第四章新能源汽车

1、新能源汽车技术新能源汽车技术 第四章第四章 电动汽车电机驱动系统电动汽车电机驱动系统 教学目标：教学目标： n 了解电动汽车电机驱动系统的组成与类型、了解电动汽车电机驱动系统的组成与类型、 电动汽车对电动机的要求和电机驱动系统电动汽车对电动机的要求和电机驱动系统 的发展趋势，的发展趋势， n 熟悉电动机的额定指标，熟悉电动机的额定指标， n 掌握电动汽车掌握电动汽车5种电机驱动系统的结构原种电机驱动系统的结构原 理及其主要特点和控制特性，理及其主要特点和控制特性， 教学要求：教学要求： p了解电动汽车电机驱动系统的组成与类型、了解电动汽车电机驱动系统的组成与类型、 电动汽车对电动机的要求；电动

2、汽车对电动机的要求； p掌握异步、永磁同步、开关磁阻等电动机掌握异步、永磁同步、开关磁阻等电动机 的结构、特点、工作原理和控制特性；的结构、特点、工作原理和控制特性； p了解轮毂电机结构形式、应用了解轮毂电机结构形式、应用类型、驱动类型、驱动 方式、驱动系统的特点和关键技术方式、驱动系统的特点和关键技术 一、概一、概 述述 l电动汽车电机驱动系统的组成与类型电动汽车电机驱动系统的组成与类型 1 1电动汽车电机驱动系统的组成电动汽车电机驱动系统的组成 电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电动机、功率转换器、电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电动机、功率转换器、 控制器、各种检测传感器和电源控制器、

3、各种检测传感器和电源( (蓄电池蓄电池) )组成，其任务是在驾驶员组成，其任务是在驾驶员 的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车 轮的动能反馈到蓄电池中。轮的动能反馈到蓄电池中。 一、概一、概 述述 现代电动汽车常用的驱动系统有现代电动汽车常用的驱动系统有3 3种：异步电机系统、种：异步电机系统、 永磁无刷电机系统和开关磁阻电机系统。永磁无刷电机系统和开关磁阻电机系统。 功率换器按所选电机类型，有功率换器按所选电机类型，有DCDCDCDC功率转换器、功率转换器、DCDC ACAC功率转换器等形式，其用是按所选电动机驱

4、动电流的功率转换器等形式，其用是按所选电动机驱动电流的 要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交 流或脉冲电源。流或脉冲电源。 检测传感器主要对电压、电流、速度、转矩以及温度检测传感器主要对电压、电流、速度、转矩以及温度 等进行检测，其作用是为了提高改善电动机的调速特性，等进行检测，其作用是为了提高改善电动机的调速特性， 对于永磁无刷电动机或开关磁阻电动机还要求有电动机转对于永磁无刷电动机或开关磁阻电动机还要求有电动机转 角位置检测。角位置检测。 控制器是按驾驶员操纵变速杆、加速踏板和制动踏板控制器是按驾驶员操纵变速杆、加速踏板和制动

5、踏板 等，相应输入的前进、倒退、起步、加速、制动等信号，等，相应输入的前进、倒退、起步、加速、制动等信号， 以及各种检测传感器反馈的信号，通过运算、逻辑判断、以及各种检测传感器反馈的信号，通过运算、逻辑判断、 分析比较等适时向功率转换器发出相应的指令，使整个驱分析比较等适时向功率转换器发出相应的指令，使整个驱 动系统有效运行动系统有效运行. . 一、概一、概 述述 2 2，电动汽车电机驱动系统的类型，电动汽车电机驱动系统的类型 电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为直流电动电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为直流电动 机、无刷直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻机、无

6、刷直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻 电动机等。电动机等。 l电动机的额定指标电动机的额定指标 (1)(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(W或或kW)kW)。 (2)(2)额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压(V)(V)。 (3)(3)额定电流。额定电流是指电动机额定运行额定电流。额定电流是指电动机额定运行( (额定电压、额定输额定电压、额定输 出功率出功率) )情况下电枢情况下电枢 绕组绕组( (或定子绕组或定子绕组) )的线电流的线电流(A

