В различных бытовых и промышленных приборах широкое распространение получил однофазный асинхронный двигатель малой мощности.

Однофазный асинхронный двигатель имеет на статоре рабочую обмотку, подключаемую к однофазной сети переменного тока, и вспомогательную (пусковую), которая чаще всего соединяется с однофазной сетью переменного тока кратковременно только в период пуска двигателя. Роторная обмотка, как правило, выполняется короткозамкнутой в виде беличьей клетки. (В качестве однофазного асинхронного двигателя может быть использован трехфазный двигатель с отсоединенной одной из фаз статора. Мощность, развиваемая таким электродвигателем при однофазном включении, составляет 50—60% номинальной мощности двигателя при трехфазной схеме включения.)

Отличительной особенностью однофазных двигателей от трехфазных является создание статором не вращающегося, а пульсирующего поля и пульсирующей МДС. Это пульсирующее магнитное поле может быть условно разложено на два круговых поля, вращающихся в противоположные стороны с одинаковой скоростью. Амплитуда каждого из этих полей равна половине амплитуды пульсирующего поля Ф/2 (рис. 29,а).

Рис. 29. Принцип работы однофазного асинхронного двигателя

Чтобы лучше понять, как работает однофазный асинхронный двигатель, его можно заменить двумя одинаковыми трехфазными двигателями, роторы которых закреплены на одном валу, а обмотки статора а₁, b₁, c₁ и а₂, b₂, с₂ соединены последовательно с различным порядком следования фаз. Создаваемые ими магнитные поля при этом вращаются в противоположные стороны с одинаковыми амплитудами, равными Ф/2, и частотами вращения n₁ (рис. 29,б). В свою очередь эти два двигателя можно заменить одним, имеющим на статоре две последовательно соединенные трехфазные обмотки с различным чередованием фаз и общий ротор, как показано на рис. 29,в.

В рассматриваемых случаях индуктируемые в обмотках ротора с помощью двух вращающихся полей статора токи вступают во взаимодействие с этими полями и создают при неподвижном двигателе равные и взаимно противоположные электромагнитные моменты М₁, М₂ (рис. 30). При этом начальный результирующий суммарный момент М равен нулю, и однофазный электродвигатель при таком конструктивном исполнении и схеме соединения не может тронуться с места, даже в случае отсутствия тормозного момента на валу, т. е. пусковой момент однофазного асинхронного электродвигателя равен нулю.

При вращении ротора в каком-либо направлении одна из вращающихся МДС перемещается в том же направлении, что и ротор. Она обеспечивает тот же характер изменения момента на валу M₁ в зависимости от скольжения s, что и в трехфазном асинхронном двигателе, т. е. при разгоне двигателя, когда скольжение s уменьшается, момент M₁ возрастает до некоторого значения М_max, а при s=0 становится равным нулю. В то же время вращающаяся в обратном направлении относительно ротора МДС создает электромагнитный тормозной момент. При этом в роторе наводятся токи повышенной частоты, что обусловливает увеличение индуктивного сопротивления ротора. Соответственно момент М₂, создаваемый обратновращающейся МДС, снижается от некоторой величины М_max и т. д.

Результирующий момент M=M₁—М₂, направленный в сторону вращения ротора, считается положительным (на рис. 30 изображен выше оси абсцисс). Тормозной момент М₂ направлен в противоположном направлении и является отрицательным (на рис. 30 изображен ниже оси абсцисс). Как видно из приведенной характеристики, условия работы однофазного асинхронного двигателя при вращении ротора в ту или другую сторону одинаковы. Как уже было отмечено, при s=l М=0, т. е. однофазный асинхронный двигатель не может самостоятельно начать вращение при наличии лишь одной рабочей обмотки на статоре.

Рис. 30. Зависимости электромагнитных вращающих моментов однофазного асинхронного двигатели под действием прямовращающего М1, обратновращающего М2 магнитного поля и результирующего момента М от скольжения: s — скольжение ротора относительно прямого поля; 2—s — скольжение относительно обратного поля

Подобным образом ведет себя трехфазный двигатель при перегорании предохранителя или обрыве фазы питающей сети. Если это повреждение произошло у двигателя при неподвижном роторе, то при пуске двигателя ротор не придет во вращение; если повреждение произойдет при вращающемся роторе, двигатель будет продолжать работать, но во избежание недопустимого перегрева обмоток мощность нагрузки должна быть снижена на 40—50%. Иными словами, при обрыве фазы питающей сети (или перегорании предохранителя) при работающем двигателе он должен быть разгружен примерно в 2 раза по отношению к номинальной мощности.

