新能源汽車技術(shù)解析-第三章純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)

第三章

純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)1純電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)主要由電機(jī)和電機(jī)控制器組成，其中電機(jī)是電動(dòng)汽車的核心部件之一，其性能的好壞直接影響電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，特別是電動(dòng)汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。電動(dòng)汽車用電機(jī)主要有直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等。一、電機(jī)主要性能指標(biāo)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，它具有能做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件，是一種依靠電磁感應(yīng)而運(yùn)行的電氣裝置。電機(jī)作用電機(jī)主要性能指標(biāo)額定功率01峰值功率02最高工作轉(zhuǎn)速03額定轉(zhuǎn)矩04堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩06額定電壓07額定電流08額定頻率09峰值轉(zhuǎn)矩05額定轉(zhuǎn)速10（1）額定功率一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定功率是指電機(jī)額定運(yùn)行條件下軸端輸出的機(jī)械功率。電機(jī)的功率等級(jí)為1kW、2.2kW、3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、30kW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上。（2）峰值功率一、電機(jī)主要性能指標(biāo)峰值功率是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行的最大輸出功率。（3）最高工作轉(zhuǎn)速一、電機(jī)主要性能指標(biāo)最高工作轉(zhuǎn)速是指在額定電壓時(shí)，電機(jī)帶載運(yùn)行所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，它影響電動(dòng)汽車的最高設(shè)計(jì)速度。（4）額定轉(zhuǎn)矩一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在額定功率和額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。（5）峰值轉(zhuǎn)矩一、電機(jī)主要性能指標(biāo)峰值轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)在規(guī)定的持續(xù)時(shí)間內(nèi)允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩。（6）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一、電機(jī)主要性能指標(biāo)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是指轉(zhuǎn)子在所有角位堵住時(shí)所產(chǎn)生的最小轉(zhuǎn)矩。（7）額定電壓一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定電壓是指電機(jī)正常工作的電壓。電機(jī)電源的電壓等級(jí)為36V、48V、120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V、540V、600V。（8）額定電流一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定電流是指電機(jī)額定運(yùn)行（額定電壓、額定功率）條件下電樞繞組（或定子繞組）的線電流。（9）額定頻率一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定頻率是指電機(jī)額定運(yùn)行條件下電樞（或定子側(cè)）的頻率。（10）額定轉(zhuǎn)速一、電機(jī)主要性能指標(biāo)額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)額定運(yùn)行（額定電壓、額定功率）條件下電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速。小結(jié)一、電機(jī)主要性能指標(biāo)當(dāng)電機(jī)在額定運(yùn)行條件下輸出額定功率時(shí)，稱為滿載運(yùn)行，這時(shí)電機(jī)的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性及可靠性等均處于優(yōu)良狀態(tài)。輸出功率超過(guò)額定功率時(shí)稱為過(guò)載運(yùn)行，這時(shí)電機(jī)的負(fù)載電流大于額定電流，將會(huì)引起電機(jī)過(guò)熱，從而減少電機(jī)的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀電機(jī)。電機(jī)的輸出功率小于額定功率時(shí)稱為輕載運(yùn)行，輕載運(yùn)行時(shí)電機(jī)的效率和功率因數(shù)等運(yùn)行性能均較差，因此應(yīng)盡量避免電機(jī)輕載運(yùn)行。直流電機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)，是電機(jī)的主要類型之一。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、控制容易等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于地用電動(dòng)車輛和低速電動(dòng)汽車。二、直流電機(jī)直流電機(jī)分為繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)和永磁式直流電機(jī)。在電動(dòng)汽車所采用的直流電機(jī)中，小功率電機(jī)采用的是永磁式直流電機(jī)，大功率電機(jī)采用的是繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)。繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，可分為他勵(lì)式、并勵(lì)式、串勵(lì)式和復(fù)勵(lì)式4種類型。分類二、直流電機(jī)繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)分類-他勵(lì)式直流電機(jī)他勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)連接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電。因此勵(lì)磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。永磁式直流電機(jī)也可看作屬于他勵(lì)式直流電機(jī)。他勵(lì)式直流電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中勵(lì)磁磁場(chǎng)穩(wěn)定而且容易控制，容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)要求。但當(dāng)采用永磁激勵(lì)時(shí)，雖然電機(jī)效率高，重量和體積較小，但由于勵(lì)磁磁場(chǎng)固定，電機(jī)的機(jī)械特性不理想，驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生不了足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)滿足電動(dòng)汽車啟動(dòng)和加速時(shí)的大轉(zhuǎn)矩要求。二、直流電機(jī)繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)分類-并勵(lì)式直流電機(jī)并勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，共用同一電源，性能與他勵(lì)式直流電機(jī)基本相同。