车用电机原理及应用 第2版 课件全套 1-10 绪论、直流电机原理与建模 -交流电机控制

绪论车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE了解电机技术发展的历史了解电机技术的应用掌握电机的定义了解电能控制技术应用的背景了解电机的基本分类了解本课程的安排美国一次能源消费结构中国一次能源消费结构变化预测结论：

电能作为最为灵活的二次能源，

是未来可再生能源利用的最可能的载体。电机的定义：

电能与机械能相互转化的装置。在你的专业中或生活中哪些地方要用到电机？电机技术的发展-第一阶段英国物理学家、化学家法拉第（1791-1867）“电磁转动”他将导线放置于内嵌磁铁的汞池之中，利用化学电池在导线中通入持续电流，此时导线绕着磁铁旋转。“法拉第盘”1831年，法拉第利用电磁感应现象，发明了法拉第圆盘发电机。法拉第盘的主体是一导电圆盘，当该导电圆盘在垂直于磁场的平面内旋转时，其半径切割磁场的磁力线，在圆心与圆周之间产生感应电动势。电能机械能机械能电能俄籍物理学家楞次（1804-1865）《电动机与发电机的可逆性》电机技术的发展-第二阶段美籍物理学家特斯拉（1856-1943）电池十九世纪八十年代，特斯拉发明了交流电以克服直流发电不适用于远距离传输的问题，交流输电开始逐步被接受。1888年，俄国电工科学家多利沃-多布罗沃利斯基制成了一台功率为2.2千瓦的交流发电机，这是世界上第一台可实用化的三相交流异步电机直流电机能量密度成本……输电效率高压交流电机80%*（

60%*电能利用=电机消耗）=交流异步电消耗机交流输电电动模型车（1935）电机技术的发展-第三阶段电网交流电动机交流发电机50/60Hz供电频率供电相角电力电子技术（变频技术）利用功率半导体实现高性能的电能变换电机技术的发展-第三阶段电机变频器电源2023.3电机的特点功率、转速范围广：从毫瓦级到百万瓦级；响应速度快：是内燃机和汽轮机的10倍以上；设计灵活：可以被设计成各种形式：蝶形、筒形、直线形等；环境友好：无排放污染，振动噪声小；控制灵活：可以实现扭矩（力）和转速（速度）大小方向的灵活控制；运行效率高：效率特性均匀，空载和待机模式下损耗小；课程安排上课时间：1-12,星期五第3,4节南岭-逸夫楼-B314;答疑时间：星期五中午12：30-1：30能动楼413考核方式课堂考勤(50%)+大作业(50%)电力电子PWM技术原理（第5章）电力电子电路的实现（6.2-6.3）整流与逆变电路（6.4）电力电子电路的散热设计（6.5）直流电机直流电机的工作原理（第2章）直流电机的建模（3.1-3.2）直流电机的控制（3.3-3.4）交流电机交流电机的工作原理及分类（第7章）永磁同步电机的建模（第9章）永磁同步电机矢量控制（10.1）三相交流逆变电路的原理及应用（10.3-10.4）永磁同步电机的效率特性与外特性（8.4）感应电机的原理与矢量控制（第11章）袁新枚等.车用电机原理及应用.北京：机械工业出版社，2016或袁新枚等.车用电机原理及应用（第二版）北京：机械工业出版社，2023参考资料李永东.交流电机数字控制系统北京：机械工业出版社，2012Seung-KiSul.ControlofElectricMachineDriveSystems张永昌等译电机传动系统控制.北京：机械工业出版社，2014电机的分类根据电源性质直流电机交流电机___交流同步电机|_交流异步电机根据能量传递转换的功能发电机电动机根据运动的形式旋转电机直线电机电机的应用转矩输出（牵引负载）汽车驱动转向助力高铁电力航母……转速控制（流体负载）CPU风扇发动机油泵，水泵……位置控制（位能负载）电梯机器人手臂数控机床……B.Sarlioglu,C.T.Morris,D.Han,andS.Li,"DrivingTowardAccessibility:AReviewofTechnologicalImprovementsforElectricMachines,PowerElectronics,andBatteriesforElectricandHybridVehicles,"IEEEIndustryApplicationsMagazine,vol.23,pp.14-25,2017.电机的应用电机的分类Tasla——inductionmotor

直流电机异步感应电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度2.54.553.5效率2.54.553.5可控性554.53可靠性3545技术成熟度554.54成本444.54Pruis——PMSMmotorPruis——PMSMmotor电机的应用起动机48V系统电子节气门发电机电控喷嘴电动助力转向（EPS）电驱动悬架大电机与小电机大电机额定功率700MW额定电压

20kV额定电流

22.5kA小电机谢谢！

欢迎提问直流电机原理与建模车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE理解直流电机换向器的工作原理掌握直流电机的等效电路与建模了解直流电机的基本结构理解电机发电和电动的物理过程电磁学复习电磁感应定律感应电动势的大小与其交链的磁通的变化率成正比

