异步电动机

全閉風扇冷卻（英语：TEFC）（TEFC）的三相异步电动机，左邊的外殼沒有打開，右邊的外殼有打開，可以看到其中的風扇。TEFC電動機的熱是透過外殼，由風扇的強制對流來散熱

鼠笼型异步电动机示意图

异步电动机（asynchronous motor）也稱為感應电动机（induction motor）是交流電動機的一種，由定子線圈利用電磁感應的方式使轉子產生電流，讓電動機產生力矩^[1]。异步电机可按转子绕组形式，分为绕线式和鼠笼式。繞線型的均為三相電動機，而鼠笼式的有三相電動機，也有單相電動機。鼠笼式感應电动机的轉子可以不用連接电动机外部的電路^[a][b]。

三相异步电动机是工业用的电动机械，其功率范围从几瓦到上万千瓦，具有广泛的应用范围。三相异步电动机由三相电路为其提供动力，因為不需啟動電路，而且可靠、價格不高，主要应用于挖掘，流体输送等需要提供动力的领域，例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等。在化工，物流，工程制造等领域都广泛应用。其中主要是以鼠籠式异步电动机為主。

單相异步電動機主要用在負載較小的場合，电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器等。异步電動機的傳統應用是用在定速的場合，不過越來越多的异步電動機應用是配合變頻器（VFD）或是變速驅動器（英语：Adjustable-speed drive）使用。變頻器可以配合頻率調整輸出電壓，若是應用在離心型風扇、泵浦或是壓縮機上，配合感應馬達有可以達到節能的效果。

异步电动机若接在频率为f的电网上运行时，转速n与电网频率f之间不存在同步电动机那样的恒定的比例关系。同步轉速和轉子轉速之間有轉差，轉差率通常介乎3%到10%。如果轉子轉速高於同步轉速，則變成發電機。

目录

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  1 历史
  


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  2 异步电动机与感应电动机
  


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  3 运行原理
  
  
  
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    3.1 励磁磁动势
    
  
  
  
  


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  4 功率因數
  


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  5 效率
  


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  6 Steinmetz等效電路
  


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  7 線性感應電動機
  


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  8 相关链接
  


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  9 參考資料
  


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  10 腳註
  


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  11 外部連結
  

历史

尼古拉·特斯拉發明的异步电动机的模型，放在貝爾格萊德的尼古拉·特斯拉博物館

鼠籠式電動機的架構，只顯示三層定子的疊片

法國科學家弗朗索瓦·阿拉戈在1824年闡述了旋轉磁場（英语：rotating magnetic field）的存在，他稱為阿拉戈旋轉（英语：Arago's rotations）。Walter Baily在1879年靠手動的將開關打開及關閉，展示了阿拉戈旋轉，算是第一個感應馬達的原型^{[2][3][4][5][6][7][8]}。

第一個沒有交換子的二相交流异步电动机是由匈牙利工程師Ottó Bláthy（英语：Ottó Bláthy），他除了發明二相电动机外，也發明了電度錶^[9][10]。

第一個沒有交換子的三相异步电动机是由费拉里斯在1885年发明，並製作可用的電動機。而尼古拉·特斯拉在1887年獨立发明三相异步电动机。特斯拉在1887年11月申請了美國專利，部份專利在1888年5月獲准。而费拉里斯在1888年向Royal Academy of Science of Turin提出实验报告，对旋转磁场（英语：Rotating magnetic field）作了严格的科学描述，为以后开发异步电动机、自起动电动机奠定了基础。费拉里斯相信他所提出的旋转磁场理论以及他所开发的新产品在科学上的价值远远超过物质上的价值，因此他有意不为自己的发明申请专利，而是在实验室向公众演示这些最新成果^[5][11]。特斯拉在同年5月向美国电气工程学会（AIEE）提交了技術論文《交流電動機及變壓器的新系統》（A New System for Alternating Current Motors and Transformers）^{[12][13][14][15][16]}其中描述了三種四極電動機的架構：其中一個有四極轉子，是無法自啟動的磁阻馬達、另一個是轉子繞組接直流電的同步馬達，最後一個則是可以自啟動的繞線轉子感應电动机。

