四 三相交流异步电机

1.三相交流异步电机组成结构

如前所述，三相交流异步电机具有结构简单、工作可靠、制造成本低、维修方便，且功率密度和转矩密度较高的优点，20世纪90年代初，随着电力电子功率器件和变流技术的发展，逐步取代直流电机成为电动汽车主流驱动电机，目前仍有部分电动汽车采用三相异步电机作为驱动电机。

三相交流异步电机按冷却方式不同可分为风冷、液冷和油冷三种，如图1-13所示。特斯拉公司的三相交流异步驱动电机采用油冷方式，油冷方式驱动电机具有功率密度高、体积小、散热均匀的优点，但电机的结构相对复杂，效率略为降低。液冷方式虽然在功率密度、散热均匀性上不如油冷方式，但具有电机效率高、能很好融入整车热管理系统的优点，逐渐成为驱动电机的主要冷却方式。风冷方式驱动电机功率密度低、体积大，主要适用于小型电动汽车，目前在主流电动汽车驱动电机中已较少采用。

三相交流异步电机按转子结构的不同，可分为笼型和绕线式。笼型转子按采用的材质和制造工艺不同可分为铸铝、焊接铜和铸造铜三种。由于铝的电阻率是铜的1.59倍以上，铸铝转子的损耗较大，影响电机功率和可靠性，因此电动汽车用三相交流异步电机大多采用铜绕组转子。特斯拉公司首先在Model S上采用了焊接铜转子结构。

三相异步电机虽然种类繁多，但基本结构相同，主要由定子、转子、电机壳体、电机轴端盖、前后轴承、位置传感器、温度传感器、低压线束和高压动力线束等组成，如图1-14所示。

（1）定子 定子主要由定子铁心、定子绕组、机座等部分组成，如图1-15所示。

定子铁心是电机主磁路的一部分，一般由厚度为0.5mm或0.35mm、表面有绝缘层的硅钢片叠压而成。采用硅钢片叠压的目的是减少铁心中的涡流和磁滞损耗。在定子铁心的内圆上均匀地冲有许多形状相同的槽，用以嵌入定子绕组。定子绕组是定子的电路部分，用以从电源输入电能并产生气隙内的旋转磁场。三相电机有三组空间上相互间隔120°电角度的三相绕组，每相绕组由若干线圈连接组成，按一定的规律嵌在定子铁心的槽内。三相绕组的首尾共有6个出线端，若以首尾相连引出3个接线端为三角形联结方式；若将3个尾端并接在一起，由首端引出3个接线端为星形联结方式。电机的接线盒可由3根线引出，但一般引出6根线，方便客户自行选择需要的联结方式。机座的作用主要是固定定子铁心和支撑转轴，要求有足够的强度和良好的通风散热条件，其外壳通常铸有散热片以扩大散热面积。其他部分还包括前后端盖、轴承盖、风扇罩、接线盒和吊环等。

（2）转子 转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是主磁路的一部分，类似于定子铁心，其也是由厚0.5mm或0.35mm的硅钢片叠压而成。转子铁心固定在转轴或转子支架上，铁心外表呈圆柱形，转子产生的机械功率通过转轴以力的形式输出。转子的绕组是转子的电路部分，分为笼型绕组和绕线转子绕组两类。

1）笼型绕组。笼型绕组是一个自行闭合的短路绕组，由插入每个转子槽中的导条和两端的端环构成。由于去除铁心后，整个绕组形成一个圆笼型的闭合回路，故称为笼型绕组，如图1-16所示。为节约铜和提高生产率，小型笼型电机一般采用铸铝转子；而对于大中型电机，由于铸铝的质量不易保证，故采用铜导条插入转子槽内，再在两端焊接上铜端环的结构。笼型异步电机结构简单、制造方便，是一种经济耐用的电机，应用极为广泛。

2）绕线转子绕组。绕线转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的3个出线端连接到装在轴上的3个集电环上，再通过电刷引出。这种转子的特点是可以在转子绕组中串入外加电阻，以改善电机的起动和调速性能，如图1-17a所示。与笼型转子相比较，绕线转子的结构稍微复杂、价格稍贵，通常用于要求起动电流小、起动转矩大，或需要调速的场合。图1-17b所示为三相绕线式异步电机的结构图。

（3）气隙 三相交流异步电机定子与转子之间存在很小的空隙，称为气隙。气隙主磁场是由励磁电流产生的，由于励磁电流基本为无功电流，故励磁电流越大，电机的无功分量也越多，功率因数也就越低。为减小励磁电流，提高电机的功率因数，异步电机的气隙应尽可能小。对于中小型异步电机，气隙一般在0.2～2mm，相比直流电机和同步电机，异步电机的气隙要小很多。但同时也要注意，气隙若过小，将使装配困难并存在运行不可靠的风险，因此气隙一定要在电机装配工艺许可的范围内。

