第三节
电动汽车用三相异步感应电机

一、三相异步感应电机的特点、结构、原理与性能

1.三相异步电机的特点

交流电机可分为同步电机和异步电机两大种类。

如果电机转子的转速 n 与定子旋转磁场的转速 n ₁ 相等，转子与定子旋转磁场在空间同步旋转，这种电机就称为同步电机。如果 n 不等于 n ₁ ，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。

异步电机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便和效率较高等优点，因此得到广泛应用。

异步电机的缺点是功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，故其功率因数小于1。大量的异步电机在电网中运行，使电网的功率因数降低，所以必须用其他的办法进行补偿。

2.三相异步电机的结构

三相异步电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、使用维护方便、可在恶劣环境下使用等优点。图2-22所示为小型普通三相异步电机的结构分解图。

三相异步电机主要由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两个基本部分组成。定子和转子之间有0.25～2mm的气隙。

（1）定子 三相异步电机的定子部分包括机座、装在机座内的圆筒形定子铁心以及其中的三相定子绕组。

1）定子铁心。交流电机定子铁心是电机磁路的一部分，并用来安放定子绕组。为了减少定子铁心中的损耗，铁心一般用厚度为0.35～0.5mm、表面有绝缘层的硅钢片冲片叠装而成，铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以安放定子绕组，如图2-23所示。

2）定子绕组。定子绕组的作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。

小型电机定子绕组常用高强度漆包线绕成线圈后再嵌入定子铁心槽内。三相定子绕组六个出线端引到电机机座的接线盒内，标有U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 、U ₂ 、V ₂ 、W ₂ 。其中，U ₁ 、U ₂ 是第一相绕组的两端，V ₁ 、V ₂ 是第二相绕组的两端，W ₁ 、W ₂ 是第三相绕组的两端。如果U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 分别为三相绕组的始端（头），则U ₂ 、V ₂ 、W ₂ 是相应的末端（尾），三相绕组可以按照需要接成星形（）或三角形（△），具体连接方式如图2-24所示。

3）机座。机座的作用是固定定子铁心，并通过两个端盖支撑转子，同时保护整个电机的电磁部分和散发电机运行时产生的热量。

（2）转子 转子是电机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组及转轴等组成。

1）转子铁心。转子铁心是圆柱状的，用0.5mm的硅钢片冲制叠压而成，表面冲有分布均匀的槽孔，用来放置转子绕组。

2）转子绕组。转子绕组的作用是与定子相互切割磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下产生电磁转矩而使转子转动。

转子绕组根据构造的不同可分为笼型和绕线转子两种。

①笼型转子绕组。笼型转子绕组的铁心是圆柱状的，在转子铁心的槽内放置铜条，其两端用端环相接，呈笼状，所以称为笼型转子绕组。也可以在转子铁心的槽内浇注铝液，铸成一个笼，如图2-25所示。这样便可以用铝代替铜，既经济又便于生产。

目前，中、小型笼型异步电机几乎都采用铸铝转子。

②绕线转子绕组。图2-26所示为绕线转子绕组的接线图，绕线转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，连接成星形。每相绕组的始端连接在三个彼此绝缘的铜制集电环上，集电环固定在转轴上。环与转轴之间都是互相绝缘的。集电环上压着碳质电刷，电刷上又连接着三根外接线。起动电阻和调速电阻是借助于电刷与集电环和绕线转子绕组连接的。

③转轴。转轴的作用是传递转矩及支撑转子。

（3）气隙 定、转子之间的间隙称为气隙。气隙很小，通常为0.2～1mm。尽管气隙只是定子与转子之间的间隙，但它对电机的性能影响很大，气隙不均匀会造成电机运转不平稳，运行性能变差。

3.三相异步电机的工作原理

（1）转子转动原理 图2-27是转子转动原理示意图。当手摇磁极旋转时，转子也跟着旋转。因为磁极旋转时，磁极与转子发生相对运动，转子导体切割磁力线，产生感应电动势和感应电流（其方向可用右手定则确定）。转子导体中的感应电流受到电磁转矩的作用（其方向可根据左手定则确定），于是转子顺着磁铁的转向旋转。

（2）旋转磁场的产生 当定子绕组接通三相正弦交流电后，三相正弦交流电在三相绕组中都产生磁场。由于三相定子绕组按一定规律嵌放，所以它们的合成磁场是随电流的交变在空间不断旋转，因此称作旋转磁场。

