Jednofázové asynchronní motory jsou jednoduché, robustní, spolehlivé a používají se v obrovském množství domácích a komerčních aplikacích, kde není k dispozici třífázové napájení.
Ačkoli je možné dosáhnout výkonu až několika kW, většina z nich je nižší než 0,5 kW. Používají se například v chladicích kompresorech, pračkách, sušičkách, čerpadlech, ventilátorech, malých obráběcích strojích atd.
Princip činnosti
Pokud se odpojí jeden z vodičů třífázového motoru při jeho lehkém chodu, bude pokračovat v chodu se sotva znatelným poklesem otáček a poněkud hlasitějším hučením. Při zbývajících dvou vodičích může být proud pouze jeden, takže motor musí pracovat jako jednofázový stroj. Při zatížení se skluz zvětšuje rychleji než při třífázovém provozu a záběrný moment je mnohem menší, možná až třetinový. Když se motor zastaví tak i při odstranění zátěže se znovu nerozběhne, ale zůstane v klidu, odebírá velký proud a vydává nepříjemný bzukot. Pokud není rychle odpojen, shoří.
Není překvapivé, že se skutečně jednofázový klecový indukční motor nerozběhne z klidu, protože jedno vinutí napájené střídavým proudem jednoduše vytváří pulzující tok ve vzduchové mezeře, aniž by naznačovalo otáčení. Je však překvapivé, že pokud motor popostrčíme v obou směrech, začne nabírat otáčky, nejprve pomalu, ale pak stále energičtěji, až se s malým skluzem ustálí a je připraven převzít zátěž. Jakmile se motor roztočí, do hry zapojí točivé pole, které rotor dále pohání.
Jak k tomu dochází, můžeme pochopit, když si nejprve představíme pulzující magnetomotorickou sílu (dále jen MMF) vytvořenou proudem ve statorovém vinutí jako výslednici dvou stejných putujících vln MMF, jedné v přímém směru a druhé v opačném. Když rotor stojí, reaguje na obě vlny stejně a nevyvíjí se žádný točivý moment. Když se však rotor otáčí, jsou indukované rotorové proudy takové, že jejich MMF působí proti zpětné statorové MMF ve větší míře než proti dopředné statorové MMF. Výsledkem je, že dopředná vlna proudu (která vyvíjí dopředný točivý moment) je větší než zpětná vlna proudu (která působí odpor). Rozdíl se zvětšuje s rostoucími otáčkami, kdy se s rostoucími otáčkami postupně zvětšuje dopředná proudová vlna a současně se zmenšuje zpětná proudová vlna. Tento efekt "pozitivní zpětné vazby" vysvětluje, proč otáčky zpočátku rostou pomalu, ale později se zvětšují až na hodnotu těsně pod synchronní rychlostí. Při normální rychlosti chodu (tj. při malém skluzu) je dopředný tok mnohonásobně větší než zpětný tok a odporový moment tvoří jen malé procento dopředného momentu.
Pokud jde o normální chod, postačí proto jedno vinutí. Všechny motory však musí být schopny samočinného rozběhu, takže je třeba zajistit nějaký mechanismus, který vytvoří točivé pole, i když je rotor v klidu. Používá se několik metod, přičemž všechny využívají přídavné vinutí.
Druhé vinutí má obvykle méně mědi než hlavní vinutí a je umístěno v drážkách, které nejsou obsazeny hlavním vinutím, takže jeho MMF je posunuta v prostoru vzhledem k MMF hlavního vinutí. Proud v druhém vinutí je napájen ze stejného jednofázového zdroje jako proud hlavního vinutí, ale způsobem fázového zpoždění. Kombinace fázového posunu mezi oběma vinutími spolu s časovým posunem mezi proudy vytváří dvoufázový stroj. Pokud by obě vinutí byla identická, posunutá o 90° a napájená proudy s fázovým posunem 90°, vzniklo by ideální točivé pole. V praxi nikdy nemůžeme dosáhnout fázového posunu 90° mezi proudy a ukazuje se, že je ekonomičtější, aby vinutí nebyla identická. Přesto se vytvoří slušné točivé pole a lze dosáhnout zcela uspokojivého rozběhového momentu. Reverzace je jednoduše otázkou změny polarity jednoho z vinutí a výkon je v obou směrech stejný.
