感應電動機的發明改變了人類文明的進程

由偉大的科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明的這種具有百年歷史的電動機，即使在今天也是常見的電動機類型。實際上，全球約50％的電力消耗是由感應電動機引起的。讓我們來研究感應電動機的工作原理，或更具體地說，是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的天才思維。

感應電動機的零件

感應電動機有2個主要部分；定子和轉子（圖1）。定子是固定部分，轉子是旋轉部分。定子基本上是一個3線圈繞組，并為其提供了三相交流電源輸入。轉子位于定子內。轉子和定子之間會有一個很小的間隙，稱為氣隙。徑向氣隙的值可能在0.5到2 mm之間變化。

圖1 感應電動機的定子和轉子

定子的構造細節

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

圖2 定子的構造細節

三相電流流過定子繞組的影響

當三相交流電流通過繞組時，會發生很有趣的事情。它會產生旋轉磁場（RMF）。如下圖所示，產生了一個自然旋轉的磁場。RMF是電機中的重要概念。我們將在下一部分中看到它是如何產生的。

圖3 感應電動機中產生旋轉磁場

旋轉磁場（RMF）的概念

為了了解旋轉磁場的現象，zui好考慮只使用3個線圈的簡化三相繞組。載有電流的導線會在其周圍產生磁場。現在，對于這種特殊設置，三相交流電流產生的磁場將顯示在特定瞬間。

圖4 在單根導線周圍產生磁場并簡化了繞組

交流電流的分量將隨時間變化。下圖顯示了另外兩個實例，其中由于交流電流的變化，磁場也會變化。顯然，磁場只是采用不同的方向，但是其大小保持不變。從這三個位置可以清楚地看到，它就像是強度均勻旋轉的磁場。磁場的旋轉速度稱為同步速度。

圖5 A 三相交流電

圖5 B 此處顯示了旋轉磁場的概念

RMF對閉合導體的影響

假設您要在這樣的旋轉磁場中放置閉合導體。由于磁場在波動，因此根據法拉第定律，會在環路中感應出EMF。EMF將通過回路產生電流。因此，情況變得好像載流回路位于磁場中。根據洛倫茲定律，這將在回路中產生磁力，因此回路將開始旋轉，如圖6所示。

圖6 RMF對閉合導體的影響

感應電動機的工作

感應電動機內部也會發生類似的現象。在這里，不是簡單的循環，而是使用了類似于松鼠籠的東西。一只松鼠籠上有一些條，這些條被端環短路。

流經定子繞組的三相交流電流會產生旋轉磁場。因此，與前面的情況一樣，電流將在鼠籠的條形中感應出來并開始旋轉。您可以注意到鼠籠棒中感應電流的變化。這是由于一對松鼠棒對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間變化。

圖7 與簡單的繞組情況一樣，RMF在轉子上產生扭矩

這就是使用感應電動機的原因，轉子中的電磁感應是通過磁感應而不是直接電連接來感應的。為了幫助進行這種電磁感應，在轉子內部裝有絕緣的鐵芯薄片。

圖8 填充在轉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電動機的一大優勢，因為它本質上是自啟動的。

您還可以注意到，松鼠籠的桿相對于旋轉軸傾斜，或者有偏斜。這是為了防止轉矩波動。如果這些條是筆直的，則在轉子條對中的扭矩將有一個很小的時間間隔傳遞到下一對。這將導致轉子中的轉矩波動和振動。通過在轉子導條中提供偏斜，在一對導條中的扭矩消失之前，下一對就起作用了。因此，避免了扭矩波動。

轉子的轉速和打滑的概念

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

考慮轉子速度與磁場速度相同的情況。轉子在相對參考系中經受磁場。由于磁場和轉子都以相同的速度相對于轉子旋轉，因此磁場是固定的。轉子將受到恒定的磁場，因此不會產生感應電動勢和電流。這意味著在轉子條上的力為零，因此轉子將逐漸減速。但是隨著轉速的降低，轉子環將經歷變化的磁場，因此感應電流和力將再次升高，轉子將加速。簡而言之，轉子將永遠無法趕上磁場的速度。它以特定速度旋轉，該速度略小于同步速度。同步速度和轉子速度之差稱為滑差。

為什么感應電動機如此受歡迎？

現在，讓我們了解為什么感應電動機統治著工業和家庭。您可以注意到，感應電動機不需要永磁體。它們甚至沒有其他電機類似的電刷，換向器環或位置傳感器。感應電動機也可以自啟動。zui重要的優點是可以通過控制輸入電源頻率輕松控制感應電動機的速度。

為了正確理解它，讓我們再次考慮簡單的線圈布置。我們了解到，由于三相輸入功率會產生旋轉磁場。很明顯，RMF的速度與輸入功率的頻率成正比。由于轉子總是試圖趕上RMF，因此轉子速度也與交流電源的頻率成正比。

因此，通過使用變頻驅動器，可以很容易地控制感應電動機的速度。感應電動機的這一特性使它們成為電梯，起重機甚至電動汽車中有吸引力的選擇。由于感應電動機的高速頻段，電動汽車能夠以單速變速器運行。

圖12 單速變速箱

圖13 感應電動機的效率輪廓

感應電動機的另一個有趣的特性是，當轉子由原動機移動時，它也可以像發電機一樣工作。在這種情況下，須確保RMF速度始終小于轉子速度。

圖14 RMF速度始終小于轉子速度

我們相信您現在已經清楚地了解了感應電動機背后的巧妙操作原理，以及為什么它仍然統治著家庭和工業界。