現代車用電驅動系統原理和控制理論“十四五”普通高等教育本科國家級規劃教材1導論目錄Contents2車用三相交流感應電機3車用三相交流永磁同步電機4永磁同步電機控制原理5新能源汽車典型驅動系統結構及其原理6車用整流和DC/DC電源技術7車用儲能系統和能量管理技術車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用電驅動系統結構及原理汽車發展史工業文明的推進器——蒸汽車時代早期蒸汽機模型詹姆斯·瓦特（1736—1819）18世紀80年代，瓦特改良蒸汽機使人類進入蒸汽時代。它曾推動了機械工業甚至社會的發展，解決了大機器生產中最關鍵的問題，推動了交通運輸空前的進步。車用電驅動系統結構及原理汽車發展史現代交通的新星——電動車時代1821年法拉第發明了第一臺電動機，這是第一臺使用電流將物體運動的裝置。雖然裝置簡陋，但它卻是今天世界上使用的所有電動機的祖先。10年后法拉第又發明了第一臺將機械能轉化為電能的發電機。法拉第發電機模型邁克爾·法拉第（1791-1867）車用電驅動系統結構及原理汽車發展史近、現代交通的中流砥柱——燃油車時代19世紀70年代到90年代，德國人奧托、戴姆勒、狄塞爾先后發明了以煤氣、汽油為燃料的內燃機，引起了這一領域的革命性變革。汽車、內燃機車、遠洋輪船、裝甲車、飛機等工業迅速發展起來。車用電驅動系統結構及原理汽車發展史21世紀新發展理念的產物——新能源汽車時代21世紀20年代，新能源汽車的崛起引領人類進入清潔能源時代。它不僅推動了汽車工業的綠色變革，解決了傳統汽車尾氣排放和能源依賴問題，為全球范圍內的城市空氣污染和氣候變化問題提供了有效的解決方案。同時，它也推動了電池技術、電機技術和充電基礎設施的飛速發展，為未來可持續出行和生活提供了無限可能。車用電驅動系統結構及原理1.1.1電動汽車電驅動系統介紹初期電動汽車動力系電動汽車（EV）采用電動機作為牽引裝置，并以化學蓄電池組、燃料電池組、超級電容器組或飛輪組作為其相應的能源，具有零排放、效率高等特點。左圖為初期電動汽車的動力系，主要采用了電驅動裝置和蓄電池組以替代內燃機和燃油箱，配置較為簡單。車用電驅動系統結構及原理1.1.1電動汽車電驅動系統介紹通用EV結構的概念圖示現代電驅動系包括三個主要的子系統：電動機驅動、能源子系統和輔助子系統。1)如左圖所示，電動機驅動子系統由車輛控制器、電力電子變換器、電動機、機械傳動裝置和驅動輪組成。2)能源子系統由能源、能量管理單元和能量供給單元組成。3)輔助子系統由功率控制單元、車內溫度控制單元和輔助電源組成。車用電驅動系統結構及原理1.1.2混合動力電動汽車電驅動系統介紹多種EV結構形式1)左圖展示了EV（電動汽車）不同種類的動力結構形式以及從內燃機向純電系統過渡的演變過程。比較傳統的電驅動結構中電驅動裝置替代了傳統車輛的內燃機，它由電動機、離合器、變速器和差速器組成，如圖(a)所示。車用電驅動系統結構及原理1.1.2混合動力電動汽車電驅動系統介紹混合動力電驅動系概念圖示為回收傳統ICE車輛中以熱形式消耗的制動能量，常見的混合動力電驅動系含有一個可雙向能量流的動力系，而另一類，則不是雙向的、就是單向能量流的動力系。車用電驅動系統結構及原理1.1.2混合動力電動汽車電驅動系統介紹混合動力電動汽車的分類(a)串聯式（電耦合)(b)并聯式（機械耦合）(c)混聯式（機械與電氣耦合）(d)復合式（機械和電氣的耦合）混合動力電動汽車傳統意義上可分為串聯式和并聯式兩種形式。后續出現了混聯式和復合式等新結構。如圖a、b、c、d所示。車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用電機分類和基本特征目前，車用電機主要分為感應電機（異步電機）、永磁同步電機和開關磁阻電機三種形式。車用電機分類和基本特征1.2.1直流電機直流電機物理模型圖直流電機橫剖面示意圖1)直流電機主要由定子和轉子兩大部分構成，物理模型如左圖所示。2)直流電機定子由主磁極、換向極機座、電刷裝置組成，轉子則包含電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和轉軸等部件，如右圖所示。車用電機分類和基本特征1.2.2感應電機感應電機結構示意圖1)感應電機也稱“異步電機”，具體結構如左圖所示，其主要結構分為定子和轉子。2)感應電機其轉子的機械轉速與旋轉磁場的同步轉速之間存在一定的轉差率，因此其調速性能相對較差。車用電機分類和基本特征1.2.3永磁同步電機永磁同步電機結構示意圖1、永磁同步電機的定子結構與感應電機類似，但轉子部分主要由永磁體和導磁部件構成，結構如左圖所示。2、與感應電機相比，永磁同步電機無需無功勵磁電流，功率因素顯著提升。在穩定運行時，沒有轉子電阻損耗。車用電機分類和基本特征1.2.4開關磁阻電機開關磁阻電機結構示意圖開關磁阻電機結構較為簡單，其定子和轉子形成雙凸極結構，且轉子上沒有繞組，而定子裝有簡單的集中繞組，具體結構如左圖所示。開關磁阻電機在運行過程中會產生較大的振動和噪聲，這成為制約其發展的重要因素。車用電力電子器件和基本特性(c)Power-MOSFET(a)GTO(門極可關斷晶閘管)(b)BJT(雙極型晶體管)電力電子技術常用器件常見車用電力電子器件如上圖所示。車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結構和工作原理(a)多種N溝道增強型MOSFET的基本結構(b)N溝道增強型MOSFET的縱向剖面圖(c)N溝道耗盡型MOSFET的縱向剖面圖基本結構：圖(a)為N溝道增強型MOSFET的基本結構。場效應管常常采用縱向剖面圖展示其結構，如圖(b)所示。N溝道耗盡型MOSFET的結構與增強型相似，如圖(c)所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結構和工作原理(a)P溝道增強型MOSFET的縱向剖面圖(b)P溝道耗盡型MOSFET的縱向剖面圖基本結構P型MOS管也分為增強型和耗盡型兩種，如圖(a)和圖(b)所示。上述四種MOS管中，最常用的車用電力電子器件MOSFET多為N溝道增強型MOS管。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結構和工作原理工作原理：VGS<Vth，沒有導電溝道時(a)VGS=0，N溝道增強型MOSFET的基本工作原理(b)VGS<0，N溝道增強型MOSFET的基本工作原理如圖(a)所示，當柵極與源極短接（即VGS=0），P型襯底會與源極和漏極形成兩個背靠背的PN結二極管。在柵極和源極之間加一個正電壓VGG，如圖(b)所示。即柵源電壓VGS等于VGG。由于絕緣層的存在，此電壓會在柵極和襯底之間形成一個電場。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結構和工作原理工作原理：