7、)(A)。 (4)(4)额定频率。额定频率是指电动机额定运行情况下电枢额定频率。额定频率是指电动机额定运行情况下电枢( (或定子或定子 侧侧) )的频率的频率(Hz)(Hz)。 (5)(5)额定转速。额定转速是指电动机额定运行额定转速。额定转速是指电动机额定运行( (额定电压、额定频额定电压、额定频 率、额定输出功率率、额定输出功率) )的情况下，电动机转子的转速的情况下，电动机转子的转速(r(rmin)min)。 一、概一、概 述述 l电动汽车对电动机的要求电动汽车对电动机的要求 电动汽车在行驶过程中，经常频繁地起动停车、加速减速等，这电动汽车在行驶过程中，经常频繁地起动停车、加速减速等，这

8、 就要求电动汽车中的电动机比一般工业用的电动机性能更高，基本要求就要求电动汽车中的电动机比一般工业用的电动机性能更高，基本要求 如下。如下。 (1)电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区，要求低速电动机的运行特性要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，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。驶的要求。 (2)电动机应具有瞬时功率大、带负载起动性能好、过载能力强、

9、加速电动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。性能好、使用寿命长的特点。 (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。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的能量利用率。电池，使得电动汽车具有最佳的能量利用率。 (5)电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作。 (6)电动机应体积小、质量

10、轻，一般为工业用电动机的电动机应体积小、质量轻，一般为工业用电动机的l312。 (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。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，从而能够减少电动汽车的整体价格，提高性价比。价格便宜，从而能够减少电动汽车的整体价格，提高性价比。 (9)运行时噪声低，减少污染。运行时噪声低，减少污染。 一、概一、概 述述 l电动汽车电机驱动系统的发展趋势电动汽车电机驱动系统的发展趋势1 1 电动汽车电机驱动系统具有以下发展趋势。电动汽车电机驱动系统具有以下发展趋势。 (1)(1)电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大。电

11、机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大。 一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满一方面，汽车所需求的电机输出和回收功率不断提高，以满 足不同工况不同车型的需求；另足不同工况不同车型的需求；另方面，这种新型机电一体的传方面，这种新型机电一体的传 动系统尺寸受到车内空间的限制。动系统尺寸受到车内空间的限制。 (2)(2)电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽。电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽。 (3)(3)电机驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。电机驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。 在高性能电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系在高性能

12、电动汽车领域，全新设计开发的底盘系统、制动系 统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来统、轮系将电机和动力传动装置进行一体化集成，融合程度越来 越深。越深。 (4)(4)电机驱动系统的混合度与电功率比不断增加。电机驱动系统的混合度与电功率比不断增加。 (5)(5)车用电机驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大。车用电机驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大。 二、二、 直流电动机直流电动机 直流电动机的分类直流电动机的分类 直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机 两种。在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电

13、动机采用的两种。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。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、绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励、 并励、串励和复励并励、串励和复励4 4种类型。种类型。 二、二、 直流电动机直流电动机 直流电动机的结构与特点直流电动机的结构与特点 1 1直流电动机的结构直流电动机的结构 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，隙

14、称为气隙， 二、二、 直流电动机直流电动机 (1)(1)定子部分。直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电定子部分。直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电 刷装置等组成。刷装置等组成。 主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁心和套装在铁心上主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁心和套装在铁心上 的励磁绕组构成。的励磁绕组构成。 机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又 是电动机的结构框架。是电动机的结构框架。 换向极的作用是改善直流电动机的换向情况，使直流电动机换向极的作用是改善直流电动机的换向情况，使直流电动机 运行时不产

15、生有害的火花。它由换向极铁心和套装在铁心上的换运行时不产生有害的火花。它由换向极铁心和套装在铁心上的换 向极绕组构成。向极绕组构成。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电 路的引入或引出。路的引入或引出。 (2)(2)转子部分。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。转子部分。转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分. . 电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，

16、它是直流 电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转电动机的电路部分，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。换向。 二、二、 直流电动机直流电动机 2 2。直流电动机的特点。直流电动机的特点 直流电动机具有以下特点。直流电动机具有以下特点。 (1)(1)调速性能好。调速性能好。 (2)(2)起动力矩大。起动力矩大。 (3)(3)控制比较简单。控制比较简单。 (4)(4)有易损件。有易损件。 l直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 (a)导体a

