新能源汽车电机与控制器 课件 第1、2章 汽车电机绪论、电磁基础

绪论第1章新能源汽车定义为：采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车。

新能源汽车主要包括：纯电动汽车（EV）、插电式混合动力汽车（PHEV）及燃料电池汽车（FCEV）。新能源汽车的三电1.1新能源汽车的概念和种类1.纯电动汽车

纯电动汽车是指行驶动力全部来自电机的汽车，电机的驱动电能来源于车载可充电的动力电池组或其他电能储存装置。2.混合动力电动汽车根据混合动力驱动的联结方式，一般把混合动力汽车分为三类：①串联式混合动力汽车（SHEV）主要由发动机、发电机、驱动电机等三大动力总成用串联方式组成了HEV的动力系统。在串联式混合动力设计中，车辆的驱动仅仅是由驱动电机来单独完成的，动力电池的电能来自外部电源和内燃机进行充电。②并联式混合动力汽车（PHEV）的发动机和驱动电机都是动力总成，两大动力总成的功率可以互相叠加输出，也可以单独输出。③混动式混合动力汽车（PSHEV）综合了串联式和并联式的结构而组成的电动汽车，主要由发动机、电动－发电机和驱动电机三大动力总成组成。3.燃料电池电动汽车

燃料电池电动汽车的动力系统主要由燃料电池发动机、燃料箱（氢瓶）、电机、动力电池组等组成，采用燃料电池发动机发电作为主要能量源，通过电机驱动汽车行驶。燃料电池是利用氢气和氧气（或空气）在催化剂的作用下直接经电化学反应产生电能的装置。1.2电机在新能源汽车上的应用和分类汽车电机是一种在汽车上进行机械能和电能的转换的电磁机械装置。汽车电机可分为传统汽车使用的汽车发电机，起动机，刮水器、车窗、座椅、空调等微特电机和电动汽车驱动电机。1.2.2汽车电机分类1.2.1电机在新能源汽车上的应用1．驱动电机图1-1驱动电机表1-1

汽车电机和工业用电机主要区别项目工业应用车辆应用

封装尺寸空间不受限制，可用标准封装配套各种应用布置空间有限，必须根据具体产品进行特殊设计工作环境环境温度适中（-20~+40℃）；静止应用，振动较小温度变化大（-40

~

+105℃）；振动剧烈可靠性要求较高，以保证生产效率很高，以保障乘车者安全冷却方式通常为风冷（体积大）通常为水冷（体积小）控制性能动态性能要求不高需要快速的力矩响应控制，动态性能较好功率密度较低（0.2kW/kg）较高（3.8-4.5kW/kg）2．控制电机据统计，目前的一辆高档电驱动轿车中安装有多达120台的电机，这些电机遍布整车的不同应用，从底盘系统中的电动转向助力（

EPS）、主动悬架、制动防抱死系统（

ABS）、电子驻车系统，到前照灯随动（

AFS）、车窗刮水器、电动车窗、电动后视镜、电动座椅等，如图1-2所示，已为汽车电控系统中最为重要的执行器部件。可以预见，未来更多更高性能的车用电控执门也都将通过电机来完成。

a）发电机

b）座椅电机c）电动助力转向（EPS）

d）电驱动悬架图1-2典型汽车用控制电机1.4.2各类型汽车电机对比项目交流异步电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度一般高较高转矩转速特性好好好最高转速范围（r/min）9000-1800015000-3000018000调速性能好好好功率单元通常为三相通常为三相四相或六相位置传感器相对位置绝对位置绝对位置可靠性高一般高结构坚固性好一般好尺寸及重量一般，一般小，轻较小，较轻电机成本较低高较低控制器成本高高高1.直流电机(DCMotor)有刷直流电机，控制技术成熟，在电力电子技术出现前，直流电动机驱动普遍应用。工作原理是通过机械开关的调节来控制串联的动力电池组的数量，实际是通过改变两端的电压大小实现有级调速的一种方式，可调范围受到硬件上的限制。2.交流三相感应电动机(IM)