以两极三相异步电机为例，说明旋转磁场的形成。图2-28a是形联结的三相两极定子绕组排列图。

当三相绕组的首端U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 分别接到三相对称电源上时，三相绕组中便有三相对称电流通过。设三相电流的相序为U—V—W，U相的初相位为零，各相电流互差120°的相位角，如图2-28b所示。

三相绕组通过三相正弦交流电时，各自产生按正弦规律变化的磁场，三个磁场在定子中形成合成磁场。下面讨论合成磁场的变化规律。在图2-28b中，分别取 ωt =0、π/2、π、3π/2、2π等几个时刻，并规定：当电流为正时，电流从绕组的始端流进末端流出；当电流为负时，电流从绕组的末端流进始端流出。

1）当 ωt =0时： i _U 为0， i _V 为负值， i _W 为正值。此时，绕组U ₁ —U ₂ 中无电流通过，不产生磁场；绕组V ₁ —V ₂ 中的电流是由V ₂ 端流进，V ₁ 端流出；绕组W ₁ —W ₂ 中的电流是由W ₁ 端流进，W ₂ 端流出。运用安培右手螺旋定则可以确定该瞬间的合成磁场为一对磁极，其方向是自上而下。

2）当 ωt =π/2时： i _U 为正的最大值， i _V 、 i _W 均为负值。此时绕组U ₁ —U ₂ 中的电流是由U ₁ 端流进，U ₂ 端流出；绕组V ₁ —V ₂ 中的电流是由V ₂ 端流进，V ₁ 端流出；绕组W ₁ —W ₂ 中的电流是由W ₂ 端流进，W ₁ 端流出。此时电流所产生的合成磁场已在空间按顺时针方向转过90°，且极数不变。

3）当 ωt =π时用上述方法可推出：合成磁场的方向已从 ωt =0°时的位置沿顺时针方向转过180°；同理，当 ωt =3π/2时，合成磁场转过270°；当 ωt =2π时，合成磁场转过360°（即一周）。以上各磁场的方向分别如图2-28c所示。

（3）旋转磁场的方向 旋转磁场的方向决定着电机的转向，而旋转磁场的转向由三相交流电的相序确定。因此，只要对调任意二相绕组与电源的连接，就可改变合成磁场的转向，实现电机反转。

（4）旋转磁场的极数 旋转磁场的极数与三相绕组的排列有关。如果各绕组互差120°电角度，则产生两极旋转磁场（ p =1）。如果每相绕组有两个线圈串联，各相绕组互差60°电角度，则产生四极旋转磁场（ p =2）。因此，只要将三相绕组按一定规律排列，就可得到所需的磁极。旋转磁场的极数也就是异步电动机的极数。

（5）旋转磁场的转速 旋转磁场的转速由磁极数决定。当 p =1时，交流电每变化一周，磁场也旋转一周（360°）。设交流电的频率为 f ，则旋转磁场的转速 n ₀ =60 f ，转速的单位为转/分（r/min）。当 p =2时，交流电交变一周，磁场在空间旋转1/2周（180°），即 n ₀ =60 f /2。同理，当 p =3时，则 n ₀ =60 f /3。由此可知

n ₀ =60 f/p （2-3）

式中 n ₀ ——旋转磁场的转速（r/min）；

f ——三相交流电的频率（Hz）；

p ——旋转磁场的磁极对数。

可见，旋转磁场的转速由电流的频率 f 和磁极的对数 p 决定。由于电动机的 f 和 p 是定值，所以磁场转速是个常数。

（6）转差率 异步电机转子与磁场的旋转方向相同，如果转子转速 n 等于旋转磁场的转速 n ₀ ，转子与磁场间就不存在相对运动，转子也不会产生感应电流和电磁转矩，转子就不可能继续以转速 n 旋转。所以，转子转速必须小于旋转磁场的转速。这就是异步电机名称的由来。异步电机转速和旋转磁场转速间的转速差与旋转磁场转速（同步转速）的比值，称为转差率 s （常用百分数表示），即

式中 s ——转差率；

n ₀ ——旋转磁场的转速（r/min）；

n ——转子转速（r/min）。

一般异步电机在额定工作状态下的转差率为1%～3%。

4.三相异步电机的性能

三相异步笼型电机的功率容量覆盖面很广，从零点几瓦到几千千瓦，它可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电机相比较，效率较高，质量约为1/2。

