好的，我们来浅析一下单相交流电机的工作原理。核心在于解决单相电无法产生旋转磁场的问题。

单相电源的局限性

1. 单一交流信号： 单相电源提供的是一相按正弦规律变化的交流电（零线和火线）。
2. 脉动磁场而非旋转磁场： 如果只给一个绕组（定子主绕组）通单相交流电，它在气隙中产生的磁场仅仅是在方向上来回振荡、脉动的，而不是三相电机那样连续旋转的。这个脉动磁场可以看作两个方向相反、转速相同的旋转磁场的叠加。
3. 无法自启动： 当转子静止时，这两个方向相反的旋转磁场对转子产生的电磁转矩也是大小相等、方向相反的。因此，合成转矩为零，电机无法自行启动。

解决方法：分相法

为了让单相电机启动和运转，关键在于人为地创造出另一个有一定相位差（接近90度）的电流，从而产生一个具有旋转倾向的磁场。这主要有以下几种方法：

1. 电阻分相启动电机（RSIR）：

   • 在定子上增加一个额外的启动绕组，它与主绕组在空间上排列相差90度电角度。
   • 启动绕组导线的电阻比主绕组大，或者外接一个电阻。
   • 将启动绕组与主绕组并联接入单相电源。
   • 分相原理： 由于启动绕组电阻大而感抗小（线细且匝数相对少），其电流滞后于电源电压的相角φ1较小；主绕组电阻小而感抗大，其电流滞后于电源电压的相角φ2较大。这样，流过启动绕组和主绕组的电流就产生了一定的相位差（Δφ = φ2 - φ1），不再是同相（虽然这个相位差通常小于90度）。
   • 旋转磁场的产生： 这两个在空间相差90度、在时间上有一定相位差的交变电流所产生的合成磁场不再只是脉动磁场，而是在一定程度上具有了旋转性质的磁场（椭圆旋转磁场）。
   • 启动与断开： 这个旋转磁场可以使静止的转子产生启动转矩。当转子转速达到额定转速的70%-80%时，通常由一个离心开关自动切断启动绕组的电源。此后，仅由主绕组的脉动磁场维持电机运行（依靠脉动磁场中的正向旋转磁场分量带动转子）。

2. 电容启动电机（CSIR）：

   • 这是最常用的方法，性能优于电阻分相。
   • 在启动绕组回路中串联一个启动电容器。
   • 分相原理： 电容器的存在使启动绕组回路呈现容性，其电流超前于电源电压；而主绕组回路是感性的，其电流滞后于电源电压。通过选择合适的电容值，可以使两个绕组的电流产生接近90度的相位差。
   • 旋转磁场的产生： 空间相差90度的两个绕组，通以相位差接近90度的电流，就能产生一个近乎圆形的旋转磁场。这个旋转磁场很强，能产生较大的启动转矩。
   • 启动与断开： 同RSIR电机一样，启动后通过离心开关切断启动绕组和电容器的回路。电机依靠主绕组运行。

3. 电容启动电容运行电机/永久分相电容电机（PSC）：

   • 没有离心开关。
   • 运行电容器始终串联在启动（运行）绕组回路中。
   • 分相原理： 电容器设计为在运行时也能提供适当的相位差。
   • 运行： 同时使用两个绕组持续运行，产生一个稳定的椭圆旋转磁场。
   • 优点： 启动转矩较小（但比RSIR好），运行性能较好（效率和功率因数较高）、转矩稳定、噪声较低。
   • 缺点： 启动转矩小于CSIR电机。

运行原理

一旦转子转动起来，无论哪种启动方式，后续的运行都依赖于以下关键点：

1. 转子切割磁力线： 定子磁场（旋转分量或脉动磁场）会切割转子上的导体（鼠笼条）。
2. 感应电流： 在转子导体中感应出电动势，由于转子是闭合回路（鼠笼结构），产生感应电流（涡流）。
3. 电磁力产生： 转子感应电流与定子磁场相互作用，根据左手定则，在转子上产生电磁力（洛伦兹力）。
4. 电磁转矩驱动： 这些电磁力会形成驱动转子沿着旋转磁场方向旋转的电磁转矩。
5. 维持旋转： 只要定子绕组通电，这个“磁场作用-感应电流-电磁力-转动”的过程就持续进行。转子转速略低于旋转磁场的同步转速，称为异步电机。这个微小的转速差（转差率）保证了转子导体能够持续有效地切割磁力线，维持电流和转矩的产生。

总结

单相电机工作的核心在于通过分相技术（主要是电阻分相或电容分相），在定子上产生空间上正交、时间上有相位差的两个电流，从而合成一个具有旋转倾向的磁场，解决单相供电无法自启动的问题。启动后，转子依靠该旋转磁场（或脉动磁场的旋转分量）在鼠笼转子上感应出电流并产生电磁转矩而持续旋转。电容分相法因其启动性能好而被广泛使用。