并勵(lì)繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵(lì)磁繞組用細(xì)導(dǎo)線繞成，其匝數(shù)很多，因此具有較大的電阻，使得通過(guò)它的勵(lì)磁電流較小。二、直流電機(jī)繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)分類-串勵(lì)式直流電機(jī)串勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。這種電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵(lì)磁繞組中不引起大的損耗和電壓降，勵(lì)磁繞組的電阻越小越好，所以串勵(lì)式直流電機(jī)通常用較粗的導(dǎo)線繞成，它的匝數(shù)較少。串勵(lì)式直流電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，能給電動(dòng)汽車提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，而在高速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電樞中的反電動(dòng)勢(shì)增大，與電樞串聯(lián)的勵(lì)磁繞組中的勵(lì)磁電流減小，電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)的弱磁調(diào)速功能易于實(shí)現(xiàn)，因此串勵(lì)式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能較好地符合電動(dòng)汽車的特性要求。但串勵(lì)式直流電機(jī)由低速到高速運(yùn)行時(shí)弱磁調(diào)速特性不理想，隨著電動(dòng)汽車行駛速度的提高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩快速減小，不能滿足電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)由于風(fēng)阻大而需要輸出較大轉(zhuǎn)矩的要求。串勵(lì)式直流電機(jī)運(yùn)行效率低；在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)時(shí)，由于沒(méi)有穩(wěn)定的勵(lì)磁磁場(chǎng)，再生制動(dòng)的穩(wěn)定性差；另外由于再生制動(dòng)需要加接觸器切換，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的故障率較高，可靠性較差。另外，串勵(lì)式直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組損耗大，體積和重量也較大。二、直流電機(jī)繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)分類-復(fù)勵(lì)式直流電機(jī)復(fù)勵(lì)式直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，電機(jī)的磁通由兩個(gè)繞組內(nèi)的勵(lì)磁電流產(chǎn)生。若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同，稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。復(fù)勵(lì)式直流電機(jī)的永磁勵(lì)磁部分采用高磁性材料釹鐵硼，運(yùn)行效率高。由于電機(jī)永磁勵(lì)磁部分有穩(wěn)定的磁場(chǎng)，因此用該類電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)易實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能。同時(shí)由于電機(jī)增加了增磁繞組，通過(guò)控制勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁電流或勵(lì)磁磁場(chǎng)的大小，能克服純永磁他勵(lì)式直流電機(jī)不能產(chǎn)生足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來(lái)滿足電動(dòng)汽車低速或爬坡時(shí)的大轉(zhuǎn)矩要求，而電機(jī)的重量或體積比串勵(lì)式直流電機(jī)的小。二、直流電機(jī)直流電機(jī)應(yīng)用電動(dòng)汽車所使用的直流電機(jī)主要是他勵(lì)式直流電機(jī)（包括永磁式直流電機(jī)）?、串勵(lì)式直流電機(jī)和復(fù)勵(lì)式直流電機(jī)3種類型。小功率（100W～10kW）的直流電機(jī)采用的是小型高效的永磁式直流電機(jī)，可以應(yīng)用在小型、低速的搬運(yùn)設(shè)備上，如電動(dòng)自行車、休閑用電動(dòng)汽車、高爾夫球車、電動(dòng)叉車等。中等功率（10～100kW）的直流電機(jī)采用他勵(lì)、復(fù)勵(lì)或串勵(lì)式，可以用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)矩要求較大的電動(dòng)貨車上。大功率（>100kW）的直流電機(jī)采用串勵(lì)式，可用在要求低速、大轉(zhuǎn)矩的專用電動(dòng)車上，如礦石搬運(yùn)電動(dòng)車、玻璃電動(dòng)搬運(yùn)車等。各種勵(lì)磁方式直流電機(jī)的電路如上所示。圖中，Ia為電樞電流，If為勵(lì)磁電流，U為電源電壓，Uf為勵(lì)磁電壓；I為負(fù)載電流。二、直流電機(jī)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。直流電機(jī)定子主要由主磁極、機(jī)座、換向極和電刷裝置等組成。主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)，它由主極鐵芯和套裝在鐵芯上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主極鐵芯一般由1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成，是主磁路的一部分。勵(lì)磁繞組用扁銅線或圓銅線繞制而成，產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。機(jī)座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。換向極的作用是改善直流電機(jī)的換向情況，使直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)不產(chǎn)生有害的火花。它由換向極鐵芯和套裝在鐵芯上的換向極繞組構(gòu)成。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路的引入或引出。定子部分轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器等。電樞鐵芯既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組的支撐部分，電樞繞組嵌放在電樞鐵芯的槽內(nèi)。電樞鐵芯一般用0.55mm硅鋼沖片疊壓而成。電樞繞組由扁銅線或圓銅線按一定規(guī)律繞制而成，它是直流電機(jī)的電路部分，也是產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部分。換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。轉(zhuǎn)子部分二、直流電機(jī)直流電機(jī)工作原理定子有一對(duì)N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個(gè)換向片上，正、負(fù)電刷A和B分別與兩個(gè)換向片接觸。如果給兩個(gè)電刷加上直流電源，如左圖（a）所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷B流出。根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可用左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如左圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可用左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過(guò)的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。