新能源汽車交流異步電動(dòng)機(jī)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

新能源汽車交流異步電動(dòng)機(jī)課程教學(xué)設(shè)計(jì)一、任務(wù)引入（時(shí)間：5分鐘）【知識(shí)回顧】永磁同步電動(dòng)機(jī)分類、結(jié)構(gòu)及原理和特性?！救蝿?wù)分析】本次課學(xué)習(xí)內(nèi)容包括交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理及特性?！灸繕?biāo)要求】1.掌握交流異步電動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)與工作原理2.了解交流異步電動(dòng)機(jī)的控制【教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)】教師活動(dòng)：創(chuàng)設(shè)情境，展示教具；學(xué)生活動(dòng)：體會(huì)場(chǎng)景，感知實(shí)物。二、知識(shí)準(zhǔn)備（時(shí)間：40分鐘）【相關(guān)知識(shí)】1.導(dǎo)入新課交流異步電動(dòng)機(jī)是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種電動(dòng)機(jī)。交流異步電動(dòng)機(jī)具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、堅(jiān)固以及維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)。下面我們一起進(jìn)入交流異步電動(dòng)機(jī)的學(xué)習(xí)。2.講授新知識(shí)一、異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1．異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)異步電動(dòng)機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。（1）定子異步電動(dòng)機(jī)的定子由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座構(gòu)成。①定子鐵心一般由0.35～0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。定子鐵心槽型有以下幾種：半閉口型槽：電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較高，但繞組嵌線和絕緣都較困難。一般用于小型低壓電機(jī)中。半開口型槽：可嵌放成型繞組，一般用于大型、中型低壓電機(jī)。所謂成型繞組即繞組可事先經(jīng)過絕緣處理后再放入槽內(nèi)。開口型槽：用以嵌放成型繞組，絕緣方法方便，主要用在高壓電機(jī)中。②定子繞組A.作用：是電動(dòng)機(jī)的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。B.構(gòu)造：由三個(gè)在空間互隔120°電角度、對(duì)稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個(gè)線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。C.定子繞組的主要絕緣項(xiàng)目有以下三種：（保證繞組的各導(dǎo)電部分與鐵心間的可靠絕緣以及繞組本身間的可靠絕緣）。對(duì)地絕緣：定子繞組整體與定子鐵心間的絕緣。相間絕緣：各相定子繞組間的絕緣。匝間絕緣：每相定子繞組各線匝間的絕緣。③機(jī)座A.作用：固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。B.構(gòu)造：機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，微型電動(dòng)機(jī)的機(jī)座采用鑄鋁件。封閉式電機(jī)的機(jī)座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)外的空氣可直接對(duì)流，以利于散熱。（2）轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸組成。①轉(zhuǎn)子鐵心：A.作用：作為電機(jī)磁路的一部分以及在鐵心槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。B.構(gòu)造：所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。②轉(zhuǎn)子繞組A.作用：切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。B.構(gòu)造：分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個(gè)環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個(gè)繞組的外形像一個(gè)鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動(dòng)機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對(duì)于100KW以上的電動(dòng)機(jī)采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個(gè)對(duì)稱的三相繞組，一般接成星形，三個(gè)出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個(gè)集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故繞線式電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用不如鼠籠式電動(dòng)機(jī)廣泛。但通過集流環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子繞組回路中串入附加電阻等元件，用以改善異步電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)性能及調(diào)速性能，故在要求一定范圍內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)速的設(shè)備，如吊車、電梯、空氣壓縮機(jī)等上面采用。（3）氣隙氣隙是電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間的空隙。定子不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子需要轉(zhuǎn)動(dòng)，所以氣隙是必須的，根據(jù)電機(jī)不同，氣隙大小也不同。一般來講，異步電機(jī)氣隙小，同步電機(jī)氣隙大。2．異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)（1）異步電動(dòng)機(jī)的基本特點(diǎn)是，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統(tǒng)；與其它電動(dòng)機(jī)相比，異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī)相比，前者重量只及后者的二分之一，成本僅為三分之一。異步電動(dòng)機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)的要求。（2）異步電動(dòng)機(jī)的局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場(chǎng)合，不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵(lì)磁，這會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。因此，在大功率、低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合不如用同步電動(dòng)機(jī)合理。二、異步電動(dòng)機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性1.異步電動(dòng)機(jī)的工作原理當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生，電流方向與電動(dòng)勢(shì)方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。2.異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特性和機(jī)械特性。（1）異步電動(dòng)機(jī)的工作特性是指電動(dòng)機(jī)在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、效率和功率因數(shù)隨輸出功率變化的特性。一般通過負(fù)載試驗(yàn)來測(cè)取。（2）異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性分為自然機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。①在電源電壓和電源頻率恒定且定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何附加設(shè)備時(shí)的機(jī)械特性稱為自然機(jī)械特性。②電源電壓、電源頻率、電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、定子或轉(zhuǎn)子回路接入其它附屬設(shè)備，其中任意一項(xiàng)改變得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。