感應(yīng)電機

感應(yīng)電機簡介

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

　　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)電機又稱為“異步電機”。

　　感應(yīng)電機的負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子 導(dǎo)體中的電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負載的需要。按照轉(zhuǎn) 差率的正負和大小，感應(yīng)電機有電動機、發(fā)電機和電磁制動三種運行狀態(tài)。

感應(yīng)電機百科

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

　　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)電機又稱為“異步電機”。

　　感應(yīng)電機的負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之而變化，使轉(zhuǎn)子 導(dǎo)體中的電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)負載的需要。按照轉(zhuǎn) 差率的正負和大小，感應(yīng)電機有電動機、發(fā)電機和電磁制動三種運行狀態(tài)。

　　感應(yīng)電機的結(jié)構(gòu)

　　感應(yīng)電機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座三部分組成。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。容量較大的電動機，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、壓緊成為一個整體后固定在機座內(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)電機通常采用半閉口槽和由高強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)電機通常采用半開口槽。大型高壓感應(yīng)電機都用開口槽．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

　　籠型繞組是一個自行閉合的繞組，它由插人每個轉(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，整個繞組形如一個“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，小型籠型電機一般都用鑄鋁轉(zhuǎn)子；對中、大型電機．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)電機結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，是一種經(jīng)濟、耐用的電機。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，繞組的三個出線端接

　　到設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的三個集電環(huán)上，再通過電刷引出。這種轉(zhuǎn)子的特點是，可以在轉(zhuǎn)子繞組中接人外加電阻，以改善電動機的起動和調(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，價格稍貴，因此只在要求起動電流小、起動轉(zhuǎn)矩大，或需要調(diào)遣的場合下使用。

　　感應(yīng)電機的工作原理

　　以電動機為例來說明感應(yīng)電機的工作原理。感應(yīng)電機定子在結(jié)構(gòu)上和同步電機是一樣的，但轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有較大的差別。圖4．3為一籠型感應(yīng)電動機的原理圖。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稱交流電壓，三相對稱電流在定子繞組中通過，產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場的轉(zhuǎn)向為由A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)電動勢。電動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)動下就可以轉(zhuǎn)動起來，旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)磁場的方向相同。如果在轉(zhuǎn)子軸上施加機械負載，電動機就負載旋轉(zhuǎn)，輸出機械功率，實現(xiàn)由電能到機械能的轉(zhuǎn)換。

　　圖1 籠型感應(yīng)電動機的工作原理

　　感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速不可能達到定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速，因為如果達到同步轉(zhuǎn)速，則轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對運動，在轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中不能感應(yīng)出電動勢和電流，也就不能產(chǎn)生推動轉(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)電動機的轉(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)電動機又稱為異步電動機。

　　轉(zhuǎn)速控制方法

　　可以通過以下兩種方法來改變感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)速：

　　①改變定子的端電壓。

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

　　感應(yīng)電機矢量控制

　　在感應(yīng)電機的穩(wěn)態(tài)學(xué)習(xí)中我們知道，感應(yīng)電機調(diào)速方法很多，變壓、變頻、變極及繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻或串入附加電動勢（串級調(diào)速或雙饋調(diào)速）都可以調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。但多年以來的研究和實踐表明，變頻調(diào)速是感應(yīng)電動機最理想的調(diào)速方法?；诟袘?yīng)電機穩(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)實現(xiàn)高效率的平滑調(diào)速，從而滿足一般生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)的要求，但是由于電機內(nèi)部存在的耦合效應(yīng)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)緩慢，對于需要高動態(tài)性能的應(yīng)用場合，就不能滿足要求。要實現(xiàn)高動態(tài)性能的調(diào)速系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，必須依據(jù)感應(yīng)電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計控制系統(tǒng)。在各種基于動態(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。

　　無刷電機和感應(yīng)電機的區(qū)別

　　一）“無刷”“有刷”的基本概念： 目前電動自行車廣泛采用的是直流永磁電機，直流永磁電機按照是否采用電刷換向可分為有刷電機和無刷電機兩種，有刷電機是直流電機的主流產(chǎn)品，目前絕大多數(shù)電動自行車電機都是有刷電機。無刷電機是一種特殊的直流電機，它采用內(nèi)置傳感器外加電子換向器的方法進行電子換向，無刷電機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）有刷電機的缺點沒有成為阻礙它在電動自行車中廣泛應(yīng)用的要素： 電刷磨損和電機噪聲是“有刷”相對與“無刷”的兩個最主要的缺點，但盡管存在這兩個缺點，為什么國內(nèi)絕大多數(shù)品牌廠家仍采用有刷電機的方案呢，難道他們沒有意識到這個問題嗎？原因在于：

　　A）電刷的磨損不構(gòu)成主要問題 電動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間（騎行時間）一般為2-3個小時，使用者每天使用貿(mào)易的平均時間大約為1-2個小時，而現(xiàn)在，廣泛應(yīng)用于電動自行車的盤式轉(zhuǎn)子電機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小時以上，因此，按每個用戶平均每天騎車1.5小時計算，一組電刷的使用時間已達1000天?？梢钥闯?，一組合格的電刷服役時間已接近三年，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，電動自行車使用了3年也確實有必要對車輛作一些全面的檢查和維護，更換一些磨損零件，宣揚貿(mào)易電機十年免維護這種夸大的觀點，有誤導(dǎo)消費者的嫌疑。

