感應(yīng)電機(jī)

感應(yīng)電機(jī)簡介

　　感應(yīng)電機(jī)是指一種定轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。

　　轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路的一部分，一般由厚0.5mm的硅鋼片疊成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個(gè)轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類。

　　正常情況下，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），因此感應(yīng)電機(jī)又稱為“異步電機(jī)”。

　　感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子 導(dǎo)體中的電動(dòng)勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負(fù)載的需要。按照轉(zhuǎn) 差率的正負(fù)和大小，感應(yīng)電機(jī)有電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動(dòng)三種運(yùn)行狀態(tài)。

感應(yīng)電機(jī)百科

　　感應(yīng)電機(jī)是指一種定轉(zhuǎn)子之間靠電磁感應(yīng)作用，在轉(zhuǎn)子內(nèi)感應(yīng)電流以實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。

　　轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路的一部分，一般由厚0.5mm的硅鋼片疊成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個(gè)轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類。

　　正常情況下，感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），因此感應(yīng)電機(jī)又稱為“異步電機(jī)”。

　　感應(yīng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子 導(dǎo)體中的電動(dòng)勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負(fù)載的需要。按照轉(zhuǎn) 差率的正負(fù)和大小，感應(yīng)電機(jī)有電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電磁制動(dòng)三種運(yùn)行狀態(tài)。

　　感應(yīng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

　　感應(yīng)電機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座三部分組成。定子鐵心是主磁路的一部分。為了減少激磁電流和旋轉(zhuǎn)磁場在鐵心中產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗，鐵心由厚0.5mm、的硅鋼片疊成。容量較大的電動(dòng)機(jī)，硅鋼片兩面涂以絕緣漆作為片間絕緣。小型定子鐵心用硅鋼片疊裝、壓緊成為一個(gè)整體后固定在機(jī)座內(nèi)；中型和大型定子鐵心由扇形沖片拼成。在定子鐵心內(nèi)圓，均勻地沖有許多形狀相同的槽，用以嵌放定子繞組。小型感應(yīng)電機(jī)通常采用半閉口槽和由高強(qiáng)度漆包線繞成的單層（散下式）繞組，線圈與鐵心之間墊有槽絕緣。半閉口槽可以減少主磁路的磁阻，使激磁電流減少，但嵌線較不方便。中型感應(yīng)電機(jī)通常采用半開口槽。大型高壓感應(yīng)電機(jī)都用開口槽．以便于嵌線。為了得到較好的電磁性能，中、大型感應(yīng)電機(jī)都采用雙層短距繞組 。

　　轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心也是主磁路的一部分，一般由厚0.5mm的硅鋼片疊成，鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。整個(gè)轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類

　　籠型轉(zhuǎn)子

　　籠型繞組是一個(gè)自行閉合的繞組，它由插人每個(gè)轉(zhuǎn)子槽中的導(dǎo)條和兩端的環(huán)形端環(huán)構(gòu)成，如果去掉鐵心，整個(gè)繞組形如一個(gè)“圓籠”，因此稱為籠型繞組（圖5—1）。為節(jié)約用銅和提高生產(chǎn)率，小型籠型電機(jī)一般都用鑄鋁轉(zhuǎn)子；對(duì)中、大型電機(jī)．由于鑄鋁質(zhì)量不易保證，故采用銅條插入轉(zhuǎn)子槽內(nèi)、再在兩端焊上端環(huán)的結(jié)構(gòu)?；\型感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，是一種經(jīng)濟(jì)、耐用的電機(jī)。所以應(yīng)用極廣。

　　繞線型轉(zhuǎn)子

　　繞線型轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌有用絕緣導(dǎo)線組成的三相繞組，繞組的三個(gè)出線端接

　　到設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的三個(gè)集電環(huán)上，再通過電刷引出。這種轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是，可以在轉(zhuǎn)子繞組中接人外加電阻，以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速性能。

　　與籠型轉(zhuǎn)子相比較，繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，價(jià)格稍貴，因此只在要求起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，或需要調(diào)遣的場合下使用。

