电动汽车原理与应用技术 第3版 PPT课件驱动电机

第3章驱动电机1

电机分类

直流电机交流异步电机

永磁同步电机

开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录3电机分类驱动电机是电动汽车驱动系统的核心部件，其性能的好坏直接影响电动汽车驱动系统的性能。电动汽车要求驱动电机具备低速大转矩、工况适用性强等性能特点。电动汽车驱动电机分类4电机分类电动汽车常用驱动电机的性能比较最早应用于电动汽车的是直流电机，这种电机的特点是控制性能好、控制成本低。随着电子、机械制造和自动控制技术的发展，交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机表现出比直流电机更加优越的性能。5电机分类与工业生产机械、家用电器等的电机相比，电动汽车用驱动电机的工作环境有明显不同：电机工况变化频繁：电动汽车经常起动/停车、加速/减速、上坡/下坡等，电机的输出转矩和功率变化频繁。电机在冲击、振动的环境下工作：电动汽车的颠簸和振动都会传递给电机，此外，电机还要承受汽车在紧急制动、急转弯、急加速时的惯性力。车载电源能量有限：电动汽车的电源能源是有限的，当能量用尽时，需要停止运行，进行充电或添加燃料来恢复其消耗的能量。电机本身也是负载：电机及其控制器本身的质量也是车辆质量的一部分。车用电机的工作环境6电机分类由于电动汽车特殊的工作环境，对电动汽车车用驱动电机的要求要比普通电机高，主要体现在以下几个方面：高比功率：高比功率可减小对有效车载空间的占用，减少系统的质量。高效率：在复杂路况、行驶方式频繁改变和低负荷运行时都要节约电能。高可靠性：耐温和耐潮性能强，能在较恶劣的环境下长时间工作。高电压：减小电机的尺寸和降低逆变器的成本。高电气系统安全性：电气系统的安全性和控制系统的安全性，都必须符合相关车辆电气控制的安全性标准和规定。车用电机的性能要求电机分类

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开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录8直流电机定子：直流电机的定子主要用于产生主磁场和在机械上支承电机，其主要构成是主磁极、换向极、机座、电刷装置。转子：直流电机的转子也称为电枢，由电枢铁心和电枢绕组构成。换向器：换向器的作用是使电枢绕组中的电流及时换向，将从电刷输入的直流电转换为电枢绕组的交流电。换向器是由许多铜片组成的，各铜片之间用云母片绝缘。直流电机的结构9直流电机电源的直流电加于电刷A（正极）和B（负极）上，在导体ab中，电流由a指向b，导体cd中，电流由c指向d。当电枢转过了180°，直流电仍由电刷A流入，电刷B流出，电流在电枢内的流向改变为d到c，b到a。直流电机的基本原理左手定则在转矩M作用下电枢将逆时针方向旋转转矩M方向仍为逆时针电枢持续保持逆时针转动101.调速性能良好：直流电机具有良好的电磁转矩控制特性，可实现均匀平滑的无级调速，具有较宽的调速范围。2.起动性能好：直流电机具有较大的起动转矩。3.具有较宽的恒功率范围：直流电机恒功率输出范围较宽，可确保电动汽车具有较好的低速起动性能和高速行驶能力。4.控制较为简单：直流电动机可采用斩波器实现调速控制，具有控制灵活高效、质量小、体积小、响应快等特点。5.价格便宜：直流电机的制造和控制技术都比较成熟，其控制装置简单、价格较低，因而整个直流驱动系统的价格较便宜。直流电机直流电机的主要优点：111.效率低：相比交流电机，直流电机的效率低。2.维护工作量大：有刷直流电机工作时电刷和换向器之间会产生换向火花，换向器容易烧蚀。3.转速低：转速越高，电刷和换向器产生的火花越大，这限制了直流电机转速的提高。4.质量和体积大：直流电机功率密度低，质量大，体积也大。直流电机直流电机的主要缺点：121.电枢电压调节法：通过改变电枢电压来控制电机的转速。适用于电机基速（额定转速）以下的调速调节。2.磁场调节法：通过调节磁极绕组励磁电流，改变磁极磁通量Φ来调节电机的转速，适用于电机基速以上的转速控制。3.电枢回路电阻调节法：在磁极绕组励磁电流不变的情况下，改变电枢回路的电阻，使电枢电流变化来实现电机转速的调节。直流电机直流电机的控制方法：由于电动汽车的行驶工况、运行状态经常变化，因此，电机的转矩及转速必须经常调节以满足电动汽车驱动力的需要。直流电机的控制方法有电枢电压调节法、磁场调节法、电枢回路电阻调节法等。13直流电机直流电机在电动汽车上的应用：由于直流电机体积和质量大，存在换向火花、电刷磨损以及电机本身结构复杂等问题。随着交流变频调速技术的发展，交流调速电机在电动汽车上的应用后来居上。但是直流电机控制方法和结构简单，起动和加速转矩大，电磁转矩控制特性良好、调速比较方便，不需检测磁极位置，技术成熟，现在仍在很多场合使用。直流电机的应用场合电机分类