一年之后，Mikhail Dolivo-Dobrovolsky（英语：Mikhail Dolivo-Dobrovolsky）发明鼠笼型异步电动机^[17][18]。异步电动机的发展迅速，1976年時100HP异步电动机的尺寸約等於1897年7.5馬力的异步电动机尺寸^[12]。

异步电动机与感应电动机

异步电动机是一种交流电动机，其负载时的转速与所接电网频率之比不是恒定值。感应电动机（Induction motor）是一种仅有一套绕组連接电源的异步电动机。在不致引起误解和混淆的情况下，一般可称感应电动机为异步电动机。IEC标准中指出：“感应电动机”一词，在许多国家中实际上是作为“异步电动机”的同义词使用，而其他一些国家则只使用“异步电动机”一词来表示这两种概念。

运行原理

电枢中通入三相交流电时产生旋转磁动势和旋转磁场

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旋转磁场是由三个不同相位线圈产生的磁场矢量加和形成

异步电动机与同步电动机最基本的区别在于，同步电动机转子中通入外加的励磁（英语：Excitation (magnetic)）电流（通常是直流励磁）在定转子之间产生磁场。对于同步电动机，定子旋转磁场将对转子磁场产生电磁转矩，使转子沿轴向旋转。这种电动机之所以称为同步电动机是因为在稳态运行时，转子转速与定子电枢通入的交流电频率有严格的正比关系n=60fp{displaystyle n={frac {60f}{p}}}，其中n为同步转速，f为交流电频率，p为定子绕组极对数。.^[19][20]

与同步电动机相反，异步电动机转子绕组中没有使用外加电源供电，而是通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n₁）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。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描述转子转速n与同步转速n₁之间的差别，引入转差率（slip），其定义为s=n1−nn1{displaystyle s={frac {n_{1}-n}{n_{1}}}}。

励磁磁动势

定子三相对称绕组流过三相对称电流时，产生合成基波旋转磁动势。将该磁动势用空间矢量F₀表示，其幅值为

F0=m124π22N1kdp1pI0{displaystyle F_{0}={frac {m_{1}}{2}}{frac {4}{pi }}{frac {sqrt {2}}{2}}{frac {N_{1}k_{dp1}}{p}}I_{0}}

式中，N₁和k_dp1分别为定子绕组的每相串联匝数和基波绕组因数；p为极对数；m₁为定子绕组相数，对于三相异步电动机，m₁=3。

转子绕组开路时，转子绕组中没有电流，不产生磁动势。此时，作用于电动机磁路上产生气隙磁场的磁动势只有定子磁动势F₀，因此称F₀为励磁磁动势，相应的定子相电流I˙0{displaystyle {dot {I}}_{0}}称为励磁电流。

功率因數

異步電動機的功率因數會依負載而變化，在滿載時會到0.85至0.90，在無載時只有0.20^[21]，變化原因是定子及轉子的漏感以及磁化電抗^[22]。若是異步電動機直接連接市電，或是經變壓器由市電供電。功率因數可以用並聯電容器的方式改善，可能是考慮單一電動機連結電容器，也可能是將許多電動機並聯，再共用功因電容器。因為經濟以及其他因素的考量，電力系統很少會將功因校正到恰好是1的功因^[23]。
不過功因電容器有可能會產生諧波電流，需要進行電力系統的分析，以避免功因電容器、變壓器以及電路電抗之間的共振^[24]。一般會建議用共用電源的功因修正，以避免共振風險，並且簡化電力系統分析^[24]。

效率

滿載時电动机的效率約在85%至97%之間，电动机損失大約可以分為以下幾項^[25]：

• 摩擦力及風損（英语：windage），5–15%


• 
  鐵損或鐵心損失，15–25%


• 定子銅損，25–40%


• 轉子銅損，15–25%


• 雜散損失，10–20%.

