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感应电动机

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图示为三相全封闭风扇冷却(TEFC)感应电动机，左图中电动机是装有端盖的，右图中电动机为卸下端盖后的冷却风扇。在全封闭风扇冷却电动机中，内部的热耗主要通过风扇强迫空气对流并借助外壳的散热片使之耗散。

感应电动机，也称为异步电动机，是一种交流电动机，其转子中产生转矩所需的电流是通过定子绕组磁场的电磁感应获得的。[1]因此，尽管转子在没有电连接的情况下，感应电动机也能产生转矩。 感应电动机的转子可以是绕线式的，也可以是鼠笼式的。

三相鼠笼式感应电动机因其自起动方式、可靠和经济等优点而被广泛用作工业驱动。单相感应电动机广泛用于较小的负载，如风扇等家用电器。虽然传统上感应电动机用于定速驱动，但现在其越来越多地与变频器（VFD）一起用于变速驱动。变频调速为现有和未来的异步电机在可变转矩的离心式风机、泵和压缩机等负载的应用中提供了特别重要的节能方式。鼠笼式感应电动机广泛应用在定速和变频调速领域。

1 历史编辑

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）发明的感应电动机模型，收藏在贝尔格莱德的尼古拉·特斯拉博物馆

图为鼠笼式电动机的架构，只显示三层定子的叠片

1824年，法国物理学家弗朗索瓦·阿拉戈（François Arago）提出了旋转磁场的存在，称为阿拉戈旋转（Arago's rotations）。 沃尔特·贝利（Walter Baily）在1879年通过手动开关证明了这一点，这实际上是第一个原始感应电动机。[2][3][4][5][6][7][8]

匈牙利工程师奥托·布莱斯（Ottó Bláthy）发明了第一台无换向器的两相交流感应电动机；他用两相电动机推动他的发明——电表。[9][10]

第一台交流无换向器三相感应电动机是由伽利略·法拉利（Galileo Ferraris）和尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）各自独立发明的，前者在1885年而后者在1887年分别演示了一种工作电动机模型。特斯拉于1887年10月和11月申请了美国专利，并且其中一些专利在1888年5月被授权了。1888年4月 都灵皇家科学院 （Royal Academy of Science of Turin）发表了法拉利关于其交流多相电机的研究，详细说明了电机运行的基础。[5][11] 1888年5月，特斯拉向美国电气工程师学会(AIEE)提交了一份关于交流电动机和变压器的一种新系统的技术论文。 [12][13][14][15][16] 论文描述了三种四极电机类型:一种是四极转子构成的非自起动磁阻电机，另一种是绕线转子构成的自起动感应电机，第三种是真正的同步电机，其转子绕组采用单独励磁直流供电。

当时正在开发交流电源系统的乔治·西屋（George Westinghouse）获得了特斯拉1888年的专利授权，并购买了法拉利感应电机概念的一项美国专利。[17] 特斯拉还被聘为一年的顾问。西屋公司的员工C. F .斯科特（C. F. Scott）被指派协助特斯拉，后来他接管了西屋公司感应电动机的开发工作。[12][18][19][20] 米哈伊尔·多里沃-多布罗沃斯基（Mikhail Dolivo-Dobrovolsky）坚定不移地推动三相技术发展，于1889年发明了笼式转子感应电机，于1890年发明了三柱变压器。[21][22] 此外，他声称特斯拉的电机不实用，因为它是两相脉动的，这促使他坚持自己三相的工作。[23]尽管西屋公司在1892年研发了第一台实用的感应电机，并在1893年开发了一条多相60赫兹感应电动机生产线，但这些早期的西屋公司电机是带有绕线转子的两相电机，直到B. G. 莱姆（B. G. Lamme）开发出棒形绕组转子。[12]

