單相電機的結構與原理分析

李夢程 劉德川 霍眾望

摘要? ?隨著法拉第電磁感應技術、超大規模集成電路技術及電氣工程自動控制理論的發展,單相電機在工業和生活中有著極其廣泛的應用,本文詳細介紹單相電機的結構和原理及類別分析。

關鍵詞 單相電機，電動機。

1引言

電動機是將能量轉化為機械的一種裝置，它將能量轉化為機械的。它主要由一個定子繞組，用于產生磁場，或分布在一個定子組中的電磁鐵繞組或轉子所構成。利用電線圈產生旋轉磁場，并在轉子中產生磁電力旋轉扭矩，在電流的作用下產生磁場，使電機轉動。

單相電機( singlephase machine )指的是由220 v 交流電源提供的異步電機。

2單相電機的結構

單相電機主要由:端蓋、定子、轉子、電源接線、機殼、軸承組成。

電機定子包括三個部分：定子鐵芯，定子繞組，機座上裝有成對直流勵磁主磁極，定子的主要功能是產生旋轉磁場，而在旋轉的磁場被電力線割斷，從而產生輸出電流。電機包括轉子部分和定子兩個部分，它們是用于實現轉子部分和機械部件的電能轉換設備。

3單相電機分類

單相電機分為兩大類，即分相和罩極式，理論上說，讓單相電機在兩套繞組之間流過的交流電流存在一定相位差，并使兩個空間中已錯過一定角度的磁勢或磁通之間存在一定相位差，就可以解決開機問題。

3.1分相式單相電機

分相式單相電機利用電容或電阻串啟動繞組起到移相作用,使啟動繞組和工作繞組的電流相位錯開。

(1)電容分相單相電機

圖( a )顯示的是電容單相相電機原理連接線路。由于電容移相的作用更為明顯，只要將電容串人大小相當(一般為20~ 50μf )，兩個繞組之間的電流相差接近90°，這時合成磁場與圓形旋轉磁場相近，因此啟動轉矩較大的電容同時起啟動。這種單相電機的應用很廣泛，啟動后根據需要可以保留(即電容操作的電機)，或切除(即稱為開關電機，由置于該電機內的離心開關來執行)。如果要改變電機轉向，只需對任意繞組出線端進行調整即可，此時兩個繞組之間的電流相關系是反對的。

(2)電阻分相單相電機

這種電機啟動繞組匝數少、導線細,與運行繞組相比電抗小、電阻大。采用電阻分相啟動時,啟動繞組電流超前于運行繞組,合成磁場為橢圓度較大的卵形旋轉磁場,啟動轉矩小,僅用于空載或輕載局面,應用較少。電阻分相式單相電機的啟動繞組一般按短時工作設計,啟動后由離心開關切除,由工作繞組維持運行。圖(b)所示為電阻分相單相電機的原理接線。

3.2罩極式單相電機

將定子磁極的一部分嵌放短路銅環或短路線圈(組)就構成了罩極式單相電機。

當定子繞組通通以單相交流電流時，由其產生的脈振磁場中大部分通過氣隙直接與轉子相連，另有一小部分通過罩極銅環產生感應磁通，并與其合成后通過氣隙進入轉子磁路。根據楞次定律，感應磁通始終阻礙了原磁通變化，而感應磁通則落后于原磁通的相位。這樣，就有兩個磁通在空間中錯開了一定的角度，并且有一些相位差，合成的磁場就是一種橢圓型旋轉的磁場。罩極式電機旋轉方向由未蓋極部分的罩極轉向，其功率較低，啟動旋轉矩小，結構簡單，價格便宜。罩極電機通常用于鼓風機、電扇等小型電機的使用。

4工作原理

當單相正弦電流經過定子繞組后，電機產生了一個交變磁場，這個電機的強度和方向在時間上隨正弦的規律而變化，但在空間方向上是固定的，因此又稱該磁場為交變脈動的磁場。這個交變脈動磁場可以分解成兩個旋轉的磁場，它們以相同的旋轉速度和相反的方向，當轉子停止時，這兩個旋轉的磁場產生了一個大小相同、方向相反的矩，使合成的磁場為零，因此電機不能旋轉。當我們利用外力將電動機旋轉到某一方向(如順時針方向旋轉)，這時在順時針方向的轉子和旋轉磁場之間的切割磁線運動會變小；轉子和逆時針旋轉的磁場之間，切割出的磁力線的運動會變大。這樣的平衡會被打破，轉子產生的電磁矩不再是零，轉子會順著推進方向旋轉。

為了使單相電機自動旋轉，我們在定子內加上起動繞組，與主繞組相差90度，起動繞組應串接合適的電容，使與主繞組相差近似90度，這樣在時間上兩個相差90度的電流就會通入空間中相差90度，兩個相差1990度的繞組將在空間中相差90度，從而使兩個繞組能夠在空間中相差。間部產生旋轉(兩個相)磁場，在這種旋轉磁場的感應下，轉子可以自動啟動，起始后，待轉速上升到某一值時，借助于安裝在轉子上的離心開關或其它自動控制設備，將起動繞組切斷，在正常工作中只有一個主繞組。因此，起動繞組可作短時工作的方式。但是，有很多情況下，起動繞組不斷地打開，我們把這種電機稱為單相電機，要改變它的轉向，只需將輔助繞組接線的端頭改變方向。

5啟動方式

220 V交流單相電機啟動方式:

第一個，分相啟動，是通過輔助開始繞組進行啟動的.它不會產生轉矩。運行速度基本保持正常。主要用于電機、空調、洗衣機等電動機的制造。

第二個，電機在處于靜止工作電態下離心控制開關自動接通，在自動給機供電之后由被啟動的離心電容直接參與自動開機時的工作，當電機轉子的轉動旋速已經達到一定質量值70%至80%的速度時候，離心控制開關就開機會自動停止跳出，啟動后的電容直接完成開機任務并被自動切斷。啟動時的繞流機組未同時參與電機工作但是當電機繼續運動時并繞過一圈使該線圈仍在運行工作，然后電機啟動。

第三個，電機在處于靜止工作電態下離心控制開關自動接通，在自動給機供電之后由被啟動的離心電容直接參與自動開機時的工作，當電機轉子的轉動旋速已經達到一定質量值70%至80%的速度時候，離心控制開關就開機會自動停止跳出，啟動后的電容直接完成開機任務并被自動切斷。而開始運行的每個電容器字串則連接到一個開始繞組上來進行開始運作。帶有全離心式啟動開關的柴油電機，如果機組不能很短的工作時間完全啟動，那么它圍繞在機組內的線圈就可能會很快被燒毀。

6結論

家用電器的發展和工業大量生產促進單相電機的迅速發展,單相電機設計成本低,裝配結構拆卸簡單,適合于大批量生產。總之,單相電機在生產生活上的應用非常廣泛,學習單相電機的結構和工作原理也很容易,該技術也可以用在可持續發展的除草機,噴灑農藥機等農業生產方面,提高農業生產的效率,單相電機技術在電機學領域會有更加廣闊的前景。

參考文獻(References)

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