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。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、、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。
- 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。