VGS≥Vth，出現導電溝道時(a)VGS較小時，N溝道增強型MOSFET的工作示意圖(c)VGS≥Vth時，N溝道增強型MOSFET的工作示意圖(b)VGS增大到一定程度時，N溝道增強型MOSFET的工作示意圖VGS≥Vth，N溝道增強型MOSFET的基本工作原理逐漸增大柵源極電壓，電場將逐漸增強，如圖(a)所示。當柵源極電壓增大到一定程度時,在電場力作用下，半導體中會出現明顯的變化，如圖(b)所示。形成的N型層，即導電溝道，也叫做感生溝道，如圖(c)所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.1MOSFET的基本結構和工作原理vGS≥Vth，vDS>0，vGD>Vth時，N溝道增強型MOSFET的工作示意圖在漏極和源極之間加入電壓VDD，即漏源電壓VDS=VDD。溝道從源極到漏極有一定的電位梯度，如左圖所示，電位從源極到漏極逐漸升高。車用電力電子器件和基本特性1.3.2MOSFET的基本特性MOSFET的轉移特性輸出特性可以分為三個區域：截止區、可變電阻區和飽和區。轉移特性表示了電力MOSFET的放大功率。不同柵源電壓下N溝道增強型MOSFET的輸出特性曲線輸出特性：轉移特性：車用電力電子器件和基本特性1.3.2MOSFET的基本特性(a)平面柵MOSFET(b)溝槽柵MOSFET垂直導電型MOSFET垂直導電型MOSFET包括平面柵MOSFET和溝槽型MOSFET兩種結構。兩者均為垂直安裝漏極，電流自底部漏極垂直向上流動。相同電壓等級下，SiC材料的MOSFET比Si材料MOSFET的厚度薄很多，并且顯著降低了正向壓降以及導通損耗。車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結構和工作原理IGBT的結構剖面圖IGBT的電路符號基本結構：結構上IGBT和垂直導電型MOSFET的結構非常相似，即在靠近集電極C處的N+型高摻雜區域下方添加了P+型高摻雜集電區域。阻斷原理:IGBT結構剖面圖車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結構和工作原理正向阻斷：當IGBT集電極加正向偏置電壓，發射極與柵極短路接地，IGBT處于正向阻斷模式。此時J1結正偏，J2結反偏。反向阻斷：當IGBT集電極加反向偏置電壓，發射極與柵極短路接地，IGBT處于反向阻斷模式，此時J1結反偏，J2結正偏。車用電力電子器件和基本特性1.3.3IGBT的基本結構和工作原理IGBT結構剖面圖導通原理正向導通：當IGBT集電極加正向偏置電壓，發射極接地或者加反向偏置電壓，柵電壓大于IGBT內部MOSFET的閾值電壓，即VGE≥VTH，VCE＞0時，IGBT處于正向導通模式。車用電力電子器件和基本特性1.3.4IGBT的基本特性不同柵源電壓下N溝道增強型IGBT的輸出特性曲線基本特性輸出特性：IGBT的輸出特性通常表示為在不同柵極-發射極電壓VGE下，漏極電流iC和集電極-發射極電壓VGE之間的關系曲線，如左圖所示。IGBT的輸出特性可以分為三個區域：正向阻斷區、有源區和飽和區。車用電力電子器件和基本特性1.3.4IGBT的基本特性IGBT的轉移特性基本特性:1、IGBT的轉移特性是指在集射極電壓vCE一定時，集電極電流iC與柵射極電壓vGE之間的關系。2、IGBT的轉移特性與電力MOSFET的轉移特性大致相同，如左圖所示。車用電力電子器件和基本特性1.3.4IGBT的基本特性有源逆變電路舉例變頻電路有“交-交”變頻和“交-直-交”變頻兩種形式。“交-直-交變頻”電路的核心部分就是逆變電路。如左圖所示為有源逆變電路示例。車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用逆變系統和基本原理1.4.1逆變電路的基本原理(a)單相橋式逆變電路結構(b)單相橋式逆變電路電壓電流波形逆變電路及其波形舉例1)逆變電路組成如圖(a)所示，S1~S4是由電力電子器件及其輔助電路組成的四個開關（如MOSFET或IGBT），它們組成了橋式電路的4個臂。2)逆變電路原理如圖(b)所示。改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。基本原理：車用逆變系統和基本原理1.4.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路示例1)電壓型逆變電路如左圖所示。2)電壓型逆變電路特點：(1)直流側為電壓源或并聯大電容，電壓基本無脈動；(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負載阻抗不同而不同；(3)阻感負載時需提供無功。電壓型逆變電路主要應用于各種直流電源。車用逆變系統和基本原理1.4.3電流型逆變電路三相電流型全橋逆變電路示例1)電流型逆變電路如左圖所示。基本工作方式為：每個橋臂一個周期內導通120°，按照S1~S6的順序每60°依次導通。2)電流型逆變電路主要用于中大功率交流電動機的調速系統，也可以用于驅動同步電動機。車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用電源系統和基本原理1.5.1車用電源系統組成電動汽車電源系統的結構原理1)電動汽車低壓電氣系統主要由DC/DC功率變換器、輔助蓄電池和若干低壓電器設備組成。2)整車網絡化控制系統是電動汽車的大腦，主要組成部分包括控制器網絡(CAN)、車載通訊系統和各類電子控制單元(ECU)。車用電源系統和基本原理1.5.2車用電力電子設備車載充電機DC-DC變換器類型配電系統1)車載充電機由輸入端口、控制單元、功率單元、低壓輔助單元和輸出端口組成。2)DC-DC電源包括線性穩壓電源和開關穩壓電源。3)配電系統分為高壓配電系統和低壓配電系統。常見的車用電力電子設備包括：車載充電機、DCDC變換器、配電系統等。車用電驅動系統結構及原理11導論車用電機分類和基本特征2車用電力電子器件和基本特性3車用逆變系統和基本原理4車用電源系統和基本原理5車用儲能系統和能量管理技術6車用儲能系統和能量管理技術1.6.1車載儲能系統車用儲能系統和能量管理技術1.6.1車載儲能系統車載儲能系統目前面臨的挑戰有：(1)能量密度;(2)成本;(3)安全性;(4)循環壽命等。車載儲能系統未來發展前景有：(1)新型電池技術；(2)智能化管理系統；(3)回收和再利用;(4)多能源融合等。車用儲能系統和能量管理技術1.6.2電池管理系統1)電池管理系統（BMS）是電池組的核心管理機構，其主要功能是確保電池的安全、可靠和高效運行，如左圖所示。2)電池管理系統的目標是優化電池組的性能，延長電池壽命和確保使用安全。車用儲能系統和能量管理技術1.6.3多動力系統能量管理多動力系統（HPS）能量管理是在多個能源之間進行協調、優化和控制，以實現高效、可靠和經濟的能源利用。交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機的結構和運行原理2.1.1交流感應電機的基本結構感應電機主要由定子、轉子、氣隙三部分組成。定子：感應電機中的靜止部件轉子：感應電機中的旋轉部件氣隙：定子、轉子之間的間隙，電機能量主要儲存于氣隙之中。感應電機具有效率高、結構簡單、運行可靠、穩定性好和動態特性好等優勢，因此在電動汽車領域倍受青睞。交流感應電機的結構和運行原理2.1.1交流感應電機的基本結構(a)梨形槽(b)平底槽梨形槽和平底槽是感應電機中常用的兩種槽形，兩者最大的區別于槽底形狀的不同。定子繞組通常為三相對稱分布，每個相位的繞組均勻地分布在定子鐵芯的槽中。每相繞組相隔120°電角度。定子槽型定子繞組定子實物圖深海異步電機交流感應電機的結構和運行原理2.1.1交流感應電機的基本結構與定子繞組相似，繞線型轉子槽內同樣嵌有絕緣線圈組成的三相繞組。繞組通過集電環和電刷連接到外部電路。鼠籠式轉子繞線式轉子鼠籠型轉子繞組通常采用鋁或銅制成。鼠籠由多個平行的導體條組成，導體條之間通過短路環連接起來，形成閉合的回路。轉子硅鋼片示意圖轉子實物圖交流感應電機的結構和運行原理2.1.2三相交流感應電機的運行原理額定功率(PN)：指電動機在額定方式下運行時，轉軸上輸出的機械功率。單位為W和kW。額定電壓(UN)：指電動機在額定方式下運行時，定子繞組應加的線電壓。單位為V和kV。額定電流(IN)：指電動機在額定電壓和額定功率狀態下運行時，流入定子繞組的線電流。單位為A。額定頻率(fN)：額定狀態下電源的交變頻率，我國的電網頻率為50Hz。額定轉速(nN)：指在額定狀態下運行時的轉子轉速。單位為rpm。其他：功率因數、相數、接線法、防護等級、絕緣等級與溫升、工作方式等項目。異步電機銘牌異步電機銘牌交流感應電機的結構和運行原理2.1.2三相交流感應電機的運行原理當感應電機定子繞組接到三相電源上時，定子繞組中將流過三相對稱電流；氣隙中將建立基波旋轉磁動勢，從而產生基波旋轉磁場；這個基波旋轉磁場切割轉子繞組，產生感應電動勢；感應電機轉子繞組是閉合的，感應電動勢在轉子繞組中產生相應的電流；該感應電流與氣隙中的旋轉磁場相互作用產生電磁轉矩；電機運行示意圖深海異步電機當電磁轉矩大于負載轉矩與空載轉矩之和時，電機起動；電機轉速上升，旋轉磁場與轉子繞組相對運動速度減小，則轉子繞組所產生的感應電動勢減小，相應的電流減小；當