2.三相交流异步电机的工作原理

（1）气隙旋转磁场和感应电动势 当给三相交流异步电机定子三相绕组通入对称的三相交流电时，将会产生一个旋转的气隙磁场，其中通过气隙到达转子的基波磁场称为主磁场，只铰链定子绕组就形成闭合回路，未能到达转子的磁场称为定子漏磁场。转子绕组开路情况下，整个气隙磁场全部是由定子绕组内的三相对称电流产生，为此定子磁动势又称为励磁磁动势，定子电流也称为励磁电流，励磁电流越大，对应的磁动势也越大。此时异步电机相当于一台二次绕组开路的三相变压器，其中定子绕组是一次绕组，转子绕组是二次绕组，只是在磁路中，定子、转子铁心中多了一个气隙磁路。对称三相交流电与旋转磁场的对应关系如图1-18所示。

该旋转磁场会同时切割定、转子绕组，这样在两个绕组内会产生相应的感应电动势。异步电机工作时，由定子和转子共同建立气隙基波磁场，并与转子绕组的感应电流相互作用产生电磁力，从而形成电磁转矩。电磁转矩克服负载转矩输出机械能，因此异步电机实现了电能到机械能的能量转换。异步电机能够正常工作必须满足两个基本条件：电机的定子、转子基波磁动势必须能合成并在气隙内建立旋转磁场；转子转速必须小于气隙旋转磁场的转速，并且两者保持一定的差值，以保证转子与旋转磁场之间存在相对运动。气隙基波旋转磁场也就是主磁场，其旋转速度与电源频率的关系为

式中 n₁——同步转速，单位为r/min；

f——定子电源频率，单位为Hz；

p——定子绕组的磁极对数。

（2）工作原理分析 异步电机定子绕组接通三相交流电源后，电机内便形成圆形旋转磁动势以及圆形旋转磁通密度，设其方向为顺时针，如图1-19所示。若转子不转，笼型转子导条与旋转磁密有相对运动，导条中有感应电动势E_e，方向由右手定则确定。由于转子导条彼此在端部短路，于是导条中有电流，不考虑电动势与电流的相位差时，电流方向与电动势方向相同。这样，导条就在磁场中受力F_cm，用左手定则确定受力方向，由图1-19可知旋转方向为顺时针。

转子受力，产生转矩T_em，为电磁转矩，方向同磁动势旋转方向，转子便在该方向上旋转起来。转子旋转时，转速为n，只要n＜n₁，转子导条与磁场仍有相对运动，产生与转子不转时相同方向的电动势、电流及受力，电磁转矩T_em仍旧为顺时针方向，转子继续旋转，稳定运行在T_em=T_L的情况下，T_L为负载转矩。

由异步电机的工作原理可知，异步电机稳定运行时，转子转速n不能等于旋转磁场的同步转速n₁，其转差转速Δn=n₁-n，转差转速Δn与同步转速n₁之比为异步电机的转差率，用s表示，即

异步电机带额定负载稳定运行时，转差率一般很小，为0.01～0.05，其转子转速接近于同步转速。由于转差率反映了转子与旋转磁场之间的相对运动，故转差率的大小对异步电机转子电动势、电流、频率、电抗、功率因数等物理量都有直接影响，是异步电机的一个重要参数。根据转差率可求得三相交流异步电机的转速为

从式（1-5）可以看出：三相交流异步电机的转速与旋转磁场的转速不相同，存在“异步”，通过改变转差率s、极数p和定子电源频率f可以实现异步电机转速n的改变。三相交流异步电机控制系统一般采用改变定子输入电源频率的方式进行调速，即变频调速。

3.三相交流异步电机的三种运行状态

三相交流异步电机有电动机运行、发电机运行和电磁制动运行三种运行状态。

（1）电动机运行状态 当三相交流异步电机由电磁转矩驱动负载做功的时候，处于电动机运行状态，此时电机将从定子吸收的电功率转变成机械功率从转子输出。电机转速n与定子旋转磁场转速n₁方向相同，如图1-20b所示，实际转速取决于负载大小。当电机静止时，n=0，s=1；当三相交流异步电机处于理想空载运行时，转速n接近于定子旋转磁场同步转速n₁，故三相交流异步电机作为电动机运行时，转速变化范围为0＜n＜n₁，转差率变化范围为0＜s＜1。