　　感應(yīng)電機(jī)的工作原理

　　以電動(dòng)機(jī)為例來說明感應(yīng)電機(jī)的工作原理。感應(yīng)電機(jī)定子在結(jié)構(gòu)上和同步電機(jī)是一樣的，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有較大的差別。圖4．3為一籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的原理圖。轉(zhuǎn)子槽內(nèi)嵌有導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端用短路環(huán)連接起來，形成閉合的回路。當(dāng)定子繞組施加一三相對(duì)稱交流電壓，三相對(duì)稱電流在定子繞組中通過，產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場的轉(zhuǎn)向?yàn)橛葾相繞組軸線轉(zhuǎn)向B相繞組、C相繞組軸線（圖示情況為逆時(shí)針方向），轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速，則磁力線將切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體而感應(yīng)電動(dòng)勢。電動(dòng)勢的方向可用右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子繞組為閉合回路，在電動(dòng)勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)有電流通過，電流（有功分量）的方向與電動(dòng)勢相同。由電磁力定律可知，載流導(dǎo)體在磁場作用下產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可由左手定則確定，可以判斷，電磁力的方向與旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同，如圖1所示。這樣轉(zhuǎn)子在電磁力的驅(qū)動(dòng)下就可以轉(zhuǎn)動(dòng)起來，旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。如果在轉(zhuǎn)子軸上施加機(jī)械負(fù)載，電動(dòng)機(jī)就負(fù)載旋轉(zhuǎn)，輸出機(jī)械功率，實(shí)現(xiàn)由電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

　　圖1 籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的工作原理

　　感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能達(dá)到定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，因?yàn)槿绻_(dá)到同步轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中不能感應(yīng)出電動(dòng)勢和電流，也就不能產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的電磁力。當(dāng)然，若轉(zhuǎn)子繞組另外通以交流電流，則另當(dāng)別論。一般情況下感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是低于同步轉(zhuǎn)速，即兩種轉(zhuǎn)速之間總存在一定的差異，所以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又稱為異步電動(dòng)機(jī)。

　　轉(zhuǎn)速控制方法

　　可以通過以下兩種方法來改變感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

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　?、诟淖兌ㄗ拥念l率。新能源汽車電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可隨定子的端電壓變化而變化。注意，電壓的變化不會(huì)改變電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速差。

　　感應(yīng)電機(jī)矢量控制

　　在感應(yīng)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)學(xué)習(xí)中我們知道，感應(yīng)電機(jī)調(diào)速方法很多，變壓、變頻、變極及繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻或串入附加電動(dòng)勢（串級(jí)調(diào)速或雙饋調(diào)速）都可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但多年以來的研究和實(shí)踐表明，變頻調(diào)速是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最理想的調(diào)速方法?；诟袘?yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型的恒壓頻比控制或電壓-頻率協(xié)調(diào)控制，雖然在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的平滑調(diào)速，從而滿足一般生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求，但是由于電機(jī)內(nèi)部存在的耦合效應(yīng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢，對(duì)于需要高動(dòng)態(tài)性能的應(yīng)用場合，就不能滿足要求。要實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，必須依據(jù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。在各種基于動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的交流調(diào)速方法中，目前最為廣泛應(yīng)用的就是矢量控制。

　　無刷電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)的區(qū)別

　　一）“無刷”“有刷”的基本概念： 目前電動(dòng)自行車廣泛采用的是直流永磁電機(jī)，直流永磁電機(jī)按照是否采用電刷換向可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種，有刷電機(jī)是直流電機(jī)的主流產(chǎn)品，目前絕大多數(shù)電動(dòng)自行車電機(jī)都是有刷電機(jī)。無刷電機(jī)是一種特殊的直流電機(jī)，它采用內(nèi)置傳感器外加電子換向器的方法進(jìn)行電子換向，無刷電機(jī)主要是為了消除電刷的磨損，以及電刷接觸所產(chǎn)生的噪聲。

　　二）有刷電機(jī)的缺點(diǎn)沒有成為阻礙它在電動(dòng)自行車中廣泛應(yīng)用的要素： 電刷磨損和電機(jī)噪聲是“有刷”相對(duì)與“無刷”的兩個(gè)最主要的缺點(diǎn)，但盡管存在這兩個(gè)缺點(diǎn)，為什么國內(nèi)絕大多數(shù)品牌廠家仍采用有刷電機(jī)的方案呢，難道他們沒有意識(shí)到這個(gè)問題嗎？原因在于：

　　A）電刷的磨損不構(gòu)成主要問題 電動(dòng)自行車是一種間斷性工作的交通工具，一組電池通常最長的放電時(shí)間（騎行時(shí)間）一般為2-3個(gè)小時(shí)，使用者每天使用貿(mào)易的平均時(shí)間大約為1-2個(gè)小時(shí)，而現(xiàn)在，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車的盤式轉(zhuǎn)子電機(jī)采用平面式換向器和優(yōu)質(zhì)加長式電刷，工作壽命一般在1500小時(shí)以上，因此，按每個(gè)用戶平均每天騎車1.5小時(shí)計(jì)算，一組電刷的使用時(shí)間已達(dá)1000天?？梢钥闯觯唤M合格的電刷服役時(shí)間已接近三年，而更換一組電刷的成本僅為5元左右，平均每年不足2元！更何況，電動(dòng)自行車使用了3年也確實(shí)有必要對(duì)車輛作一些全面的檢查和維護(hù)，更換一些磨損零件，宣揚(yáng)貿(mào)易電機(jī)十年免維護(hù)這種夸大的觀點(diǎn)，有誤導(dǎo)消費(fèi)者的嫌疑。

