汽车基础技术 4

电动汽车技术第3章驱动电机技术3.1概述3.1.1电驱动系统的组成与控制1.电驱动系统的组成图3-1电动汽车电机驱动系统示意图2.电驱动系统的控制

对电动汽车电机驱动系统实施控制，本质上就是对驱动电机实施控制。而对驱动电机控制的核心问题，就是对电机输出的电磁转矩的控制。

在电动汽车的中，电机向负载（如电动汽车的驱动车轮）提供驱动转矩，从而驱动车辆行驶。电动汽车对负载的控制是通过对驱动电机（可以是各种结构形式的电机）电磁转矩的控制实现的，如图3-2所示。根据动力学原理，可列出其机械运动方程式图3-2电机驱动负载（车轮）示意图

如果机电传动系统对工作机构的转速（这里指电动汽车的行驶速度）提出控制要求——例如，能够在一定范围内平滑地调节运行速度，或者能够在所期望的某一运行速度上稳定地运行，抑或能够根据指令准确地完成加速、减速、起动、制动以及正转、反转等运动控制，就需要构建机电传动机构的调速系统。

由式3-2可知，只有实现了对电机电磁转矩的精准控制，才能构建高品质的调速系统。换言之，构建高品质的调速系统的目的，就是为了实现对电机电磁转矩的精准控制。

无论是提高调速系统的抗干扰能力，还是提高伺服系统的快速响应能力，其前提和基础都是提高对电机电磁转矩的控制质量。

换言之，对电机的各种控制，归根结底都是对电机电磁转矩的精准控制。实现对电机电磁转矩的精准控制，是各种机电传动控制系统孜孜以求的目标。

在实际控制中，无论是调速系统还是伺服系统，都是带有负反馈的控制系统。只是两者对控制性能的要求各有侧重而已。3.1.2对驱动电机的基本要求

①驱动电机的运行特性应满足电动汽车的要求。在恒转矩区域，要求驱动电机低速运行时具有较大的输出转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区域，要求驱动电机在低转矩时具有较高的转速，以满足电动汽车在平坦路面能够高速行驶的要求。

②驱动电机应具有瞬时功率大、带负载起动性能好、抗过载能力强（最好能够承受4～5倍的过载），加速性能好，使用寿命长的特点。

③驱动电机应在车辆整个运行范围内，具有很高的效率，以提高动力电池一次充电的续驶里程。为实现车辆的反向行驶（倒车）和高效率地回收电动车辆在制动时的反馈能量，要求驱动电机具有四象限运行能力（图3-3）。图3-3电机的四象限运行

④驱动电机应尽可能采用高电压，并实现高转速运行。

⑤驱动电机应尽可能结构简单、坚固耐用，并具有良好的可靠性、耐温性能和耐气候性能，可以在恶劣的环境条件下长期运转。同时，便于使用和维护。⑥驱动电机的工作噪声应尽可能低，以降低噪声污染，并有效提升整车的驾乘舒适性。3.1.3驱动电机的分类与应用

电动汽车可以选用的驱动电机包括直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和可变磁阻电机、轮毂电机等。

目前，在乘用车领域，除蔚来、特斯拉等少数汽车制造商兼用交流异步电机和永磁同步电机作为驱动电机之外（前桥采用交流异步电机/后桥采用永磁同步电机），绝大多数厂商都以永磁同步电机作为驱动电机（表3-1）。电动汽车制造商驱动电机类型驱动电机供应商北汽永磁同步电机精进电动比亚迪比亚迪上汽上海电驱动、上海大郡、林泉电机东风深圳大地和、上海电驱动奇瑞上海电驱动、浙江尤奈特、芜湖杰瑞诺江淮浙江尤奈特、安徽巨一自动化、上海电驱动长安上海电驱动、宁波远州、成都华川电装吉利吉利、江苏微特利表3-1国内电动汽车驱动电机类型及供应商3.1.4驱动电机的相关标准1.耐高压要求

按照GB/T18488-2024《电动汽车用驱动电机系统》的规定，对于集成式驱动电机系统，其直流端电力端子与外壳、直流端电力端子与信号端子之间，应能耐受表3-2所规定的直流电压。测试电压/v100015002000不小于2500不小于2500表3-2驱动电机系统耐压限值（GB/T18488-2024）2.控制精度

按照GB/T18488-2024《电动汽车用驱动电机系统》的规定，对于具有转速控制功能的驱动电机系统，驱动电机轴伸端的转速在10000r/min以下时，其控制精度应在-50r/min~+50r/min范围内；转速在10000r/min及以上时，其控制精度应在-0.5%~+0.5%范围内。

对于具有转矩控制功能、峰值转矩不大于500Nm的驱动电机系统，驱动电机轴伸端的输出转矩在100Nm以下时，其控制精度应在-5Nm~+5Nm范围内；驱动电机轴伸端输出转矩为100Nm及以上时，其控制精度应在-5%~+5%范围内。

