淺議交流異步電動機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用

江 軍

（湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 十堰442000）

在新能源汽車中，一般情況下是電機(jī)取代發(fā)動機(jī)并在電機(jī)控制器的控制下，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來驅(qū)動汽車行駛。 其中，在純電動汽車、太陽能電動汽車和燃料電池電動汽車中，電機(jī)作為純驅(qū)動裝置；在串聯(lián)式混合動力汽車中，電機(jī)作為主要動力裝置；在并聯(lián)式混合動力汽車中，電機(jī)作為輔助動力裝置。 新能源汽車與普通燃油汽車的最重要區(qū)別就在于電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。

電動機(jī)按照用電性質(zhì)分類，可分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩大類。 交流電動機(jī)又分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)。 雖然電動機(jī)種類繁多，但是所有電動機(jī)都是由電路和磁路兩個基本部分組成。 他們的工作原理都是建立在電與磁的相互轉(zhuǎn)化與相互作用的基礎(chǔ)上，所依據(jù)的電磁定律都是由電磁力定律和電磁感應(yīng)定律。

新能源汽車經(jīng)常采用的驅(qū)動電機(jī)包括直流電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)。 最早應(yīng)用于電動汽車的是直流電動機(jī)，這種電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是控制性能好、成本低。 隨著電子技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，交流異步電動機(jī)、永磁電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)顯示出比直流電動機(jī)更加優(yōu)越的性能，這些電機(jī)正在逐步取代直流電動機(jī)。目前日本在乘用車中采用的是PM（內(nèi)置式）電機(jī)；而在美國，異步電動機(jī)是主流的電動機(jī)。

異步電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、效率較高的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)在于功率因數(shù)低，運(yùn)行時必須從電網(wǎng)吸收無功電流來建立磁場，故其功率因數(shù)小于1.。 在新能源汽車的應(yīng)用中，籠型異步電動機(jī)較為廣泛。 其結(jié)構(gòu)簡單、造價低、結(jié)構(gòu)堅固，而且維護(hù)起來也很容易。

下文簡要介紹一下交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理：

1）交流異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)

由定子和轉(zhuǎn)子這兩大基本部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間有一定的氣隙。 此外，還有端蓋、軸承、接線盒、風(fēng)扇等其它附件。 定子是用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的，在工作時是靜止不動的。 三相異步電動機(jī)的定子一般由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成。 轉(zhuǎn)子是電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動機(jī)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組組成。 轉(zhuǎn)子繞組是自成閉路的短路線圈。 轉(zhuǎn)子繞組不需外接電源供電，其電流是由電磁感應(yīng)作用產(chǎn)生的。它有兩種結(jié)構(gòu)形式：籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子。交流異步電動機(jī)可分為籠型異步電動機(jī)和繞線式異步電動機(jī)?；\型異步電動機(jī)由于構(gòu)造簡單、價格便宜、運(yùn)行安全可靠、使用方便，因而成為使用最廣泛的一種電動機(jī)。

2）交流異步電動機(jī)的工作原理

在三相異步電動機(jī)中， 定子三相對稱繞組中通入三相對稱電流，交流電流變化一個周期，合成磁場在空間也旋轉(zhuǎn)了一周。 電流持續(xù)變化，磁場也不斷地旋轉(zhuǎn)，從而在電機(jī)中產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場。 旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙中以同步轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)電磁感應(yīng)定律，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受到旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割，就會在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 在感應(yīng)電動勢的作用下，在導(dǎo)體中產(chǎn)生了感應(yīng)電流。 根據(jù)電磁力定律，當(dāng)在磁場中與磁力線垂直方向上存在載流導(dǎo)體時， 將受到電磁力的作用，電磁力將產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下，以n 轉(zhuǎn)速克服阻力轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)動方向與旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相同。

3）交流異步電動機(jī)的特性

交流異步電動機(jī)成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產(chǎn)生短路時也不會產(chǎn)生反電動勢，所以不會出現(xiàn)急剎車的可能性。因此，廣泛應(yīng)用于大型高速的電動汽車中。三相籠型異步電動機(jī)的功率容量覆蓋面很廣，從零點(diǎn)幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對環(huán)境的適應(yīng)性好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動。與同樣功率的直流電動機(jī)相比較，效率較高、重量約要輕一半左右。 一般情況下，作為電動汽車專用的電機(jī)，由于安裝條件是受限制的，而且要求小型輕量化，因而電機(jī)在10000r/min 以上的高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，大多采用一級齒輪減速器實(shí)現(xiàn)減速。此外，由于振動等惡劣工作環(huán)境，低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下需要高轉(zhuǎn)矩， 并且要求在較寬的速度范圍內(nèi)具有恒輸出功率特性，所以電動汽車用異步電動機(jī)與一般工業(yè)用的電動機(jī)不同，因此在設(shè)計上采用了各種新的方法。

出于對工作環(huán)境的考慮，電動機(jī)大多采用全封閉式結(jié)構(gòu)，為了框架、托座等的輕量化，采用壓鑄鋁的方式制造，也有采用將定子鐵芯裸露在外表面的無框架的結(jié)構(gòu)，由于為了實(shí)現(xiàn)小型輕量化，大多采用了水冷卻定子框架的水冷式電機(jī)。高速運(yùn)轉(zhuǎn)時由于頻率升高而引起了鐵損的增大，因此希望減少電機(jī)的極數(shù)，一般采用2 極或4 極的情況較多，但是兩極時，線圈端部的長度變長，所以采用4 極的場合較多些。此外，為了減少鐵損，普遍采用了有良好磁性的電磁鋼板。

新能源汽車減速或制動時，電機(jī)處在發(fā)電制動狀態(tài)，給蓄電池充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。在新能源汽車上，由功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的PWM 功率逆變器把蓄電池電源提供的直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電。 三相異步電動機(jī)逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉(zhuǎn)差率控制法、矢量控制法和直接轉(zhuǎn)矩控制法（DTC）。 其中，后兩種控制方式目前處于主流的地位。

新能源汽車專用的電動機(jī)，通過從電池中獲取有限的能量產(chǎn)生動作，所以要求其在各種環(huán)境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業(yè)用的電動機(jī)更加嚴(yán)格。適合作為電動汽車專用的電機(jī)需要滿足幾個特性：由高速化而生的小型輕量化（堅固性）、高效性（一次充電后的續(xù)駛里程長）、低速大轉(zhuǎn)矩情況下的大范圍內(nèi)的恒定輸出特性、壽命長以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。 但是現(xiàn)實(shí)中全部滿足以上幾個特性的電機(jī)還未被開發(fā)出來。目前更適于新能源汽車的電機(jī)是交流異步電機(jī)和PM 電動機(jī)。 在美國，異步電動機(jī)應(yīng)用的較多，這也被人為是和路況有關(guān)。在美國，高速公路已經(jīng)具有一定的規(guī)模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續(xù)行駛，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)而且在高速時有較高效率的異步電動機(jī)得到廣泛應(yīng)用。 在我國，隨著高速公路規(guī)模的發(fā)展，交流異步電動機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用也會越來越重要。

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