許多國家的監管機構已開始訂定相關法令，鼓勵製造商使用及生產效率較高的电动机。目前已有法令，強制未來在特定設備中使用超高效率（premium-efficiency）异步电动机，也有一些類似的法令正在規劃中。相關訊息可參考Premium efficiency（英语：Premium efficiency）。

Steinmetz等效電路

Steinmetz 等效電路（英语：equivalent circuit）也稱為T型等效電路，是描述异步电动机的電能輸入如何轉換為機械能輸出的數學工具，是IEEE建議的异步电动机等效電路，可以依此推導許多有關電流、電壓、速度、功因及轉矩之間的關係。等效電路會以單相來表示多相的异步电动机（在穩態平衡負載時可以用單相來近似）。

Steinmetz等效電路可以表示為以下的成份：

• 
  定子电阻及漏電抗（Rs{displaystyle R_{s}}, Xs{displaystyle X_{s}}）。


• 
  转子電阻、漏電抗及滑差（Rr{displaystyle R_{r}}, Xr{displaystyle X_{r}}或Rr′{displaystyle R_{r}^{'}}, Xr′{displaystyle X_{r}^{'}}及s{displaystyle s}）。


• 磁化电抗 (Xm{displaystyle X_{m}}).

根據Knowlton的Alge所述，异步电动机可以表示為變壓器，其磁路是被定子繞組和轉子繞組之間的氣隙所隔開^[26]。等效電路可以表示為由理想變壓器分隔開的定子電路及轉子電路，也可以將轉子部份轉換到定子側。以下的電路、方程式以及參數皆用後者的表示方式^{[21][23][27][28][29][30]}。

Steinmetz等效電路

電路參數定義
		單位
fs{displaystyle f_{s}}	定子同步頻率	Hz
nr{displaystyle n_{r}}	转子轉速（每分鐘轉速）	rpm
ns{displaystyle n_{s}}	同步轉速（每分鐘轉速）	rpm
Is{displaystyle I_{s}}	定子或一次側電流	A
Ir′{displaystyle I_{r}^{'}}	轉子或二次側電流，對應一次側的數值	A
Im{displaystyle I_{m}}	磁化電流	A
j=−1{displaystyle j={sqrt {-1}}}	虚数單位或是旋转90°
KTE{displaystyle K_{TE}}	=Xm/(Xs+Xm){displaystyle =X_{m}/(X_{s}+X_{m})}戴维南電抗因數
m{displaystyle m}	馬達相數
p{displaystyle p}	馬達極數
Pem{displaystyle P_{em}}	电磁功率	W or hp
Pgap{displaystyle P_{gap}}	氣隙功率	W
Pr{displaystyle P_{r}}	轉子銅損	W
Po{displaystyle P_{o}}	輸入功率	W
Ph{displaystyle P_{h}}	鐵損	W
Pf{displaystyle P_{f}}	磨擦及風損	W
Prl{displaystyle P_{rl}}	輕載功率輸入	W
Psl{displaystyle P_{sl}}	雜散損	W
Rs,Xs{displaystyle R_{s},X_{s}}	定子或一次側電阻及漏電抗	Ω
Rr′,Xr′{displaystyle R_{r}^{'},X_{r}^{'}}	轉子或二次側電阻及漏電抗，對應一次側的數值	Ω
Ro,Xo{displaystyle R_{o},X_{o}}	電動機輸入的電阻及漏電抗	Ω
RTE,XTE{displaystyle R_{TE},X_{TE}}	戴维南等效電阻及漏電抗（包括Rs,Xs{displaystyle R_{s},X_{s}}及Xm{displaystyle X_{m}}）	Ω
s{displaystyle s}	滑差
Tem{displaystyle T_{em}}	电磁轉矩	Nm or ft.-lb.
Tmax{displaystyle T_{max}}	崩潰轉矩	Nm or ft.-lb.
Vs{displaystyle V_{s}}	定子相電壓	V
Xm{displaystyle X_{m}}	激磁电抗	Ω
X{displaystyle X}	Xs+Xr′{displaystyle X_{s}+X_{r}^{'}}	Ω
Zs{displaystyle Z_{s}}	定子或一次側阻抗	Ω
Zr′{displaystyle Z_{r}^{'}}	轉子或二次側阻抗，對應一次側的數值	Ω
Zo{displaystyle Z_{o}}	電動機定子或是一次側輸入阻抗	Ω
Z{displaystyle Z}	合併轉子（或二次側）以及激磁阻抗	Ω
ZTE{displaystyle Z_{TE}}	戴维南等效電路阻抗RTE+XTE{displaystyle R_{TE}+X_{TE}}	Ω
ωr{displaystyle omega _{r}}	轉子角速度	弧度每秒
ωs{displaystyle omega _{s}}	同步角速度	rad/s
Y{displaystyle Y}	=G−jB=1Z=1R+jX=RZ2−jXZ2{displaystyle =G-jB={frac {1}{Z}}={frac {1}{R+jX}}={frac {R}{Z^{2}}}-{frac {jX}{Z^{2}}}}	mho
|Z|{displaystyle leftvert Zrightvert }	R2+X2{displaystyle {sqrt {R^{2}+X^{2}}}}	Ω

