《电动汽车结构与检修》教案 4.2电动汽车驱动电机的结构原理及拆装（6课时）

《电动汽车电气设备构造与检修》电子教案PAGEPAGEPAGE2《电动汽车电气设备构造与检修》教案课题4.2电动汽车驱动电机的结构及拆装课时安排6课时授课班级21新能源2班授课类型讲授型理论+实践学情分析1.知识：对电动汽车驱动电机系统有了一个初步的认知，为驱动电机结构及工作原理的学习奠定理论基础。2.学习者：中职学生思维活跃，接受新生事物的能力较强，具有较大的可塑性。其次，中职生对新知识有极大地兴趣，具有较强的学习动机。3.教学方法与策略：采用项目教学策略，创设教学任务情景，理论实践一体化学习方式，达到理论知识和实践操作的融会贯通，从而提升学习者的综合职业技能。4.职业发展：明确学员的职业发展方向，引导学员树立正确的人生观和价值观。内容分析1.项目化教学设计：突出以工作过程为导向，以工作成效构成模块为主线，以职业能力为核心；教材结构着重反映产品构造和技能点，把工作岗位所需技能分成若干单元，从每个单元中选取若干典型任务，每个学习任务采用实例分析或案例导入的形式，通过学以致用的方式激励学生的学习兴趣。2.技能训练的设计：以行动导向展开，让学生以个体或小组合作的方式围绕明确的学习目标，通过完成一系列的综合性任务，掌握新的知识与技能、提高综合职业能力。实现“行动过程完整”（获取信息、制定计划、实施计划和行动反馈）和“手脑并用”（理论实践一体化学习）的教学方法。教学目标知识目标：1.理解直流电机、永磁电机、交感电机的结构与工作原理。2.能够简单区分直流电机、永磁电机、交感电机。3.了解三种电机的各自特点。技能目标：1.能识别电动机（直流电机、永磁电机、交感电机）的结构与零件2.能正确拆卸组装电动机（直流电机、永磁电机、交感电机）3.能够合作完成驱动电机的就车拆装。素养目标：树立严谨的工作态度养成团队协作的习惯课程思政结合汽车驱动电机的工作特点，对其精准高效有着特殊的要求，树立精益求精、执着专注的工作作风。教学重点直流电机、永磁电机、交感电机的结构教学难点直流电机、永磁电机、交感电机的工作原理教学方法讲授法、演示法、项目教学法、任务驱动法、实践教学法学习方法自主学习法、小组协作学习法、探究性学习法、行动学习法教具准备多媒体教室、汽车维修教学实训室、汽车设备相关实物电动机（直流电机、永磁电机、交感电机）实物教学过程（6课时）环节时长教师活动学生活动设计意图课前自主学习1.在学习通上传自主学习资料2.布置课前学习任务完成学习通平台任务1.借助网络教学平台实现线上线下无缝对接，提高课堂教学效率2.帮助学生了解知识架构，认识自身知识薄弱点，提升自主学习的能力。课程导入（5分钟）引导学生将电机重新编号入库。驱动电机是汽车的主要动力输出装置，汽车缺少了他无法正常行驶。今天配件仓库订回了三种配件编码丢失的不同电机，请结合本学习目标对三种不同电机进行识别,并重新编号入库。明确学习目标学习任务导入直流电机的结构及工作原理（30分钟）1.直流电机的结构直流电机主要有有刷直流电机和无刷直流电机两种，特别是无刷直流电机以其出色的工作特性在纯电动低速车中应用广泛，故对无刷直流电机构成及工作原理进行介绍。电机的结构应由定子和转子两大部分组成。运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。如图4-8无刷直流电机基本结构图。图4-8无刷直流电机基本结构图1——电机定子2——电机转子3——位置传感器4——轴承主转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部件，它由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。如图4-9(a)和(b)所示。第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式;第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。图4-9转子结构1——永磁体2——转子铁芯3——转子转轴定子是电机本体的静止部分，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、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。