电动汽车用电动机.ppt

新能源汽车技术第1页 第3章电动汽车用电动机 一 3 1概述3 2直流电动机3 3无刷直流电动机 新能源汽车技术第2页 3 1概述 它是将电能转变为机械能的一种机器 电动机能提供的功率范围很大 从毫瓦级到万千瓦级 电动机的使用和控制非常方便 能满足各种运行要求 电动机的工作效率较高 又没有烟尘 气味 不污染环境 噪声也较小 由于它的一系列优点 所以在工农业生产 交通运输 国防 商业及家用电器 医疗电器设备等各方面广泛应用 新能源汽车技术第3页 1 电动机的分类 1 按电动机工作电源分类直流电动机和交流电动机直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机交流电动机分为单相电动机和三相电动机 新能源汽车技术第4页 1 电动机的分类 2 按结构及工作原理分类直流电动机 异步电动机和同步电动机直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机 异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机 同步电动机分为永磁同步电动机 磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 新能源汽车技术第5页 1 电动机的分类 3 按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机 4 按转子的结构分类笼电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机 5 按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机 低速电动机 恒速电动机 调速电动机 新能源汽车技术第6页 2 电动机的额定指标 电动机的额定指标主要包括 1 额定功率额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率 w或kw 2 额定电压额定电压指外加于线端的电源线电压 v 新能源汽车技术第7页 2 电动机的额定指标 3 额定电流额定电流是指电动机额定运行 额定电压 额定输出功率 情况下电枢绕组 或定子绕组 的线电流 a 4 额定频率额定频率是指电动机额定运行情况下电枢 或定子侧 的频率 hz 新能源汽车技术第8页 2 电动机的额定指标 5 额定转速额定转速是指电动机额定运行 额定电压 额定频率 额定输出功率 的情况下 电动机转子的转速 r min 新能源汽车技术第9页 2 电动机的额定指标 当电动机在额定运行情况下输出额定功率时 称为满载运行 这时电动机的运行性能 经济性及可靠性等均处于优良状态 输出功率超过额定功率时称为过载运行 这时电动机的负载电流大于额定电流 将会引起电动机过热 从而减少了电动机使用寿命 严重时甚至烧毁电动机 新能源汽车技术第10页 2 电动机的额定指标 电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行 轻载时电动机的效率和功率因数等运行性能均较差 因此电动机应尽量避免轻载运行 新能源汽车技术第11页 3 电动汽车对电动机的要求 1 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的路面能够高速行驶的要求 2 电动机应具有瞬时功率大 带负载启动性能好 过载能力强 加速性能好 使用寿命长的特点 新能源汽车技术第12页 3 电动汽车对电动机的要求 3 电动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 电动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 电动机应可靠性好 能够在较恶劣的环境下长期工作 新能源汽车技术第13页 3 电动汽车对电动机的要求 6 电动机应体积小 重量轻 一般为工业用电动机的1 2 1 3 7 电动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 从而能够减少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 新能源汽车技术第14页 3 2直流电动机 在电动汽车所采用的直流电动机中 小功率电动机采用的是永磁式直流电动机 大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机 绕组励磁式直流电动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 新能源汽车技术第15页 1 直流电动机的分类 1 