傳統(tǒng)汽車的動力來源于發(fā)動機， 電動汽車以電機驅(qū)動系統(tǒng)代替了發(fā)動機作為動力來源，電動汽車中的燃料電池電動汽車、混合動力電動汽車和純電動汽車都需要使用電機來驅(qū)動車輪行駛。選擇合適的電機是提高各類電動汽車性價比的重要途徑， 因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求， 并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的驅(qū)動電機顯得極其重要。這也是提高電動汽車性價比而使其盡快普及應(yīng)用、搞好節(jié)能減排工作的有效途徑。電動汽車的動力性能取決千它的電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能。

5.3 交流感應(yīng)電機

交流感應(yīng)電機又稱異步電機。交流電機有同步和異步兩類：同步電機，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速相等，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間同步運轉(zhuǎn)；異步電機，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速不相等，轉(zhuǎn)子與定子旋轉(zhuǎn)磁場在空間不是同步運轉(zhuǎn)。

與直流電機相比交流感應(yīng)電機結(jié)構(gòu)簡單。從技術(shù)水平來看，感應(yīng)電機驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽 車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的理想選擇，尤其是驅(qū)動系統(tǒng)功率需求較大的大型電動客車。

5. 3.1 感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)

三相異步電機的種類很多，但各類三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)是相同的。三相異步電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大基本部分組成。定子和轉(zhuǎn)子之間有氣隙，為了減小勵磁電流，提高功率因數(shù)，氣隙應(yīng)做得盡可能小。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，異步電機分為籠型異步電機和繞線轉(zhuǎn)子異步電機兩種，這兩種電機的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，僅轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。圖5-19所示為封閉式三相籠型異步電機結(jié)構(gòu)圖。

1、定子的結(jié)構(gòu)

異步電機定子由定子鐵心、定子繞組和機座等組成。定子鐵心是電機磁路的一部分，由厚為0. 35 -0. 5mm表面涂有絕緣漆的硅鋼片沖槽疊裝而成。采用硅鋼片的目的是為了減少鐵損，片間絕緣可減少鐵心的渦流損耗。定子鐵心的內(nèi)圓上開有均勻分布的定子槽，用來嵌放定子繞組。定子繞組是電機的電路部分，三相電機有三組空間互相間隔120° 的三相繞組，每相繞組由若干線圈連接組成，按一定規(guī)律嵌入定子鐵心線槽內(nèi)。三相繞組的首、尾共有六個出線端， 若將首尾相連引出三個接線端為三角形連接方式；若將三個尾端并接在一起， 由首端同樣引出三個接線端為星形聯(lián)結(jié)方式。電機的接線盒可由三根線引出。但一般引出為六根線， 因而可由用戶根據(jù)需要連接成星形或三角形。機座的作用主要是固定定子鐵心和支撐轉(zhuǎn)子軸， 要求有足夠的強度和良好的通風(fēng)散熱條件， 它的外殼表面通常鑄有散熱片， 以擴大散熱面積， 其他還包括前后端蓋、軸承蓋、風(fēng)罩、接線盒和吊環(huán)等。

2. 轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)

異步電機轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是磁路的一部分， 同樣由厚為0.35 ~0.5mm, 表面涂有絕緣漆的硅鋼片沖槽疊裝而成， 鐵心與轉(zhuǎn)軸必須可靠地固定， 以便傳遞機械功率。轉(zhuǎn)子繞組分為繞線型和籠型兩種， 如圖5-20所示。轉(zhuǎn)子繞組常連接成星形， 將其三條引出線分別接到裝在同一軸上的三個集電環(huán)上， 并由壓在其上的三個電刷將電路引出， 即可在轉(zhuǎn)子電路中串入外接可變電阻器， 以改變轉(zhuǎn)子的阻抗來調(diào)節(jié)電動機的運行狀態(tài)和特性， 如圖5-21所示?；\型轉(zhuǎn)子繞組由槽內(nèi)的導(dǎo)條和端環(huán)構(gòu)成多相對稱閉合繞組，有鑄鋁轉(zhuǎn)子和銅排轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)。鑄鋁式轉(zhuǎn)子把導(dǎo)條、端環(huán)和風(fēng)扇葉一起鑄出，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用于中、小型電動機。 銅排式轉(zhuǎn)子把所有的銅條與端環(huán)焊接在一起，形成短路繞組。如果把籠型轉(zhuǎn)子的鐵心去掉單看繞組部分，其形似鼠籠，因此稱為籠型轉(zhuǎn)子，圖5-21a所示為鑄鋁轉(zhuǎn)子，圖5-21b所示為銅排轉(zhuǎn)子。

