摘 要：針對(duì)單相交流異步電動(dòng)機(jī)原理講解困難，從旋轉(zhuǎn)相量分析入手，分析了2極4極脈動(dòng)磁場(chǎng)，總結(jié)得單相交流異步電動(dòng)機(jī)原理，并用1臺(tái)家用排風(fēng)扇的分相式以4極電機(jī)作為對(duì)象，利用萬(wàn)用表和光電轉(zhuǎn)速表實(shí)踐驗(yàn)證，得出可信結(jié)論。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)相量 脈動(dòng)磁場(chǎng) 單相交流異步電動(dòng)機(jī)

中圖分類號(hào)：G71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0172-02

1 背景介紹

電動(dòng)機(jī)按用電類型分為交流電機(jī)和直流電機(jī)，直流電機(jī)結(jié)構(gòu)和使用維修較復(fù)雜[1]，使用選擇順序依次是交流三相鼠籠式，交流三相繞線式，單相鼠籠式，直流電機(jī)等。

單相交流異步電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和家用電器中應(yīng)用非常廣泛[2]，是機(jī)電專業(yè)學(xué)生必學(xué)內(nèi)容[3]，要學(xué)習(xí)單相交流異步電機(jī)工作原理，須先掌握三相交流異步電機(jī)工作原理和其轉(zhuǎn)矩特性。在掌握三相交流異步電機(jī)工作特性后，通過(guò)分析單相電機(jī)磁場(chǎng)關(guān)系，得出單相電機(jī)旋轉(zhuǎn)結(jié)論。

2 三相交流異步電動(dòng)機(jī)原理

三相交流異步電動(dòng)機(jī)原理是在三相對(duì)稱的定子繞組中通入對(duì)稱三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)[4，5]，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)。感生電動(dòng)勢(shì)在閉合的轉(zhuǎn)子回路中產(chǎn)生感生電流。由感生電流在磁場(chǎng)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái)。至此可看出：只要有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而且轉(zhuǎn)子回路是閉合回路就可旋轉(zhuǎn)。

三相交流異步電動(dòng)機(jī)描述轉(zhuǎn)矩特性是根據(jù)

M=CMφSE20r2/[r+（SX20）2]

CM為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

φ為定子繞組轉(zhuǎn)子繞組共同作用的磁通；

S為轉(zhuǎn)差率；

r2為轉(zhuǎn)子回路電阻值；

E20為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子感生電動(dòng)勢(shì)；

X20為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子回路漏電抗。

由上述關(guān)系和多次試驗(yàn)等方法得出特性曲線。

雖各類三相交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性曲線有一定的差別，但大體走勢(shì)（如圖1）。

單相交流異步電機(jī)的講解和學(xué)習(xí)，就是建立在前面這些基礎(chǔ)理論之上的。講解方法一般有兩種[5，6]：一種是采用在波形圖上直接分解成二個(gè)相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；另一種方法是采用三角函數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行講解。這兩種方法都要求數(shù)學(xué)基礎(chǔ)好，而多數(shù)學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)不足，理解起來(lái)比較費(fèi)勁，筆者經(jīng)過(guò)分析研究采用了旋轉(zhuǎn)相量法進(jìn)行講解，效果較好，現(xiàn)介紹如下。

3 單相交流異步電動(dòng)機(jī)原理

單相交流異步電動(dòng)機(jī)是單相繞組中通入單相交流電，由此而產(chǎn)生的磁場(chǎng)是一個(gè)脈動(dòng)磁場(chǎng)（見(jiàn)圖2、3）。

以二級(jí)電機(jī)為例分析，由于通入的電流i=IMsinωt，因此產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=BMsinωt。下面我們做個(gè)假設(shè)：有二個(gè)B =BM的相量，以同一圓心ω的角頻率相反旋轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖4）。