1891年，美国通用电气公司（General Electric Company）开始开发三相感应电动机。[12] 到1896年，通用电气和西屋电气签署了一项交叉许可协议，设计了这种棒形绕组转子，后来被称为鼠笼式转子。[12] 亚瑟·E·肯涅利（Arthur E. Kennelly）第一个提出复数的全部意义(使用 j 表示负1的平方根)，代表90°旋转算子以便于分析交流问题。[24] 通用电气公司的查尔斯·普罗特斯·斯泰因梅茨（Charles Proteus Steinmetz）极大地推广了交流复数的应用，包括现在通常称为感应电机斯坦梅茨等效电路的分析模型。[12][25][26][27]

由于这些发明和创新，感应电动机得到了改进，比如当时一台100马力的感应电动机的安装尺寸与1897年7.5马力的电动机是相同的。[12]

2 操作原理编辑

电枢中通入三相交流电时，感应电动机中产生旋转磁场

内部转差率——由于定子磁场旋转频率与转子频率不等

不管是感应电动机还是同步电动机中，提供给电动机定子的交流电源会产生一个与交流振荡同步旋转的磁场。然而，同步电动机的转子以与定子磁场相同的速度转动，而感应电机的转子以比定子磁场稍慢的速度转动。因此，感应电机定子的磁场相对于转子是变化或旋转的。 这就意味着当感应电动机的转子短路或外部阻抗闭合时，就会在转子中产生反向电流，实际上就是电动机的次级绕组。[28]旋转磁通量在转子绕组中产生的感应电流，[29]其方式类似于变压器次级绕组中产生的感应电流。

转子绕组中的感应电流反过来又在转子中产生与定子磁场反作用的磁场，由于楞次定律，所产生的磁场方向会与通过转子绕组的电流变化相反。转子绕组中感应电流的产生是由于定子磁场旋转，因此为了对抗转子绕组电流的变化，转子将开始沿定子磁场旋转的方向旋转。转子会继续加速，直到转子的感应电流和扭矩的大小能平衡转子旋转时施加的机械负载。由于以同步转速旋转时不会产生感应转子电流，所以感应电动机的运行速度总是比同步转速稍慢。采用标准设计的B类转矩曲线感应电动机，实际值和同步转速值之间的差值，或称之为“转差率”，其变化范围从大约0.5%到5.0%不等。[30]感应电动机的本质特征是它完全由感应产生，而不是像同步电机或直流电机那样被单独励磁，也不像永磁电机那样自磁化。[28]

为了产生感应转子电流，物理转子的速度必须低于定子旋转磁场的速度(  )；否则磁场不会相对于转子导体运动，也不会产生感应电流。随着转子速度下降到同步转速以下，转子中磁场的旋转速度增加，在绕组中产生更大的感应电流，进而产生更大的扭矩。转子感应磁场的旋转速度与定子旋转磁场的旋转速度之比被称为“转差率”。在带负载时，旋转速度下降，同时转差率会增加，直到足以产生足够的扭矩来带动负载。因此，感应电动机有时会被称为“异步电动机”。[31]

感应电动机可以作为感应发电机使用，或者可以展开形成线性感应电动机，它可以直接产生线性运动。感应电动机的发电模式因需要激励转子而变得复杂，转子仅靠本身剩磁自行励磁。在某些情况下，剩余磁化强度足以使电机在负载下自激。因此，有必要快速起动电机并立即将其连接到带电电网，或者添加最初由剩磁充电的电容，并在运行期间提供所需的无功功率。类似地，感应电动机与同步电动机并联运行，可以作为功率因数补偿器。发电机模式与电网并联的一个特点是转子速度高于驱动模式，进而有功电能被输入到电网。[2] 感应电动机发电机的另一个缺点是它会消耗大量的励磁电流I0 = (20-35)%。

2.1 同步转速

交流电机的同步转速，  ，即是定子磁场的旋转速度，

 ,

式中  是电源的频率，  是定子磁极的数量，以及  是电机的同步转速。  的单位：赫兹，  的单位：RPM，公式为:

 。[32][33]

