2.3　三相异步交流电机

三相异步交流电机（Triple-phase asynchronous motor）是靠同时接入三相交流电源（相位差120°）供电的一类电机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，存在转差率，所以叫三相异步交流电机。当电机的三相定子绕组通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电机旋转，且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。

2.3.1　三相异步交流电机分类

（1）按转子的结构　按转子的结构不同，电机可分为笼式转子感应电机（旧标准称为绕线型异步电机）和绕线式转子感应电机（旧标准称为绕线型异步电机）。笼式转子的异步电机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用；其主要缺点是调速困难。绕线式三相异步电机的转子和定子一样也设置了三相绕组，并通过滑环、电刷与外部变阻器连接，调节变阻器电阻可以改善电机的启动性能，还可以调节电动机的转速。

（2）按运转速度　按运转速度不同，电机可分为高速电机、低速电机、恒速电机、调速电机。低速电机又分为齿轮减速电机、电磁减速电机、力矩电机和爪极同步电机等。调速电机除可分为有级恒速电机、无级恒速电机、有级变速电机和无级变速电机外，还可分为电磁调速电机、直流调速电机、PWM变频调速电机和开关磁阻调速电机。异步电机转子的转速总是略低于旋转磁场的同步转速。

2.3.2　交流异步电机的结构

交流异步电机的种类很多，但各类三相异步电机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件，如图2-10所示。

（1）定子部分　定子是用来产生旋转磁场的。三相交流异步电机的定子一般由外壳、定子铁芯、定子绕组等部分组成。

① 外壳　交流异步电机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。机座由铸铁或铸钢浇铸成形，它的作用是保护和固定三相交流异步电机的定子绕组。车用交流异步电机的机座还有两个端盖支承着转子，它是三相电机机械结构的重要组成部分。通常，机座的外表要求散热性能好，所以一般都铸有散热片。端盖用铸铁或铸钢浇铸成形，它的作用是把转子固定在定子内腔中心，使转子能够在定子中均匀地旋转。轴承盖也是由铸铁或铸钢浇铸成形的，它的作用是固定转子，使转子不能轴向移动，另外起存放润滑油和保护轴承的作用。接线盒一般是用铸铁浇铸的，其作用是保护和固定绕组的引出线端子。吊环一般是用铸钢制造的，安装在机座的上端，用来起吊、拆装电机。

② 定子铁芯　交流异步电机定子铁芯是电机磁路的一部分，由0.35～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图2-11所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁芯涡流损耗。铁芯内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕组。

③ 定子绕组　交流异步电机的定子绕组是三相电机的电路部分，三相电机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。每个绕组即为一相，每个绕组在空间相差120°电角度。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。中、小型三相电机多采用圆漆包线，大、中型三相电机的定子线圈则用较大截面的绝缘扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁芯槽内。定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒上，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2。这六个出线端在接线盒里的排列如图2-12所示，可以接成星形或三角形。

（2）转子部分

① 转子铁芯　转子铁芯是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，套在转轴上，作用和定子铁芯相同，一方面作为电机磁路的一部分，另一方面用来安放转子绕组。

② 转子绕组　异步交流电机的转子绕组分为绕线式与笼型两种。笼型绕组在转子铁芯的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把铜条连接起来，称为铜排转子，如图2-13（a）所示。也可用铸铝的方法，把转子导条和端环及风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图2-13（b）所示。100kW以下的异步电机一般采用铸铝转子。

（3）端盖、风扇、轴承　除定子和转子外交流异步电机还包括端盖、风扇等。端盖起防护作用，在端盖上还装有轴承，用以支撑转子轴。风扇则用来通风冷却电机。三相异步电机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为0.2～1.5mm。气隙太大，电机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加以及使启动性能变差。