三相异步电机能够大批量生产，有各种不同型号规格的系列产品可选用，其主要性能指标有额定功率、电压、电流和频率等。

额定功率 P _e ：电机在额定工况下运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。

额定电压 U _e ：电机在额定工况下运行时，加在定子绕组上的线电压，单位为V。

额定电流：指电机工作在额定电压和额定频率下输出额定功率时，定子绕组中的电流，单位为A。

额定频率 f _e ：指电机所接的交流电源的频率，单位为Hz。

额定转速 n _e ：指电机工作在额定电压、额定频率和额定输出功率时，电机的转速，单位为r/min。

三相异步电机的额定转速决定于交流电源的频率、电机的磁极对数和转差率。三相异步电机的最高转速能达到10000～12000r/min。

二、三相异步电机的控制

三相异步电机的控制大体分为两种：矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）。

1.矢量控制

矢量控制的思想是模拟直流电机，求出交流电机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流，并分别加以控制。其特点如下：

①可以从零转速开始进行控制，调速范围很宽。

②转速控制响应速度快，且调速精度较高。

③可以对转矩实行较为精确的控制，电机的加速特性也很好。

④系统受电机参数变化的影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。

目前矢量控制理论已很完善和成熟，可满足电动汽车的动力性要求。

2.直接转矩控制

在定子坐标下，通过检测电机定子电压和电流计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，因此受到广泛关注。其特点如下：

①调速精度较高，响应速度快。

②计算简单，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接。

③信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳。

④调速范围较窄，低速特性有脉动现象。

在技术实现上，直接转矩控制往往很难体现出优越性，调速范围不及矢量控制宽，其根源主要在于其低速时，转矩脉动的存在以及负载能力的下降，这些问题制约了直接转矩控制进入实用化的进程。

三、三相异步电机在电动汽车中的应用

交流异步电机是一种应用广泛的电机，它运行可靠，转速高，成本低。从技术水平看，交流异步电机驱动系统是电动汽车用驱动系统的理想选择，但是，在高速运行时转子容易发热，需要对电机进行冷却，且其提速性能较差。因此，交流异步电机适合大功率、低速车辆，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车，如国内主流客车企业生产的广汽GZ6120EV1、金龙XMQ6126YE、申沃SWB6121EV2等电动客车均采用三相交流异步电机系统。 khsgiNkdRXpeX2Cn3yuZ0uJHTsOkXk5c6dsmPoHjNg4zO1vxJHoQPuh4WZitWKpN

第四节
电动汽车用永磁电机

一、永磁电机的种类及特点

永磁驱动电机有多种分类方法，根据输入电机接线端的电流种类可分为永磁直流电机和永磁交流电机。由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或集电环，因此也可称为永磁无刷电机。根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为永磁同步电机和永磁无刷直流电机。输入永磁同步电机的是交流正弦或近似正弦波，采用连续转子位置反馈信号来控制换向；而输入永磁无刷直流电机的是交流方波，采用离散转子位置反馈信号控制换向。

由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以，永磁无刷直流电机的功率密度大，但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大。而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，与电磁式同步电机相同。

电动汽车驱动用的永磁无刷电机还有一种新型的永磁混合式电机。这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组，永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略，通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围，特别是在高速区，弱磁控制能很好地满足电动汽车恒功率运行的要求。由于这种电机的结构和磁路与其他电机不同，它可归为另一类永磁无刷电机。

已有的永磁电机可分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机及混合式电机四类，后三类由于没有传统直流电机的电刷和换向器，故统称为永磁无刷电机。永磁材料是制约永磁电机性能的一个关键因素。材料按照磁导率的值分为反磁材料、顺磁材料和铁磁材料三类。

二、永磁同步电机

永磁同步电机的定子与传统的同步电机一样，转子采用径向永久磁铁做成的磁极（图2-29）。与电磁式同步电机类似，永磁同步电机的转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率，与多相交流电机的同步电机和感应电机类似，永磁同步电机可以产生理想的恒转矩，也称平稳转矩。

根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机可分为表面式和内置式。表面式同步电机的优点是结构简单，有较大的有效气隙，电枢反应大大降低。与表面式同步电机相比，内置式同步电机有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量，这在恒功率运行时是很有用的。将永磁体嵌入转子，可保持高速运行时的机械完整性。

永磁同步电机的原理如图2-30所示。图2-30a为两相式。当定子A、B相电流的方向改变时，定子A、B相的磁场方向改变，因此永久磁铁就可旋转。图2-30b为三相式， n ₀ 、 T 和 θ 分别为同步转速、转矩和功率角。电机的转子是个永久磁铁，N、S极沿圆周方向交替排列，定子可以看作是一个以速度 n ₀ 旋转的磁场。电机运行时，定子中存在着旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。