17、b处于N极下 (b)导体ab处于S极下 二、二、 直流电动机直流电动机 l 直流电动机的转速控制直流电动机的转速控制 直流电动机的转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制直流电动机的转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制 和电枢回路串电阻控制和电枢回路串电阻控制3 3种。种。 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。这种控制只适合电动机基速以下的转速控制，它可保持电动速。这种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，机的负载转矩不变，电动机转速近似与电枢端电压

18、成比例变化， 所以称为恒转矩调速。所以称为恒转矩调速。 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，这种控制只适合电动机基速以上的量，从而调节电动机的转速，这种控制只适合电动机基速以上的 控制。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改变电枢回路电阻来调节 电动机的转速。电动机的转速。 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 l无刷直流电动机的分类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

19、动机特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。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。 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。电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。 这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的 位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现

20、无接 触式换相。触式换相。 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。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。成交流电，然后去驱动一般的同步电动机。 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 l无刷直流电动机结构与特点无刷直流电动机结构与特点 1 1无刷直流电动机的结构无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器

21、和位置传感无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和位置传感 器三部分组成。器三部分组成。 (1)(1)电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体由定子和转子电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体由定子和转子 两部分组成。两部分组成。 定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁心、导电定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁心、导电 的电枢绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出的电枢绕组及固定铁心和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出 部分等组成，如机壳、绝缘片、槽锲、引出线及环氧树脂等。部分等组成，如机壳、绝缘片、槽锲、引出线及环氧树脂等。 转子是电动机本体的转动部分，是产生激

22、磁磁场的部件，由转子是电动机本体的转动部分，是产生激磁磁场的部件，由 永磁体、导磁体和支撑零部件组成永磁体、导磁体和支撑零部件组成. . (2) (2)电子换相器。电子换相器由功率开关和位置信号处理电路电子换相器。电子换相器由功率开关和位置信号处理电路 构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 (3)(3)位置传感器。位置传感器在无刷位置传感器。位置传感器在无刷 直流电动机中起着检测转子磁极位直流电动机中起着检测转子磁极位 置的作用，为功率开关电路提供正置的作用，为功率开关电路提供正 确的换相信息，即将转

23、子磁极的位确的换相信息，即将转子磁极的位 置信号转换成电信号，经位置信号置信号转换成电信号，经位置信号 处理电路处理后控制定子绕组换相。处理电路处理后控制定子绕组换相。 由于功率开关的导通顺序与转子转由于功率开关的导通顺序与转子转 角同步，因而位置传感器与功率开角同步，因而位置传感器与功率开 关一起，起着与传统有刷直流电动关一起，起着与传统有刷直流电动 机的机械换向器和电刷相类似的作机的机械换向器和电刷相类似的作 用。用。 位置传感器的种类比较多，可分位置传感器的种类比较多，可分 为电磁式位置传感器、光电式位置为电磁式位置传感器、光电式位置 传感器、磁敏式位置传感器等。传感器、磁敏式位置传感器

24、等。 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 无刷直流电动机的控制无刷直流电动机的控制 按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电动机的控制按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电动机的控制 方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。 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传感器来检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位

25、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，以此控制电换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，以此控制电 子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证电动机各相按顺序子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证电动机各相按顺序 导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地 旋转。无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件位置传感旋转。无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件位置传感 器、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。器、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。 无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安

26、装传感器。不无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安装传感器。不 直接使用转子位置传感器，但在电动机运转过程中，仍然需要转直接使用转子位置传感器，但在电动机运转过程中，仍然需要转 子位置信号，以控制电动机换相。因此，如何通过软硬件间接获子位置信号，以控制电动机换相。因此，如何通过软硬件间接获 得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置传感器控制得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置传感器控制 的关键。大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实的关键。大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实 现转子位置的估算现转子位置的估算 三、无刷直流电动机三、无刷直流电动机 2，无

27、刷直流电动机的特点，无刷直流电动机的特点 无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点。无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点。 (1)外特性好。非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低速大转矩外特性好。非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低速大转矩 特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的加速要求。特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的加速要求。 (2)可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换 向的影响，只能在中低速下运行。向的影响，只能在中低速下运行。 (3)效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保

