笼式三相异步电动机

概念定义

笼式三相异步电动机是一种由三相交流电供电、采用笼型转子的感应电动机。定子绕组通电后产生旋转磁场，转子导体依靠电磁感应形成电流并产生转矩，不需要连接电动机外部的转子供电电路。按照转子结构，三相异步电动机可分为笼式与绕线式两类，工业应用以笼式结构为主。

工作原理

三相交流电流入定子绕组后形成旋转磁场，其转速称为同步转速。旋转磁场与转子导体之间存在相对运动，使转子导体切割磁感线并产生感应电动势，继而形成感应电流。转子电流产生的磁场会反抗原有磁通变化，使转子受到与定子旋转磁场方向相同的电磁力，带动转子旋转。当电磁转矩与机械负载转矩达到平衡时，转速趋于稳定。

同步转速由电源频率和定子磁极数决定，可表示为 ns=120f/p，其中 f 为频率，p 为磁极数，ns的单位为每分钟转数。四极电动机接入50 Hz电源时，同步转速为1,500 rpm；接入60 Hz电源时则为1,800 rpm。

电动状态下，转子实际转速必须低于同步转速，否则转子与旋转磁场之间没有相对运动，也就无法感应出维持转矩所需的电流。同步转速与转子转速之差相对于同步转速的比例称为滑差，即 s=(ns−nr)/ns。负载增加时，转子转速下降、滑差增大，感应电流及转矩随之变化，以推动负载继续运行。“异步”一名即源于转子转速与旋转磁场转速并不相同。

技术构成

定子绕组平均分布在定子槽内，用于建立通过转子的旋转磁场。笼型转子由导电条构成，不通过集电环连接外部电路。转子导条可采用与转轴不平行的斜置设计，以避免磁锁现象；导条形状也会影响速度—转矩特性、启动转矩和启动时的涌浪电流。转子静止时，转子电流频率与定子电流相同，并会因集肤效应较集中于导条外层。

启动与调速

多极三相感应电动机通电后能够自行启动，但启动转矩及最大转矩仍须足以克服实际负载。常见启动方式包括直接启动、降压电抗器启动、自耦变压器启动、Y-Δ切换启动及变频器启动。变频器通过调整供电频率，并配合频率调节输出电压，可在不同负载下控制转速。若负载转矩超过电动机的最大转矩，转速会下降、滑差增大，而转矩随后反而降低，最终可能发生堵转。

应用场景

笼式三相异步电动机具有结构上无需外接转子电路、可靠且价格不高的特点，广泛用于机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金机械及矿山机械，也用于化工、物流、流体输送与工程制造等领域。传统应用多为定速驱动；配合变频器后，也可用于需要变速运行的设备。在离心风机、泵及压缩机等负载中，变频驱动能够按照运行需求调节电动机速度。

技术演进

旋转磁场理论在19世纪逐步形成。费拉里斯于1885年制成没有换向器的三相异步电动机，尼古拉·特斯拉于1887年独立发明三相异步电动机。米哈伊尔·多利沃-多布罗沃尔斯基于1889年发明笼型转子感应电动机。随着电力电子技术发展，变频器逐渐成为笼式感应电动机常用的启动与调速装置，使其应用从传统定速驱动扩展至可变速工业驱动。