直流电机交流异步电机

永磁同步电机

开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录15交流异步电机定子由外壳、定子铁心和定子绕组构成。1.定子铁心：一般由厚0.35~0.5mm的硅钢片叠压而成。硅钢片内圆冲有均匀分布的槽，安放定子绕组。2.定子绕组：由3相空间互隔120°电角度、对称排列、结构完全相同的绕组连接而成。转子由转子绕组和转子铁心组成。转子铁心用硅钢片叠压而成，套装在转轴上，作用和定子铁心相同，即铁心本身用作导磁，外圆上均布的槽用于安放转子绕组。交流异步电机的结构16交流异步电机交流异步电机的三相定子绕组在空间上互差120°电角度，连接成星形或三角形的U、V、W三相绕组。三相绕组中通入iu，iv，iw三相交流电流时，由“右手螺旋定则”，三相绕组磁场会合成一个旋转磁场。交流异步电机的基本原理当转子绕组处于旋转的磁场中，会因为切割磁感线而产生出感应电动势，感应电动势的方向用右手定则判断。转子绕组是闭合的，产生有感应电流。转子绕组在磁场中会受到电磁力的作用，力的方向可由左手定则判断。由于转子绕组闭合回路两边受到两个相反方向的电磁力的作用，因此会产生电磁转矩，使得转子绕组转动，转动方向和旋转磁场的方向一致。171.效率较高。交流异步电机的效率高于直流电机，这一特点对于车载能量有限的电动汽车来说格外重要。2.结构简单、体积较小、质量小。相比于直流电机，交流异步电机转子的结构简单、结构尺寸小、质量小。3.工作可靠、使用寿命长。交流异步电机无电刷和换向器，不存在换向火花问题，因而工作可靠性较高，使用寿命也较长。4.免维护。由于不存在换向火花和电刷磨损问题，因而在使用中无须维护。交流异步电机交流异步电机的优点：181.调速性能相对较差。由于转子的转速与定子旋转磁场的旋转速度存在转差率，因此调速性能较差。2.配用的控制器成本较高，交流异步电机的控制相对较为复杂，配用的控制器成本较高。交流异步电机交流异步电机的缺点：19矢量控制的思想是模拟直流电机，求出交流电机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流，并分别加以控制。其特点如下：1.可以从零转速开始进行控制，调速范围很宽。2.转速控制响应速度快，且调速精度较高。3.可以对转矩实施较为精确的控制，电机的加速特性也很好。4.

系统受电机参数变化的影响较大，且计算复杂，控制较繁琐。交流异步电机交流异步电机的控制方法：交流异步电机的控制大体分为两种：矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）目前矢量控制理论比较完善日趋成熟可基本满足电动汽车的动力性要求20直接转矩控制是在定子坐标下，通过检测电机定子电压和电流，计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。其特点如下：1.调速精度较高，响应速度快。2.计算简单，且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接。3.信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳。4.调速范围较窄，低速特性有脉动现象。交流异步电机交流异步电机的控制方法：在技术实现上，直接转矩控制往往很难体现出优越性制约了直接转矩控制进入实用化的进程21交流异步电机交流异步电机在电动汽车上的应用：交流异步电机是一种应用广泛的电机，其运行可靠、转速高、成本低。从技术水平看，交流异步电机驱动系统是电动汽车用驱动系统的理想选择，但是，在高速运行时转子容易发热，需要对电机进行冷却，且其提速性能较差。因而交流异步电机适合大功率、低速车辆，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车。交流异步电机的应用场合电机分类

