《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》課件 項目三 任務二 驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理

《新能源汽車結(jié)構(gòu)與原理》

項目三驅(qū)動電機系統(tǒng)03項目三驅(qū)動電機系統(tǒng)

驅(qū)動電機系統(tǒng)任務一驅(qū)動電機系統(tǒng)概述任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理任務四驅(qū)動電機冷卻系統(tǒng)任務三電機控制器結(jié)構(gòu)與功能任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理學習目標

1.掌握驅(qū)動電機的特點；2.了解直流電動機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理及特點；3.了解永磁同步電動機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理及特點；4.了解交流異步電動機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理及特點；5.了解開關(guān)磁阻電動機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理及特點。一、驅(qū)動電機綜述

1.驅(qū)動電機特點電動汽車的驅(qū)動電機通常要求能夠頻繁地啟動/停車、加速/減速，低速或爬坡時要求高轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速，而高速行駛時則要求低轉(zhuǎn)矩、恒功率，并要求變速范圍大，因此驅(qū)動電機應具有良好的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性。汽車對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的要求如圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理一、驅(qū)動電機綜述

2.電機的主要性能參數(shù)（1）額定電壓Ue（V）：電機在額定運行時，電機定子繞組應輸入的線電壓值；（2）額定電壓Ie（A）：電機在額定電壓下，電機軸上輸出的機械功率為額定功率時，電機定子繞組通過的線電流值；（3）頻率f（Hz）：三相電流的頻率；（4）額定轉(zhuǎn)速（r/min）電機在額定電壓下，電機輸出軸上輸出的機械功率為額定功率時的電動機的轉(zhuǎn)速（r/min）；（5）額定功率Pe（kw）：電機在額定狀態(tài)運行時輸出的機械功率；（6）峰值功率Pmax（kw）：電機在額定轉(zhuǎn)速運行時，電動機軸上輸出的最大機械功率，峰值功率約為額定功率的2~3倍；（7）機械效率μe：電動機消耗的電能與轉(zhuǎn)換成機械動能之比；（8）絕緣等級：電機繞組所用的絕緣材料在使用時容許的極限溫度。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理一、驅(qū)動電機綜述

3.驅(qū)動電機型號驅(qū)動電機型號由驅(qū)動電機類型代號、尺寸規(guī)格代號、信號反饋元件代號、冷卻方式代號、預留代號五部分組成。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理一、驅(qū)動電機綜述

3.驅(qū)動電機型號（1）驅(qū)動電機類型代號KC—開關(guān)磁阻電機；TF—方波控制型永磁同步電機；TZ—正弦控制型永磁同步電機；YR—異步電機(繞線式)；YS—異步電機(鼠籠式)；ZL—直流電機。其他類型驅(qū)動電機的類型代號由制造商參照GB/T4831《旋轉(zhuǎn)電機產(chǎn)品型號編制方法》進行規(guī)定。（2）尺寸規(guī)格代號一般采用定子鐵心的外徑來表示，對于外轉(zhuǎn)子電機，采用外轉(zhuǎn)子鐵心外徑來表示。（3）信號反饋元件代號M—光電編碼器；X—旋轉(zhuǎn)變壓器；H—霍爾元件。無傳感器不必標注。（4）冷卻方式代號S—水冷方式；Y—油冷方式；F—強迫風冷方式。自然冷卻不必標注。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理二、直流電動機結(jié)構(gòu)與原理

直流電動機通過定子繞組產(chǎn)生磁場，向轉(zhuǎn)子繞組通人直流電，并用換向裝置對繞組內(nèi)電流在適當時候進行換向，使轉(zhuǎn)子繞組始終受到固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動機如下圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理二、直流電動機結(jié)構(gòu)與原理

（一）直流電動機結(jié)構(gòu)直流電動機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。利用通電道題在磁場中受力的電磁原理制成。下圖為直流電動機結(jié)構(gòu)圖。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理二、直流電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）直流電動機的工作原理下圖為直流電動機原理示意圖。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理二、直流電動機結(jié)構(gòu)與原理（三）直流電動機的特點1.直流電動機的優(yōu)點（1）起動性能好。具有較大的起動力矩，適用于重負載下起動的機械。用于驅(qū)動車輛（2）恒功率范圍大。用于驅(qū)動車輛時可保汪車輛的高速行駛能力。（3）調(diào)速性能好?？蓪崿F(xiàn)均勻平滑的無級調(diào)速，且具有較寬的調(diào)速范圍。（4）控制比較簡單。直流電動機易于建模，輸入輸出具有線性關(guān)系，可以單獨控制勵磁繞組電流和轉(zhuǎn)子繞組電流來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。（5）技術(shù)成熟，生產(chǎn)規(guī)模大，價格便宜。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理二、直流電動機結(jié)構(gòu)與原理

