单相异步(感应)电机概述

电机分类

按照运动方式分类的话，感应电机又可以分为旋转感应电机和直线感应电机，其中旋转感应电机又可进一步分为鼠笼式感应电机和绕线式感应电机。本文主要讲解旋转感应电机。

在讲解之前先分析一下，感应电机中的“感应”是什么意思。

1. “感应”指的是什么

1.1 法拉第电磁感应定律

法拉第电磁感应定律指出：导线线圈的磁性环境发生任何变化，都会导致线圈中感应出电动势，称为感应电动势(EMF, Electromotive Force)。

不管磁变化是如何产生的，无论是通过使磁体和线圈相对移动，还是通过改变磁场，都会产生电压。

磁体和线圈相对移动，右边线圈所处的磁场环境发生变化，在其中感应出电压。

磁体和线圈相对不动，但是左边线圈产生的磁场，因为交流电本身是变化的，在左边线圈中产生了变化的磁场，所以也在右边线圈感应出电压，并点亮接入电路的灯泡。

联想一下直流电机，当转子线圈快速转动时，它所处的磁场也会发生变化，进而产生感应电动势，这个感应电动势与转子线圈的输入电压相反，称为反电动势。反电动势与电机的速度、电流、磁场强度成正比，它会降低线圈两端的电压，从而降低线圈电流并限制加速度。

1.2 通电导线在磁场中受安培力(宏观受安培力，微观受洛伦兹力)

当导线线圈的磁性环境发生变化时，线圈中将产生感应电动势。

由于线圈是闭合回路，线圈中将产生感应电流。通电导线在磁场中会受到安培力的作用。

力的方向判断方法为：让磁场穿过左手手心，四指指向电流的方向，大拇指所指示的方向就是导线受力方向。(此方法又被称为左手定则)

1.3 总结

其实，感应电机正是结合了上述两个基本原理：法拉第电磁感应原理和通电导线在磁场中受安培力的原理。

法拉第电磁感应原理让转子(旋转感应电机)或者移动部件(直线感应电机)中闭合导体产生电流。

通电导线在磁场中受安培力的原理让带电导体受力。

2. 旋转感应电机

2.1 两类旋转感应电机结构图

旋转感应电机，按照转子结构的不同，可以分为鼠笼式感应电机(Squirrel Cage Induction Motor)和绕线式感应电机(Wound Rotor Induction Motor)，绕线式感应电机也称为滑环感应电机(Slip Ring Induction Motor)。

鼠笼式感应电机广泛应用于工业领域，尤其是在不需要速度控制的场合，例如：潜水泵，车床，磨床，输送带，面粉厂，压缩机等低机械功率的应用。

滑环感应电机用于需要高初始转矩的重载应用中，例如：钢厂，提升和起重机，传动轴和其他重型机械车间等。

鼠笼式感应电机

下图为鼠笼式感应电机结构。(来自东方电机)

下图为鼠笼式感应核心结构：外面是定子绕组，里面是导体，导体由两端导体盘连接，形成闭合回路。

绕线式感应电机

下图为绕线式感应电机结构，显著特征是转子也由绕组构成，并且有滑环，滑环用于将转子绕组形成闭合回路。

下图为绕线式感应电机核心结构，定子和转子都是绕线。

下图为绕线式感应电机简化图：滑环和刷子将转子绕组形成闭合回路。

2.2 旋转感应电机原理

为了方便理解，我们以简单的鼠笼式感应电机为例，来说明感应电机是如何转动的。

其实，在上面(通电导线在磁场中受洛伦兹力)的例子中，我们是让导体相对于磁场运动，才感应出电流。

而感应电机有一点点不同，它是让定子磁场旋转，旋转变化的磁场在转子导体中感应出电流，进而导体受力，一对力形成力矩，驱动定子转动。

那么，旋转磁场从何而来?

