电动汽车用电动机-课件

1、新能源汽车技术 第 1 页电动汽车用电动机 3.1 概述3.2 直流电动机3.3 无刷直流电动机 3.4 异步电动机 3.5 永磁同步电动机 3.6 开关磁阻电动机新能源汽车技术 第 1 页电动汽车用电动机 3.1 概新能源汽车技术 第 2 页3.1 概述3.1.1电动机的分类1.电动机的分类方法（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 2 页3.1 概述3.1.1电动机新能源汽车技术 第 3 页3.1.1电动机的分类（2）按结构及工作原理分类按结构及工作原理分直流电动机、异

2、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 3 页3.1.1电动机的分类（2）新能源汽车技术 第 4 页3.1.1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 4 页3.1.1电动机的分类（3）新能源汽车技术 第 5 页3.1

3、.1电动机的分类2.各类电动机介绍（1）直流电动机优点：起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等；缺点：电枢电流由电刷和换向器引入，换向时产生电火花，换向器容易烧蚀，电刷容易磨损，需经常更换，维护工作量大；接触部分存在摩擦损失，不仅使电动机效率降低，还限制了电动机的工作转速。 磨损新研制的电动汽车基本不采用直流电动机。新能源汽车技术 第 5 页3.1.1电动机的分类2.各新能源汽车技术 第 6 页3.1.1电动机的分类（2）无刷直流电动机无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和调速性能好等特点。

4、因此，它在电动汽车上的应用与日俱增。新能源汽车技术 第 6 页3.1.1电动机的分类（2）新能源汽车技术 第 7 页3.1.1电动机的分类（3）异步电动机 异步电动机在电动汽车上广泛应用，这是因为异步电动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动效率大为提高。，异步电动机很容易实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。当采用笼型转子时，异步电动机还具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、效率高和免维护等优点。新能源汽车技术 第 7 页3.1.1电动机的分类（3）新能源汽车技术 第 8 页3.1.1电动机的分类（4）永磁同步电动机 永磁同步电动机结构上与无刷直流电动机相似，不

5、同之处在于它采用正弦波驱动，所以在具备无刷直流电动机优点的同时，还具有低噪声、体积小、功率密度大、转动惯量小、脉动转矩小、控制精度高等特点，特别适用于混合动力电动汽车电动机驱动系统，以达到减小系统体积，改善汽车加速性能和行驶平稳等目的。因此，永磁同步电动机受到了全世界各大汽车生产厂家的重视。新能源汽车技术 第 8 页3.1.1电动机的分类（4）新能源汽车技术 第 9 页3.1.1电动机的分类（5）开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其调速系统运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，被公认是一种极有发展前途的电动汽车驱动电动机。

6、 高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电动机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点。如永磁式开关磁阻电动机、转子磁极分割型混合励磁结构同步电动机、永磁无刷交流电动机等。新能源汽车技术 第 9 页3.1.1电动机的分类（5）新能源汽车技术 第 10 页新能源汽车技术 第 10 页新能源汽车技术 第 11 页3.1.2 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）额定电压是指外加于线端的电源线电压（V）。（3）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）额定频率是指电

7、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 11 页3.1.2 电动机的额定指新能源汽车技术 第 12 页3.1.2 电动机的额定指标（5）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）。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 12 页3.1.2 电动机的额定指新能源汽车技术 第 13 页3

8、.1.3 电动汽车对电动机的要求 （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；（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；新能源汽车技术 第 13 页3.1.3 电动汽车对电动新能源汽车技术 第 14 页3.1.3 电动

9、汽车对电动机的要求（5）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，重量轻，一般为工业用电动机的1/21/3；（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3.1.3 电动汽车对电动新能源汽车技术 第 15 页3.2 直流电动机 直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，是电动机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车或希望获得更简单结构的电动汽车中应用，特别是场地用电动车和专用电动车。新能源汽车技术

10、第 15 页3.2 直流电动机 直流电新能源汽车技术 第 16 页3.2.1 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。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4种类型。新能源汽车技术 第 16 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 17 页3.2.1 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。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。

11、永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。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。但当采用永磁激励时，虽然电动机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，电动机的机械特性不理想，驱动电动机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。新能源汽车技术 第 17 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 18 页3.2.1 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，

