2.3　三相異步交流電機

三相異步交流電機（Triple-phase asynchronous motor）是靠同時接入三相交流電源（相位差120°）供電的一類電機，由于三相異步電機的轉子與定子旋轉磁場以相同的方向、不同的轉速旋轉，存在轉差率，所以叫三相異步交流電機。當電機的三相定子繞組通入三相對稱交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電流（轉子繞組是閉合通路），載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，從而在電機轉軸上形成電磁轉矩，驅動電機旋轉，且電機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。

2.3.1　三相異步交流電機分類

（1）按轉子的結構　按轉子的結構不同，電機可分為籠式轉子感應電機（舊標準稱為繞線型異步電機）和繞線式轉子感應電機（舊標準稱為繞線型異步電機）。籠式轉子的異步電機結構簡單、運行可靠、重量輕、價格便宜，得到了廣泛的應用；其主要缺點是調速困難。繞線式三相異步電機的轉子和定子一樣也設置了三相繞組，并通過滑環、電刷與外部變阻器連接，調節變阻器電阻可以改善電機的啟動性能，還可以調節電動機的轉速。

（2）按運轉速度　按運轉速度不同，電機可分為高速電機、低速電機、恒速電機、調速電機。低速電機又分為齒輪減速電機、電磁減速電機、力矩電機和爪極同步電機等。調速電機除可分為有級恒速電機、無級恒速電機、有級變速電機和無級變速電機外，還可分為電磁調速電機、直流調速電機、PWM變頻調速電機和開關磁阻調速電機。異步電機轉子的轉速總是略低于旋轉磁場的同步轉速。

2.3.2　交流異步電機的結構

交流異步電機的種類很多，但各類三相異步電機的基本結構是相同的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環等其他附件，如圖2-10所示。

（1）定子部分　定子是用來產生旋轉磁場的。三相交流異步電機的定子一般由外殼、定子鐵芯、定子繞組等部分組成。

① 外殼　交流異步電機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環等部件。機座由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成形，它的作用是保護和固定三相交流異步電機的定子繞組。車用交流異步電機的機座還有兩個端蓋支承著轉子，它是三相電機機械結構的重要組成部分。通常，機座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋用鑄鐵或鑄鋼澆鑄成形，它的作用是把轉子固定在定子內腔中心，使轉子能夠在定子中均勻地旋轉。軸承蓋也是由鑄鐵或鑄鋼澆鑄成形的，它的作用是固定轉子，使轉子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護軸承的作用。接線盒一般是用鑄鐵澆鑄的，其作用是保護和固定繞組的引出線端子。吊環一般是用鑄鋼制造的，安裝在機座的上端，用來起吊、拆裝電機。

② 定子鐵芯　交流異步電機定子鐵芯是電機磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，如圖2-11所示。由于硅鋼片較薄而且片與片之間是絕緣的，所以減少了由于交變磁通通過而引起的鐵芯渦流損耗。鐵芯內圓有均勻分布的槽口，用來嵌放定子繞組。

③ 定子繞組　交流異步電機的定子繞組是三相電機的電路部分，三相電機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產生旋轉磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中、小型三相電機多采用圓漆包線，大、中型三相電機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規律嵌入定子鐵芯槽內。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1、V1、W1，末端分別標為U2、V2、W2。這六個出線端在接線盒里的排列如圖2-12所示，可以接成星形或三角形。

（2）轉子部分

① 轉子鐵芯　轉子鐵芯是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成的，套在轉軸上，作用和定子鐵芯相同，一方面作為電機磁路的一部分，另一方面用來安放轉子繞組。

② 轉子繞組　異步交流電機的轉子繞組分為繞線式與籠型兩種。籠型繞組在轉子鐵芯的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環（稱為端環）把銅條連接起來，稱為銅排轉子，如圖2-13（a）所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環及風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如圖2-13（b）所示。100kW以下的異步電機一般采用鑄鋁轉子。

（3）端蓋、風扇、軸承　除定子和轉子外交流異步電機還包括端蓋、風扇等。端蓋起防護作用，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉子軸。風扇則用來通風冷卻電機。三相異步電機的定子與轉子之間的空氣隙，一般僅為0.2～1.5mm。氣隙太大，電機運行時的功率因數降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差。