二、直流電機(jī)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法主要有電樞調(diào)壓控制、磁場(chǎng)控制和電樞回路電阻控制。電樞調(diào)壓控制定義：通過(guò)改變電樞的端電壓來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速控制，它可保持電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速近似與電樞端電壓成比例變化，所以稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。直流電機(jī)采用電樞調(diào)壓控制可實(shí)現(xiàn)在寬廣范圍內(nèi)的連續(xù)平滑的速度控制，調(diào)速比一般可達(dá)1:10，如果與磁場(chǎng)控制配合使用，調(diào)速比可達(dá)1:30。電動(dòng)汽車用的直流電機(jī)常用斬波控制器作為電樞調(diào)壓控制電源。電樞調(diào)壓控制的調(diào)速過(guò)程：當(dāng)磁通保持不變時(shí)，減小電壓，由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動(dòng)勢(shì)也暫時(shí)不變化，由于電樞電流減小，轉(zhuǎn)矩也減小。如果阻轉(zhuǎn)矩未變，則轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速的降低，反電動(dòng)勢(shì)減小，電樞電流和轉(zhuǎn)矩就隨著增大，直到轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止，但這時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來(lái)降低了。磁場(chǎng)控制定義：通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的勵(lì)磁電流改變每極的磁通量，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電機(jī)基數(shù)以上的控制。當(dāng)電樞電流不變時(shí)，具有恒功率調(diào)速特性。磁場(chǎng)控制效率高，但調(diào)速范圍小，一般不超過(guò)1:3，而且響應(yīng)速度較慢。磁場(chǎng)控制可采用可變電阻器，也可采用可控整流電源作為勵(lì)磁電源。磁場(chǎng)控制的調(diào)速過(guò)程：當(dāng)電壓保持恒定時(shí)，減小磁通，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，于是反電動(dòng)勢(shì)減小，電樞電流隨之增加。由于電樞電流增加的影響超過(guò)磁通減小的影響，所以轉(zhuǎn)矩也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩未變，則轉(zhuǎn)速上升。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動(dòng)勢(shì)增大，電樞電流和轉(zhuǎn)矩也隨著減小，直到轉(zhuǎn)矩和阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止，但這時(shí)轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來(lái)升高了。電樞回路電阻控制定義：指當(dāng)電機(jī)的勵(lì)磁電流不變時(shí)，通過(guò)改變電樞回路電阻來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制方法的機(jī)械特性較軟，而且電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，一般很少應(yīng)用。對(duì)于小型串勵(lì)電機(jī)，常采用電樞回路電阻控制方式。三、無(wú)刷直流電機(jī)類型無(wú)刷直流電機(jī)是用電子換向裝置代替了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，保留了有刷直流電機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，克服了有刷直流電機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列缺點(diǎn)，體積小，重量輕，可做成各種體積形狀，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的調(diào)速電機(jī)之一，在電動(dòng)汽車上有著廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)刷直流電機(jī)按照工作特性，可以分為具有直流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)和具有交流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)。反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是矩形波，所以又稱為矩形波同步電機(jī)。這類電機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來(lái)檢測(cè)主轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測(cè)出的信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的電子換向線路以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式換向。顯然，這種無(wú)刷直流電機(jī)具有有刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。具有直流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是正弦波，所以又稱為正弦波同步電機(jī)。這類電機(jī)也由直流電源供電，但通過(guò)逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動(dòng)一般的同步電機(jī)。因此，它們具有同步電機(jī)的各種運(yùn)行特性。具有交流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)主要由電機(jī)本體、電子換向器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)-電機(jī)本體刷直流電機(jī)的電機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子二部分組成定子是電機(jī)本體的靜止部分。它由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹(shù)脂等。定子轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，是產(chǎn)生勵(lì)磁磁場(chǎng)的部件。由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件組成。轉(zhuǎn)子三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)-電子換向器電子換向器由功率變換電路和控制電路構(gòu)成，主要用來(lái)控制定子各繞組通電的順序和時(shí)間。無(wú)刷直流電機(jī)本質(zhì)上是自控同步電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，因此，應(yīng)按一定的順序給定子各相繞組輪流通電，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場(chǎng)。無(wú)刷直流電機(jī)的三相繞組中通過(guò)的電流是120°電角度的方波，繞組在持續(xù)通過(guò)恒定電流的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)在空間是靜止不動(dòng)的。而在開(kāi)關(guān)換向期間，隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，定子磁場(chǎng)隨之跳躍了一個(gè)電角度。而轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個(gè)磁場(chǎng)的瞬時(shí)速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”?。