前言

之前我们讨论了直流电机。直流电机运行过程中,励磁磁场相对于定子静止,而例如串励电机输入单相的交流电就会形成两倍于电网频率的脉动功率,产生很高的转矩涟波。这只对于工况要求宽松的小型电机是可以接受的。但是如果需要大功率大转矩的设备,直流电机的缺点就会暴露。

交流电机与直流电机相比,由于没有换向器(详见前文关于直流电机的换向的文章

《德国人怎么学电机——浅谈电机模型(二):直流电机(一)机械构造和基本原理》

《德国人怎么学电机——浅谈电机模型(四):直流电机(三)换向和换向极》),因此在制造时结构相对简单,比较牢固,容易做成高转速、高电压、大电流、大容量的电机。交流电机功率的覆盖范围很大,从几瓦到几十万千瓦、甚至上百万千瓦。20世纪80年代初,最大的汽轮发电机已达150万千瓦。值得一提的是,交流电机是由美籍塞尔维亚裔科学家尼古拉·特斯拉发明的,现在他的名字已经成了磁感强度的单位,特斯拉(Tesla)还被一家著名美国电动车制造公司同名注册了。

交流电机的原理和直流电机很不一样,它会引入旋转磁场的概念,一个旋转磁场需要至少三相的电流才能形成。如果没有特殊说明,下文提到的三相电和交流电指的都是正弦规律变化的三相交流电。电磁变化也会同时和时间空间有关,需要很多公式来描述,但是我会尽力用足够多的图片,把它讲清楚讲明白。

交流电机概述

1交流电机基本结构

交流电机(Drehfeldmaschine)按照德语定义,指的是环绕的气隙磁场相对于静止定子会发生旋转的电机,也就是德语“Drehfeld”的字面意思——旋转磁场。通常启用一个对称的三相交流电系统(Drehstromsystem),来实现时不变的转矩和功率输送。

交流电机的定子通常都是由叠片铁芯和定子交流电绕组构成,由于绕组上通入周期变化的交流电流,一个同频率的按照被称为同步转数(Synchrodrehzahl)的不断旋转的气隙磁场就因此被激发出来。

如果转子的机械转数和这个旋转磁场的转数同步匹配则被称作同步电机(Synchromaschine),如果不匹配则被称为异步电机(Asynchromaschine)。

同步电机和异步电机的结构差别主要体现在转子上,两者的定子上则基本类似。同步电机的转子上有励磁,或使用励磁绕组,或使用永磁体励磁,而异步电机则不需要励磁,他的转子可以使用与定子绕组同样对称的三相绕组抑或是完全不用绕组,直接使用导体棒构成的结构。除此以外,其他直流电机结构上该有的外壳,轴承,轴承盖,电机轴,风扇等等都一样不少。

图7.1 两极交流电机截面

上图是三个两极的交流电机的截面。左边是异步电机,中间是电励磁的同步电机,右侧则是永磁同步电机。

2交流电机定子

三相电顺序指的是它们三个时变正弦电压,在时间相位上差了120°,正好三等分一个周期。一般为U,V,W。

图7.2 一个简单的两极的交流电定子结构

交流电机的定子上的采用电机专用合金镀层的叠片铁芯(Blechpaket)会被永久性焊接或胶接起来。同样为了尽可能减小涡流,叠片会做得很薄(0.35-0.5mm)并且表面上漆绝缘。在叠片上会冲制出槽(Nut)和槽缝(Nutschlitz)。这样一捆交流电绕组束就可以缠上。

图7.3 交流电机定子的叠片正面图

因为绕线影响了电机参数和制造成本,还可以通过合理的布线方式减弱高次谐波,比如单双层绕组的弦绕组,整数槽绕组等。所以可以采用之前直线电机中提到过的线圈绕法[?]、缝针绕法[?]、拉入绕法[?](Spulen-,Nadel-,Einziehwicklung)、成型绕法[?](Formspulenwicklung)等。当电机体积很大的时候为了防止绕线掉出来还可以使用槽封楔。

图7.4 交流电机的定子和定子绕组构造

3多级交流电机和相量图

一个交流电机如果设置多极,原则上只要在圆周上把两极的绕线方式同理多次重复即可。因为极对极数变多,转过一整圈通过了p对极对,所以机械转角 [公式] 和对应的电磁转角 [公式] 有这样的关系

