第三章 电动汽车电机驱动系统（课件）《新能源汽车概论》同步精品课堂（上海交通版·第3版）

第三章 电动汽车电机驱动系统 《新能源汽车概论》（第3版）上海交通大学出版社 学习目标 第三章 电动汽车电机驱动系统 知识目标 能理解电动汽车对驱动电机的要求。 能力目标 能掌握异步交流与永磁电动机的结构。 情感目标 1.让学生认识到新能源汽车的重要性。 2.积极参与课堂，能够表达自己的观点和想法。 学习内容 01 1.能理解电动汽车对驱动电机的要求。 2.能掌握异步交流与永磁电动机的结构。 3.能分析直流电动机的结构与工作原理。 4.培养一丝不苟、严肃认真的工作作风。 新知学习 02 二、相关知识 第一节电动汽车电机驱动系统概述 一、常见的驱动系统布置形式 常见的驱动系统布置形式如图3-1所示。 1.传统的驱动模式 图3-1a与传统汽车驱动系统的布置方式一致，带有变速器和离合器，只是将发动机换成电机，属于改造型电动汽车。 2.电机-驱动桥组合式驱动模式 图3-1b和图3-1c取消了离合器和变速器，但具有减速差速机构，由1台电机驱动两车轮旋转。 新知学习 02 3.电机-驱动桥整体式驱动模式 图3-1d是将电机装到驱动轴上，直接由电机实现变速和差速转换。这种传动方式同样对电机有较高的要求，大起动转矩和后备功率，不仅要求控制系统有较高的控制精度，而且要具备良好的可靠性，从而保证电动汽车行驶的安全、平稳。 4.轮毂电机驱动模式 图3-1e和图3-1f同图3-1d布置方式比较接近，将电动机直接装到了驱动轮上，由电动机直接驱动车轮行驶。 新知学习 02 二、对驱动电机的要求 （1）电机的运行特性应满足电动汽车的要求，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦路面能够高速行驶的要求。 （2）电机应具有瞬时功率大、带负载起动性能好、过载能力强、加速性能好、使用寿命长的特点。 （3）电机应在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程。 （4）电机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。 （5）电机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。 （6）电机应体积小，质量小，一般为工业用电机的1/3～1/2。 （7）电机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护。 （8）价格便宜，从而能够降低整体电动汽车的价格，提高性价比。 （9）运行时噪声低，减少污染。 新知学习 02 三、电机主要性能指标 1.额定功率 额定功率是指电机额定运行条件下轴端输出的机械功率。 2.峰值功率 峰值功率是指在规定时间内，电机运行的最大输出功率。 3.额定转速 额定转速是指电机额定运行（额定电压、额定功率）条件下电机的最低转速。 4.最高工作转速 最高工作转速是在额定电压下，电机带负载运行所能达到的最高转速，它影响电动汽车的最高设计速度。 新知学习 02 5.额定转矩 额定转矩是指电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。 6.峰值转矩 峰值转矩是指电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。 7.堵转转矩 堵转转矩是指转子在所有角位堵住时所产生的最小转矩。 8.额定电压 额定电压是指电机正常工作的电压。 9.额定电流 额定电流是指电机额定运行（额定电压、额定功率）条件下电枢绕组（或定子绕组）的线电流。 10.额定频率 额定频率是指电机额定运行条件下电枢（或定子侧）的频率。 新知学习 02 第二节 直流电动机 一、直流电机的类型 直流电机分为励磁式直流电机和永磁式直流电机。 励磁式直流电机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型，它们的电路如图3-2所示。 新知学习 02 1.他励式直流电机 他励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁式直流电机也可看作属于他励式直流电机。 2.并励式直流电机 并励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用同一电源，性能与他励式直流电机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。 新知学习 02 3.串励式直流电机 串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。这种电机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，因此串励式直流电机通常用较粗的导线绕成，其匝数较少。 4.复励式直流电机 复励式直流电机有并励和串励两个励磁绕组，电机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 新知学习 02 二、直流电机的结构 直流电机主要由定子与转子两大部分构成，如图3-3所示。 1.定子部分 直流电机的定子主要由励磁绕组、磁极、机座及电刷等组成。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势；磁极的作用是建立磁场；机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是电机的结构框架；电刷用于电枢电路的引入或引出。 新知学习 02 2.转子部分 转子部分包括电枢铁心、电枢绕组及换向器等。电枢铁心一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成，它既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分；电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内，电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分；换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。 