以下的經驗法則大致有效^[30][31][32]：

• 最大電流發生在轉子鎖死電流（LRC）的負載條件，小於Vs/X{displaystyle {V_{s}}/X}，針對標準B型電動機，一般會是額定電流的6至7倍^[33]
  


• 崩潰轉矩Tmax{displaystyle T_{max}}發生在s≈Rr′/X{displaystyle sapprox {R_{r}^{'}/X}}及 Is≈0.7LRC{displaystyle I_{s}approx {0.7}LRC}使得Tmax≈K∗Vs2/(2X){displaystyle T_{max}approx {K*V_{s}^{2}}/(2X)}
  


• 標準B型電動機，定子電抗和轉子電抗的比例為^[34]
  

XsXr′≈0.40.6{displaystyle {frac {X_{s}}{X_{r}^{'}}}approx {frac {0.4}{0.6}}}.

• 若不考慮定子電阻，异步电动机的轉矩曲線會簡化為Kloss方程^[35]
  

Tem≈2Tmaxssmax+smaxs{displaystyle T_{em}approx {frac {2T_{max}}{{frac {s}{s_{max}}}+{frac {s_{max}}{s}}}}}，其中 smax{displaystyle s_{max}}是Tmax{displaystyle T_{max}}時的滑差。

基本電機公式

ωs=2πns60=4πfsp{displaystyle omega _{s}={frac {2{pi }n_{s}}{60}}={frac {4{pi }f_{s}}{p}}} 电动机輸入等效阻抗 Zm=Rs+jXs+(Rr′s+jXr′)(jXm)Rr′s+j(Xr′+Xm){displaystyle Z_{m}=R_{s}+jX_{s}+{frac {({frac {R_{r}^{'}}{s}}+jX_{r}^{'})(jX_{m})}{{frac {R_{r}^{'}}{s}}+j(X_{r}^{'}+X_{m})}}} 定子電流 Is=Vs/Zm=Vs/(Rs+jXs+(Rr′s+jXr′)(jXm)Rr′s+j(Xr′+Xm)){displaystyle I_{s}=V_{s}/Z_{m}=V_{s}/(R_{s}+jX_{s}+{frac {({frac {R_{r}^{'}}{s}}+jX_{r}^{'})(jX_{m})}{{frac {R_{r}^{'}}{s}}+j(X_{r}^{'}+X_{m})}})} 轉子電流，對應一次側的數值 Ir′=jXmRr′s+j(Xr′+Xm)Is{displaystyle I_{r}^{'}={frac {jX_{m}}{{frac {R_{r}^{'}}{s}}+j(X_{r}^{'}+X_{m})}}I_{s}}