由于采用了自控式逆變器即電子換向器，電機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生震蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一。工作原理一般來(lái)說(shuō)，對(duì)電子換向器的基本要求是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，體積小，重量輕，功耗小，能按照位置傳感器的信號(hào)進(jìn)行正確換向，并能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，應(yīng)能長(zhǎng)期滿足不同環(huán)境條件的要求。要求三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器在無(wú)刷直流電機(jī)中起著檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置的作用為功率開(kāi)關(guān)電路提供正確的換向信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換向。由于功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開(kāi)關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類似的作用。作用分為電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。電磁式位置傳感器具有輸出信號(hào)大、工作可靠、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但其體積比較大，信噪比較低且輸出為交流信號(hào)，需整流濾波后才能使用。光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、體積小、重量輕，但對(duì)環(huán)境要求較高。磁敏式位置傳感器的基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效用，它對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很強(qiáng)，成本低廉，但精度不高。分類三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)工作原理無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理與有刷直流電機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號(hào)控制電子換向線路去驅(qū)動(dòng)逆變器的功率開(kāi)關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號(hào)，以不斷地改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來(lái)。無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理圖三、無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制方法按照獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法劃分，無(wú)刷直流電機(jī)的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在無(wú)刷直流電機(jī)定子上安裝位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，為電子換向電路提供正確的換向信息，以此控制電子換向電路中的功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，保證電機(jī)各相按順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。有位置傳感器控制無(wú)傳感器，使用場(chǎng)合廣，相對(duì)于有位置傳感器方法有較大的優(yōu)勢(shì)，因此，無(wú)位置傳感器控制近年來(lái)已成為研究的熱點(diǎn)。無(wú)位置傳感器控制中，不直接使用轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，以控制電機(jī)換向。因此，如何通過(guò)軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，成為無(wú)位置傳感器控制的關(guān)鍵。為此，國(guó)內(nèi)外的研究人員在這方面做了大量的研究工作，提出了多種轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法，大多是利用檢測(cè)定子電壓、電流等容易獲取的物理量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估算。歸納起來(lái)，可以分為反電動(dòng)勢(shì)法、電感法、狀態(tài)觀測(cè)器法、電機(jī)方程計(jì)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。無(wú)位置傳感器控制四、異步電機(jī)類型異步電機(jī)又稱感應(yīng)電機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電機(jī)。異步電機(jī)是各類電機(jī)中應(yīng)用最廣、需求量最大的一種。在電動(dòng)汽車中，主要使用三相籠型異步電機(jī)。異步電機(jī)的種類很多，最常見(jiàn)的分類方法是按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)分類。籠型異步電機(jī)繞線型異步電機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類單相異步電機(jī)兩相異步電機(jī)三相異步電機(jī)按定子繞組數(shù)分類四、異步電機(jī)結(jié)構(gòu)異步電機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。如下圖所示為三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。四、異步電機(jī)結(jié)構(gòu)-定子異步電機(jī)的定子由定子鐵芯、定子繞組和機(jī)座構(gòu)成。定子鐵芯定子鐵芯是電機(jī)磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。定子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵芯的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。定子鐵芯的槽型有半閉口型槽、半開(kāi)口型槽和開(kāi)口型槽三種。定子繞組是電機(jī)的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。定子繞組定子繞組由三個(gè)在空間互隔120°電角度、對(duì)稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同的繞組連接而成，這些繞組的各個(gè)線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。機(jī)座機(jī)座主要用于固定定子鐵芯與前后端蓋，以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，微型電機(jī)的機(jī)座采用鑄鋁件。封閉式電機(jī)的機(jī)座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開(kāi)有通風(fēng)孔，使電機(jī)內(nèi)外的空氣可直接對(duì)流，以利于散熱。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，很多機(jī)座開(kāi)始采用鑄鋁件。四、異步電機(jī)結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機(jī)磁路的一部分，并在鐵芯槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯所用材料與定子一樣，由0.5mm厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來(lái)安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵芯沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來(lái)沖制轉(zhuǎn)子鐵芯。