新知学习 02 三、直流电机工作原理 图3-4所示为直流电机的工作原理示意图。 如果给两个电刷加上直流电源，如图3-4a所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出。根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图3-4b所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用，方向同样可用左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电机的工作原理。 新知学习 02 第三节异步交流电动机与永磁同步电动机 一、异步交流电动机 1.异步电机的结构 异步电机又称为交流感应电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电机。异步是指转子转速与定子磁场的转速不同步。 异步电机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，如图3-5所示。 新知学习 02 2.异步电机的工作原理 异步电机的工作原理逻辑如图3-6所示，异步电机的工作原理如图3-7所示。 在整个工作流程中，由于定子需通电后才能产生旋转的磁场，此磁场使转子发生电磁感应从而旋转，所以转子的转速与定子磁场的转速不同步（转速差为2%～5%），故称其为异步交流电机。反之，如果两者的转速相同，就称为同步交流电机。 如果电机转子轴上带有机械负载，则负载被电磁转矩拖动而旋转。当负载发生变化时，转子转速也随之发生变化，使转子导体中的电动势、电流和电磁转矩发生相应变化，以适应负载需要。因此，异步电机的转速是随负载变化而变化的。 新知学习 02 二、永磁同步电动机 1.永磁同步电机的结构 永磁同步电机分为正弦波驱动电流的永磁同步电机和方波驱动电流的永磁同步电机。这里介绍的主要是三相正弦波驱动的永磁同步电机。 （1）表面式转子磁极结构 在表面式转子磁极结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。 （2）内置式转子磁极结构 内置式转子结构的永磁体位于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或起动作用，动态和稳态性能好，广泛用于要求有异步起动能力或动态性能高的永磁同步电机。 新知学习 02 2.永磁同步电机的工作原理 永磁同步电机的工作原理逻辑如图3-11所示，由于转子自带磁性，当定子绕组通电后，转子立即受力，这就使得定子磁场与转子两者的转速达到同步。 永磁同步电机的工作原理如图3-12所示，电机的转子是个永磁体，N极和S极沿圆周方向交替排列，定子是旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。 新知学习 02 3.永磁同步电机功角特性 电磁转矩与功角的关系称为永磁同步电机的矩角特性。永磁同步电机的矩角特性和功角特性曲线的趋势是一致的。 永磁同步电机的功角特性如图3-14所示。 新知学习 02 第四节开关磁阻电动机与轮毂电动机 一、开关磁阻电动机 开关磁阻电机是继直流电机和交流电机之后，又一种极具发展潜力的新型电机。开关磁阻电机是采用定转子凸极且极数相接近的大步距磁阻式步进电机的结构，利用转子位置传感器通过电子功率开关控制各相绕组导通使之运行的电机。开关磁阻电机主要用于电动客车和电动货车。 新知学习 02 1.开关磁阻电机的结构 开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。开关磁阻电机有多种不同的相数结构，如单相、二相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配，低于三相的开关磁阻电机一般没有自起动能力。开关磁阻电机的相数多，有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高，目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。 2.开关磁阻电机的工作原理 开关磁阻电机的工作原理示意图如图3-15所示，S1、S2是电子开关，VD1、VD2是二极管，U是直流电源。 新知学习 02 3.开关磁阻电机的控制 （1）角度位置控制 角度位置控制是在绕组上施加的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角和关断角，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。当电机转速较高时，旋转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相主开关器件的导通时间较短，电机绕组的相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。 （2）电流斩波控制 电机低速运行特别是起动时，旋转电动势引起的压降很小，相电流上升快，为避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，因此，可采用电流的斩波控制，获取恒转矩的机械特性。电流斩波控制一般不会对开通角、关断角进行控制，它直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。 新知学习 02 （3）电压控制 电压控制是在保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在PWM方式。通过调节PWM波的占空比来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。若增大调制脉冲的频率，就会使电流的波形比较平滑，电机出力增大，噪声减小，但对功率开关器件工作频率的要求就会增大。 新知学习 02 二、轮毂电动机 轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是一种将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂制造技术。 