功方程式

根據Steinmetz等效電路，可得 Rr′s=Rr′(1−s)s+Rr′{displaystyle {frac {R_{r}^{'}}{s}}={frac {R_{r}^{'}(1-s)}{s}}+R_{r}^{'}} 氣隙功率等於電機功率加上轉子銅損 Pgap=Pem+Pr{displaystyle P_{gap}=P_{em}+P_{r}} Pr=3Rr′Ir′2{displaystyle P_{r}=3R_{r}^{'}I_{r}^{'2}} Pgap=3Rr′Ir′2s{displaystyle P_{gap}={frac {3R_{r}^{'}I_{r}^{'2}}{s}}} Pem=3Rr′Ir′2(1−s)s{displaystyle P_{em}={frac {3R_{r}^{'}I_{r}^{'2}(1-s)}{s}}} Pem=Pgap(1−s){displaystyle P_{em}=P_{gap}(1-s)} 用轉子角速度表示電機功率輸出 Pem=3Rr′Ir′2nrsns{displaystyle P_{em}={frac {3R_{r}^{'}I_{r}^{'2}n_{r}}{sn_{s}}}} (watts) Pem=3Rr′Ir′2nr746sns{displaystyle P_{em}={frac {3R_{r}^{'}I_{r}^{'2}n_{r}}{746sn_{s}}}} (hp) 將 Tem{displaystyle T_{em}} 用 ft.-lb表示： Pem=Temnr5252{displaystyle P_{em}={frac {T_{em}n_{r}}{5252}}} (hp)

轉矩方程

Tem=Pemωr=Prsωs=3Ir′2Rr′ωss{displaystyle T_{em}={frac {P_{em}}{omega _{r}}}={frac {frac {P_{r}}{s}}{omega _{s}}}={frac {3I_{r}^{'2}R_{r}^{'}}{omega _{s}s}}} (newton-meters) 為了將Tem{displaystyle T_{em}}用s{displaystyle s}來表示，IEEE建議Rs,Xs{displaystyle R_{s},X_{s}}及Xm{displaystyle X_{m}} 需轉換為戴维南等效電路 IEEE建議戴维南等效電路 其中 VTE=XmRs2+(Xs+Xm)2Vs{displaystyle V_{TE}={frac {X_{m}}{sqrt {R_{s}^{2}+(X_{s}+X_{m})^{2}}}}V_{s}} ZTE=RTE+jXTE=jXm(Rs+jXs)Rs+j(Xs+Xm){displaystyle Z_{TE}=R_{TE}+jX_{TE}={frac {jX_{m}(R_{s}+jX_{s})}{R_{s}+j(X_{s}+X_{m})}}} 因為Rs2≫(Xs+Xm)2{displaystyle R_{s}^{2}gg {(X_{s}+X_{m})^{2}}}及Xs≪Xm{displaystyle X_{s}ll {X_{m}}}，令 KTE=XmXs+Xm{displaystyle K_{TE}={frac {X_{m}}{X_{s}+X_{m}}}} VTE≈ZTEVs{displaystyle V_{TE}approx {Z_{TE}V_{s}}} and ZTE≈KTE2Rs+jXs{displaystyle Z_{TE}approx {K_{TE}^{2}R_{s}+jX_{s}}}[32] Tem=3VTE2(RTE+Rr′s)2+(XTE+Xr′)2.Rr′s.1ωs(N.m){displaystyle T_{em}={frac {3V_{TE}^{2}}{(R_{TE}+{frac {R_{r}^{'}}{s}})^{2}+(X_{TE}+X_{r}^{'})^{2}}}.{frac {R_{r}^{'}}{s}}.{frac {1}{omega _{s}}}(N.m)}[32] 針對滑差較低時： Since RTE+Rr′≫RTE+Xr′{displaystyle R_{TE}+R_{r}^{'}gg {R_{TE}+X_{r}^{'}}} and Rr′≫RTE{displaystyle R_{r}^{'}gg {R_{TE}}} Tem≈1ωs.3VTE2Rr′.s{displaystyle T_{em}approx {frac {1}{omega _{s}}}.{frac {3V_{TE}^{2}}{R_{r}^{'}}}.s} (N.m) 針對滑差較高時： Since RTE+Rr′≪RTE+Xr′{displaystyle R_{TE}+R_{r}^{'}ll {R_{TE}+X_{r}^{'}}} Tem≈1ωs.3VTE2(Xs+Xr′)2.Rr′2s{displaystyle T_{em}approx {frac {1}{omega _{s}}}.{frac {3V_{TE}^{2}}{(X_{s}+X_{r}^{'})^{2}}}.{frac {R_{r}^{'2}}{s}}} (N.m) 最大轉矩或是崩潰轉矩和轉子電阻無關 Tmax=12ωs.3VTE2RTE+RTE2+(XTE+Xr′)2{displaystyle T_{max}={frac {1}{2omega _{s}}}.{frac {3V_{TE}^{2}}{R_{TE}+{sqrt {R_{TE}^{2}+(X_{TE}+X_{r}^{'})^{2}}}}}} (N.m)[32] 最大轉矩或是崩潰轉矩的滑差為 s=Rr′RTE2+(XTE+Xr′)2{displaystyle s={frac {R_{r}^{'}}{sqrt {R_{TE}^{2}+(X_{TE}+X_{r}^{'})^{2}}}}}[32] 若用foot-pound的單位 Tem=21.21Ir′2Rr′nrs{displaystyle T_{em}={frac {21.21I_{r}^{'2}R_{r}^{'}}{n_{r}s}}} (ft-lb) Tem=7.04Pgapns{displaystyle T_{em}={frac {7.04P_{gap}}{n_{s}}}} (ft-lb)

