新汽车电机基础控制 6

感应电机第4章交流电机：交流电能↔机械能同步电机感应电机，也叫异步电机交流电机定子结构同步电机与异步电机定子结构几乎完全相同铁心三相交流绕组机壳、机座等交流电机简介

交流绕组的构成原则：电动势和磁动势的波形要尽量接近正弦波，谐波含量要尽量小；三相绕组的电动势、磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；绕组利用率要高。在电动势、磁动势要求一定时，用铜量要节省，铜耗要小；绝缘可靠，机械强度高，散热条件好，制造方便。4.1.1交流电机的绕组4.1交流电机的共同问题1三相绕组多匝线圈单匝线圈散嵌线圈成型线圈绕组线圈→1个线圈

(Nc匝)→1个线圈组

(q个线圈)→

1相绕组

(p个线圈组)

单匝线圈

(2根导体)AXNc=4q=3p=21相绕组总匝数＝p×q×Nc三相交流绕组的构成节距y1=τ：整距线圈节距y1<τ：短距线圈节距y1>τ：长距线圈三相交流绕组的基本概念一个线圈的两个边所跨的定子槽数称为节距，用y1表示。极距：一个磁极在定子内圆上所跨的距离。用槽数表示时，极距τ定义为

电角度=p×机械角度

三相绕组的基本概念转子旋转一圈，在空间上转过360度，此为机械角度；而定子线圈中的电动势交变两个周期，即在相位上经过720度，此为电角度。三相绕组的基本概念α=p×360°/Q=20°槽距机械角度：用空间角度表示的相邻两槽之间的距离。α0=360°/Q=10°槽距电角度：用电角度表示的相邻两槽之间的距离称为槽距角。1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435362槽电动势星形图和相带划分磁极运动方向以三相、四极、36槽的定子为例B槽电动势星形图和相带划分分析：相邻两槽间的电角度为20°（相邻两槽中导体感应电动势的相位差）60°相带绕组每极每相槽数：q=Q/2pm=3相带AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36电动势星形图：把电枢上各槽内导体感应电动势用矢量表示，所构成的星状图。相带：每极下每相所占的区域。通常将360度圆周分成六等分，每等分占60度，称为60度相带。123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536AZBCXY3三相单层绕组—同心式绕组同心式绕组由不同节距的线圈组成，制造工艺简单，主要用于小型感应电机中。链式绕组的各个线圈具有相同的节距，各个线圈之间的连接是一环套一环，从外形看如同锁链，因此被称为链式绕组。下面以6极、三相、36槽电机为例说明。相邻两槽间的电角度为其每极每相槽数为q=Q/2pm=23

三相单层绕组—链式绕组α=p×360°/Q=30°表4-3各相带槽号分配表（3对极36槽）相带AZBXCY第一对极36，12，34，56，78，910，11第二对极12，1314，1516，1718，1920，2122，23第三对极24，2526，2728，2930，3132，3334，353

三相单层绕组—链式绕组链式绕组的线圈具有相同的节距，且恒为奇数，一般用在每极每相槽数为偶数的四极、六极感应电动机中。链式绕组线圈节距较短，比较省铜。图4-5单层链式绕组A相的展开图（2p=6，Q=36）4三相双层绕组(1)双层绕组的特点双层绕组在每一个槽内有上、下两个线圈边，每个线圈的一个边嵌放在某一个槽的上层，另一个边则嵌放在另一个槽的下层，两者之间相隔y1个槽。1）线圈尺寸和形状相同，便于制造。2）端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。3）可以利用短距绕组节约铜材。4）合理选择节距和采用分布的方法，可以改善电动势和磁动势波形。图4-7

三相双层绕组的槽电动势星形图表4-4

各个相带的槽号分配（2对极36槽）极对\相带AZBXCY第一对极下1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极下19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36(2)三相双层叠绕组

三相双层叠绕组中A相绕组的展开图4.1.2正弦磁场下交流绕组的感应电动势设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：1.导体中的基波感应电动势Oωt360°180°e1f=50Hzf:感应电势的频率Oωt360°180°e1bOαπ2πB1Bav一根导体电动势的有效值E”1·y1=τE”1·E’1·E’1·-E”1·Ec1·NS一个整距线圈如果有Nc匝：2.整距线圈的感应电动势E”1·y1<τE”1·E’1·E’1·NS一个短距线圈如果有Nc匝：-E”1·Ec1·基波短距因数3.短距线圈的感应电动势集中线圈q个线圈分布线圈q个线圈α4.线圈组的感应电动势kd1基波分布因数当q个线圈组成分布绕组例如q=3,相量图如右图所示：RRR4.线圈组的感应电动势基波分布因数基波绕组因数一个线圈组有qNC匝：一相绕组的总串联匝数为N匝：单层绕组：N=pqNC/a双层绕组：N=2pqNC/a5.相电动势三角形联结：星形联结：ABCXYZABCZXY6.线电动势

