電機分類

按照運動方式分類的話，感應電機又可以分為旋轉(zhuǎn)感應電機和直線感應電機，其中旋轉(zhuǎn)感應電機又可進一步分為鼠籠式感應電機和繞線式感應電機。本文主要講解旋轉(zhuǎn)感應電機。

在講解之前先分析一下，感應電機中的“感應”是什么意思。

1. “感應”指的是什么

1.1 法拉第電磁感應定律

法拉第電磁感應定律指出：導線線圈的磁性環(huán)境發(fā)生任何變化，都會導致線圈中感應出電動勢，稱為感應電動勢(EMF, Electromotive Force)。

不管磁變化是如何產(chǎn)生的，無論是通過使磁體和線圈相對移動，還是通過改變磁場，都會產(chǎn)生電壓。

磁體和線圈相對移動，右邊線圈所處的磁場環(huán)境發(fā)生變化，在其中感應出電壓。

磁體和線圈相對不動，但是左邊線圈產(chǎn)生的磁場，因為交流電本身是變化的，在左邊線圈中產(chǎn)生了變化的磁場，所以也在右邊線圈感應出電壓，并點亮接入電路的燈泡。

聯(lián)想一下直流電機，當轉(zhuǎn)子線圈快速轉(zhuǎn)動時，它所處的磁場也會發(fā)生變化，進而產(chǎn)生感應電動勢，這個感應電動勢與轉(zhuǎn)子線圈的輸入電壓相反，稱為反電動勢。反電動勢與電機的速度、電流、磁場強度成正比，它會降低線圈兩端的電壓，從而降低線圈電流并限制加速度。

1.2 通電導線在磁場中受安培力(宏觀受安培力，微觀受洛倫茲力)

當導線線圈的磁性環(huán)境發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生感應電動勢。

由于線圈是閉合回路，線圈中將產(chǎn)生感應電流。通電導線在磁場中會受到安培力的作用。

力的方向判斷方法為：讓磁場穿過左手手心，四指指向電流的方向，大拇指所指示的方向就是導線受力方向。(此方法又被稱為左手定則)

1.3 總結(jié)

其實，感應電機正是結(jié)合了上述兩個基本原理：法拉第電磁感應原理和通電導線在磁場中受安培力的原理。

法拉第電磁感應原理讓轉(zhuǎn)子(旋轉(zhuǎn)感應電機)或者移動部件(直線感應電機)中閉合導體產(chǎn)生電流。

通電導線在磁場中受安培力的原理讓帶電導體受力。

2. 旋轉(zhuǎn)感應電機

2.1 兩類旋轉(zhuǎn)感應電機結(jié)構(gòu)圖

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

鼠籠式感應電機廣泛應用于工業(yè)領(lǐng)域，尤其是在不需要速度控制的場合，例如：潛水泵，車床，磨床，輸送帶，面粉廠，壓縮機等低機械功率的應用。

滑環(huán)感應電機用于需要高初始轉(zhuǎn)矩的重載應用中，例如：鋼廠，提升和起重機，傳動軸和其他重型機械車間等。

鼠籠式感應電機

下圖為鼠籠式感應電機結(jié)構(gòu)。(來自東方電機)

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

繞線式感應電機

下圖為繞線式感應電機結(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。

下圖為繞線式感應電機核心結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子都是繞線。

下圖為繞線式感應電機簡化圖：滑環(huán)和刷子將轉(zhuǎn)子繞組形成閉合回路。

2.2 旋轉(zhuǎn)感應電機原理

為了方便理解，我們以簡單的鼠籠式感應電機為例，來說明感應電機是如何轉(zhuǎn)動的。

其實，在上面(通電導線在磁場中受洛倫茲力)的例子中，我們是讓導體相對于磁場運動，才感應出電流。

而感應電機有一點點不同，它是讓定子磁場旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)變化的磁場在轉(zhuǎn)子導體中感應出電流，進而導體受力，一對力形成力矩，驅(qū)動定子轉(zhuǎn)動。

那么，旋轉(zhuǎn)磁場從何而來?

