新能源汽车电机与控制器 课件 第5-9章 永磁电机-电动汽车电机噪声、振动和声振粗糙度（NVH）

永磁电机第5章5.1概述无刷化永磁电机根据输入电流不同可分为两类：无刷直流电机（BLDC）永磁同步电机（PMSM）永磁无刷直流电机永磁同步电机5.2永磁同步电机的基本结构与原理5.2.1永磁同步电机基本机构永磁同步电机的基本结构主要包含一个装有三相电枢绕组的定子和一个装有永磁磁极的转子。图5-2永磁同步电动机横截面示意图1—定子

2—永磁体

3—转轴

4—转子铁心表贴式表面嵌入式表贴式永磁同步电机，永磁体用环氧树脂粘合剂黏贴在转子表面，因此具备制造简单的优点。表面嵌入式永磁同步电机，永磁体被镶嵌在转子表面。1.表面式转子1.表面式结构图5-3

表贴式转子结构

图5-4

嵌入式转子结构2.内置式永磁同步电机内置式永磁同步电机按永磁体磁化方向可分为径向式、切向式和混合式。内置式永磁同步电机转子由于内部嵌入永磁体，导致转子机械结构上的凸极特性。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。径向式内埋永磁体的永磁同步电机，可以看出永磁体径向磁化且埋于转子内部。转子槽内嵌有鼠笼式感应电机的转子导体，这种永磁同步电机兼具感应电机和永磁同步电机的特点。1转轴2永磁体槽3永磁体4转子导条内置径向式转子内置式转子图5-5内置径向式转子磁路结构内置切向式

内置切向式永磁同步电机，永磁体切向磁化且埋在转子内部，永磁体结构类似于辐条，因此也常被称为辐条式结构。图5-6内置切向式转子磁路结构1—转轴

2—空气隔磁槽

3—永磁体

4—转子导条混合式1转轴2永磁体槽3永磁体4转子导条3.隔磁措施图5-8几种典型的隔磁结构1—转轴

2—转子铁心

3—永磁体槽

4—永磁体

5—转子导条同步电机的分类电动机——把电能转换为机械能。发电机——把机械能转换为电能。补偿机——没有有功功率的转换，只发出或吸收无功功率。其作用是改善电网功率因数。电机运行状态，主要取决于定子合成磁场与转子主磁场之间的夹角δ，δ称为功率角。同步电机：转子磁极转速等于同步转速同步电机的运行状态同步电机的运行状态:把定子合成磁场想象成一个旋转的磁极发电机：转子磁极超前定子合成磁场磁极时。δ>0电动机：转子磁极滞后定子合成磁场磁极时。δ<0补偿机：转子磁极与定子合成磁场磁极轴线重合。δ=0沿运动方向，电磁转矩为0，不进行能量交换。发电机补偿机电动机δ5.2.2同步电动机的工作原理同步电动机的工作原理旋转磁场和主磁极相互作用，产生电磁转矩，带动转子持续旋转同步电动机的特点：稳态运行时，转子转速与负载大小无关，始终为同步转速TeTe5.2.2同步电动机的工作原理

1.空载磁场与空载感应电动势

空载气隙磁密基波切割定子三相对称绕组，在其中感应出频率为f的对称三相感应动势，称为空载感应电动势气隙不均匀，直轴气隙小，交轴气隙大。相同大小的电枢磁动势作用于不同的气隙位置时，产生不同的磁密。采用双反应理论分析凸极同步电机。电枢反应:永磁同步电机电枢磁动势对主磁场会产生影响,这种影响称为电枢反应。2.电枢反应磁场双反应理论：当电枢磁动势作用于交、直轴间的任意位置时，可将之分解成直轴分量和交轴分量，先分别求出直、交轴电枢反应，再把它们的效果叠加起来—双反应理论。