3. 其他部分

其他部分包括軸承、風(fēng)扇等。風(fēng)扇是用來通風(fēng)冷卻電機的。三相異步電機的定子與轉(zhuǎn)子之間的空氣隙，一般僅為 0. 2 -1. 5mm。氣隙不能太大，氣隙大時產(chǎn)生的氣隙轉(zhuǎn)矩小，會使電機運行時的功率因數(shù)降低；但也不能太小，氣隙太小時會引起裝配困難，如果內(nèi)有異物或轉(zhuǎn)軸有徑向移動時容易卡堵，運行不可靠，高次諧波磁場增強，引起附加損耗，使起動性能變差。

4． 三相異步電機的銘牌數(shù)據(jù)

每臺異步電機的機座上都有一塊銘牌，銘牌上標(biāo)明生產(chǎn)廠家為用戶規(guī)定的該電機正常運行時的各種額定數(shù)據(jù)。主要數(shù)據(jù)如下：

1)額定功率Pe :指電動機額定運行時軸端輸出的機械功率，單位為W或kW。

2) 額定電壓Ue :指電動機額定運行時定子繞組應(yīng)接入的電源線電壓，單位為V。

3) 額定電流le :指電動機在額定電壓下，輸出額定功率時，定子繞組的線電流，單位為A。

4)額定頻率fe: 按規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用電的頻率（工頻）為50Hz。

5)額定轉(zhuǎn)速Ne：指電動機在額定電壓、額定功率及額定頻率下的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

除此之外，銘牌上還標(biāo)有定子繞組相數(shù)、連接方法、絕緣等級、功率因數(shù)、效率、溫升和重量等。對繞線轉(zhuǎn)子異步電機還標(biāo)有轉(zhuǎn)子額定電壓（指定子繞組加額定電壓，轉(zhuǎn)子開路時集電環(huán)之間的線電壓）和轉(zhuǎn)子額定電流。

5. 3. 2 感應(yīng)電機的工作原理

交流感應(yīng)電機是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成的，當(dāng)U形磁鐵以轉(zhuǎn)速m旋轉(zhuǎn)，線圈中的導(dǎo)線將切割磁力線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e,且有e =Blv 式中，B為磁感應(yīng)強度(T); l為導(dǎo)體長度(m); V 為線圈的切割速度(m/s)。

感應(yīng)電動勢方向滿足右手定則，如圖5-22 中箭頭所示，因為線圈是閉合的導(dǎo)體，所以產(chǎn)生感應(yīng)電流， 電流方向如箭頭所示。帶電的導(dǎo)體在磁場中將受電磁場的F作用， 且有F= Bil, 方向滿足左手定則， 如圖5-22所示。在電磁力F的作用下，線圈也將逆時針方向旋轉(zhuǎn)， 與磁場旋轉(zhuǎn)方向相同， 轉(zhuǎn)速為n, 且n <n1。

