感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)明改變了人類文明的進(jìn)程

由偉大的科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明的這種具有百年歷史的電動(dòng)機(jī)，即使在今天也是常見的電動(dòng)機(jī)類型。實(shí)際上，全球約50％的電力消耗是由感應(yīng)電動(dòng)機(jī)引起的。讓我們來(lái)研究感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理，或更具體地說(shuō)，是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的天才思維。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的零件

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)有2個(gè)主要部分；定子和轉(zhuǎn)子（圖1）。定子是固定部分，轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)部分。定子基本上是一個(gè)3線圈繞組，并為其提供了三相交流電源輸入。轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)。轉(zhuǎn)子和定子之間會(huì)有一個(gè)很小的間隙，稱為氣隙。徑向氣隙的值可能在0.5到2 mm之間變化。

圖1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子

定子的構(gòu)造細(xì)節(jié)

定子是通過(guò)在鋼或鑄鐵框架內(nèi)堆疊細(xì)縫的高滲,透性鋼疊片制成的。下圖顯示了鋼疊片在框架內(nèi)的布置方式。這里僅顯示了很少的鋼疊片。繞組穿過(guò)定子的槽。

圖2 定子的構(gòu)造細(xì)節(jié)

三相電流流過(guò)定子繞組的影響

當(dāng)三相交流電流通過(guò)繞組時(shí)，會(huì)發(fā)生很有趣的事情。它會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（RMF）。如下圖所示，產(chǎn)生了一個(gè)自然旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。RMF是電機(jī)中的重要概念。我們將在下一部分中看到它是如何產(chǎn)生的。

圖3 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)

旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)（RMF）的概念

為了了解旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的現(xiàn)象，zui好考慮只使用3個(gè)線圈的簡(jiǎn)化三相繞組。載有電流的導(dǎo)線會(huì)在其周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。現(xiàn)在，對(duì)于這種特殊設(shè)置，三相交流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將顯示在特定瞬間。

圖4 在單根導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)并簡(jiǎn)化了繞組

交流電流的分量將隨時(shí)間變化。下圖顯示了另外兩個(gè)實(shí)例，其中由于交流電流的變化，磁場(chǎng)也會(huì)變化。顯然，磁場(chǎng)只是采用不同的方向，但是其大小保持不變。從這三個(gè)位置可以清楚地看到，它就像是強(qiáng)度均勻旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度稱為同步速度。

圖5 A 三相交流電

圖5 B 此處顯示了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的概念

RMF對(duì)閉合導(dǎo)體的影響

假設(shè)您要在這樣的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中放置閉合導(dǎo)體。由于磁場(chǎng)在波動(dòng)，因此根據(jù)法拉第定律，會(huì)在環(huán)路中感應(yīng)出EMF。EMF將通過(guò)回路產(chǎn)生電流。因此，情況變得好像載流回路位于磁場(chǎng)中。根據(jù)洛倫茲定律，這將在回路中產(chǎn)生磁力，因此回路將開始旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

圖6 RMF對(duì)閉合導(dǎo)體的影響

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象。在這里，不是簡(jiǎn)單的循環(huán)，而是使用了類似于松鼠籠的東西。一只松鼠籠上有一些條，這些條被端環(huán)短路。

流經(jīng)定子繞組的三相交流電流會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。因此，與前面的情況一樣，電流將在鼠籠的條形中感應(yīng)出來(lái)并開始旋轉(zhuǎn)。您可以注意到鼠籠棒中感應(yīng)電流的變化。這是由于一對(duì)松鼠棒對(duì)中的磁通量變化率不同，這歸因于其方向不同。條形中電流的這種變化將隨時(shí)間變化。

圖7 與簡(jiǎn)單的繞組情況一樣，RMF在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生扭矩

這就是使用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的原因，轉(zhuǎn)子中的電磁感應(yīng)是通過(guò)磁感應(yīng)而不是直接電連接來(lái)感應(yīng)的。為了幫助進(jìn)行這種電磁感應(yīng)，在轉(zhuǎn)子內(nèi)部裝有絕緣的鐵芯薄片。

圖8 填充在轉(zhuǎn)子中的薄薄的鐵薄片

如此小的鐵層片確保渦流損耗zui小。您可以注意到三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗举|(zhì)上是自啟動(dòng)的。

您還可以注意到，松鼠籠的桿相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸傾斜，或者有偏斜。這是為了防止轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。如果這些條是筆直的，則在轉(zhuǎn)子條對(duì)中的扭矩將有一個(gè)很小的時(shí)間間隔傳遞到下一對(duì)。這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子中的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和振動(dòng)。通過(guò)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中提供偏斜，在一對(duì)導(dǎo)條中的扭矩消失之前，下一對(duì)就起作用了。因此，避免了扭矩波動(dòng)。

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和打滑的概念

您會(huì)在這里注意到磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子都在旋轉(zhuǎn)。但是轉(zhuǎn)子將以什么速度旋轉(zhuǎn)？為了獲得答案，讓我們考慮不同的情況。

考慮轉(zhuǎn)子速度與磁場(chǎng)速度相同的情況。轉(zhuǎn)子在相對(duì)參考系中經(jīng)受磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子都以相同的速度相對(duì)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，因此磁場(chǎng)是固定的。轉(zhuǎn)子將受到恒定的磁場(chǎng)，因此不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流。這意味著在轉(zhuǎn)子條上的力為零，因此轉(zhuǎn)子將逐漸減速。但是隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)子環(huán)將經(jīng)歷變化的磁場(chǎng)，因此感應(yīng)電流和力將再次升高，轉(zhuǎn)子將加速。簡(jiǎn)而言之，轉(zhuǎn)子將永遠(yuǎn)無(wú)法趕上磁場(chǎng)的速度。它以特定速度旋轉(zhuǎn)，該速度略小于同步速度。同步速度和轉(zhuǎn)子速度之差稱為滑差。

為什么感應(yīng)電動(dòng)機(jī)如此受歡迎？

現(xiàn)在，讓我們了解為什么感應(yīng)電動(dòng)機(jī)統(tǒng)治著工業(yè)和家庭。您可以注意到，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)不需要永磁體。它們甚至沒(méi)有其他電機(jī)類似的電刷，換向器環(huán)或位置傳感器。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)也可以自啟動(dòng)。zui重要的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)控制輸入電源頻率輕松控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。

為了正確理解它，讓我們?cè)俅慰紤]簡(jiǎn)單的線圈布置。我們了解到，由于三相輸入功率會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。很明顯，RMF的速度與輸入功率的頻率成正比。由于轉(zhuǎn)子總是試圖趕上RMF，因此轉(zhuǎn)子速度也與交流電源的頻率成正比。

因此，通過(guò)使用變頻驅(qū)動(dòng)器，可以很容易地控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的速度。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的這一特性使它們成為電梯，起重機(jī)甚至電動(dòng)汽車中有吸引力的選擇。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的高速頻段，電動(dòng)汽車能夠以單速變速器運(yùn)行。

圖12 單速變速箱

圖13 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的效率輪廓

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)有趣的特性是，當(dāng)轉(zhuǎn)子由原動(dòng)機(jī)移動(dòng)時(shí)，它也可以像發(fā)電機(jī)一樣工作。在這種情況下，須確保RMF速度始終小于轉(zhuǎn)子速度。

圖14 RMF速度始終小于轉(zhuǎn)子速度

我們相信您現(xiàn)在已經(jīng)清楚地了解了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)背后的巧妙操作原理，以及為什么它仍然統(tǒng)治著家庭和工業(yè)界。