新能源汽车电机与控制器 课件 第1-4章 汽车电机绪论-感应电机

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。磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦而消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗；试验证明：磁滞损耗与磁通的交变频率成正比，而与磁通密度幅值的ɑ次方成正比，即对常用的硅钢片，当Bm=1.0～1.6T时，ɑ=2。涡流损耗：涡流在铁心中引起的损耗。为减小涡流损耗，电机和变压器的铁心都用含硅量较高的薄硅钢片叠成。铁心损耗：磁滞损耗+涡流损耗图1-12硅钢片中的涡流

1.右手螺旋定则通电直导线通电线圈2.4基本电磁定律是描述电流与其激发的磁场方向之间关系的定则。-67-

法拉第电磁感应定律奠定了电机学的理论基础。

1831年，法拉第通过实验发现了电磁学中最重要的规律——电磁感应定律，揭示了磁通与电压之间存在如下关系：

1）如果在闭合回路中磁通随时间而变化，那么将在线圈中感应出电动势；

2）感应电动势的大小与磁通的变化率成正比，即

2.电磁感应定律负号表示感应电动势的方向与磁通量变化相反-68-

磁场的变化会产生感应电动势。如果磁场固定不变，而让导体在磁场中运动，这时相对于导体来说，磁场仍是变化的，因此根据法拉第电磁感应定律，同样会在导体中产生感应电动势，其大小为

单根导体在磁场中的感应电动势右手定则-69-

如果在固定磁场中放置一个通有电流的导体，则会在载流导体上产生一个电磁力，又称安培力。载流导体受力的大小与导体在磁场中的位置有关。当导体与磁力线方向垂直时，所受的力最大，这时电磁力F与磁通密度B、导体长度l以及通电电流强度i成正比，即左手定则

3.载流导体在磁场中的电磁力在旋转电机中，假设载流导体位于转子上，则其所受的电磁力乘以导体与旋转轴中心线之间的距离r（通常为转子半径），就是一根导体的电磁转矩，即电磁转矩T的单位为N·m。考虑一个线圈有两个边，以及电机的对称性，假设电机有N个线圈，则电机的电磁转矩

Tem=NBilD

式中，D为线圈直径。直流电机第3章

作为新能源汽车的直流驱动电动机主要是他励式直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励式直流电动机和复励式直流电动机三种类型。优点

调速范围宽广、平滑；

起动、制动转矩大。缺点

存在换向器：

结构复杂,成本高；可靠性较差。3.1直流电机的原理图3-1直流发电机物理模型3.1.1直流电机的工作原理如图3-2a所示，假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经A→a→b→c→d→B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针旋转。图3-2直流电动机物理模型转子旋转180度后：线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。图3-3两极直流电机3.1.2直流电机的结构及类型旋转的直流电机总体结构可以分成两大部分：静止部分(称为定子)和旋转部分(称为转子)。定子和转子之间存在间隙(称为空气隙)。图3-4直流电机的结构图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心主磁极换向磁极电刷装置机座端盖电枢绕组电枢铁心换向器转轴磁极铁心励磁绕组电刷刷握绝缘支架压紧力调整装置定子转子直流电机（产生励磁磁场）（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）1直流电机的结构（1）定子定子主要由主磁极、换向磁极、电刷和机座等部分组成。定子的功能是用来产生磁通和进行机械固定。1）主磁极主磁极的作用是建立主磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成，如图3-5所示。图3-5

主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座2）机座机座一般用铸钢铸成或用厚钢板焊接而成，机座有两个作用：一个是用来固定主磁极、换向极和电动机端盖；另一个作用是作为磁场的通路，定子的导磁部分称为磁轭。3）换向极如图3-6所示，换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电动机的换向情况，使直流电动机运行时不产生有害的火花。

图3-6换向极

1—换向极铁心2—换向极绕组4）端盖端盖装在基座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定子连为一体，同时端盖对直流电动机内部还起防护作用。5）电刷装置电刷装置的结构如图3-7所示，电刷装置的作用是把直流电压、直流电流引入或引出。电刷的数目一般等于主磁极的数目。电刷装置由电刷、电刷盒、刷瓣和压簧等部分组成。