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开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录23永磁同步电机永磁同步电机的基本结构与交流异步电机类似，都包括定子部分和转子部分。永磁同步电机的结构永磁同步电机转子：有瓦片式、嵌入式和内埋式等多种结构，与交流异步电机不同，转子为永久磁铁永磁同步电机转子：由铁心和三相绕组构成，与交流异步电机相似24永磁同步电机与交流异步交流电机一样，当定子绕组输入三相正弦交流电时，会产生一个旋转磁场。该旋转磁场与转子的永磁体磁场相互作用，使转子产生电磁转矩，并随着定子的旋转磁场转动。由于转子的转动与旋转磁场同步，故而称之为永磁同步电机。永磁同步电机的基本原理对于某一型号的同步电机转速只与电源的频率有关251.转子无须励磁，电机在很低转速下保持同步运行，调速范围宽。2.效率高、功率密度大：采用了高磁能稀土材料，因此可以大大提高气隙磁通密度和能量转换的效率。另外，采用稀土永磁材料后，电机体积大大缩小，质量相应减小，有效提高了功率密度。3.瞬态特性通常都比较好：由于采用了高性能的永磁材料，体积得以减小，因此有较低的转动惯量、更快的响应速度。4.具有良好的机械特性：对于由于负载的变化引起的电机转矩扰动，永磁同步电机具有较强的承受能力。5.结构多样化：转子可以有多种结构，永磁体可以内置或外置，不同结构有不同性能特点和适用环境，因而其应用范围广。永磁同步电机永磁同步电机的特点：与交流异步电机相比，也有成本高、启动困难等缺点26矢量控制的原理为：以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量：一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量；另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量。分别对其进行控制。永磁同步电机转速和电源频率严格同步，转差率恒等于零，控制效果受转子参数影响小，在永磁同步电机上更容易实现矢量控制。永磁同步电机永磁同步电机的控制方法：永磁同步电机控制较为复杂，控制方法有多种，如矢量控制（磁场定向控制）、直接转矩控制和恒压频比开环控制等控制方式。因其控制结构简单，控制软件容易实现，已被广泛应用到调速系统中。27直流转矩控制不需要矢量控制中的旋转坐标变换和转子磁链定向，转矩取代电流成为受控对象。电压矢量则是控制系统里唯一的输入，通过电压矢量，直接控制转矩和磁链的增加或减小，控制结构简单，受电机参数变化影响小，能够获得极佳的动态性能。永磁同步电机永磁同步电机的控制方法：在电动汽车运行过程中，直接转矩控制需要结合复杂的运行工况进行控制使得直接转矩控制较难应用到电动汽车驱动控制系统中直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制系统仿真框图28恒压频比开环控制的控制矢量为电机的外部矢量，即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现控制策略的调整器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和频率下。1.恒压频比开环控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制。2.恒压频比开环控制策略未引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩。在突发加载或者加速指令时，容易发生失步现象。3.不具备快速的动态响应特性，控制性能差，通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。永磁同步电机永磁同步电机的控制方法：29永磁同步电机永磁同步电机在电动汽车上的应用：与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量小、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多变等显著优点。在电动汽车电驱动系统中具有很高的应用价值。现在很多电动乘用车均使用永磁同步电机。我国永磁材料资源储备丰富，永磁同步电机制造成本也将进一步降低，相对于其他种类的电机，其优势必将更加显著。永磁同步电机的应用场合电机分类