2.3.3　交流异步电机的工作原理

（1）三相交流电机的旋转磁场　三相异步电机转子之所以会旋转，实现能量转换，是因为转子气隙内有一个旋转磁场。下面来讨论旋转磁场的产生。

U1U2、V1V2、W1W2为三相定子绕组，在空间彼此相隔120°接成星形。三相绕组的首端U1、V1、W1接在三相对称电源上，有三相

对称电流通过三相绕组。设电源的相序为U、V、W初相角为零，三相交流电流波形如图2-14所示。

iU=sinωt　　

iV=sin（ωt-120°）　　

iW=sin（ωt+120°）　　

为了分析方便，假设电流为正值时，在绕组中从始端流向末端，电流为负值时，在绕组中从末端流向首端。

当ωt=0°的瞬间，iU=0，iV为负值，iW为正值。根据右手螺旋定则，三相电流所产生的磁场叠加的结果，便形成一个合成磁场，如图2-15（a）所示，可见此时的合成磁场是一对磁极（即两极），右边是N极，左边是S极。

当ωt=120°时，即经过1/3周期后，iU由零变成正的最大值，iV仍为负值，iW已变成负值，如图2-15（b）所示，这时合成磁场的方位与ωt=0°时相比，已按逆时针方向转过了120°。同理，当ωt=240°时，合成磁场就转过了240°，如图2-15（c）所示。依此类推，当ωt=360°时合成磁场旋转了360°，即转了1周，回到图2-15（a）所示位置。

由此可见，对称三相电流iU、iV、iW分别通入对称三相绕组U1U2、V1V2、W1W2中所形成的合成磁场，是一个随时间变化的旋转磁场。

以上分析的是电机产生一对磁极时的情况，当定子绕组连接形成的是两对磁极时，运用相同的方法可以分析出此时电流变化一个周期，磁场只转动了半圈，即转速减慢了一半。

依此类推，当旋转磁场具有p对磁极时（即磁极数为2p），交流电每变化一个周期，其旋转磁场就在空间转动1/p转。因此，三相电机定子旋转磁场每分钟的转速n1、定子电流频率f及磁极对数p之间的关系是

n1=　　

（2）三相电机的转动原理　图2-16所示为三相异步电机转动原理。三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速n1=60f/p，旋转磁场的磁力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻上为N极下为S极，如图2-16所示。根据右手定则，上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用☉表示；下半部则由外向里，用表示。

定子旋转磁场以速度n0切割转子导体感生电动势，在转子导体中形成电流，使导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n按n0方向旋转（左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。

电机内必须有一个按n0旋转的磁场，实现能量转换的前提是电机运行时n恒不等于n0（异步），必要条件为n<n0，建立转矩的电流通过感应产生（图2-17）。

（3）交流三相异步电机防护等级和接法

① 交流三相异步电机的防护等级　防护等级表示三相电机外壳的防护等级，其中IP是防护等级标志符号，其后面的两位数字分别表示电机防固体和防水进入的能力，数字越大，防护能力越强。例如，IP44中第一位数字“4”表示电机能防止直径或厚度大于1mm的固体进入电机内壳，第二位数字“4”表示能承受任何方向的溅水。

② 交流三相异步电机的接法　三相电机定子绕组的连接方法有星形（）和三角形（△）两种。定子绕组的连接只能按铭牌标注规定方法连接，不能任意改变接法，否则会损坏三相电机。