把电枢磁动势Fa分解为：直轴磁动势--产生直轴磁场；交轴磁动势--产生交轴磁场1.双反应理论Ψ直轴电枢反应的作用较强，表现为Xd较大3.同步电动机的电压方程

1）

凸极同步电动机的电压方程整理得直轴电枢反应电抗交轴电枢反应电抗电励磁凸极同步电机中，有表插式和内置式永磁同步电动机中，有表贴式永磁同步电动机中

电励磁凸极同步电动机的功角特性永磁同步电机同步电抗

在内置式永磁同步电动机中，因为在直轴磁路中永磁体的磁导率很低，其导磁性能与空气相似，因而大大减小了直轴电枢反应的作用，表现为Xd较小；而在交轴磁路中，材料导磁性能较好，Xq较大，因而Xd<Xq

。2.永磁同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程电磁功率表达式电磁转矩表达式永磁转矩磁阻转矩永磁转矩磁阻转矩2.同步电动机的功角特性，功率方程和转矩方程

转矩方程电磁转矩：驱动TeTe空载转矩5.3永磁同步电机的控制技术1.控制系统电动汽车动力系统要求电机驱动具有四象限运行能力，即正转电动、正转制动、反转电动、反转制动。2.控制策略（1）变压变频控制

变压变频控制又称为恒压频比控制，是永磁同步电机控制策略中最简单的一种，属于开环、标量控制，仅控制电机定子电压信号的幅值。(2)矢量控制矢量控制理论的基本思想：将定子电流空间矢量分解成正交的两个分量id和iq，通过id和iq控制电机的转速和转矩。1.矢量控制运行时的基本电磁关系图5-24定子电压极限椭圆图5-25

电流极限圆和电压极限椭圆2．基于转子磁场的矢量控制1）

控制图5-26

面装式PMSM转矩控制2）最大转矩／电流控制电磁转矩公式可以表示为令其导数为0对于隐极式永磁同步电动机，对于凸极式永磁同步电动机，电流id与iq之间满足于电流圆

图5-27可获得最大转矩/电流比的定子电流矢量轨迹2．矢量控制系统图5-29

面装式PMSM矢量控制系统5-30插入式三相永磁同步电动机矢量控制及控制系统5.3.4直接转矩控制

1．面装式PMSM电磁转矩可看成是转子磁场与定子磁场相互作用的结果，即有是直接对电机的电磁转矩进行控制，要求实际转矩与给定转矩相等。通过选择合适的空间电压矢量，控制定子磁链的运动，达到快速控制电磁转矩的目的。2.插入式和内装式PMSM若控制为常值，转矩就仅与负载角有关，通过控制即可控制转矩。

控制系统图5-34直接转矩控制系统原理框图5.4永磁无刷直流电机的基本结构与原理5.4.1永磁无刷直流电机的基本结构将永磁同步电机的磁场和反电势尽量设计为方波即可得到永磁无刷直流电机（BLDC）。内转子外转子5.4.3永磁无刷直流电机的运行原理永磁无刷直流电机要有电子换相器来使定子绕组产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场在空间上保持90°的平均电角度。这样就使得这两个磁场产生最大平均转矩而驱动电机不停地旋转。5.4.1无刷永磁直流电机的结构无刷直流电动机由电机本体、位置检测器、逆变器与控制器（控制系统）三部分组成1.电机本体图5-36无刷直流电动机结构示意图2.逆变器图5-38无刷直流电动机的电子开关线路3.位置检测器

位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。4.控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和通断信号，实现电机的正反转及停车控制。2）产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。无刷直流电机的换向原理中间的转子会尽量使自己内部的磁力线方向与外磁力线方向保持一致，以形成一个最短闭合磁力线回路，这样内转子就会按顺时针方向旋转。转子呈水平状态，不再受到转动力矩的作用，但由于惯性，还会继续顺时针转动。这时若改变两头螺线管的电流方向，转子就会继续顺时针向前转动。整个电机就引出三根线A、B、C。当它们之间两两通电时，有6种情况，分别是AB、AC、BC、BA、CA和CB。5.4.2