电磁学复习洛伦兹力磁场对运动电荷的作用力

洛伦兹力在电路中的宏观描述

电机能量转换背后的电磁原理电磁感应定律

洛伦兹力

右手定则左手定则

电能

机械能

直流电机的结构定子stator转子rotor换向器commutator电枢绕组Armaturewinding车用直流电机——起动机定子stator转子rotor电枢绕组Armaturewinding换向器commutator励磁绕组Excitingwinding直流电机的励磁形式直流电机换向器的工作原理电枢绕组Armaturewinding换向器commutator

问题：如果直流电机只有一个线圈，在电动状态下会有什么问题？如果直流电机有多个线圈，可以解决以上问题么？直流电机换向器的工作原理换向器commutator直流电机的建模建模的目的？模型的形式？代数方程和微分方程的区别？模型的求解？通过对自动控制原理的学习，是否可以回答一下问题直流电机的建模

电能

机械能

电压方程转矩方程反电势方程直流电机的建模机械运动方程

问题：当上式导数为0时，物理意义是什么？若假设传动轴阻尼与转速成正比，则以上运动方程变为：

直流电机的建模直流电机稳态工作点计算

大作业1微分方程求解（大作业使用）

前向欧拉法ForwardEulerMethods后向欧拉法BackwardEulerMethods龙格库塔法Runge-KuttaMethods……大作业编程示例状态变量电机参数求解步长输入电压谢谢！

欢迎提问直流电机的控制车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE直流电机电流控制直流电机速度/位置控制直流电机状态反馈控制的物理意义直流电机模型的状态框图表示直流电机模型的状态框图表示

主动阻尼控制典型的电机电流闭环控制速度/位置梯级控制

Cascadedcontrol速度/位置梯级控制

Cascadedcontrol问题：位置环控制和转速环控制的区别？谢谢！

欢迎提问电机的外特性与效率特性车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE了解电机效率分布特性了解电机损耗的主要构成了解电机外特性的形状和物理背景直流电机的外特性外特性-------

电气限制电流限制：电压限制：

励磁限制：

转矩限制

转速限制

？最大转矩：

最大转速：

？

问题：是否能达到更高的转速弱磁控制

当R足够小

直流电机的峰值转矩与峰值功率直流电机的损耗电能损耗磁场能损耗

机械能损耗

绕组：焦耳热损耗

铁心/永磁体：磁损耗（涡流损耗/磁滞损耗）

轴承：摩擦损耗从能量角度分析电机的损耗来源电能损耗（铜耗）

电枢绕组励磁绕组直流电机的损耗磁场能损耗涡流损耗磁滞损耗直流电机的损耗磁滞损耗进一步理解在交流磁场的作用下，由于导磁物质的磁滞现象会引起磁场能量的损耗，称为磁滞损耗设有一环形铁芯，周长为L，截面积为A，在其上缠绕N匝线圈，求当线圈中通入交流电流I时，分析此时能量的流动情况。麦克斯韦方程组：安培环路定理麦克斯韦方程组：电磁感应定理电功率的计算：

直流电机的损耗总损耗

铁耗机械损耗

铜耗

输入功率

电机效率

永磁电机可近似为：交流电机的损耗分布实例铜耗分布铁耗分布效率分布Puris实测效率分布谢谢！

欢迎提问PWM技术与直流变换电路车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE掌握占空比的计算和PWM算法实现过程掌握单极双掷开关的基本概念理解PWM调制的原理理解调制的需求和难度掌握Buck电路的工作原理调制的需求电动汽车家用电器恒定电源变化需求调制生活中的PWM调制如何将倒啤酒的过程用数学的方式表达出来？用同样的思路表达倒饮料的过程？从PAM到PWMPAM（pulseamplitudemodulation）数字信号模拟信号PAM（pulseamplitudemodulation）PWM（pulsewidthmodulation）脉冲宽度调制技术简称脉宽调制，是将模拟信号转换为脉冲波的一种技术。一般脉冲持续时间是根据模拟信号的幅值来决定的。24pulses240pulsesPWM的描述周期（频率）:周期性重复的脉冲序列中，两个相邻的脉冲之间的时间间隔占空比:周期电信号中有电信号输出的时间与整个信号周期之比，即：占空比=TD/T即电信号不为“0”的时间D=A*/A离散化数字化问题：尝试利用以下模块在SIMULINK软件中产生正弦PWM波，并通过滤波验证PWM的控制效果：正弦PWM的调制正弦PWM的调制SIMULINK仿真单极双掷开关与Buck电路throwpolePWM应用举例——LED调光LED调光电路PWM应用举例——车载充电器Thanks!QuestionsandComments电力电子技术基础车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE了解电力电子器件散热计算的基本方法了解典型的电力电子器件理解电力电子的基本概念和应用场景掌握单极双掷开关四象限的实现原理电力电子技术概述利用功率开关器件，实现弱电信号对强电功率流动的控制常见的电力电子技术常见的电力电子技术常见的电力电子技术电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件电力电子器件HybridPACK™DriveAutomotiveCoolSiC™MOSFETInfineon（Video）电力电子技术在电动汽车中的应用电力电子技术在电动汽车中的应用Maininverter电力电子技术在电动汽车中的应用High-voltagetolow-voltageDC-DCconverter电力电子技术在电动汽车中的应用On-boardcharger电力电子技术在电动汽车中的应用High-voltageheater电力电子技术在电动汽车中的应用电流可以双向流动电流自上向下方向唯一电流自上向下方向唯一MOSFET/SiCMOSFETMOSFET一般应用电压较低Buck电路中单极双掷开关的实现MOSFET 开通二极管