28、持较高的效率，这对珍贵的效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率，这对珍贵的 电池能量是很重要的。电池能量是很重要的。 (4)过载能力强，比过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足电动汽倍以上，满足电动汽 车的突起堵转需要。车的突起堵转需要。 (5)再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在 汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起 到电制动作用，减轻机械制动负担。到电制动作用，减轻机械制动负担

29、。 (6)体积小、质量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空间。体积小、质量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空间。 (7)无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机内部，可无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机内部，可 靠性高。靠性高。 (8)控制系统比异步电动机简单。控制系统比异步电动机简单。 无刷直流电动机的缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有无刷直流电动机的缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有 刷直流电动机复杂刷直流电动机复杂. 四、异步电动机四、异步电动机 异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转

30、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 量的一种交流电动机。量的一种交流电动机。 异步电动机的种类很多。最常见的分类方法是按转子结构和异步电动机的种类很多。最常见的分类方法是按转子结构和 定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电动机和绕定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电动机和绕 线型异步电动机；线型异步电动机； 按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机 和三相异步电动机。和三相异步电动机。 在电动汽车中，主要使用笼型

31、异步电动机。下面介绍的异步在电动汽车中，主要使用笼型异步电动机。下面介绍的异步 电动机就是指三相笼型异步电动机。电动机就是指三相笼型异步电动机。 四、异步电动机四、异步电动机 异步电动机的结构与特点异步电动机的结构与特点 1 1异步电动机的结构异步电动机的结构 异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，异步电动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，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇 等部件。等部件。 (1)(1)定子。异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。定子。异步电动机的定子由定子铁心、

32、定子绕组和机座构成。 定子铁心是电动机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。定子铁心是电动机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。 定子绕组是电动机的电路部分，通人三相交流电，产生旋转磁场。定子绕组是电动机的电路部分，通人三相交流电，产生旋转磁场。 四、异步电动机四、异步电动机 定子绕组是电动机的电路部分，通人三相交流电，产生旋转磁定子绕组是电动机的电路部分，通人三相交流电，产生旋转磁 场。场。 机座主要用于固定定子铁心与前后端盖，以支撑转子，并起防机座主要用于固定定子铁心与前后端盖，以支撑转子，并起防 护、散热等作用。护、散热等作用。 (2)(2)转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴

33、组成。转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。 转子铁心也是电动机磁路的一部分，并在铁心槽内放置转子绕转子铁心也是电动机磁路的一部分，并在铁心槽内放置转子绕 组。组。 转子绕组是转子的电路部分，它的作用是切割定子旋转磁场产转子绕组是转子的电路部分，它的作用是切割定子旋转磁场产 生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。转子绕组生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。转子绕组 分为笼式转子和绕线式转子两种。分为笼式转子和绕线式转子两种。 转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴材料一转轴用于固定和支撑转子铁心，并输出机械功率。转轴材料一 般用中碳钢。般用中

34、碳钢。 (3)(3)气隙。异步电动机定子与转子之间有一小的间隙，称为电气隙。异步电动机定子与转子之间有一小的间隙，称为电 动机气隙。动机气隙。 一、三相异步感应电动机的特点一、三相异步感应电动机的特点 交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两类。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两类。 二、三相异步感应电动机结构二、三相异步感应电动机结构 同步电动机：转子的转速同步电动机：转子的转速n n与定子旋转磁场的转速与定子旋转磁场的转速n1n1相等，则转子相等，则转子 与定子旋转磁场在空间同步地旋转。与定子旋转磁场在空间同步地旋转。 异步电动机：异步电动机：n n不等于不等于n1n1，则转子与定子

35、旋转磁场在空间旋转时不，则转子与定子旋转磁场在空间旋转时不 同步。同步。 三相异步电动机主要由定子、三相异步电动机主要由定子、 转子、底座、支架、外壳、后保转子、底座、支架、外壳、后保 护罩和冷却风扇等组成。护罩和冷却风扇等组成。 电动机转子和定子之间没有任电动机转子和定子之间没有任 何电气上的联系，能量的传递全何电气上的联系，能量的传递全 靠电磁感应作用，所以这样的电靠电磁感应作用，所以这样的电 动机称感应电动机。动机称感应电动机。 四、异步电动机四、异步电动机 1.外壳：包括机座、轴承盖、接线盖、端盖及吊环等部件。外壳：包括机座、轴承盖、接线盖、端盖及吊环等部件。 2.2.定子总成定子总成

