电机产生旋转磁势一样。其旋转速度与电源频率和电机极数有关：即n＝2×60f/p，

　　其中“f”—电源频率（Hz）

　　“p”—电机极对数

　　“n”—磁场旋转转速，即电机同步转速（r/min）

　　当电机中磁场以n速度旋转时，处于旋转磁场中的转子导条就会切割磁力线而产生感应电势和感应电流，感应电流在磁场的作用下产生电磁力和电磁力矩，行成一定的转速n’。一般情况下电机转速n’不等于旋转磁场转速n。因为n’= n时，转子导条相对旋转磁场是静止的，导条中就不会产生感应电势和感应电流，电机就不会产生电磁力矩，电机转速就会自然下降。因转子速度始终低于旋转磁场速度，故称此种电机为“单相异步电动机”。

　　四、电容运转单相异步电动机

　　前面讲到，单相绕组产生的是一个脉振磁势，因此单相电机的启动转矩为零，即电机不能自行启动，要使单相电机能够自行启动，就必须如同三相异步电机一样，在电机内部产生一个旋转磁场。产生旋转磁场最简单的方法是在两相绕组中通入相位不同的两相电流。因此在单相异步电机中必须有两套绕组，一套为工作绕组，另一套为副绕组或启动绕组，工作绕组或主绕组M与副绕组A的轴线在空间相隔90°电角度，副绕组串联一个适当的电容C（电容选配不当会使电机系统变差，如片面增大或减小电容量，负序磁场可能加强，使输出功率减小性能变坏，磁场可能会由圆形或近似圆形变为椭圆形）再与工作绕组并接于电源。由于副绕组串联了电容，所以副绕组中的电流在相位上超前于主绕组电流，这样由单相电流分解成具有时间相位差的两相电流M 和A（也就是事实上的两相电流），因而电机的两相绕组就能产生圆形或椭圆形的旋转磁场。

　　由于大多数情况下两相绕组总是不对称的，谐波分量较多，因此单相异步电机的性能总要比三相异步电机差得多。谐波对电机的影响主要有以下三个方面：

　　1、使电机的附加损耗增加；

　　2、引起电机振动并产生噪音；

　　3、产生附加转矩，使电机的启动发生困难（某些位置较大、某些位置又较小、某些位置干脆就不能启动，削弱办法之一，就是采用斜槽转子。这就是我们看到的转子槽是斜的原因之一）

　　六、电机的调速方法及原理

　　作为单相异步电动机其调速方法有三种：

　　（1）变极调速；

　　（2）降压调速；

　　（3）抽头调速。

　　变极调速（简介）

　　在单相电机中，有倍极调速和非倍极调速之分。倍极调速电机一般定子上只有一套绕组，用改变绕组端部联接方法获得不同的极对数以达到调整旋转磁场的转速。在极数比较大的变极调速中，定子槽中安放两套不同极数的独立绕组，实际上相当于两台不同极数的单速电机的组合，其原理和性能与一般单相异步电机一样

　　降压调速

　　降压调速方法很多，如串联电抗器（吊扇）、串联电容、自耦变压器和串连可控硅调压调速。空调中最常用的调压调速是可控硅（塑封）调压调速。

　　可控硅调速是改变可控硅导通角的方法，改变电动机端电压的波形，从而改变了电动机的端电压的有效值。可控硅导通角α1=180°时，电机端电压为额定值，α1＜180°时电压波形如下图实线部分，电机端电压有效值小于额定值，α1越小，电压越低，如下图：

　　塑封PG电机就是可控硅降压调速。对于塑封PG电机，其绕组工作原理与抽头电机一致，但不同之处在于塑封PG电机的输入电压不是直接接到电源上的，而是通过电控的输出端施加电压于电机上的，其电控的输出电压是可调节的。其电气原理图见图3，调速是利用电机输出转矩与电机输入电压成近似一次关系，通过改变电机输入电压来改变电机的输出转矩，起到调节电机转速的作用，其原理如下图示：