一般小型異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電機(jī)（轉(zhuǎn)子直徑在300～400mm以上）的轉(zhuǎn)子鐵芯則借助于轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部分，它的作用是切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組分為籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸用于固定和支撐轉(zhuǎn)子鐵芯，并輸出機(jī)械功率。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼材料。異步電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間有一個(gè)小的間隙，稱為電機(jī)氣隙。氣隙的大小對(duì)異步電機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。中小型異步電機(jī)的氣隙一般為0.2～2mm；功率越大，轉(zhuǎn)速越高，氣隙長(zhǎng)度越大。四、異步電機(jī)異步電機(jī)的工作原理當(dāng)異步電機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向由右手定則來(lái)確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生，電流方向與電動(dòng)勢(shì)方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下將產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速，這是異步電機(jī)的主要特點(diǎn)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上帶有機(jī)械負(fù)載，則負(fù)載被電磁轉(zhuǎn)矩拖動(dòng)而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動(dòng)勢(shì)、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)變化，以適應(yīng)負(fù)載需要。因此，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是隨負(fù)載變化而變化的。異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速之間存在轉(zhuǎn)速差，它的大小決定著轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)及其頻率的大小，直接影響異步電機(jī)的工作狀態(tài)。通常將轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速的比值，用轉(zhuǎn)差率表示，即注：轉(zhuǎn)差率是異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的一個(gè)重要物理量。異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，取值范圍為0<sn<1；在額度負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)，一般額定轉(zhuǎn)差率為0.01～0.06。四、異步電機(jī)異步電機(jī)的控制方法異步電機(jī)是一個(gè)多輸入輸出系統(tǒng)，其中變量電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以又是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。對(duì)異步電機(jī)的控制主要有轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。轉(zhuǎn)差控制轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來(lái)直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的，可以在一定的轉(zhuǎn)差頻率范圍內(nèi)、一定程度上通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差來(lái)控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，但其控制理論是建立在異步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，它適合于電機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合。矢量控制矢量控制理論采用矢量分析的方法來(lái)分析異步電機(jī)內(nèi)部的電磁過(guò)程，是建立在異步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它將異步電機(jī)的定子電流解耦成互相獨(dú)立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量，分別控制這兩個(gè)分量就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，從而達(dá)到理想的動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是將電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對(duì)象，通過(guò)控制定子磁場(chǎng)向量控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型，只是通過(guò)控制PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式，控制電機(jī)的瞬時(shí)輸入電壓，改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)性能對(duì)轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性，并且這種方法被推廣到弱磁調(diào)速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式，性能優(yōu)越。但同時(shí)不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，調(diào)速性能降低的問(wèn)題。此外，該方法對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)頻率提高的限制較大，定子電阻對(duì)電機(jī)低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電阻的變化引起的定子電流和磁鏈的畸變，以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、死區(qū)效應(yīng)和開(kāi)關(guān)頻率等問(wèn)題。注：PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等現(xiàn)代控制和智能控制理論也開(kāi)始應(yīng)用于異步電機(jī)的控制。五、永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)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(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車界的高度重視，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)之一。永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)。永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)五、永磁同步電機(jī)定子與普通電機(jī)基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。結(jié)構(gòu)-定子電樞鐵芯一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成對(duì)于具有高效率指標(biāo)或頻率較高的電機(jī)，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無(wú)取向硅鋼片。