他励式直流电动机他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系 而由其它直流电源对励磁绕组供电 他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制 容易实现电动汽车的再生制动要求 新能源汽车技术第16页 1 直流电动机的分类 2 并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联 共用同一电源 性能与他励直流电动机基本相同 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 新能源汽车技术第17页 1 直流电动机的分类 3 串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后 再接于直流电源 这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流 这种电动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致引起大的损耗和电压降 励磁绕组的电阻越小越好 所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成 它的匝数较少 新能源汽车技术第18页 1 直流电动机的分类 4 复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组 电动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 复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼 运行效率高 各种激励方式直流电动机的电路图 新能源汽车技术第21页 1 直流电动机的分类 电动汽车所使用的直流电动机主要是他励直流电动机 串励直流电动机 复励直流电动机三种类型 小功率 100w 10kw 电动机采用的是小型高效的永磁直流电动机 可以应用在小型 低速的搬运设备上 中等功率 10 100kw 的电动机采用他励 复励或串励式直流电动机 可以用于结构简单 转矩要求较大的电动货车上 大功率 100kw 直流电动机采用串励式 可用在要求低速 高转矩的专用电动车上 新能源汽车技术第22页 2 直流电动机的结构与特点 1 直流电动机的结构直流电动机由定子与转子两大部分构成 定子和转子之间的间隙称为气隙 1 定子部分主磁极机座换向极电刷装置 2 转子部分电枢铁心电枢绕组换向器 直流电动机的结构 直流电动机的结构 新能源汽车技术第25页 2 直流电动机的结构与特点 2 直流电动机的特点调速性能好 直流电动机可以在重负载条件下 实现均匀 平滑的无级调速 而且调速范围较宽 起动力矩大 可以均匀而经济地实现转速调节 因此 凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械 例如大型可逆轧钢机 卷扬机 电力机车 电车等 都可用直流电动机拖动控制比较简单 一般用斩波器控制 它具有高效率 控制灵活 重量轻 体积小 响应快等优点 新能源汽车技术第26页 2 直流电动机的结构与特点 由于存在电刷 换向器等易磨损器件 所以必须进行定期维护或更换 电动汽车专用的直流电动机和其它通用的电动机相比 应在耐高温性 抗振动性 低损耗性 抗负载波动性以及小型轻量化 免维护性等方面给予特殊考虑 除此之外 电动汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动 同时是大电流电路 因此需要注意连接接线的接触电阻 3 直流电动机的工作原理 新能源汽车技术第29页 4 直流电动机的基本方程 1 电枢绕组的感应电动势直流电动机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷引出的电动势 也称电枢电动势 可表示为为每极磁通量 为电动势常数 与电动机结构有关 新能源汽车技术第30页 4 直流电动机的基本方程 2 直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和 可表示为式中 为电磁转矩 为转矩常数 与电动机结构有关 新能源汽车技术第31页 4 直流电动机的基本方程 3 电压方程式由他励直流电动机的等效电路 得电枢回路的电压方程为其中为互感励磁回路的电压方程为 新能源汽车技术第32页 4 直流电动机的基本方程 有以下结果 1 对于永磁直流电动机 2 对于并励直流电动机 3 对于串励直流电动机 4 对于复励直流电动机 其特性介于串励和并励之间 新能源汽车技术第33页 4 直流电动机的基本方程 4 转矩方程式电动机空载时 