2.3.3　交流異步電機的工作原理

（1）三相交流電機的旋轉磁場　三相異步電機轉子之所以會旋轉，實現能量轉換，是因為轉子氣隙內有一個旋轉磁場。下面來討論旋轉磁場的產生。

U1U2、V1V2、W1W2為三相定子繞組，在空間彼此相隔120°接成星形。三相繞組的首端U1、V1、W1接在三相對稱電源上，有三相

對稱電流通過三相繞組。設電源的相序為U、V、W初相角為零，三相交流電流波形如圖2-14所示。

iU=sinωt　　

iV=sin（ωt-120°）　　

iW=sin（ωt+120°）　　

為了分析方便，假設電流為正值時，在繞組中從始端流向末端，電流為負值時，在繞組中從末端流向首端。

當ωt=0°的瞬間，iU=0，iV為負值，iW為正值。根據右手螺旋定則，三相電流所產生的磁場疊加的結果，便形成一個合成磁場，如圖2-15（a）所示，可見此時的合成磁場是一對磁極（即兩極），右邊是N極，左邊是S極。

當ωt=120°時，即經過1/3周期后，iU由零變成正的最大值，iV仍為負值，iW已變成負值，如圖2-15（b）所示，這時合成磁場的方位與ωt=0°時相比，已按逆時針方向轉過了120°。同理，當ωt=240°時，合成磁場就轉過了240°，如圖2-15（c）所示。依此類推，當ωt=360°時合成磁場旋轉了360°，即轉了1周，回到圖2-15（a）所示位置。

由此可見，對稱三相電流iU、iV、iW分別通入對稱三相繞組U1U2、V1V2、W1W2中所形成的合成磁場，是一個隨時間變化的旋轉磁場。

以上分析的是電機產生一對磁極時的情況，當定子繞組連接形成的是兩對磁極時，運用相同的方法可以分析出此時電流變化一個周期，磁場只轉動了半圈，即轉速減慢了一半。

依此類推，當旋轉磁場具有p對磁極時（即磁極數為2p），交流電每變化一個周期，其旋轉磁場就在空間轉動1/p轉。因此，三相電機定子旋轉磁場每分鐘的轉速n1、定子電流頻率f及磁極對數p之間的關系是

n1=　　

（2）三相電機的轉動原理　圖2-16所示為三相異步電機轉動原理。三相交流電通入定子繞組后，便形成了一個旋轉磁場，其轉速n1=60f/p，旋轉磁場的磁力線被轉子導體切割，根據電磁感應原理，轉子導體產生感應電動勢。轉子繞組是閉合的，則轉子導體有電流流過。設旋轉磁場按順時針方向旋轉，且某時刻上為N極下為S極，如圖2-16所示。根據右手定則，上半部轉子導體的電動勢和電流方向由里向外，用☉表示；下半部則由外向里，用表示。

定子旋轉磁場以速度n0切割轉子導體感生電動勢，在轉子導體中形成電流，使導體受電磁力作用形成電磁轉矩，推動轉子以轉速n按n0方向旋轉（左手定則），并從軸上輸出一定大小的機械功率。

電機內必須有一個按n0旋轉的磁場，實現能量轉換的前提是電機運行時n恒不等于n0（異步），必要條件為n<n0，建立轉矩的電流通過感應產生（圖2-17）。

（3）交流三相異步電機防護等級和接法

① 交流三相異步電機的防護等級　防護等級表示三相電機外殼的防護等級，其中IP是防護等級標志符號，其后面的兩位數字分別表示電機防固體和防水進入的能力，數字越大，防護能力越強。例如，IP44中第一位數字“4”表示電機能防止直徑或厚度大于1mm的固體進入電機內殼，第二位數字“4”表示能承受任何方向的濺水。

② 交流三相異步電機的接法　三相電機定子繞組的連接方法有星形（）和三角形（△）兩種。定子繞組的連接只能按銘牌標注規定方法連接，不能任意改變接法，否則會損壞三相電機。