定子是无刷直流电动机的电枢。某电机拆解后定子铁芯如图4-10所示。2.直流电机的工作原理无刷直流电机的工作原理：如图4-13所示，直流电源给开关线路（驱动器）供电，驱动器根据位置传感器反馈的转子极性和转速信号，控制驱动器内的晶体管开关，给电机定子三相绕组提供方波电源，从而驱动转子运转。图4-13无刷直流电机的工作原理框图无刷直流电机定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，图4-14为定子绕组联结方式，后面将以常用的三相星形联结作为模型，说明其工作原理。图4-14定子绕组联结方式图4-14显示了定子绕组联结方式，三个极绕组通过中心的连接点以”Y”型的方式被联结在一起。整个电机就引出三根线通电时，有6种情況，分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB的顺序。第一阶段：AB相通(如图4-15所示)：图4-15AB相通电当AB相通电，则A极线圏产生的磁感线方向如图4-15所示，B极产生的磁感线方向如图蓝色箭头所示，产生的合力方向即为绿色箭头所示，假设其中有一个永磁体，则根据“中间的转子会尽量使自己内部的磁感线方向与外磁感线方向保持一致”，则N极方向会与绿色箭头所示方向重合。第二阶段：AC相通电（如图4-16所示）图4-16AC相通电第三阶段：BC相通电(如图4-17所示)图4-17BC相通电其中第二、三阶段原理与第一阶段相同，可以类推，转子永磁体的状态如图4-18所示：图4-18转子永磁体状态图每个过程转子旋转60度，6个过程即完成了完整转动，其中6次换相。对于多级的无刷直流电机工作原理与上述单级原理类似，相当于每转换相次数增加，通电频率提高。3.无刷直流电机的特点1）具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；2）体积小、重量轻、输出扭矩大，适合中小功率电机；3）控制较为简单，无级调速，调速范围广，过载能力较强；4）效率较高，可靠性较高，维修与保养简单，成本较低低；5）有一定噪音和振动；观摩学习或看视频动画，熟悉无刷直流电机的结构与工作原理实物演示，熟悉电动机结构，并能正确拆卸与组装永磁同步电机的结构及工作原理（25分钟）1.永磁同步电机的结构永磁同步电动机（英文名称为permanentmag⁃netsynchronousmotor，简称PMSM），图4-19的永磁同步电机主要由转子、端盖及定子等各部件组成。永磁同步电动机的定子结构与普通的感应电动机的结构非常相似，转子结构与异步电动机的最大不同是在转子上放有高质量的永磁体磁极，根据在转子上安放永磁体的位置的不同，永磁同步电动机通常被分为表面式转子结构和内置式转子结构，永磁同步电机切面如图4-20所示图4-19永磁同步电机结构图4-20永磁同步电机切面图永磁同步电机定子由定子铁芯和定子绕组组成，用于产生同步旋转磁场。定子的作用是在电机工作过程中产生磁场。向三相定子绕组通入对称三相交流电后，就产生了一个以同步转速沿定子和转子内圆空间旋转的旋转磁场。三相永磁同步电机与三相交流异步电机的定子，定子铁芯和定子绕组构成如图4-21所示，在结构上区别不大。图4-21定子铁芯和定子绕组构成永磁同步电机转子如图4-22主要有永久磁体、转子铁芯和转轴构成。三相永磁同步电机永磁体转子铁芯仍需用硅钢片叠成，比三相交流异步电机的转子结构会更复杂，是具有永久磁体这一明显特征，下面介绍几种主要形式。图4-22永磁同步电机转子第一种形式：就是一个安装有永磁体磁极的转子，永磁体磁极安装在转子铁芯圆周表面上，称为表面凸出式永磁转子。磁极的极性与磁通走向如图4-23所示：图4-23表贴式第二种形式：永磁体磁极嵌装在转子铁芯表面，称为表面嵌入式永磁转子。磁极的极性与磁通走向如图4-24所示：图4-24表面嵌入式第三种形式：在较大的电机用得较多是在转子内部嵌入永磁体，称为内埋式永磁转子（或称为内置式永磁转子或内嵌式永磁转子），永磁体嵌装在转子铁芯内部，铁芯内开有安装永磁体的槽，永磁体的布置主要方式如图4-25所示，在每一种形式中又有采用多层永磁体进行组合的方式。图4-25内嵌式2.永磁同步电机的工作原理永磁同步电机内一般安装有旋转变压器（旋变），如图4-26所示，是一种电磁式传感器，用于检测转子的位置和转速。