轴上输出转矩 则有 当负载转矩为 轴上输出有 电动机匀速稳定运行时有式中 为空载转矩 它是由电动机的机械摩擦和铁耗引起的转矩 为电磁转矩 为拖动性质转矩 为总的制动转矩 方向与相反 电磁转矩公式 各种直流电动机的速度转矩特性 各种直流电动机的速度转矩特性 直流电动机的转速 转矩 电压特性曲线 新能源汽车技术第37页 5 功率方程式 他励直流电动机输入功率为式中 为输入功率 为电磁功率 为电枢回路上的铜耗 新能源汽车技术第38页 5 直流电动机的运行特性 直流电动机的工作特性是指电动机的转速特性 转矩特性和效率特性 直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定 励磁调节电阻和电枢回路电阻不变的情况下 其转速与电磁转矩之间的关系 又称为转矩 转速特性 新能源汽车技术第39页 5 直流电动机的运行特性 1 并励 他励 直流电动机的运行特性转速特性并励 他励 直流电动机的转速特性为式中 为电动机的理想空载转速 为转速调整率 由电枢电阻压降引起 一般为3 8 新能源汽车技术第40页 5 直流电动机的运行特性 效率特性 转矩特性 电动机的转矩特性可表示为 新能源汽车技术第41页 5 直流电动机的运行特性 直流电动机的效率具有普遍意义 电动机的额定效率是指电动机额定运行时的效率 一般直流电动机的效率为75 85 并励直流电动机的工作特性如下图所示 并励直流电动机的工作特性 新能源汽车技术第43页 5 直流电动机的运行特性 机械特性并励 他励 直流电动机的机械特性可表示为式中 为电枢回路外的串联电阻 由上式可以得到并励 他励 直流电动机的机械特性曲线 即改变电枢电压 改变励磁电流 改变电枢回路电阻时的机械特性曲线 新能源汽车技术第44页 5 直流电动机的运行特性 改变电枢电压时的机械特性 逐渐减小电源电压时 理想空载转速逐渐下降 但从空载到满载转速变化很小 这种特性称为硬机械特性 新能源汽车技术第45页 5 直流电动机的运行特性 改变励磁电流时的机械特性 逐渐减小励磁电流时 理想空载转速逐渐上升 曲线斜率逐渐增大 使特性变软 电动机运行的稳定性变差 过分 弱磁 时 使电动机转速过高 甚至引起 飞车 新能源汽车技术第46页 5 直流电动机的运行特性 改变电枢回路电阻时的机械特性 当电枢回路电阻从零逐渐开始增大时 机械特性曲线的斜率逐渐增大 使特性逐渐变软 但电动机的理想空载转速不变 新能源汽车技术第47页 5 直流电动机的运行特性 2 串励直流电动机的运行特性串励直流电动机的特点是负载电流 电枢电流和励磁电流是一个电流 气隙主磁通随电枢电流的变化而变化 同时对电动机转速产生较大影响 转速特性串励直流电动机的转速特性可表示为 新能源汽车技术第48页 5 直流电动机的运行特性 转矩特性串励直流电动机的转矩特性可表示为串励直流电动机的工作特性曲线如下图所示 从转矩特性可以看出 当负载增加时 串励直流电动机的转矩快速增加 但与此同时转速也快速下降 因此基本保持了功率恒定 串励直流电动机的工作特性曲线 新能源汽车技术第50页 5 直流电动机的运行特性 机械特性串励直流电动机的机械特性可表示为由于串励电动机的负载电流 电枢电流和励磁电流相等 所以调节电源电压或电枢回路电阻的同时 励磁电流也随之变化 可以看出 转速随转矩的增加迅速下降 这种特性称为软机械特性 改变电枢回路电阻时的机械特性 改变电枢电压时的机械特性 新能源汽车技术第53页 5 直流电动机的运行特性 3 复励直流电动机的运行特性复励电动机既有并励绕组 又有串励绕组 因此其特性介于并励电动机和串励电动机之间 当复励电动机以并励为主时 其特性接近于并励电动机 当复励电动机以串励为主时 其特性接近于串励电动机 新能源汽车技术第54页 6 直流电动机的控制 1 直流电动机的转速控制方法电枢调压控制电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电动机的转速 他励电动机改变电枢端电压时的转速控制特性如下图所示 改变电枢端电压时的转速控制特性 新能源汽车技术第56页 6 直流电动机的控制 电枢调压控制只适合电动机基速以下的转速控制 它可保持电动机的负载转矩不变 电动机转速近似与电枢端电压成比例变化 所以称为恒转矩调速 直流电动机采用电枢调压控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制 调速比一般可达1 10 如果与磁场控制配合使用 调速比可达1 30 现在大 中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源 小容量则采用电力晶体管的pwm控制电源 电动汽车用的直流电动机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源 