对于具有转矩控制功能，且峰值输出转矩大于500Nm的驱动电机系统，驱动电机轴伸端输出转矩不大于五分之一峰值转矩时，其控制精度应在峰值转矩的-1%~+1%范围内；驱动电机轴伸端输出转矩大于五分之一峰值转矩时，其控制精度应在-5%~+5%范围内。3.直流母线电容放电时间

按照GB/T18488-2024《电动汽车用驱动电机系统》的规定，驱动电机系统应具有被动放电功能，当驱动电机控制器被切断直流母线端电源后，在驱动电机控制器直流母线电容放电至60V过程中，历时时间不应大于5min；当驱动电机系统有主动放电要求时，驱动电机控制器被切断直流母线端电源后，在驱动电机控制器直流母线电容放电至60V过程中，历时时间应不大于3s。4.IP防护等级

IP（IngressProtection）防护等级是对电气设备（额定电压≤72.5kV，包括电机，也包括其他电器）外壳防止固体（如灰尘）、液体（如水）进入电气设备内部的特性进行的分级，用于表征电气设备防止外物进入内部的能力。

用于电动汽车的防浸水驱动电机，其防护等级应不低于IP67；用于持续潜水泵的驱动电机，其防护等级应不低于IP68；用于电动自行车的耐高温高压喷水驱动电机，其防护等级应不低于IP69。

尽管国家标准要求作为电动汽车的驱动电机，其防护等级应不低于IP67级（即防尘防水级别），但事实上，很多电机供应商提供的驱动电机，其防护等级远超国家标准，达到了IP69级（即耐高温高压喷水级别），这也是电动汽车在夏季涉水行车时，其涉水安全性远超传统的燃油汽车的主要原因。纯电动汽车涉水行车5.驱动电机的型号命名

按照GB/T18488-2024《电动汽车用驱动电机系统》的规定，国产电动汽车用驱动电机的产品型号由驱动电机类型代号、尺寸规格代号、信号反馈元件代号、冷却方式代号、预留代号五部分组成，如图3-4所示。图3-4国产电动汽车用驱动电机的产品型号组成（示例）

在驱动电机类型代号中，KC（开磁）表示开关磁阻电机（亦即可变磁阻电机）；TF（同方）表示方波控制型永磁同步电机；TZ（同正）表示正弦波控制型永磁同步电机；YR（异绕）表示绕线转子异步电机；YS（异鼠）表示鼠笼转子异步电机；ZL（直流）表示直流电机。图3-4国产电动汽车用驱动电机的产品型号组成（示例）

驱动电机尺寸规格代号一般采用定子铁心的外径来表示。对于外转子电机，则采用外转子铁心外径来表示。

在信号反馈元件代号中，M（码）表示光电编码器；X（旋）表示旋转变压器；H（霍）表示霍尔元件。对于无信号反馈元件的驱动电机，则应用W（无）表示。

在冷却方式代号中，S（水）表示水冷（即采用传统燃油汽车的发动机冷却液进行冷却）方式；Y（油）表示油冷方式；F（风）表示强迫风冷方式。对于非强迫冷却方式（自然冷却），则用Z（自）表示。

预留代号可用英文大写字母或阿拉伯数字组合，其含义由制造商自行定义。6.驱动电机控制器的型号命名

按照GB/T18488-2024《电动汽车用驱动电机系统》的规定，国产电动汽车用驱动电机控制器的产品型号由驱动电机控制器类型代号、工作电压规格代号、信号反馈元件代号、工作电流规格代号、冷却方式代号、预留代号六部分组成，如图3-5所示。

驱动电机控制器的类型代号以“汉语拼音字母K（控）+电机类型代号”来表示。

驱动电机控制器的工作电压代号用其标称直流电压除以“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，则在十位上冠以“0”。若为交流供电，则将交流电压折算至直流电压值。输入电压的单位为伏特（V）。

驱动电机控制器的工作电流代号用其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，则在十位上冠以“0”。输出电流的单位为安培（A）。图3-5国产电动汽车用驱动电机控制器的产品型号组成（示例）3.2直流电机3.2.1励磁方式及应用范畴

直流电机分为绕组励磁式直流电机和永磁式直流电机两大类。在电动汽车所采用的直流电机中，中小功率电机多采为永磁式，大功率电机多为绕组励磁式。1.励磁方式

非永磁绕组励磁式直流电机根据励磁方法的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式多种类型，如图3-6所示。

a）他励b）并励c）串励d）积复励e）差复励图3-6非永磁绕组励磁式直流电机的励磁类型I-负载电流；Ia-电枢电流；If–励磁电流；Uf-励磁电压；U-电源电压；F-励磁绕组；M-直流电机2.应用范畴

电动汽车所使用的直流电机主要是他励直流电机（包括永磁直流电机）、串励直流电机、复励直流电机三种类型。

小功率（100W~10kW）直流电机多采用永磁式，可用于小型、低速车辆及物流设备，如电动自行车、休闲用电动汽车、高尔夫球场车、电动叉车等。

中等功率（10~100kW）直流电机多采用他励、复励或串励式，可用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。