永磁无刷直流电机的运行原理AC导通各相导通方式示意图两两导通的6种情况（a）

VT6、VT1导通

（b）

VT1、VT2导通

（c）

VT2、VT3导通（d）

VT3、VT4导通

（e）

VT4、VT5导通

（f）

VT5、VT6导通5.4.3永磁无刷直流电机的极槽配合永磁无刷直流电机具有效率高、成本低、体积小等优点。电机转矩脉动一直是制约永磁无刷直流电机性能提高的一个重要瓶颈，影响电机在性能要求更高领域的进一步发展，主要包括齿槽转矩脉动、换相转矩脉动、非理想反电动势引起的转矩脉动。齿槽转矩是电机电枢绕组没有电流时永磁体与定子铁心相互作用产生的转矩.5.4.3无刷永磁直流电机的控制技术图5-46无刷直流电动机主电路原理图1.无刷直流电动机的数学模型（1）定子电压方程（2）电磁转矩方程（3）运动方程2.调速系统原理图5-47无刷直流电动机的调速系统原理性框图3.控制系统的实现图5-49以微控制器为核心的无刷直流电动机控制系统5.4.4无刷永磁直流与永磁同步电动机的比较1.电流控制模式比较（a）方波电流控制BLDC

（b）正弦波电流控制PMSM无刷永磁直流与永磁同步电动机的比较（2）电磁转矩波动永磁同步电机的电磁转矩存在一定的波动，但相比于无刷直流电机，永磁同步电机的电磁转矩波动更小。（3）功率密度

无刷直流电机和永磁同步电机的输出功率之比为1.15:15.5永磁同步磁阻电机技术永磁同步磁阻电机，又称为永磁辅助式同步磁阻电机（PMA-synRM），该电机综合了永磁同步电机和同步磁阻电机的优点。永磁同步电机同步磁阻电机永磁同步磁阻电机同步磁阻电机“低阻”状态，如果这时磁场旋转，那么转子也跟着会旋转。磁阻式同步电动机的起动这两个位置磁阻转矩的方向是相反的，所以磁阻式同步电动机往往不能自行起动同步磁阻电机“低阻”状态，如果这时磁场旋转，那么转子也跟着会旋转。高阻状态低阻状态永磁同步磁阻电机既具有转矩和功率密度高的特点，又具备调速范围宽和性价比高的优点。永磁同步磁阻电机

1）交直轴磁阻相差很大；磁阻转矩高；2）与相同转矩能力的永磁同步电机相比，所需要的永磁体用量少，亦可采用低成本的铁氧体永磁材料，减少电机制造成本;3）与感应电机、开关磁阻电机及同步磁阻电机相比，具有较高的转矩密度、效率和功率因数，利于减小逆变器的容量;4）电机永磁体只起到辅助作用，电枢磁场对主磁场调节能力强，调速性能优异。永磁同步磁阻电机的特点5.6轮毂电机技术轮毂电机可分成两种结构：内转子式和外转子式。外转子式：转速在1000-1500r/min，无减速装置；内转子式：电机转速高达15000r/min，配备减速器。轮毂电机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机结构型式

内转子型

外转子型内转子轮毂电机外转子式轮毂电机（早期）外转子轮毂电机外转子轮毂电机轮毂电机方式具有明显的优点，主要包括：1）可以完全省略传动装置，整体动力利用效率大大提高；2）车内空间和布置自由度得到极大的改善；3）车身上几乎没有大功率的运动部件，整车振动、噪声和舒适性得到极大的改善；4）轮毂电机方式便于实现四轮驱动形式，有利于极大地改善整车的动力性能。5.6.3轮毂电机的特点分析轮毂电机虽然具有其突出的优点，但也带来新的技术挑战：1）轮毂电机系统集驱动、制动、传动等多种功能于一体，车轮内部空间有限，对电机功率密度要求高，设计难度大；2）电机与车轮集成导致簧下质量较大，恶化悬架隔振性能，影响不平路面行驶条件下的车辆操控性和安全性，轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷，电机抗振要求苛刻；3）在车辆大负荷低速爬长坡工况下，容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题，电机的散热和强制冷却问题需要重视。电机水冷开关磁阻电机第6章6.1磁阻类电机概述磁阻类电机大致可分为：