　　B）電機(jī)發(fā)出一點(diǎn)聲音是正常的 筆者在走訪市場時(shí)，一位無刷電機(jī)電動(dòng)車的促銷員，演示無刷電機(jī)在空載條件下的靜音特性，以此證明無刷電機(jī)要比有刷電機(jī)優(yōu)越得多，其實(shí)，購買電動(dòng)車絕不是購買空調(diào)設(shè)備，消費(fèi)者大可不必為它是否毫無噪聲而作出購買與否的決定。事實(shí)上，使用過無刷電機(jī)電動(dòng)車的用戶會(huì)知道，無刷電機(jī)在空載時(shí)或低負(fù)載時(shí)（如平坦無風(fēng)情況下）電機(jī)發(fā)出的聲音確實(shí)很小，但是，當(dāng)運(yùn)行至重載狀態(tài)如上坡，頂風(fēng)，它往往會(huì)發(fā)出遠(yuǎn)遠(yuǎn)比有刷電機(jī)更為“巨大”的音響，甚至出現(xiàn)令人不適的電磁抖動(dòng)，而這種聲音在安靜的店堂促銷過程中是不會(huì)出現(xiàn)的。 事實(shí)上，車輛電機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)出一些聲音是正常的，畢竟它是一種戶外使用的交通工具，國家規(guī)定的噪聲合格標(biāo)準(zhǔn)為小于62分貝，絕大多數(shù)國產(chǎn)有刷電機(jī)都可以將分貝值控制在55分貝以下，屬合格產(chǎn)品。無刷電機(jī)的促銷員引導(dǎo)消費(fèi)者追求“靜音”，像促銷空調(diào)機(jī)那樣去促銷電動(dòng)車，也有誤導(dǎo)消費(fèi)者之嫌疑，空調(diào)噪聲太大會(huì)影響睡眠，而電動(dòng)車發(fā)出一點(diǎn)聲音是絕不會(huì)影響使用的！

　　三）現(xiàn)有的無刷電機(jī)方案存在的一系列問題： 某晚報(bào)《無刷勝有刷》一文武斷地將有刷電機(jī)指責(zé)為“壽命短、噪聲大、效率低”，甚至指出“一般使用6個(gè)月至一年就需要更換電機(jī)內(nèi)的碳刷”，討伐之音毫無顧慮！為此，本文也步其所為，略數(shù)電動(dòng)自行車無刷電機(jī)之弊端。

　　A）傳感器工作環(huán)境差，導(dǎo)致系統(tǒng)失效！ 正規(guī)的無刷電機(jī)設(shè)計(jì)一般需要在非熱源區(qū)設(shè)置光電或磁性（霍爾元件）傳感器，用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出控制換向的信號(hào)，而現(xiàn)在市售的絕大多數(shù)所謂的電動(dòng)自行車專用的無刷電機(jī)輪轂，由于受到設(shè)計(jì)尺寸和安裝方式的限制，無法將傳感器與熱源隔離，幾乎都采用了在鐵芯定子上定位開槽并用膠水固定三個(gè)霍爾元件的方法來安裝傳感器，眾所周知，電機(jī)的熱源是一個(gè)客觀存在，它來自電機(jī)的銅損和鐵損，特別是當(dāng)電機(jī)工作在較低效率區(qū)時(shí)，熱量聚集的速度很快，于是鐵芯就會(huì)發(fā)熱，直接設(shè)置在熱源區(qū)的傳感元件會(huì)出現(xiàn)性能漂移，導(dǎo)致?lián)Q向誤差，一旦換向錯(cuò)誤，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的大輻度下降，溫度進(jìn)一步升高，以致進(jìn)入惡性循環(huán)，直接導(dǎo)致電子換向器燒毀，一般表現(xiàn)為“短路”。一旦“短路”，無刷電機(jī)就有一種被“卡死”的感覺，轉(zhuǎn)動(dòng)十分困難，使用者甚至不能腳踩騎行。只有請(qǐng)三輪車或出租車運(yùn)回，有經(jīng)驗(yàn)的用戶會(huì)自備一把剪刀，一旦短路卡死，就將電機(jī)輸入線剪斷，使之“開路”，這樣，被燒毀的“無刷”，就可以蹬回到維修部了。