1.轮毂电机结构型式 轮毂电机驱动系统通常由电机（定子、转子）、制动装置和电子控制器等组成。轮毂电机驱动系统根据电机的转子形式主要分成两种结构型式：内转子式和外转子式。 新知学习 02 2.轮毂电机的应用类型 轮毂电机类型主要分为永磁、感应、开关磁阻式，其特点分别如下： （1）无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动汽车中获得应用。 （2）感应（异步）电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高；缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机的效率和功率密度偏低。 （3）开关磁阻式电机具有结构简单，制造成本低廉，转速／转矩特性好等优点，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。 新知学习 02 3.轮毂电机驱动方式 （1）直接驱动 直接驱动方式采用低速外转子式轮毂电机，轮毂电机与车轮组成一个完整部件总成，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小，质量小，成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。 （2）减速驱动 减速驱动方式采用高速内转子式轮毂电机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。这种电动轮采用高速内转子电机，其目的是获得较高的功率。减速机构布置在电机和车轮之间，起减速和增矩的作用，保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。 新知学习 02 第五节电机控制器 一、电机控制器的功能与组成 1.电机控制器的功能 电机控制器具有以下功能： （1）把直流电变成交流电。 （2）控制电机正反向驱动、正反转发电。 （3）控制电机的动力输出，同时对电机进行保护。 （4）通过CAN总线与其他控制模块通信，接收并发送相关的信号，间接控制车上相关系统的运行。 （5）制动能量加馈控制。 （6）自身内部故障的检测和处理。 （7）采集P位、R位、N位和D位信号。 （8）采集制动传感器信号。 新知学习 02 2.电机控制器的组成 （1）电子控制模块 电子控制模块包括硬件电路和相应的控制软件。 （2）驱动模块 驱动模块将微处理器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，并实现功率信号和控制信号的隔离。 （3）功率变换模块 功率变换模块对电机电流进行控制。电动汽车经常使用的功率器件有大功率晶体管、门极关断晶闸管、功率场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及智能功率模块等。 新知学习 02 （4）传感器 传感器主要包括电流传感器、电压传感器和温度传感器。 知识拓展 电机控制方式 1.电压控制方式 2.电流控制方式 3.频率控制方式 4.弱磁控制 5.矢量控制 6.直接转矩控制 新知学习 02 二、电机控制器的工作原理 1.电机控制器的工作原理 电机控制器的工作原理如图3-17所示。 新知学习 02 2.电机与控制器的匹配 电机控制器选择必须与电机相匹配。控制器容量等级为5kV·A、10kV·A、15kV·A、35kV·A、50kV·A、60kV·A、100kV·A、150kV·A、200kV·A、270kV·A、300kV·A、360kV·A、420kV·A及以上。 电机与控制器输出容量的匹配关系见表3-2。 新知学习 02 本章导读 驱动电机系统是新能源车三大核心部件之一。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标，它是电动汽车的重要部件。电动汽车的整个驱动系统包括电动机驱动系统与其机械传动机构两个部分。电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。本章重点介绍了直流电机、异步交流电机、永磁同步电机、开关磁阻电动机、轮毂电动机、电机控制器等结构与原理，通过熟悉、掌握相关知识，提升业务能力水平，为今后的维修等工作打下基础。 新知学习 02 重点：电动汽车对驱动电机的要求 难点：直流电动机的结构与工作原理 新知学习 02 小试牛刀 03 1.电动汽车中常用的电机类型不包括以下哪一种（ ） A. 直流电动机 B.异步交流电动机 C.永磁同步电动机 D.燃油发动机 答案：D.燃油发动机 2.在电动汽车中，直流电动机的一个主要优点是（ ） 。 A.结构简单，控制方便 B.效率高，转速稳定 C.体积小，重量轻 D.成本低，耐用性强 答案：A.结构简单，控制方便 3.异步交流电动机的主要缺点是（ ） A.启动困难 B.效率低 C.对电源频率敏感 D.结构复杂 答案：C.对电源频率敏感 4.永磁同步电动机的主要优势在于（ ） 。 A.启动扭矩大 B.运行效率高且体小 C.成本低 D.维护简单 答案：B.运行效率高且体小 小试牛刀 03 5.关磁阻动机的工作原理主要依赖于（ ） A.磁场的变化 B.磁阻的变化 C.电流的强度 D.机械结构的变化 答案：B.磁阻的变化 6.毂电动机的一个显著优点（ ） 。 A.高转性能 B.可以实现再生制动 C.直接驱动轮子，减少传损失 D.结构复杂，提高了制造成本 答案：C.直接驱动轮子，减少传损失 小试牛刀 03 7.在电动汽车中，直流电动机需要使用什么装置进行控制（ ） A.变频器 B.整流器 C.调速器 D. 逆变器 答案： C.调速器 8.以下哪种电动机在高温环境下的性能对较好（ ） 。 A.直流电动机 B.异步交流电动机 C.永磁同步电动机 D.关磁阻电动机 答案：B.异步交流电动机 小试牛刀 03 课堂小结 04 1.驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。 2.电机驱动系统主要由电动机、功率转换器、控制器、各种检测传感器以及电源等部分构成。 作业布置 05 (1)简述电机主要性能指标。 (2)简述直流电机的类型。 感谢观看 $$