Nejpoužívanější metody jsou popsány níže. Kdysi bylo běžné, že druhé nebo pomocné vinutí bylo pod napětím pouze při rozběhu a doběhu a že se odpojovalo odstředivým spínačem namontovaným na rotoru nebo někdy časovým spínačem. Z této praxe vznikl termín "rozběhové vinutí". Dnes je běžnější, že se obě vinutí používají neustále.
Motory s kondenzátorem
Kondenzátor se používá v sérii s pomocným vinutím (viz obr. 2) k zajištění fázového posunu mezi proudy hlavního a pomocného vinutí. Kondenzátor (obvykle o kapacitě několika µF a s jmenovitým napětím, které může být vyšší než síťové napětí) může být namontován na motoru nebo umístěn jinde. Jeho hodnota představuje kompromis mezi protichůdnými požadavky na vysoký rozběhový moment a dobrý provozní výkon.
Typická křivka krouticího momentu a otáček je rovněž znázorněna na obr. 2. Skromný rozběhový moment naznačuje, že motory s kondenzátorem jsou obecně nejvhodnější pro zátěže typu ventilátor. Tam, kde je zapotřebí vyšší rozběhový moment, lze použít dva kondenzátory, přičemž jeden se vypne, když se motor roztočí.
Motory s dělenou fází
Hlavní vinutí je ze silného drátu s nízkým odporem a vysokou reaktancí, zatímco pomocné vinutí je vyrobeno z menšího počtu závitů tenčího drátu s vyšším odporem a nižší reaktancí (viz obr. 3). Vlastní rozdíl v impedanci je dostatečný k tomu, aby se dosáhlo požadovaného fázového posunu mezi oběma proudy, aniž by bylo nutné zapojovat do série jakékoli vnější prvky. Rozběhový moment je dobrý, obvykle 1,5násobek momentu při plném zatížení, jak je rovněž znázorněno na obr. 3. Stejně jako u motorů s kondenzátorem se reverzace provádí změnou zapojení jednoho z vinutí.
Motory se stíněným pólem
Existuje několik variant tohoto mimořádně jednoduchého, robustního a spolehlivého klecového motoru, které převažují u aplikací s malým příkonem, jako jsou fény, ventilátory do trouby, kancelářská zařízení atd. Dvoupólová verze je znázorněna na obr. 4.
Rotor, jehož průměr se obvykle pohybuje mezi 1 a 4 cm, má hliníkovou klec z tlakového odlitku, zatímco statorové vinutí je jednoduchá koncentrovaná cívka navinutá kolem laminovaného jádra. Pól statoru je drážkovaný, aby se do něj vešel "stínicí kroužek", což je jeden zkratovaný závit ze silné mědi nebo hliníku.
Jakmile se zavede do cívky pólu proud, vznikne magnetický tok, který v závitu nakrátko vytvoří proud opačného směru. Tímto proudem je způsoben tok, který jde proti toku pólu a deformuje ho k jedné straně. Tím dostane rotor impulz v jednom smyslu otáčení a rozběhne se. Účinnost je nízká kvůli poměrně špatnému magnetickému obvodu a ztrátám způsobeným indukovanými proudy ve stínících kroužcích, ale je to obecně přijatelné, pokud je cílem minimalizovat náklady. K získání hrubé regulace otáček lze použít sériový odpor, který je však vhodný pouze pro zátěže typu ventilátoru. Směr otáčení závisí na tom, zda je stínicí kroužek umístěn na pravé nebo levé straně pólu, takže motory se stínicími póly jsou vhodné pouze pro jednosměrné zátěže.