大功率（100kW以上）直流电机多采用串励式，可用于要求低速、高转矩的专用电动车，如电动矿石搬运车、电动玻璃搬运车等。

但就总体情况而言，作为电动汽车的驱动电机，直流电机的装车率很低，远远少于永磁同步电机。电动自行车驱动电机3.2.2有刷直流电机1.工作原理

a）导体ab处于N极下方

b）导体ab处于S极下方图3-7有刷直流电机的工作原理示意图

改变外接直流电源的极性，就可以改变直流电机转子的回转方向，即实现电机反转。

由于单个线圈产生的电磁转矩较小，无法驱动较大的负载，因此，在实际结构中均采用多个线圈，以期能够产生更大的电磁转矩。2.结构组成

如图3-8所示，有刷直流电机的组成可分为定子、转子和换向机构三大部分。图3-8

有刷直流电机的结构1、6-电枢绕组；2-换向极；3-转子（电枢）；4-主磁极；5-机体（与机座焊成一体，同时作为磁路的一部分，亦称磁轭）；7、12-励磁绕组；8、16-风扇；9、15-轴承；10-输出轴；11-机座；13-换向器；14-电刷装置（1）定子

在电机中，用于产生磁场且固定不动的部分，称为定子（Stator）。定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置组成。

主磁极（图3-9）由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组组成，其作用是建立主磁场。

机座通常由铸钢或厚钢板焊接而成，其作用是固定主磁极、换向极和端盖。同时，机座也是磁路的一部分。

换向极（亦称换向磁极）由铁心和绕组组成，其作用是改善直流电机的换向过程，使电机运行时不产生有害的电火花。图3-9主磁极结构

电刷装置（图3-10）由电刷、刷握、刷杆和连线等组成，其作用是将直流电源引入电机内部。a）电刷装置的结构b）电刷在刷握中的安放

图3-10电刷装置（2）转子

在电机中，受电磁力作用产生旋转运动、向负载输出机械功的部分称为转子（Rotor）。

在电机实现电能与机械能的相互转换过程中，转子起着关键和枢纽作用，故转子亦称电枢（Armature）。转子（图3-11）部分主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器以及转轴、风扇等组成。

换向器（Commutator，图3-12）由多片燕形尾的换向片组成，换向片在圆周方向上排列成一个圆筒，换向片与换向片之间用V形云母绝缘。换向器和电刷装置配合，将直流电源引入电机。a）结构示意图b）实物照片

图3-12换向器（3）换向机构

换向机构由换向器和电刷装置两部分组成，电刷装置固定在定子上，换向器与转子上的电枢绕组相连，换向器内的换向片与电刷保持滑动接触。

换向机构的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流，并保证在每一磁极下，电枢导体的电流方向不变，以产生恒定的电磁转矩。3.电磁转矩的控制图3-13为实际的二极他励直流电机的结构示意图。图3-13二极他励直流电机结构示意图

为产生尽可能平稳的、无脉动的电磁转矩，在转子槽中均匀嵌入多组线圈，构成电枢绕组。

电枢绕组中的每一个线圈的两端均与一组换向片相接触，将多个换向片集成为圆筒形换向器，安装在转子轴上（图中未示出），将一对固定电刷放置在换向器上。

在电刷和换向器的作用下，使运动于N极下的各个线圈边的电流方向始终向外，而运动于S极下的各个线圈边的电流方向始终向内。也就是说，尽管单个线圈中的电流是交变的，但处于N极和S极下的两个支路中的电流却是直流。

图3-13所示的直流电机的电枢绕组又称为换向器绕组。电枢绕组具有如下特征：尽管电枢绕组是随着转子不断旋转的，但是在电刷和换向器的作用下，电枢绕组产生的基波磁场轴线在空间却是固定不动的。图3-13二极他励直流电机结构示意图

在直流电机的动态分析中，常将这种换向器绕组等效为一个单线圈，如图3-14所示。

该等效单线圈的轴线与换向器绕组的轴线一致，其产生的正弦分布径向磁场与换向器绕组产生的磁场相同。

因此，不改变电机气隙内部的磁场能量，从机电能量转换的角度来看，两者是等效的。若将电刷置于几何中性线上，等效单线圈的轴线就被限定在q轴上，因此又可将其称为q轴线圈。

对于实际的换向器绕组而言，因为q轴磁场在空间是固定的，当q轴磁场变化时，会在电枢绕组内感生出变压器电动势，同时它又在旋转，还会在d轴励磁磁场的作用下产生运动电动势。q轴线圈为了能展现出这种产生运动电动势的效应，它应该也是旋转的。这种实际在旋转，而在空间产生的磁场却静止不动的线圈，具有伪静止特性，故又称伪静止线圈。伪静止线圈完全反映了换向器绕组的特性，因此可以由其等效和替代实际的换向器绕组。图3-14q轴线圈

还可进一步将图3-14简化为图3-15所示的物理模型。

图3-15他励直流电机的物理模型图3-14q轴线圈4.工作特点

①调速性能好。直流电机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

②起动转矩大，可以均匀而经济地实现转速调节。

③控制比较简单。特别是对于他励直流电机而言，一般用斩波器控制，具有效率高、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。