轉矩平衡時，電機在該轉速下勻速運轉。交流感應電機的結構和運行原理2.1.2三相交流感應電機的運行原理交流感應電機的結構和運行原理2.1.2三相交流感應電機的運行原理由于轉子的旋轉速度

n恒小于同步轉速

ns，因此把這種電動機稱為異步電動機。轉速差

ns?n與同步轉速

ns的比值稱為異步電動機的轉差率，用

s表示。感應電機的轉速公式如下轉差率感應電勢電流磁場輸入電功率轉速轉矩機械功率負載平衡式中，f1為定子繞組電流頻率，p表示電機極對數。

轉差率是決定感應電機運行狀態的重要變量；

感應電機的負載情況發生變化；

轉子導體中的電動勢電流和電磁轉矩相應變化;轉子轉速和轉差率隨之變化。轉差率示意圖交流感應電機的結構和運行原理2.1.2三相交流感應電機的運行原理電動機狀態轉速低于同步轉速

0<n<n10<s<1發電機狀態轉速高于同步轉速n>n1s<0電磁制動狀態轉速與同步轉速反向n<

0s>

1交流感應電機的結構和運行原理2.1.3交流感應電機的基本方程定子電壓方程：

轉子電壓方程：式中，N2為轉子繞組匝數，kw2為轉子基波繞組因數，Φm為感應電機主磁通。

交流感應電機的結構和運行原理2.1.3交流感應電機的基本方程轉子銅耗鐵耗定子銅耗機械功率輸入功率在空載工況時，轉子轉速接近于同步轉速，轉差率s接近于0，轉子相當于開路，此時電流幾乎都是激磁電流。在負載工況時，定子的電流和漏抗壓降增大，E1和主磁通比空載工況略小。感應電機的等效電路圖感應電機的相量圖輸出功率四相量構成的多邊形表示了定子電壓關系；直角三角形代表轉子電壓平衡關系；三個相量構成的平行四邊形代表磁動勢的平衡關系。交流感應電機的結構和運行原理2.1.3交流感應電機的基本方程從電源輸入的電功率為：定子銅損耗：鐵損耗：定轉子傳輸的電磁功率：

從等效電路可知。電磁功率Pe為：轉子繞組銅耗：輸出總機械功率：電機等效功率圖傳送到轉子的電磁功率Pe中，s部分變成轉子銅耗PCu2，(1-s)部分轉換成總機械功率PΩ