12、使得通过它的励磁电流较小。新能源汽车技术 第 18 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 19 页3.2.1 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 19 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 20 页3.2.1 直流电动机的分类串励直流电动机在低速运行时，能提供足够大的转矩，而在高速运行时，电动机电

13、枢中的反电动势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，电动机高速时的弱磁调速功能易于实现，因此能较好地符合电动汽车的特性要求。串励直流电动机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想；车速提高时，输出转矩不能满足电动汽车高速行驶时大转矩要求；运行效率低；再生制动的稳定性差；再生制动可靠性较差；串励电动机的励磁绕组损耗大，体积和重量也较大。新能源汽车技术 第 20 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 21 页3.2.1 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

14、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。由于电动机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电动机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于电动机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小， 能克服纯永磁他励直流电动机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而电动机的重量或体积比串励电动机的小。新能源汽车技术 第 21 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽车技术 第 22 页3.2.1 直流电动机的分类各种激励方式直流电动机的电路图新能源汽车技术 第 22 页3.2.1 直流电动机的分新能源汽

15、车技术 第 23 页3.2.1 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（包括永磁直流电动机）、串励直流电动机、复励直流电动机三种类型。小功率（100W10kW）的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。如电动自行车、休闲用电动汽车、高尔夫球车、电动叉车等。 中等功率（10100kW）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，如矿石搬运电动车、玻璃电动搬运车等。新能源汽车技术 第 23 页3.2.1 直流电动机的分新

16、能源汽车技术 第 24 页3.2.2 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。新能源汽车技术 第 24 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 25 页3.2.2 直流电动机的结构与特点（1）定子部分直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。 主磁极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。主极铁心一般由11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。机座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

17、电动机的结构框架。新能源汽车技术 第 25 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 26 页3.2.2 直流电动机的结构与特点换向极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。电刷装置电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。新能源汽车技术 第 26 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 27 页3.2.2 直流电动机的结构与特点（2）转子部分电枢铁心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，电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。电枢铁心一般用0.55mm硅钢冲片叠压而

18、成。电枢绕组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。换向器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。新能源汽车技术 第 27 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 28 页3.2.2 直流电动机的结构与特点2.直流电动机的特点（1）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；（2）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（3）控制比较

19、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 28 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 29 页3.2.2 直流电动机的结构与特点（4）有易损件：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。新能源汽车技术 第 29 页3.2.2 直流电动机的结新能源汽车技术 第 30 页3

20、.2.3 直流电动机的工作原理图3.3为直流电动机的工作原理示意图。定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。如果给两个电刷加上直流电源，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。如果转子转到图（b）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

21、使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变。新能源汽车技术 第 30 页3.2.3 直流电动机的工新能源汽车技术 第 31 页3.2.3 直流电动机的工作原理新能源汽车技术 第 31 页3.2.3 直流电动机的工新能源汽车技术 第 32 页3.2.4 直流电动机的基本方程 在建立直流电动机基本方程时，假设： 为电枢电压； 为电枢电流； 为电枢电阻； 为电枢感应电动势； 为电枢角速度； 为励磁电压； 为励磁电流； 为励磁电阻； 为电源电压； 为负载电流； 为电动机转速。1.电枢绕组的感应电动

22、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 32 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 33 页3.2.4 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。直流电动机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流电动机为基础建立电压方程、转矩方程和功率方程。 新能源汽车技术 第 33 页3.2.4 直流电动机的新

23、能源汽车技术 第 34 页3.2.4 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得到以下结果：（1）对于永磁直流电动机，有 ；（2）对于并励直流电动机，有， ， ；（3）对于串励直流电动机，有， ， ；（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 34 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 35 页3.2.4 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

24、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。 电磁转矩可用下面公式计算： 综上，可以得到各种直流电动机的速度转矩特性曲线。新能源汽车技术 第 35 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 36 页3.2.4 直流电动机的基本方程各种直流电动机的速度转矩特性新能源汽车技术 第 36 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 37 页3.2.4 直流电动机的基本方程由式可得电枢角速度为 从上式可以看出，通过调整励磁电流 实现对转速的大幅度控制。 对于串励直流电动机，有 ，所以大电流通过时会产生非常大的转矩，而如果电流变小，由上式可知，转速也将大幅度上升，由此