④有易损件。由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定期维护或更换。

由于有刷直流电机结构复杂、维护工作量大，因此，目前在新设计的电动汽车上，有刷直流电机已经被淘汰。3.2.4无刷直流电机1.工作原理

无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机的工作原理基本相同。如图3-16所示，无刷直流电机利用电机转子位置传感器的输出信号控制电子换向电路去驱动逆变器的电力电子器件（亦称电子开关或功率开关），使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃的旋转磁场，进而驱动电机转子旋转。2.结构组成

无刷直流电机（BrushlessDirectCurrentMotor，BLDCM。图3-17）用电子换向装置取代了有刷直流电机的机械换向装置，克服了有刷直流电机机械换向带来的结构复杂、维护工作量大等一系列缺点，总体技术指标有了很大提升。

无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和转子位置传感器三部分组成。为简化结构，车用无刷直流电机多采用永久磁铁替代电枢绕组，亦即采用永磁直流电机（图3-18）。图3-18美国通用SPARK采用的永磁直流电机（最大功率95.5kW，最大转矩542Nm）

无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是120°电角度的方波（严格来说是梯形波），绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。

在功率开关换相期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度，而转子磁场则跟随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此彼此能保持“同步”。

无刷直流电机由于采用了自控式逆变器（即电子换向器），电机输入电流的频率和电机转速始终能够保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一。

转子位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。

由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因而转子位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器及电刷相类似的作用。

不难看出，转子位置传感器在电机控制系统中，属于信号反馈元件。

电磁式传感器（如旋转变压器）具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点，但其体积比较大，信噪比较低且输出为交流信号，需整流滤波后才能使用。

光电式传感器（如光电编码器）性能比较稳定、体积小、重量轻，但对环境要求较高（不耐脏，忌灰尘、油污和潮气）。磁敏式传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效应，对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。图3-19

无刷直流电机实物3.工作特点①外特性好；②运行范围宽泛；③工作效率高；④过载能力强；⑤再生制动效果好；⑥体积小、重量轻、比功率大；⑦采用全封闭式结构，可靠性高；⑧控制系统比异步感应电机简单。

无刷直流电机的主要缺点是电机本身比交流电机复杂，控制方式又比有刷直流电机复杂。

在与异步感应电机、永磁同步电机和可变磁阻电机的竞争中，无刷直流电机并无明显优势。3.3异步电机3.3.1异步电机的结构

异步电机（Asynchronousmachines）按照转子的结构不同，分为绕线转子异步电机（图3-20）和笼型转子异步电机（图3-21）两种。图3-20绕线转子异步电机结构图

异步电机是各类电机中应用最广、需求量最大的一种。在电动汽车中，主要使用笼形转子异步电机。本书涉及的异步电机，如无特别说明，则均指三相笼型转子异步电机。图3-21

三相笼型转子异步电机结构图

三相异步电机的种类很多，但其基本结构是相同的，均由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的空气间隙，简称气隙（Airgap）。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。图3-22为三相笼形转子异步电机主要部件的拆分图。图3-22

三相笼型转子异步电机主要部件的拆分图1.定子

定子是用来产生旋转磁场的。三相异步电机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。（1）外壳

三相异步电机外壳包括机座、端盖、轴承盖、接线盒及吊环等部件。

机座是三相异步电机机械结构的重要组成部分，其作用是保护和固定定子绕组。工业用电机的机座多由铸铁或铸钢浇铸成型，为提高散热性能，机座的外表一般都铸有散热肋片。

而车用三相笼型转子异步电机的机座为追求车身轻量化，则在确保结构强度的前提下，采用铸铝浇铸成型，并在机座内腔铸有冷却液的流通管道，与内燃机的冷却液流通管道类似。

接线盒的作用是保护和固定电机绕组的引出线端子。接线盒一般注有电机的接线图，以便用户根据实际需要进行接线。

吊环一般是用铸钢制造，安装在机座的上端，用于起吊、搬运电机。蔚来汽车装备的异步电机（2）定子铁心

异步电机定子铁心是电机磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚的硅钢片（图3-23）叠压而成。

硅钢片是一种含碳量极低的硅铁软磁合金，一般含硅量为0.5～4.5%。加入硅可显著降低铁心损耗（铁损），提高最大磁导率。硅钢片主要用于制作各种变压器、电动机和发电机的铁心。

由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，可减少由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用于嵌放定子绕圈（图3-24）。图3-23

硅钢片a）定子铁心（嵌入部分绕组）b）定子铁心（绕组嵌放完毕）图3-24定子铁心示意图

（3）定子绕组

定子绕组是三相电机的电路部分，三相电机有三相绕组，通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。

a）定子绕组（由铜线绕制而成）b）定子绕组（由铝线绕制而成）图3-25定子绕组

中、小型三相电机多采用圆漆包线，大、中型三相电机的定子线圈则用较大截面的扁铜线或扁铝线绕制后，再按一定规律嵌入定子铁心槽内。

定子三相绕组的六个出线端都引至接线盒内，首端分别标为U1、V1、W1，末端分别标为U2、V2、W2。这六个出线端在接线盒内的排列如图3-26所示，可以接成星形（Y）或三角形（△）。2.转子