关断MOSFET电压 0二极管电压

负压二极管电流 0MOSFET 关断二极管

开通MOSFET电压

正压MOSFET电流 0 二极管电流

正向单极双掷开关的四象限实现方式整流电路不控全桥整流电路

在整流电路输出端并联电容的影响

直交逆变电路电力电子器件的损耗应用热路法进行散热系统匹配计算Thanks!QuestionsandComments从直流到交流——无刷直流电机车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE无刷直流电机的工作原理从直流电机到无刷直流电机的技术逻辑无刷直流电机与直流电机的区别无刷直流电机广泛应用海尔（Haier)滚筒洗衣机全自动10公斤大容量BLDC变频电机EG100MATE2S（京东100万+评价）九号（Ninebot）九号电动车远行者F90（京东2万+评价）无刷直流电机的工作原理转子位置检测开关通断无刷直流电机控制实现PIC18Fxx31无刷直流与直流电机对比分析直流电机无刷直流电机结构转子电枢绕组机械换向器定子电枢绕组电力电子换向,位置传感器*控制可直接驱动需控制器驱动转矩密度低高定转子磁场近似静止旋转共同点系统成本低、控制算法简单、转矩波动相对明显Thanks!QuestionsandComments交流电机原理概述车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE交流电机的分类交流电与旋转磁场的关系基于磁路的电机磁场计算补充知识——磁路计算原理概述磁通（Magneticflux）磁动势（Magnetomotiveforce-MMF）磁阻（Magneticreluctance/magneticresistance）电动势（Electromotiveforce-EMF）单位：ampere-turn安培环路定律单位：weber(volt-seconds)电流（Current）单位：ampere-turnsperweber（均匀介质）电阻（resistance）欧姆定律霍普金斯定律补充知识——磁路计算原理概述继电器磁路计算交流电枢绕组的磁动势XA+A

补充知识——频域分解JeanBaptisteJosephFourier电枢绕组磁动势的频域分解XA+A矩形波关于纵轴和横轴都对称，所以分解后只有奇数次的余弦项电枢绕组磁动势的频域分解

基波磁动势：三次谐波磁动势：五次谐波磁动势：

电流交变时的基波磁动势

电流交变时的基波磁动势

三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组空间上互差120°电角度三相电流时间上互差120电角度

三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组基波磁动势：

解析推导三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组三次谐波磁动势：？

三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组基波磁动势的分解

三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组基波磁动势的向量表示方法如何应用向量表示法计算三相绕组基波磁动势？交流电机的分类异步电机同步电机交流电机的分类同步电机异步电机励磁形式外部电励磁永磁外部电励磁磁场感应常见应用交流发电机伺服、牵引等风力发电风机、水泵等

一般Thanks!QuestionsandComments交流电机建模车用电机原理及应用PrinciplesandApplicationsofAutomotiveElectricMotorsOUTLINE理解旋转坐标系下永磁同步电机的数学模型了解不同坐标系下交流电机建模的基本原理和结构永磁同步电机的转矩表达式电机数学模型的基本结构回顾直流电机模型输入输出映射关系表达式1.电压*、反电动势 1.电流2.电流 2.转矩3.转矩、负载* 3.转速4.转速 4.反电动势1.电压方程2.转矩方程3.机械运动方程4.反电动势方程交流电机相比直流电机，哪些方程有变化？自然坐标系下交流电机的电压方程回顾：直流电机电压方程

自然坐标系下交流电机的磁链方程

自然坐标系下交流电机的电压方程的哪部分计算最麻烦？从空间矢量角度理解自然坐标系下交流电机中的物理量

三相两相正交坐标系变换（Clark变换）定子坐标系->静止正交坐标系

正交坐标系下交流电机的电压方程

正交坐标系下交流电机的磁链方程

正交坐标系下的方程还有哪里比较麻烦，能进一步简化么?旋转坐标系变换（PARK变换）

旋转坐标系下交流电机