新能源汽车基础：3车用驱动电机

第3章车用驱动电机概述直流电机交流异步电机永磁交流电机开关磁阻电机车辆电驱动系统的功用是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。组成：电气系统部分和机械部分电气系统由驱动电机、功率转换器和电子控制器组成。机械部分包括机械传动装置（可选）和车轮。第1节概述1.驱动电机的工作条件工作条件与一般工业电机有明显不同:（1）驱动电机的转速、转矩变化范围大。（2）驱动电机所处的使用环境恶劣。（3）车载的能量有限。2.对驱动电机的要求（1）低速时能输出大转矩，适应起动、加速、爬坡、频繁起停；基速以上可恒功率运行，以适应高速、超车等要求。（2）要求有较强的过载能力，能承受4~5倍的过载，以满足大强度加速与重负荷爬坡要求。（3）整个运行范围内有高效率，利于节能，延长续驶里程。（4）能高效回收制动反馈能量。（5）要求结构紧凑、体积小、重量轻、比功率高。（6）有良好的耐高温、耐潮湿能力和高可靠性。（7）结构简单，使用维护方便，成本较低。3、车用驱动电机类型直流电机交流异步电机永磁同步电机无刷直流电机开关磁阻电机第2节直流电机一、结构定子产生磁场。组成：机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置转子产生电磁转矩和感应电动势。组成：电枢铁心、电枢绕组、转轴和换向器二、直流电机工作原理电刷换向器三、直流电机类型按照产生磁场的方式分类，直流电机分为励磁式和永磁式。根据励磁方式的不同，励磁式直流电机分为他励式、并励式、串励式和复励式。

四、直流电机的机械特性电枢感应电动势：1、感应电动势和电磁转矩Ce为由电机结构决定的电动势常数，Φ为每极磁通，n为转子转速。电机电磁转矩：CT为由电机结构决定的转矩常数，Ia为电枢电流。Ea与每极磁通Φ和转速n成正比，Tem与每极磁通Φ和电枢电流Ia成正比2、他励直流电机机械特性电压平衡式机械特性：3、串励直流电机机械特性电压平衡方程式当负载较轻、磁路未饱和时，磁通与励磁电流成正比：负载较轻时的机械特性：4、复励直流电机机械特性1—他励2—串励3—复励五、直流电机的控制

电枢串电阻调速电枢电源降压调速弱磁调速1、直流电机的调速方法降压调速和弱磁调速配合的直流电机特性2、直流脉宽调制调速DC/DC转换器以斩波方式工作时，称为直流斩波器。通过周期性地快速开通、关断开关器件，把输入电压斩成一系列的脉冲电压，改变脉冲列的脉冲宽度或频率来调节输出电压的平均值。直流斩波器改变输出平均电压的方法有三种：

（1）脉冲宽度调制（Pulse

Width

Modulation，PWM）（2）脉冲频率调制（Pulse

Frequency

Modulation，PFW）

（3）两点式控制脉宽调制直流调速系统主电路六、直流电机的特点

优点：（1）起动性能好。具有较大的起动力矩，适用于重负载下起动的机械。用于驱动车辆可实现快速进步。（2）恒功率范围大，用于驱动车辆时可保证车辆的高速行驶能力。（3）调速性能好。可实现均匀平滑的无级调速，且具有较宽调速范围。（4）控制比较简单。直流电机易于建模，输入输出具有线性关系，可以单独控制励磁绕组电流和转子绕组电流来调节电机转速和转矩。（5）技术成熟，生产规模大，价格便宜。缺点：（1）换向器和电刷的存在，引起转矩波动，并限制转速的升高。（2）电刷带来摩擦与射频干扰。（3）由于磨损和断裂，换向器和电刷需定期维护。这些缺点使其可靠性较低且需经常维护，限制了在车辆驱动上的广泛应用。不过,由于低成本和易于控制，在低功率电动车辆如电动自行车和电动三轮车中仍然大量使用。第3节交流异步电机