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开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录31开关磁阻电机的基本组成部件有转子、定子铁心和绕组、接线盒等。开关磁阻电机开关磁阻电机的结构转子：开关磁阻电机的转子由导磁性能良好的硅钢片叠压成，转子的凸极上无绕组。开关磁阻电机转子的作用是构成定子磁场磁通路，并在磁场力的作用下转动，产生电磁转矩。32开关磁阻电机的基本组成部件有转子、定子铁心和绕组、接线盒等。开关磁阻电机开关磁阻电机的结构定子：开关磁阻电机的定子铁心也是由硅钢片叠压而成的，成对的凸极上绕有两个互相串联的绕组。开关磁阻电机定子的作用是定子绕组按顺序通电，产生的电磁力牵引转子转动。33根据定子、转子凸极对数的配比，开关磁阻电机可以设计成不同的结构。开关磁阻电机开关磁阻电机的结构34磁阻最小原理：磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。开关磁阻电机开关磁阻电机的基本原理开关磁阻电机的定子和转子均为双凸极结构，依据磁路磁阻最小原理产生电磁转矩，使转子转动。开关磁阻电机的定子双凸极上绕有集中绕组，转子凸极上没有绕组。当定子、转子凸极正对时，磁阻最小。当定子、转子凸极完全错开时，磁阻最大。35当B相绕组施加电流时，由于磁通总是选择磁阻最小的路径闭合，为减少磁路的磁阻，转子将顺时针旋转，直到转子凸极2与定子凸极B的轴线重合。开关磁阻电机开关磁阻电机的基本原理当各电子开关依次控制A、B、C、D四个定子绕组通电时，转子就会不断受电磁力的作用而持续转动。如果定子绕组按D→A→B→C的顺序通电，则转子就会逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转。反之，若按B→A→D→C的顺序通电，则电机转子就会逆着励磁顺序沿顺时针方向转动。36开关磁阻电机开关磁阻电机的主要优势通过适当的控制策略和系统设计，开关磁阻电机能满足电动汽车四象限运行要求，具有较强的再生制动能力，并在高速运行区域内能保持较强的制动能力。开关磁阻电机驱动系统有良好的散热性能，功率密度大，减小了电机体积和质量，节省了电动汽车的有效空间。开关磁阻电机结构简单、成本低、制造工艺简单。37开关磁阻电机开关磁阻电机的主要优势开关磁阻电机可以达到良好控制特性，而且容易智能化，从而能通过编程和替换电路元器件，满足不同类型电动汽车的运行要求。开关磁阻电机可控参数多、调速性能好，适于频繁启动、停止以及正反转运行。开关磁阻电机在很宽的功率和转速范围内能保持高效率，能有效提高电动汽车的一次充电的续驶里程。38开关磁阻电机开关磁阻电机的主要不足虽然结构简单，但其设计和控制较复杂，开关磁阻电机设计和控制要求非常精细，当电机的凸极数较多时，主接线数就多，电机的主电路较复杂。由于电磁转矩的脉动较大，在特定频率下会产生谐振，这些都使得开关磁阻电机的噪声和振动较大。39开关磁阻电机开关磁阻电机的控制方法开关磁阻电机通过电子开关控制定子各凸极相绕组的通断和电流的大小，转子本身不产生磁场，只起导磁的作用。开关磁阻电机的运行不是单纯的发电或者电动的过程，而是将两者有机结合在一起的控制过程。可控参数晶体管导通角度开通角关断角相电流幅值相绕组端电压40开关磁阻电机开关磁阻电机的控制方法角度控制法：电压保持不变，而对开通角和关断角进行控制。改变开通角，可以改变电流的波形宽度、改变电流波形的峰值和有效值小，以及改变电流波形与电感波形的相对位置。角度控制法（APC）改变关断角，可以影响电流波形宽度以及与电感曲线的相对位置，电流有效值也随之变化。一般情况下采用固定关断角、改变开通角的控制模式，但固定关断角的选取也很重要。角度控制法的优点是转矩调节范围大，转矩脉动小，可实现效率最优控制和转矩最优控制，但是该方法不适合用于低速工况。41开关磁阻电机开关磁阻电机的控制方法电流斩波控制法：开通角和关断角保持不变，主要靠控制斩波电流限的大小来调节电流的峰值，从而起到调节电机转矩和转速的目的。电流斩波控制法（CCC）电流斩波控制适用于低速和制动运行工况，可限制电流峰值的增长，并起到良好有效的调节作用，转矩也比较平稳，转矩脉动一般也比其他控制方式要小。电压控制法：在某相绕组导通阶段，在主开关的控制信号中加入PWM信号，调节占空比来调节绕组端电压的大小，从而改变相电流值。电压控制法（VC）电压控制法实现容易，且成本较低，缺点在于功率元件开关频率高、开关损耗大，不能精确控制相电流。42开关磁阻电机开关磁阻电机在电动汽车上的应用开关磁阻电机作为最新一代无级调速系统，尚处于深化研究开发、不断完善提高的阶段，其应用领域也在不断拓展之中。目前还没有产业化车型使用开关磁阻电机。开关磁阻电机的特性十分符合电动汽车驱动的要求，但其工作时会产生较大的噪声和振动，这是开关磁阻电机在电动汽车驱动系统中应用普遍存在和亟须解决的问题。电机分类