开关磁阻电机同步磁阻电机

开关磁阻电机定子和转子上都有凸极，同步磁阻电机只有转子上有凸极。同步磁阻电机开关磁阻电机

开关磁阻电机

(Switchedreluctancemotor)①开关性——电机必须工作在一种连续的开关模式，这种电机是随着各种新型功率半导体器件出现得以发展；②磁阻性——定、转子具有可变磁阻磁路，更确切地说，是一种双凸极电机。6.2开关磁阻电机的基本结构与原理开关磁阻电机的特点

它的结构简单坚固，调速范围宽，调速性能优异，且在整个调速范围内都具有较高效率，系统可靠性高。功率密度低，振动噪声大。目前还没有产业化车型使用开关磁阻电机。6.2.1开关磁阻电机的基本结构磁阻电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制后叠成。由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组）是向电机提供工作磁场的励磁绕组。6/4极开关磁阻电机6.2.1开关磁阻电机的基本结构相数越大，转矩脉动越小，但成本越高，常用三相、四相，低于三相的没有自启动能力（1）4/2极（2）8/6极（3）6/4极（4）10/8极利用永磁体辅助起动的单相SR电动机当定子断电以后，在永磁体的作用下，根据磁阻最小原理，转子逐渐停止在长极轴线与永磁体轴线重合的位置上；当定子绕组通电时，转子受到扭曲磁力线的切向磁拉力的作用，开始自起动。6.2.2开关磁阻电机工作原理径向相对的两个线圈连接在一起，组成一相，该电机有三相，结合定子和转子的极数就称该电机为三相6/4结构磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。三相6/4极结构开关磁阻电机工作原理(a)A相绕组通电定转子齿平行

（b）B相绕组通电（c）

B相绕组通电定转子齿平行（d）C相绕组通电6.2.3三相6/4极开关磁阻电机的工作原理6.2.4四相8/6极开关磁阻电机的工作原理图6-10四相8/6极开关磁阻电机示意图图6-11四相8/6极开关磁阻电机工作原理相数与极数的关系步进角步进角：每相绕组导通时转子所转过的角度。开关频率6.3开关磁阻电机电磁原理

绕组电感随着定子磁极与转子凸极之间的相对位置变化而变化，其大小与气隙磁导成正比，与气隙厚度成反比。转子位置角θ绕组电感线性曲线转矩公式在电动状态下：开通角θon应该设置在角θ2之前，以增加电动转矩；关断角θoff应在θ2～θ3区间，以减小制动转矩。开通角和关断角6.4开关磁阻电机的控制

开关磁阻电动机控制系统主要由功率变换器、控制器、位置传感器等组成。

6.4.1开关磁阻电机控制系统6.4.2开关磁阻电机的控制方式第一临界转速Ω1是开关磁阻电机开始运行于恒功率特性的临界转速；第二临界转速Ω2是能得到额定功率的最高转速，是恒功率特性的上限

对于电流斩波控制，主要以控制斩波限值，从而起到调节电机转矩和转速的目的。

采用固定开通角θon与关断角θoff，调节相电流的方式来进行控制，这就是电流斩波控制。（2）电流斩波控制具有以下特点：①适用于低速和制动运行，电机在低速运行时，电流上升速度大；电流斩波方式可以有效地限制峰值电流，使电机获得恒转矩输出的机械特性。②电流斩波时电流波形呈较宽的平顶状，因此电机的转矩也比较平稳，合成转矩的脉动明显比其他控制方式小。③用作调速系统时，抗负载扰动的动态响应慢，在电流斩波控制中，由于电流峰值被限制，当电机转速在负载扰动下出现突变时，电流峰值无法自适应。

角度位置控制是电压保持不变，而对开通角θon和关断角θoff的控制，通过对它们的控制来改变电流波形以及电流波形与绕组电感波形的相对位置，从而改变了转矩和转速。（2）角度控制方式具有以下特点：①转矩调节范围大，在角度控制下的电流占空比的变化范围几乎是0～100%。②可以同时导通多相，同时导通相数较多，则电机输出转矩越大，转矩脉动也就越小。③电机效率高，通过角度优化能使电机在不同的负载下保持较高的效率。④不适用于低速运行。当转速降低时，由于旋转电动势减小，容易使相电流峰值超过允许值。3.电压控制CVC（choppedVoltageControl)