图3-7

电刷装置

1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫（2）转子转子主要由电枢铁心、电枢绕组及换向器等部分组成，如图3-8所示。1）电枢铁心电枢铁心有两方面作用：一是作为主磁路的一部分，即导磁；二是用于嵌放电枢绕组，即放置绕组。由于电枢铁心和主磁场之间有相对运动，会在铁心中引起铁耗。为减小铁耗，电枢铁心通常用0.35~0.5mm厚的硅钢片叠压而成，各硅钢片之间涂有绝缘漆。电枢铁心固定在轴上。电枢铁心表面有均匀分布的槽，用以嵌放电枢绕组。图3-8转子结构图a）电枢铁心

b）电枢铁心冲片2）换向器换向器结构如图3-9所示，是由许多换向片组成的整体，装在转子的一端，与换向片间相互绝缘，转动的换向器与固定的电刷滑动接触，使转动的电枢绕组与静止的外电路相连接。

图3-9换向器结构图

1—换向片2—连接片3）电枢绕组

转子上的绕组是直流电动机能量转换的枢纽绕组，称之为电枢绕组。电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转换的关键部件。2.直流电机的类型直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。直流电机一般是根据励磁方式进行分类：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。直流电机的励磁方式并励串励复励他励自励直流电机的额定值额定功率PN（W，kW）额定电压UN（V，kV）额定电流IN

（A，kA）额定转速nN

（r/min）额定励磁电压UfN（V，kV）额定效率ηN额定转矩TN（单位N·m）例如UN=220V;IN

=2.84A;PN=0.4KW;ηN=?额定状态下电机的输出功率发电机：PN=UNIN（电功率）电动机：PN=UNINηN（机械功率）3.1.3直流电机电枢绕组

图3-11单叠绕组的两个元件边1—上元件边2—后端部3—下元件边4—前端部电枢绕组的基本单元是元件，一个元件由两条元件边和端接线组成，如图3-11所示。每个元件的匝数可以是单匝，也可以是多匝，如图3-12所示。图3-12单匝和多匝线圈a）单匝线圈

b）多匝线圈元件依次嵌放在电枢槽内，一条元件边放在槽的上层，另一条边放在另一槽的下层，构成双层绕组，如图3-13所示。

图3-13元件边在槽内的放置情况a）

线圈元件嵌放次序b）每层含有3个元件的线圈槽电枢绕组可分为叠绕组和波绕组，叠绕组是指绕组嵌线时，相邻的两个串联线圈中后一个线圈紧“叠”在前一个线圈上；而波绕组是指两个相连接的单匝线圈成波浪形前进

图3-14绕组的连接形式a）

单叠绕组b）单波绕组图中共有四条支路，每条支路由3个元件串联组成，另有4个元件被电刷短路。图3-16单叠绕组的电路图3.1.4

直流电机的磁场1.空载时的电机气隙磁场空载磁场：当电枢电流为零或很小时，由励磁电流单独建立的磁场。空载磁通用Φm表示。

图3-17空载时直流电机的磁场分布a）

空载时的磁场分布

b）

主磁场磁密分布曲线2.负载时电枢磁动势和电枢反应电枢磁动势：电枢电流产生的磁动势。电枢反应：电枢磁动势对主磁场的影响。直轴（d轴）：主极轴线。dq交轴（q轴）：与直轴正交的轴线。几何中性线：相邻两主极之间的中心线，也就是交轴。几何中性线基本概念：电枢磁动势是一个三角形波。两磁极中间的气隙磁阻大，使磁通最大点出现在主磁极两端，而在极间处磁通减少呈马鞍形。

