交流異步電機(jī)對(duì)于很多新能源車(chē)車(chē)主應(yīng)該是一個(gè)耳熟能詳?shù)拿~。因?yàn)樵谶x購(gòu)電動(dòng)車(chē)時(shí)經(jīng)常聽(tīng)到的電機(jī)種類(lèi)，就是永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)。那么，交流異步電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)電磁驅(qū)動(dòng)的?為什么要叫異步電機(jī)?它的性能有什么特點(diǎn)，本期來(lái)為大家解讀。

■ 首先，普通有刷直流電機(jī)是如何工作的?

相信在中學(xué)的時(shí)候，我們都學(xué)過(guò)電動(dòng)機(jī)的工作原理，而當(dāng)時(shí)用于教材的電機(jī)通常指的是有刷直流電機(jī)。

如果分別把磁鐵的南極和北極作為定子，把線圈作為轉(zhuǎn)子，那么在線圈通電之后，磁力作用會(huì)推動(dòng)通電的線圈旋轉(zhuǎn)，但由于每旋轉(zhuǎn)180度以后需要改變電流方向才能獲得持續(xù)轉(zhuǎn)矩，所以線圈的電極需要分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)向片剛性連接，轉(zhuǎn)向片之間由云母材料進(jìn)行絕緣。碳刷(電刷)的正負(fù)極則與電池的正負(fù)極相連，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)180度，碳刷與轉(zhuǎn)向片的連接就會(huì)掉轉(zhuǎn)，線圈原本的正極變成負(fù)極、負(fù)極變成正極，以此交替循環(huán)，實(shí)現(xiàn)電磁力推動(dòng)轉(zhuǎn)子線圈持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，如果是車(chē)用有刷直流電機(jī)，機(jī)構(gòu)要比中學(xué)課本力學(xué)的電動(dòng)馬達(dá)復(fù)雜一些。但結(jié)構(gòu)原理大致相同。只不過(guò)定子并不會(huì)使用永磁磁鐵，而是會(huì)使用通電的線圈來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這樣一來(lái)能夠產(chǎn)生的磁場(chǎng)更加強(qiáng)大，而且在調(diào)速控制方面寬容度更高。這種有刷直流電機(jī)雖然在乘用車(chē)中很少采用，但由于其結(jié)構(gòu)緊湊重量小、成本低，控制方式也比較簡(jiǎn)單，基速轉(zhuǎn)速之前只需要通過(guò)控制電壓就能實(shí)現(xiàn)調(diào)速，基速轉(zhuǎn)速之后通過(guò)控制定子的電流來(lái)控制磁場(chǎng)強(qiáng)弱來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，所以現(xiàn)在仍然大量用于無(wú)軌電車(chē)、景區(qū)觀光車(chē)等低速電動(dòng)車(chē)輛上。

但是由于這種直流電機(jī)存在碳刷與線圈轉(zhuǎn)向片之間的摩擦連接，所以在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電火花，而且轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的電火花能量就會(huì)越大。這種電火花除了會(huì)產(chǎn)生不必要的能耗，時(shí)間長(zhǎng)了還會(huì)燒熔碳刷和轉(zhuǎn)向片，所以需要定期更換，維修保養(yǎng)比較麻煩。

▲普通有刷直流電機(jī)工作原理。

■ 交流異步電機(jī)是如何工作的?

交流異步電機(jī)從名字上就不難理解，需要使用交流電來(lái)驅(qū)動(dòng)。雖然同樣是由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，但它的原理與直流電機(jī)完全不同。其定子由定子鐵芯和繞組構(gòu)成，并且固定在殼體內(nèi)。鐵芯由導(dǎo)磁性能好的硅鋼片疊壓而成。線圈則是定子中的重要電路，由于使用的是三相交流電，所以，線圈在定子內(nèi)每120度為一個(gè)單元，共三個(gè)單元，相互對(duì)稱(chēng)排列。三個(gè)獨(dú)立繞組組合在一起形成一個(gè)360度的圓柱形定子。在三相交流電的作用下，繞組會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

三相交流異步電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)原理

交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)子鐵芯、繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯同樣是用導(dǎo)磁性良好的硅鋼片疊壓而成，繞組布置在鐵芯的外圓，鐵芯則壓制在轉(zhuǎn)軸上。所以這三大部分就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子。由此我們可見(jiàn)轉(zhuǎn)子并沒(méi)有永磁鐵，也沒(méi)有任何與定子相連的部分，那么轉(zhuǎn)子的電流從哪來(lái)呢?