25、可以得到电动汽车所希望的特性。 图3.5为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3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 38 页3.2.4 直流电动机的基本方程新能源汽车技术 第 38 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 39 页3.2.4 直流电动机的基本方程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 39 页3.2.4 直流电动机的新能源汽车技术 第 40 页3.2.5 直流电动机的运行特性 直流电动机的运行特性主要包括直流电动机的工作特性和直流电动机的机械特性。直流电动机的工作特

26、性是指电动机的转速特性、转矩特性和效率特性，即在保持额定电压、额定励磁电流（他励、并励）或励磁调节不变（串励、复励）的情况下，电动机的转速、电磁转矩和效率随电枢电流（或输出功率）变化的特性。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，是电动机的重要特性。新能源汽车技术 第 40 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 41 页3.2.5 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(1)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

27、降引起，一般为38%。并励（他励）直流电动机在运行时，励磁绕组绝对不能断开。若励磁电流为零，电枢电流迅速增大，若负载较小，则会造成“飞车”事故。新能源汽车技术 第 41 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 42 页3.2.5 直流电动机的运行特性(3)效率特性 (2)转矩特性新能源汽车技术 第 42 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 43 页3.2.5 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图3.6所示。 新能源汽车技术 第 43 页3.2.5 直流电

28、动机的运新能源汽车技术 第 44 页3.2.5 直流电动机的运行特性(4)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3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 45 页3.2.5 直流电动机的运行特性 从左图可以看出，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。这使并励和他励直流电动机具有了优良的调速性能。新能源汽车技术 第 45 页3.2.5 直流电动机的运

29、新能源汽车技术 第 46 页3.2.5 直流电动机的运行特性从左图可以看出，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”。因此，电动机采用弱磁调节时必须注意。新能源汽车技术 第 46 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 47 页3.2.5 直流电动机的运行特性从左图可以看出，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3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 48 页3.2.5 直流电动机

30、的运行特性2.串励直流电动机的运行特性 串励直流电动机广泛应用于交通运输中，它的特点是负载电流、电枢电流和励磁电流是一个电流，即，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。(1)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3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 49 页3.2.5 直流电动机的运行特性(2)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图3.10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，即串励直流电动机具有恒功率特性。新能

31、源汽车技术 第 49 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 50 页3.2.5 直流电动机的运行特性新能源汽车技术 第 50 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 51 页3.2.5 直流电动机的运行特性(3)机械特性 串励直流电动机的机械特性可表示为 得到串励直流电动机的机械特性曲线，下页所示。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。新能源汽车技术 第 51 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 52 页3.2.5 直流电动机的运行特性

32、新能源汽车技术 第 52 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 53 页3.2.5 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 53 页3.2.5 直流电动机的运新能源汽车技术 第 54 页3.2.6 直流电动机的控制从直流电动机的转速特性和机械特性可以看出，其转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。1.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

33、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图3.13所示。 新能源汽车技术 第 54 页3.2.6 直流电动机的控新能源汽车技术 第 55 页3.2.6 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。电枢调压控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动发电动机组，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

34、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 55 页3.2.6 直流电动机的控新能源汽车技术 第 56 页3.2.6 直流电动机的控制2.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图3.14所示。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。磁场控制可用可变，也可采用可控整流电源作为励磁电源。 新能源汽车技术 第 56 页3.2.6 直流电动机的控新能源汽车技术 第 57

35、 页3.2.6 直流电动机的控制3.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。其转速控制特性如图所示。 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。 新能源汽车技术 第 57 页3.2.6 直流电动机的控新能源汽车技术 第 58 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，体积小，重量轻，可作成各种体积形状，高效率，高转矩

36、，高精度，数字式控制，是最理想的调速电动机之一，在电动汽车上有着广泛的应用前景。新能源汽车技术 第 58 页3.3 无刷直流电动机无刷新能源汽车技术 第 59 页3.3.1 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。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触式换相。显然，这种无刷直流电动机具有有刷直流电

37、动机的各种运行特性。新能源汽车技术 第 59 页3.3.1 无刷直流电动新能源汽车技术 第 60 页3.3.1 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。下面介绍的无刷直流电动机主要是指具有直流电动机特性的无刷直流电动机。新能源汽车技术 第 60 页3.3.1 无刷直流电动新能源汽车技术 第 61 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点 1无刷直流电