图3-19电枢磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图a）

电枢磁场磁通分布

b）

磁通和磁密分布曲线图3-20为负载后交轴电枢反应时电机合成磁场的分布情况。可以看出，直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭斜，气隙磁密过零的地方偏离了几何中心线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应图3-20合成磁场磁通分布和磁密分布曲线展开图3.1.5电枢的感应电动势和电磁转矩1.电枢绕组的感应电动势电枢旋转时，电枢导体“切割”气隙磁场，电枢绕组中产生感应电动势。电枢绕组电动势Ea＝电刷两端的电动势＝一条并联支路的电动势。每根导体中的感应电动势：1.电枢绕组的感应电动势电枢感应电动势：注意：该公式对发电机和电动机都适用；电枢电动势与每极气隙磁通量和转速成正比；只要有磁通量和转速，电枢内就有电动势。其中，电动势常数：2.电枢的电磁转矩分析思路：直流电机的转矩公式：其中，转矩常数：3.1.6直流电机的基本方程1.电压方程---他励电动机情况下电枢电阻电刷压降注意：Ia=I-If（并励），Ia=I（他励、串励）电动机：Ea与Ia方向相反，Ea为反电动势，是电动机从电源吸收电功率的要素。Ra电枢总电阻2.功率方程---他励电动机情况下Pe＝P2＋p0P1＝Pe＋pCuap0:空载损耗pCua:电枢总铜耗电磁功率包括两部分：一部分为电动机输出的机械功率，另一部分空载损耗空载损耗包括：1）机械损耗包括轴承、电刷摩擦损耗，空气摩擦损耗以及通风损耗等。2）铁耗

电枢铁心中磁场交变产生的磁滞损耗和涡流损耗。3）杂散损耗又称附加损耗，包括主磁场脉动和畸变引起的铁耗、漏磁场在金属紧固件中产生的铁耗和换向元件内的附加损耗等。

直流电动机的转矩方程T2TeT0nPe＝P2＋p0TeΩ＝T2Ω＋T0ΩTe＝T2＋T0驱动性质的电磁转矩例3-1已知一台他励直流电动机额定电压220V，额定电流100A，额定转速1150r/min，电枢电阻0.095Ω，空载损耗1500W。求：（1）电枢感应电动势；（2）电磁转矩；（3）效率。（1）电枢感应电动势（2）电磁转矩（3）电枢输入功率轴上输出功率额定效率有一台17kW、220V的并励电动机，额定转速nN=1450r/min，额定线电流和励磁电流分为IN=95A和IfN=4.3A，电枢电阻R=0.09，2△Us=2V。试求额定负载时电动机的下列数据：（1）电枢电流和电枢电动势；（2）电磁功率和电磁转矩；（3）输入功率和效率。解：（1）IaN=IN-IfN=95-4.3=90.7AEaN=UN-IaNR-2△Us=220-90.7×0.09-2=209.8V(2)PeN=EaNIaN=209.8×90.7=19028W

TeN=PeN/Ω=125.3N.m(3)P1N=UI=220×95=20900W例题3-24.直流电机的可逆性旋转电机的运行是可逆的；一台直流电机，既可以作发电机运行，也可以作电动机运行。判别直流电机运

行状态的条件是：

Ea>U（发电机）Ea<U

（电动机）3.2直流电动机的运行特性机械特性：n=f(Te)工作特性转速特性：n＝f(P2)转矩特性：Te＝f(P2)效率特性：η＝f(P2)备注：运行特性与电动机的励磁方式（并励、串励、他励）有很大的关系。1.他励直流电动机的运行特性—机械特性随着电磁转矩Te的增加，他励电动机的转速n变化不大，其机械特性为硬特性。TeOnUNTeNU=UN，If=IfN2.串励直流电动机的运行特性—机械特性定义：U=UN，Ia=Is=I；分析：n=f(Te)n=f(Te)TeOn随着电磁转矩Te的增加，串励电动机的转速n迅速下降，其机械特性为软特性。3.他励直流电动机的运行特性—工作特性定义：U=UN，If=IfN(Rf=C)；分析：n,Te,η=f(P2)n0n=f(P2)T0Te=f(P2)T2=f(P2)P2Oη=f(P2)4.电力拖动系统的稳定性必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点，即存在Tem=TL充分条件：在交点的转速以上存在Tem＜TL，而在交点的转速以下存在Tem＞TL。不稳定运行稳定运行调速：负载不变情况下的速度改变。调速方法：