36、 定子是用来产生旋转磁场的。主要由支撑空心定子铁心的钢定子是用来产生旋转磁场的。主要由支撑空心定子铁心的钢 制机座，定子铁心和定子绕组线圈组成。制机座，定子铁心和定子绕组线圈组成。 四、异步电动机四、异步电动机 3.3.转子总成转子总成 电动机转子由转子绕组和转轴组成。电动机转子由转子绕组和转轴组成。 （1 1）转子铁心）转子铁心 由硅钢片叠压成圆柱形，装在转轴上，使转轴拖动机械负载。由硅钢片叠压成圆柱形，装在转轴上，使转轴拖动机械负载。 （2 2）转子绕组）转子绕组 异步电动机的转子绕组有鼠笼形和绕线形两种。异步电动机的转子绕组有鼠笼形和绕线形两种。 4.4.冷却风扇冷却风扇 四、异步电动机

37、四、异步电动机 三、三相异步电动机的工作原理三、三相异步电动机的工作原理 1.1.绕组旋转磁场的产生绕组旋转磁场的产生 以定子绕组星形连接方式为例：如三以定子绕组星形连接方式为例：如三 相电池波形如相电池波形如3-313-31所示，三相电流所示，三相电流iAiA、iBiB 和和iCiC随时间随时间t t和角速度和角速度变化如下所示：变化如下所示： sin sin(120 ) sin(120 ) A B C it it it 四、异步电动机四、异步电动机 C 0A03 23 a AB tiii 当时， 相电流。由 与 产生的合成磁场如图（ ）所示 CA 60A03 23 b B tiii 当时

38、， 相 电 流。 由 与 产 生 的 合 成 磁 场 如 图（） 所 示 ， 磁 场 顺 时 针 旋 转 60 BAC 120A03 23ctiii 当时 ，相 电 流。 由与产 生 的 合 成 磁 场 如 图（） 所 示 ， 磁 场 顺 时 针 旋 转 120 由此可知，当定子绕组中的对称三相电流随时间周期变化由此可知，当定子绕组中的对称三相电流随时间周期变化 时，合成磁场随之不断旋转。时，合成磁场随之不断旋转。 四、异步电动机四、异步电动机 2.2.异步电动机的旋转磁场的转向异步电动机的旋转磁场的转向 异步电动机的旋转磁场的转向与通往绕组的三相电流的相异步电动机的旋转磁场的转向与通往绕组的

39、三相电流的相 序有关。任意对调两根三相电源接到定子绕组上的导线，可序有关。任意对调两根三相电源接到定子绕组上的导线，可 以改变异步电动机的旋转方向。以改变异步电动机的旋转方向。 电流是按顺时针方向排列的，旋转磁场也是按顺时针方电流是按顺时针方向排列的，旋转磁场也是按顺时针方 向转动的。向转动的。 3.3. 旋转磁场的转速旋转磁场的转速 当定子绕组连接形成的是两对磁极时，三相电动机定子旋当定子绕组连接形成的是两对磁极时，三相电动机定子旋 转磁场每分钟的转速转磁场每分钟的转速n1n1、定子电流频率、定子电流频率f f及磁极对数及磁极对数p p之间的之间的 关系是：关系是： 1 60 f n p 4

40、.4. 工作原理工作原理 旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子旋转磁场的磁力线被转子导体切割，转子 导体产生感应电动势，电流流过，导体受电磁导体产生感应电动势，电流流过，导体受电磁 力作用形成电磁转矩，推动转子以转速力作用形成电磁转矩，推动转子以转速n n顺顺n0n0 方向旋转，并从轴上输出一定大小的机械功率。方向旋转，并从轴上输出一定大小的机械功率。 四、异步电动机四、异步电动机 5 5、转差率：、转差率： 异步电动机工作的必要条件是：异步电动机工作的必要条件是：nnnn0 0, ,二者之差称为转差，二者之差称为转差， 即即n n2 2=n=n0 0-n-n。将异步电动机的转差率与同步转速。

41、将异步电动机的转差率与同步转速n n0 0之比值称为之比值称为 转差率，用转差率，用S S表示，即：表示，即： 式中式中nn定子转速，定子转速，n0n0磁场转速磁场转速 根据根据S S的大小可以判断电动机工作于不同状态：的大小可以判断电动机工作于不同状态： 0S1 0S1 电动状态电动状态 S0 S1 S1 制动状态制动状态 02 00 nnn S nn 四、三相异步电动机的主要性能指标四、三相异步电动机的主要性能指标 1.1.额定功率额定功率PePe、 2.2.额定电压额定电压Ue 3.Ue 3.额定电流额定电流IeIe 4.4.额定频率额定频率fe 5.fe 5.绝热等级绝热等级 6.6.

