交流异步电机原理

異步馬達

異步馬達被廣泛應用在各個領域，並且不需要特別維修。從機械角度來看，它們是標準的設備單元，備用件的提供十分方便。現在異步馬達有不同的類型，其基本工作原理是相同的。

異步馬達主要由兩大部分組成，即定子（靜止部分）和轉子（轉動部分）。

定子

異步馬達的結構圖

定子是馬達固定不動部分，由以下幾個部件組成：機座（1），支持轉子（9）的滾珠軸承（2），位於機座兩端用來固定軸承的端蓋（3），用於馬達散熱的風扇（4），保護風扇轉動葉片的風罩（5）和一個用於電氣接線的出線盒（6）。在機座內有鐵芯（7），它由矽鋼片（厚0.3~0.5mm）疊成。鐵芯上有溝槽，槽內裝設三相繞組。

三相繞組和定子鐵芯將產生磁場。磁場的極對數（或極個數）決定磁場的旋轉速度。如果馬達以額定頻率工作，則磁場的旋轉速度就叫作馬達的同步轉速（n0）

極對數（P） 1 2 3 4 6

極個數 2 4 6 8 12

n o（轉/分）3000 1500 1000 750 500

極對數（P）、極個數與馬達的同步轉速

磁場

磁場在定子和轉子之間的氣隙內旋轉。將一相繞組接通一相電源電壓後。就會產生磁場。

一相繞組產生的交變磁場

這個磁場在定子鐵芯中的位置是固定不變的，但方向在變化。方向改變的速度取決於電源電壓的頻率。如果電壓頻率為50 Hz，交變磁場的方向將每秒改變50次。

如果兩相繞組被同時接通兩相電壓，在定子鐵芯中將產生兩個磁場。對於兩極馬達，兩個磁場將有120o的位移，兩個磁場的最大值也恰好有同樣的相位差。

這就在定子中產生了旋轉磁場，但是在連接第三相繞組之前，這個磁場是高度不對稱的。

兩相繞組產生的非對稱旋轉磁場

三相繞組在定子鐵芯中產生三個磁場，相互之間在位置上相差120o。

三相繞組產生的對稱旋轉磁場

現在將定子與三相電源連接，每相繞組產生的磁場構造出一個對稱的旋轉磁場，稱為馬達旋轉磁場。旋轉磁場的幅值始終是交變磁場最大值的1.5倍。旋轉速度為：

()p

f n 600×= [l /min]（轉/分）

f = 頻率 0n = 同步速度 p = 極對數因此速度取決於極對數（p ）和電源頻率（f ）。下面的示意圖表明了磁場（ϕ）在三個不同階段的大小。

磁場大小恆定不變

用一個向量和相應的角速度形象地表示旋轉磁場就構成了一個圓；將旋轉磁場作為座標系裡的時間函數就構成了一個正弦曲線。如果在旋轉時幅值變化，旋轉磁場就變成了橢圓。

轉子

轉子（9）安裝在馬達軸（10）上（見圖）。與定子類似，轉子也是由矽鋼片組成的，帶有溝槽。主要有兩類轉子：繞線式和鼠籠式，區別在下溝槽裡的繞組方式。

繞線式轉子同定子一樣有裝在槽內的繞組，每相繞組集中到集電環。如果將集電環短路，轉子的功能就同鼠籠式一樣了。

鼠籠式轉子在槽內嵌入鋁棒，在轉子兩端分別有一個鋁環將鋁棒短路。鼠籠式轉子是兩種類型中最常用的。由於兩類轉子工作原理相同，所以只討論鼠籠式轉子。

旋轉磁場和鼠籠式轉子

當轉子的一根鋁捧置於旋轉磁場中時，磁極穿過鋁捧，磁場在鋁棒中感應出電流（W I ），其大小只與力（F ）有關。

這個力由磁通密度（B ）、感應電流（W I ）、轉子長度（l ）和力與磁通密度間的角度（θ）決定。

θsin l I B F W ×××=

如果o 90=θ 則力為：

l I B F W ××= .......................................................................................................... （1.01） 下一個穿越鋁棒的磁極具有相反的極性，所以感應出反方向的電流。由於磁場方向也改變了，所以力的作用方向同前（見圖b ）。當整個轉子都放在旋轉磁場中時（見圖c ）轉子鋁棒受到力的作用，使轉子旋轉，其速度（2）不會達到旋轉磁場（l ）的速度，這是因為在相同速度下轉子鋁棒裡不會產生感應電流。

轉子鋁棒中的電磁感應

轉差、轉矩和速度

通常情況下，轉子速度n n 低於旋轉磁場速度o n ，轉差 s 就是磁場與轉子速度之差。 n o n n s −=

轉差常常表示成同步轉速的百分比（即轉差率），一般為額定轉速的4~11%： 1000

0×−=n n n s n [%] ()p f n 600×= [l /min] p = 極對數 磁通密度（B ）定義為單位截面積的磁通量（φ），因此由（1.01）式可計算下面的力： A l

I F W ××=φ

使通電導體移動的力正比於磁通（φ）和導體中的電流（W I ）。

W I F ×≈φ

磁場在轉子鋁棒中感應出電壓，該電壓使電流（W I ）流過短路鋁棒，全部轉子鋁棒合成的力就在馬達軸上產生轉矩 T 。

馬達轉矩為“力乘力臂”

馬達轉矩與轉速之間的關係有一系列特性，且隨轉子的形式而變化。馬達轉矩使馬達軸旋轉。例如，軸上裝有飛輪的情況下有力產生。有了力（F ）和飛輪半徑（r ），就可以計算出馬達轉矩 r F T ×=。

馬達所做的功可表示為 d F W ×=，d 是馬達在給定負載下拖動的距離，設 n 為轉速，則有： r n d ××=π2

所做的功還可表示為功率乘以時間：t P W ×=，P 為有功功率。因此可得到轉矩為： r

n r t P r d W r F T ××××=×=×=π2 n

P T 9550×=（t = 60秒） 上式表明了速度n 、轉矩 T [Nm] 和馬達功率 P [kW] 之間的關係。

有了這個公式，就可以很快的估計n 、T 和P 與對應的已知工作點（r r r P ,T ,n ）的關係。工作點通常是馬達的額定運行點，所以可以將公式修改為： r r r n P T = 或 r r r n T P ×=

其中 ,n n n ,P P P ,T T T n r n r n r ===在這種比例計算中不需要常量9550。

例：負載 = 15% 額定值，速度 = 50% 額定值，則產生的功率為7.5% 的額定輸出功率。因為 r P = 0.15 x 0.50 = 0.075。

除了馬達的正常工作範圍外，還有兩個煞車範圍。

在 n /0n > 1的這一段，馬達被拖動到了同步轉速以上，其作用相當於發馬達，從而產生反向轉矩，並同時向主電源回饋能量。

在 n /0n > 1這一段，煞車方式稱為再生煞車。

如果將馬達兩相突然交換，旋轉磁場就會立即改變方向，在這之後轉速比將變成 n /0n > 0。 原來轉矩為 T 的馬達現在在煞車轉矩的作用下開始煞車。當 n = 0時如果不拉閘，則馬達將按照新的旋轉磁場方向繼續運行。