电枢控制：改变电压，电枢串电阻；磁场控制：改变励磁电流。调速要求：

调速范围：D=nmax/nmin；平滑性；经济性；调速设备简单、可靠、操作方便。注意：因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。tOnn1t1nN3.3直流电机的调速控制nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→B（1）直流电机调速--电枢回路串电阻调速优点：调速设备简单、操作方便。缺点：耗能，只能调低转速，调速平滑性差。（2）直流电机调速—调磁通调速优点：调速设备简单，操作方便、控制灵活，转速可连续调节，节能，效率高。弱磁法缺点：机械特性变软，只能调高转速，有“飞车”的危险。Te=CTΦIa工作点：AA’B（3）直流电机调速—调压调速优点操作方便；节能；机械特性硬度不变。缺点调速设备复杂，价格高。TeOnUN>U1>U2UNTeNU1U2工作点：AA’B直流斩波调压调速U电力电子开关斩波：用电子开关把直流电压斩成脉冲电压Buck电路Boost电路升降压斩波电路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.表3-1直流电驱四象限工作模式

象限转矩转速正转电动I正正反转制动II正负反转电动III负负正转制动IV负正1.直流电机的单象限调速控制单象限直流斩波器驱动电路原理图单象限直流斩波器驱动电路稳态波形2.直流斩波器调节下的二象限工作模式V1和VD1构成降压斩波电路，电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，电动机作再生制动运行，工作于第2象限。3.直流斩波器调节下的四象限工作模式图3-46四象限直流斩波器驱动电路原理图感应电机第4章交流电机简介交流电机：交流电能↔机械能同步电机感应电机，也叫异步电机交流电机定子结构同步电机与异步电机定子结构几乎完全相同铁心三相交流绕组机壳、机座等4.1.1交流电机的绕组

交流绕组的构成原则：电动势和磁动势的波形要尽量接近正弦波，谐波含量要尽量小；三相绕组的电动势、磁动势要对称，电阻、电抗要平衡；绕组利用率要高。在电动势、磁动势要求一定时，用铜量要节省，铜耗要小；绝缘可靠，机械强度高，散热条件好，制造方便。4.1交流电机的共同问题1三相绕组多匝线圈单匝线圈散嵌线圈成型线圈绕组线圈→1个线圈

(Nc匝)→1个线圈组

(q个线圈)→

1相绕组

(p个线圈组)

单匝线圈

(2根导体)AXNc=4q=3p=21相绕组总匝数＝p×q×Nc三相交流绕组的构成节距y1=τ：整距线圈节距y1<τ：短距线圈节距y1>τ：长距线圈三相交流绕组的基本概念一个线圈的两个边所跨的定子槽数称为节距，用y1表示。极距：一个磁极在定子内圆上所跨的距离。用槽数表示时，极距τ定义为

电角度=p×机械角度

三相绕组的基本概念转子旋转一圈，在空间上转过360度，此为机械角度；而定子线圈中的电动势交变两个周期，即在相位上经过720度，此为电角度。三相绕组的基本概念α=p×360°/Q=20°槽距机械角度：用空间角度表示的相邻两槽之间的距离。α0=360°/Q=10°槽距电角度：用电角度表示的相邻两槽之间的距离称为槽距角。1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435362槽电动势星形图和相带划分磁极运动方向以三相、四极、36槽的定子为例B槽电动势星形图和相带划分分析：相邻两槽间的电角度为20°（相邻两槽中导体感应电动势的相位差）60°相带绕组每极每相槽数：q=Q/2pm=3相带AZBXCY第一对极1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36电动势星形图：把电枢上各槽内导体感应电动势用矢量表示，所构成的星状图。相带：每极下每相所占的区域。通常将360度圆周分成六等分，每等分占60度，称为60度相带。123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536AZBCXY3三相单层绕组—同心式绕组同心式绕组由不同节距的线圈组成，制造工艺简单，主要用于小型感应电机中。3

三相单层绕组—链式绕组链式绕组的各个线圈具有相同的节距，各个线圈之间的连接是一环套一环，从外形看如同锁链，因此被称为链式绕组。下面以6极、三相、36槽电机为例说明。相邻两槽间的电角度为其每极每相槽数为q=Q/2pm=2α=p×360°/Q=30°表4-3各相带槽号分配表（3对极36槽）相带AZBXCY第一对极36，12，34，56，78，910，11第二对极12，1314，1516，1718，1920，2122，23第三对极24，2526，2728，2930，3132，3334，353