42、型号：型号：Y-200L2-6Y-200L2-6代表异步电动机，中心高度代表异步电动机，中心高度200mm200mm，长机座，长机座 （M-M-中机座；中机座；S-S-短机座）、短机座）、2 2号铁心和号铁心和6 6个磁极。个磁极。 7.7.额定转速额定转速nene：应尽量选用额定转速较高的电动机。：应尽量选用额定转速较高的电动机。 四、异步电动机四、异步电动机 五、三相异步电动机的感应转矩与机械特性五、三相异步电动机的感应转矩与机械特性 1.1. 电磁转矩及其影响因素电磁转矩及其影响因素 在一定的电源电压在一定的电源电压U1U1、电源的频率、电源的频率f f和转子电阻和转子电阻R2R2的条件

43、的条件 下，转矩与转速的关系曲线称为电动机特性曲线。下，转矩与转速的关系曲线称为电动机特性曲线。 电动机的最大转矩与额定转矩之比称为过载系数。一般三电动机的最大转矩与额定转矩之比称为过载系数。一般三 相异步感应电动机的过载系统为相异步感应电动机的过载系统为1.8-2.21.8-2.2。 四、异步电动机四、异步电动机 2.2. 三相异步感应电动机转矩与转速的控制三相异步感应电动机转矩与转速的控制 变压变频控制的感应电动机的特性曲线如图变压变频控制的感应电动机的特性曲线如图3-393-39所示，感所示，感 应式电动机的驱动特性可分为三段：应式电动机的驱动特性可分为三段： 第一段：电动机转速低于基第

44、一段：电动机转速低于基 速时的恒转矩区；速时的恒转矩区； 第二段：电动机转速高于基第二段：电动机转速高于基 速但大于恒功率最高转速时速但大于恒功率最高转速时 的恒功率段。此时定子电压的恒功率段。此时定子电压 保持恒定，转差增加到最大保持恒定，转差增加到最大 值；值； 第三段：电动机转速大于恒第三段：电动机转速大于恒 功率段的最高转速时，此时，功率段的最高转速时，此时， 转差维持常数，定子电流衰转差维持常数，定子电流衰 减，转矩以速度的平方减少。减，转矩以速度的平方减少。 四、异步电动机四、异步电动机 四、异步电动机四、异步电动机 2.2. 电机的效率电机的效率 电机轴上的转出功率与电源输入的功

45、率之比称之为电动机的电机轴上的转出功率与电源输入的功率之比称之为电动机的 效率。电动机效率的高低决定于电机工作过程各种损耗的大小。效率。电动机效率的高低决定于电机工作过程各种损耗的大小。 当可变损耗与不变损耗相等时，电动机的效率达到最大值，当可变损耗与不变损耗相等时，电动机的效率达到最大值， 一般异步电动机的最大效率发生在一般异步电动机的最大效率发生在0.7pe0.7pe1.0pe1.0pe范围内。范围内。 四、异步电动机四、异步电动机 五、永磁同步电动机五、永磁同步电动机 永磁同步电动机永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor(Permanent

46、Magnet Synchronous Motor，PMSM) PMSM) l永磁同步电动机的结构与特点永磁同步电动机的结构与特点 1 1永磁同步电动机的结构永磁同步电动机的结构 永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方 波驱动电流的永磁同步电动机两种。这里介绍的主要是三相正弦波驱动电流的永磁同步电动机两种。这里介绍的主要是三相正弦 波驱动的永磁同步电动机。波驱动的永磁同步电动机。 永磁同步电动机和传统电动机一样，它主要由定子和转子两永磁同步电动机和传统电动机一样，它主要由定子和转子两 大部分构成。大部分构成。 五、永磁同步电动机五