。

交流感應電機的結構和運行原理2.1.3交流感應電機的基本方程上述轉子輸出功率方程除以機械角度Ω，

可以得到轉子的轉矩方程式中，

Te為電磁轉矩，T0為與機械損耗和雜散損耗相對應的阻力轉矩，若忽略雜散損耗，其可代表為空載轉矩，

T2為電動機的輸出轉矩。經過整理得電磁轉矩、空載轉矩及輸出轉矩可分別表示為由于總機械功率PΩ=(1-s)Pe，轉子的機械角速度Ω=(1-s)Ωs，所以電磁轉矩Te就等于考慮到電磁功率：交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.1感應電機繞組的基本參數槽距角α：相鄰兩槽之間的機械角度。，Z為電機槽數。槽距電角α1：相鄰兩槽之間的電角度。極距τ：一個極在定子圓周上所跨的距離。，p為極對數。每極每相槽數q：整個電機定子中每相在每個極下占有的槽數。，m為相數。電機等效功率圖繞組匝數和線徑決定電機的電壓、電流容量及電阻，影響電機的電動勢、轉矩和效率；繞組類型和布局（如星形或三角形連接）影響磁場分布、啟動特性和運行平穩性；槽數和相數則影響磁場波形、效率、噪音和電機平穩性；節距設計影響電磁性能和轉矩波動；材料選擇影響導電性能和散熱能力。交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.1感應電機繞組的基本參數合成電動勢與合成磁動勢的波形要接近于正弦波形且幅值大。三相繞組的布置均勻，確保磁場的對稱性，電阻、電抗平衡。繞組的匝數和線徑需要根據電機的額定電壓和電流進行設計，用銅量最省，降低銅耗。絕緣根據實際工況設計，機械強度、散熱良好，制造簡便。交流感應電機是一種應用廣泛的旋轉電機，其利用交流電在繞組中產生的旋轉磁場來驅動電機旋轉，構成原則如下：123456789101112131415161718262523242221201927282930313233353436ABC123456789101112131415161718262523242221201927282930313233353436AXBZYC定子圓周三等分，把每一等分中的導體正向串聯，形成一相。相帶定子圓周六等分，把每一等分中的導體正向串聯，形成一個線圈組。把兩個相差180o電角度的線圈組反向串聯，形成一相。120°相帶60°相帶交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.2三相單層繞組三相單層繞組示意圖單層繞組在每個定子槽內只放置一層線圈，整個繞組的線圈數等于總槽數的一半。優點：單層繞組的結構相對簡單，制造工藝容易，生產和維護都比較方便；改善電機內部的通風散熱，提高散熱性能；整體重量也會相對較輕，適用于某些需要輕量化的應用場合。缺點：單層繞組的電磁性能相對較差，電機的效率和功率因數較低；磁場分布不如雙層繞組均勻，導致電機運行時性能不穩定，出現振動和噪音的問題；單層繞組的電流密度較高，繞組溫升增加，對絕緣材料和繞組的壽命會產生不利影響。A相單層同心式繞組展開圖交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.2三相單層繞組相帶AZBXCY槽號23，2423，45，67，89，1011，1213，1415，1617，1819，2021，22三相二極24槽電機槽號排列表以三相二極24槽的定子同心式繞組為例，其繞組由不同節距的同心線圈組成。按照最大電動勢原則，將定子可以分為6個相帶，每個相帶內有四個槽。根據表內的槽號畫出三相二極24槽的A相繞組展開圖，1?12相連，組成一個大線圈，2?11相連，組成一個小線圈，即可得到一個同心式線圈組。同心式繞組主要用于兩極的小型感應電機，端部重疊層數少，便于散熱。單層繞組常用的線圈組合還有鏈式繞組和交叉式繞組，鏈式繞組容易大批量生產，但缺陷為繞組端部較長，電磁性能一般。交叉式繞組各方面性能均較優秀，使其生產成本較高，工藝較難，且因其特殊結構，散熱條件較差。交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.3三相雙層繞組三相交流感應電機雙層繞組是指在電機的定子鐵芯的每個槽中放置兩層線圈，通過層間絕緣將兩個線圈分隔開。優點：雙層繞組的電磁性能較好，可以提供較高的效率和更好的功率因數；雙層繞組能夠實現更均勻的磁場分布，減少電機運行時的振動和噪音，從而提高電機的穩定性和可靠性；雙層繞組在設計上可以更好地控制漏磁通和漏抗，提高電機的動態性能和過載能力。缺點：雙層繞組的結構較為復雜，制造工藝要求高，生產成本較高；繞組層數增加，電機的尺寸和重量也相應增加，這可能對某些需要輕量化和緊湊設計的應用場合不利；雙層繞組的散熱性能相對單層繞組較差，尤其是在高功率電機中，散熱問題更為突出，容易導致繞組溫升過高。相帶AZBXCY槽號（第一對極下）1、23、45、67、89、1011、1213、1415、1617、1819、2021、2223、24槽號（第二對極下）25、2627、2829、3031、3233、3435、3637、3839、4041、4243、4445、4647、48相帶AZBXCY三相四極48槽電機槽號排列表交流感應電機繞組的構成原則和分類2.2.3三相雙層繞組相帶及其劃分：以A相為例，由于q=4，故每個極下A相應有四個槽，整個定子中A相共有16個槽。把屬于同一相帶內的1、2、3、4這四個槽中的線圈串聯起來所組成的線圈組，稱為極相組。1、2、3、4四個槽為相鄰槽，槽內相量參數間的夾角最小，故串聯以后極相組的合成電動勢為最大。繞組接線：上層線圈用實線表示，下層線圈用虛線表示，每個線圈都由一根實線一根虛線組成，線圈頂部的號碼表示線圈號。由于線圈的極距為12，節距為10，所以1號線圈的一條線圈邊嵌放在1號槽上層時，另一條線圈邊應在11號槽的下層，其他同理。三相雙層疊繞式繞組接線示意圖三相雙層疊繞式繞組示意圖交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機繞組的電動勢2.3.1導體的感應電動勢根據法拉第電磁感應定律的描述，揭示了電動勢的產生與磁場變化之間的關系。導體的感應電動勢可以通過幾種不同的方式產生：移動導體：導體在磁場中移動時，導體切割磁場線，導致導體兩端產生感應電動勢；變化磁場：穿過導體的磁場強度隨時間變化時，即便導體靜止不動，也會在導體中產生感應電動勢；變化面積：如果導體回路的面積在磁場中變化，即使磁場強度保持不變，也會產生感應電動勢；變化方向：當導體相對于磁場的方向改變時，也會產生感應電動勢。磁場變化示意圖交流感應電機繞組的電動勢2.3.1導體的感應電動勢對于正弦波磁感應強度，每極磁通所以有聯立以上公式可得當電機以轉速n旋轉時，導體中電動勢有效值為Bm1為磁感應強度的基波幅值，而對于有p對磁極的電機，轉子旋轉一周，任一導體中的感應電動勢就交變p次，因此導體中感應電動勢的電頻率為交流感應電機繞組的電動勢2.3.1導體的感應電動勢導體電動勢星形圖以四極36槽三相雙層繞組感應電機為例1號導體感應電動勢為相量1，2號導體和1號導體電動勢相位差20°，磁場的方向決定超前還是滯后，現假定為滯后，3號導體電動勢再滯后20°，依次畫出一對極下18個槽導體的電動勢相量。19號槽與1號槽空間差一對極，空間電角度相差360°，故電動勢相位差360°，因此1相量和19相量重合。通過星行圖，可以直觀地看到各相繞組的感應電動勢的相位差和幅值分布。分析電機的平衡情況、相間電壓、相位差等關鍵參數，確保電機在運行過程中能夠實現對稱平衡的三相系統，從而提高電機的運行效率和穩定性。交流感應電機繞組的電動勢2.3.2線圈的電動勢與節距因數

當線圈節距為y1時，線圈兩邊導體感應電動勢相位差為匝電動勢線圈當y1=τ

時，線匝為整距ky1為線圈的短距系數交流感應電機繞組的電動勢2.3.2線圈的電動勢與節距因數下圖為一個短距線圈的兩個導體電動勢的相量關系式中，Kp1是節距因數。匝電動勢相量圖當一個線圈有Nc匝時，該線圈的基波感應電動勢為當線圈為整距時，節距y1=τ，電動勢相位差為180°，此時節距因數Kp1=sin90°=1，線圈基波電動勢為最大值。若線圈節距y1

≠τ時，

Kp1＜1，即線圈電動勢將減小到Kp1倍。因此，節距因數代表線圈短距后感應電動勢與整距時感應電動勢的比值。交流感應電機繞組的電動勢2.3.3分布繞組的電動勢與分布因數電動勢矢量和如圖所示，q個線圈串聯的電動勢矢量和為q個相量可視作正多邊形的一部分，作正多邊形的外接圓，并以R表示外接圓的半徑，可得線圈組電動勢為且線圈電動勢Ey1為聯立上式可得交流感應電機繞組的電動勢2.3.3分布繞組的電動勢與分布因數上式表明當繞組為集中式時，分布因數為1；當繞組為分布式時，分布因數總是小于1，這會導致電機的磁動勢波形畸變，降低電機的效率和性能。在設計電機時，通常會優化繞組布局，提高分布因數，減少波形的畸變。三相交流感應電機的分布因數，是指繞組中每個匝數所受到磁通量的影響，其決定了磁通量在繞組中的分布。與理想的集中繞組相比，其產生的磁動勢波形會有所不同。分布式繞組集中式繞組交流感應電機繞組的電動勢2.3.4相電動勢和線電動勢相電動勢是指電機單個繞組兩端的電壓。在三相系統中，有三個相電動勢，彼此之間存在120°的相位差。線電動勢是指連接電機與電源之間兩條線之間的電壓。