新能源汽车技术第57页 6 直流电动机的控制 磁场控制磁场控制是指通过调节直流电动机的励磁电流改变每极磁通量 从而调节电动机的转速 他励电动机带恒转矩负载时磁场控制的转速控制特性如下图 磁场控制只适合电动机基数以上的控制 当电枢电流不变时 具有恒功率调速特性 磁场控制效率高 但调速范围小 一般不超过1 3 而且响应速度较慢 磁场控制时的转速控制特性 新能源汽车技术第59页 6 直流电动机的控制 电枢回路串电阻控制电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时 通过改变电枢回路电阻来调节电动机的转速 这种控制方法的机械特性较软 而且电动机运行不稳定 一般很少应用 对于小型串励电动机 常采用电枢回路串电阻控制方式 电枢回路串电阻时的转速控制特性 新能源汽车技术第61页 6 直流电动机的控制 2 电动汽车用直流电动机控制器功能直流电动机的控制方法和功能因使用条件不同而不同 下面以电动叉车为例 介绍直流电动机控制器的功能 电动叉车一般采用串励直流电动机 它的控制器所具有的功能可以分为非故障性处理功能和故障性处理功能 新能源汽车技术第62页 6 直流电动机的控制 1 正常前进 2 正常后退 3 快速起动 4 斜坡起动 5 无级变速 6 速度模式选择 7 反向制动功能 新能源汽车技术第63页 6 直流电动机的控制 8 空档制动功能 9 紧急反向及其连线检测 10 加速器类型选择 11 过电压和欠电压保护 12 温度保护 13 接触器检测 新能源汽车技术第64页 6 直流电动机的控制 14 高踏板故障检测 15 静态断开故障检测 16 mosfet驱动电路故障 17 mosfet晶体管故障检测 18 通用型手持编程器 新能源汽车技术第65页 3 3无刷直流电动机 无刷直流电动机是用电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置 保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能 克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点 新能源汽车技术第66页 1 无刷直流电动机的分类 无刷直流电动机按照工作特性 可以分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机和具有交流电动机特性的无刷直流电动机 1 具有直流电动机特性的无刷直流电动机具有直流电动机特性的无刷直流电动机 反电动势波形和供电电流波形都是矩形波 所以又称为矩形波同步电动机 新能源汽车技术第67页 1 无刷直流电动机的分类 2 具有交流电动机特性的无刷直流电动机具有交流电动机特性的无刷直流电动机 反电动势波形和供电电流波形都是正弦波 所以又称为正弦波同步电动机 这类电动机也由直流电源供电 但通过逆变器将直流电变换成交流电 然后去驱动一般的同步电动机 因此 它们具有同步电动机的各种运行特性 新能源汽车技术第68页 2 无刷直流电动机结构与特点 1 无刷直流电动机的结构 1 电动机本体 2 电子换相器 3 位置传感器 新能源汽车技术第69页 2 无刷直流电动机结构与特点 2 无刷直流电动机的特点优点 1 外特性好 2 可以在低 中 高宽速度范围内运行 3 效率高 4 过载能力强 新能源汽车技术第70页 2 无刷直流电动机结构与特点 5 再生制动效果好 6 体积小 重量轻 比功率大 7 无机械换向器 全封闭式结构 可靠性高 8 控制系统比异步电动机简单 缺点是电动机本身比交流电动机复杂 控制器比有刷直流电动机复杂 新能源汽车技术第71页 3 无刷直流电动机的工作原理 利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件 使电枢绕组依次馈电 从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场 拖动电动机转子旋转 随着电动机转子的转动 转子位置传感器又不断送出位置信号 以不断的改变电枢绕组的通电状态 使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变 这样电动机就旋转起来了 无刷直流电动机的工作原理图 新能源汽车技术第73页 4 无刷直流电动机的数学模型 1 相关物理量 1 电枢绕组感应电动势式中 为气隙磁感应强度 为导体有效长度 为导体相对于磁场的线速度 导体相对于磁场的线速度为式中 为电动机转速 为电枢内径 为极距 为极对数 新能源汽车技术第74页 4 无刷直流电动机的数学模型 设电枢绕组每相串连匝数为 则每相绕组的感应电动势为方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为式中 