永磁电机因应用永磁体，所以不用励磁，从而省去了励磁功率。永磁同步电机同步运转时，转子既无能耗，又无铁耗，因此效率提高，耗损降低，无功功率很小，其主要特点可归纳为如下4个方面。

①高效节能、功率因数高。永磁同步电机与其他电机效率的比较如图2-31所示。一般效率达到95%以上，比Y系列异步电机提高10%～15%。因永磁同步电机没有励磁功率，无功损耗很小，功率因数为0.95～0.99，接近于1，系统综合节电明显。

②效率曲线平直。永磁同步电机效率曲线好，负载在1/4时，效率仍能达到92%以上。

③结构简单，便于维护。与一般异步电机相同，主要由定子、转子及机壳构成，无集电环、电刷，结构简单、寿命长、维护方便。

④调速精度高。永磁同步电机的转速与频率变化完全同步，不受电源电压和负载变化的影响。在任何情况下，永磁同步电机的转速与同步转速的误差都不大于0.25r/min，如果误差超过0.5r/min，就进入失步状态。

三、永磁无刷直流电机

1.永磁无刷直流电机的结构

永磁无刷直流电机在转子上装有永久磁铁。转子采用径向永久磁铁做成的磁极，磁铁被插入转子内部，或以瓦形固定在转子表面上，所以电机的转子磁路是各向均匀的。转子上无电刷和换向器，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电机十分相似。永磁无刷直流电机在工作时，定子中输入电流的波形通常为方波。

2.永磁无刷直流电机的特点

永磁无刷直流电机因为没有电刷与换向器，所以没有维修与保养的需要；因为采用永磁，所以没有励磁损耗的问题。与其他电机相比，其特点如下：

①低频转矩大，低速可以达到理论转矩输出；起动转矩可以达到额定转矩的两倍或更高，并且过载容量高，负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

②转速弹性大，转速范围为几十转到十万转；运转精度高，转速精度可达1/3000r/min，并且不受电压与负载变动的影响。

③结构简单牢固、免维护或少维护，运转费用更低，没有保养维修的烦恼。

④永磁无刷直流电机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密度。

⑤综合效率高，明显高出有刷直流电机的效率及欧盟CEMED效率标准。

永磁无刷直流电机的主要不足是励磁不能控制，因此永磁电机不能得到类似于电磁式直流电机的工作特性，另外，控制系统较为复杂。

3.有刷直流电机与永磁无刷直流电机电动汽车的性能比较

采用永磁无刷直流电机的电动汽车与采用有刷直流电机的电动汽车相比，具有明显的优势。其主要优势见表2-2。

四、永磁混合电机

永磁混合电机的结构特点是其转子是混合式永磁型磁性转子。在永磁型磁性转子中嵌入附加励磁绕组来对磁通量进行控制，达到加宽转速范围及改变电机机械特性的目的。因此，控制励磁电流就成了控制这种电机的关键。一般在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的气隙磁场进行弱磁控制。永磁混合式电机一般采用串联和并联结构。由于永磁体磁导率低，串联结构通常要求感应电动势较高，所以没有并联结构那么受人们青睐。

永磁混合电机的优点有4个方面：

①永磁体有励磁绕组，气隙磁通密度和功率密度高。

②通过采用磁通集中排列来安装永磁体，使其气隙磁通密度高于单独安装的永磁体。通过调节直流励磁电流的方向和大小，气隙磁通可以灵活调节，因此，转矩—转速特性能满足电动汽车驱动的特殊要求。

③调节励磁电流可减弱永磁体产生的气隙磁通，使恒功率运行的速度范围显著提高。

④适当调节电源电压和直流励磁电流，可以优化电机驱动范围的效率图，因此可以提高电动汽车驱动效率，如爬坡时低速高转矩和巡行时高速低转矩工作区的效率。这类电机的主要缺点是结构相对复杂。

五、永磁同步电机在电动汽车上的应用

与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多变等显著优点，在电动汽车电驱动系统中具有很高的应用价值。现在很多电动乘用车均使用永磁同步电机，如日系车中的丰田2010普锐斯，本田INSIGHT和日产ALTIMA。在欧洲各国也大多采用永磁同步电机，如奥迪A8 Hybrid、宝马Active Hybrid7（图2-32），我国现阶段推广应用的主要车型比亚迪e6（图2-33）、北汽C30等也采用永磁同步电机。我国永磁材料资源储备丰富，永磁同步电机制造成本也将进一步降低，相对于其他种类的电机，其优势必将更加显著。