转子（图3-27）是用于输出电磁转矩的，主要由转子铁心、转子绕组及转子轴组成。（1）转子铁心

转子铁心（图3-28）是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成的，套在转子轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。图3-27转子

定子铁心的特点是内圆开槽，而转子铁心的特点是外圆开槽。图3-28转子铁心（2）转子绕组

1）绕线转子绕组。绕线转子绕组与定子绕组一样，也是一个三相对称绕组，一般接成星形，三相引出线分别接到转子轴上的三个与转子轴绝缘的集电环上，通过电刷装置与外电路相连（图3-29）。图3-29绕线转子绕组

如图3-30所示，绕线转子绕组可以与外串电阻器连接，便于实现电机的串电阻降压起动和调速。但在正常工作时，一般需将外接的电阻器短路。2）笼型转子绕组。为简化结构，可以铜质导条（铜条）作为绕组，在转子铁心的每一个槽中插入一根铜条，在铜条两端各用一个铜环（称为端环）把导条连接起来，称为铜排转子（图3-31）。由于这种结构与关松鼠的笼子（图3-32）非常相似，故称笼型转子。图3-31铜排转子图3-32关松鼠的笼子相应地，采用笼型转子的电机，称为笼型转子电机（图3-33和图3-34），亦称鼠笼式电机。图3-33笼型转子电机（散件）图3-34笼型转子电机（局部剖开）

由于铜的价格高，为降低制造成本，可以以铝代铜，用铸铝的方法，把转子导条和端环、风扇叶片用铝液一次浇铸而成，称为铸铝转子，如图3-35和图3-36所示。100kW以下的异步电机一般多采用铸铝转子。图3-35铸铝转子（未装输出轴）

图3-36铸铝转子（装有输出轴）3.其他部分

端盖除了起防护作用外，在端盖上还装有轴承，用以支承转子轴。对于采用强迫风冷的工业用电机，会在转子轴上安装风扇，对电机本体进行强制通风，以加强冷却作用。当将异步电机作为电动汽车的驱动电机时，为确保冷却效果，多采用液冷方式对电机进行冷却，因此可以省掉风扇。

三相异步电机的定子与转子之间的空气间隙，简称气隙（airspace)，一般仅为0.2～1.5mm。气隙太大，电机运行时的功率因数降低；气隙太小，使装配困难，运行不可靠，高次谐波磁场增强，从而使附加损耗增加并使起动性能变差。4.性能比较

绕线转子异步电机结构复杂、价格较贵、维护工作量大，但转子外加电阻器后，可人为改变电机的机械特性。

与绕线转子电机相比较，笼型转子异步电机结构简单、价格低廉、工作可靠，但不能人为改变电机的机械特性，调速控制也比较复杂。

目前，在电动汽车领域，为提高可靠性并减少维护工作量，均采用笼型转子异步电机作为驱动电机。3.3.2异步电机的工作原理1.旋转磁场的产生

在定子绕组中，通入三相交流电所产生的旋转磁场，与转子绕组中的感应电流相互作用而产生的电磁力形成电磁转矩，驱动转子转动，从而使电机驱动负载工作。

当将电机的三相定子绕组通入式3-5所示的对称的三相电流（图3-37）时，在不同时刻，三相交流电流产生的合成磁场如图3-38所示。

图3-37对称的三相电流

由图3-38可知，三相交流电流产生的合成磁场是一个旋转的磁场，在一个电流周期内，旋转磁场在电磁空间内转过360°。

旋转磁场的旋转方向，取决于三相电流的相序。

任意调换两根电源进线，旋转磁场的方向即发生改变。相应地，电机转子轴的旋转方向也就发生改变。2.同步转速

3.电磁转矩

三相异步电机的结构简图如图3-41所示。其在空间对称分布的三相定子绕组A-X、B-Y、C-Z嵌装在定子槽内，与三相同步电机完全相同。在空间对称分布的三相转子绕组a-x、b-y、c-z嵌装在转子槽内，并将三相转子绕组的末端x、y、z短接起来，就形成了三相异步电机。

此外，由于异步电机转子电流是藉由电磁感应产生的，因此，异步电机又称为感应电机（InductionMotor，IM）。

按照转矩生成方式和等效结果不变原则，可将图3-41等效成为图3-42所示的物理模型。

依据磁场等效和机电能量转换不变原则，就转矩生成而言，可由定子单轴线圈s替代实际的定子三轴线圈ABC。

于是，可用图3-42所示的两个单轴线圈产生的磁场来等效和替代实际电机产生的定子、转子旋转磁场。

异步电机的电磁转矩也是由这两个磁场相互作用而产生的，即有

可进一步将式3-8改写成

通常，在实际使用中，多将三相异步电机的转子绕组做成笼型绕组。笼型绕组是由嵌入（或铸入）转子槽内的导条和两端的端环组成的一个闭环的多相绕组。

在电机学中，通过对笼型转子参数的归算，可将这个多相绕组等效成为一个如图3-41所示的三相对称绕组，因此式3-9同样适用于具有笼型转子的三相异步电机。

需要指出的是，在上述分析电磁转矩生成及计算过程中，一直假设在气隙内部的径向磁场是按照正弦规律分布的。

事实上，对于三相同步电机和三相异步电机而言这种假设基本上是成立的。同时，在设计、制造电机的过程中，也通过各种技术手段力求并确保实际气隙磁场是按照正弦规律分布的。

但对于直流电机，其直轴励磁磁场并非按照正弦规律分布，但深入的理论分析可以证明，直流电机电磁转矩的大小仅与一个磁极下的直轴磁通量有关，而与直轴磁场的空间规律无关。因此，就分析转矩生成机理而言，式3-4仍然具有普遍意义。