線性感應電動機

線性感應電動機（英语：Linear induction motors）的動作原理和旋轉型的三相异步电动机相同，用來產生推力，進行直線運動。應用包括磁悬浮、線性推進、線性致動器（英语：linear actuator）及液體金屬（英语：Liquid metal）泵浦^[36]。

相关链接

• 鼠笼式电动机


• 繞線轉子馬達

參考資料

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    ^ 引用错误：没有为名为Knowlton (1949)的参考文献提供内容
    


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31. 
    ^ Alger (1949), p. 711
    


32. 
    ^ ^{32.032.132.232.332.4} Özyurt, Ç.H. Parameter and Speed Estimation of Induction Motors from Manufacturers Data and Measurements (PDF). Middle East Technical University. 2005: 33–34. 
    


33. 
    ^ 引用错误：没有为名为NEMAMG1C的参考文献提供内容
    


34. 
    ^ Knight, Andy. Determining Induction Machine Parameters. Hosted by University of Alberta. [31 December 2012]. （原始内容存档于29 November 2012）. 
    


35. 
    ^ Hameyer, Kay. Electrical Machine I: Basics, Design, Function, Operation (PDF). RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines. 2001 [11 January 2013]. （原始内容 (PDF)存档于10 February 2013）. page=133
    


36. 
    ^ Bulletin of the Atomic Scientists. Educational Foundation for Atomic Science. 6 June 1973 [8 August 2012]. 
    

腳註

1. 
   ^ 鼠笼式感應电动机不會有像通用電動機（英语：universal motor）、直流電動機、同步電動機一樣，將能量從定子轉換到轉子的集電環、換相器（英语：commutator (electric)）、自激電路或他激電路
   


2. 
   ^ 绕线式感應电动机的轉子透過集電環連接電阻，但也不會連接到定子
   

外部連結

维基共享资源中相关的多媒体资源：异步电动机

• An induction motor drawing


• 
  Rotating magnetic fields: interactive, （意大利文）
  


• 
  Induction motor topics from Hyperphysics website hosted by C.R. Nave, GSU Physics and Astronomy Dept.


• 
  Torques in Electrical Induction Motors on Engineering ToolBox

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