三相单层绕组—链式绕组链式绕组的线圈具有相同的节距，且恒为奇数，一般用在每极每相槽数为偶数的四极、六极感应电动机中。链式绕组线圈节距较短，比较省铜。图4-5单层链式绕组A相的展开图（2p=6，Q=36）4三相双层绕组(1)双层绕组的特点双层绕组在每一个槽内有上、下两个线圈边，每个线圈的一个边嵌放在某一个槽的上层，另一个边则嵌放在另一个槽的下层，两者之间相隔y1个槽。1）线圈尺寸和形状相同，便于制造。2）端部形状排列整齐，有利于散热和增加机械强度。3）可以利用短距绕组节约铜材。4）合理选择节距和采用分布的方法，可以改善电动势和磁动势波形。图4-7

三相双层绕组的槽电动势星形图表4-4

各个相带的槽号分配（2对极36槽）极对\相带AZBXCY第一对极下1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二对极下19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36(2)三相双层叠绕组

三相双层叠绕组中A相绕组的展开图4.1.2正弦磁场下交流绕组的感应电动势1.导体中的基波感应电动势设主极磁场在气隙内按正弦规律分布，则：Oωt360°180°e1f=50Hzf:感应电势的频率Oωt360°180°e1bOαπ2πB1Bav一根导体电动势的有效值E”1·y1=τE”1·E’1·E’1·-E”1·Ec1·NS一个整距线圈如果有Nc匝：2.整距线圈的感应电动势E”1·y1<τE”1·E’1·E’1·NS一个短距线圈如果有Nc匝：-E”1·Ec1·基波短距因数3.短距线圈的感应电动势集中线圈q个线圈分布线圈q个线圈α4.线圈组的感应电动势kd1基波分布因数4.线圈组的感应电动势当q个线圈组成分布绕组例如q=3,相量图如右图所示：RRR基波分布因数基波绕组因数一个线圈组有qNC匝：一相绕组的总串联匝数为N匝：单层绕组：N=pqNC/a双层绕组：N=2pqNC/a5.相电动势三角形联结：星形联结：ABCXYZABCZXY6.线电动势

4.1.3交流电机的磁动势1．单相绕组的磁动势a）整距线圈所产生的磁场

b）整距线圈的磁动势波函数图4-13

单个线圈的磁动势图4-15不同瞬间，单相绕组的基波脉振磁动势波（驻波）2.对称三相电流激励三相绕组的磁动势图4-17

两极三相交流电机的定子绕组图4-18不同时刻的三相基波图4-19旋转磁动势波4.2感应电动机的原理和结构感应电机一般做为电动机使用，能量传递是靠电磁感应实现的，转子转速不等于定子旋转磁场转速，也叫异步电机。感应电机的优点:结构简单、容易制造、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高。感应电机的缺点:功率因数较差，增加电网损耗。不能实现较广范围的平滑调速。4.2.1感应电机的结构图4-20笼型三相异步电机结构图定子感应电机的定子由定子铁心、定子绕组和机座3部分组成。汽车用感应电机的机座一般采用铸铝制成，外壳上需要有风冷散热筋或者水冷通道。半闭口槽半开口槽开口槽三相电动机定子绕组的接法星形连接三角形连接ABCXYZABCZXY星形接法指将电机绕组三相末端接在一起，三相首端为电源端；其线电压等于根号3倍的相电压，线电流等于相电流。三角形接法指将电机三相绕组首尾互相连接，三个端点为电源端；三角形接法时电机相电压等于线电压；线电流等于根号3倍的相电流。4KW以下的小功率电机大部分采用星接法，大于4KW的电机采用三角形接法。ABCZXYABCZXY2.感应电机的结构—笼型转子绕组笼型绕组是一个自行封闭的短路绕组，它由插入每个转子槽中的导条和两端的环形端环构成，如果去掉铁芯，整个绕组形如一个“圆笼”，因此，称为笼形绕组。为节约用铜和提高生产效率，小型笼型电机一般都用铸铝转子；对中、大型电机，由于铸铝质量不容易保证，故采用铜条插入转子槽内、再用两端焊上端环的结构。