一、交流异步电机结构

主要由定子、转子以及一些附件构成。1、定子定子铁心

：主磁路的组成部分，并嵌放定子绕组。由厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成。为了嵌放定子绕组，在定子冲片内圆周上均匀地冲制若干个形状相同的槽。由定子铁心、定子绕组、端盖、机座等组成。定子绕组：电机的电路部分。三相绕组由三个独立的绕组组成，在空间相差120°电角度。每个绕组又由若干线圈连接而成。定子绕组可以接成星形或三角形。机座：也是主磁路的组成部分。定子铁心固定在机座内，机座起着固定定子铁心的作用。端盖：装在机座两端，它起着保护电动机铁心和绕组端部的作用。2、转子

由转子铁心、转子绕组、转轴和轴承组成转子铁心：主磁路的组成部分。套压在转轴或转子支架上。由厚度为0.5mm的硅钢片叠装而成，转子铁心呈圆柱形，在外圆有均匀分布的槽用于嵌放转子绕组。按照绕组的形式不同，转子分为笼型转子和绕线型转子

笼型转子：由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。绕线型转子：三相对称绕组一般接成星形。三相绕线型绕组二、异步电动机的工作原理1、旋转磁场的产生若三相绕组连接成星形，在空间彼此相隔120°三相交流电波形合成磁场方向的变化2、异步电动机的转动原理定子（三相对称电流I通入三相对称绕组）圆形旋转磁场(ns=60fs/P)以ns

切割转子绕组转子导体受电磁力电磁转距转动（n）（右手定则）(左手定则)定子三相绕组接入三相对称交流电网；转子绕组对称短路。电机转速和旋转磁场同步转速的关系电动机转速:电机转子转动方向与磁场旋转的方向一致，但

异步电动机无转矩转子与旋转磁场间没有相对运动无转子电势（转子导体不切割磁力线）无转子电流提示：如果三.交流异步电机机械特性交流异步电机等效电路机械特性的表达式：四、交流异步电机控制交流异步电机的调速方法

交流异步电机的矢量控制坐标变换静止三相和两相绕组坐标系旋转两相和静止两相绕组坐标系交流异步电机矢量控制系统结构3/2—三相/两相变换；VR—同步旋转变换；—M轴与轴的夹角；ω—电机角速度交流异步电机矢量控制结构图交流异步电机坐标变换结构交流异步电机的直接转矩控制直接转矩控制直接将定子磁链和转矩作为控制变量，无需进行磁场定向、矢量变换和电流控制，因此更为简捷和快速，进一步提高了系统的动态响应能力。五、交流异步电动机的特点优点:（1）结构简单、体积小、重量轻。在相同功率的条件下，交流异步电机重量约为直流电机的一半。（2）由于无电刷和换向器，没有换向的电火花问题，所以交流异步电机运行可靠，维护方便，使用寿命长。（3）效率高于有刷直流电机。（4）由于技术成熟、应用广泛，目前已有大规模生产，故成本较低。不足：（1）由于转子转速与旋转磁场同步转速有转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电动机经济、方便。（2）运行时从电力系统吸取无功功率以建立磁场，因此功率因数较低。（3）交流异步电机是多变量的非线性系统，控制比较复杂。第4节永磁交流电机根据输入电机接线端的交流波形，永磁交流电机分为：永磁同步电机（Permanentmagnetsynchronousmoter，PMSM）：输入的是交流正弦电流。无刷直流电机（BrushlessDCmotor，BDCM）：输入的是交流方波电流。一、永磁同步电机

1、结构与工作原理

定子绕组接入交流电产生旋转磁场，转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场转速取决于电源频率。主要由定子、转子及一些相关附件组成。定子结构与交流异步电机类似，由定子铁心和定子绕组构成。转子结构与交流异步电机转子有很大不同，除了包含铁心外，用永磁体取代了电枢绕组。

根据永磁体在转子上的安装位置，转子结构分为表面式和内置式。

表面式：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。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种。内置式。可保持高速运行时的转子的机械完整性。按永磁体提供磁通的方向，又可分为径向式、切向式和混合式。