4.异步电机的特点

异步电机的基本特点是，转子绕组不需与外部电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统或变频器；异步电机结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。

异步电机的缺点主要是：异步电机运行时，会从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变差。因此，在大功率、低转速的应用场合不如采用同步电机合理。

另外，异步电机的实际转速与其旋转磁场的转速不同步，存在转差率，因而调速困难，在要求有较宽广的平滑调速范围的应用场合，不如直流电机经济、方便。

但随着技术进步，特别是矢量控制技术和半导体变流技术的快速发展，使得异步电机的调速性能大为改观，现在已经达到了可与直流电机相媲美的程度。

因而，在电动汽车领域，采用三相异步电机作为驱动电机，就比采用直流电机优越的多。3.3.3异步电机的空间矢量

在电机内部，可将在空间按照正弦分布的物理量表示为空间矢量。图3-43为三相异步电机的轴向断面，将其作为空间复平面，就可以对电机各个空间矢量进行表述。

在电机横断面内，可任取一空间复坐标Re-Im来表示空间复平面，现取定子A相绕组的轴线作为实轴Re。若以实轴Re为空间参考轴，则任一空间矢量可表示为

或者1.定子、转子磁动势矢量

（3-13）

在线圈A-X所构成平面的左侧，磁场由定子內缘指向气隙，故定子左侧为N极；在该平面的右侧，磁场由气隙指向定子內缘，故定子右侧为S极。

可将图3-44b展开，A相绕组产生的矩形磁动势波及其基波分量如图3-45所示。

（3-14）

（3-15）

（3-16）（3-17）式中，

（3-18）（3-19）

由图3-45可以看出，相绕组矩形波磁动势中含有大量谐波，它们同样会产生谐波磁场，这会影响电机的工作性能。

为此，在设计电机时，常将这种整距集中绕组改为整距分布绕组或短距分布绕组，以期使相绕组的磁动势波形成为梯形波，以便更接近于正弦分布。

（3-20）

（3-14）

磁动势空间矢量具有鲜明的时空特征：

首先，相绕组磁动势的实际波形（矩形波或梯形波）取决于空间因素，即仅取决于绕组的分布形式，而与定子电流无关。

其次，当相绕组的匝数和分布形式确定之后，相绕组基波磁动势的幅值和方向仅取决于定子相电流（时间变量）的大小和方向。换言之，任意波形的相电流都可以产生沿着绕组轴线按照正弦规律分布的磁动势，只是某一时刻基波磁动势的幅值和方向取决于相电路的瞬时值。

由此可见，通过控制三相定子绕组的相电流（时间变量），就可以控制三相定子绕组的基波磁动势（空间矢量），这就为三相异步电机的矢量控制奠定了理论基础。

（3-23）

在正弦稳态下，定子三相电流的瞬时值可表示为

将式3-24代入式3-20，可得

将式3-27~式3-29代入式3-23，可得

在动态情况下，定子三相电流是非正弦电流（任意波形），此时，

这就为交流电机的矢量控制提供了有效的技术手段。转子三相绕组轴线构成的abc轴系如图3-48所示。

（3-33）

在图3-48所示的空间复平面内，转子基波合成磁动势可表示为

（3-32）式中，

（3-33）

在正弦稳态下，可将转子三相电流的瞬时值可表示为

将式3-37~式3-39代入式3-33，可得

如果取转子的a轴作为空间复平面的实轴Re，则该复平面即为空间旋转复平面。若用这个空间旋转复平面来表示转子磁动势矢量，则有

将式3-37~式3-39代入式3-41，可得

可将式（3-43a）改写为

式（3-43b）表明，变换后图3-48中的转子abc轴系已经成为静止轴系，且转子a轴与定子A轴取得一致。

这样，可用一个每相有效匝数与定子相绕组相同，a相轴线与A轴一致的静止的转子来代替实际旋转的转子，利用这个变换后的三相异步电机模型来分析转矩的生成和控制问题。

2.定子、转子电流矢量

（3-44）

由式3-44可得

同理，在ABC轴系内，可将转子电流矢量表示为

可将式3-46进一步表示为

于是，可利用图3-49所示的物理模型来计算电机输出的电磁转矩，并分析电磁转矩的控制问题。实际上，图3-49与图3-42具有相同的形式。（3-47）（3-46）

在正弦稳态下，将式3-24~式3-26分别代入式3-45，可得

（3-48）

（3-49）

同理，将式3-37~式3-39代入式3-46，可得

（3-50）（3-51）

由此可见，运用空间矢量理论可以建立起三相异步电机与他励直流电机之间的联系，同样可以建立起三相同步电机与他励直流电机之间的联系，这就为交流电机的矢量控制提供了有效的技术手段。