交流异步电机与直流电机相比，效率高、功率密度高、结构简单，无电刷和换向器，可靠性高、便于维护，也被应用于电动汽车特别是客车领域。与永磁电机相比，其优势是结构可靠、怠速运行损耗低，在电动四驱汽车中作为辅助动力应用较多。但其存在损耗大、功率密度低、发热量大、功率因数低等缺陷，在电动汽车中的应用也逐渐被永磁电机所取代。图1-5交流异步电机3.永磁同步电机永磁同步电机通常简称为PMSM，由于具有构造简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸灵活多变等显著优点，转速范围可达4000~20000r/min，尺寸小而轻，是电动汽车中具有较高功率密度和调速范围广的一种强有力的驱动电机。4.开关磁阻电动机(SRM)简称为SRM，基于磁通总是沿磁阻最小路径闭合的原理产生转矩。优点：该驱动电机转子可承受较高的温度，只在定子上产生损耗，冷却效果好且方法简单；启动转矩大，起动电流小；调速性能好;动态性能好，但一定程度上增加控制系统的难度。缺陷：SRM固有的转矩波动，噪声大；其次，SRM结构上需要安装位置传感器，使其结构复杂化。电驱动总成技术发展“三合一”电驱动总成主要电驱动厂家电动汽车驱动电机的主要性能参数包括：额定电压－直流母线的标称电压；直流母线电压－驱动电机系统的直流输入电压；额定电流－在额定电压下，电动机轴上输出的机械功率为额定功率时，电动机定子或转子绕组通过的线电流值；额定转速－在额定电压输入下，以额定功率输出时对应的电动机输出转速；额定转矩－电机在额定功率和额定转速下的输出转矩；额定功率－在额定条件下，电动机轴上输出的机械功率；额定效率－在额定运行时电动机轴上输出的机械功率与电动机在额定运行时电源输入到电动机的功率之比值1.2.3电动汽车驱动电机的主要性能参数1.2.4

电动汽车电机技术条件电机的型号由电机类型代号、尺寸代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号、预留代号五部分组成。电机类型代号KC——开关磁阻电机；TF——方波控制型永磁同步电机；TZ——正弦控制型永磁同步电机；TD－电励磁同步电机；YR——异步电机（绕线式）；YS——异步电机（鼠笼式）；ZL——直流电机。尺寸代号一般采用定子铁心的外径来表示，对于外转子电机，采用外转子铁心外径来表示。信息反馈元件（位置传感器）代号：M——光电编码器；X——旋转变压器；H——霍尔元件；Q－其他元件；W—无传感器冷却方式代号：S——水冷方式；Y——油冷方式；F——强迫风冷方式；Q——其他强迫冷却方式；Z——非强迫冷却方式（自然冷却）控制器型号由控制器类型代号、输入电压规格代号、信号反馈元件代号、输出电流规格代号、冷却方式代号和预留代号六部分组成。用驱动电机控制器最大工作电流的有效值除以“10”再圆整后的数值来表示。最少以两位数值表示,不足两位的,在十位上冠以0。输出电流的单位为安培(A)。1.3.1汽车电机技术的发展史1诞生期1820年，奥斯特发现通电导体在磁场中会受到力的作用，并初步开创了电磁学。同年，法国人安培提出了安培定律。法拉第1821年制出了第一台原理性的电动机，实现了电能和机械能的转换。1831年发现了电磁感应现象，并在随后的几年制出了发电机和电动机。1.3新能源汽车电机发展概况十九世纪三十年代，苏格兰发明家RobertAnderson便成功将电动马达装在一部马车上，后来1834年并与ThomasDavenport合作，打造出第一部以电池为动力的电动汽车。

法国人GastonPlante在1859年发明了铅酸电池，1865年研发出性能更好的二次电池。

蒸汽机汽车(1769)

第一辆装汽油机的汽车(1885)2初步繁荣期

1900年，洛纳•保时捷在Lohner-Porsche的后轮上开始安装内燃机驱动系统，支撑了世界上第一台混合动力汽车。

1912年之前，电动车销量远远超过其他动力的汽车。混合动力汽车比利时电动汽车(时速>100公里)1905，汽车开始采用直流发电机，可以为蓄电池充电；1913，美国福特推动形成了比较完善的汽车电器系统，包括点火，起动机，发电机、蓄电池、照明等推动了T型车的流水线生产，电动汽车逐渐被内燃机汽车取代。

