探析交流电机的结构与特点

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：1．异步电机结构交流异步电机主要有单相和三相两种形式。图6-1-3交流异步电机的典型结构图6-1-4电刷装置与外电路相连图5）其他部分其他部分包括端盖、风扇等。2．异步电机原理电动汽车上需要利用电机对车辆进行制动、减速，并回收汽车的惯性能量，这一功能由电机来实现。相比于直流电机，交流异步电机转子的结构很简单，结构尺寸小，质量轻。交流异步电机的控制相对较为复杂，配用的控制器的成本较高。

交流电机可分为同步电机和异步电机两大类。如果电机转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步旋转，则称其为同步电机。如果电机转子转速不等于定子旋转磁场转速，即转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，则称其为异步电机。

1．异步电机结构

交流异步电机主要有单相和三相两种形式。家用电器采用单相异步电机，电动汽车用交流异步电机则普遍采用三相。三相异步电机的种类较多，但各类三相异步电机的基本结构是相似的。定子由外壳、定子铁芯和定子绕组构成。其作用是通入三相交流电后产生旋转磁场，三相交流异步电机的典型结构如图6-1-3所示。

1）定子铁芯

定子铁芯构成电机磁路的一部分，一般由厚度为0.35～0.5 mm的硅钢片叠坟而成。硅钢片的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

2）定子绕组

定子绕组由三个彼此独立的绕组组成，每个绕组又由若干匝线圈绕制而成。每个绕组即为一相，每相绕组在空间相差120°电角度，按一定规律嵌入定子铁芯槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2，连接方式有星形连接和三角形连接两种。

转子交流异步电机的转子主要有笼型和绕线两种形式。

3）笼型转子

笼型转子由铁芯和绕组构成，去掉转子铁芯，整个绕组外形像一个鼠笼，故称为笼型绕组。小型异步电机采用铸铝转子绕组，100 kW以上的异步电机转子通常采用铜条和铜端环焊接而成。

4）绕线转子

绕线转子由铁芯和绕组构成。铁芯用厚度为0.5 mm的硅钢片叠坟而成，嵌套在转轴上，作用和定子铁芯相同，即铁芯本体用作导磁，外圆上均布的槽用于安放转子绕组。转子绕组也有三相绕组，一般接成星形连接，三相引出线分别接到转子轴上与转子轴绝缘的三个集电环上，通过电刷装置与外电路相连，可在转子电路中串接电阻或引入电动势，以改善电机的运行特性，如图6-1-4所示。

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图6-1-3　交流异步电机的典型结构

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图6-1-4　电刷装置与外电路相连图

5）其他部分

其他部分包括端盖、风扇等。

端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风，以冷却电机。三相异步电机的定子与转子之间的空气隙一般仅为0.2～1.5 mm。如果气隙太大，则电机运行时的功率因数降低；如果气隙太小，则会使装配困难，运行不可靠，过小的气隙还会使高次谐波磁场增强，导致附加损耗增加以及使起动性能变差。

2．异步电机原理

电动汽车上需要利用电机对车辆进行制动、减速，并回收汽车的惯性能量，这一功能由电机来实现。交流异步电机也可以通过控制电路实施电机的发电运行，使电动汽车制动时的能量转换为对蓄电池的充电电流，从而得到再生利用。通过控制系统将电机状态改变为发电状态，将发电机发出的能量储存于电池，既可以减小机械制动系统的损耗，又可提高整车能量使用率，达到节约能源和提高电动汽车续航里程的目的。在异步电机中，为保持旋转磁场始终切割转子导体产生感应电流，转子转速应小于旋转磁场的速度。与此相反，异步电机要想发电，首先必须要建立磁场。但如前面介绍的，异步电机是在定子的三相绕组里通入三相交变电流后才产生旋转磁场的。也就是说，异步电机为了得到磁场，其定子绕组必须和三相电源相接，在这种情况下，它将作为异步电机运转。

3．异步电机优缺点

1）优点

（1）效率较高。三相异步电机的效率高于直流电机，这一特点对于车载能量有限的电动汽车来说显得格外重要。

（2）结构简单、体积较小、质量轻。相比于直流电机，交流异步电机转子的结构很简单，结构尺寸小，质量轻。

（3）工作可靠，使用寿命长。交流异步电机无电刷和换向器，不存在换向火花问题，因而工作可靠性较高，使用寿命也较长。

（4）免维护。由于不存在换向火花问题，无电刷磨损问题，因而在使用过程中无须维护。

（5）电机本身的成本低。交流异步电机的结构简单，再加上技术成熟，使用广泛，大批量生产，因此，交流异步电机本身的成本低于其他类型的电机。

2）缺点

（1）调速性能相对较差。由于转子的转速与定子旋转磁场的旋转速度存在转差率，因而调速性能较差。

（2）功率因数较低。异步电机工作时，需从电力系统吸取无功功率以建立磁场，因而其功率因数小于1。

（3）配用的控制器成本较高。交流异步电机的控制相对较为复杂，配用的控制器的成本较高。

4．异步电机特性

交流异步电机成本低而且可靠性高，逆变器即便损坏而产生短路时也不会产生反电动势，所以不会出现急减速的可能性。因此，其广泛应用于大型高速的电动汽车中。三相笼型异步电机的功率容量覆盖面很广，从零点几瓦到几千瓦。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、质量要减轻一半左右。一般情况下，作为电动汽车专用的电机，由于安装条件是受限制的，而且要求小型轻量化，因而电机在10 000 r/min以上的高速运转时，大多采用一级齿轮减速器实现减速。此外，由于振动等恶劣工作环境，低转速状态下需要高转矩，并且要求在较宽的速度范围内具有恒输出功率特性，所以电动汽车用异步电机与一般工业用的电机不同，因此在设计上采用了各种新的方法。出于对工作环境的考虑，电机大多采用全封闭式结构，为了框架、托座等的轻量化，采用坟铸铝的方式制造，也有采用将定子铁芯裸露在外表面的无框架的结构，由于为了实现小型轻量化，大多采用了水冷却定子框架的水冷式电机。高速运转时由于频率升高而引起了铁损的增大，因此希望减少电机的极数，一般采用2极或4极的情况较多，但是2极时，线圈端部的长度变长，所以采用4极的场合较多些。此外，为了减少铁损，普遍采用了有良好磁性的电磁钢板。

探析交流电机的结构与特点

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