當(dāng)ωt=0時(shí)，B=BM-BM=0。

當(dāng)ωt等于任一值時(shí)，

X軸合成為BX=BMcosωt-BMcosωt

Y軸合成為BY=BMsinωt+BMsinωt

=BMsinωt

則總的B=BY=BMsinωt。

既然可以把一個(gè)單相的脈動(dòng)磁場(chǎng)分解成兩個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值相等的轉(zhuǎn)向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，則可認(rèn)為，單相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也是由這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)分別產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩合成的結(jié)果（見(jiàn)圖5）。從圖4中可得出四個(gè)特點(diǎn)：（1）它的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為零，不能自行起動(dòng)。（2）它的旋轉(zhuǎn)方向是不固定的，完全取決于起動(dòng)時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向。（3）離開(kāi)零點(diǎn)后可保證啟動(dòng)（M與n同方向增大）。（4）當(dāng)n增大到一定程度時(shí)，M開(kāi)始減小，達(dá)到平衡時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。對(duì)于4級(jí)、6級(jí)單相電機(jī)分解類同，只是分解角度分別是1/2、1/3，即旋轉(zhuǎn)速度分別是2級(jí)電機(jī)的1/2、1/3（見(jiàn)圖5）。

4 實(shí)踐驗(yàn)證

4.1 電機(jī)參數(shù)（見(jiàn)表1）

4.2 測(cè)試儀器

萬(wàn)用表AC97，產(chǎn)地：中國(guó)；光電轉(zhuǎn)速表DT-2234B，產(chǎn)地：中國(guó)臺(tái)灣。

4.3 驗(yàn)證步驟

步驟1：先測(cè)量電源，測(cè)定電壓，測(cè)試為結(jié)果，三次分別為226 V、224 V、225 V。滿足要求，將交流電通入單相電機(jī)（沒(méi)有接電容），電機(jī)不轉(zhuǎn)。用手轉(zhuǎn)動(dòng)一下轉(zhuǎn)軸則電機(jī)迅速起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，用轉(zhuǎn)速表測(cè)定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速測(cè)定結(jié)果三次分別為1230 rpm，1250 rpm，1240 rpm，停電使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

步驟2：用上述方法反方向起動(dòng)運(yùn)行。測(cè)得數(shù)據(jù)分別為224 V、225 V、225 V；1245 rpm，1240 rpm，1240 rpm，停電使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

步驟3：接電容后運(yùn)行測(cè)試，轉(zhuǎn)速分別為1420 rpm、1430 rpm、1420 rpm；1430 rpm、1420 rpm、1430 rpm。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）單相電機(jī)無(wú)法自行啟動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向依靠外部決定，一旦啟動(dòng)后可以保持相對(duì)穩(wěn)定速度。

（2）分相式單相式電機(jī)，配以適當(dāng)電容可以提高轉(zhuǎn)速，方向與電容接線有關(guān)。

6 教學(xué)結(jié)果及注意點(diǎn)

通過(guò)這種理論與實(shí)踐結(jié)合的講解，學(xué)員感到思路很新，開(kāi)擴(kuò)了學(xué)員的眼界，同時(shí)通過(guò)實(shí)踐增強(qiáng)了可信度。

該種方法應(yīng)注意的問(wèn)題：由于要?jiǎng)佑秒姍C(jī)，而且在課堂上，（1）必須注意用電安全，電機(jī)必須在使用前做絕緣測(cè)試，電壓選擇220V，～50Hz較方便。（2）電機(jī)功率不宜選擇過(guò)大，或過(guò)小，過(guò)小轉(zhuǎn)速測(cè)定誤差較大；過(guò)大控制困難，危險(xiǎn)較大；一般以百瓦左右較合適。極數(shù)一般選擇4級(jí)較好，而且比較好找。（3）在操作時(shí)一般以兩人為宜，一人負(fù)責(zé)電機(jī)的固定，一人負(fù)責(zé)通電，用手轉(zhuǎn)動(dòng)一下轉(zhuǎn)軸測(cè)速停電等。（4）通電后觀察不動(dòng)時(shí)間不要過(guò)長(zhǎng)，否則容易燒壞電機(jī)。（5）測(cè)量用光電轉(zhuǎn)速表測(cè)試簡(jiǎn)單。

參考文獻(xiàn)

[1]向波，周平，等.電動(dòng)叉車直流電機(jī)換向片間短路的快速測(cè)量[C]//中國(guó)控制會(huì)議論文集（CCC2012），2012.

[2]邱阿瑞.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]曾祥富，鄧朝平.電工技能與實(shí)訓(xùn)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[4]羌予踐.電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]李發(fā)海、王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[6]唐介.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京：高等教育出版社，2003.