（2）发电机运行状态 如果用原动机拖动三相交流异步电机顺着旋转磁场的方向旋转，且使电机转速n大于同步转速n₁时，则s＜0，磁场切割转子导体的方向与电动机状态时相反。因此转子电动势、转子电流及电磁转矩的方向也与电动机运行状态时相反，如图1-20c所示。电磁转矩与转子转向相反，对转子的旋转起制动作用，转子从原动机吸收机械功率。由于转子电流改变了方向，定子电流跟随改变方向，也就是说，定子绕组由原来从电网吸收电功率，变成向电网输出电功率，使电机处于发电机运行状态。

当异步电机作为发电机运行时，其转速可在n₁＜n＜+∞范围内变化，相应的转差率在-∞＜s＜0范围内变化。

（3）电磁制动状态 如果用外力拖动电机逆着旋转磁场的旋转方向转动，则旋转磁场将以高于同步转速的n₁+n的速度切割转子导体，切割方向与电动机状态时相同，因此转子电动势、转子电流和电磁转矩的方向与电动机运行状态时相同，但电磁转矩与转子转向相反，对转子的旋转起制动作用，故称为电磁制动运行状态，如图1-20a所示。为克服这个制动转矩，外力必须向转子输入机械功率，同时电机定子又从电网吸收电功率，这两部分功率都在电机内部以损耗的方式转化成热能消耗掉。三相交流异步电机在电磁制动状态运行时，转速变化范围为-∞＜n＜0，相应的转差率变化范围为1＜s＜+∞。

由以上分析可知，三相交流异步电机作为新能源汽车驱动电机时，大部分时间处于电动机运行状态，在车辆减速制动时运行于发电机状态。电磁制动状态时通过施加一个反向的旋转磁场对电机转子进行强制制动，在新能源汽车中这种状态相对较少出现。

4.三相交流异步电机的工作特性

三相交流异步电机的工作特性是指在额定电压和额定频率下，电机的转速n、输出转矩T、定子电流I、功率因数cosφ及效率η等物理量随输出功率P₂变化的关系曲线，如图1-21所示。

（1）转速特性 三相交流异步电机转速n与输出功率P₂之间的关系称为转速特性。从图1-21可以看出，空载时，电机输出功率P₂=0，电机转速n接近于同步转速n₁，s≈0；当负载增加时，随负载转矩增加，电机转速n下降，电机转速n随输出功率P₂的增加而减小，是一条稍微向下倾斜的曲线。额定运行时，电机转差率较小，一般在0.01～0.05之间。

（2）转矩特性 三相交流异步电机输出转矩T与输出功率P₂之间的关系称为转矩特性。输出转矩T(N·m)可根据输出功率P₂(W)和转速n(r/min)通过式（1-6）计算得到。

由式（1-6）可以看出，空载时，P₂=0，T=0。随着输出功率P₂的增加，转速n略有下降，由于电机从空载到额定负载这一正常范围内运行时，转速n变化很小，故转矩特性曲线近似为一条稍微上翘的直线，如图1-21所示。

（3）定子电流特性 电机定子电流I与输出功率P₂之间的关系称为定子电流特性，如图1-21所示。

空载时，转子电流较小，接近于零；当负载增加时，转子转速下降，转子电流增大，转子磁势增加。根据磁势动平衡原理，定子电流I及定子磁势也相应增加，以补偿转子电流的去磁作用，因此定子电流I随输出功率P₂的增加而增加，故定子电流特性曲线是一条上升的曲线。

（4）功率因数特性 功率因数cosφ与输出功率P₂之间的关系称为功率因数特性，如图1-21所示。

功率因数特性是三相交流异步电机的一个重要性能指标。空载时，定子电流基本为无功励磁电流，故功率因数很低，一般在0.2以下。带负载运行时，随着负载增加，转子电流增加，定子电流有功分量增加，功率因数逐渐上升。在额定负载附近，功率因数达到最高值，一般为0.8～0.9。负载超过额定值后，由于转速下降，转差率s增大较多，转子频率、转子漏抗增加，转子功率因数下降，转子电流无功分量增大，与之相平衡的定子电流无功分量增大，致使电机功率因数下降。

（5）效率特性 电机效率η为电机输出功率P₂与输入功率P₁之比，电机输入功率减去电机的总损耗∑p后所得的功率为输出功率，即

其中，电机总损耗∑p主要包括电机铁损耗、机械损耗、铜损耗和附加损耗。

电机效率η与电机输出功率P₂之间的关系称为效率特性，如图1-21所示，效率特性也是异步电机的一个重要性能指标。

异步电机从空载到额定运行，电源电压一定时，主磁通变化很小，故铁损耗和机械损耗基本不变，称为不变损耗；而铜损耗、附加损耗随负载变化，称为可变损耗。空载时，输出功率P₂=0，故η=0，随着负载的增加，输出功率增加，电机效率也不断增加，当负载增加到可变损耗与不变损耗相等时，效率达到最大值。此后，由于定、转子电流增加，可变损耗增加很快，效率反而会降低。通常，异步电机的最高效率发生在75%～110%额定功率范围内。