交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和殼體結(jié)構(gòu)

由于定子通入的是三向交流電，我們知道交流電會(huì)在單位時(shí)間內(nèi)改變電流的正負(fù)極方向，這個(gè)單位時(shí)間改變方向的次數(shù)我們叫做頻率。普通家用220伏交流電的頻率為50赫茲，是個(gè)固定量。正因?yàn)榻涣麟姷碾娏鞣较驎?huì)以一定頻率改變，所以它的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向也會(huì)隨著電流方向的改變而改變。這個(gè)方向不斷變化的磁場(chǎng)則會(huì)不斷切割轉(zhuǎn)子的繞組，相當(dāng)于繞組在做切割磁力線運(yùn)動(dòng)。這就意味著繞組會(huì)產(chǎn)生電流(與發(fā)電原理一致)，而這個(gè)電流在硅鋼片的作用下又會(huì)被轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)，所以此時(shí)轉(zhuǎn)子相當(dāng)于一塊磁鐵，并且是磁極可變的磁鐵，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在與定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互所用就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。所以定子產(chǎn)生磁場(chǎng)的過(guò)程非常有意思，它類(lèi)似于交流變壓器的變電原理，繞組線圈在定子產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)作用下變成了一塊電磁鐵。

■ 為什么叫異步電機(jī)?它有哪些性能優(yōu)缺點(diǎn)?

所以從原理上看，交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子完全是通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生了電流和磁場(chǎng)。完全不需要像普通直流電機(jī)那樣用碳刷和轉(zhuǎn)向器活動(dòng)連接轉(zhuǎn)子。正因?yàn)槿绱嗽诠ぷ鬟^(guò)程中也就不會(huì)出現(xiàn)電火花，實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷驅(qū)動(dòng)。因此能量損耗小，效率遠(yuǎn)高于普通有刷直流電機(jī)。

之所以叫做交流異步電機(jī)，這個(gè)異步是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)跟不上定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，所以叫做異步。如果轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速始終保持一致，那就叫同步電機(jī)了。用來(lái)衡量異步程度大小的參數(shù)叫轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)工作時(shí)的一個(gè)重要物理量。它是由定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值除以定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速得來(lái)的。所以轉(zhuǎn)差率為大于0小于1的一個(gè)數(shù)值。所以如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速相同，那么轉(zhuǎn)差率則為0，如果轉(zhuǎn)差率為0那么就一定是同步電機(jī)。而如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零(比如起步的瞬間)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)具備一定轉(zhuǎn)速的情況下，那么轉(zhuǎn)差率為1，這是轉(zhuǎn)差率的最大值。所以交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率在實(shí)際車(chē)輛行駛過(guò)程中為一個(gè)變量，車(chē)輛正常行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)差率通常在0.01-0.06這兩個(gè)數(shù)值之間。

▲采用交流異步電機(jī)的純電動(dòng)車(chē)平臺(tái)

交流異步電機(jī)相比有刷的直流電機(jī)，效率高很多。最大的優(yōu)點(diǎn)就是功率密度大。在有限的體積和重量下，可以產(chǎn)生非常大的功率。特斯拉Model S使用的就是一臺(tái)375伏的交流異步電機(jī)。峰值功率最大可達(dá)386千瓦，峰值扭矩可輕松超過(guò)600?！っ?。而且體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，其重量只有52公斤，可以非常方便的布置在車(chē)輛后軸。

另外，除了功率密度和體積的優(yōu)勢(shì)以外，交流異步電機(jī)還有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，就是穩(wěn)定可靠。由于沒(méi)有永磁體，所有磁力都是由電流產(chǎn)生，所以永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)退磁現(xiàn)象，非常適合使用于功率條件苛刻的車(chē)輛中。特別是對(duì)于溫度變化大的環(huán)境下，并不會(huì)因?yàn)楦邷赝舜哦鴮?dǎo)致性能衰減。