電樞鐵芯電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組對(duì)于極數(shù)較多的電機(jī)，則普遍采用分?jǐn)?shù)槽繞組；需要進(jìn)一步改善電動(dòng)勢(shì)波形時(shí)，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。電樞繞組五、永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料。永磁體轉(zhuǎn)子鐵芯可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實(shí)心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵芯五、永磁同步電機(jī)與普通電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體位置檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)磁極位置，并以此對(duì)電樞電流進(jìn)行控制，達(dá)到對(duì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的目的。按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式二種。結(jié)構(gòu)-永磁體表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较?。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如下圖所示。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動(dòng)作用，動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機(jī)的過(guò)載能力或功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，在矩形波永磁同步電機(jī)和恒功率運(yùn)行范圍不寬的正弦波永磁同步電機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，使其成為能使電機(jī)氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電機(jī)乃至整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機(jī)的功率密度，動(dòng)態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡(jiǎn)單，常被某些調(diào)速永磁同步電機(jī)所采用，但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。五、永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的磁鋼放在磁通軸的非對(duì)稱位置上或同時(shí)利用徑向和切向充磁的磁鋼，以產(chǎn)生高磁通密度。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高，安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子有較大的慣性，漏磁系數(shù)較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點(diǎn)是一個(gè)極距下的磁通由相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當(dāng)電機(jī)極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就顯得更為突出。此外，采用該結(jié)構(gòu)的永磁同步電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40％，對(duì)提高電機(jī)的功率密度和擴(kuò)展恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)和制造工藝都比較復(fù)雜，制造成本也比較高。五、永磁同步電機(jī)工作原理永磁同步電機(jī)的工作原理如左圖所示，圖中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n0為同步轉(zhuǎn)速，T為轉(zhuǎn)矩，θ為功率角。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個(gè)以速度n0旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為

（式中，fs為電源頻率；pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)。）永磁同步電機(jī)的定子是三相對(duì)稱繞組，三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與已充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線對(duì)齊。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)功率角，負(fù)載越大，功率角也越大，直到一個(gè)極限角度，電機(jī)停止。由此可見(jiàn)，同步電機(jī)在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速必須與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，其靜態(tài)誤差為零。在負(fù)載擾動(dòng)下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)的。五、永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的控制方法矢量控制永磁同步電機(jī)矢量控制策略與異步電機(jī)矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此，在永磁同步電機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對(duì)象，電壓矢量則是控制系統(tǒng)唯一的輸入，直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增加或減小，但是轉(zhuǎn)矩和磁鏈并不解耦，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有PWM信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動(dòng)態(tài)性能。智能控制為了提高永磁同步電機(jī)的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等開(kāi)始應(yīng)用于同步電機(jī)的控制。采用智能控制方法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能控制器處于最外環(huán)充當(dāng)速度控制器，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法，這主要是因?yàn)橥猸h(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對(duì)象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動(dòng)給內(nèi)環(huán)帶來(lái)的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。為了提高永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的性能，使其具有更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)速精度、更寬的調(diào)速范圍，提出了各種新型控制策略用于永磁同步電機(jī)控制。永磁同步電機(jī)控制主要有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等。