4.1.3交流电机的磁动势1．单相绕组的磁动势a）整距线圈所产生的磁场

b）整距线圈的磁动势波函数图4-13

单个线圈的磁动势图4-15不同瞬间，单相绕组的基波脉振磁动势波（驻波）2.对称三相电流激励三相绕组的磁动势图4-17

两极三相交流电机的定子绕组图4-18不同时刻的三相基波图4-19旋转磁动势波感应电机一般做为电动机使用，能量传递是靠电磁感应实现的，转子转速不等于定子旋转磁场转速，也叫异步电机。感应电机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。感应电机的缺点:功率因数较差，增加电网损耗。不能实现较广范围的平滑调速。4.2感应电动机的原理和结构4.2.1感应电机的结构图4-20笼型三相异步电机结构图定子感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座3部分组成。汽车用感应电机的机座一般采用铸铝制成，外壳上需要有风冷散热筋或者水冷通道。半闭口槽半开口槽开口槽三相电动机定子绕组的接法星形连接三角形连接ABCXYZABCZXY星形接法指将电机绕组三相末端接在一起，三相首端为电源端；其线电压等于根号3倍的相电压，线电流等于相电流。三角形接法指将电机三相绕组首尾互相连接，三个端点为电源端；三角形接法时电机相电压等于线电压；线电流等于根号3倍的相电流。4KW以下的小功率电机大部分采用星接法，大于4KW的电机采用三角形接法。ABCZXYABCZXY2.感应电机的结构—笼型转子绕组笼型绕组是一个自行封闭的短路绕组，它由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环构成，如果去掉铁芯，整个绕组形如一个“圆笼”，因此，称为笼形绕组。为节约用铜和提高生产效率，小型笼型电机一般都用铸铝转子；对中、大型电机，由于铸铝质量不容易保证，故采用铜条插入转子槽内、再用两端焊上端环的结构。

端环

图4-23

笼型绕组a）

铜条笼型绕组

b）铸铝笼型绕组1)笼型转子绕组2）绕线型转子绕线型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到设置在转轴上的三个集电环上，再通过电刷引出，如图4-24所示。图4-24绕线式交流电机的转子3.气隙气隙是电机定、转子之间的空气间隙。气隙大小对感应电机的性能有很大的影响。气隙大，则整体磁路的磁阻大，要建立同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流或永磁励磁磁势。励磁电流基本上是无功电流，为降低电机的励磁电流、提高功率因数，气隙应尽量小。一般气隙长度应为机械上所容许达到的最小值，中、小型感应电机气隙一般为0.2~2mm。-4.2.2感应电机的原理图4-25感应电动机工作原理示意图感应电机中主磁通所经过的磁路极对数123同步转速300015001000f=50Hz同步转速同步转速：旋转磁场的转速。f:感应电势的频率；视在功率：在具有电阻和电抗的交流电路内，把电压与电流的乘积叫做视在功率，以字母S表示。有功功率：是指将电能转换成机械能和热能这部分电功率，用P表示。无功功率：指把电源能量转换磁场的能量这部分功率，用字母Q表示。。COSφ称为功率因数。旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转速差；转速差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示。转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。1.感应电机的参数—转差率额定功率PN

(kW)

：额定运行时轴端输出的机械功率；2.感应电机的参数——额定值输入有功功率额定电压UN

(V)

：额定运行时定子绕组的线电压；额定电流IN(A)：额定电压下运行，输出功率为额定值时，定子绕组的线电流；额定频率fN

(Hz)：定子的电源频率；额定转速nN(r/min)

：额定运行时转子的转速。例1

一台三相异步电动机，电源频率f1=50Hz，其额定转速nN=975r/min。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：ns=1000r/min,即极对数额定转差率为极对数123同步转速300015001000例2Y180M-2型三相异步电动机，△接法，

=0.89，fN=50Hz，nN=2940r/min。求额定运行时的：(1)转差率；(2)定子绕组的相电流；(3)输入有功功率；(4)效率。解：(1)由型号知2p=2，即

p=1，因此

ns=3000r/min，故PN=22kW,UN=380V,IN=42.2A,=0.02(2)由于定子三相绕组为三角形联结，故相电流为(3)输入有功功率(4)效率3.感应电机的运行状态4．感应电动机的功率与转矩图4-27异步电动机的T形等效电路从图4-27所示的等效电路看出，感应电机从电源输入的电功率，一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗,一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗余下的大部分功率将借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，

