新能源汽车结构与检修（第2版）课件：直流电机驱动系统

活塞连杆组故障诊断与修复直流电机驱动系统

学习目标

完成本学习任务后，你应该能：1.熟悉直流电动机的分类；2.掌握直流电动机的结构与特点；3.掌握直流电动机的工作原理；4.熟悉电动汽车直流电动机的驱动特性和特点；5.熟悉电动汽车直流电动机的要求及应用；6.熟悉直流电动机的控制系统。

直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用永磁式直流电动机，大功率电动机则采用绕组励磁式直流电动机。根据励磁方式的不同，绕组励磁式直流电动机可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。一、直流电动机的分类

直流电动机的工作原理如图3-3所示。二、直流电动机的基本工作原理图3-3直流电动机的工作原理1-换向片；2-电刷

在磁场N极和S极之间，装有一个可以转动的线圈（电枢绕组），线圈的首末两端分别接到两片圆弧形的换向片（铜片）上，两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘，为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了两个固定不动的电刷。由于电刷和电源固定连接，因此无论线圈怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外，由电磁感应原理可知，通电线圈在磁场中收到逆时针方向的力矩作用。虽然电流方向是交替变化的，但所受电磁力的方向不改变，因而线圈可以连续地按逆时针方向转动。二、直流电动机的基本工作原理

直流电动机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙，直流电动机的结构如图3-4所示，三、直流电动机的结构图3-4直流电动机结构

实物图如图3-5所示。三、直流电动机的结构图3-5直流电动机实物图1-底座；2-底座轴承；3-转子总成；4-外壳及定子；5-碳刷架；6-前端盖；7-碳刷；8-防尘罩；9-转速传感器线束

1.定子部分

定子的主要作用是产生气隙磁场。直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。

主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁芯和套装在铁芯上的励磁绕组构成。主极铁芯一般由1~1.5mm的低碳钢板冲压成一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。

机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是电动机的结构框架。三、直流电动机的结构

1.定子部分

换向极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。它由换向极铁芯和套装在铁芯上的换向极绕组构成。

电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。三、直流电动机的结构

2.转子部分

转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。

电枢铁芯既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁芯的槽内。电枢铁芯一般用0.55mm厚的硅钢片叠压而成。

电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩，进行机电能量转换的部分。

换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。三、直流电动机的结构

1.直流电动机的驱动特性

电动汽车用直流电动机的驱动特性如图3-6所示。四、电动汽车用直流电动机的特性图3-6电动汽车用直流电动机的驱动特性

1.直流电动机的驱动特性

动特性基本转速nb以下为恒转矩区，基本转速nb以上为恒功率区。在恒转矩区，励磁电流保持不变，改变电枢电压来控制转矩。在高速恒功率区，电枢电压不变，改变励磁电流或弱磁来控制转矩。直流电动机的这种特性很适合汽车对动力源低速、高转矩和高速、低转矩的使用需求，而且直流电动机结构简单，易于平滑调速，加之控制技术成熟，所以几乎所有早期的电动汽车都是采用直流电动机。四、电动汽车用直流电动机的特性

2.直流电动机的特点（1）调速性能好。直流电动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。直流电动机可满足在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械要求。（3）控制简单。直流电动机一般用斩波器控制，它具有高效率、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、换向器等易损零件，所以直流电动机必须进行定期维护或更换零件。四、电动汽车用直流电动机的特性

3.直流电动机的应用

电动汽车用直流电动机主要包括他励式直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励式直流电动机、复励式直流电动机三种类型。小功率（小于10kW）的电动机多采用小型高效的永磁式直流电动机，一般应用在小型、低速的专用车辆上。中等功率（10~100kW）的电动机采用他励、串励或复励式直流电动机，可以用在结构简单、转矩较大的电动货车上。大功率（大于100kW）的电动机采用串励式直流电动机，可用在要求低速、高转矩的大型专用电动汽车上。四、电动汽车用直流电动机的特性

一般而言，直流电动机的转速控制可以通过两种方法实现，即电枢控制和励磁控制。电枢调速方式属于恒转矩调速，励磁调速方式属于恒功率调速。当直流电动机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。反之，当电枢电压增加时，电动机转矩就会增加，由此会引起电动机转速增加。由于电枢的最大允许电流不变，且磁场是固定的，电枢电压的控制可在任何转速下保持最大转矩不变。然而，由于电枢电压不能超过其额定值，这种控制方法只适于直流电动机的工作转速低于基速的场合。五、直流电动机的控制系统

电动汽车使用直流电动机时的电机控制器一般以斩波方式工作，也称为直流斩波器，主要由功率开关模块和中央控制器构成。斩波器是直流电源和负载电机之间的一个周期性通断的开关控制装置，它的作用是改变供给电动机的电压。实际上，斩波器作为一个电压调节系统而工作，由于采用斩去输入电压而变成在时间上断续的脉冲输出，这类调节器因此而得名。五、直流电动机的控制系统

直流斩波器的输出电压有三种调节方式，即脉宽调制（PWM）方式、频率调制方式和限流控制方式。第一种方式，斩波器的频率保持不变，只改变脉冲的宽度；第二种方式，脉冲宽度保持不变，斩波频率是可变的；第三种方式，脉冲宽度和频率都是可变的，使负载电流控制在某个特定的最大值和最小值之间。五、直流电动机的控制系统

电动汽车直流电动机驱动通常采用PWM方式，通过斩波器控制电路控制IGBT（绝缘栅双极晶体管，图3-7中的VTl）的门极实现VT1的通断，调节VTl通断占空比δ，直流电动机电枢电压依赖于占空比δ的变化。此外，通过斩波器控制电路控制IGBT（图3-7中的VT2）的门极实现VT2的通断，继而实现电动机电枢电压泵升，给动力电池（图3-7中Us）充电，完成电动机的再生制动过程。五、直流电动机的控制系统图3-7用于电动汽车驱动的直流