淺議交流異步電動機在新能源汽車上的應用

江 軍

（湖北工業職業技術學院，湖北 十堰442000）

在新能源汽車中，一般情況下是電機取代發動機并在電機控制器的控制下，將電能轉化為機械能來驅動汽車行駛。 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，電機作為純驅動裝置；在串聯式混合動力汽車中，電機作為主要動力裝置；在并聯式混合動力汽車中，電機作為輔助動力裝置。 新能源汽車與普通燃油汽車的最重要區別就在于電機驅動系統。

電動機按照用電性質分類，可分為直流電動機和交流電動機兩大類。 交流電動機又分為同步電動機和異步電動機。 雖然電動機種類繁多，但是所有電動機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化與相互作用的基礎上，所依據的電磁定律都是由電磁力定律和電磁感應定律。

新能源汽車經常采用的驅動電機包括直流電動機、交流異步電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機。 最早應用于電動汽車的是直流電動機，這種電動機的優點是控制性能好、成本低。 隨著電子技術、機械制造技術和自動控制技術的發展，交流異步電動機、永磁電動機和開關磁阻電動機顯示出比直流電動機更加優越的性能，這些電機正在逐步取代直流電動機。目前日本在乘用車中采用的是PM（內置式）電機；而在美國，異步電動機是主流的電動機。

異步電動機具有結構簡單、價格便宜、運行可靠、維護方便、效率較高的優點，得到廣泛應用。其主要缺點在于功率因數低，運行時必須從電網吸收無功電流來建立磁場，故其功率因數小于1.。 在新能源汽車的應用中，籠型異步電動機較為廣泛。 其結構簡單、造價低、結構堅固，而且維護起來也很容易。

下文簡要介紹一下交流異步電動機的結構與工作原理：

1）交流異步電動機的結構

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

2）交流異步電動機的工作原理

在三相異步電動機中， 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了一周。 電流持續變化，磁場也不斷地旋轉，從而在電機中產生了旋轉磁場。 旋轉磁場在氣隙中以同步轉速n1旋轉。 根據電磁感應定律，轉子導體受到旋轉磁場的磁力線切割，就會在導體中產生感應電動勢。 在感應電動勢的作用下，在導體中產生了感應電流。 根據電磁力定律，當在磁場中與磁力線垂直方向上存在載流導體時， 將受到電磁力的作用，電磁力將產生與旋轉磁場方向相同的電磁轉矩，轉子在電磁轉矩的作用下，以n 轉速克服阻力轉動起來，轉動方向與旋轉磁場的旋轉方向相同。

3）交流異步電動機的特性

交流異步電動機成本低而且可靠性高，逆變器即便損壞而產生短路時也不會產生反電動勢，所以不會出現急剎車的可能性。因此，廣泛應用于大型高速的電動汽車中。三相籠型異步電動機的功率容量覆蓋面很廣，從零點幾瓦到幾千瓦。它可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高、對環境的適應性好，并且能夠實現再生制動。與同樣功率的直流電動機相比較，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，由于安裝條件是受限制的，而且要求小型輕量化，因而電機在10000r/min 以上的高速運轉時，大多采用一級齒輪減速器實現減速。此外，由于振動等惡劣工作環境，低轉速狀態下需要高轉矩， 并且要求在較寬的速度范圍內具有恒輸出功率特性，所以電動汽車用異步電動機與一般工業用的電動機不同，因此在設計上采用了各種新的方法。

出于對工作環境的考慮，電動機大多采用全封閉式結構，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構，由于為了實現小型輕量化，大多采用了水冷卻定子框架的水冷式電機。高速運轉時由于頻率升高而引起了鐵損的增大，因此希望減少電機的極數，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，電機處在發電制動狀態，給蓄電池充電，實現機械能轉換為電能。在新能源汽車上，由功率半導體器件構成的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節的交流電。 三相異步電動機逆變器的控制方法主要有V/f恒定控制法、轉差率控制法、矢量控制法和直接轉矩控制法（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，通過從電池中獲取有限的能量產生動作，所以要求其在各種環境下的效率都要很好。因而，在性能上要求比一般工業用的電動機更加嚴格。適合作為電動汽車專用的電機需要滿足幾個特性：由高速化而生的小型輕量化（堅固性）、高效性（一次充電后的續駛里程長）、低速大轉矩情況下的大范圍內的恒定輸出特性、壽命長以及高可靠性、低噪聲性和成本低廉。 但是現實中全部滿足以上幾個特性的電機還未被開發出來。目前更適于新能源汽車的電機是交流異步電機和PM 電動機。 在美國，異步電動機應用的較多，這也被人為是和路況有關。在美國，高速公路已經具有一定的規模，除了大城市外，汽車一般以一定的高速持續行駛，所以能夠實現高速運轉而且在高速時有較高效率的異步電動機得到廣泛應用。 在我國，隨著高速公路規模的發展，交流異步電動機在新能源汽車上的應用也會越來越重要。

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