Для того чтобы однофазный двигатель пришел во вращение, необходимо создать некоторый начальный вращающий момент. Направление вращения ротора при этом будет определяться направлением этого момента. Для пуска двигателя, в том числе и под нагрузкой, необходимо предусмотреть специальные меры, направленные на усиление прямого поля и ослабление обратного, чтобы при s= 1

M=M₁+M₂>0. (58)

Естественно, что наилучшие условия достигаются при отсутствии обратного поля, создающего тормозной момент на валу двигателя и препятствующего тем самым вращению двигателя. Разные виды однофазных двигателей отличаются друг от друга способами создания пускового момента. Различают двигатели с пусковой обмоткой, конденсаторные двигатели и двигатели с экранированными полюсами. Рассмотрим их подробнее.

Однофазные асинхронные двигатели с пусковой обмоткой являются наиболее распространенными. Для создания вращающегося поля в этих двигателях на статоре кроме основной обмотки 1 размещается вспомогательная пусковая обмотка 2 (рис. 31, а). Рабочая обмотка занимает 2/3 полюсного деления, пусковая—1/3, пространственный сдвиг между осями обмоток — 90° (электрический угол). Последовательно с пусковой обмоткой включают фазосмещающий элемент Z_п для создания временного сдвига между токами пусковой I_п и рабочей I_р фаз (угол ψ на рис. 31,б). По своему физическому значению элемент Z_п может представлять собой резистор (Z_п=R), катушку индуктивности (Z_п=jωL) или конденсатор (Zn= -j/ωС).

Из теории электрических машин известно, что для уничтожения обратного поля необходимо и достаточно, чтобы МДС рабочей и пусковой фаз были равны и имели пространственный и временной ψ сдвиг по 90° (электрический угол). Как видно из рис. 31,б, временной сдвиг ψ =90° и круговое вращающееся поле в однофазном двигателе можно получить только при включении в цепь пусковой обмотки конденсатора. В двух других случаях всегда создаются прямое и обратное поля, причем прямое поле усиливается, а обратное ослабляется, так что выполняется условие (58) и при М>М_с однофазный двигатель будет запускаться.

Рис. 31. Схема (а) и векторные диаграммы (б) однофазного асинхронного двигателя: 1 — основная обмотка; 2 — пусковая обмотка

Поэтому пусковые условия будут лучшими при включении емкости в пусковую фазу. Однако необходимая величина емкости С довольно велика, вследствие чего размеры и стоимость конденсатора также велики. Конденсаторный пуск применяется сравнительно редко, лишь при необходимости большого пускового момента. Пуск с помощью индуктивного сопротивления дает наихудшие результаты и почти не используется.

Чаще всего применяется пуск с помощью активного сопротивления, при этом обычно сама пусковая обмотка выполняется с повышенным активным сопротивлением (уменьшенное сечение обмоточного провода, а также намотка части витков катушек в бифиляр). В этом случае отпадает необходимость в фазосмещающем элементе Z_п, роль которого играет сама пусковая обмотка.

После того как однофазный асинхронный двигатель при пуске достигнет определенной частоты вращения, пусковая обмотка отключится с помощью центробежного выключателя, реле времени, токового реле или вручную. При этом двигатель будет работать только с рабочей обмоткой.

Для работы от однофазной сети могут быть использованы также трехфазные двигатели. К числу лучших схем включения таких двигателей относится схема рис. 32. Двигатели с соединением обмоток согласно схеме рис. 32 практически равноценны двигателям, которые спроектированы для работы как однофазные. Номинальная мощность при этом составляет 40-50% мощности в симметричном трехфазном режиме. После окончания пуска фаза с пусковым сопротивлением отключается.