　　该结构是在电机的轴上装有一个磁环，它一般有6极磁环及2极磁环2种。当电机转子旋转一圈时，磁环也旋转一圈，磁环与PG板中的霍尔元件相感应，6极磁环会在PG板的OUTPUT（白）脚中输出3个脉冲，2极磁环会输出1个脉冲，这样根据输出脉冲的数量就可以知道电机的转速。在电控中设定有预定的转速值，将它与从PG块中采样取得的转速值相比较，当转速偏低时，则提高电控的输出电压（可控硅导通角变大），当转速偏高时，则降低电控的输出电压（可控硅导通角变小），这样通过PG信号的反馈调节电控输出电压就实现了对电机的平滑调速。由于电控的输出电压不会高于其输入电压，因此在电机设计时要保证电机达到高风档的转速时其电控的电压不高于工作的额定电压。如我国额定电压为220VAC，则设计时的电控电压一般设计为180VAC~200VAC左右。此参数值设定太低则造成电机材料浪费，且电控若损坏击穿后电机直通市网电压，其电机温升会较高；若此参数值设定过高则会造成市网电压降低时，有可能达不到设定的额定转速，影响空调的能力

　　抽头调速（重点）

　　电容运转电动机在调速范围不大时，普遍采用定子绕组抽头调速。此时定子槽中放置有主绕组、副绕组及调速绕组，通过改变调速绕组与主、副绕组的联接方式，调整气隙磁场大小及椭圆度来实现调速的目的。

　　一般电容运转单相电机，主绕组与副绕组嵌在不同的槽中，绕组与铁芯间由聚酯纤维无纺布（DMDM或DMD）隔开，其在空间一般相差90度电角度，且副绕组通过串联一个工作电容器后与主绕组并接于电源。当电机通电后，主绕组与副绕组在气隙中共同形成一个有方向有幅值强度的旋转磁场。其方向与主、副绕组所处的空间位置等有关，它决定了电机的转向；其幅值强度则与主副绕组的参数设计有关，它决定了电机输出力矩的大小。该旋转磁场与转子鼠笼转子相互作用，使电动机按一定的方向旋转。若调换主副绕组的空间位置，则旋转磁场的旋转方向会相反，该反方向的旋转磁场与转子相互作用，使电动机的转向也会相反。

　　抽头调速可分为T型抽头调速和L型抽头调速。L型抽头调速又可分为主绕组抽头L-1型和副绕组抽头L-2型。目前最常用的是T型抽头调速和副绕组抽头L-2型调速。原理线路图见下

　　

　　T型抽头调速优点：中、低档运行绕组温升低；缺点：电机高档效率低，主绕组易形成匝间短路（见企业技术标准13设计案例的DC03.043-001“YDK29-8E电机匝间短路案例分析”）。

　　L型抽头调速优点：电机高档效力高，绕组不易形成匝间短路；缺点：中、低档运行绕组温升高。

　　不论哪种调速，都各有优缺点，选用哪种除要考虑设计时要达到哪个结果，还要考虑电机的经济性，一般L型较经济）。

　　七、电动机主要参数介绍

　　A） 空载输入电流：是指电机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行（轴上输出功率为零）情况下，流入电动机的电流称为空载电流。单位：A或mA。

　　B）空载输入功率：是指电机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容下、空载运行（轴上输出功率为零）情况下，输入电动机的功率。这部分功率消耗主要表现在磁场储能，定、转子绕组铜耗和铝耗，交变磁通在铁芯损耗，通风、轴承磨擦产生机械损耗。单位：W（瓦）

　　C）负载输入电流：是指电动机在额定工作电压、额定电源频率、额定电容、带额定负载运行在额定转速下，所输入电机的电流。单位：A或mA。

　　D）额定负载输出功率：是指电动机在额定电压、额定电源频率、额定电容、带额定负载运行在额定转速下，轴伸所输出的有功功率。单位：W（瓦）

　　E）温升：指电动机在额定测试条件下运行，内部绕组与铁芯部分的温度相对于测试环境温度的升高值。目前较常用的测试温升方法为绕组电阻法。

　　F）噪音：电机噪音可分为机械噪音和电磁噪音。机械噪音通常由电机装配不良定、转子摩擦及轴承声等形成。电磁噪音通常由定、转子气隙不均匀或磁场过于饱和造成，定、转子气隙不均匀受装配零部件同轴度的影响较大，磁场过于饱受所设计功率较大电机的材料限制造成。噪音用分贝dB表示。