故得線電動勢為分布式繞組電動勢在三相系統中，有三個線電動勢，彼此之間同樣存在120°的相位差。交流感應電機繞組的電動勢2.3.4相電動勢和線電動勢通常稱節距系數與分布系數的乘積為基波繞組系數，表示考慮短距與分布影響時，線圈組電動勢的修正系數，即由電路原理可知，每一并聯支路電動勢相等，而每一支路所串聯的線圈組電動勢都是同大小、同相位，故相電動勢有效值為式中，Na為每相串聯匝數，Nc為每個線圈的匝數。由于線圈是每極下一個相帶q個線圈串聯構成，所以線圈組也稱為極相組。若電機每相繞組有a條并聯支路，相電動勢可表示為若干個線圈組串聯為一相，因線圈組之間感應電動勢沒有相位差，因此，只需要將Eq1再乘以串聯組數即可得到相電動勢。交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機繞組磁動勢2.4.1線圈磁動勢1、整距線圈的脈振磁動勢（以p=1，q=1為例）整距線圈脈振磁動勢整距線圈磁動勢分布當線圈電流為時，以A、X軸線為中心為例，當繞組中某點的位置確定時，其波幅的大小和方向隨時間變化的磁動勢稱為脈振磁動勢。整距線圈的基波磁動勢幅值交流感應電機繞組磁動勢2.4.1線圈磁動勢2、短距線圈的脈振磁動勢（以極距τ，節距y1為例）短距線圈脈振磁動勢短距線圈磁動勢分布短距線圈磁動勢波形幅值與整距線圈相同，但在分布上需乘以基波的節距因數kp1，kp1的表達式與計算電動勢時相同。以線圈軸線處作為坐標原點短距線圈的基波磁動勢幅值交流感應電機繞組磁動勢2.4.2分布繞組磁動勢1、整距分布繞組磁動勢（以q=3為例）將三個矩形波合成，得到一個階梯形波，合成磁動勢如圖中粗紅線所示。將這三個線圈的基波磁動勢逐點疊加，即可得到極相組的基波合成磁動勢。分布線圈基波磁動勢的合成與基波電動勢的合成相似。為了考慮線圈分布的影響，需要引入基波分布因數kd1。單個整距線圈矩形波q個整距線圈階梯波幅值相同空間相差α電角度單層整距分布繞組基波合成磁動勢整距分布繞組磁動勢圖(a)圖(b)圖(c)交流感應電機繞組磁動勢2.4.2分布繞組磁動勢2、短距分布繞組磁動勢（以q=3、y1=8、τ=9為例）由于線圈為短距分布繞組，故屬于同一相的上層導體和下層導體之間會錯開ε角，此ε角就是短距線圈的節距比整距時線圈節距縮短的電角度。在計算基波磁動勢的幅值時，對于短距繞組，需要引入基波的節距因數kp1來準確反映其影響；對于分布繞組，則必須考慮基波分布因數kd1的影響。kw1為基波磁動勢的繞組因數kw1=kd1kp1雙層短距分布繞組基波磁動勢短距分布繞組磁動勢交流感應電機繞組磁動勢2.4.3單相繞組磁動勢前面已經推導出雙層短距分布繞組的基波磁動勢fq1，單相繞組基波磁動勢與其相等，即1、單相繞組基波磁動勢2、單相繞組諧波磁動勢整距線圈所產生的矩形磁動勢波中，除基波磁動勢外，還有一系列奇次的高次空間諧波磁動勢。按照對基波磁動勢相同的處理方法，把q個線圈以及雙層繞組上、下層線圈所產生的同次諧波磁動勢疊加。單相繞組基波磁動勢通入電流v次諧波分量諧波磁動勢交流感應電機繞組磁動勢2.4.4三相繞組合成磁動勢在三相繞組中通以對稱的正序電流：各相的基波磁動勢分別為將A、B、C三相的基波脈振磁動勢疊加，得：利用積化和差將將三相磁動勢相加得其中1、三相繞組基波合成磁動勢交流感應電機繞組磁動勢2.4.4三相繞組合成磁動勢2、三相繞組合成磁動勢高次諧波同理，把A、B、C三相繞組所產生的v次諧波磁動勢相加，可得三相的ν次諧波合成磁動勢fv(θs,t)為(1)當v=3k(k=1，3，5，…)，也即v=3，9，15，…時(2)當v=6k+1(k=1，2，3，…)，也即v=7，13，19，…時(3)當v=6k?1(k=1，2，3，…)，也即v=5，11，17，…時這說明對稱三相繞組的合成磁動勢中，不存在3次及3的倍數次諧波磁動勢。此時諧波合成磁動勢是一個正向旋轉、轉速為ns

/v、幅值為的旋轉磁動勢波。此時諧波合成磁動勢是一個反向旋轉、轉速為ns

/v、幅值為的旋轉磁動勢波。交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機運行特性2.5.1三相感應電機轉矩-轉差率特性T=f(s)稱為異步電動機的電磁轉矩-轉差率曲線，簡稱T-s曲線，又稱為機械特性曲線，它是異步電動機最主要的特性。異步電機電磁轉矩的物理表達式描述了電磁轉矩與主磁通、轉子有功電流的關系。電磁轉矩為折算到定子側的轉子相電動勢為，考慮到，于是：式中，

m、I2

和cosφ2都是轉差率s的函數，故可定性分析出機械特性曲線的大致形狀。交流感應電機運行特性2.5.1三相感應電機轉矩-轉差率特性電磁功率：其中：s>1時，電機處于電磁制動狀態；0<s<

1時，電機處于電動機狀態；s<0時，電機處于發電機狀態。感應電機轉矩-轉差率特性轉矩最大點Tmax啟動點Tst額定運行點TN交流感應電機運行特性2.5.2三相感應電機工作特性感應電機工作特性在電動機的定子繞組加額定電壓，電壓的頻率又為額定值，這時電動機的轉速n、定子電流I1、功率因數cosφ1、電磁轉矩Te、效率η等與輸出功率P2的關系。工作特性可以通過直接在異步電動機上施加負載測得，也可以利用等效電路計算而得。工作特性感應電機隨著輸出功率的增加，轉子轉速下降，轉差率增大；隨著輸出功率的增加，轉子電流增大，定子電流也增大；隨著輸出功率的增加，功率因數先增大后減小；隨著輸出功率的增加，輸出轉矩增大；隨著輸出功率的增加，效率先增大后減小；交流感應電機運行特性2.5.2三相感應電機工作特性1、轉速特性三相異步電機在空載狀態下運行時，其轉子的轉速n接近于同步轉速n1。隨著負載的增加，轉速n會略有下降，這時轉子電動勢E2s及轉子電流I2s均會增大，以產生足夠大的電磁轉矩來平衡增加的負載轉矩。因此，隨著P2的增加，轉子轉速n下降，轉差率s增大。2、定子電流特性當電動機在空載狀態下運行時，轉子電流接近為零，定子電流等于勵磁電流I0。隨著負載的增加，轉速下降，轉子電流增大，定子電流也增大。3、定子側功率因數特性三相異步電動機運行時，必須從電網中吸取滯后性無功功率，它的功率因數永遠小于1。空載時，定子從電網吸收的主要是勵磁電流所需要的無功功率，因此功率因數cosφ1很低，一般不超過0.2。隨著負載的增加，定子電流中的有功電流會相應增加，從而提高了功率因數。接近額定負載時，cosφ1達到最高值。然而，如果負載進一步增大，由于轉差率s的增大，