47、、永磁同步电动机 定子与普通感应电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。定子与普通感应电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成。 转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成。转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成。 永磁同步电动机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测永磁同步电动机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测 磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机磁极位置，并以此对电枢电流进行控制，达到对永磁同步电动机 驱动控制的目的。驱动控制的目的。 按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的磁极结按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的磁极结 构可分为表面式和内置式

48、两种。构可分为表面式和内置式两种。 （1 1）表面式转子磁路结构。表面式转子磁路结构中，永磁体通常）表面式转子磁路结构。表面式转子磁路结构中，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。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种。为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种。 (2)(2)内置式转子磁路结构。内置式转子磁路结构的永磁体位于转子内置式转子磁路结构。内置式转子磁路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，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

49、靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，有阻尼或起动作用。极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，有阻尼或起动作用。 五、永磁同步电动机五、永磁同步电动机 按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子按永磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子 磁路结构可分为径向式、切向式和混合式磁路结构可分为径向式、切向式和混合式3 3种，种， 五、永磁同步电动机五、永磁同步电动机 2 2，电动汽车电机驱动系统的类型，电动汽车电机驱动系统的类型 电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为直流电动电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为直流电动 机、无刷直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻机、无刷

50、直流电动机、异步电动机、永磁同步电动机和开关磁阻 电动机等。电动机等。 l电动机的额定指标电动机的额定指标 (1)(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(W或或kW)kW)。 (2)(2)额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压(V)(V)。 (3)(3)额定电流。额定电流是指电动机额定运行额定电流。额定电流是指电动机额定运行( (额定电压、额定输额定电压、额定输 出功率出功率) )情况下电枢情况下电枢 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 开关磁阻电动机开关磁阻电

51、动机(Switched Reluctance Motor(Switched Reluctance Motor，SRM) SRM) l 开关磁阻电动机的结构与特点开关磁阻电动机的结构与特点 1 1开关磁阻电动机的结构开关磁阻电动机的结构 开关磁阻电动机由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的开关磁阻电动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，称为径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相一相”；转子；转子 既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片

52、叠成。既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。 一、概述一、概述 二、开关磁阻电动机的结构与原理二、开关磁阻电动机的结构与原理 磁阻式电动机磁阻式电动机SRSR（Switch ResistanceSwitch Resistance）也叫可变磁阻）也叫可变磁阻VRVR （Variable ReluctanceVariable Reluctance）电动机。）电动机。 最早的磁阻式电动机由最早的磁阻式电动机由DavidsonDavidson于于18381838年制造，由于当时受效年制造，由于当时受效 率，功率因数，利用系数等不高的限制，很少应用。直到率，功率因数，利用系数等不高的限制，很少应用。直到2

53、020世纪世纪 8080年代，国际上掀起了磁阻式电动机研发热。年代，国际上掀起了磁阻式电动机研发热。 开关磁阻驱动电动机系统主要 由开关磁阻电动机、功率变换器、 传感器、和控制器四部分组成。如 右图所示： 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 1.1.开关磁阻电机开关磁阻电机 开关磁阻电动机的作用开关磁阻电动机的作用：将电能：将电能 转换成机械能。转换成机械能。 开关磁阻电机开关磁阻电机(SR)(SR)为双凸极铁为双凸极铁 芯结构，它的定子和转子的铁芯由芯结构，它的定子和转子的铁芯由 硅钢片叠加而成。硅钢片叠加而成。每个定子的铁芯每个定子的铁芯 凸极上安装集中绕组，转子铁芯凸凸极上安装集中绕组

54、，转子铁芯凸 极无绕组，径向相对的两个定子的极无绕组，径向相对的两个定子的 绕组串联成一对磁极，称为一相。绕组串联成一对磁极，称为一相。 SR SR电机可以设计成不同的相数结电机可以设计成不同的相数结 构，定转子的极数也有不同的搭配，构，定转子的极数也有不同的搭配， 相数越多，转动脉冲也越小，但是相数越多，转动脉冲也越小，但是 结构也越复杂。目前常用的是结构也越复杂。目前常用的是6/46/4极极 和和8/68/6极。极。 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 2.2.功率变换器功率变换器 功率变换器的作用是将电源提供的能量经过适当的变换提功率变换器的作用是