由式3-9可知，由于定子、转子磁场相互作用，一定会产生恒定的电磁转矩。3.定子电压矢量

需要指出的是，只有将外加电压与相绕组产生的磁动势联系起来的时候，外加电压才被赋予了空间矢量的含义。相电压可以是任意波形的任一时刻的瞬时值。

假设相电压的正方向与相电流的正方向一致，则定子电压矢量可表示为

（3-52）

由式3-53~式3-55可得（3-53）（3-54）（3-55）

（3-56）（3-57）将式3-56和式3-57代入式3-52，可得

（3-58）

4.定子、转子磁链矢量

在电机中，气隙内的磁场是按照正弦规律分布的，这是能够运用空间矢量理论分析电机的前提和基础。换言之，为了能够运用空间矢量理论分析和控制电机，在设计、生产电机的时候，工程师就已经有意识、有目的地将气隙内的磁场设计成按照正弦规律分布。

本来，磁感应强度B是描述磁场空间分布的基本物理量，但是空间矢量表示的应是正弦分布磁场的整体，而不是磁场中某一点的磁场值，因为某一点的磁感应强度B（微观磁量，属于向量）不能反映整个正弦分布磁场的变化及其对外的作用，所以不能用它来替代空间矢量。

（3-59a）

A相绕组的励磁磁链可表示为（3-59b）

因此，可将磁通量定义为空间矢量，用磁通量来表示整个正弦分布磁场及其对外的作用。应该指出，磁通量只有与正弦磁场的空间分布及其状态联系在一起时，才被赋予了“矢量”的含义。

事实证明，这会给磁场和电磁转矩生成的表述以及矢量控制分析带来极大的方便。

（3-60）

（3-61）

若将图3-41所示的三相异步电机表示为图3-53所示的物理模型，则有（3-62）

式3-62中的电感可分为自感和互感两大类。（1）自感

前已述及，相绕组自感分为励磁电感和漏电感两部分。

于是有

在图3-53中，可用一个静止的转子替代实际旋转的转子，且可令静止转子a相绕组轴线a与定子A相绕组轴线A(Re)取得一致。

于是，可将式3-62写成如下形式

由式3-87~式3-91表示的各磁链矢量如图3-54所示。

应该指出，定子和转子漏磁场虽然不能作为机电能量转换的媒介，与电磁转矩的生成无关，但是对电机的运行特性却有着重要影响，特别是转子漏磁场在电机动态过程中起着十分重要的作用。

3.3.3异步电机的矢量控制1.基于转子磁场的转矩控制

在高性能的伺服驱动系统中，如果电机具有线性的机械特性，则会显著提高系统的控制品质，这也是电机控制工程师一直孜孜以求的目标。

基于转子磁场的转矩控制可将三相异步电机等效成为他励直流电机，从根本上改变了转矩方程的非线性特性，可以获得良好的稳态和动态性能。

在正弦稳态下，由电机学可知，三相异步电机的电磁转矩为

（3-95）

（3-96）

（3-97）可将式3-96、式3-97表示为图3-55的形式。

图3-56a）

由转子导条电流构成的转子磁动势矢量

图3-56a）

由转子导条电流构成的转子磁动势矢量

在图3-56a中，可将导条4和12看成是一个线圈，线圈的有效匝数为1，于是可得

对于其他导条可做同样的处理。

因此，对于转子磁场而言，转子各线圈就相当于一个无漏电感的转子电路，各导条中电流必然与运动电动势方向一致，且在时间上不再存在滞后问题。在转子磁场作用下，转子笼型绕组表现出的这种无漏电感的特性是构建基于转子磁场矢量控制的物理基础。（3-98）（3-99）

在图3-56a中，因为转子磁场在空间为正弦分布，所以各导条中运动电动势大小在空间内也呈正弦分布。

同样，各导条中电流的大小在空间内也呈正弦分布；由于各导条中的电流与运动电动势在时间上没有滞后，因此导条中电流与运动电动势的空间分布在相位上保持一致，如图3-56b所示。

于是，由各导条电流构成的转子磁动势矢量便始终与转子磁场轴线保持正交，即便在动态下，转差速度发生变化时，这种正交关系也不会改变。图3-56转子磁场幅值恒定时的转子电流矢量

将图3-56a与图3-13作对比分析，可以看出，此时转子磁场相当于他励直流电机的定子励磁磁场，转子笼型绕组相当于他励直流电机的电枢绕组。图3-56a）

由转子导条电流构成的转子磁动势矢量

图3-56转子磁场幅值恒定时的转子电流矢量

还可进一步将转子笼型绕组（具有换向器绕组的特性）等效为伪静止线圈t，如图3-56d所示。不难看出，此时的伪静止线圈t与图3-15中的线圈q相对应。图3-56转子磁场幅值恒定时的转子电流矢量