（1）电压控制方式电压控制是在固定开通角和关断角的情况下，通过调节PWM信号的占空比从而改变相绕组的平均电压，从而改变相电流值，进而改变输出转矩。PWM斩波调压控制的电流波形（2）电压控制具有以下特点该控制方式可以控制斩波频率和占空比两个参数，可控性好。通过选择适当的斩波频率，也就控制了相电流频率。占空比与相电流最大值之间有较好的线性关系，调节PWM的占空比即可调节相电流最大值。通过PWM方式调节绕组电压平均值，间接调节和限制过大的绕组电流。因此该方式即能用于高速运行又适合低速运行。该控制方式适用于转速调节系统，抗负载扰动的动态响应快。其缺点是转矩脉动较大，调速范围有限。只需要提供单向电流，所以开关器件数量较少；功率开关器件直接与绕组串联，避免了直通短路的风险。在主开关关断时，将能量回馈给电源。6.4.3开关磁阻电机的功率变换器结构简单，容错能力强6.4.3开关磁阻电机的功率变换器

双开关型功率变换器电路具有两个主开关器件及两个续流二极管，当两个主开关器件同时导通时，电源向电机绕组供电；同时断开时，相电流通过续流二极管续流，将电机绕组中磁场储能以电能形式迅速回馈电源。可以实现两相同时工作，互不影响。1）双开关型功率变换器三相双开关型主电路三相开关磁阻电动系统最常用的主电路形式就是双开关型主电路2）双绕组型功率变换器

每相有主、副两个绕组，主、副绕组双线并绕。当主开关导通时，电源对主绕组供电；当主开关关断时，靠磁耦合将主绕组的电流转移到副绕组，通过二极管续流，向电源迅速回馈电能。主副绕组不可能完全耦合，主开关关断时会产生较高的冲击电压；绕组利用率低。四相双绕组型主电路3）电容分压型功率变换器

电容分压型功率变换器电路是指将整流输出的电压通过双电容分压形成的电路，其电容同时还起到滤波、存储绕组回馈能量作用。每相只需要一个主开关器件和一个续流二极管。当VT1导通时，A相绕组从C1吸收电能；当VT1断开时，A相绕组给C2回馈电能；当VT2导通时，B相绕组从C2吸收电能；当VT2断开时，B相绕组给C1回馈电能.4）H桥型功率变换器H桥型功率变换器电路可以看作电容分压电路取消了电容器分压，并将各相绕组中点浮空而形成的电路。换相时磁能以电能形式一部分回馈电源，另一部分注入导通相绕组。AB：VT1和VT2导通BC：VT1关断，VT3导通开关磁阻电机控制系统图6-24

DITC控制框图开关磁阻电机直接瞬时转矩控制首先依据给定的期望转速nref与测量的实际转速nr通过转速环

PI调节得到期望电磁转矩Tref；再根据三相电流值IA、IB、IC

与位置信息θ通过查表法得到电机的输出电磁转矩Te；根据实际测得的实际转矩与给定转矩的差值，并结合转子的实时位置，确定功率开关状态，从而实现对SR电动机转矩的直接控制。电机控制器第7章

7.1电机控制器组成驱动电机控制器，简称MCU（MotorControlUnit）车用电机控制器的组成包括硬件和软件。硬件主要包括功率电路、控制电路、驱动电路和结构散热等主要部分。软件包括控制电路MCU的软件，也包括保护电路里面可编程逻辑器件的软件。图7-2