从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分：s部分变为转子铜损耗，(1-s)部分转变为总机械功率。转差率越大，转子电流越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。2)功率方程、电磁功率和转换功率电源输入电功率P1与转轴上输出功率P2的关系为图4-28异步电动机的功率流程图已知一台三相六极50HZ绕线式异步电动机，额定电压U1N=380V，额定功率PN=100KW，额定转速nN=950r/min，在额定转速下运行时，机械摩擦损耗pm=1KW，忽略附加损耗，当电动机额定运行时，求：（1）额定转差率（2）电磁功率Pe（3）转子铜耗pcu2解：（1）（2）(3)例题分析3）

转矩方程5感应电机的电磁转矩及机械特性1)电磁转矩的物理表达式

，，表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的；增大转子电流的有功分量可以增大电磁转矩，提高电机带负载能力。5.感应电动机的工作特性图4-29异步电动机的工作特性A.转矩-转差率特性（曲线）2)转矩-转差率特性及机械特性图4-30感应电机的转矩-转差率曲线nnNnm0TNTstTmTemABCD起动点A:

最大转矩点B:

额定运行点C

同步运行点DB.机械特性nsb.最大转矩

如果负载转矩大于最大转矩，电动机将停转，因此最大转矩表征了感应电机带负载的能力。最大转矩倍数KT=

Tmax/TN通常KT=1.6~2.5，对于电动汽车感应电机KT=4~5a.起动转矩起动转矩倍数Kst=

Tst/TN对于一般笼形感应电机Kst=1-2，对于电动汽车感应电机Kst=3-46感应电机的调速由异步电动机的转速公式可知，异步电动机有下列三种基本调速方法：（1）改变定子绕组的极对数p；（2）改变电源的频率f1；（3）改变电动机的转差率（如改变转子绕组的电阻）。1).变极调速调速原理

对笼型感应电机,改变电动机定子的极对数，可以改变旋转磁场和转子绕组的极对数，改变同步转速。而电动机工作时，转速接近于同步转速，故可以实现电动机转速的改变。1).变极调速转速几乎成倍变化，调速平滑性差图4-31四极时一相绕组的连接

图4-32两极时一相绕组的连接2).变频调速调速原理

通过变频设备改变电动机电源频率。改变频率，可以改变电动机的同步转速，电动机一般工作于同步转速附近，故可以改变电动机的工作速度。基频fN

：额定频率频率控制方案基频向下调速基频向上调速2).变频调速向下变频调速，应保证电机的主磁通和过载能力不变。此条件下变频调速，电机的额定电磁功率不变，但主磁通发生变化。

基频向下调速

基频向上调速恒转矩2).变频调速—机械特性保持U1/f1=常数(恒磁通),对于同一转矩T,在变频时，转速降近似不变，50HZ以下，变频的人为特性基本上是一族平行直线。变频调速的对象绝大多数是笼型电动机。保持常数的变频调速机械特性3).变转差率调速调速原理

改变转子电阻，即改变电动机机械特性，从而改变机械特性和负载特性的交点，交点对应坐标发生改变，即拖动系统的稳定运行速度发生改变。4.3感应电机的控制技术4.3.1基本控制方法简介感应电机的调速控制方法已有很多，大体可分为恒压频比（U/f）控制、转差频率控制、矢量控制（Vector control，VC）

和直接转矩控制（Direct torque control，DTC）等。U/f控制和转差频率控制是相对简单的交流调速方法，在工业领域上有着广泛的应用。这两种控制策略都是以脉宽调制（Pulse

width

modulation，PWM）方式作为其实现的技术方式，控制曲线会随负载变化而变化，转矩响应慢，不适用于频繁加减速场合，因此这种控制方法不适用于电动车的驱动系统。4.3.2感应电机的数学模型可将定子三相绕组的电压方程表示为在转子abc轴系中，同样可将转子三相绕组的电压方程表示为图4-37

三相感应电动机物理模型每个绕组的磁链都是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，因此六个绕组的磁链方程可表达为写成4.3.3矢量控制（VectorControlSystem）1.矢量控制的基本思想

借助于前述坐标变换，把实际的三相交流电机等效到两相旋转坐标系中，通过适当选择这一两相旋转坐标系，可以使感应电动机在该坐标系中具有与直流电机相似的转矩公式，而且定子电流可以实现解耦，一个用于产生有效磁场，相当于直流电机的励磁电流，称为定子电流的励磁