3

电动汽车再次复兴1983年，日本的佐川真人和美国的约翰-克罗特发明了钕铁硼永磁材料，第二年就开始量产，它的诞生开创了新一代稀土永磁材料制造的先河。锂电池方面，美国的古迪纳夫与惠廷厄姆和日本吉野彰1985年发明了锂电池体系。近年来，电力电子技术和控制技术快速发展。2019年全年，全球电动车销量达到220万辆，其中国产品牌销量104万辆。2021年全球共售出逾649.5万辆电动车，2024年全球共售出逾1700万辆电动车，其中中国1300万辆。2025年中国共售出1649万辆电动车，占比突破50%。1.扁线电机扁线电机与传统电机相比，具有更高的槽满率和更低的直流铜损。此外，在散热性和热传导等方面也优于传统电机。1.3.2电动汽车电机的发展趋势扁线电机圆线电机

2.高的功率密度和瞬时功率较高的功率密度和瞬时功率即体积小，重量轻，功率大。乘用车电机功率密度力已达到6kW/kg。在控制器方面已达到

60kW/L（碳化硅）。高功率化的趋势主要围绕电机技术、电控技术、系统集成、散热冷却技术和高压化等方面展开。3.高速化

新能源电驱动系统呈高速化发展趋势，转速水平从主流的15000rpm升级到18000rpm甚至20000rpm以上。但是高速化带来的分散热、转子结构、振动噪声、高效设计、轴承等问题又不得不去解决。高速电机的转子结构必须克服的离心应力，一般在“高速”的范围内采用金属护套、转子本身结构等，而在超过18000rpm的范围内采用碳纤维缠绕。4.较高的可靠性

电机应具备坚固、可靠，有一定的防尘防水能力，电机在大批量生产之前，应该进行相应的环境试验，包括高低温（-40℃~85℃）、三防（湿热、霉菌、盐雾）试验、机械过载（振动、冲击、加速度）试验等。行驶安全5.环境友好

电动汽车电机要求低噪声、低振动，产生的电磁辐射较小，同时也不容易受到其他电磁波的负面影响。电机NVH技术（噪声、振动、声振粗糙度）1.4电动汽车驱动方式的选择1.传统驱动系统电动汽车传统驱动模式由传统内燃机汽车简单改装而来，仅以驱动电机替换发动机，传动系统仍然包括离合器、变速器等传动机构。图1-13传统驱动系统2.组合式驱动系统电动汽车组合式驱动系统由驱动电机、减速器和机械差速器组成，驱动电机一般使用中、高转速的电动机，因此需要利用减速器降低转速增大扭矩。图1-14组合式驱动系统3.整体式驱动系统电动汽车整体式驱动系统把驱动电机、齿轮减速器和差速器集成为一个整体，驱动电机轴与驱动桥两半轴布置在同一轴线上。其中驱动电机轴是特殊加工的空心轴，一根驱动桥的半轴从该空心轴中通过，减速器和差速器安装在驱动电机输出端。这一改变需要具备较高装备的电动机，并且需要其具有较好的启动转矩和后备功率；能够进行较高精度的控制，系统可靠性和稳定性也非常重要，这样才能确保汽车安全行驶。图1-15整体式驱动系统4.轮边电机驱动系统轮边电机驱动系统和轮毂电机驱动系统都属于分布式驱动系统，驱动电机与驱动轮个数相等且放置在驱动轮内侧。两者的区别是，轮边电机驱动系统电机一般为内转子高速电机组成，动力经过一套行星齿轮传动系统将动力传递至轮毂。图1-16轮边电机驱动系统5.轮毂电机驱动系统该系统采用轮毂电机直接驱动电动汽车，驱动电机安装或集成在车轮的轮毂内，一般使用与轮毂集成为一体的外转子驱动电机。图1-17轮毂电机驱动系统电磁基础第2章2.1

描述电磁场的基本物理量1.基本磁现象、磁感应强度、磁感线磁感应强度是表示某点磁场强弱的物理量，是表征磁场特性的基本场量。其大小与通过垂直于磁场方向单位面积的磁力线数目成正比，是一个矢量，用B表示，单位为特斯拉(T)，也称为磁通密度，或简称磁密。磁感线是一些假想的有向曲线，用来表示磁场的分布。2．磁通磁通是表示磁场中某一面积S的磁场的强弱的物理量，用

