單相異步(感應(yīng))電機(jī)概述

電機(jī)分類(lèi)

按照運(yùn)動(dòng)方式分類(lèi)的話(huà)，感應(yīng)電機(jī)又可以分為旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)和直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)，其中旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)又可進(jìn)一步分為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)和繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)。本文主要講解旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)。

在講解之前先分析一下，感應(yīng)電機(jī)中的“感應(yīng)”是什么意思。

1. “感應(yīng)”指的是什么

1.1 法拉第電磁感應(yīng)定律

法拉第電磁感應(yīng)定律指出：導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)圈的磁性環(huán)境發(fā)生任何變化，都會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)圈中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，稱(chēng)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(EMF, Electromotive Force)。

不管磁變化是如何產(chǎn)生的，無(wú)論是通過(guò)使磁體和線(xiàn)圈相對(duì)移動(dòng)，還是通過(guò)改變磁場(chǎng)，都會(huì)產(chǎn)生電壓。

磁體和線(xiàn)圈相對(duì)移動(dòng)，右邊線(xiàn)圈所處的磁場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化，在其中感應(yīng)出電壓。

磁體和線(xiàn)圈相對(duì)不動(dòng)，但是左邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，因?yàn)榻涣麟姳旧硎亲兓?，在左邊線(xiàn)圈中產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)，所以也在右邊線(xiàn)圈感應(yīng)出電壓，并點(diǎn)亮接入電路的燈泡。

聯(lián)想一下直流電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，它所處的磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈的輸入電壓相反，稱(chēng)為反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)與電機(jī)的速度、電流、磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，它會(huì)降低線(xiàn)圈兩端的電壓，從而降低線(xiàn)圈電流并限制加速度。

1.2 通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受安培力(宏觀(guān)受安培力，微觀(guān)受洛倫茲力)

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)圈的磁性環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，線(xiàn)圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

由于線(xiàn)圈是閉合回路，線(xiàn)圈中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用。

力的方向判斷方法為：讓磁場(chǎng)穿過(guò)左手手心，四指指向電流的方向，大拇指所指示的方向就是導(dǎo)線(xiàn)受力方向。(此方法又被稱(chēng)為左手定則)

1.3 總結(jié)

其實(shí)，感應(yīng)電機(jī)正是結(jié)合了上述兩個(gè)基本原理：法拉第電磁感應(yīng)原理和通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受安培力的原理。

法拉第電磁感應(yīng)原理讓轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī))或者移動(dòng)部件(直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī))中閉合導(dǎo)體產(chǎn)生電流。

通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受安培力的原理讓帶電導(dǎo)體受力。

2. 旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)

2.1 兩類(lèi)旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)，按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，可以分為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)(Squirrel Cage Induction Motor)和繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)(Wound Rotor Induction Motor)，繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)也稱(chēng)為滑環(huán)感應(yīng)電機(jī)(Slip Ring Induction Motor)。

鼠籠式感應(yīng)電機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在不需要速度控制的場(chǎng)合，例如：潛水泵，車(chē)床，磨床，輸送帶，面粉廠(chǎng)，壓縮機(jī)等低機(jī)械功率的應(yīng)用。

滑環(huán)感應(yīng)電機(jī)用于需要高初始轉(zhuǎn)矩的重載應(yīng)用中，例如：鋼廠(chǎng)，提升和起重機(jī)，傳動(dòng)軸和其他重型機(jī)械車(chē)間等。

鼠籠式感應(yīng)電機(jī)

下圖為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)。(來(lái)自東方電機(jī))

下圖為鼠籠式感應(yīng)核心結(jié)構(gòu)：外面是定子繞組，里面是導(dǎo)體，導(dǎo)體由兩端導(dǎo)體盤(pán)連接，形成閉合回路。

繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)

下圖為繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，顯著特征是轉(zhuǎn)子也由繞組構(gòu)成，并且有滑環(huán)，滑環(huán)用于將轉(zhuǎn)子繞組形成閉合回路。

下圖為繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)核心結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子都是繞線(xiàn)。

下圖為繞線(xiàn)式感應(yīng)電機(jī)簡(jiǎn)化圖：滑環(huán)和刷子將轉(zhuǎn)子繞組形成閉合回路。

2.2 旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)原理

為了方便理解，我們以簡(jiǎn)單的鼠籠式感應(yīng)電機(jī)為例，來(lái)說(shuō)明感應(yīng)電機(jī)是如何轉(zhuǎn)動(dòng)的。

其實(shí)，在上面(通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受洛倫茲力)的例子中，我們是讓導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，才感應(yīng)出電流。

而感應(yīng)電機(jī)有一點(diǎn)點(diǎn)不同，它是讓定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)變化的磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出電流，進(jìn)而導(dǎo)體受力，一對(duì)力形成力矩，驅(qū)動(dòng)定子轉(zhuǎn)動(dòng)。

那么，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)從何而來(lái)?