　　B）感應(yīng)電動(dòng)勢，導(dǎo)致控制器燒毀： 筆者以顧客身份在詢?cè)L市場時(shí)，有一位無刷的推銷員，在向我自豪地介紹了“靜音”特性之后，又興致勃勃地演示無刷電機(jī)神奇的自充電功能：關(guān)閉總電源，搖動(dòng)中軸，使后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后鳴號(hào)表示已經(jīng)發(fā)電，腳踩出來的電又被回收到電池中去了，她告訴我“電池若沒有電可以自已發(fā)電”，神奇之極，且不去評(píng)價(jià)這種演示所表現(xiàn)的“永動(dòng)機(jī)”屬性違反了基本的能量守恒定律是多么的荒謬之極，騙個(gè)別消費(fèi)者尚可，騙行家絕對(duì)不行，相反地，這種情況恰恰正是“無刷”的傷心地，由于無刷電機(jī)沒有超越離合器，當(dāng)車輪快速轉(zhuǎn)動(dòng)，在電機(jī)輸入端會(huì)形成感應(yīng)電動(dòng)勢，輪子轉(zhuǎn)得越快，感應(yīng)電動(dòng)勢就越高，當(dāng)超過器件的耐壓值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電子換向系統(tǒng)的“電壓擊穿”，電機(jī)又要短路，輪子驟然卡死，又需要求助于“一剪開路”了，這種情況往往會(huì)出現(xiàn)于下坡過程中，用戶騎著無刷電動(dòng)車吃吃力力地上坡，到了下坡，本以為可以輕松愜意一番，讓它自由滑行，速度越來越快，感應(yīng)電動(dòng)勢越來越高，終于導(dǎo)致元件被擊穿，不用剎車就會(huì)停下來，這就是許多用戶反映“無刷電動(dòng)車”上坡時(shí)沒壞，下坡時(shí)好端端地不會(huì)轉(zhuǎn)的原因。

　　C）只說電機(jī)永不磨損、壽命十年，保修兩年，就不說控制器！ 無刷與有刷不同，有刷的換向器置于電機(jī)之內(nèi)，而無刷則置于電機(jī)之外，因此，無刷電機(jī)系統(tǒng)實(shí)際上是由“電機(jī)”和“電子換向器”兩部份組成的。無刷的電機(jī)部分確實(shí)存在著某種“永不磨損”的屬性，而無刷的電子換向器卻是一個(gè)故障率很高的部件，如前所述的各種故障均發(fā)生的控制器上。目前，許多無刷的推銷員向顧客作出電機(jī)“保用2年、5年甚至10年”的承諾，但控制器（電子換向器）卻只能保修壹年，更換一只控制器費(fèi)用高達(dá)200元。事實(shí)上，若是算上無刷系統(tǒng)控制器的維修費(fèi)用，其維修成本將大大超過有刷電機(jī)更換幾個(gè)電刷的成本。一旦個(gè)別廠家撤消了對(duì)控制器（換向器）的保修承諾，消費(fèi)者的使用成本將迅速增加。

　　D）系統(tǒng)可靠性與性能的矛盾： 無需諱言，無刷電機(jī)的可靠性與最大工作電流有很大的關(guān)系，降低最大工作電流會(huì)改善可靠性，但如果大幅度降低最大工作電流，那就會(huì)帶來無刷電動(dòng)車運(yùn)行乏力，性能低劣的負(fù)面影響，消費(fèi)者不歡迎，無刷沒有市場。這確實(shí)是擺在無刷系統(tǒng)面前十分嚴(yán)峻的課題。

　　E）無刷更需講“防水”： 筆者不僅一次地看見某些無刷電機(jī)的推廣商將整個(gè)無刷輪轂浸泡在“魚缸”里轉(zhuǎn)動(dòng)，以炫耀其“兩棲”作業(yè)的“優(yōu)異”特性，在水下，有刷電機(jī)確實(shí)存在著換向困難的缺陷，但是，電動(dòng)自行車并不是潛水艇，為何需要在水中行駛呢？這種看似有學(xué)問的演示，著實(shí)讓人看不懂！事實(shí)上這也算是一種“魔術(shù)”，因?yàn)闊o刷采用電子換向，演示者并沒有將電子換向裝置也置于水中，若是將整個(gè)控制器（換向裝置）也放在魚缸中，無刷電機(jī)的情況會(huì)比有刷更慘。事實(shí)上，無論是無刷還是有刷都采用釹鐵硼作為永磁材料，這種材料具有許多優(yōu)良的特性，但它最大的缺點(diǎn)之一就是抗氧化性差，置于水中無疑是將釹鐵硼置于最惡劣的條件之中，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的壽命因氧化失效。另外，無刷電機(jī)中有大量的硅鋼片，也是會(huì)生銹的，更需要講防水，進(jìn)行這樣的演示，雖然可以誤導(dǎo)一些觀眾，若被說穿也沒有什么意義。