(7.1)[公式]

三相电路三条路上电流的确定频率的正弦周期变化以及相位差,需要一种合适的数学工具来描述。正弦周期变化即时变的振动,一维幅值振动即二维旋转的低维投影,使用能表示旋转的量来描述。恰好复数具备这个良好的性质,引入复数表示后,原本的一维的标量变成了二维的向量,同时包含了幅值和相位(即角度)。为表示这样的复数,添加下标与只为标量的普通实数相区别,如 [公式]以及 [公式] 。这种复数表示在国内也被称为“相量”。相量画成的图来清楚表示各个相量之间关系的图称为相量图

(7.2) [公式]

(7.3) [公式]

(7.4) [公式]

图7.5 星形连接电路和对应的相量图

4电机的标准化(德国标准)

通常电动机的外形、设计已经标准化,比如序列(DIN EN 60034,VDE 0530)就包括了造型、安装尺寸、工作模式、冷却类型、隔热绝缘等级,防护等级等关键信息。对于鼠笼式异步电机更有标准化确定的选择序列,它们尺寸(比如轴高)额定功率和额定转数都是标准化的。

所有的电机都会附一张铭牌,上面记载了产品电机各种重要的参数规格。

图7.6 异步电机的铭牌

5电动机温升

由于欧姆热损,摩擦热损,磁化和涡流损耗最后都会转化为无序熵增的热损,导致电机正常工作时的温升。显然功率越大,损耗越大,所以许用的温度就对应了一个最大电机功率。过高的温度威胁到绕组绝缘层并且降低了电机的寿命。对电动机温升影响的决定性因素是持久高负载,因为短时间温升取决于比热容,稳态工作的温升(S1恒定工作区)则由冷却方式和冷却效果决定。

对温升而言,最重要的工作模式(DIN EN 60034)有三个:

  • S1-恒定工作:持续恒定的负载状态,至少使电机达到热稳定状态
  • S2-短时工作:恒定负载持续时间不足以使电机达到热稳定状态
  • S3-间断工作:间歇恒定负载,电机温升震荡

下面图表示三种工作方式的输出功率 [公式] ,热损功率 [公式] 以及温度 [公式]

图7.7 工作模式S1,S2,S3

电机正常工作时的冷却方式有:

  • 自然通风:不使用风扇,只通过空气对流和辐射散热
  • 自冷却:用装在转子上的扇叶,随动吹风冷却
  • 外部冷却(Fremdkühlung):通过在外部运动的冷却设备,比如不装在电动机轴上的风扇。
  • 洞穿通风(Durchzugbelüftung):风扇用吹出通过整机的冷却风散热
  • 表面冷却:通过接在封闭电机表面的冷却设备散热
  • 循环冷却:媒介冷却剂(如液体,气体)反复循环导热散热

根据隔热层和浸渍剂种类还会给出热评级(Wärmeklassen)不同的材料允许不同的最大温升,这样就会用热评级区分开来。

6防护等级

电机的防护等级(IP-Schutzarten)遵循一套国际标准(Ingress Protection,IP),对于外界水和灰尘和异物侵入的防护程度的标准化分级。关键的电动机保护等级取决于安装环境和对应的工作条件:

  • IP23:防护程度只对手指,中等大小的异物,与垂直方向成60度范围内降雨无害。这个等级通常针对内部冷却的电动机,其必须在干净干燥的环境工作。
  • IP44:防护程度对手指和工件,大于1mm的颗粒状异物,受任意方向的水飞溅。通常用在表面冷却的电动机,其可以工作在较为恶劣的环境。
  • IP54,55:完全防止外物侵入,虽不能完全防止灰尘侵入,但灰尘的侵入量不会影响正常运作,防止喷射的水浸入。可以在很恶劣潮湿乃至化学侵蚀的环境下工作。

7小结

本章介绍交流电机的概况,基本结构,相异于直流电机的定子,相量表示法,电机的标准化,工作模式,温升以及防护等级等。十分粗略地过了一遍,接下来会探讨交流电机的理论基础——旋转磁场理论。