2.直流電動機的缺點（1）換向器和電刷的存在，引起轉(zhuǎn)矩波動，并限制轉(zhuǎn)速的升高。（2）電刷帶來摩擦與射頻干擾。（3）由于磨損和斷裂，換向器和電刷需定期維護。直流電動機的這些缺點使其可靠性較低且需經(jīng)常維護，限制了它在車輛驅(qū)動上的廣泛應用。不過，由于低成本和易于控制，直流電動機在低功率電動車輛，如電動自行車和電動三輪車中仍然大量使用。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

永磁同步電動機輸入的是交流正弦或近似正弦波，采用連續(xù)轉(zhuǎn)子位置反饋信號來控制轉(zhuǎn)向，具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪音等特點。通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，它在電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應用價值。受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是具競爭力的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)之一。永磁同步電動機如下圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（一）永磁同步電機的結(jié)構(gòu)永磁同步電動機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電動機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電動機兩種。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機。永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）永磁同步電機的工作原理永磁同步電動機帶負載時，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，而且還會產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場將影響永磁同步電動機的運行特性。對永磁同步電動機進行分析時，需要采用雙反應理論，即需要把電樞電流和電樞電動勢分解成交軸和直軸兩個分量。交軸電樞電流產(chǎn)生交軸電樞電動勢，發(fā)生交軸電樞反應；直軸電樞電流產(chǎn)生直軸電樞電動勢，發(fā)生直軸電樞反應。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（三）永磁同步電機的特點1.永磁同步電動機與其他電動機相比的優(yōu)點（1）用永磁體取代繞線式同步電動機轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、集電環(huán)和電刷，以電子換相實現(xiàn)無刷運行，結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠。（2）永磁同步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電動機的轉(zhuǎn)速。（3）永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電動機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，適合在負載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運行。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

1.永磁同步電動機與其他電動機相比的優(yōu)點（4）永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬。（5）永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。（6）體積小、質(zhì)量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電動機的功率密度得到很大提高，比起同容量的異步電動機來，體積和質(zhì)量都有較大的減少，使其適合應用在許多特殊場合。（7）結(jié)構(gòu)多樣化，應用范圍廣。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理三、永磁同步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（三）永磁同步電機的特點2.永磁同步電動機的缺點（1）由于永磁同步電動機的轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗。（2）永磁同步電動機的磁鋼價格較高。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

交流異步電動機的定子繞組通入交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線產(chǎn)生感應電流，并受到電磁轉(zhuǎn)矩而旋轉(zhuǎn)。交流異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、運行可靠、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)及轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點。交流電機矢量控制技術(shù)目前已比較成熟，逆變器成本也較以前大大下降，因此，交流異步電動機現(xiàn)在是高速電動車輛驅(qū)動電動機的主要類型。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（一）交流電動機的結(jié)構(gòu)任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）交流電動機的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生交流異步電動機轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因為氣隙內(nèi)有一個旋轉(zhuǎn)磁場。下面討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生。若三相繞組連接成星形，在空間彼此相隔120°，末端U2、V2、W2相連，首端U1、V1、W1接到三相對稱電源上，則在定子繞組中通過三相對稱的電流iU、iV、iW。若電源的相序為U、V、W，U的初相角為零，三相交流電波形如下圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）交流電動機的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）交流電動機的工作原理2.交流異步電動機轉(zhuǎn)動原理三相交流電通人定子繞組后，便在氣隙形成了一個旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線被轉(zhuǎn)子導體切割，根據(jù)電磁感應原理，轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生感應電動勢。轉(zhuǎn)子繞組是閉合的，轉(zhuǎn)子導體有電流流過。設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場按順時針方向以轉(zhuǎn)速n1旋轉(zhuǎn)，且某時刻上為N極，下為S極。旋轉(zhuǎn)磁場順時針旋轉(zhuǎn)，等效于磁場不動，轉(zhuǎn)子導體逆時針方向切割磁力線。根據(jù)右手定則，上半部轉(zhuǎn)子導體的電動勢和電流方向由里向外，下半部則由外向里。由于載流導體在磁場中要受到力的作用，用左手定則確定上、下轉(zhuǎn)子導體所受電磁力的方向如右下圖所示。電磁力對轉(zhuǎn)軸形成的電磁轉(zhuǎn)矩的作用方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向一致。如此，轉(zhuǎn)子便按與旋轉(zhuǎn)磁場相同的方向轉(zhuǎn)動起來，轉(zhuǎn)速為n。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理