55、将电源提供的能量经过适当的变换提 供给供给SRSR电机。由于只需要给电机。由于只需要给SRSR电机提供单向电流，所以功率变电机提供单向电流，所以功率变 换器的电路结构简单。开关磁阻电机的功率变换器主电路的结换器的电路结构简单。开关磁阻电机的功率变换器主电路的结 构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。构形式与供电电压、电机相数以及主开关器件的种类等有关。 目前，目前，SRDSRD常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍常用的功率变换器主电路有许多种，应用最普遍 的主要有三种，不对称半桥式、双绕组电路、裂相式电路（的主要有三种，不对称半桥式、双绕组电路、裂相式电路（H H 桥式）

56、如下图所示：桥式）如下图所示： 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 3.3.控制器控制器 控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、转子控制器是系统的核心，它综合处理控制台指令、转子 位置信号、相电流信号以及故障信号，控制功率变换器中位置信号、相电流信号以及故障信号，控制功率变换器中 主开关器件的开断，实现对主开关器件的开断，实现对SRSR电机运行状态的控制，并完电机运行状态的控制，并完 成必要的显示功能。成必要的显示功能。 4.4.位置、电流检测单元（传感器）位置、电流检测单元（传感器） 转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依转子位置信号是各相主开关器件正确进行逻辑切换的依 据，

57、正确的转子位置信号是整个据，正确的转子位置信号是整个SRSR正常运行的基础。正常运行的基础。 这里要求位移传感器具有输出信号较大、抗干扰能力强、 位置精度高、温度范围宽、环境适应能力强、耐振动、寿 命长和安装定位方便的特点。通常采用光电器件、霍耳元通常采用光电器件、霍耳元 件或电磁线圈法进行位置检测，件或电磁线圈法进行位置检测，采用无位置传感器的位置 检测方法是SR的发展方向，对降低系统成本、提高系统可 靠性有重要意义。 实际电流的大小是SR中不可缺少的一个参数，实时的电实时的电 流信号为电流斩波控制和防止过电流提供了根据。流信号为电流斩波控制和防止过电流提供了根据。因而， 及时地位置、电流检

58、测是系统可靠运行的保证。 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 5.开关磁阻电动机工作原理：开关磁阻电动机工作原理： 控制器根据位置传感器检测到的定转子间相对位置信息，控制器根据位置传感器检测到的定转子间相对位置信息， 结合给定的运行命令（正转或反转），导通相应的定子相绕结合给定的运行命令（正转或反转），导通相应的定子相绕 组的主开关元件。对应相绕组中就有电流流过，并产生磁场。组的主开关元件。对应相绕组中就有电流流过，并产生磁场。 当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循当定子绕组通电时，产生一个单相磁场，其分布要遵循 “磁阻最小原则磁阻最小原则”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因

59、，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。因 此，当转子轴线与定子磁极轴线不重合时，便会有磁阻力作此，当转子轴线与定子磁极轴线不重合时，便会有磁阻力作 用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴用在转子上并产生转矩使其趋向于磁阻最小的位置，即两轴 线重合位置。当转子与定子轴线重合时，电磁转矩合力矩为线重合位置。当转子与定子轴线重合时，电磁转矩合力矩为 零。零。 在定转子即将达到平衡时，控制器根据新的位置信息，向功在定转子即将达到平衡时，控制器根据新的位置信息，向功 率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一 相，则转子会向下一个

60、平衡位置转动。相，则转子会向下一个平衡位置转动。 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 如果相绕组按如果相绕组按IIIIIIIIIIIIII的顺序导通，转子沿的顺序导通，转子沿 顺时针方向连续旋转，顺时针方向连续旋转， 反之，则按逆时针方向旋转。反之，则按逆时针方向旋转。 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 四相四相SR电机轮流通电时转子位置图电机轮流通电时转子位置图 六、开关磁阻电动机六、开关磁阻电动机 顺序给顺序给A AB BC CD D相绕组通电，这些脉动磁阻转矩的平相绕组通电，这些脉动磁阻转矩的平 均转矩将使转子按逆时针方向连续转动起来；反之，依次给均转矩将使转子按逆时针方向连续转动