功率因数cosφ和电机效率η是异步电机的两个重要特性指标。由以上分析可知，异步电机的功率因数和效率都是在额定负载附近达到最大值。因此选用电机时，应使电机容量与负载容量相匹配，若电机容量选择过大，电机长期处于轻载运行，运行效率低，不经济；若电机容量选择过小，将使电机长期过载运行，同样使电机运行效率低下，且过载状态下电机容易发热而影响其使用寿命。

5.三相交流异步电机的机械特性

（1）电磁转矩与转差率关系 由于三相交流异步电机的铁损耗较小，忽略铁损耗时，三相交流异步电机电磁转矩T_em可用式（1-8）表达：

式中 m——异步电机相数；

p——定子磁极对数；

U₁——定子相电压，单位为V；

f₁——定子频率，单位为Hz；

s——转差率（%）；

r₁——定子相电阻，单位为Ω；

——折算到定子侧的转子相电阻，单位为Ω；

x₁——定子漏抗，单位为Ω；

——转子不动时，折算到定子侧的转子漏抗，单位为Ω。

从式（1-8）可以看出三相交流异步电机电磁转矩与定子相电压、频率、电机参数和转差率之间的关系。电磁转矩T_em与转差率s特性曲线如图1-22所示。该转矩特性曲线上有几个特殊点，下面就这几个点做具体分析。

1）理想空载运行点D。该点s=0、n=n₁、T_em=0，此时电机不进行机-电能量转换。

2）额定运行点C。该点异步电机带额定负载运行，s_N=0.01～0.06，异步电机输出额定转矩T_N。

3）最大电磁转矩点B。该点异步电机产生最大电磁转矩T_m，对应的转差率为临界转差率s_m。最大电磁转矩T_m与电源电压的二次方成正比，与转子回路电阻无关。临界转差率s_m与外加电压无关，而与转子电路电阻成正比。因此，改变转子电阻大小，虽然最大电磁转矩不变，但可以改变产生最大电磁转矩时的转差率，从而在某一特定转速时，使电机产生的转矩最大，这一性质对于绕线式异步电机具有特别重要的意义。

为了保证电机不会因短时过载而停转，电机一般都具有一定的过载能力。最大电磁转矩越大，电机短时过载能力越强，电机的最大电磁转矩与额定转矩之比称为电机的过载能力，用k_m表示，即

k_m是表征电机运行性能的指标，它可以衡量电机的短时过载能力和运行的稳定性。一般而言，电机的过载能力k_m=1.6～2.2。

4）起动点A。该点s=1，电机转子转速为零，处于起动状态，起动转矩用T_st表示。起动转矩T_st与电源电压的二次方成正比；起动转矩T_st与转子回路电阻有关，绕线式异步电机可以通过转子回路串入电阻的方法来增大起动转矩，改善起动性能。起动转矩与额定转矩之比，称为起动转矩倍数k_st，即

起动转矩倍数反映了电机起动能力的大小，一般而言，起动转矩应不小于带负载转矩的1.1倍。

（2）机械特性 由于电机转速n=(1-s)n₁，故可将电机电磁转矩与转差率的关系转化为电机转速n与电磁转矩T_em之间的关系，即n=f(T_em)，称为异步电机机械特性。异步电机工作在额定电压、额定频率下，且定子、转子电路均不外接电阻情况下的机械特性称为固有机械特性，如图1-23所示。

由式（1-8）可知，电磁转矩T_em与定子相电压U₁的二次方成正比，当U₁降低时，电磁转矩T_em减小，机械特性曲线线性段斜率变大，特性变软，起动转矩倍数和过载能力显著下降。当电压下降过多而使最大电磁转矩小于负载转矩时，电机甚至会停转。不同定子相电压下异步电机机械特性曲线如图1-24所示，其中U_N为额定电压。

由前面异步电机转矩特性分析可知，最大电磁转矩T_m与定子相电压的二次方成正比，与转子回路电阻无关。临界转差率s_m与定子相电压无关，而与转子电路电阻成正比。因此，当定子相电压、频率不变，增大绕线式异步电机转子回路电阻r_z时，定子磁场转速与最大电磁转矩不变，但最大电磁转矩对应的临界转差率s_m增大，电机机械特性曲线线性段斜率变大，特性变软，同时电机起动转矩T_st增大，如图1-25所示。