首先還得看看單根導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)。

單根通電導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)：右手握住通電導(dǎo)體，大拇指指向電流的方向，四指卷曲方向就是磁場(chǎng)方向。(口訣：左力右向，即左手定則判斷洛倫茲力及安培力，右手定則判斷磁場(chǎng)方向及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向)

同理，我們看看定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們只看三相繞組中的一根導(dǎo)體。

通過(guò)給三相繞組通交流電，定子就產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，如下圖所示。

我們?cè)賮?lái)看看，處于這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的閉合導(dǎo)體，是如何感應(yīng)出電流，并受力矩發(fā)生旋轉(zhuǎn)的。

首先，閉合導(dǎo)體在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中感應(yīng)出電流：如下圖所示，圖中閉合導(dǎo)體剛好處于水平位置，對(duì)于閉合導(dǎo)體外側(cè)，磁場(chǎng)垂直屏幕向外，磁場(chǎng)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于導(dǎo)體向下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用右手定則，讓磁場(chǎng)穿過(guò)手心也就是手心對(duì)準(zhǔn)屏幕，大拇指指向?qū)w運(yùn)動(dòng)方向也就是向下，那么四指朝左，也就是電流向左。同理，可以判斷內(nèi)側(cè)導(dǎo)體的電流方向向右，剛好構(gòu)成回路。

然后，通電導(dǎo)線(xiàn)在磁場(chǎng)中受安培力：運(yùn)用左手定則，讓磁場(chǎng)穿過(guò)左手手心，四指指向?qū)w電流方向，則大拇指指向?yàn)閷?dǎo)體受力方向。很容易判斷出閉合回路外側(cè)導(dǎo)體受力向上，內(nèi)側(cè)導(dǎo)體受力向下，一對(duì)力正好形成力矩，使得閉合導(dǎo)體順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)方向一致)

當(dāng)然，實(shí)際的電機(jī)繞組有很多根導(dǎo)線(xiàn)，而閉合回路由導(dǎo)體和兩端的結(jié)構(gòu)形成(鼠籠式感應(yīng)電機(jī))。

這就是感應(yīng)電機(jī)的基本原理。

如果用一句話(huà)概括，就是：定子繞組通入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在閉合轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中感應(yīng)出電流，帶電導(dǎo)體受力(力矩)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

3. 直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)原理

前面我們分享了旋轉(zhuǎn)感應(yīng)電機(jī)的原理，其實(shí)，如果把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展開(kāi)并平鋪，就得到了直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)。

我們?cè)賮?lái)看看，直線(xiàn)感應(yīng)是如何工作的。

如下圖所示，假設(shè)線(xiàn)圈通電，產(chǎn)生的磁場(chǎng)向下，當(dāng)電流變化時(shí)，它產(chǎn)生的磁場(chǎng)向右移動(dòng)，就相當(dāng)于導(dǎo)桿向左運(yùn)動(dòng)，使用右手定則，判斷出導(dǎo)體電流垂直屏幕向外，再根據(jù)洛倫茲原理，容易判斷出帶電導(dǎo)體受力向右，于是跟隨磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)。

這就是直線(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的基本原理。

4. 感應(yīng)電機(jī)的特性

感應(yīng)電機(jī)有一個(gè)顯著的特征，就是轉(zhuǎn)子速度n2小于定子磁場(chǎng)n1的旋轉(zhuǎn)速度，因?yàn)橹挥挟?dāng)n2小于n1時(shí)，才會(huì)感應(yīng)出電流，所以感應(yīng)電機(jī)也叫異步電機(jī)。

感應(yīng)電機(jī)，定子通交流電，轉(zhuǎn)子有感應(yīng)導(dǎo)體桿或者感應(yīng)線(xiàn)圈。

因?yàn)槎ㄗ油ㄟ^(guò)交流電時(shí)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而轉(zhuǎn)子感應(yīng)后也產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)相吸，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)(這是從磁場(chǎng)角度來(lái)說(shuō)明感應(yīng)電機(jī)的原理)。

隨著驅(qū)動(dòng)器的發(fā)展，現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)變頻率驅(qū)動(dòng)，Variable Frequency Drive (VFD)，通過(guò)改變頻率，改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而改變定子旋轉(zhuǎn)速度。

5. 感應(yīng)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

控制方式多樣：因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)沒(méi)有永磁鐵，所以也更容易通過(guò)實(shí)施磁場(chǎng)弱化，變頻等來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和扭矩?？捎糜趯?duì)扭矩密度要求不高的工業(yè)或者家用應(yīng)用，具有自啟動(dòng)，經(jīng)濟(jì)，可靠等優(yōu)點(diǎn)。

低成本：與同步和直流電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)非常便宜。這是由感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)決定。所以，對(duì)于工業(yè)中的定速應(yīng)用，以及可輕松連接交流電源的商業(yè)和家庭應(yīng)用，感應(yīng)電機(jī)是首選。

維護(hù)成本低：感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，因此維護(hù)也很容易，從而降低了維護(hù)成本。

易于操作：感應(yīng)電機(jī)是自啟動(dòng)電機(jī)(通交流電就自己跑起來(lái))，它運(yùn)作非常簡(jiǎn)單，因?yàn)檗D(zhuǎn)子上沒(méi)有電連接器。

速度變化：感應(yīng)電機(jī)的速度變化幾乎恒定。從空載到額定負(fù)載，速度通常僅變化幾個(gè)百分點(diǎn)。

高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：感應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，這使得在電機(jī)起動(dòng)之前可以施加負(fù)載。三相感應(yīng)電機(jī)具有與同步電機(jī)不同的自啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但是，單相感應(yīng)電機(jī)沒(méi)有自啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，只能使用一些輔助裝置使其旋轉(zhuǎn)。

耐用性：感應(yīng)電機(jī)的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是耐用性，可以使電機(jī)運(yùn)行多年，而無(wú)需花費(fèi)任何成本和維護(hù)費(fèi)用。

缺點(diǎn)：

與永磁鐵電機(jī)相比，感應(yīng)電機(jī)效率低些，因?yàn)楦袘?yīng)電流會(huì)產(chǎn)生電流熱損耗。