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『汤叔解惑』交流异步电机是如何实现无刷驱动的?

日期:2019-02-21 10:16

  交流异步电机对于很多新能源车车主应该是一个耳熟能详的名词。因为在选购电动车时经常听到的电机种类,就是永磁同步电机和交流异步电机。那么,交流异步电机是如何实现电磁驱动的?为什么要叫异步电机?它的性能有什么特点,本期来为大家解读。

  相信在中学的时候,我们都学过电动机的工作原理,而当时用于教材的电机通常指的是有刷直流电机。

  如果分别把磁铁的南极和北极作为定子,把线圈作为转子,那么在线圈通电之后,磁力作用会推动通电的线度以后需要改变电流方向才能获得持续转矩,所以线圈的电极需要分别用两个转向片刚性连接,转向片之间由云母材料进行绝缘。碳刷(电刷)的正负极则与电池的正负极相连,这样转子每转过180度,碳刷与转向片的连接就会掉转,线圈原本的正极变成负极、负极变成正极,以此交替循环,实现电磁力推动转子线圈持续旋转。

  当然,如果是车用有刷直流电机,机构要比中学课本力学的电动马达复杂一些。但结构原理大致相同。只不过定子并不会使用永磁磁铁,而是会使用通电的线圈来产生磁场,这样一来能够产生的磁场更加强大,而且在调速控制方面宽容度更高。这种有刷直流电机虽然在乘用车中很少采用,但由于其结构紧凑重量小、成本低,控制方式也比较简单,基速转速之前只需要通过控制电压就能实现调速,基速转速之后通过控制定子的电流来控制磁场强弱来实现调速,所以现在仍然大量用于无轨电车、景区观光车等低速电动车辆上。

  但是由于这种直流电机存在碳刷与线圈转向片之间的摩擦连接,所以在电机运转时会产生电火花,而且转速越高产生的电火花能量就会越大。这种电火花除了会产生不必要的能耗,时间长了还会烧熔碳刷和转向片,所以需要定期更换,维修保养比较麻烦。

  交流异步电机从名字上就不难理解,需要使用交流电来驱动。虽然同样是由转子和定子构成,但它的原理与直流电机完全不同。其定子由定子铁芯和绕组构成,并且固定在壳体内。铁芯由导磁性能好的硅钢片叠压而成。线圈则是定子中的重要电路,由于使用的是三相交流电,所以,线度为一个单元,共三个单元,相互对称排列。三个独立绕组组合在一起形成一个360度的圆柱形定子。在三相交流电的作用下,绕组会产生旋转磁场用于驱动转子旋转。

  交流异步电机的转子是由转子铁芯、绕组和转轴组成。转子铁芯同样是用导磁性良好的硅钢片叠压而成,绕组布置在铁芯的外圆,铁芯则压制在转轴上。所以这三大部分就构成了转子。由此我们可见转子并没有永磁铁,也没有任何与定子相连的部分,那么转子的电流从哪来呢?

  由于定子通入的是三向交流电,我们知道交流电会在单位时间内改变电流的正负极方向,这个单位时间改变方向的次数我们叫做频率。普通家用220伏交流电的频率为50赫兹,是个固定量。正因为交流电的电流方向会以一定频率改变,所以它的旋转磁场方向也会随着电流方向的改变而改变。这个方向不断变化的磁场则会不断切割转子的绕组,相当于绕组在做切割磁力线运动。这就意味着绕组会产生电流(与发电原理一致),而这个电流在硅钢片的作用下又会被转换成磁场,所以此时转子相当于一块磁铁,并且是磁极可变的磁铁,转子磁场在与定子产生的旋转磁场相互所用就会产生转矩。所以定子产生磁场的过程非常有意思,它类似于交流变压器的变电原理,绕组线圈在定子产生的变化磁场作用下变成了一块电磁铁。

  所以从原理上看,交流异步电机的转子完全是通过电磁感应产生了电流和磁场。完全不需要像普通直流电机那样用碳刷和转向器活动连接转子。正因为如此在工作过程中也就不会出现电火花,实现了无刷驱动。因此能量损耗小,效率远高于普通有刷直流电机。

  之所以叫做交流异步电机,这个异步是因为转子的实际转速永远跟不上定子磁场的转速,所以叫做异步。如果转子实际转速与磁场转速始终保持一致,那就叫同步电机了。用来衡量异步程度大小的参数叫转差率。转差率是异步电机工作时的一个重要物理量。它是由定子磁场转速与转子实际转速的差值除以定子磁场转速得来的。所以转差率为大于0小于1的一个数值。所以如果转子转速与磁场转速相同,那么转差率则为0,如果转差率为0那么就一定是同步电机。而如果转子转速为零(比如起步的瞬间),转子转速为0,旋转磁场具备一定转速的情况下,那么转差率为1,这是转差率的最大值。所以交流异步电机的转差率在实际车辆行驶过程中为一个变量,车辆正常行驶过程中的转差率通常在0.01-0.06这两个数值之间。

  交流异步电机相比有刷的直流电机,效率高很多。最大的优点就是功率密度大。在有限的体积和重量下,可以产生非常大的功率。特斯拉Model S使用的就是一台375伏的交流异步电机。峰值功率最大可达386千瓦,峰值扭矩可轻松超过600牛·米。而且体积小、重量轻、结构紧凑,其重量只有52公斤,可以非常方便的布置在车辆后轴。

  另外,除了功率密度和体积的优势以外,交流异步电机还有一个很大的优势,就是稳定可靠。由于没有永磁体,所有磁力都是由电流产生,所以永远不会出现退磁现象,非常适合使用于功率条件苛刻的车辆中。特别是对于温度变化大的环境下,并不会因为高温退磁而导致性能衰减。

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