首先還得看看單根導線產(chǎn)生的磁場。

單根通電導線產(chǎn)生的磁場：右手握住通電導體，大拇指指向電流的方向，四指卷曲方向就是磁場方向。(口訣：左力右向，即左手定則判斷洛倫茲力及安培力，右手定則判斷磁場方向及感應電動勢方向)

同理，我們看看定子繞組產(chǎn)生的磁場，簡單起見，我們只看三相繞組中的一根導體。

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

我們再來看看，處于這個旋轉(zhuǎn)磁場中的閉合導體，是如何感應出電流，并受力矩發(fā)生旋轉(zhuǎn)的。

首先，閉合導體在旋轉(zhuǎn)磁場中感應出電流：如下圖所示，圖中閉合導體剛好處于水平位置，對于閉合導體外側(cè)，磁場垂直屏幕向外，磁場順時針旋轉(zhuǎn)，相當于導體向下運動，運用右手定則，讓磁場穿過手心也就是手心對準屏幕，大拇指指向?qū)w運動方向也就是向下，那么四指朝左，也就是電流向左。同理，可以判斷內(nèi)側(cè)導體的電流方向向右，剛好構(gòu)成回路。

然后，通電導線在磁場中受安培力：運用左手定則，讓磁場穿過左手手心，四指指向?qū)w電流方向，則大拇指指向為導體受力方向。很容易判斷出閉合回路外側(cè)導體受力向上，內(nèi)側(cè)導體受力向下，一對力正好形成力矩，使得閉合導體順時針旋轉(zhuǎn)。(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向與磁場旋轉(zhuǎn)方向一致)

當然，實際的電機繞組有很多根導線，而閉合回路由導體和兩端的結(jié)構(gòu)形成(鼠籠式感應電機)。

這就是感應電機的基本原理。

如果用一句話概括，就是：定子繞組通入交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在閉合轉(zhuǎn)子導體中感應出電流，帶電導體受力(力矩)，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

3. 直線感應電機原理

前面我們分享了旋轉(zhuǎn)感應電機的原理，其實，如果把旋轉(zhuǎn)電機展開并平鋪，就得到了直線感應電機。

我們再來看看，直線感應是如何工作的。

如下圖所示，假設線圈通電，產(chǎn)生的磁場向下，當電流變化時，它產(chǎn)生的磁場向右移動，就相當于導桿向左運動，使用右手定則，判斷出導體電流垂直屏幕向外，再根據(jù)洛倫茲原理，容易判斷出帶電導體受力向右，于是跟隨磁場運動。

這就是直線感應電機的基本原理。

4. 感應電機的特性

感應電機有一個顯著的特征，就是轉(zhuǎn)子速度n2小于定子磁場n1的旋轉(zhuǎn)速度，因為只有當n2小于n1時，才會感應出電流，所以感應電機也叫異步電機。

感應電機，定子通交流電，轉(zhuǎn)子有感應導體桿或者感應線圈。

因為定子通過交流電時會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，而轉(zhuǎn)子感應后也產(chǎn)生磁場，磁場相吸，進而帶動轉(zhuǎn)子跟隨轉(zhuǎn)動(這是從磁場角度來說明感應電機的原理)。

隨著驅(qū)動器的發(fā)展，現(xiàn)在可以實現(xiàn)變頻率驅(qū)動，Variable Frequency Drive (VFD)，通過改變頻率，改變旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，進而改變定子旋轉(zhuǎn)速度。

5. 感應電機的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

控制方式多樣：因為感應電機沒有永磁鐵，所以也更容易通過實施磁場弱化，變頻等來實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和扭矩?？捎糜趯εぞ孛芏纫蟛桓叩墓I(yè)或者家用應用，具有自啟動，經(jīng)濟，可靠等優(yōu)點。

低成本：與同步和直流電機相比，感應電機非常便宜。這是由感應電機的設計決定。所以，對于工業(yè)中的定速應用，以及可輕松連接交流電源的商業(yè)和家庭應用，感應電機是首選。

維護成本低：感應電機的結(jié)構(gòu)非常簡單，因此維護也很容易，從而降低了維護成本。

易于操作：感應電機是自啟動電機(通交流電就自己跑起來)，它運作非常簡單，因為轉(zhuǎn)子上沒有電連接器。

速度變化：感應電機的速度變化幾乎恒定。從空載到額定負載，速度通常僅變化幾個百分點。

高啟動轉(zhuǎn)矩：感應電機的起動轉(zhuǎn)矩高，這使得在電機起動之前可以施加負載。三相感應電機具有與同步電機不同的自啟動轉(zhuǎn)矩。但是，單相感應電機沒有自啟動轉(zhuǎn)矩，只能使用一些輔助裝置使其旋轉(zhuǎn)。

耐用性：感應電機的另一個主要優(yōu)點是耐用性，可以使電機運行多年，而無需花費任何成本和維護費用。

缺點：

與永磁鐵電機相比，感應電機效率低些，因為感應電流會產(chǎn)生電流熱損耗。