例如，对于一个三相的四极电动机，  = 4，则同步转速  =1500RPM（当  =50Hz)和1800RPM(当  =60Hz)。

上面左右两个图分别显示了一个由三个极对组成的二极三相电机，每个极对相隔60°。

2.2 转差率

转差率，  ，定义为相同频率下的同步转速和运行转速之差，以rpm或百分比或同步转速比率表示。因此

 

式中  为定子同步转速，  是转子的转动速度。[34][35]转差率的变化从0（转子转速等于同步转速时）到1（转子静止时）不等，它决定了电机的扭矩大小。由于短路的转子绕组电阻很小，即使很小的转差率也会在转子中产生很大的感应电流，并产生很大的扭矩。[36]在满额定负载时，小型或专用电机转差率在5%以上，大型电机的转差率在1%以下。[37]当不同尺寸的电机以机械连接方式连接负载时，这些速度的变化会引起负载分配的问题。[37]有许多方法可以减少转差率，通常采用变频器是最佳的解决方案。[37]

2.3 转矩

标准转矩

四种不同感应电动机的速度-转矩曲线：A) 单相电动机 B) 多相鼠笼转子电动机, C) 多相深槽鼠笼式转子电动机 D) 多相双鼠笼电动机

采用NEMA标准的B类电动机的典型速度-转矩取钱

交流感应电动机在变动负载下，从完全静止加速到其工作点的瞬态解算。

采用NEMA标准设计的B类多相感应电动机的典型速度-转矩关系如右图所示。B类电机适用于大多数低性能负载的工况，如离心泵和风机，它还受以下典型扭矩范围的限制:[30]

  • 临界转矩 (峰值转矩)，为额定转矩的175-300%
  • 堵转转矩 (转差率为100%时的扭矩)，为额定转矩的75-275%
  • 最低起动转矩，为额定转矩的65-190%。

在电机的正常负载工作范围内，转矩变化的斜率近似为线性并且转矩与转差率成比例，由于转子电阻与转差率成反比，  ，也就通过线性关系决定了转矩大小。[38]随着负载增加到额定负载以上，定子和转子漏抗系数相对于  变得更加明显，使得转矩逐渐向临界扭矩弯曲。当负载转矩增加到超过临界扭矩时，电机停止运转。

起动

小型感应电动机有三种基本的类型:单相、分相和罩极型，即小型多相电动机。

在两极单相电机中，在100%转差率(零速度)时转矩变为零，因此需要改变定子设计（例如罩极）来提供起动转矩。单相感应电动机需要单独的起动电路来向电动机提供旋转磁场，这种单相电机内的正常运行绕组会导致转子向任一方向转动，因此起动电路决定了运转方向。

罩极电机的磁通

在某些较小的单相电机中，起动是通过一个被铜线缠绕的罩极来完成的。此时产生的感应电流滞后于电源电流，使罩极的磁极也产生滞后的磁场，这就提供了足够的旋转磁场能量来启动电动机。这些电机通常用于诸如台式风扇和电唱机等等起动转矩需求较低的场合，并且对比其他交流电动机的设计，尽管其效率低，但与它的启动方式和低成本相比，还是可以容忍的。

较大的单相电动机是分相电动机，有次级定子绕组（启动绕组）提供和主绕组有相位差的电流；此电流可以通过电容器给绕组供电或者使其从主绕组接收不同的电感和电阻值来产生。在电容起动设计中，一旦电动机达到速度，次级绕组就断开，通常是通过作用在电动机轴上的离心开关重量或加热热敏电阻来增加其电阻，从而将通过次级绕组的电流降低到无关紧要的水平。这中电容起动设计在运行时保持次级绕组导通，提高转矩。电阻起动设计是使用与起动绕组串联的启动器，以产生电抗。

自起动多相感应电动机即使在静止时也能产生转矩。常用的鼠笼式感应电动机起动方法包括直接起动、电抗器或自耦变压器降压起动、星形三角形起动，或者采用越来越多的新型固态软组件，当然还有变频驱动器。[39]