为计算极弧系数 则有每相绕组感应电动势为 新能源汽车技术第75页 4 无刷直流电动机的数学模型 电枢感应电动势为式中 为电动势常数 新能源汽车技术第76页 4 无刷直流电动机的数学模型 2 电枢电流在每个导通时间内 电压平衡方程式为式中 为电源电压 为开关管饱和压降 为每相绕组电流 为每相绕组电阻 电枢电流为 新能源汽车技术第77页 4 无刷直流电动机的数学模型 3 电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用而产生 则式中 为电动机的角速度 电磁转矩为式中 为转矩常数 新能源汽车技术第78页 4 无刷直流电动机的数学模型 4 转速电动机转速为由于无刷直流电动机的气隙磁场 反电动势以及电流是非正弦的 因此采用直交轴坐标变换已不是有效的方法 新能源汽车技术第79页 4 无刷直流电动机的数学模型 假设电动机定子绕组为三项y型接法 三相绕组完全对称 转子磁钢的磁性能一致 三相反电动势波形完全一致 三相定子绕组的电阻 电感相同 且不受电流变化的影响 磁路不饱和 不计涡流损耗和磁滞损耗 不计定子斜槽的影响 不计电枢反应 新能源汽车技术第80页 4 无刷直流电动机的数学模型 无刷直流电动机的等效电路如图 新能源汽车技术第81页 4 无刷直流电动机的数学模型 2 电压方程三相绕组的电压平衡方程式为式中 为定子相绕组电压 定子相绕组相电流 为定子相绕组电动势 为每相绕组的电阻 为每相绕组的自感 为每两相绕组间的互感 为微分算子 新能源汽车技术第82页 4 无刷直流电动机的数学模型 由于转子磁阻不随转子位置变化而变化 因而定子绕组的自感和互感为常数 当三相绕组为y连接 且没有中线 则有并且由此得到电压方程为 新能源汽车技术第83页 4 无刷直流电动机的数学模型 3 电磁转矩方程无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似 其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比 即 新能源汽车技术第84页 4 无刷直流电动机的数学模型 为产生恒定的电磁转矩 要求定子电流为方波 反电动势为梯形波 任何时刻定子绕组只有两相导通 且每一相电流和反电动势数值完全相等方向完全相反 则电磁功率为式中 为定子绕组各相电动势的幅值 为定子绕组各相电流的幅值 新能源汽车技术第85页 4 无刷直流电动机的数学模型 电磁转矩又可写成无刷直流电动机通电期间 带电导体处于相同的磁感应强度下 电枢每相绕组的感应电动势为式中 为电枢绕组每相串联导体数 为电动势系数 新能源汽车技术第86页 4 无刷直流电动机的数学模型 因此 电磁转矩可表示为式中 为转矩系数 新能源汽车技术第87页 4 无刷直流电动机的数学模型 4 运动方程在忽略转动时的粘滞系数的情况下 无刷直流电动机的运动方程可写为式中 为发动机的额定转矩 为负载转矩 为电动机轴上转动惯量的总和 新能源汽车技术第88页 4 无刷直流电动机的数学模型 5 机械特性无刷直流电动机的机械特性为无刷直流电动机与有刷直流电动机的机械特性类似 通过调节电枢电流可以达到转矩控制 同时通过调节电源电压可以实现无刷直流电动机的调速控制 新能源汽车技术第89页 5 无刷直流电动机的控制 1 无刷直流电动机的控制方法 1 有位置传感器控制有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置 将转子磁极的位置信号转换成电信号 为电子换相电路提供正确的换相信息 新能源汽车技术第90页 5 无刷直流电动机的控制 2 无位置传感器控制无位置传感器控制 无需安装传感器 使用场合广 相对于有位置传感器方法有较大的优势 因此 无刷直流电动机的无位置传感器控制近年来己成为研究的热点 新能源汽车技术第91页 5 无刷直流电动机的控制 2 无刷直流电动机的控制技术随着电动机及驱动系统的发展 控制系统趋于智能化和数字化 使得许多较复杂的控制技术得以实现 目前 应用到无刷直流电动机控制系统的控制技术主要有pid控制 模糊控制和神经网络控制等 新能源汽车技术第92页 5 无刷直流电动机的控制 1 pid控制技术在古典控制理论中 应用最成功的是pid控制 它是一种在工业生产中广泛应用的常规控制算法 属于线性控制 这种控制方式的最大优点是结构简单 使用方便 传统的无刷直流电动机调速通常采用pid控制 它算法简单 参数调整方便具有较好的控制精度 新能源汽车技术第93页 5 无刷直流电动机的控制 2 模糊控制技术所谓模糊控制 是指在控制方法上应用模糊集理论 模糊语言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法 用计算机实现与操作者相同的控制 模糊控制技术应用于无刷直