交流感應(yīng)電機的旋轉(zhuǎn)磁場是由通入定子繞組的三相對稱交流電產(chǎn)生的， 設(shè)流入三相定子繞組的電流方程為

波形如圖5-23所示。

不同時刻三相合成旋轉(zhuǎn)磁場的位置如圖5-24所示， 當(dāng)wt =0時， AX線圈中沒有電流通入， BY線圈中的電流是從B端流出， Y端流入；CZ線圈中的電流是從Z端流出，C端流入。根據(jù)右手螺旋法則， 合成磁場的位置即N極和S極的位置如圖5-24a所示。同理， 叫為60°、120°、180°時， 合成磁場的位置分別如圖5-24b、圖5-24c和圖5-24d所示。

在定子繞組上加上三相交流電源后產(chǎn)生順時針方向旋轉(zhuǎn)的磁場，這個磁場使定子鐵心中產(chǎn)生磁通， 轉(zhuǎn)子繞組由于切割這個磁場而感應(yīng)出電動勢， 在閉合的轉(zhuǎn)子繞組中將有感應(yīng)電流流動。當(dāng)改變相序時， 電動機轉(zhuǎn)向?qū)⑾喾矗?這個旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速也叫作同步轉(zhuǎn)速，其值為

式中，f8 為通入定子電流頻率(Hz); Pn 為電機的極對數(shù)。

在交流感應(yīng)電機中有一個非常重要的物理量叫轉(zhuǎn)差率， 其定義為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速(ns ）與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速(n)之差， 用S來表示， 其值為

5. 3. 3 感應(yīng)電機的控制

在主磁極勵磁磁通保待恒定的條件下， 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流呈線性關(guān)系， 通過電樞電流的控制就可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)矩控制。交流感應(yīng)電機的定子電流與電磁轉(zhuǎn)矩之間具有復(fù)雜的非線性關(guān)系， 因此它不可能像直流電機一樣通過簡單的調(diào)節(jié)電樞電流來控制電磁轉(zhuǎn)矩。并且直流電機的勵磁電流和電樞電流是各自分開獨立控制的， 而交流感應(yīng)電機只能對定 子進行控制， 使控制難度加大。交流感應(yīng)電機的常用控制方法分為變壓變頻控制、轉(zhuǎn)差頻率 控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等幾種， 其中矢量控制技術(shù)能使交流感應(yīng)電機得到和直流電 機一樣的調(diào)速特性， 目前已經(jīng)成為較理想的高性能交流感應(yīng)電機的控制方法。

1、感應(yīng)電機的矢量控制 

失扯控制理論是在 1971 年最先由德國學(xué)者 F. Blachke 提出的。直流電機之所以具有良好的控制特性， 其根本原因是被控參量只有磁極磁場和電樞電流， 且這兩個量互相獨立。此外， 電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流之間均為線性關(guān)系。如果能夠模擬直流電機， 求出交流電機 電磁轉(zhuǎn)矩與之對應(yīng)的磁場和電樞電流， 并分別加以控制， 就會使交流電機具有與直流電機近似的控制特性。為此， 必須將三相交變量（矢量） 轉(zhuǎn)換為與之等效的直流械（標(biāo)量）， 建立起交流電機的等效模型． 然后按直流電機的控制方法對其進行控制。

定子電流與轉(zhuǎn)子電流和勵磁電流之間的關(guān)系為

相位角0為

在對E/f進行控制的基礎(chǔ)上，通過檢測電機的實際轉(zhuǎn)速nn 對應(yīng)的頻率兒并按照希望得到的轉(zhuǎn)矩來對輸出的頻率進行控制。調(diào)節(jié)相位角0對定子電流的相位進行控制，稱為電機的矢量控制方法。矢量控制可以消除轉(zhuǎn)差頻率控制在轉(zhuǎn)矩電流過渡過程中的波動，提高電機控制的品質(zhì)。

圖5-25為感應(yīng)電機的等效電路圖和電流矢量圖，如果需要將電機的I1改變?yōu)镮2 時， 只有改變I1的相位角從01 變?yōu)?2 ,也就是要對定子的電流進行矢量變換控制來實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)子電流 12 的幅值， 以保證轉(zhuǎn)矩電流平穩(wěn)的變化，對定子的電流進行矢量變換控制來實現(xiàn)控制轉(zhuǎn)子電流 12的幅值的控制方法，稱為轉(zhuǎn)差頻率控制方法。 