由于電源頻率不變，所以同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)不變，電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成比例變化，但各條曲線的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差率基本保持不變。三、異步電動(dòng)機(jī)的控制目前對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。恒壓頻比開環(huán)控制實(shí)際上只控制了電動(dòng)機(jī)磁通而沒有控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用這樣的控制系統(tǒng)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)來講根本談不上控制性能，通常只用于對(duì)調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來直接控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩的，可以在一定的轉(zhuǎn)差頻率范圍內(nèi)、一定程度上通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差來控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，但其控制理論是建立在異步電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，它適合于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。1．異步電動(dòng)機(jī)的矢量控制矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的電磁過程，是建立在交流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制技術(shù)，將交流電動(dòng)機(jī)的定子電流解耦成互相獨(dú)立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個(gè)分量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，從而達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能。（1）異步電動(dòng)機(jī)矢量控制方式的選擇。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制是基于磁場(chǎng)定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，常用的控制策略有以下4種。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理；轉(zhuǎn)差率矢量控制原理；氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理；定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理。①轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理②轉(zhuǎn)差率矢量控制原理③氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理④定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理（2）異步電動(dòng)機(jī)矢量控制的特點(diǎn)。矢量控制變頻器可以分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)和控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電動(dòng)機(jī)控制靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高的效果。其主要表現(xiàn)在：可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣；可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行較為精確控制；系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快；電動(dòng)機(jī)的加速度特性很好。2.異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是將電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對(duì)象，通過控制定子磁場(chǎng)向量控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型，只是通過控制PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式，控制電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓，改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)性能對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性。并且這種方法被推廣到弱磁調(diào)速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式，性能優(yōu)越。但同時(shí)不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速性能降低的問題。該方法對(duì)逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大，定子電阻對(duì)電動(dòng)機(jī)低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電阻變化引起的定子電流和磁鏈的畸變，以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)頻率等問題。（1）異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。①異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)它主要包括磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等。其中磁鏈觀測(cè)器對(duì)磁鏈的觀測(cè)是否準(zhǔn)確對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用，而開關(guān)策略和磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是先進(jìn)控制算法的核心部分。②異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理磁鏈觀測(cè)器磁鏈調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（2）直接轉(zhuǎn)矩控制的特點(diǎn)①直接轉(zhuǎn)矩控制所需要的信號(hào)處理工作特別簡(jiǎn)單，所用的控制信號(hào)使觀察者對(duì)于交流電動(dòng)機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。②直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。③直接轉(zhuǎn)矩控制并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強(qiáng)調(diào)磁鏈完全理想圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。④直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行直接控制。它的控制效果不取決于電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡(jiǎn)化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，它的控制既直接又簡(jiǎn)化?！窘虒W(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)】教師活動(dòng)：講授知識(shí)，講演結(jié)合；學(xué)生活動(dòng)：理解結(jié)構(gòu)、原理、性能。三、任務(wù)實(shí)施（時(shí)間：40分鐘）新能源汽車用交流異步電動(dòng)機(jī)的拆裝與檢測(cè)1.基本設(shè)備一臺(tái)電動(dòng)汽車用交流異步電動(dòng)機(jī)及相關(guān)拆裝檢測(cè)設(shè)備。2.操作步驟拆裝并檢測(cè)電動(dòng)汽車用交流異步電動(dòng)機(jī)。3.具體操作【步驟一】示范操作【步驟二】學(xué)生操作訓(xùn)練或課堂實(shí)踐4.適任評(píng)估對(duì)任務(wù)效果進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)。1.評(píng)估要素結(jié)合能力要求2.評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)①操作準(zhǔn)確、熟練（100％×滿分）；②操作準(zhǔn)確、較為熟練（80％×滿分）；③熟練程度一般、能完成操作（60％×滿分）；……【教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)】教師活動(dòng)：示范操作，突出要領(lǐng)；學(xué)生活動(dòng)：工學(xué)結(jié)合，學(xué)做合一。四、項(xiàng)目拓展（時(shí)間：20分