车用电机控制器组成举例永磁同步驱动电机控制系统

图7-1永磁同步驱动电机控制系统图7-3电机控制器（MCU）驱动电机控制器的功用1）根据工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等；2）硬件采集传感器信号：电机的旋变、温度、制动、油门踏板开关信号；3）通信功能：在电机系统运行期间，电机控制器需将电机系统的运行状态实时的发送给整车控制器，通过CAN通信实现与整车控制器的通信、与其他器件的通信；4）故障诊断：电机控制器（MCU）通过采集电流、电压、温度、绝缘及其他参数判断电机和电机控制器是否工作在安全范围内，如果超出这个范围将对电机和电机控制器（MCU）采取保护措施，并产生故障代码发送至整车控制器（VCU）；5）制动能量回馈控制：整车控制器根据加速踏板和制动踏板的开度、车辆行驶状态信息以及动力电池的状态信息（如SOC值）来判断某一时刻能否进行制动能量回馈。电机控制器基本结构（1）功率电路功率电路主要包括功率模块、电容器、功率母排等。1）ＩＧＢＴ模块：根据控制器主板的指令，将输入的高压直流电流逆变成频率可调的三相交流电流供给配套的电机使用。在能量回收过程中对三相交流电流进行整流，同时检测直流母线电压、驱动电机相电流以及ＩＧＢＴ模块温度并将检测信息反馈给电机控制器。2）母线电容：功率器件在高速开关时，会产生高幅值的纹波电流，在直流输入端与功率器件之间增加电容器可以起到吸收纹波电流、稳定直流电压的作用。3）放电电阻：在断开高压电路时通过电阻给电容放电，在放电电路故障时在报送放电超时故障的同时切断高压供电。电机控制器基本结构（2）控制电路

控制电路（控制板）主要包括主控制芯片、电源电路、CAN网络、旋变电路和各种采样电路，是电机控制器MCU的控制中枢。

1）电源电路：电源电路主要将12V或24V电转变成控制模块ECU和部分电路所需的电压，主要由电源芯片、变压器、电解电容、大体积瓷片电容、大体积电感等元件组成。2）CAN网路：主要由解码IC和共模电感组成，用于CAN网络通信。

3）旋变电路：主要由旋变解码芯片、共模电感和推挽电路等组成，旋变解码芯片对旋变信号进行解码，用于计算判断转子的位置和转速进行电机矢量控制。

4）信号处理电路：信号处理电路的处理对象主要包括电机温度、控制器温度、直流母线电压、电机相电流（A/C相）、母线电流、电机位置和速度等。信号的实时检测并将采集到的信息送给DSP控制单元，是电机驱动系统可靠运行的保证。（3）电机传感器信号采集

工作过程中，使用以下传感器完成对驱动电机运行状态信息采集。如电流传感器、电压传感器、温度传感器等。（4）结构散热

结构散热主要包括提供防护和支撑的壳体、冷却流道、接插件等。

车用电机控制器以液冷方式为主，主要通过传导散热方式对发热元件进行冷却。（5）驱动电路

主要由驱动芯片、推挽电路和低压电源等部分组成。驱动器将微控制器发出的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，‌实现控制信号与功率信号的隔离。7.2交流电机逆变器7.2.1电力电子器件电力电子器件（功率半导体器件）的分类如下：1．按可控性分类（1）不可控型器件（UncontrolledDevice）不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。不可控型器件主要是指电力二极管；（2）半控型器件（Semi-controlledDevice）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。半控型器件主要是指晶闸管，如SCR等；（3）全控型器件（Full-controlledDevice）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。这类器件品种较多，目前最常用的如MOSFET、IGBT等。2．按驱动信号类型分类（1）电流驱动型（CurrentDrivingType）通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。代表性器件如SCR、电力二极管等；（2）电压驱动型（VoltageDrivingType）仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。代表性器件如IGBT、MOSFET等。3．按照载流子参与导电的情况分类按照载流子参与导电的情况，可分为单极型、双极型和复合型。（1）单极型器件（UnipolarDevice）由一种载流子参与导电的器件；（2）双极型器件（BipolarDevice）由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；（3）复合型器件（ComplexDevice）由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。图7-5电力电子器件树状分类图1.大功率二极管

大功率二极管，也叫电力二极管，是最简单的电力电子器件，内部结构是一个具有P型及N型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，一般用于实现电流的单向流动，如图7-6所示。图7-6电力二极管的外形、结构和电气图形符号2.晶闸管晶闸管是大功率的半导体器件，如图7-9所示。可分为螺栓型和平板型两种，也有一些多个器件组成模块。晶闸管依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。晶闸管具有三个可以与外电路连接的电极：引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。其内部是PNPN四层半导体结构，如图7-10所示。图7-9晶闸管图7-10