图3-56a）

由转子导条电流构成的转子磁动势矢量

由图3-56a，可将电磁转矩表示为

（3-100）

当转子磁场幅值发生变化时，转子电流矢量如图3-57所示。在电机处于动态运行过程中，如果转子磁场幅值也发生了变化，那么在转子各导条中就会感生出变压器电动势。图3-57转子磁场幅值变化时的转子电流矢量图3-57转子磁场幅值变化时的转子电流矢量

若在图3-57a所示时刻，转子磁场的幅值正在增加，各个导条中的电动势便如图中所示。其中，处于T轴位置上的两个导条中变压器电动势最大，而处于M轴位置上的两个导条中变压器电动势为零，这与运动电动势的空间分布情况恰好相反。

由于转子各线圈相当于无漏电感电路，因此各导条内电流大小的空间分布与变压器电动势大小的空间分布相一致，如图3-57b所示。图3-57转子磁场幅值变化时的转子电流矢量

最后，可将图3-58b进一步转化为图3-59所示的物理模型，可用该物理模型来分析基于转子磁场的稳态和瞬态转矩控制问题。图3-58将转子笼型绕组等效为MT轴线圈

在实际控制中，通常将MT轴系中的M轴方向选为与转子磁场方向一致，并将这一过程称为使M轴沿着转子磁场方向定向，简称磁场定向（FieldOrientation）。

2.空间矢量方程

为获得转子磁场定向MT轴系内的矢量方程，在下面的分析中，首先推导出ABC轴系矢量方程，然后通过矢量变换或坐标变换将这些方程变换到任意同步旋转的MT轴系，再将任意同步旋转的MT轴系进行磁场定向，最后获得基于转子磁场定向的MT轴系矢量方程。（1）ABC轴系矢量方程

图3-60所示的三相异步电机，转子具有绕线式三相对称绕组，每相绕组的有效匝数与定子相绕组相同。对于电动汽车的驱动电机而言，采用的都是笼型转子异步电机，对此，可按照电机学中的绕组归算方法，将笼型转子等效为三相对称绕组。

对于图3-60所示的三相异步电机物理模型，可将定子三相绕组的电压方程表示为

可以看出，电压矢量方程最终还是决定于三相绕组的时间变量方程，因为空间矢量毕竟是由三相绕组的时间变量构成的。

将式3-113和式3-114分别代入式3-104和式3-112，可得到以电感参数表示的电压矢量方程

这样处理，实际上是用一个经过绕组频率归算的静止的转子代替实际旋转的转子，且转子轴a相绕组轴线与定子A相绕组取得一致，如图3-61所示。

已知定子、转子磁链矢量分别为

以ABC轴系表示的矢量方程是分析矢量控制的基础，但是，还不能直接利用这些方程来实现矢量控制。

为此，先要将静止的ABC轴系矢量方程变换为任意同步旋转的MT轴系矢量方程，然后再将任意同步旋转的MT轴系沿着转子磁场方向进行磁场定向。这就需要通过坐标变换或矢量变换来实现。（2）坐标变换和矢量变换1）从静止ABC轴系到静止DQ轴系的坐标变换。

式3-139表明，从ABC轴系到DQ轴系的变换，仅是一种相数变换，只是将对称三相静止绕组变换成为对称的二相静止绕组。就产生圆形旋转磁动势而言，两者之间并无本质区别，都是在静止的空间对称绕组内通以时变的交流电流，在满足式3-133的变换要求之后，两者产生了同一个磁动势矢量。

换言之，在进行坐标变换前后，电机输出的电磁功率和电磁转矩保持不变，亦即这种从ABC轴系到DQ轴系的坐标变换是一种等效变换。2）从静止DQ轴系到任意同步旋转MT轴系的变换。

（3-143）（3-142）

这说明，矢量变换与坐标变换的实质是一样的，矢量变换是由变换因子反映了两个复平面极坐标之间的关系，而坐标变换则是由坐标变换矩阵反映了两个复平面内坐标分量之间的关系。矢量变换与坐标变换，两者殊途同归，有异曲同工之妙。

由静止ABC轴系到静止DQ轴系的变换仅是一种由三相到二相的“相数变换”，而从静止DQ轴系到同步旋转MT轴系的变换却是一种“频率变换”。此时，式3-144a和式3-144b中的变换矩阵亦相当于一台变频器。

在直流电机中，通过电刷和换向器的作用，将电枢线圈中的交变电流变换成为直流电流，或者将外电路的直流电流转变成为电枢线圈内的交流电流。按照式3-144a和式3-144b进行的变换起到了电刷和换向器同样的作用，故业内又将这种变换称为换向器变换。

在图3-65中，经过换向器变换，已相当于将定子DQ绕组以及转子dq绕组同时变换成为换向器绕组，正是依靠这种换向器变换最终将三相异步电机变换成为与之等效的直流电机，才使得三相异步电机的电磁转矩控制水平产生了质的飞跃，其控制品质才可与直流电机的电磁转矩控制相媲美。3）从静止ABC轴系到任意同步旋转MT轴系的变换。

静止ABC轴系与任意同步旋转MT轴系如图3-66所示。

或者