感應電動機的發明永久改變了人類文明的進程。由偉大的科學家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發明的這種具有百年曆史的電動機，即使在今天也是最常見的電動機類型。事實上，全球約50％的電力消耗是由感應電動機引起的。讓我們來研究感應電動機的工作原理，或更具體地說，是尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的天才思維。
感應電動機的零件
感應電動機有2個主要部分；定子和轉子（圖1）。定子是固定部分，轉子是旋轉部分。定子基本上是一個三線圈繞組，併為其提供了三相交流電源輸入。轉子位於定子內。轉子和定子之間會有一個很小的間隙，稱為氣隙。徑向氣隙的值可能在0.5到2 mm之間變化。
圖1：感應電動機的定子和轉子
定子的構造細節
定子是通過在鋼或鑄鐵框架內堆疊細縫的高滲透性鋼疊片製成的。下圖顯示了鋼疊片在框架內的佈置方式。這裡僅顯示了很少的鋼疊片。繞組穿過定子的槽。
圖2：定子的構造細節
三相電流流過定子繞組的影響
當三相交流電流通過繞組時，會發生非常有趣的事情。它會產生旋轉磁場（RMF）。如下圖所示，產生了一個自然旋轉的磁場。RMF是電機中的重要概念。我們將在下一部分中看到它是如何產生的。
圖3：感應電動機中產生旋轉磁場
旋轉磁場（RMF）的概念
要了解旋轉磁場的現象，最好考慮只使用3個線圈的簡化三相繞組。載有電流的導線會在其周圍產生磁場。現在，對於這種特殊佈置，三相交流電流產生的磁場將顯示在特定瞬間。
圖4：在單根導線周圍產生磁場並簡化了繞組
交流電流的分量將隨時間變化。下圖顯示了另外兩個實例，其中由於交流電流的變化，磁場也會變化。顯然，磁場只是採用不同的方向，但是其大小保持不變。從這三個位置可以清楚地看到，它就像是強度均勻旋轉的磁場。磁場的旋轉速度稱為同步速度。
圖5A：三相交流電
圖5B：此處顯示了旋轉磁場的概念
RMF對封閉導體的影響
假設您要在這樣的旋轉磁場中放置閉合導體。由於磁場在波動，根據法拉第定律，會在環路中感應出一個EMF。EMF將產生通過環路的電流。因此，情況變得好像載流回路位於磁場中。根據洛倫茲定律，這將在迴路中產生磁力，因此迴路將開始旋轉，如圖6所示。
圖6： RMF對閉合導體的影響
感應電動機的工作
感應電動機內部也會發生類似的現象。在這裡，不是簡單的循環，而是使用了類似於松鼠籠的東西。一隻松鼠籠上有一些條，這些條被端環短路。
流經定子繞組的三相交流電流會產生旋轉磁場。因此，與前面的情況一樣，電流將在鼠籠的條形中感應出來，並開始旋轉。您可以注意到鼠籠棒中感應電流的變化。這是由於一對松鼠棒對中的磁通量變化率不同，這歸因於其方向不同。條形電流的這種變化將隨著時間而變化。
圖7：與簡單的繞組情況一樣，RMF在轉子上產生扭矩
這就是為什麼使用感應電動機的原因，轉子通過電磁感應而不是直接電連接來感應電。為了幫助進行這種電磁感應，在轉子內部裝有絕緣的鐵芯薄片。
圖8：填充在轉子中的薄薄的鐵薄片
如此小的鐵層片確保渦流損耗最小。您可以注意到三相感應電動機的一大優勢，因為它本質上是自啟動的。您還可以注意到，松鼠籠的杆相對於旋轉軸傾斜，或者有偏斜。這是為了防止轉矩波動。如果這些條是筆直的，則在轉子條對中的扭矩將有一個很小的時間間隔傳遞到下一對。這將導致轉子中的轉矩波動和振動。通過在轉子導條中提供偏斜，在一對導條中的扭矩消失之前，下一對就起作用了。因此，避免了扭矩波動。
轉子的轉速和打滑的概念
您會在這裡注意到磁場和轉子都在旋轉。但是轉子將以什麼速度旋轉？為了獲得答案，讓我們考慮不同的情況。
考慮轉子速度與磁場速度相同的情況。轉子在相對參考系中經受磁場。由於磁場和轉子都以相同的速度相對於轉子旋轉，因此磁場是固定的。轉子將受到恆定的磁場，因此不會產生任何感應電動勢和電流。這意味著在轉子條上的力為零，因此轉子將逐漸減速。但是隨著轉速的降低，轉子迴路將經歷變化的磁場，因此感應電流和力將再次升高，轉子將加速。簡而言之，轉子將永遠無法趕上磁場的速度。它以特定速度旋轉，該速度略小於同步速度。同步速度和轉子速度之差稱為滑差。
N ROTOR < NS
SLIP = (NS - NR )/ NS
SLIP VALUE = 2 - 6%
圖9：滑移的概念在此說明
電機中的能量傳遞
從轉子獲得的旋轉機械動力通過動力軸傳遞。簡而言之，在感應電動機中，電能通過定子進入並從電動機輸出，從轉子接收機械旋轉。
圖10：電機中的動力傳遞
但是在功率輸入和輸出之間，將有大量與電動機相關的能量損失。這些損耗的各種成分是摩擦損耗，銅損耗，渦流損耗和磁滯損耗。電動機運行過程中的這種能量損失會通過熱量散發，因此另一端的風扇有助於冷卻電動機。
圖11：冷卻風扇用於去除電動機釋放的熱量
為什麼感應電動機如此受歡迎？
現在，讓我們瞭解為什麼感應電動機同時統治著工業和家庭世界。您可以注意到，感應電動機不需要永磁體。它們甚至沒有像其他電機同類產品那樣具有電刷，換向器環或位置傳感器。感應電動機也可以自啟動。最重要的優點是可以通過控制輸入電源頻率輕鬆控制感應電動機的速度。
為了正確理解它，讓我們再次考慮簡單的線圈佈置。我們瞭解到，由於三相輸入功率，會產生旋轉磁場。很明顯，RMF的速度與輸入功率的頻率成正比。由於轉子總是試圖趕上RMF，因此轉子速度也與交流電源的頻率成正比。
NS ∝ f
因此，通過使用變頻驅動器，可以非常容易地控制感應電動機的速度。感應電動機的這一特性使它們成為電梯，起重機甚至電動汽車中有吸引力的選擇。由於感應電動機的高速頻段，電動汽車能夠以單速變速器運行。
圖12：單速變速箱
圖13：感應電動機的效率輪廓
感應電動機的另一個有趣的特性是，當轉子由原動機移動時，它也可以像發電機一樣工作。在這種情況下，必須確保RMF速度始終小於轉子速度。
圖14：RMF速度始終小於轉子速度
我們相信您現在已經清楚地瞭解了感應電動機背後的巧妙操作原理，以及為什麼它仍然統治著家庭和工業界。
注：本文英文原文是由印度IIT機械工程研究生Sabin Mathew撰寫的。Sabin Mathew非常熱衷於理解複雜技術背後的物理原理，並用簡單的語言解釋它們。他是Learn Engineering教育平臺的創始人。要了解有關作者的更多信息，請查看此網址https://in.linkedin.com/in/sabin-mathew (This article is written by Sabin Mathew, an IIT Delhi postgraduate in mechanical engineering. Sabin is passionate about understanding the physics behind complex technologies and explaining them in simple words. He is the founder of Learn Engineering educational platform. To know more about the author check this linkhttps://in.linkedin.com/in/sabin-mathew)
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