2、永磁同步电机特点优点：（1）采用永磁体转子而省去了绕组线圈、滑环和电刷，结构简单，运行可靠。（2）转子无绕组，无铜损，定子电流和铜损较小，电机效率高。（3）电机转速与磁场保持同步，控制电源频率就能控制电机的转速，电机的调速范围宽。（4）具有较硬的机械特性，对于因负载变化而引起的电机转矩扰动具有较强的承受能力，适用于负载转矩变化较大的场合。（5）体积小、重量轻。（6）结构多样化，应用范围广。

二、无刷直流电机如果交换永磁直流电机的定子和转子，永磁体磁极放在转子上，而原本的永磁体定子换成绕组，为使定子绕组中的电流方向能随其线圈边所在处的磁场极性交替变化，将定子绕组与电力电子器件构成的逆变器连接，并安装转子位置检测器，以检测转子磁极的空间位置，根据转子磁极的空间位置控制逆变器中功率开关器件的通断，从而控制电枢绕组的导通情况及绕组电流的方向，替代有刷直流机的换向功能。采用以上措施的电机就是无刷直流电机。具有直流电机运行特性。1、无刷直流电机的引入2、无刷直流电机结构(1)电动机本体。由定子和转子两部分组成。(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。(3)位置传感器。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，用于控制定子绕组换相。

无刷直流电机换向器电路3、无刷直流电机机械特性4、无刷直流电机的特点优点：（1）体积小、重量轻、比功率大，用于电动车辆时可有效地减轻重量、节省空间。（2）运行转速范围宽，由于没有换向器和电刷造成的换向火花和电磁干扰，电机可高速运行。（3）具有低转速下转大矩的特性，起动性能好，符合车辆对起步加速的转矩特性要求。（4）发热集中于定子，易于散热，转子采用永磁体，无绕组无铜损，电机效率高。（5）控制方法比交流异步电动机简单。不足：（1）由于定子磁场换向的不连续，电机电磁转矩的波动比异步电机和直流电机都要大。（2）电机需要安装位置传感器、转子使用永磁体、控制器的电子器件较多等因素使得电机成本目前还较高。第5节开关磁阻电机

一、开关磁阻电机结构

由定子、转子、功率开关构成。定子和转子均为成对的凸极结构，由硅钢片叠压而成。转子和定子径向都必须对称，凸极个数为偶数。定子凸极有集中绕组，径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，形成一相绕组。转子上无绕组。

1-转子，2-接线盒（内含功率开关），3-定子定子和转子凸极数不相等，但应尽量接近，原因是当定子和转子级数相近时，就可能加大定子相绕组电感随转角的平均变化率，这是提高电机出力的重要因素。

开关磁阻电机定子、转子级数方案相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角(度)3015964.283.212.5四相开关磁阻电机功率开关电路二、开关磁阻电机工作原理遵循磁通总是沿磁阻最小路径闭合的原理。当定、转子凸极中心线不重合，磁场磁力线是扭曲的，磁阻不是最小，这时磁场就会产生磁拉力，形成磁阻转矩，试图使相近的转子凸极旋转到与定子凸极中心线对齐，即磁阻最小的位置。

假定定子绕组为m相，定子凸极数Ns=2m，转子凸极数为Nr。当定子绕组切换通电一次时，转子转过一个凸极齿距。定子需要切换通电Nr次，转子旋转一周。电机转速n(r/min)与相绕组的开关频率f之间的关系为给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率fD三、开关磁阻电机的运行分析

如不计磁场边缘扩散效应，相绕组电感L随转子位置θ的变化关系近似为一梯形波：四相开关磁阻电机功率开关电路右式第一项为平衡绕组中变压器电势的压降；第二项为电阻压降；第三项为旋转电势所引起的压降，只在电感随转子位置而变时才存在，其方向与电感随θ的变化率有关：当电感随θ的增大而增大时为正，当电感随θ角的增大而减小时为负。第一段第二段第三段第四段第五段相电流波形四、开关磁阻电机的控制角度位置控制（APC