車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)課件第1章

車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)第1章緒論21.1電機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史法拉第（1）“電機(jī)技術(shù)積累階段”電機(jī)的技術(shù)起源可以追溯到1831年法拉第發(fā)明盤(pán)式電機(jī)，直至1866年大功率直流發(fā)電機(jī)研制成功之前的一段時(shí)間，可以稱(chēng)為“電機(jī)技術(shù)積累階段”。（2）“直流電機(jī)的工業(yè)化應(yīng)用”

1866年德國(guó)人西門(mén)子成功研制自激和并激式大功率直流發(fā)電機(jī)，開(kāi)啟了大功率機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的序幕，進(jìn)而引發(fā)了19世紀(jì)晚期的“電氣化”革命。電機(jī)技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入第一個(gè)黃金發(fā)展期：“電機(jī)技術(shù)成熟期”。（3）“交流電動(dòng)機(jī)的發(fā)明”進(jìn)入十九世紀(jì)上半葉，各種交流電機(jī)不斷發(fā)明和發(fā)展，開(kāi)始了電機(jī)大量工業(yè)應(yīng)用的第一個(gè)黃金年代。（4）“電力電子應(yīng)用于交流電機(jī)調(diào)速控制”功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步。圖1-11831年法拉第圓盤(pán)發(fā)電機(jī)實(shí)物模型與電路原理圖圖1-2斯特金電機(jī)原理圖圖1-3斯特金電機(jī)原理圖31.2車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)和常用類(lèi)型因?yàn)檐?chē)用的特殊應(yīng)用需求，車(chē)用電機(jī)有其顯著的技術(shù)特征，突出體現(xiàn)在如下方面：1）重量比功率高：量化對(duì)于整車(chē)的能效提高有直接的貢獻(xiàn)，因此與固定設(shè)備的工業(yè)電機(jī)不同，車(chē)用電機(jī)普遍要求盡可能高的單位質(zhì)量功率。2）體積比功率高：車(chē)用空間的優(yōu)化是永恒的主題。電機(jī)系統(tǒng)越緊湊，就越容易滿(mǎn)足整車(chē)的需要，實(shí)現(xiàn)更深度的“嵌入”設(shè)計(jì)，因此要求單位體積的電機(jī)功率要盡可能高。3）效率高：追求高效率是所有電機(jī)應(yīng)用的基本要求。車(chē)用電機(jī)的主要特點(diǎn)是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高效率區(qū)要寬，不只是在特定工作點(diǎn)上有較高的效率，而在較寬的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率，從而滿(mǎn)足車(chē)輛各種行駛工況下的效率優(yōu)化。4）調(diào)速范圍寬：除個(gè)別車(chē)型采用多個(gè)速比的變速箱外，電動(dòng)汽車(chē)基本都只有一個(gè)固定速比的減速器；為了滿(mǎn)足車(chē)輛的高速行駛和低速爬坡需求，車(chē)用電機(jī)的調(diào)速范圍要非常寬。5）轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)快：車(chē)用電機(jī)持續(xù)工作于變工況狀態(tài)下，高的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)既是駕駛員駕駛性主觀(guān)體驗(yàn)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，也是與整車(chē)安全功能相關(guān)的核心關(guān)鍵指標(biāo)。6）短時(shí)峰值功率大：汽車(chē)勻速行駛所需的持續(xù)驅(qū)動(dòng)功率顯著低于加速工況所需要的短時(shí)峰值功率，但加速工況的持續(xù)時(shí)間較短，因此車(chē)用電機(jī)設(shè)計(jì)上（短時(shí)）峰值功率與（持續(xù)）額定功率相差可以達(dá)到一倍以上。7）長(zhǎng)壽命、高可靠、環(huán)境適應(yīng)性好和低成本。41.2車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)和常用類(lèi)型（1）交流感應(yīng)電機(jī)，也稱(chēng)異步電機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小、低噪聲、不需要位置傳感器、轉(zhuǎn)速極限高。局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能略差。而且相對(duì)永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低。（2）永磁同步電機(jī)，功率密度和效率是永磁同步電機(jī)的突出優(yōu)勢(shì)，此外，調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩控制性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和可靠性高等特點(diǎn)也很突出，是目前車(chē)用電機(jī)的首選類(lèi)型。針對(duì)一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，比如扁平結(jié)構(gòu)或軸向磁通結(jié)構(gòu)電機(jī)，永磁電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加突出。根據(jù)轉(zhuǎn)子上永磁體的安裝位置不同可以分為面裝式（SPM）和內(nèi)置式（IPM）兩大類(lèi)，其中后者因?yàn)檗D(zhuǎn)子的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的“磁阻轉(zhuǎn)矩”可以有效提高電機(jī)的效率，在車(chē)用電機(jī)設(shè)計(jì)上更受青睞。對(duì)于反電動(dòng)勢(shì)為方波的永磁同步電機(jī)，有時(shí)也被歸類(lèi)為“直流無(wú)刷電機(jī)”（BrushlessDCMotor，簡(jiǎn)稱(chēng)為BLDC）。車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)永磁同步電機(jī)感應(yīng)電機(jī)面裝式內(nèi)置式圖1-4常見(jiàn)車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類(lèi)51.3車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的典型應(yīng)用ISG電機(jī)與P2電機(jī)ISG電機(jī)又稱(chēng)作P1電機(jī)，其具體的安裝位置以及結(jié)構(gòu)形式如圖1-5所示，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)直接連接，電機(jī)轉(zhuǎn)子取代了傳統(tǒng)的飛輪。