单相感应电机的等效电路和工作原理

什么是单相感应电机？

单相感应电机，也被称为单相异步电动机或单相感应电动机，是一种常见的交流电机类型，特别用于家用和小型工业应用中，因为它们可以由标准的单相交流电源供电。单相感应电机通常包含两个绕组：一个主绕组（也称为运行绕组）和一个辅助绕组（也称为启动绕组或副绕组）。

主绕组直接与单相交流电源相连，并在其中产生交变磁场。然而，这个交变磁场并不像在三相电机中那样自然地产生旋转磁场。为了产生旋转磁场并启动电机，需要辅助绕组。

辅助绕组通常通过一个电容器或电阻器与电源相连，以便在启动时产生一个与主绕组磁场有相位差的磁场。这两个磁场相互作用，产生一个合成磁场，这个合成磁场会在空间上移动，即旋转磁场。这个旋转磁场与转子中的导体相互作用，产生感应电流，进而产生转矩，使电机开始旋转。

一旦电机开始旋转，辅助绕组（或其中的某些部分）可能会被断开，电机将依靠主绕组继续运行。这通常是通过一个离心开关来实现的，当电机达到一定转速时，离心开关会自动断开辅助绕组。

单相感应电机因其结构简单、成本低廉、维护方便等优点而被广泛应用。但是，它们的转矩-转速特性和启动特性可能不如三相电机。因此，它们通常用于不需要高转矩或高精度控制的场合，如家用电器、小型电动工具、水泵、风扇等。

单相感应电机的等效电路

基于双旋转磁场理论，可以画出单相异步电动机的等效电路。电路在两个位置绘制 - 转子静止状态 转子阻塞状态。

转子堵转的电机相当于次级绕组短路的变压器。

单相感应电动机的等效电路

在转子静止状态下，两个旋转磁场方向相反，大小相等，并且彼此串联。

转子静止状态下的单相感应电动机电路

单相感应电机的工作原理

单相感应电机的主绕组由单相交流电流供电。这会在转子周围产生波动的磁通量。这意味着随着交流电流方向的改变，产生的磁场的方向也会改变。这还不足以引起转子旋转。这里应用了双旋转场理论的原理。

根据双旋转场理论，单个交变场是由两个大小相等但旋转方向相反的场组合而成的。这两个场的大小等于交变场的大小的一半。这意味着当施加交流电时，会产生两个大小相等但旋转方向相反的半幅度场。

这样，现在定子中有电流流动，转子有磁场旋转，法拉第电磁感应定律作用在转子上。根据该定律，旋转磁场在转子中产生电力，从而产生可以旋转转子的力“F”。

单相感应电机主要由定子、转子、轴承、机壳等部分构成。其核心在于定子上的两个绕组：主绕组（也称为运行绕组）和辅助绕组（也称为启动绕组）。

主绕组：主绕组直接与单相交流电源相连。当电源接通时，主绕组中会有电流通过，根据电磁感应原理，会在电机内部产生一个交变磁场。

辅助绕组：辅助绕组通常通过一个电容器或电阻器与电源相连。这个额外的绕组（及其连接的电容器或电阻器）在电机启动时起到了关键作用。当电源接通时，辅助绕组也会产生一个磁场，这个磁场与主绕组产生的磁场相互作用，共同形成一个在空间上旋转的合成磁场。

启动过程：由于单相电源的特性，主绕组产生的磁场并不是一个简单的旋转磁场，而是一个脉动磁场。但是，通过辅助绕组及其连接的电容器或电阻器的帮助，这个脉动磁场被转化为一个近似于旋转的磁场。这个旋转磁场与转子中的导体相互作用，产生感应电流，进而在转子中产生转矩，使电机开始旋转。

正常运行：当电机达到一定的转速后，通常通过一个离心开关或其他装置将辅助绕组断开，此时电机仅由主绕组供电，并继续旋转。

需要注意的是，单相感应电机的启动转矩相对较小，因为它们依赖于一个近似于旋转的合成磁场来启动。因此，它们通常用于对启动转矩要求不高的场合，如家用电器、小型电动工具等。同时，单相感应电机的效率也相对较低，因为它们需要额外的电路来产生旋转磁场。