感应电动机结构特点_工作原理_优缺点

感应电动机是工业和家庭应用中使用最广泛的交流电动机。你肯能会问，为什么会这样？这是因为感应电机具有低成本、简单和坚固的结构等优势特点。此外，感应电机还具有良好的运行特性，效率高达90%。感应电机没有任何换向器，就像在直流电机中介绍的那样，所以它提供了良好的速度调节并且没有任何火花。

因此，凭借这么多优势，使用感应电机来满足机械功率需求变得至关重要。那么，感应电机究竟有什么样的结构特点，其工作原理优势怎样的？下面一起来看看。

基本构造

感应电动机由机架、铁芯定子、转子、轴和轴承组成。

1、外机框架

机架是电机的外壳，它支撑定子铁芯并保护机器的内部部件免受周围环境的影响。

2、铁芯定子

定子由一堆环形硅钢片组成，它安装在定子框架内并在其内周边包含槽。这些槽承载三相绕组，在空间上相隔120度。下图显示了定子中三相绕组的分布：

3、转子

转子由一堆圆柱形叠片组成，它的外周有冲孔槽，里面装有转子绕组。根据绕组类型，转子分为两类。

• 鼠笼式转子

该转子使用铜条或铝条作为转子导体，转子的每个槽都承载一根与铁芯没有任何绝缘的导体。所有导体都被环形环（又名端环）短路。

• 绕线转子

它使用电线或皮带作为转子绕组，三相绕组在转子上的分布与定子相似，绕组通过滑环和电刷连接到外部电阻。与鼠笼式转子相比，绕线转子提供更高的启动扭矩。

3、轴和轴承

感应电动机使用滚珠轴承，这些轴承支撑转子轴并使其平稳旋转。

工作原理

感应电动机遵循这两个定律产生单向转矩。

1、法拉第电磁感应定律

该定律指出，放置在变化的磁场中的导体会感应出电磁力 (EMF)。闭合导体导致电流流动，称为感应电流。

2、洛伦兹力定律

该定律指出放置在磁场中的载流导体会受到力。导体上的力与电流和磁场的方向正交。

在了解这些定律如何控制感应电机的旋转之前，首先来看看定子如何产生旋转磁场。

旋转磁场的概念

旋转磁场的产生需要两个基本条件：

• 三相分布式绕组；绕组的轴线必须形成120度的空间角。
• 三相交流电源；三相电流大小相等，但时间相差120度。下图显示了三相源的正弦波，可以看出每相电流如何在不同时间达到其峰值。

当将此三相电源提供给定子绕组时，绕组开始产生磁通量。下图显示了三相供电后三相的磁通量方向：

但是，当来自三相源的电流在不同的时刻达到峰值时，磁通量将遵循相同的行为。考虑波形中的X、Y和Z时刻，下面简单分析分析。

在X点

在X点，A相的电流幅值大于B相和C相。而且，A相电流为正，而B相和C相电流为负。所以，如果表示X点的磁场矢量，它看起来像下图这样，注意合成磁场的方向。

在Y点

在Y点，B相中的电流幅值大于正值。下图显示了Y点磁场矢量的方向。在这种情况下，合成磁场的方向发生了变化。

在Z点

在Z点，C相的电流幅度更大且为正。磁场的矢量表示如下图所示。请注意，合成磁场的方向再次发生了变化。

从以上三个时刻，可以得出结论，磁场的合成大小始终保持均匀，但其方向呈周期性变化。在追踪磁场矢量的轨迹时，能够得到一个圆。因此，将三相电流施加到三相分布式绕组会产生旋转磁场，磁场以称为同步速度的恒定速度旋转。

转子如何在感应电动机中旋转？

所以，在旋转磁场产生后，转子导体开始与磁场相互作用。如下图所示，假设转子导体与磁场相互作用。

这种相互作用会在导体中感应出电流（根据法拉第电磁感应定律）。现在，根据洛伦兹定律，一个力开始作用在导体上，该力倾向于使转子沿一个方向移动，如下图所示。

转子慢慢开始加速并试图达到定子的同步速度。由此可以得出结论，感应电动机是自启动的，只需要一个励磁源即可。

如果转子达到同步速度会怎样？

因此，当转子开始旋转时，定子磁场和转子导体之间存在较宽的相对速度。随着转子加速，该相对速度开始下降。因此，转子导体中的电流开始减少。

现在，假设它们之间的相对速度变为零，转子开始以同步速度旋转。发生这种情况时，磁场不再与转子导体相互作用。因此，转子导体中没有电流流动。结果，没有力作用在转子导体上。因此，转子速度将降低。转子总是试图赶上同步速度，但是不可能达到。

因此可以知道，感应电动机总是以低于同步速度的速度运行，所以它也被称为异步电动机。

什么是滑差？

从上面的内容介绍可以看到，旋转磁场和转子导体之间总是存在速度差，这种速度差异称为滑差。如果用 ( Ns ) 表示同步速度，用 ( Nr ) 表示转子速度，则滑差 ( s ) 由下式给出

s = (Ns – Nr)/Ns

滑差的值始终介于0和1之间。

优缺点

感应电机的优点主要表现在以下几个方面：

• 坚固耐用，因此它的工作不受外部环境条件的影响。
• 与同步电机相比，它们具有高启动转矩。
• 感应电动机是自启动的。因此，与同步电动机不同，不需要启动方法。
• 鼠笼式感应电动机不需要换向器、电刷和滑环，它消除了火花问题并降低了整体电机成本。

感应电机的缺点主要表现在以下几个方面：

• 大容量感应电机需要启动器才能使电机平稳运行，启动器将电机的输入电流降低到安全值，否则会在系统中产生电压降。
• 感应电动机在轻载条件下以滞后的功率因数运行，因此它需要功率因数校正装置。
• 感应电机的速度控制有点挑战。相反，对于广泛的速度控制，直流电机是首选。

总结

简答来说，感应电动机就是通过定子产生的旋转磁场与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。因此，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置。

感应电机的应用非常广泛，常见的应用例如车床系统、光电组合装置、阀门控制系统、核反应堆、平面磨床、数控机床、自动绕线机、电子钟表及医疗设备等领域。