多相电机的转子铜条形状不同的形状可提供不同的速度-扭矩特性。转子铜条内的电流分布根据感应电流的频率而变化。在静止状态时，转子电流与定子电流的频率相同，并且将趋于在笼形转子铜条的最外层部分(由于集肤效应)。不同的铜条形状不仅可以提供各种实用的速度-扭矩特性，还可以控制起动时的涌浪电流。

尽管多相电机本质上是自起动的，但它们起动的起动转矩最大设计值必须足够高，才能克服实际负载。

在绕线转子电机中，转子电路通过滑环连接到外部电阻，以改变转速-扭矩特性，用于加速和速度的控制。

速度控制

电阻

在半导体电力电子学发展之前，很难改变频率，笼型感应电动机主要应用于固定速度的场合。像使用直流驱动的电动桥式起重机和使用带有滑环的绕线转子电机(WRIM)的应用场合，将转子电路连接到可变外部电阻，可允许相当大范围的速度控制。然而，绕线转子电机低速运行时的电阻损耗是一个主要的成本劣势，特别是在恒定负载时。[40]大型滑环电机驱动器，也称为滑环能量回收系统，有一些至今仍在使用，它从转子电路中回收能量，进行整流后，再使用变频器将其返回到电力系统。

级联

一对滑环电机的速度可以通过级联或串联来控制。一台电机的转子与另一台电机的定子相连。[41][42]如果这两个电机以机械方式连接的，它们将以半速运转。该系统曾广泛应用于三相交流铁路机车，如FS Class E. 333。

变频器

变频器

在许多工业变速应用中，由变频器驱动的笼型感应电动机取代了直流电机和绕线转子电机。要控制带了许多负载的异步电动机转速，最常见的有效方法是采用变频器。在过去的三十年中，阻碍采用变频调速的成本和可靠性因素已经大大减少，因此据估计，在所有新安装的电机中，变频驱动技术被采用的比例高达30-40%。[43]

变频驱动器实现了感应电动机的标量或矢量控制。对于标量控制，只有控制电源电压的大小和频率而不控制相位(即没有转子位置的反馈)。标量控制适用于负载恒定的场合。矢量控制允许独立控制电机的转速和转矩，因此，在变化的负载转矩下也可以保持恒定的转速。但是实现矢量控制更昂贵，因为需要传感器(并不总是)和更强大的控制器。[44]

3 结构编辑

三相（U、V、W）四极电动机的典型绕组形式。注意极绕组的交叉以及由此产生的四极场

感应电动机的定子由携带电源电流的磁极组成，以产生穿过转子的感应磁场。为了优化磁场的分布，绕组分布在定子周围的槽中，磁场具有相同数量的南北磁极。感应电动机最常见的运行方式是单相或三相电源，但也存在两相电动机；理论上，感应电动机可以有任意数量的相位。许多具有两个绕组的单相电机会配合电容器以产生和电源有90度相位差的电压并将其供给到次级电机绕组，因此可以被视为两相电机。单相电机在启动时需要某种机构来产生旋转磁场。笼型感应电动机的转子铜条通常设计是倾斜的，以避免磁锁定。

整个行业的NEMA和IEC电机框架尺寸标准化，致使电机轴、底座安装、通用特性以及某些电机法兰安装的尺寸具有互换性。由于开放式防水(open, drip proof，ODP)的电机设计允许从外部到内部定子绕组之间的自由空气交换，致使定子绕组温度更低，因此这种类型的电机往往效率稍高。在给定的额定功率下，转速越低的电机尺寸更大。[45]

4 反转编辑

改变感应电动机旋转方向的方法取决于它是三相电机还是单相电机。如果是三相电机，通过交换任何两相的连接，就可以直接实现反转。

如果是单相分相电动机，通过改变初级绕组和起动电路之间的连接来实现换向。然而对于一些专为特定应用而设计的单相分相电动机，其初级绕组和起动电路之间可能已经内部连接，因此不能实现换向。此外，单相罩极电机具有固定的转向，除非拆卸电机并将定子转到原转子方向相反，否则不能改变方向。