（二）交流電動機的工作原理2.交流異步電動機轉(zhuǎn)動原理轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n總是小于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1，即n＜n1。這是因為如果n=n1，繞組與旋轉(zhuǎn)磁場之間沒有相對運動，也不切割磁力線，轉(zhuǎn)子繞組導體中不產(chǎn)生感應電動勢和電流，也不存在電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子就不能繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。n＜n1是交流異步電動機工作的必要條件，“異步”的名稱也由此而來。轉(zhuǎn)差率s定義為旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差與同步轉(zhuǎn)速之比，表示成任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理（三）交流異步電動機的特點1.交流異步電動機的優(yōu)點（1）結(jié)構(gòu)筒單、體積小、質(zhì)量輕。在相同功率的條件下，交流異步電動機的質(zhì)量約為直流電動機的一半。（2）運行可靠，維護方便，使用壽命長。（3）效率高于有刷直流電動機。（4）由于技術(shù)成熟、應用廣泛，目前已有大規(guī)模生產(chǎn)，故成本較低。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理四、交流異步電動機結(jié)構(gòu)與原理2.交流異步電動機的缺點（1）由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速有轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合，不如直流電動機經(jīng)濟、方便。（2）運行時從電力系統(tǒng)吸取無功功率以建立磁場，因此功率因數(shù)較低。（3）交流異步電動機是多變量的非線性系統(tǒng)，控制比較復雜。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理五、開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與原理

開關(guān)磁阻電動機是一種新型調(diào)速電動機，調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的最新一代無極調(diào)速系統(tǒng)。開關(guān)磁阻電動機的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)（如圖所示），只在電動機的定子上安裝有簡單的集中勵磁繞組，勵磁繞組的端部較短，沒有相間跨接線，磁通量集中于磁極區(qū)，通過定子電流來勵磁。各組磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置不同而變化，轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)是依靠磁引力來運行，轉(zhuǎn)速可以達到15000r/min，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較寬的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)效率可以達到85%～93%，比三相感應電動機要高，其轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性好，在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速可靈活控制，調(diào)速控制較簡單，并可實現(xiàn)四象限運行。開關(guān)磁阻電動機適用于惡劣環(huán)境，非常適合作為電動汽車的驅(qū)動電機使用，曾被專家預測為電動車領(lǐng)域的一匹黑馬。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理五、開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與原理（一）開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動機是近20年來開發(fā)出來的一種新型電動機，它的結(jié)構(gòu)和工作原理與其他類型電動機有很大的不同。開關(guān)磁阻電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子、功率開關(guān)構(gòu)成，如下圖所示。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理五、開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與原理（二）開關(guān)磁阻電動機的工作原理開關(guān)磁阻電動機的工作遵循磁通總是沿磁阻最小路徑閉合的原理。當定子、轉(zhuǎn)子凸極中心線不重合，所產(chǎn)生的磁場的磁力線是扭曲的，此時磁阻不是最小，這時磁場就會產(chǎn)生磁拉力，形成磁阻轉(zhuǎn)矩，試圖使相近的轉(zhuǎn)字凸極旋轉(zhuǎn)到與定子凸極中心線對齊，即磁阻最小的位置。任務二驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)與原理五、開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與原理（三）開關(guān)磁阻電動機的特點1.開關(guān)磁阻電動機的優(yōu)點（1）電動機結(jié)構(gòu)簡單、成本低。由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發(fā)熱量小、容易散熱，其電磁負荷可以提高，電動機利用系數(shù)高，電動機制造成本大為降低。（2）功率變換電路簡單可靠。開關(guān)磁阻電動機的轉(zhuǎn)矩是靠凸極效應產(chǎn)生的，與繞組所通電流極性無關(guān)，通人每相繞組中的是單向電流，不需要交變。這樣不但可使功率開關(guān)元