晶闸管的结构和电气图形符号a）等效PN结

b）

等效复合晶体管

c）

电气图形符号3.功率MOSFET（电力场效应晶体管）MOSFET全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFET）。它利用栅极（G）作为控制端，控制漏极（D）与源级（S）之间的功率流动。a）N沟道功率MOSFET内部结构断面示意图

b）

电气图形符号图7-11电力MOSFET的结构和电气图形符号图7-12

P-MOSFET的结构示意图

4.IGBT（绝缘栅双极性晶体管）

IGBT全称绝缘栅双极型晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor，IGBT）IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。

图7-13

IGBT模块实物图

图7-14

IGBT结构及符号5.碳化硅（SiC）功率器件SiC功率器件具有以下特点：（1）高功率密度，降低功率模块体积（2）低功率损耗，提高系统效率或工作频率（3）良好的高温稳定性，显著减小散热器体积降低成本7.2.2逆变器拓扑结构图7-15逆变电路及其波形举例1．单相半桥电压源逆变电路2.单相全桥逆变电路图7-17H桥式单相电压源逆变器电路3．三相电压源方波逆变电路图7-19电压型三相桥式逆变电路的工作波形7.2.3脉宽调制技术及PWM逆变电路1.脉冲宽度调制（PWM）技术原理脉冲宽度调制（PWM）指在不改变信号幅值的条件下对开关器件进行控制，维持T不变，改变ton的调制方式。占空比（DutyRatio）：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：2.PWM逆变电路单极性和双极性SPWM调制方法是常用的电压源逆变器脉宽调制技术PWM逆变电路的控制方法可以分为计算法和调制法1）单极性SPWM技术图7-23单极性SPWM的DC/AC逆变器2）双极性SPWM技术

图7-25三相电压型逆变器的双极性SPWM控制

（a）调制波形

（b）驱动信号生成电路7.3微控制器图7-26数字微控制器为核心的典型控制系统功能图7.4驱动电路图7-27

驱动板基本组成框架图

7.5软件架构图7-30

AUTOSAR软件架构电动汽车电驱动系统第8章电动汽车驱动电机系统由驱动电动机（DM）、驱动电机控制器（MCU）、变（减）速器等构成电动汽车驱动电机系统构成电机控制器驱动电机控制器，简称MCU（MotorControlUnit），它是新能源汽车电驱动系统控制单元。电机控制器组成电机控制器的主体部分包括控制电路、功率模块、驱动电路、散热器、电流传感器和直流母排、滤波组件、母线电容、交流铜排等。电机控制器组成功率电路：主要包括功率模块、电容器、功率母排等；控制电路：是电机控制器MCU的控制中枢；驱动电路：将微控制器发出的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号；散热器：主要通过传导散热方式对发热元件进行冷却；电流传感器：用以检测电机工作的实际电流（包括母线电流、三相交流电流）驱动电机位置传感器1.电磁式位置传感器电磁式位置传感器的定子由磁芯（6凸极、高频导磁材料）、3个高频励磁绕组Win、3个输出绕组WA、WB、WC组成，输入与输出相间排列。转子由120°扇形磁芯和非导磁衬套组成，如图8-2所示。输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。2光电码盘式传感器光电转换将输出轴的角位移量转换成脉冲或数字量的传感器3.旋转变压器旋转变压器简称旋变，旋转变压器属于电磁式位置检测传感器。旋转变压器使用最为广泛，是一种用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度的电磁式传感器，由定子和转子组成，如图8-5所示。于可变磁阻式旋变而言，初级绕组和次级绕组均位于定子上，两个定子次级绕组机械错位90°，转子的特殊设计使得次级耦合出的电压随着角位置变化而发生正弦变化。可以看出随着转子角度发生变化（0~360°），输出绕组的高频电压信号明显受到了转子位置的调制。需要采用合适的解算器从两相输出绕组电压中解算出转子的位置信息。4.霍尔位置传感器霍尔效应霍尔效应：置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场。三相无刷直流电机霍尔位置传感器安装