5 功率因数编辑

感应电动机的功率因数随负载变化而变化，通常满载时达到0.85或0.90左右，而空载时可低至约0.20，[39] 这是由于定子和转子的漏感以及磁化电抗引起的。[46]功率因数可以通过在单个电机的基础上连接电容来提高，或者更好地，可以通过在覆盖多个电机的公共母线上连接电容来提高。出于经济和其他考虑，电力系统很少将功率因数校正为单位功率因数。[47]产生谐波电流的电力电容器应用需要电力系统的分析，以避免电容器和变压器以及电路电抗之间的谐波共振。[48]为减少谐振风险并简化电力系统的分析，建议采用公共母线功率因数校正。[48]

6 效率编辑

满载时电机效率大约从85%到97%不等，相关电机损耗大致细分如下:[49]

  • 摩擦和风阻，5-15%
  • 铁损或铁芯损耗，15-25%
  • 定子铜损，25-40%
  • 转子铜损，15-25%
  • 杂散负载损耗，10-20%。

许多国家的各种监管机构已经出台并实施立法，鼓励生产和使用更高效的电动机。现在已有法规或者即将出台的相关法规中，强制未来在特定设备中使用高能效感应电动机。

7 斯坦梅茨（Steinmetz）等效电路编辑

斯坦梅茨等效电路，（也称为T型等效电路，是IEEE推荐的等效电路），许多有用的电机时间、电流、电压、速度、功率因数和扭矩之间的关系都可以从分析斯坦梅茨等效电路中得出，它是一个用于描述感应电动机的电能输入如何转换为有用的机械能输出的数学模型。 等效电路是将多相感应电动机在稳态平衡负载条件下等效为单相表示。

斯坦梅茨等效电路可以简单地表示为:

  • 定子电阻和漏抗(  ,  )
  • 转子电阻、漏抗和转差率(  ,   或者  ,  ，和  )
  • 磁化电抗(  )

根据诺尔顿的阿尔杰（Alger）所述，感应电动机只是一个变压器，其磁路被定子绕组和运动的转子绕组之间的气隙隔开。[28]因此，等效电路可以用由理想变压器分开的相应绕组的等效电路元件来表示，或者将转子元件转换到定子侧，如下面的电路和相关方程及参数定义所示。[39][47][50][51][52][53]

斯坦梅茨等效电路

以下经验法则可近似适用于电路:[53][54][55]

  • 最大电流发生在锁定转子电流(LRC)条件下，并略小于  ，标准B类电机的锁定转子电流通常是额定电流的6至7倍之间。[30]
  • 临界转矩  发生在   和  时，使得  。因此，在恒电压输入条件下，低转差率感应电动机的最大额定转矩约为锁定转子电流下额定转矩的一半。
  • 标准的B类笼型感应电动机定子与转子的相对漏抗为[56]

 。

  • 忽略定子电阻，感应电动机的转矩曲线简化为克洛斯（Kloss）方程[57]

 ，其中  是  时的转差率。

8 直线感应电动机编辑

直线感应电动机的工作原理与旋转感应电动机(通常也为三相)相同，它被设计用来输出直线运动。其用途包括磁悬浮、直线推进、直线执行器和液态金属泵送。[58]

9 笔记编辑

  1. That is, electrical connections requiring mechanical commutation, separate-excitation or self-excitation for all or part of the energy transferred from stator to rotor as are found in universal, DC and synchronous motors.
  2. NEMA MG-1 defines a) breakdown torque as the maximum torque developed by the motor with rated voltage applied at rated frequency without an abrupt drop in speed, b) locked-rotor torque as the minimum torque developed by the motor at rest with rated voltage applied at rated frequency, and c) pull-up torque as the minimum torque developed by the motor during the period of acceleration from rest to the speed at which breakdown torque occurs.

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