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开关磁阻电机轮毂电机电动汽车的再生制动目录44轮毂电机轮毂电机技术轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是一种将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术。轮毂电机技术可省去传统的传动系机构，将轮毂电机上的驱动力直接或者经过减速器传递到车轮上，不仅避免了复杂的底盘结构，而且提高了传动效率。45轮毂电机轮毂电机的技术发展轮毂电机最早出现于20世纪50年代，美国人罗伯特发明了集电机、减速机构和制动机构于一体的轮毂装置。2011年3月，清水浩教授组建的SIM-DRIVE公司的1号试验车SIM-LEI，一次充电可续航333km，0—100km/h加速时间为4.8s，最高车速可达150km/h。2003年，美国通用汽车公司将轮毂电机技术成功运用到S-10小型货车上，产生的转矩比普通雪佛兰S-10皮卡车高出60%。46轮毂电机轮毂电机的技术发展我国对轮毂电机技术的研究起步较晚，但随着国家“863”计划电动汽车重大专项课题的推进，研究力度在不断加强。同济大学分别于2002年、2003年和2004年研制了三代“春晖”系列电动汽车，均采用低速永磁无刷直流轮毂电机。2004年，比亚迪公司在车展上展出的“ET”概念车使用了4个功率为25kW的轮毂电机，最高车速可达到165km/h，续驶里程为350km。47轮毂电机轮毂电机技术的结构外转子式轮毂电机采用低速外转子电机，无减速装置，电机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同，电机的最高转速在1000～1500r/min之间。外转子式轮毂电机优点：结构简单、轴向尺寸小，能在很宽的速度范围内控制转矩，且响应速度快，没有减速机构，因而效率高。不足：要获得较大的转矩，必须增大电机的体积和质量，因而其成本高。48轮毂电机轮毂电机技术的结构内转子式轮毂电机采用高速内转子电机，配备固定传动比的减速器，电机的转速通常高达10000r/min。内转子式轮毂电机优点：比功率较高、质量小、体积小、噪声小、成本低等。不足：必须采用减速装置，使效率降低，非簧载质量增大，电机的最高转速受到线圈损耗、摩擦损耗以及变速机构的承受能力等因素的限制。随着紧凑的行星齿轮变速机构的出现，高速内转子式驱动系统在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。49轮毂电机轮毂电机的优点由于采用了电动轮驱动的形式，汽车底盘的布置将更加灵活，省去了机械传动系之后，使得汽车乘员舱具有更大的空间，底盘设计也就具有更大的通用性。更方便的底盘布置，更灵活的供电系统电动汽车的电源供电系统也更加灵活，无论是采用燃料电池、超级电容器或者蓄电池，或者是它们的组合形式，都将更加灵活而不受限制，动力传动形式也由原来的机械硬连接变为只需要电缆进行供电的软连接形式。更好的汽车底盘主动控制性能在采用轮毂电机驱动形式的电动汽车中，汽车的电动轮是可以独立控制的，汽车底盘的主动控制通过对驱动电机的控制实现。电机的控制响应快、精度高，每个驱动轮由各自的控制器控制，可以实现底盘主动控制的功能。50轮毂电机轮毂电机的优点轮毂电机只有少量电磁噪声和机械噪声，并且电机转矩特性可在没有变速器的情况下实现无级变速，也没有换档冲击，行驶过程中平顺性好。由于驱动轮（2个或者4个）的驱动力是可以单独调节的，所以通过分析各轮的转矩利用效率，可选择最经济的驱动方式。最优的驱动力分配更快的控制响应轮毂电机只通过控制电机及其控制系统来实现各驱动轮驱动力的控制，再加上电机的自身转矩，系统响应时间可达0.2ms。更佳的驾驶舒适性51轮毂电机轮毂电机的不足虽然电子制动可以实现能量回收，但是其制动能力有限，所以仍需要有液压制动系统。对密封有较高要求，同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热、防水等问题。轮毂电机增大了非簧载质量，这会对整车的操控性产生一定的不利影响。轮毂电机关键核心元器件（如大功率集成模块IGBT、IPM等）以及控制器全部需要从国外进口，这对于我国电动汽车以后的技术扩展和产业化推广将带来一定的制约。52轮毂电机轮毂电机技术的驱动方式采用减速驱动方式，电机一般在高速下运行，多选用高速内转子式电机。减速驱动方式减速机构放置在电机和车轮之间，起到减速和增加转矩的作用。优点：电机运行在高速下，具有较高的效率，转矩大，爬坡性能好，能保证汽车在低速运行时获得较大的平稳转矩。不足：难以实现液态润