2. 感應(yīng)電機的矢量控制系統(tǒng)

圖5-26為感應(yīng)電機的矢量控制系統(tǒng)， 由變換器輸入直流電源輸送到電壓型晶體管逆變器中，經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換的三相交流電來驅(qū)動三相感應(yīng)電動機(IM )。感應(yīng)電機的矢量控制的逆變器系統(tǒng)，用DSP系統(tǒng)和控制回路控制，電流傳感器將三相交流電信號傳送到A/D變換器，經(jīng)轉(zhuǎn)差頻率控制器分解為磁場電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq,在轉(zhuǎn)矩電流與磁場電流的相互垂直的坐標(biāo)系d-q中d軸超前q軸90° ,然后數(shù)據(jù)傳送到電流控制器中。  編碼器將感應(yīng)電機的相位變化和速度變化的信息傳遞到速度控制器，與發(fā)出的速度指令比較，產(chǎn)生新的磁場電流id和轉(zhuǎn)矩電流iq，然后數(shù)據(jù)經(jīng)電流控制器，輸送到DSP系統(tǒng)的處 理后， 向脈沖寬度調(diào)制電壓型晶體管逆變器(PWM)發(fā)出控制指令，對輸入電動機的電壓、電流、頻率和相位按新的速度指令進行調(diào)控，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，如圖5-26所示。

5. 3. 4 感應(yīng)電機的特點

就像前面所述的直流電機的情況，對于電動汽車的驅(qū)動電機，人們所期望的優(yōu)點如下：

1) 小型輕量化。

2) 易實現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過 l0000r/min 的高速旋轉(zhuǎn)。

3)低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬泛的速度控制范圍。

4)高可靠性（堅固）。

5)制造成本低。

6)控制裝置的簡單化。

對于電動汽車專用的驅(qū)動電機，要求最好滿足以上這些條件。

異步電機在一定程度上滿足了這些條件。異步電機成本低且可靠性高，逆變器即便是損壞而產(chǎn)生短路也不會產(chǎn)生反向電動勢，沒有出現(xiàn)緊急制動的可能性。因此，它在大型高速的 電動汽車中使用得很多。

為了滿足以上各項要求，各大公司均對其進行了研究開發(fā)，制造了各具特色的多種異步 電機。一般情況下，作為電動汽車專用的電機，由于安裝條件受限制，而且要求小型輕量 化，因而電機在 lOOOOr/min 以上的高速運轉(zhuǎn)時，大多采用一級齒輪減速器實現(xiàn)減速。此外，振動使工作環(huán)境變得非常惡劣，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下需要在較寬的速度范圍內(nèi)的恒輸出功率，因而 電動汽車用異步電機與一般工業(yè)用的電動機不同，在設(shè)計上采用了各種新的方法。

首先，出于對工作環(huán)境的考慮，大多采用全封閉式結(jié)構(gòu)，為了電動機框架、托座等的輕 量化，采用壓鑄鋁的方式制造，也有采用將定子鐵心裸露在外表面的無框架結(jié)構(gòu)，而且為了實現(xiàn)小型輕量化，大多采用了通過水冷卻定子框架的水冷式電機。此外，無框架結(jié)構(gòu)中，在定子鐵心內(nèi)部安裝冷卻管道的結(jié)構(gòu)也被提出。

本文摘編自《新能源汽車技術(shù)概論》，機械工業(yè)出版社出版，經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。

本書可作為汽車工程類應(yīng)用型本科及高職高專院校的教材；也可作為汽車工程技術(shù)人員、新能源汽車培訓(xùn)教師參考用書；同時適合廣大對新能源汽車技術(shù)關(guān)注的社會人士閱讀。

本書由廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院李艷菲、鄭偉編著。