Рис. 32. Схема использования трехфазного асинхронного двигателя в качестве однофазного двигателя с пусковой емкостью

Асинхронный конденсаторный двигатель имеет на статоре две одинаковые рабочие обмотки, занимающие по половине полюсного деления и смещенные в пространстве на 90° (электрический угол), как и в предыдущем случае. Последовательно с одной из обмоток включается конденсатор, емкость которого рассчитывается так, чтобы обеспечить создание кругового поля при номинальной нагрузке (двигатель с рабочей емкостью) . Однако емкость, подобранная по рабочему режиму, оказывается недостаточной для подавления обратного поля при пуске. Поэтому в ряде случаев на время пуска параллельно с рабочим конденсатором включается дополнительный пусковой (двигатель с пусковой и рабочей емкостью).

Использование материалов в конденсаторных двигателях, их КПД и коэффициент мощности значительно выше, чем у двигателей с пусковой обмоткой.

Электродвигатель с экранированными полюсами имеет на статоре явно выраженные полюсы с однофазной обмоткой и ротор с короткозамкнутой обмоткой. В этом двигателе каждый полюс разделен осевым пазом на две неравные части. Меньшая часть полюса охватывается короткозамкнутым витком и образует экранированную часть полюса. Для увеличения пускового момента двигателя между полюсными наконечниками устанавливаются магнитные шунты. Поле двигателя эллиптическое (содержит наряду с прямым значительное обратное поле), поскольку потоки, проходящие через основную и экранированную части полюса, сдвинуты в пространстве и во времени на недостаточно большие углы. Тем не менее пусковой момент достигает величины 0,2—0,5 номинального.

Потери в короткозамкнутых витках статора такого двигателя довольно значительны и практически не зависят от вращающегося момента. В соответствии с этим потребляемая мощность мало меняется при работе как на холостом ходу, так и при номинальном режиме. Кроме того, из-за больших потерь температура обмотки также практически не зависит от нагрузки. Благодаря этому обмотка статора может длительное время находиться под напряжением даже при неподвижном роторе. Двигатели допускают частые пуски и внезапные остановки.

Ввиду сравнительной простоты конструктивного исполнения, отсутствия дорогостоящих фазосмещающих элементов, высокой надежности работы двигателя с расщепленными полюсами нашли применение в приводах вентиляторов, магнитофонов, проигрывателей и др. Двигатели с экранированными полюсами изготовляются серийно на мощности от долей ватта примерно до 300 Вт.

Промышленность СССР выпускала серийно однофазные двигатели с пусковой обмоткой и однофазные конденсаторные двигатели в рамках единой серии асинхронных двигателей 4А. Мощность этих двигателей достигает 750 Вт:

двигатели с пусковой емкостью типа 4ААУ (вместо старой серии АОЛГ);
двигатели с пусковым сопротивлением типа 4ААЕ (вместо старой серии АОЛБ);
двигатели с рабочей емкостью типа 4ААТ (вместо старой серии АОЛЕ);
двигатели с пусковой и рабочей емкостями типа 4ААУТ (вместо старой серии АОЛД).

Двигатели с пусковой обмоткой типа 4ААУ, 4ААЕ имеют мощность 90—550 Вт при n₁=3000 об/мин и 60—370 Вт при n₁= 1500 об/мин. Конденсаторные двигатели типов 4ААТ, 4ААУТ имеют мощность 120—750 Вт при n₁ =3000 об/мин и 90—550 Вт при 1500 об/мин. Конденсаторные двигатели с рабочей емкостью имеют кратность пускового момента 0,1—1,3, двигатели с пусковой и рабочей емкостью 1—1,6. Кратность максимального момента конденсаторных двигателей колеблется в пределах 1,2—2,48.

Двигатели с пусковым сопротивлением имеют кратность пускового момента 0,8—1, у двигателей с пусковым конденсатором эта величина составляет 1,6—1,8. Кратность максимального момента двигателей с пусковой обмоткой составляет 1,5—1,7. Коэффициент полезного действия однофазных двигателей достигает 70 %, коэффициент мощности — до 0,83. Лучшие показатели имеют в рабочем режиме конденсаторные двигатели с рабочей емкостью.

Кроме описанных выше в СССР выпускались большое количество однофазных асинхронных двигателей других типов.