六、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是繼直流電機(jī)和交流電機(jī)之后，又一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姍C(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是采用定轉(zhuǎn)子凸極且極數(shù)相接近的大步距磁阻式步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器通過(guò)電子功率開(kāi)關(guān)控制各相繞組導(dǎo)通使其運(yùn)行的電機(jī)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成結(jié)構(gòu)定子：由普通的硅鋼片疊壓而成定子極上繞有集中繞組，把沿徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)成一個(gè)兩級(jí)磁極，稱為“一相”?定子轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成轉(zhuǎn)子既無(wú)繞組又無(wú)永磁體，僅由硅鋼片疊成轉(zhuǎn)子開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，如單相、兩相、四相及多相等，且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。低于三相的開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)一般沒(méi)有自啟動(dòng)能力。相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開(kāi)關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是四相8/6極結(jié)構(gòu)和三相6/4極結(jié)構(gòu)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理六、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)S1、S2代表電子開(kāi)關(guān)；VD1、VD2代表二極管，U代表直流電源電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀，極數(shù)互不相等，轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成，轉(zhuǎn)子帶有位置檢測(cè)器以提供轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對(duì)準(zhǔn)或錯(cuò)開(kāi)而變化。因?yàn)殡姼信c磁阻成反比，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時(shí)，相繞組電感最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極中心線對(duì)準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí)，相繞組電感最小。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，所以具有一定形狀的鐵芯在移動(dòng)到最小磁阻位置時(shí)，必須使自己的主軸線與磁場(chǎng)的軸線重合。由右圖可看出，當(dāng)定子D-D’極勵(lì)磁時(shí)，所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線1-1’與定子極軸線D-D’重合的位置，并使D相勵(lì)磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對(duì)位置作為起始位置，則依次給D-A-B-C相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會(huì)逆著勵(lì)磁順序以逆時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則電機(jī)即會(huì)沿著順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。所以開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無(wú)關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)既可以通過(guò)控制電機(jī)自身的參數(shù)（如開(kāi)通角、關(guān)斷角）來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用適用于其他電機(jī)上的控制理論，如PID控制、模糊控制等，對(duì)功率變換器部分進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。針對(duì)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)自身參數(shù)進(jìn)行控制，主要有角度位置控制、電流斬波控制和電壓控制。六、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)角度位置控制電流斬波控制控制原理：電壓控制是保持開(kāi)通角、關(guān)斷角不變的前提下，使功率開(kāi)關(guān)器件工作在PWM方式。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比，來(lái)調(diào)整加在繞組兩端電壓的平均值，進(jìn)而改變繞組電流的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)：它通過(guò)調(diào)節(jié)繞組電壓的平均值進(jìn)而調(diào)節(jié)電流，因此可用在低速和高速系統(tǒng)，且控制簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：調(diào)速范圍有限。電壓控制控制原理：電機(jī)低速運(yùn)行特別是啟動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)引起的壓降很小，相電流上升快，為避免過(guò)大的電流脈沖對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件及電機(jī)造成損壞，需要對(duì)電流峰值進(jìn)行限定，因此，可采用電流的斬波控制，獲取恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。優(yōu)點(diǎn)：它適用于電機(jī)的低速調(diào)速系統(tǒng)，可以控制電流峰值的增長(zhǎng)，并有很好的電流調(diào)節(jié)作用；因每相電流波形會(huì)呈現(xiàn)出較寬的平頂狀，使得產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)相應(yīng)地比其他控制方式要小。缺點(diǎn)：由于電流的峰值受到了限制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載的擾動(dòng)作用下發(fā)生變化時(shí)，電流的峰值無(wú)法做出相應(yīng)的改變，使得系統(tǒng)的特性比較軟，因此系統(tǒng)在負(fù)載擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很緩慢?？刂圃恚航嵌任恢每刂剖窃诩釉诶@組上的電壓一定的情況下，通過(guò)改變繞組上主開(kāi)關(guān)的開(kāi)通角和關(guān)斷角，來(lái)改變繞組的通、斷電時(shí)刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。分類：變開(kāi)通角、變關(guān)斷角、同時(shí)改變開(kāi)通角及關(guān)斷角優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍寬；可同時(shí)多相通電，以增加電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時(shí)減小了轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；通過(guò)角度的優(yōu)化，能實(shí)現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。應(yīng)用范圍：角度位置控制不適于低速場(chǎng)合，因?yàn)樵诘退贂r(shí)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)較小，使電流峰值增大，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行限流，故一般用于轉(zhuǎn)速較高的場(chǎng)合。