感应电机的原理是什么？它有哪些优缺点？有哪些典型应用？

上次我写了直流电机，有伙伴希望我也写写感应电机（Induction Motor）。

虽然我们设计上用得少，但是，感应电机在家电和工业领域应用颇多，比如洗衣机电机，小型水泵，吊扇等就是用感应电机。

旋转感应电机，分为鼠笼式（Squirrel Cage Induction Motor）和绕线式两种（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。

那么感应电机是怎么动起来的？它有哪些优缺点？

今天我就来分享一下。

1．法拉第电磁感应定律

首先，什么是感应？

其实，这里的感应，不是说你能否感应到她（他），而是说法拉第电磁感应，哈哈。

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。

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。

当条形磁铁插入线圈，线圈中的磁场增强，线圈中感应的电流产生另一个磁场，这个磁场和原来磁场方向相反，以阻止磁场增加（会有反作用力阻止磁体运动）。想一想，这也是电磁感应的基本规律，必然要阻止你变化啊，如果是促进你变化，想一想，后果是不是很严重，也许一不小心就发明了永动机，那你就人生自由了。

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，并由电压表测量。想想，其实变压器也是这个原理，只不过这个变压器线圈中是空的，不能很好地引导磁场，不能充分利用好磁场，效率不高，但是底层逻辑是一样的。

上面线圈通电，产生磁场，在开关打开和闭合时，这个磁场突然发生变化，进而在下面的线圈中感应出电动势，因为电路闭合，产生电流，并由电流表记录电流。如果开关始终保持闭合或者打开状态，则检测不到电流，因为没有磁场变化，没有感应电压产生。

其实之前说的LVDT位移传感器，也是基于电磁感应原理，感兴趣的可以回头再看看。

其实，在永磁电机中，当线圈快速移动时，它所处的磁场也会发生变化，进而产生感应电动势，这个电动势和输入电压作对，所以叫反电动势，反电动势与电机的速度、电流和磁场强度成正比，它会降低线圈两端的电压，从而降低电流并限制加速度。

2．感应电流在磁场中也受洛伦兹力

上面，我们理解了感应电动势，Electromotive Force＝EMF。

那么，如果感应电压接在闭合电路中，是不是就有电流了。

而我们已经知道，电流在磁场中会受力，你看，兜兜转转，我们又回到了洛伦兹力。

如图（a）当导杆向右运动时，会在它两端感应出电动势，用右手定则很容易判断出上面是正，下面是负：让磁场穿过右手手心，大拇指指向导杆运动方向，那么四指所指向的就是感应电流方向。图（b）中，Bind／Bin表示感应电流产生的磁场，和原磁场方向相反。

OK，我们再结合通电导线在磁场中受洛伦兹力的原理，就可以得出，导线受力是向左的：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。

其实，感应电机正是结合了这两个基本原理：拉法第电磁感应原理和通电导线在磁场中受洛伦兹力的原理。

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，洛伦兹原理让带电导体受力。

哦，还忘了牛顿在旁边吃苹果，白了我一眼：受力或者转矩让移动部件或者转子发生运动。

小小的感应电机，居然用到了好几个基本物理定律，这也是我之前没有察觉到的。

3．旋转感应电机原理

感应电机分为旋转感应电机和直线感应电机。

而旋转感应电机，按照转子结构的不同，又可以分为鼠笼式和绕线式感应电机。

鼠笼式感应电机结构，来自东方电机

三相鼠笼式感应电机结构示意图

单相感应电机结构示意图

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。

绕线式感应电机核心结构，定子和转子都是绕线。

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。

绕线式感应电机转子示意图

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（感应电流在磁场中也受洛伦兹力）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。

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。

定子绕组电流产生的磁场

上图：定子三相电流在不同时间点产生的磁场。

下图：定子线圈中的电流。

其实，上面的视图就表示，通过给三相绕组通交流电，定子就产生了旋转的磁场。

定子绕组通入交流电，产生旋转磁场。

定子绕组通入交流电，产生旋转磁场示意图。

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。

闭合导体在旋转磁场中感应出电流，电流方向如图中蓝色箭头。回忆一下右手定则：让磁场穿过右手手心，大拇指指向导杆运动方向，那么四指所指向的就是感应电流方向。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。

上图中，闭合导体在旋转磁场中感应出电流，电流方向如图中蓝色箭头所示。

OK，有了感应电流，而且电流处于磁场中，那么导体将受力。运用洛伦兹力法则，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，使得闭合导体旋转。

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）。

旋转磁场穿过鼠笼式转子闭合回路，并在导体中感应出电流，带电导体受力矩，发生旋转。

定子旋转磁场驱动闭合导体转子旋转。

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。

最后了解一下定子绕组的接线方法。

定子绕组有两种接法：星形式和Delta三角式接法。

两种接线方法不能相互替换，以下是我从某网站截图下来的。

感应电机接线方法

三角形接线设计可以替换成星形接线启动，而星形接线不能替换为三角形接线，因为可能会烧毁电机。

4．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。

直线感应电机示意图

直线感应电机工作原理示意图

我们再来看看，直线感应是如何工作的。

如上图，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。

直线感应电机工作原理示意图

这就是直线感应电机的基本原理。

5．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。

鼠笼式感应电机和绕组式感应电机有如下的特征。

典型三相感应电机速度扭矩图，来自Microchip

典型单相感应电机速度扭矩图，来自Microchip

6．感应电机的优缺点

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。

感应电机有如下的优缺点。

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。