位置信号与电动势关系用三路高低电平判断转子在哪个区间霍尔位置传感器5.硬件设计-电流检测为霍尔电压系数，为霍尔传感器励磁电流。霍尔式电流传感器8.2.2减速器

减速器是位于驱动电机之后的传动装置，用来降低驱动电机轴的转速并增大扭矩。减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、差速器、箱体及其附件组成。电机轴承轴承是汽车驱动电机及减速器的关键部件速度：驱动电机转速高达20000r/min,轴承dmn值达到80万以上，比普通工业电机速度高很多。温度：-40~150℃轴承稳定运转，无啸叫；长期工作温度110~120℃；寒冷地区启动温度-30~-20℃，启动力矩小，噪声低。润滑：要求润滑脂低温性能优异、耐高温、抗振动、节能高效、长寿命。振动、噪声：为保证乘车的舒适性，电机的振动噪声水平要低，保证车内的安静。电蚀：由于绕组的不平衡，造成转子间存在电位差，形成电流；逆变器高频电压造成的电流泄露都可能导致轴承产生电蚀，导致轴承的失效。寿命：保证与整车质保同寿5~8年或10~16万公里。DC-DC

转换器DC-DC按电压等级变换关系分升压电源和降压电源两类车载充电机的作用，是在交流充电时，将外界的三相交流电转化为直流电，为动力电池充电。车载充电机（OBC）8.3电驱动系统的冷却技术

电机的绝缘等级绝缘等级允许最高温度

/℃AEBFHC105120130155180＞1808.3.1电机的温升和温升限值1.绝缘材料的等级2.温升限度电机某部分的温度和周围冷却介质的温度之差称为该电机的温升，用来表征电机发热和散热的情况。如电机采用A级绝缘，计算其温升限度。A级绝缘容许温升105℃，一年中环境最高温度按40℃，电机相对于环境的温升限度为105-40=65K。1.自然冷却自然冷却依靠电机铁芯自身的热传递，散去电机产生的热量，热量通过封闭的机壳表面传递给周围介质，其散热面积为机壳的表面，为增加散热面积，机壳表面可加冷却筋。◆冷却方式

(1)自扇冷式

电动机在转子装有风扇，转子转动时，利用风扇强迫空气流动而有效地带走电动机内部产生的热量，使电动机的散热能力大大增强。(2)他扇冷式

电动机也用风扇进行冷却，冷却风扇不是由电动机自身驱动，而是由另外的动力装置独立驱动。◆冷却方式2.风冷电机出水管电机进水管3.液冷液冷技术是主流的散热方式，包括水冷和油冷，水冷将水通过管道引入定子或转子空心导体内部，通过循环水不断的流动，以降低壳壁的温度，从而带走电机转子和定子工作时所产生的热量。4.油冷油冷电机路线逐渐兴起。油本身因为局部不导磁、不易燃、不导电、导热好的特性，对电机磁路无影响，散热效率更高。机油滤芯机油泵机油散热器8.3.3电驱的冷却系统纯电动汽车驱动电机与控制器的冷却系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动，通过在散热器的热交换等物理过程，冷却液带走电机与控制器产生的热量。为使散热器热量散发更充分，通常还在散热器后方设置风扇。电动汽车电机噪声、振动和声振粗糙度（NVH）第9章9.1电机振动与噪声9.1.1振动、声音和噪声振动：是弹性体质点或者弹性体中心在平衡受到扰动时，交替在平衡位置相反方向的往复运动。声音：在弹性固体、液体或气体介质中传播、能够被人耳听到、频率范围约为20

Hz

~

20000

Hz的振动。噪声：是一种令人感到不适的或有干扰性的声音。空气噪声和固体中传播的结构噪声在产生机理上是不同的。空气噪声是大量空气的运动或者高气压造成的，而结构噪声则是通过固体振动传播的。9.2.2电机噪声电机噪声源可分为三类：电磁噪声、空气动力噪声和机械噪声。电磁噪声：由电源控制单元的PWM谐波引起的，或是由来自电机的过量电磁谐波引起的噪声空气动力噪声：是由风扇、转子和气流效应产生的机械噪声：主要由运动转子、轴承以及电机的电刷和滑环或换向器摩擦引起9.2.3电动机的振动引起电动机振动的原因