φ2角增大，但cosφ1開始減小。4、電磁轉矩特性穩態運行時，三相異步電動機的轉矩方程為T=T2+T0。由于輸出功率P2=T2

ω，故Te=P2/ω+T0。5、效率特性鐵損和機械損耗稱為不變損耗。定、轉子銅損被稱為可變損耗。當不變損耗與可變損耗相等時，電動機的效率達最大。交流感應電機的結構和運行原理12車用三相交流感應電機交流感應電機繞組的構成原則和分類2交流感應電機繞組的電動勢3交流感應電機繞組的磁動勢4交流感應電機運行特性5交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動三相感應電機啟動直接啟動降壓啟動定子串接電抗器啟動Y-△啟動自耦變壓器啟動三相反并聯晶閘管啟動感應電動機在啟動過程中，磁通經過定轉子鐵芯及氣隙形成閉合回路。感應電機的啟動大體上分為直接啟動和降壓啟動兩種。通入電流定子繞組產生同步旋轉磁場轉子繞組產生電動勢閉合回路產生電流轉子開始轉動轉速穩定但無法達到同步轉速啟動過程交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動1、直接啟動直接啟動也就是全壓啟動，是最簡單的啟動方式，將電機直接連接到帶有額定電壓的電網上。降低轉子啟動電流的有效方法包括減小電源電壓、增大定子電阻或電抗、以及增大轉子電阻或電抗；增加啟動轉矩的方法只有適當增加轉子電阻，且如果增加過大還可能導致啟動轉矩減小。啟動電流啟動轉矩1—電流特性；2—固有機械特性感應電機轉矩-轉差率特性如果在額定電壓下直接啟動電動機，啟動瞬間的主磁通將減小到額定值的一半左右，功率因數很低，會造成堵轉電流（啟動電流）很大而堵轉轉矩（啟動轉矩）較小的情況。一般來說，定子啟動電流為額定電流的5~7倍，定子啟動轉矩為額定轉矩的0.8~1.2倍。固有機械特性交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動2、定子串接電抗器啟動三相感應電機定子串接電抗器啟動是一種常用的啟動方式，主要用于限制啟動電流。(a)直接啟動(b)定子串入電抗器啟動串級調速系統主電路在電動機的定子電路中串聯一個電感（即電抗器），以在啟動過程中控制電流的大小，啟動后則切除電抗器，進入正常運行。直接啟動時，電源電壓直接施加在電動機短路阻抗Zk=Rk+jXk上。定子側串入電抗X啟動時，電源電壓加在(jX+Zk)上，由電抗X分擔一部分電壓后作用在Zk上的電壓是

。啟動過程交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動2、定子串接電抗器啟動假設串電抗為X時，電動機定子電壓降為

與直接啟動時額定電壓UN比值為λ，則因此，三相異步電機定子串接電抗器啟動的方式雖然能夠有效降低啟動電流，但是啟動轉矩的降低程度要大于啟動電流的降低程度，所以這種啟動方法只能用于電動機的空載或輕載啟動。(a)直接啟動(b)定子串入電抗器啟動串級調速系統主電路交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動3、Y-△啟動Y-△啟動，即啟動時，定子繞組Y接法，啟動后，換成△接法。對于額定電壓運行時定子繞組接成△型的鼠籠式三相異步電動機，為了減小啟動電流，在啟動過程中，可以采用Y-△降壓啟動方法。Y-△啟動接線圖開關K1閉合接通電源之后，開關K2與下方連通，電動機定子繞組Y接法，電動機開始啟動；當轉速升高到一定程度后，開關K2從下邊斷開合向上邊，定子繞組△接法，電動機進入正常運行。啟動過程交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動3、Y-△啟動電動機直接啟動時，定子繞組為△接法，每一相繞組加的是額定電壓UN，相電流為

，線電流為

。采用Y-△啟動，啟動時定子繞組為Y接法每相電壓降為

，每相啟動電流為

，所以啟動電流及轉矩間關系式為Y-△啟動接線圖(a)直接啟動(b)Y-△啟動Y-△啟動的相電壓和相電流比直接啟動時降低了

；Y-△啟動對供電變壓器造成沖擊的啟動電流降低到直接啟動的1/3。啟動轉矩與啟動電流降低的倍數都是直接啟動的1/3所以這種啟動方式只能用于輕負載啟動。交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動4、自耦變壓器啟動自耦變壓器啟動接線圖開關K先被調至啟動位置，此時電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上。當轉速升高到一定程度后，開關K被調至運行位置，此時自耦變壓器被切除，電動機定子直接接在電源上，電動機進入正常運行狀態。啟動過程自耦變壓器降壓啟動常用于啟動較大容量的三相交流電動機，自耦變壓器設有50%.65%和80%線路電壓的抽頭，對應電動機的起動電流分別為全壓起動電流的25%、42%和64%。電動機的啟動電流和啟動轉矩與其端電壓的平方成比例降低，相同的啟動電流，電動機能獲得較大的啟動轉矩。自耦變壓器特點交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動4、自耦變壓器啟動根據變壓器原理可知：電動機定子繞組施加額定電壓UN直接啟動，其啟動電流為Is；若施加降壓后的電壓