38、动机的结构无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器三部分组成。(1)电动机本体由定子和转子两部分组成。定子是电动机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯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。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。 新能源汽车技术 第 61 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 62 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点（2）电子换相器电子换相器是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。无刷直流电动

39、机本质上是自控同步电动机，电动机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产生旋转的定子磁场。无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是120度电角度的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。新能源汽车技术 第 62 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 63 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点而在开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。无刷直流电动机由于采用了自控式逆变器即电子换相器，电动机输入电

40、流的频率和电动机转速始终保持同步，电动机和逆变器不会产生震荡和失步，这也是无刷直流电动机的优点之一。一般来说，对电子换向器的基本要求是：结构简单；运行稳定可靠；体积小，重量轻；功耗小；能按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电动机的正反转；应能长期满足不同环境条件的要求。新能源汽车技术 第 63 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 64 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点（3）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置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息，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

41、与转子转角同步，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机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点，但其体积比较大，信噪比较低且输出为交流信号，需整流滤波后才能使用。光电式位置传感器性能比较稳定、体积小、重量轻，但对环境要求较高。磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效用，它对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。新能源汽车技术 第 64 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 65 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点2无刷直流电动机的特点

42、（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，仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的；（4）过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足电动汽车的突起堵转需要；新能源汽车技术 第 65 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 66 页3.3.2 无刷直流电动机结构与特点（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，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电动机

43、状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担；（6）体积小、重量轻、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 66 页3.3.2 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 67 页3.3.3 无刷直流电动机的工作原理 无刷直流电动机的工作原理与有刷直流电动机的工作原理基本相同。它是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

44、电动机转子旋转。同时，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。新能源汽车技术 第 67 页3.3.3 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 68 页3.3.3 无刷直流电动机的工作原理新能源汽车技术 第 68 页3.3.3 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 69 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、电动势和转速等。这些物理量的表达式与电动机气隙磁场分布、绕组形式有密切关系。下面以两相导通星型三相六状态为例，分析无刷直流电动机的电磁转矩、

45、电枢电流和电动势等特性。为了便于分析，不考虑开关管的开关动作的过渡和电枢绕组的电感。新能源汽车技术 第 69 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 70 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型1电枢绕组感应电动势单根导体在气隙磁场感应电动势为 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 70 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 71 页3.3.4 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

46、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 71 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 72 页3.3.4 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 72 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 73 页3.3.4 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 73 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 74 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型3电磁

47、转矩在任一时刻，电动机的电磁转矩 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。 则电磁转矩为 式中， 为转矩常数。新能源汽车技术 第 74 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 75 页3.3.4 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。通常，直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型。该方法既简单又具有较好的准确度。新能源汽车技术 第 75 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 76 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型为简化分析，建立无刷

48、直流电动机数学模型时，假设（1）电动机定子绕组为三项Y型接法，三相绕组完全对称；（2）转子磁钢的磁性能一致；（3）三相反电动势波形完全一致；（4）三相定子绕组的电阻、电感相同，且不受电流变化的影响；（5）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 76 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 77 页3.3.4 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 77 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 78 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型建立无刷直流电动机数学模型 1）电压方程 根据无刷直流电动机的

49、等效电路图，可以得到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 78 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 79 页3.3.4 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 79 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 80 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型2）电磁转矩方程无刷直

50、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 80 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 81 页3.3.4 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，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为120电角度，梯形波的反电动势的平顶部分也要持续120电角度以上，二者应严格同步。在理想情况下，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 81 页3.3.4 无刷直流

51、电动机新能源汽车技术 第 82 页3.3.4 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 82 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 83 页3.3.4 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 83 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 84 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型3）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

52、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 84 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 85 页3.3.4 无刷直流电动机的数学模型4）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 85 页3.3.4 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 86 页3.3.5 无刷直流电动机的控制1无刷直流电动机的控制方法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。（1）有位置传感器

53、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，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。新能源汽车技术 第 86 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 87 页3.3.5 无刷直流电动机的控制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。1）霍尔元件位置传感器将霍尔元件作为位置传感器时，将其安装在电动机气隙内的定子侧。随着转子的转动，穿过