旋变的原理基本上和变压器是一样的。旋变的铁芯是分开的，先假定2个铁芯间的空隙。因为磁通能透过空隙的，所以和1个铁芯是一样的。当第1侧绕组输入交流电压，第2侧就能输出交流电压。在此，第2侧绕组向右与磁通互联时。我们就假定输出电压和输入电压的相位，是同一相位（同相）。2个铁芯，如果当1侧铁芯发生旋转时，1、2侧铁芯相对位置发生变化时，1侧铁芯的磁通就难以到达2侧铁芯。这个结果，就导致了2侧绕阻的磁通互联减少、输出电压也变小。图4-26旋变原理图永磁同步电机的旋变采用磁阻式旋变，其转子就是一个转子铁芯，没有转子绕阻。转子用铁芯制成特殊形状，根据转子铁芯与定子铁芯之间间隙，而使输出电压发生振幅变化（振幅变调型），如图4-27所示。图4-27永磁同步电机的旋变永磁同步电机就是一种电磁铁磁场和永磁体磁场相互牵引产生力和运动的装置如图4-28所示。图4-28永磁同步电机工作原理由于电机定子三相绕组中接入三相对称交流电产生旋转磁场。根据磁极异性相吸、同性相斥的原理，不论定子旋转磁极与永磁磁极起始相对位置如何，定子的旋转磁极总会由于磁力拖着转子同步旋转，如图4-29所示。图4-29三相对称交流电产生旋转磁场永磁同步电机中电磁转化及能量传递过程如图4-30所示。图4-30能量传递图3.永磁同步电机特点：1）体积小，重量轻，高功率密度。高性能的超强永磁材料的应用，使得永磁电机体积和重量大幅减小，功率密度至少为普通三相异步电机的1.5倍以上。2）高效节能。因励磁磁场由永磁体提供，永磁转子不需要励磁，效率可高达90%以上。与异步电机相比，高效率运行转速范围宽，节能显著。尤其在低转速运行时，优势更加明显。3）温升较低，由于永磁电机效率高，转子绕组中不存在电阻损耗，定子绕组中较少有或几乎不存在无功电流，使电机温升低，延长了电机的使用寿命。4）响应快速、调速范围宽、可靠较高，噪音较小，运行平稳，适合中高功率的场合。目前电动乘用车普遍采用永磁同步电机。5）要使用一定量的永磁体，成本较三相异步电机高，且永磁体高温下易产生不可逆退磁，可靠性较三相异步电动机低。观摩学习或看视频动画，熟悉永磁同步电机的结构与工作原理实物演示，熟悉电动机结构，并能正确拆卸与组装交流感应异步电机的结构及工作原理（30分钟）3．交流感应异步电机的结构及工作原理三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成。定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。定子铁心一般由0.3~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。机座作用是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。端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.3~0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。一般交流感应电机外形如图4-31所示，图4-32为交流感应电机内部结构图。图4-31交流感应电机外形图图4-32交流感应电机内部结构图定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，即三相交流绕组，接入三相交流电源就可产生旋转磁场，图4-33为电机定子结构图，图4-34为转子结构图，图4-35显示了转子铁芯和定子铁芯有硅钢片叠成。图4-33定子结构图图4-34转子结构图图4-35转子铁芯和定子铁芯有硅钢片叠成转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。（2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。图4-36是鼠笼型异步电动机转子（铜条）鼠笼型异步电动机转子（铸铝）。图4-36鼠笼型异步电动机转子（铜条）鼠笼型异步电动机转子（铸铝）绕组式转子结构如图4-37所示：图4-37绕组式转子结构2.交流感应异步电机的工作原理交流感应电机工作原理如图4-38所示：1）三相对称绕组通三相交流电产生旋转磁场。图4-38交流感应电机工作原理2）由于旋转磁场不断切割转子