啟動，其啟動電流為，則若UN施加在自耦變壓器一次繞組上，二次繞組電壓

接入異步電動機，這時供電變壓器提供的電流為

，則采用自耦變壓器啟動，與直接啟動相比，電壓降低至原來的N2/N1，啟動電流和啟動轉矩降低至原來的(N2/N1)2自耦變壓器啟動一相電路交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.1三相感應電動機的啟動5、三相反并聯晶閘管啟動三相反并聯晶閘管軟結構啟動電機時，可以通過改變反并聯晶閘管的導通角，即所謂相控，減少其輸出電壓，限制電動機的啟動電流，故名軟啟動。實際上，這種啟動器并不改變輸出電壓的頻率，輸出電壓頻率與電源電壓頻率保持一致，僅改變輸出電壓的波形。受晶閘管相控影響，輸出電壓偏離正弦型。啟動過程三相反并聯晶閘管降壓啟動的啟動器也稱軟啟動器，其結構由反并聯晶閘管及其控制器組成。這些反并聯晶閘管被串聯在三相交流電源與被控電機之間關系如圖。結構軟啟動器從原理上看，屬于降壓啟動異步電機，其特點是可以實現輸出電壓從小到大連續可調，即啟動電流大小可控，避免了其他降壓啟動下啟動電流對電網和電機的沖擊。特點交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速三相感應電機調速鼠籠式感應電機轉子回路串入電阻調速雙饋電機調速晶閘管串級調速降電壓調速變極對數調速變頻調速三相反并聯晶閘管啟動繞線式感應電機三相異步電機分為鼠籠式電機和繞線式電機兩種，對于兩種形式的電機分別有不同的調速方式。交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速三相感應電機降低電源電壓后，其機械特性表現為同步轉速保持不變，電磁轉矩T∝U2。1、降壓調速（鼠籠式異步電機）一般鼠籠式感應電機不采用降壓調速方式。三相感應電機降壓調速1-恒轉矩負載；2-風機負載降低電源電壓可以降低轉速，A點為固有機械特性曲線上的運行點，B點為降低電壓后的運行點，分別對應轉速nA和nB，可以看出調速范圍很窄。恒轉矩負載在調壓過程中，C、D、E三個運行點的轉速雖然相差較大，但應注意電機在低速運行時存在的過電流及功率因數低的問題。風機負載交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速2、變極對數調速（鼠籠式異步電機）鼠籠式異步電機轉子磁極數取決于定子的磁極數，變極運行時，電機轉子磁極數不必進行改動。繞線式異步電機轉子極數不能自動隨定子極數變化，如果同時改變定、轉子繞組極對數又比較麻煩，因此不采用變極調速。AX繞組為A1X1與A2X2頭尾相連后串聯四極磁場AX繞組為A1X1與A2X2尾尾串聯或頭尾相連后并聯二極磁場四極三相感應電機A相繞組二極三相感應電機A相繞組交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速3、變頻調速（鼠籠式異步電機）三相異步電機的同步轉速因此，改變三相異步電動機電源頻率f1，可以改變旋轉磁動勢的同步轉速，達到調速的目的。額定頻率稱為基頻，變頻調速時可以從從基頻向下調，也可以基頻向上調。（1）基頻向下調三相異步電機每相電壓：基頻向下調時需要同步降低電源電壓，降低電源電壓有兩種方法：保持E1/f1為常數，或者保持U1/f1為常數。保持E1/f1為常數時，頻率是可以連續調節的，因此該調速方式為無級調速。在高頻高速時，保持U1/f1為常數與保持E1/f1為常數兩種調速方法，機械特性相差無幾。但在低頻低速時，保持U1/f1為常數的方法，會使得電機機械特性迅速下降。保持E1/f1為常數保持U1/f1為常數交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速3、變頻調速（鼠籠式異步電機）（2）基頻向上調調速時不允許升高電源電壓，所以升高頻率進行調速時只能保持電壓不變，頻率越高，磁通越低，類似于弱磁控制的調速方式，當f1升高時，Tm及sm都會下降，機械特性曲線如圖所示，其運行段近似平行，近似為恒功率調速方式。保持電源電壓不變聲頻調速電磁轉矩從基頻向下調速，為恒轉矩調速方式；從基頻向上調速，近似為恒功率調速模式；頻率f1可以連續調節，變頻調速為無級調速；調速范圍大；運行時s小，效率高。變頻調速特點交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速4、轉子回路串入電阻調速（繞線式異步電機）當轉子繞組串入不同電阻值時（Ra1<Ra2<Ra3），其機械特性曲線如圖所示。該調速方式屬于恒轉矩調速，調速范圍相對有限，通常僅能達到2~3倍的調速范圍，當負載較小時調速范圍就更小。如果想要擴大調速范圍，就必須要增加轉差率，使轉子回路中的銅損增加，降低電機效率。由于轉子回路電流很大，導致電阻的體積較大，因此調速的平滑性不好，基本上屬于有級調速。繞線式感應電機轉子串入電阻在額定負載工況下，串入電阻阻值逐漸增大時，電機轉差率由sN變為s1、s2、s3，串入電阻越大則轉速越低。當電源電壓一定時，主磁通ΦM基本是定值，轉子電流I可以維持在額定值工作，其大小如下：機械特性交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性2.6.2三相感應電動機的調速5、雙饋電機調速（繞線式異步電機）在分析前需要對各物理量正方向進行定義，如圖所示。定子端施加額定電壓轉子有功電流有效值為了簡化分析，暫時忽略轉子漏電抗X2σ的影響，當定子電源電壓及負載轉矩保持不變的條件下，I2a應為常數。對轉子外接電壓和轉子電動勢之間的夾角需要分情況討論。定、轉子物理量正方向（a）定子物理量正方向（b）轉子物理量正方向電機的定子和轉子繞組分別連接到兩個獨立的三相對稱電源上。定子繞組連接到恒頻的工業電源，轉子電源的頻率必須與轉子的感應電動勢保持同頻，在任何運行狀態下都要保持高度精準的頻率調節。雙饋調速2.6.2三相感應電動機的調速交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性5、雙饋電機調速（繞線式異步電機）（1）轉子外接電壓和轉子電動勢反相施加合成電動勢轉子電流電磁轉矩電機轉速感應電動勢轉子電流不變此時的相量圖如(a)所示，當轉子外接電壓時，感應電機達到新平衡的過程如下：此時，感應電機在新轉差率下運行，。繞線式感應電機轉子接轉差頻率電壓調速（a）（b）（c）（d）2.6.2三相感應電動機的調速交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性5、雙饋電機調速（繞線式異步電機）（2）轉子外接電壓和轉子電動勢同相此時的相量圖如(b)所示，當轉子外接電壓時，感應電機達到新平衡的過程與反向時各物理量的變化基本相反。此時，感應電機在新轉差率下運行，。當時，僅靠U2的作用即可產生I2a，電機轉速達到同步轉速，為0，如圖(c)所示。當時，在負載轉矩不變的條件下，電機轉速可以超過同步轉速，，如圖(d)所示。電機的實際轉差率繞線式感應電機轉子接轉差頻率電壓調速（a）（b）（c）（d）轉子電流2.6.2三相感應電動機的調速交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性5、雙饋電機調速（繞線式異步電機）（3）轉子外接電壓和轉子電動勢相位差90°

當領先90°時，轉子回路合成電動勢與轉子電流同相，其中有功電流，無功電流。無功電流與氣隙磁密同相，起到勵磁的作用。為簡化分析，忽略定子側漏電抗電感，各相量關系如圖(a)所示。從圖中可以看出，當施加外接電壓增大時，定子電流與定子電壓間的夾角縮小，定子側功率因數得到改善。繞線式感應電機轉子接轉差頻率電壓調速定子電流(a)各參數相量關系(b)與相差某一角度當與相差為某一角度時，如圖(b)所示，可以將分解為兩個分量及，分別按照相同的方法進行分析可得：電機運行于次同步速，此時既能調速，也能提高功率因數。2.6.2三相感應電動機的調速交流感應電機的啟動和轉矩轉速控制特性6、晶閘管串級調速（繞線式異步電機）當整流器、逆變器都為三相橋式電路時，轉差率為通過改變逆變角β的大小就可以改變電動機的轉差率s，這種調速方法適合于對調速性能要求不高的場合。串級調速系統主電路感應電動勢交流量直流量（頻率為0）外加電壓交流量直流量（頻率為0）雙饋電機調速串級調速同頻率整流橋把異步電動機轉子的轉差電動勢和電流變成直流，逆變器的作用是給轉子回路提供直流電動勢，同時給轉子電流提供通路，并把轉差功率sPM（扣除轉子繞組銅損耗）通過電動機的反饋繞組反送回交流電源。運行過程永磁同步電機分類和運行原理13車用三相交流永磁同步電機永磁材料的性能和主要參數2永磁同步電機磁路和電磁參數3永磁同步電機齒槽轉矩和常用極槽配合4永磁同步電機運行特性和電樞反應5永磁同步電機轉矩轉速控制特性6永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——特點同步電機是交流電機的一種，主要用作發電機，也可用作電動機，其定子結構與異步電機相同，區別主要在轉子側。SNnebecIf