端环

图4-23

笼型绕组a）

铜条笼型绕组

b）铸铝笼型绕组1)笼型转子绕组2）绕线型转子绕线型转子的槽内嵌有用绝缘导线组成的三相绕组，绕组的三个出线端接到设置在转轴上的三个集电环上，再通过电刷引出，如图4-24所示。图4-24绕线式交流电机的转子3.气隙气隙是电机定、转子之间的空气间隙。气隙大小对感应电机的性能有很大的影响。气隙大，则整体磁路的磁阻大，要建立同样大小的旋转磁场就需较大的励磁电流或永磁励磁磁势。励磁电流基本上是无功电流，为降低电机的励磁电流、提高功率因数，气隙应尽量小。一般气隙长度应为机械上所容许达到的最小值，中、小型感应电机气隙一般为0.2~2mm。-4.2.2感应电机的原理图4-25感应电动机工作原理示意图感应电机中主磁通所经过的磁路极对数123同步转速300015001000f=50Hz同步转速同步转速：旋转磁场的转速。f:感应电势的频率；视在功率：在具有电阻和电抗的交流电路内，把电压与电流的乘积叫做视在功率，以字母S表示。有功功率：是指将电能转换成机械能和热能这部分电功率，用P表示。无功功率：指把电源能量转换磁场的能量这部分功率，用字母Q表示。。COSφ称为功率因数。旋转磁场的转速ns与转子转速n之差称为转速差；转速差Δn与同步转速ns的比值称为转差率，用s表示。转差率是表征感应电机运行状态的一个基本变量。按照转差率的正负和大小，感应电机有电动机、发电机和电磁制动三种运行状态。1.感应电机的参数—转差率2.感应电机的参数——额定值额定功率PN

(kW)

：额定运行时轴端输出的机械功率；输入有功功率额定电压UN

(V)

：额定运行时定子绕组的线电压；额定电流IN(A)：额定电压下运行，输出功率为额定值时，定子绕组的线电流；额定频率fN

(Hz)：定子的电源频率；额定转速nN(r/min)

：额定运行时转子的转速。例1

一台三相异步电动机，电源频率f1=50Hz，其额定转速nN=975r/min。试求电动机的极对数和额定负载下的转差率。解：根据异步电动机转子转速与旋转磁场同步转速的关系可知：ns=1000r/min,即极对数额定转差率为极对数123同步转速300015001000例2Y180M-2型三相异步电动机，△接法，

=0.89，fN=50Hz，nN=2940r/min。求额定运行时的：(1)转差率；(2)定子绕组的相电流；(3)输入有功功率；(4)效率。解：(1)由型号知2p=2，即

p=1，因此

ns=3000r/min，故PN=22kW,UN=380V,IN=42.2A,=0.02(2)由于定子三相绕组为三角形联结，故相电流为(3)输入有功功率(4)效率3.感应电机的运行状态4．感应电动机的功率与转矩图4-27异步电动机的T形等效电路从图4-27所示的等效电路看出，感应电机从电源输入的电功率，一小部分将消耗于定子绕组的电阻而变成铜耗,一小部分将消耗于定子铁心变为铁耗余下的大部分功率将借助于气隙旋转磁场的作用，从定子通过气隙传送到转子，这部分功率称为电磁功率，

从气隙传递到转子的电磁功率分为两部分：s部分变为转子铜损耗，(1-s)部分转变为总机械功率。转差率越大，转子电流越大，转子铜损耗就越多，电机效率越低。因此正常运行时电机的转差率均很小。2)功率方程、电磁功率和转换功率电源输入电功率P1与转轴上输出功率P2的关系为图4-28异步电动机的功率流程图已知一台三相六极50HZ绕线式异步电动机，额定电压U1N=380V，额定功率PN=100KW，额定转速nN=950r/min，在额定转速下运行时，机械摩擦损耗pm=1KW，忽略附加损耗，当电动机额定运行时，求：（1）额定转差率（2）电磁功率Pe（3）转子铜耗pcu2解：（1）（2）(3)例题分析3）

转矩方程5感应电机的电磁转矩及机械特性1)电磁转矩的物理表达式

，，表明：三相异步电动机的电磁转矩是由主磁通与转子电流的有功分量相互作用产生的；增大转子电流的有功分量可以增大电磁转矩，提高电机带负载能力。5.感应电动机的工作特性图4-29异步电动机的工作特性A.转矩-转差率特性（曲线）2)转矩-转差率特性及机械特性图4-30感应电机的转矩-转差率曲线nnN