2.3.4　SLG6120EV纯电动客车交流异步驱动电机的维护及故障处理

纯电动汽车的驱动系统和电源系统是传统燃油汽车所没有的两大系统，在电动汽车的使用中，其维护检查也与传统燃油汽车有较大区别。

（1）驱动系统的检查维护

① 日常检查　定期检查电缆线、电机紧固件的紧固情况。为了使驱动电机有良好的散热，需定期清除电机表面以及风机进、出风口的尘土、纤维等杂物。

② 轴承维护　驱动电机轴承每半年补充润滑脂一次，传动端15g，非传动端20g。根据电机的运行情况和轴承的声音及发热情况，来确定是否更换新轴承。

③ 绝缘电阻的测量　当车辆很长时间搁置不用时，应测量驱动电机的绝缘电阻，其绝缘电阻值应不低于5MΩ，否则应对电机绕组进行干燥绝缘处理，以去除潮气。

④ 驱动电机散热风机的检查　使用中应每天检查风机的工作是否正常，叶轮是否有异响；并经常检查外罩的紧固螺钉是否有松动。

（2）驱动电机常见故障及处理方法

① 电机在空载时不能启动

故障现象　将上电运行开关置于ON接通位置，观察仪表显示正常，踩下加速踏板，驱动电机无反应。

处理检查方法

a.检查电源电压是否正常。

b.检查电机控制器是否上电。

c.检查电机控制器是否接收到整车控制器的驱动信号。

d.检查电机是否正常。

e.检查电机与电机控制器之间接线是否正常。

f.检查整车控制器是否接收到驾驶员的意图信号。

g.检查整车控制器是否有驱动信号发出。

h.检查整车控制器与电机控制器之间CAN总线连接是否正常。

一般故障原因

a.电源未接通或电源电压过低。

b.电机控制器未接收到来自CAN总线的驱动信号。

c.驱动电机故障。

② 电机通电后嗡嗡响，不转动

故障现象　将上电运行开关置于ON接通位置，踩下加速踏板，驱动电机通电后嗡嗡响，不转动。

处理检查方法

a.检查电源电压是否正常。

b.检查电机是否过载或被卡住。

c.检查电机三相中的某一相是否断线或虚接缺相。

d.检查绕组首末端连接是否正确。

e.检查电机定子绕组极性排序是否正确。

一般故障原因

a.电源电压过低。

b.电机负载过大或被卡住。

c.电机断线或虚接缺相。

③ 电机振动

故障现象　驱动电机通电运行后运转不平稳，振动幅度较大，从而导致噪声较大。

处理检查方法

a.不通电快速空转电机检查电机的转子动平衡情况。

b.检查电机轴承是否磨损松旷。

c.检查电机转子和定子之间的气隙是否均衡。

一般故障原因

a.轴承磨损松旷。

b.转子失去动平衡。

c.转轴弯曲使电机转子和定子之间的气隙不均衡。

d.电机铁芯变形。

e.电机定子绕组故障。

④ 电机过热

电机工作温度　电机的绝缘材料按耐热能力分为y、a、e、b、f、h、c七个等级，其极限工作温度分别为90℃、105℃、120℃、130℃、155℃、180℃及180℃以上。绝缘材料的极限工作温度是指电机在设计预期寿命内，运行时绕组绝缘中最热点的温度。根据经验，a级材料在105℃、b级材料在130℃的情况下寿命可达10年，但在实际情况下环境温度和温升均不会长期达设计值，因此一般寿命在15～20年。如果运行温度长期超过材料的极限工作温度，则绝缘的老化加剧，寿命大大缩短。所以电机在运行中，温度是寿命的主要因素之一。电机各部位的温度限度：与绕组接触的铁芯温升（温度计法）应不超过所接触的绕组绝缘的温升限度（电阻法），即a级为60℃，e级为75℃，b级为80℃，f级为100℃，h级为125℃；滚动轴承温度应不超过95℃，滑动轴承温度应不超过80℃，因温度太高会使油质发生变化和破坏油膜；机壳温度实践中往往以不烫手为准；笼型转子表面杂散损耗很大，温度较高，一般以不危及邻近绝缘为限，可预先刷上不可逆变色漆来估计。

处理检查方法

a.用手触摸电机外壳检查是否烫手。

b.用红外线温度检验仪检查电机各部位温度。

c.检查风机散热是否正常。

d.检查电机轴承转动是否卡滞或松旷，润滑脂是否脏污。

e.检查定子绕组是否短路。

一般故障原因

a.电机散热风扇不能正常工作。

b.电机轴承转动卡滞或松旷，润滑脂脏污。

c.电机定子绕组匝数缺少或匝间短路。

⑤ 电机绝缘阻值低

故障现象　驱动电机的绝缘低于标准值5MΩ。

处理检查方法　对电机绕组进行干燥绝缘处理去除潮气和水分。

一般故障原因

a.车辆很长时间搁置不用，在潮湿的环境中使驱动电机的绝缘电阻低于标准值5MΩ。

b.车辆涉水时造成驱动电机受潮造成绝缘电阻降低。

c.长时间雨雪天气使电机绝缘电阻值降低。