輪轂電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式七、輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機(jī)技術(shù)，是將電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式分成兩種結(jié)構(gòu)，即內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。內(nèi)轉(zhuǎn)子式外轉(zhuǎn)子式特點(diǎn)：采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為1000～1500r/min，無(wú)減速機(jī)構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、軸向尺寸小，比功率高，能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，無(wú)減速機(jī)構(gòu)，因此效率高缺點(diǎn)：要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大電機(jī)體積和重量，成本高，加速時(shí)效率低，噪聲大特點(diǎn)：采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可高達(dá)10000r/min，減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比在10:1，車輪的轉(zhuǎn)速在1000r/min左右。優(yōu)點(diǎn)：具有較高的比功率，重量輕，體積小，效率高，噪聲小，成本低缺點(diǎn)：必須采用減速機(jī)構(gòu)，效率降低，非簧載重量增大，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機(jī)構(gòu)的承受能力等因素的限制。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機(jī)在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競(jìng)爭(zhēng)力?！嗇炿姍C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由于電機(jī)電制動(dòng)容量較小，不能滿足整車制動(dòng)效能的要求，通常需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或盤式制動(dòng)器。大多數(shù)的輪轂電機(jī)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，也有采用水冷和油冷的方式對(duì)電機(jī)、制動(dòng)器等的發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。輪轂電機(jī)的應(yīng)用類型七、輪轂電機(jī)輪轂電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照電機(jī)磁場(chǎng)的類型分為軸向磁場(chǎng)和徑向磁場(chǎng)兩種類型。軸向磁場(chǎng)軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵芯徑向磁場(chǎng)徑向磁通電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術(shù)更簡(jiǎn)單成熟1無(wú)刷永磁同步電機(jī)2異步電機(jī)3開(kāi)關(guān)磁阻式電機(jī)采用圓柱形徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高；缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，成本高，相對(duì)永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉、轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性好等特點(diǎn)，適用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)；缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)和控制非常困難和精細(xì)，運(yùn)行噪聲大輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式七、輪轂電機(jī)原理采用低速外轉(zhuǎn)子電機(jī)，輪轂電機(jī)與車輪組成一個(gè)完整部件總成，電機(jī)布置在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動(dòng)車輪帶動(dòng)汽車行駛（如下圖）優(yōu)點(diǎn)電機(jī)體積小，重量輕，成本低，系統(tǒng)傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，既有利于整車結(jié)構(gòu)布置和車身設(shè)計(jì)，也便于改型設(shè)計(jì)要求這種驅(qū)動(dòng)方式直接將外轉(zhuǎn)子安裝在車輪的輪輞上驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電動(dòng)汽車在起步時(shí)需要較大的轉(zhuǎn)矩，所以安裝在直接驅(qū)動(dòng)型電動(dòng)輪中的電機(jī)必須能在低速時(shí)提供大轉(zhuǎn)矩；承載大轉(zhuǎn)矩時(shí)需要大電流，易損壞電池和永磁體；電機(jī)效率峰值區(qū)域很小，負(fù)載電流超過(guò)一定值后效率急劇下降。為了使電動(dòng)汽車能夠有較好的動(dòng)力性，電機(jī)還必須具有很寬的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。由于電機(jī)工作產(chǎn)生一定的沖擊和振動(dòng)，要求車輪輪輞和車輪支撐必須堅(jiān)固、可靠，同時(shí)由于非簧載重量大，要保證電動(dòng)汽車的舒適性，要求對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此方式適用于平路或負(fù)載小的場(chǎng)合。1直接驅(qū)動(dòng)采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，適合現(xiàn)代高性能電動(dòng)汽車的運(yùn)行要求。這種電動(dòng)輪采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)，其目的是為了獲得較高的功率。減速機(jī)構(gòu)布置在電機(jī)和車輪之間，起減速和增矩的作用，保證電動(dòng)汽車在低速時(shí)能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩。電機(jī)輸出軸通過(guò)減速機(jī)構(gòu)與車輪驅(qū)動(dòng)軸連接，使電機(jī)軸承不直接承受車輪與路面的載荷作用，改善了軸承的工作條件；采用固定速比行星齒輪減速器，使系統(tǒng)具有較大的調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩，消除了車輪尺寸對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和功率的影響。但輪轂電機(jī)內(nèi)齒輪的工作噪聲比較大，并且潤(rùn)滑方面存在很多問(wèn)題；其非簧載重量也比直接驅(qū)動(dòng)式電動(dòng)輪電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的大，對(duì)電機(jī)及系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)要求更高。從電動(dòng)汽車各種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將是未來(lái)電動(dòng)汽車的主要驅(qū)動(dòng)形式。2減速驅(qū)動(dòng)八、電機(jī)控制器電機(jī)控制器的組成與原理電機(jī)控制器是控制動(dòng)力電源與電機(jī)之間能量傳輸?shù)难b置，它由控制信號(hào)接口電路、電機(jī)控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。接收電池輸送過(guò)來(lái)的直流電能，逆變成三相交流電給電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供電源逆變器1接收電機(jī)轉(zhuǎn)速等信號(hào)反饋到儀表，當(dāng)發(fā)生制動(dòng)或者加速行為