表示，单位为韦伯（weber），简称韦，符号为Wb

均匀磁场中，磁通等于磁感应强度B与垂直于磁场方向的面积S的乘积

B＝

H

磁导率：磁导率是表示物质导磁性能的参数，用符号μ表示，单位是亨每米（H/m）。真空中的磁导率（permeabilityoffreespace）一般用μ0表示，μ0=4π×10-7H/m。3.磁导率和磁场强度为相对磁导率磁场强度：磁场强度是反应磁场源强弱的矢量，表示电流所产生磁场的大小，用H表示，单位为A/m2.2磁路及其基本定理1．磁路

所谓磁路，就是磁通所通过的路径。主磁通：绝大部分磁通在铁心内通过，这部分磁通为主磁通；主磁路：主磁通所通过的路径；漏磁通：围绕载流线圈和部分铁心周围空间存在的少量分散的磁通。漏磁路：漏磁通所通过的路径；图2-2变压器的磁路2．安培环路定律和磁动势安培环路定律：磁场强度沿任一闭合路径的线积分等于该路径所包围的电流的代数和，即由于磁场为电流所激发，上式中闭合路径所包围的电流数称为磁动势，用F表示，单位为A。磁场强度沿一路径L的线积分定义为该路径上的磁压降。

3磁路欧姆定律磁路欧姆定律：作用在磁路上的磁动势等于磁路内的磁通乘以磁阻。F=Ni为磁路的磁动势，单位为A，磁动势的方向与线圈电流方向之间符合右手螺旋关系；磁通量Φ的单位为Wb；Rm称为磁阻。a)无分支铁心磁路图1-3无分支铁心磁路b)等效磁路图例2-1：有一闭合铁芯磁路，铁芯的截面积A=9×10−4m2，磁路的平均长度l=0.3m，铁芯的磁导率μFe=5000μ0，套装在铁芯上的励磁绕组匝数为N=500，不计漏磁。试求：（1）在铁芯中产生1T的磁通密度时，需施加的励磁磁动势和励磁电流（2）磁路的磁阻。解：磁路的求解一般是由果及因，及预期目标磁通特性，求激励电流。本题用磁路安培环路定律来求解。4基尔霍夫第一定律基尔霍夫第一定律：进入任一闭合面的磁通量恒等于穿出该闭合面的磁通量(或者说，穿出和进入任一闭合面的总磁通量恒等于零)。对于闭合面A，令穿出闭合面的磁通为正，进入闭合面的磁通为负，则：图1-4磁路的基尔霍夫第一定律5基尔霍夫第二定律基尔霍夫第二定律：沿任何闭合磁路的总磁动势恒等于各段磁路磁压降的代数和。如图1-5磁路由铁磁材料及空气隙两部分组成，而铁磁材料的截面积又分为A1，A2，故整个磁路应分为三段。根据安培环路定律及磁路欧姆定律，则：图1-5磁路的基尔霍夫第二定律电路和磁路的基本物理量电路和磁路的区别：1）电路中没有电动势时，电流等于零；磁路内没有磁动势时，由于磁滞现象，总是或多或少地存在剩磁；2）电路中通过电流要产生损耗，但当铁心中的磁通不变时不产生损耗；3）在温度一定的前提下，导体的电阻率是恒定的，而导磁材料的磁导率随其中磁场的变化而变化；4）磁场不只在铁磁材料中存在，在非铁磁材料中也存在.例2-2：若在例2-1的磁路中，开一个长度为δ=5×10−4m的气隙，如图2-7所示，问铁芯中激励1T的磁通密度时，所需的励磁磁动势为多少？已知铁芯截面积AFe=3×3×10−4m2，铁芯的磁导率μFe=5000μ0，铁芯的长度lFe=0.3m，考虑到气隙磁场的边缘效应，在计算气隙的有效面积时，通常在长、宽方向各增加一个δ值。解：用磁路的基尔霍夫第二定律来求解。