首先还得看看单根导线产生的磁场。

单根通电导线产生的磁场：右手握住通电导体，大拇指指向电流的方向，四指卷曲方向就是磁场方向。(口诀：左力右向，即左手定则判断洛伦兹力及安培力，右手定则判断磁场方向及感应电动势方向)

同理，我们看看定子绕组产生的磁场，简单起见，我们只看三相绕组中的一根导体。

通过给三相绕组通交流电，定子就产生了旋转的磁场，如下图所示。

我们再来看看，处于这个旋转磁场中的闭合导体，是如何感应出电流，并受力矩发生旋转的。

首先，闭合导体在旋转磁场中感应出电流：如下图所示，图中闭合导体刚好处于水平位置，对于闭合导体外侧，磁场垂直屏幕向外，磁场顺时针旋转，相当于导体向下运动，运用右手定则，让磁场穿过手心也就是手心对准屏幕，大拇指指向导体运动方向也就是向下，那么四指朝左，也就是电流向左。同理，可以判断内侧导体的电流方向向右，刚好构成回路。

然后，通电导线在磁场中受安培力：运用左手定则，让磁场穿过左手手心，四指指向导体电流方向，则大拇指指向为导体受力方向。很容易判断出闭合回路外侧导体受力向上，内侧导体受力向下，一对力正好形成力矩，使得闭合导体顺时针旋转。(转子旋转方向与磁场旋转方向一致)

当然，实际的电机绕组有很多根导线，而闭合回路由导体和两端的结构形成(鼠笼式感应电机)。

这就是感应电机的基本原理。

如果用一句话概括，就是：定子绕组通入交流电，产生旋转磁场，在闭合转子导体中感应出电流，带电导体受力(力矩)，驱动转子旋转。

3. 直线感应电机原理

前面我们分享了旋转感应电机的原理，其实，如果把旋转电机展开并平铺，就得到了直线感应电机。

我们再来看看，直线感应是如何工作的。

如下图所示，假设线圈通电，产生的磁场向下，当电流变化时，它产生的磁场向右移动，就相当于导杆向左运动，使用右手定则，判断出导体电流垂直屏幕向外，再根据洛伦兹原理，容易判断出带电导体受力向右，于是跟随磁场运动。

这就是直线感应电机的基本原理。

4. 感应电机的特性

感应电机有一个显著的特征，就是转子速度n2小于定子磁场n1的旋转速度，因为只有当n2小于n1时，才会感应出电流，所以感应电机也叫异步电机。

感应电机，定子通交流电，转子有感应导体杆或者感应线圈。

因为定子通过交流电时会产生旋转磁场，而转子感应后也产生磁场，磁场相吸，进而带动转子跟随转动(这是从磁场角度来说明感应电机的原理)。

随着驱动器的发展，现在可以实现变频率驱动，Variable Frequency Drive (VFD)，通过改变频率，改变旋转磁场的旋转速度，进而改变定子旋转速度。

5. 感应电机的优缺点

优点：

控制方式多样：因为感应电机没有永磁铁，所以也更容易通过实施磁场弱化，变频等来实现不同的转速和扭矩。可用于对扭矩密度要求不高的工业或者家用应用，具有自启动，经济，可靠等优点。

低成本：与同步和直流电机相比，感应电机非常便宜。这是由感应电机的设计决定。所以，对于工业中的定速应用，以及可轻松连接交流电源的商业和家庭应用，感应电机是首选。

维护成本低：感应电机的结构非常简单，因此维护也很容易，从而降低了维护成本。

易于操作：感应电机是自启动电机(通交流电就自己跑起来)，它运作非常简单，因为转子上没有电连接器。

速度变化：感应电机的速度变化几乎恒定。从空载到额定负载，速度通常仅变化几个百分点。

高启动转矩：感应电机的起动转矩高，这使得在电机起动之前可以施加负载。三相感应电机具有与同步电机不同的自启动转矩。但是，单相感应电机没有自启动转矩，只能使用一些辅助装置使其旋转。

耐用性：感应电机的另一个主要优点是耐用性，可以使电机运行多年，而无需花费任何成本和维护费用。

缺点：

与永磁铁电机相比，感应电机效率低些，因为感应电流会产生电流热损耗。