　　B）電機發(fā)出一點聲音是正常的 筆者在走訪市場時，一位無刷電機電動車的促銷員，演示無刷電機在空載條件下的靜音特性，以此證明無刷電機要比有刷電機優(yōu)越得多，其實，購買電動車絕不是購買空調(diào)設(shè)備，消費者大可不必為它是否毫無噪聲而作出購買與否的決定。事實上，使用過無刷電機電動車的用戶會知道，無刷電機在空載時或低負載時（如平坦無風(fēng)情況下）電機發(fā)出的聲音確實很小，但是，當(dāng)運行至重載狀態(tài)如上坡，頂風(fēng)，它往往會發(fā)出遠遠比有刷電機更為“巨大”的音響，甚至出現(xiàn)令人不適的電磁抖動，而這種聲音在安靜的店堂促銷過程中是不會出現(xiàn)的。 事實上，車輛電機運行時發(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)定的噪聲合格標準為小于62分貝，絕大多數(shù)國產(chǎn)有刷電機都可以將分貝值控制在55分貝以下，屬合格產(chǎn)品。無刷電機的促銷員引導(dǎo)消費者追求“靜音”，像促銷空調(diào)機那樣去促銷電動車，也有誤導(dǎo)消費者之嫌疑，空調(diào)噪聲太大會影響睡眠，而電動車發(fā)出一點聲音是絕不會影響使用的！

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

　　A）傳感器工作環(huán)境差，導(dǎo)致系統(tǒng)失效！ 正規(guī)的無刷電機設(shè)計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，用于檢測電機轉(zhuǎn)動位置，發(fā)出控制換向的信號，而現(xiàn)在市售的絕大多數(shù)所謂的電動自行車專用的無刷電機輪轂，由于受到設(shè)計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霍爾元件的方法來安裝傳感器，眾所周知，電機的熱源是一個客觀存在，它來自電機的銅損和鐵損，特別是當(dāng)電機工作在較低效率區(qū)時，熱量聚集的速度很快，于是鐵芯就會發(fā)熱，直接設(shè)置在熱源區(qū)的傳感元件會出現(xiàn)性能漂移，導(dǎo)致?lián)Q向誤差，一旦換向錯誤，則會導(dǎo)致電機效率的大輻度下降，溫度進一步升高，以致進入惡性循環(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”，無刷電機就有一種被“卡死”的感覺，轉(zhuǎn)動十分困難，使用者甚至不能腳踩騎行。只有請三輪車或出租車運回，有經(jīng)驗的用戶會自備一把剪刀，一旦短路卡死，就將電機輸入線剪斷，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)電動勢，導(dǎo)致控制器燒毀： 筆者以顧客身份在詢訪市場時，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神奇的自充電功能：關(guān)閉總電源，搖動中軸，使后輪轉(zhuǎn)動，然后鳴號表示已經(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，且不去評價這種演示所表現(xiàn)的“永動機”屬性違反了基本的能量守恒定律是多么的荒謬之極，騙個別消費者尚可，騙行家絕對不行，相反地，這種情況恰恰正是“無刷”的傷心地，由于無刷電機沒有超越離合器，當(dāng)車輪快速轉(zhuǎn)動，在電機輸入端會形成感應(yīng)電動勢，輪子轉(zhuǎn)得越快，感應(yīng)電動勢就越高，當(dāng)超過器件的耐壓值時，會導(dǎo)致電子換向系統(tǒng)的“電壓擊穿”，電機又要短路，輪子驟然卡死，又需要求助于“一剪開路”了，這種情況往往會出現(xiàn)于下坡過程中，用戶騎著無刷電動車吃吃力力地上坡，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)電動勢越來越高，終于導(dǎo)致元件被擊穿，不用剎車就會停下來，這就是許多用戶反映“無刷電動車”上坡時沒壞，下坡時好端端地不會轉(zhuǎn)的原因。

　　C）只說電機永不磨損、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之內(nèi)，而無刷則置于電機之外，因此，無刷電機系統(tǒng)實際上是由“電機”和“電子換向器”兩部份組成的。無刷的電機部分確實存在著某種“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“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，更換一只控制器費用高達200元。事實上，若是算上無刷系統(tǒng)控制器的維修費用，其維修成本將大大超過有刷電機更換幾個電刷的成本。一旦個別廠家撤消了對控制器（換向器）的保修承諾，消費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改善可靠性，但如果大幅度降低最大工作電流，那就會帶來無刷電動車運行乏力，性能低劣的負面影響，消費者不歡迎，無刷沒有市場。這確實是擺在無刷系統(tǒng)面前十分嚴峻的課題。

　　E）無刷更需講“防水”： 筆者不僅一次地看見某些無刷電機的推廣商將整個無刷輪轂浸泡在“魚缸”里轉(zhuǎn)動，以炫耀其“兩棲”作業(yè)的“優(yōu)異”特性，在水下，有刷電機確實存在著換向困難的缺陷，但是，電動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，著實讓人看不懂！事實上這也算是一種“魔術(shù)”，因為無刷采用電子換向，演示者并沒有將電子換向裝置也置于水中，若是將整個控制器（換向裝置）也放在魚缸中，無刷電機的情況會比有刷更慘。事實上，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，會導(dǎo)致電機的壽命因氧化失效。另外，無刷電機中有大量的硅鋼片，也是會生銹的，更需要講防水，進行這樣的演示，雖然可以誤導(dǎo)一些觀眾，若被說穿也沒有什么意義。