『湯叔解惑』交流異步電機是如何實現無刷驅動的?

交流異步電機對於很多新能源車車主應該是一個耳熟能詳的名詞。因為在選購電動車時經常聽到的電機種類，就是永磁同步電機和交流異步電機。那麼，交流異步電機是如何實現電磁驅動的？為什麼要叫異步電機？它的性能有什麼特點，本期來為大家解讀。

■  首先，普通有刷直流電機是如何工作的？

相信在中學的時候，我們都學過電動機的工作原理，而當時用於教材的電機通常指的是有刷直流電機。

如果分別把磁鐵的南極和北極作為定子，把線圈作為轉子，那麼在線圈通電之後，磁力作用會推動通電的線圈旋轉，但由於每旋轉180度以後需要改變電流方向才能獲得持續轉矩，所以線圈的電極需要分別用兩個轉向片剛性連接，轉向片之間由雲母材料進行絕緣。碳刷（電刷）的正負極則與電池的正負極相連，這樣轉子每轉過180度，碳刷與轉向片的連接就會掉轉，線圈原本的正極變成負極、負極變成正極，以此交替循環，實現電磁力推動轉子線圈持續旋轉。

當然，如果是車用有刷直流電機，機構要比中學課本力學的電動馬達複雜一些。但結構原理大致相同。只不過定子並不會使用永磁磁鐵，而是會使用通電的線圈來產生磁場，這樣一來能夠產生的磁場更加強大，而且在調速控制方面寬容度更高。這種有刷直流電機雖然在乘用車中很少採用，但由於其結構緊湊重量小、成本低，控制方式也比較簡單，基速轉速之前只需要通過控制電壓就能實現調速，基速轉速之後通過控制定子的電流來控制磁場強弱來實現調速，所以現在仍然大量用於無軌電車、景區觀光車等低速電動車輛上。

但是由於這種直流電機存在碳刷與線圈轉向片之間的摩擦連接，所以在電機運轉時會產生電火花，而且轉速越高產生的電火花能量就會越大。這種電火花除了會產生不必要的能耗，時間長了還會燒熔碳刷和轉向片，所以需要定期更換，維修保養比較麻煩。

▲普通有刷直流電機工作原理。

■  交流異步電機是如何工作的？

交流異步電機從名字上就不難理解，需要使用交流電來驅動。雖然同樣是由轉子和定子構成，但它的原理與直流電機完全不同。其定子由定子鐵芯和繞組構成，並且固定在殼體內。鐵芯由導磁性能好的矽鋼片疊壓而成。線圈則是定子中的重要電路，由於使用的是三相交流電，所以，線圈在定子內每120度為一個單元，共三個單元，相互對稱排列。三個獨立繞組組合在一起形成一個360度的圓柱形定子。在三相交流電的作用下，繞組會產生旋轉磁場用於驅動轉子旋轉。

三相交流異步電機定子旋轉磁場原理

交流異步電機的轉子是由轉子鐵芯、繞組和轉軸組成。轉子鐵芯同樣是用導磁性良好的矽鋼片疊壓而成，繞組布置在鐵芯的外圓，鐵芯則壓制在轉軸上。所以這三大部分就構成了轉子。由此我們可見轉子並沒有永磁鐵，也沒有任何與定子相連的部分，那麼轉子的電流從哪來呢？

交流異步電機轉子、定子和殼體結構

由於定子通入的是三向交流電，我們知道交流電會在單位時間內改變電流的正負極方向，這個單位時間改變方向的次數我們叫做頻率。普通家用220伏交流電的頻率為50赫茲，是個固定量。正因為交流電的電流方向會以一定頻率改變，所以它的旋轉磁場方向也會隨著電流方向的改變而改變。這個方向不斷變化的磁場則會不斷切割轉子的繞組，相當於繞組在做切割磁力線運動。這就意味著繞組會產生電流（與發電原理一致），而這個電流在矽鋼片的作用下又會被轉換成磁場，所以此時轉子相當於一塊磁鐵，並且是磁極可變的磁鐵，轉子磁場在與定子產生的旋轉磁場相互所用就會產生轉矩。所以定子產生磁場的過程非常有意思，它類似於交流變壓器的變電原理，繞組線圈在定子產生的變化磁場作用下變成了一塊電磁鐵。

■  為什麼叫異步電機？它有哪些性能優缺點？

所以從原理上看，交流異步電機的轉子完全是通過電磁感應產生了電流和磁場。完全不需要像普通直流電機那樣用碳刷和轉向器活動連接轉子。正因為如此在工作過程中也就不會出現電火花，實現了無刷驅動。因此能量損耗小，效率遠高於普通有刷直流電機。

之所以叫做交流異步電機，這個異步是因為轉子的實際轉速永遠跟不上定子磁場的轉速，所以叫做異步。如果轉子實際轉速與磁場轉速始終保持一致，那就叫同步電機了。用來衡量異步程度大小的參數叫轉差率。轉差率是異步電機工作時的一個重要物理量。它是由定子磁場轉速與轉子實際轉速的差值除以定子磁場轉速得來的。所以轉差率為大於0小於1的一個數值。所以如果轉子轉速與磁場轉速相同，那麼轉差率則為0，如果轉差率為0那麼就一定是同步電機。而如果轉子轉速為零（比如起步的瞬間），轉子轉速為0，旋轉磁場具備一定轉速的情況下，那麼轉差率為1，這是轉差率的最大值。所以交流異步電機的轉差率在實際車輛行駛過程中為一個變量，車輛正常行駛過程中的轉差率通常在0.01-0.06這兩個數值之間。

▲採用交流異步電機的純電動車平臺

交流異步電機相比有刷的直流電機，效率高很多。最大的優點就是功率密度大。在有限的體積和重量下，可以產生非常大的功率。特斯拉Model S使用的就是一臺375伏的交流異步電機。峰值功率最大可達386千瓦，峰值扭矩可輕鬆超過600牛·米。而且體積小、重量輕、結構緊湊，其重量只有52公斤，可以非常方便的布置在車輛後軸。

另外，除了功率密度和體積的優勢以外，交流異步電機還有一個很大的優勢，就是穩定可靠。由於沒有永磁體，所有磁力都是由電流產生，所以永遠不會出現退磁現象，非常適合使用於功率條件苛刻的車輛中。特別是對於溫度變化大的環境下，並不會因為高溫退磁而導致性能衰減。