此結(jié)構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)改動(dòng)少，而且具有元件少、噪音低、起動(dòng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，是目前最為簡(jiǎn)單、成熟的一種混合驅(qū)動(dòng)方式。P2電機(jī)的安裝位置位于變速箱的輸入端，如圖1-6所示。與ISG構(gòu)型的本質(zhì)區(qū)別在于發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)之間增加了一個(gè)離合器（通常稱(chēng)為K0離合器）。所以P2電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)型可以實(shí)現(xiàn)純電驅(qū)動(dòng)、內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)和混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)三種工作模式。與ISG構(gòu)型的混合動(dòng)力系統(tǒng)類(lèi)似，不需要改變?cè)瓉?lái)傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器基本結(jié)構(gòu)。圖1-5ISG電機(jī)構(gòu)型布置和結(jié)構(gòu)形式圖1-6P2構(gòu)型安裝位置和結(jié)構(gòu)形式61.3車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的典型應(yīng)用電機(jī)與變速箱的集成將內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能在變速箱中通過(guò)不同方式耦合，即電機(jī)與變速箱集成是目前混合動(dòng)力車(chē)輛的重要技術(shù)路線(xiàn)，這種將電機(jī)與變速箱集成后的變速箱又稱(chēng)作混合動(dòng)力專(zhuān)用變速器DHT，其工作原理是通過(guò)集成一個(gè)或者多個(gè)電動(dòng)機(jī)到變速器中形成帶電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)變速器系統(tǒng)，疊加發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率后即可實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的功能。豐田公司的混合動(dòng)力系統(tǒng)THS是比較典型的DHT變速器?？梢钥闯鲈撓到y(tǒng)采用了發(fā)動(dòng)機(jī)與雙電機(jī)（MG1、MG2）3個(gè)動(dòng)力源，并通過(guò)行星齒輪耦合構(gòu)成電控?zé)o極變速器，根據(jù)車(chē)輛的不同工況實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的雙自由度調(diào)節(jié)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)MG2純電行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)電動(dòng)機(jī)MG1給電池充電；發(fā)動(dòng)機(jī)也可以與電動(dòng)機(jī)MG2（或者M(jìn)G1）同時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)。THS屬于功率分流混合動(dòng)力，通過(guò)電動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)控制其轉(zhuǎn)矩比例，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，所以THS又被稱(chēng)為電動(dòng)無(wú)級(jí)變速器。圖1-7第三代THS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖71.3車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的典型應(yīng)用三合一純電驅(qū)動(dòng)總成將電機(jī)、控制器和減速器集成起來(lái)的三合一電驅(qū)動(dòng)總成系統(tǒng)由于其高集成度，是車(chē)用電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，該種集成形式的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：1）集成式設(shè)計(jì)可以使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積減小。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部件被整合為一體，這無(wú)疑使整個(gè)系統(tǒng)更緊湊，使得車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)的布局可以更加靈活；2）集成式設(shè)計(jì)可以使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)重量減小。隨著主要零部件的高度集成，各部件間的連接線(xiàn)材大幅減少，系統(tǒng)重量也得到了優(yōu)化，使車(chē)輛能耗更低；3）集成化設(shè)計(jì)有效減小了各部件間的距離，優(yōu)化了能量傳輸路徑，有利于減低損耗，使動(dòng)力總成效率更高。圖1-8“三合一”電驅(qū)動(dòng)總成81.3車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的典型應(yīng)用輪轂電機(jī)圖1-9輪邊和輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)類(lèi)型目前輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式主要有兩種：第一種是所謂“輪邊電機(jī)”，其典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為內(nèi)轉(zhuǎn)子外定子，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1-9左圖所示，其工作原理是轉(zhuǎn)子作為輸出軸與固定減速比的行星齒輪減速器的太陽(yáng)輪相連，車(chē)輪輪轂與其齒圈連接，通過(guò)較大的減速比來(lái)放大輪轂電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，所以該