铁芯内的磁场强度例2-3：

铁芯所用材料为DR530硅钢片，铁芯柱和铁轭的面积均为A=2×2×10−4m2，铁芯磁路直线段的平均长度l=5×10−2m，气隙长度δ1=δ2=2.5×10−3m，励磁线圈匝数N1=N2=1000，不计漏磁，试求在气隙内产生Bδ=1.211T的磁通密度时，所需的励磁电流i。解：根据磁路基尔霍夫第一定律，得ϕδ=ϕ1+ϕ2=2ϕ1根据磁路基尔霍夫第二定律，得

2.3常用的铁磁材料及其特性1铁磁材料的磁化磁化：将铁、镍、钴等铁磁物质放入磁场后，铁磁物质呈现很强的磁性，这种现象，称为铁磁物质的磁化。磁畴：在铁磁物质内部存在着许多很小的天然磁化区。图2-12磁畴示意图▲μFe=(2000～6000)μ0(铁磁材料磁导率很大)2磁化曲线和磁滞回线初始磁化曲线：将一块尚未磁化的铁磁材料进行磁化，当磁场强度H由零逐渐增大时，磁通密度B也将随之增大，曲线B=f(H)就称为初始磁化曲线，如图所示。膝点▲设计电机和变压器时，为使主磁路内得到较大的磁通量而又不过分增大励磁磁动势，通常把铁心内的工作磁通密度选择在膝点附近。图1-7铁磁材料的初始磁化曲线2磁化曲线和磁滞回线磁滞回线：若将铁磁材料进行周期性磁化，B和H之间的变化关系。剩磁：H=0时，B值等于Br,称为剩磁.矫顽力：要使B值减小到零，必须加上相应的反向外磁场，此反向磁场强度称为矫顽力，用Hc表示。图1-8铁磁材料的磁滞回线2磁化曲线和磁滞回线基本磁化曲线：对同一铁磁材料，选择不同的磁场强度Hm进行反复磁化，可得一系列大小不同的磁滞回线。将各磁滞回线的顶点联接起来，所得的曲线称为基本磁化曲线或平均磁化曲线。计算直流磁路时所用的磁化曲线都是基本磁化曲线。图1-9基本磁化曲线3铁磁材料按照磁滞回线形状的不同，铁磁材料可以分为软磁材料与硬磁材料两大类。软磁材料：磁滞回线窄、剩磁和矫顽力都很小的材料。常用软磁材料:铸铁、铸钢和硅钢片等；软磁材料的磁导率较高,故用以制造电机和变压器的铁心。硬磁材料：磁滞回线宽、剩磁和矫顽力都很大的铁磁材料称为硬磁材料，又称为永磁材料。图1-11软磁和硬磁材料的磁化曲线

（1）纯铁和低碳钢

含碳量低于0.04％，包括电磁纯铁、电解铁等。（2）铁硅合金

含硅量为0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗称硅钢片。（3）软磁铁氧体

软磁铁氧体为非金属亚铁磁性软磁材料，其电阻率非常高(10-2～1010Ω·m)，但饱和磁化强度低，价格低廉，广泛用于高频电感和高频变压器。（4）非晶态软磁合金

又称非晶合金。其磁导率和电阻率高，矫顽力小，不存在由晶体结构引起的磁晶各向异性，具有耐腐蚀和强度高等特点。

1.常用软磁材料

2．常用永磁材料（1）铝镍钴(A1NiCo)永磁材料铝镍钴永磁材料有粉末烧结和铸造两种。铸造型的磁性能较高，更为常用。（2）铁氧体永磁材料（非金属永磁材料）主要是钡铁氧体（BaO-6Fe2O3)和锶铁氧体（SrO-6Fe2O3），锶铁氧体更适于在电机中使用。永磁铁氧体的最大剩磁可以做到0.46T。（3）钕铁硼永磁材料

剩磁高达1.47T，

矫顽力可达992kA/m，磁能积

高达397.9kJ/m3，是目前磁性能最高的永磁材料。（4）粘结永磁材料

粘结永磁材料是用树脂、塑料或低熔点合金等材料为粘结剂，与永磁材料粉末均匀混合，然后用压缩、注射或挤压成形等方法制成的一种复合型永磁材料。4铁心损耗铁心损耗：包括磁滞损耗和涡流损耗