ea轉子裝有磁極具有確定的極性定轉子磁場同步由于定、轉子磁場必須保持相對靜止，因此轉子旋轉的速度必須嚴格和定子磁場同步，同步電機因此得名。同步電機異步電機永磁同步電機具有高效高功率密度的突出優點永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成永磁同步電機主要由定子、轉子、及端蓋等各部件組成定子鐵芯繞組定子轉子鐵芯永磁體轉子端蓋端蓋永磁體：一種能夠持續產生穩定磁場的材料，也被稱為硬磁體，不易失磁，也不易被磁化。定子：電機中靜止不動的部分，由定子鐵芯和定子繞組兩部分組成。轉子：電機中進行旋轉運動的部分。轉子主要包括永磁體和轉子鐵芯，永磁體通常貼在轉子鐵芯表面或嵌入其中。永磁同步電機結構示意圖永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——定子定子：電機中靜止不動的部分，由定子鐵芯和定子繞組兩部分組成。定子繞組定子鐵芯徑向磁通內轉子永磁同步電機定子結構軸向磁通環形繞組永磁同步電機定子結構永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——轉子轉子：電機中進行旋轉運動的部分。轉子主要包括永磁體和轉子鐵芯。永磁體轉子鐵芯軸向磁通表貼式永磁同步電機轉子結構軸向磁通內嵌式永磁同步電機轉子結構永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——分類按永磁體在轉子鐵芯中的位置分類內置式表面式徑向式切向式混合式表插式表貼式表插式&內置式轉子結構機械強度增大易于實現弱磁控制存在磁阻轉矩安裝制造工藝復雜表貼式轉子結構結構簡單制造成本較低轉動慣量小無磁阻轉矩機械強度有限根據不同的特征，永磁同步電機有多種分類方法。永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——分類按工作主磁場的方向分類徑向磁場式軸向磁場式橫向磁場式按轉子上有無起動繞組分類有起動繞組無起動繞組按電樞繞組的位置分類內轉子式外轉子式根據不同的特征，永磁同步電機有多種分類方法。永磁同步電機分類和運行原理3.1.1結構組成——分類按運動方向分類旋轉電機直線電機球形電機平面電機根據不同的特征，永磁同步電機有多種分類方法。永磁同步電機分類和運行原理3.1.2運行原理永磁同步電機的主要運行方式：發電機、電動機、補償機三相電流通入定子三相對稱繞組圓形旋轉磁動勢FF為圓形旋轉磁動勢(T·m)，Fφl為單相磁動勢的最大幅值(T·m)，kw1為基波繞組系數，p為電機極對數，Nc為每個線圈的串聯匝數，I為線圈中流過電流的有效值(A)。定子圓形旋轉磁動勢轉子主磁場合成磁場相對靜止、相互作用在定轉子之間的氣隙電磁轉矩TeTe為電磁轉矩(N·m)，θ為功率角(rad)，BR為轉子主磁場(T)，Bnet為氣隙合成磁場(T)。3.1.2運行原理永磁同步電機分類和運行原理3.1.2運行原理當功率角大于0時，氣隙合成磁場滯后于轉子主磁場，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相反，這時電機處于發電狀態；當功率角小于0時，氣隙合成磁場超前于轉子主磁場，產生的電磁轉矩與轉子旋轉方向相同，這時電機處于驅動狀態。當功率角等于0時，氣隙合成磁場同步于轉子主磁場，產生的電磁轉矩為0，這時電機處于補償狀態。發電機：機械能電能電動機：電能機械能補償機：沒有有功功率的轉換，專門用來發出或吸收無功功率、調節電網的功率數。電機運行處于哪一種狀態，主要取決于：定子合成磁場與轉子主磁場的夾角（功率角）永磁同步電機分類和運行原理13車用三相交流永磁同步電機永磁材料的性能和主要參數2永磁同步電機磁路和電磁參數3永磁同步電機齒槽轉矩和常用極槽配合4永磁同步電機運行特性和電樞反應5永磁同步電機轉矩轉速控制特性6永磁材料的性能和主要參數3.2.1磁性能永磁材料的主要磁性能指標包括：剩磁、矯頑力、內稟矯頑力、磁能積。矯頑力矯頑力是指磁性材料在飽和磁化后，當外磁場退回到零時其磁感應強度B并不退到零，只有在原磁化場相反方向加上一定大小的磁場才能使磁感應強度退回到零，該反向磁場稱為矯頑磁場，又稱矯頑力。

剩磁剩余磁化強度，即剩磁，符號為Br，是指磁體經磁化至飽和以后，撤去外磁場，在原來外磁場方向上仍能保持的磁化強度。剩磁的極限值為飽和磁化強度，永磁材料的剩磁主要受材料中各個晶粒取向和磁疇結構的影響。永磁材料的性能和主要參數3.2.1磁性能磁能積退磁曲線上任何一點的B和H的乘積，即BH，被稱為磁能積，而BH的最大值稱之為最大磁能積，為磁能積曲線上的頂點。磁能積是衡量磁體所儲存能量大小的重要參數之一。在磁體使用時，相同體積的磁體能夠儲存的能量越大，磁體的性能越好。內稟矯頑力使磁體內部微觀磁偶極矩矢量和降為0時施加的反向磁場強度，稱為內稟矯頑力(Hcj)。內稟矯頑力區別于矯頑力(Hc)。當反向磁場H=Hc時，雖然對外磁感應強度表現為零，但此時磁體本身的剩余磁化強度(Br)并不為零，只是所加的反向磁場與Br的作用相互抵消。而當反向磁場H=Hcj時，磁體的剩余磁化強度降為0。內稟矯頑力的大小與稀土永磁體的溫度穩定性密切相關，內稟矯頑力越高，溫度穩定性越好。

永磁材料的其他磁性能指標還有：可工作溫度、剩磁及內稟矯頑力的溫度系數、回復磁導率、退磁曲線方形度等。永磁材料的性能和主要參數3.2.2常用永磁材料根據永磁材料的磁性強弱以及發展階段，永磁材料可被分為金屬永磁、鐵氧體和稀土永磁三類。目前常用的永磁體主要有:鋁鎳鈷(AlNiCo)永磁鐵氧體釤鈷1:5型(SmCo5)釤鈷2:17型(Sm2Co17)燒結釹鐵硼(NdFeB)黏結釹鐵硼(NdFeB)橡膠磁不同類型的永磁體，其磁性能及其他各參數均有所不同。永磁材料的性能和主要參數3.2.2常用永磁材料常用永磁體特點綜合磁性能最大磁能積(MG·Oe)最高使用溫度(℃)抗氧化和腐蝕性能可加工性鋁鎳鈷(AlNiCo)中等偏低1-13600較強非常好永磁鐵氧體較低0.8-5.2300無氧化問題一般釤鈷1:5型(SmCo5)中等偏上15-24250很強一般釤鈷2:17型(Sm2Co17)中等偏上22-32550很強一般燒結釹鐵硼(NdFeB)最高30-52230很差一般黏結釹鐵硼(NdFeB)穩定3-13150極強好橡膠磁

很低0.6