54、霍尔元件的磁场强度将会发生周期性变化。霍尔元件的输出电动势也会相应的发生变化。通过检测这个电动势就可以获得电动机转子的位置。霍尔元件成本低，性能优良，是最为常用的一种电动机转子位置传感器。新能源汽车技术 第 87 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 88 页3.3.5 无刷直流电动机的控制2）磁敏晶体管位置传感器磁敏晶体管是一种对它所在位置的磁场强度大小敏感的半导体元件。常见的有磁敏二极管和磁敏三极管。以磁敏二极管为例，当给它加以正向偏置时，受外界磁场强度的影响，它的正向压降变化很显著。当磁敏二极管用作电动机转子位置传感器时，也安装在气隙内定子侧。转子旋转引起穿过磁敏二极管的磁场强

55、度发生变化，磁敏二极管的正向压降也随之发生变化，检测这个压降就可以确定电动机的转子位置。新能源汽车技术 第 88 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 89 页3.3.5 无刷直流电动机的控制 3）光电式位置传感器光电式位置传感器是利用光电效应而制成的，它与电动机同轴安装，由跟随电动机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光敏管组成，在遮光板上开有120左右电角度的透光缝。当转子旋转到一定的位置，遮光板挡住光源时，光电管只能通过“暗电流”。当透光缝转到光源与光电管之间时，光电管中流过“亮电流”。这样，遮光板随着转子位置信息就反映在了光电管中的电流上，检测光电管流过的电流就可以得到电动

56、机的转子位置信号。光电式位置传感器性能较稳定，但对使用环境的要求较高。新能源汽车技术 第 89 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 90 页3.3.5 无刷直流电动机的控制有位置传感器控制方法和控制电路都比较简单，控制系统成本低，获得了比较广泛的应用。然而，有位置传感器控制方法有其自身不可避免的许多缺点。由于位置传感器的存在，使电动机结构变得复杂，增加了电动机成本；电动机与控制部分的连接线增加，降低了系统的可靠性，且维修困难；在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性；若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏；

57、传感器的安装精度对电动机的运行性能有较大的影响，相对增加了生产工艺的难度。 由此可见，虽然有位置传感器的驱动方式简单、方便，但在很多特殊场合，无法使用传感器检测转子位置。因此位置传感器的存在，在一定程度上限制了无刷直流电动机的进一步推广和应用。新能源汽车技术 第 90 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 91 页3.3.5 无刷直流电动机的控制 （2）无位置传感器控制无刷直流电动机的无位置传感器控制，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。无刷直流电动机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感

58、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。为此，国内外的研究人员在这方面作了大量的研究工作，提出了多种转子位置信号检测方法，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。归纳起来，可以分为反电动势法、电感法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等。新能源汽车技术 第 91 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 92 页3.3.5 无刷直流电动机的控制反电动势法是通过检测电动机输出的反电动势来确定转子的位置，使电动机正确换相。现在的无传感器控制

59、中，大部分使用的是这种方法。按照对反电动势处理方法的不同，它又分为反电动势过零检测法、反电动势积分法、反电动势三次谐波法等。1）反电动势过零检测法在无刷直流电动机中，定子绕组的反电动势为梯形波，且正负交变；绕组反电动势发生过零后，延迟对应于30电角度的时间，即为电动机换相时刻。因此，只要检测到各相反电动势的过零点，即可获知转子的若干个关键位置，实现无位置传感器无刷直流电动机换相控制。新能源汽车技术 第 92 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 93 页3.3.5 无刷直流电动机的控制通常，无刷直流电动机运行中，在任意时刻逆变器中总有一相的功率管器件全部关断，处于悬空状态，绕组反电势

60、的过零点就发生在该相绕组悬空的时间段内，此时，只要检测绕组中相电压的变化，即可检测到反电势过零点。这种通过检测无刷直流电动机相电压获得反电动势的方法，由于成本或工艺的原因，大多数无刷直流电动机不引出绕组中点，反电动势过零检测法主要通过检测电动机端电压获取反电动势过零。其方法有低通滤波法、PWM关断检测法、数字计算法等。反电动势过零检测法是目前应用最广泛的无位置传感器无刷直流电动机控制方法。新能源汽车技术 第 93 页3.3.5 无刷直流电动机新能源汽车技术 第 94 页3.3.5 无刷直流电动机的控制2）反电动势积分法这种检测方法是通过电动机不导通相反电动势的积分来获取位置信息，当截止相反电动