　　八、空调电动机常见的技术问题及解决方法

　　A）整机噪音及振动：电机噪音值在某一频段存在峰值，此噪音峰值频段与整机固有频率相接近或重合，形成共鸣、共振和整机噪音。整机预防及解决措施：在电机确认阶段将电机噪音峰值频段与整机固有频率错开（这就是一般情况下一次送样不能成功的原因之一，也是我们一般遵循的，只要是系统中的对电机有影响的零部件如支架和风轮风叶等的改变，就必须装整机做噪音等测试）电机，空调钣金件上加阻尼胶，调整风叶形状、增加电机支架刚性（如04年今年3月份汕头出现较多71S振动和噪音严重的问题，后将电机支架加强后上述现象全部消失）、电机安装脚上加胶垫，调整空调板金件的形状、厚度，调整电机极数、定转子的槽配合、定转子直径、定转子气隙、转子斜槽度、铁芯长度、轴承距离等。

　　B）转速不一致：风叶的变化（不同厂家不同模号）、蒸发器片距变化、风道的变化、测试环境的变化（温度、湿度）、电机工艺波动的原因（铝环、定子端部高度控制、绕线模具变化、气隙变化、硅钢片材料变化等）。

　　C）电磁声：定子椭圆、同轴度大、轴承距过大、端盖强度不够、磁路设计不对称。

　　D）轴承声：装配过程轴承损坏、轴承油脂声、轴承与轴承室配合松动。

　　E）摩擦声：定转子相擦、错片、异物、漆瘤及风轮风叶变形和转轴弯曲等。

　　F）转速低：转子导条和端环截面过小、定转子气隙偏大；

　　G）温升高：铁芯长度偏低、漆包线截面偏小（即铁、铜耗过大）、散热不良；

　　H）电机冒烟：

　　（1）子绕组匝间短路；

　　（2）焊接线不良致使接触电阻过大，电机发热；

　　（3）电容器击穿，致使电路的容性成分消失，电机单相运行（事实上电机无法运行，处于堵转状态）；

　　I）电机带电：电机内部或引出线绝缘不良；

　　J）电机转速下降

　　电机部分绕组匝间短路；

　　电容器容量衰减；

　　转子断条：

　　K）电机失速（保护）或不转

　　霍尔元件失效；

　　可控硅击穿。即使霍尔元件正常，信号有反馈，但因可控硅已经击穿，电压已不可调；

　　转子被异物卡滞或电机无电和烧毁；

　　九、哪些参数变化可引起电机成本增加

　　在电机设计已是最优化状态下，下述要求可增加成本：

　　1、负载不变情况下，要求提高转速（即提高功率）；M∝P/V M：力矩 P：功率 V：转速

　　2、负载不变情况下，要求降低温升；

　　十、影响温升的因素

　　1．气隙（g=0.2-0.5，一般选0.25到0.35）变小 气隙越小，谐波漏抗越大，导致最大转矩和启动转矩降低；同时杂耗增大、效率降低、温升增高；

　　2．增多槽数 槽数多了，电机的漏抗减小，导致最大转矩和启动转矩有所增加，效率和功率因数有所增加，因为绕组分散，绕组接触铁芯的散热面积增加，温升会降低；

　　3. 定转子槽配合 如果槽配合选择不当，可引起较大的附加转矩（使启动性能变坏，甚至启动不起来）、附加损耗增大，导致温升增高；

　　4．增加铁芯长度以降低磁密（磁密很饱和时）、增大漆包线直径以降低电密、使用铁损小的硅钢等从而降低温升。

　　十一、电机使用时的注意事项

　　不得用手提拉引出线来提取电机以免拉断引出线；

　　不得徒手握电机轴伸以免轴伸生锈；

　　不得旋转同步电机输出轴，特别是通过连杆摆动的同步电机（举例百年，今年六月百年装上电机后，用手快速搬动导风条，至使众多电机齿轮断裂…）；

　　不得用手提拉引出线来提取电机以免拉断引出线；

　　不得徒手握电机轴伸以免轴伸生锈；

　　不得旋转同步电机输出轴，特别是通过连杆摆动的同步电机（举例百年，今年六月百年装上电机后，用手快速搬动导风条，至使众多电机齿轮断裂…）；

　　结语

　　关于单相异步电机的相关介绍就到这了，希望本文能对你有所帮助。

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