2.3.4　SLG6120EV純電動客車交流異步驅動電機的維護及故障處理

純電動汽車的驅動系統和電源系統是傳統燃油汽車所沒有的兩大系統，在電動汽車的使用中，其維護檢查也與傳統燃油汽車有較大區別。

（1）驅動系統的檢查維護

① 日常檢查　定期檢查電纜線、電機緊固件的緊固情況。為了使驅動電機有良好的散熱，需定期清除電機表面以及風機進、出風口的塵土、纖維等雜物。

② 軸承維護　驅動電機軸承每半年補充潤滑脂一次，傳動端15g，非傳動端20g。根據電機的運行情況和軸承的聲音及發熱情況，來確定是否更換新軸承。

③ 絕緣電阻的測量　當車輛很長時間擱置不用時，應測量驅動電機的絕緣電阻，其絕緣電阻值應不低于5MΩ，否則應對電機繞組進行干燥絕緣處理，以去除潮氣。

④ 驅動電機散熱風機的檢查　使用中應每天檢查風機的工作是否正常，葉輪是否有異響；并經常檢查外罩的緊固螺釘是否有松動。

（2）驅動電機常見故障及處理方法

① 電機在空載時不能啟動

故障現象　將上電運行開關置于ON接通位置，觀察儀表顯示正常，踩下加速踏板，驅動電機無反應。

處理檢查方法

a.檢查電源電壓是否正常。

b.檢查電機控制器是否上電。

c.檢查電機控制器是否接收到整車控制器的驅動信號。

d.檢查電機是否正常。

e.檢查電機與電機控制器之間接線是否正常。

f.檢查整車控制器是否接收到駕駛員的意圖信號。

g.檢查整車控制器是否有驅動信號發出。

h.檢查整車控制器與電機控制器之間CAN總線連接是否正常。

一般故障原因

a.電源未接通或電源電壓過低。

b.電機控制器未接收到來自CAN總線的驅動信號。

c.驅動電機故障。

② 電機通電后嗡嗡響，不轉動

故障現象　將上電運行開關置于ON接通位置，踩下加速踏板，驅動電機通電后嗡嗡響，不轉動。

處理檢查方法

a.檢查電源電壓是否正常。

b.檢查電機是否過載或被卡住。

c.檢查電機三相中的某一相是否斷線或虛接缺相。

d.檢查繞組首末端連接是否正確。

e.檢查電機定子繞組極性排序是否正確。

一般故障原因

a.電源電壓過低。

b.電機負載過大或被卡住。

c.電機斷線或虛接缺相。

③ 電機振動

故障現象　驅動電機通電運行后運轉不平穩，振動幅度較大，從而導致噪聲較大。

處理檢查方法

a.不通電快速空轉電機檢查電機的轉子動平衡情況。

b.檢查電機軸承是否磨損松曠。

c.檢查電機轉子和定子之間的氣隙是否均衡。

一般故障原因

a.軸承磨損松曠。

b.轉子失去動平衡。

c.轉軸彎曲使電機轉子和定子之間的氣隙不均衡。

d.電機鐵芯變形。

e.電機定子繞組故障。

④ 電機過熱

電機工作溫度　電機的絕緣材料按耐熱能力分為y、a、e、b、f、h、c七個等級，其極限工作溫度分別為90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃及180℃以上。絕緣材料的極限工作溫度是指電機在設計預期壽命內，運行時繞組絕緣中最熱點的溫度。根據經驗，a級材料在105℃、b級材料在130℃的情況下壽命可達10年，但在實際情況下環境溫度和溫升均不會長期達設計值，因此一般壽命在15～20年。如果運行溫度長期超過材料的極限工作溫度，則絕緣的老化加劇，壽命大大縮短。所以電機在運行中，溫度是壽命的主要因素之一。電機各部位的溫度限度：與繞組接觸的鐵芯溫升（溫度計法）應不超過所接觸的繞組絕緣的溫升限度（電阻法），即a級為60℃，e級為75℃，b級為80℃，f級為100℃，h級為125℃；滾動軸承溫度應不超過95℃，滑動軸承溫度應不超過80℃，因溫度太高會使油質發生變化和破壞油膜；機殼溫度實踐中往往以不燙手為準；籠型轉子表面雜散損耗很大，溫度較高，一般以不危及鄰近絕緣為限，可預先刷上不可逆變色漆來估計。

處理檢查方法

a.用手觸摸電機外殼檢查是否燙手。

b.用紅外線溫度檢驗儀檢查電機各部位溫度。

c.檢查風機散熱是否正常。

d.檢查電機軸承轉動是否卡滯或松曠，潤滑脂是否臟污。

e.檢查定子繞組是否短路。

一般故障原因

a.電機散熱風扇不能正常工作。

b.電機軸承轉動卡滯或松曠，潤滑脂臟污。

c.電機定子繞組匝數缺少或匝間短路。

⑤ 電機絕緣阻值低

故障現象　驅動電機的絕緣低于標準值5MΩ。

處理檢查方法　對電機繞組進行干燥絕緣處理去除潮氣和水分。

一般故障原因

a.車輛很長時間擱置不用，在潮濕的環境中使驅動電機的絕緣電阻低于標準值5MΩ。

b.車輛涉水時造成驅動電機受潮造成絕緣電阻降低。

c.長時間雨雪天氣使電機絕緣電阻值降低。