1.3-电动汽车电动机

LOGO1.3电动汽车电动机第1章纯电动汽车LOGO1.3电动汽车电动机主要学习内容：1.3.1电动汽车电动机的运行模式1.3.2电动汽车驱动电机与工业用电机的区别1.3.3直流电机1.3.4三相异步电动机1.3.5永磁无刷直流电动机1.3.6开关磁阻电动机1.3.7轮毂电机1.3.8电动汽车电动机调速控制系统1.3.9电机控制器（MCU）总结LOGO1.3.1电动汽车电动机的运行模式1．电动模式在电动模式时电动机将电能转换成机械能。（1）逆变器从电池获取功率，电池放电。（2）电动机从逆变器获取电功率。（3）电动机输出机械能，电动机扭矩与转速同向，电动机推动车辆。LOGO1.3.1电动汽车电动机的运行模式2.发电模式发电模式时电动机将机械能转换成电能。（1）车辆带动电动机，电动机力矩与转速反向，轴上输入机械能。（1）电动机输出电能。（3）逆变器输出直流电，电池充电。LOGO1.3.2电动汽车驱动电动机与工业用电动机的区别（1）电动汽车驱动电动机需要有4～5倍的过载，以满足短时加速或爬坡的要求；而工业电动机只要求有2倍的过载就可以了。（2）电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4～5倍，而工业电动机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。（3）电动汽车驱动电动机需要根据车型和驾驶人的驾驶习惯设计，而工业电动机只需根据典型的工作模式设计。LOGO1.3.2电动汽车驱动电动机与工业用电动机的区别（4）电动汽车驱动电动机要求有高度功率密度和好的效率图（在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业电动机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。（5）电动汽车驱动电动机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业电动机只有某一种特定的性能要求。（6）电动汽车驱动电动机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。而工业电动机通常在某一个固定位置工作。LOGO1.3.3直流电动机电动汽车常用电动机比较LOGO1.3.3直流电动机1．直流电动机的构造LOGO1.3.3直流电动机1）定子定子是由机座、主磁极、励磁绕组、端盖和电刷装置组成。（1）机座。LOGO1.3.3直流电动机（2）主磁极。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁芯和励磁绕组两部分组成。LOGO1.3.3直流电动机（3）电刷装置。电刷装置用来引入或引出直流电压和直流电流，它由刷握、电刷、压紧弹簧和铜丝辫等组成。LOGO1.3.3直流电动机2）转子直流电动机的转子（电枢）主要由电枢铁芯和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。LOGO1.3.3直流电动机（1）电枢铁芯。LOGO1.3.3直流电动机换向器LOGO1.3.3直流电动机2．直流电动机的运行原理直流电动机是利用通电导体在磁场中受力这一基本原理制成的。1）直流电动机运行的基本原理LOGO1.3.3直流电动机3．直流电动机的分类直流电动机按励磁方式的不同可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机等。汽车上常用的有并励直流电动机和串励直流电动机。1）并励直流电动机LOGO1.3.3直流电动机2）串励直流电动机LOGO1.3.3直流电动机4．直流电动机的启动、调速和反转1）直流电动机的启动ssfqRUREUILOGO1.3.3直流电动机4．直流电动机的启动、调速和反转2）直流电动机的调速（1）改变供电线路的电压U。（2）改变电枢线路的电压降。（3）改变磁极磁通。ssfqRUREUILOGO1.3.3直流电动机4．直流电动机的启动、调速和反转3）直流电动机的反转LOGO1.3.4三相异步电动机1.三相异步电动机的结构LOGO1.3.4三相异步电动机2）定子定子是用来产生旋转磁场的，三相交流异步感应电动机的定子由定子铁芯、定子绕组等部分组成。LOGO1.3.4三相异步电动机2）转子异步电动机的转子分为绕线形与笼形两种，对应的电动机分别称为绕线异步感应电动机与笼形异步感应电动机。LOGO1.3.4三相异步电动机2．三相异步电动机的工作原理LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机永磁电动机就是采用永磁材料来替代传统电动机的励磁绕组（或转子绕组）的电动机。永磁电动机分为永磁交流同步电动机和永磁直流电动机两种。如果将直流电动机的直流励磁绕组用永久磁铁代替，该电动机就称为永磁直流电动机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其永磁定子中嵌入了激励磁场的电磁绕组，称为永磁复合式电动机，它的特点是既有永磁体又有励磁绕组。LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机对于交流异步电动机，若采用永磁体取代其鼠笼式感应转子，则相应的异步电动机就称为永磁同步电动机。为了克服磁通量不变的缺点，又在其转子中嵌入了异步电动机的鼠笼式电磁绕组，称为永磁复合式电动机，它的特点是既有永磁体又有鼠笼式绕组。永磁直流电动机分永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机。LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机1.永磁无刷直流电动机的结构LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机1）永磁无刷电动机定子LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机2）永磁无刷电动机转子LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机3）转子位置传感器转子位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机4）电子开关驱动电路LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机2．永磁无刷电动机的转动原理LOGO1.3.5永磁无刷直流电动机3．永磁无刷直流电动机的驱动过程LOGO1.3.6开关磁阻电动机开关磁阻电动机（SRM）是一种典型的机电一体化电动机，又称“开关磁阻电动机驱动系统（SRD）”，这种电动机主要由开关磁阻电动机本体、电力电子功率变流器、转子位置传感器以及控制器四部分组成。LOGO1.3.6开关磁阻电动机开关磁阻电动机具有结构简单、转子转动惯量小、成本低、动态响应快等优点。其容量可设计成几瓦到几兆瓦。系统的调速范围也较宽，可以在低速下运行，也可以在高速场合下运行（最高转速可达15000r／min）。除此之外，开关磁阻电动机在运行效率、可靠性等方面均优于感应电动机和同步电动机，可以在散热条件差、存在化学污染的环境下运行。LOGO1.3.6开关磁阻电动机1.开关磁阻电动机的结构1）开关磁阻电动机本体的结构LOGO1.3.6开关磁阻电动机开关磁阻电动机的定子与转子结构LOGO1.3.6开关磁阻电动机开关磁阻电动机的定子与转子相数不同，有多种组合方式，最常见的有三相6／4极结构、三相6／8极结构和三相12／8极结构。LOGO1.3.6开关磁阻电动机2）转子位置传感器LOGO1.3.6开关磁阻电动机2.开关磁阻电动机的电力电子功率变流器的主电路LOGO1.3.6开关磁阻电动机3．开关磁阻电动机的转动原理LOGO1.3.6开关磁阻电动机4．永磁式开关磁阻电动机LOGO1.3.7轮毂电动机电动汽车采用的轮毂式电动机驱动属于分散式电动机驱动模式。分散电动机驱动通常有轮毂电动机和轮边电动机两种方式。轮边电动机驱动模式的驱动电动机属于簧载质量范围，悬架系统隔振性能好。但是，安装在车身上电动机对整车总布置的影响很大，尤其是在后轴驱动的情况下。而且，由于车身和车轮之间存在变形运动，其对传动轴的万向传动也具有一定的限制。LOGO1.3.7轮毂电动机1．轮毂电动机的结构形式轮毂电动机动力系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。LOGO1.3.7轮毂电动机1．轮毂电动机的结构形式轮毂电动机动力系统根据电动机的转子形式主要分成内转子型和外转子型两种结构。LOGO1.3.7轮毂电动机2．轮毂电动机的分类及特点1）轮毂电动机的分类轮毂电动机根据工作原理可分为永磁式、感应式、开关磁阻式。轮毂电动机系统的驱动电动机按照电动机磁场的类型分为径向磁场和轴向磁场两种类型。LOGO1.3.7轮毂电动机2）轮毂电动机的特点（1）感应（异步）式电动机的优点：结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、不需要位置传感器、转速极限高；缺点：驱动电路复杂、成本高，相对于永磁电动机而言，异步电动机效率和功率密度偏低。（2）无刷永磁同步电动机：具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动车辆中获得应用。（3）开关磁阻式电动机的优点：结构简单、制造成本低廉、转速／转矩特性好等，适用于电动汽车驱动；缺点：设计和控制非常困难、运行噪声大。LOGO1.3.7轮毂电动机3．采用轮毂电动机驱动系统的电动汽车特点1）分散式电动机驱动模式的优点（1）以电子差速控制技术实现转弯时内外车轮不同的转速运动，而且精度更高。（2）取消机械差速装置有利于动力系统减轻质量，提高传动效率，降低传动噪声。（3）有利于整车总布置的优化和整车动力学性能的匹配优化。（4）降低对电动机的性能指标要求，且具有可靠性高的特点。LOGO1.3.7轮毂电动机2）分散式电动机驱动模式的缺点（1）为满足各轮运动协调，对多个电动机的同步协调控制要求高。（2）电动机的分散安装布置提出了结构布置、热管理、电磁兼容以及振动控制等多方面的技术难题。LOGO1.3.7轮毂电动机3）轮毂电动机驱动模式的优点（1）可以完全省略传动装置，整体动力利用效率大大提高。（2）整车总布置可以采用扁平化的底盘结构形式，车内空间和布置自由度得到极大的改善。（3）车身上几乎没有大功率的运动部件，整车的振动、噪声和舒适性得到极大改善。（4）便于实现四轮驱动形式，有利于极大改善整车的动力性能。（5）便于实现包括线控驱动、线控制动以及线控整车动力学控制在内的整车动力学集成控制，提高整车的主动安全性。LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统电动机调速控制装置是为电动车变速和变换方向而设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。直流电动机的调速方法一是调节电枢电压，二是调节励磁电流，而常见的直流电动机，其磁场都是固定的，拥有不可调的永磁体，所以只好调节电枢电压。LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统1.串励直流电动机调速控制系统影响有刷有齿直流电动机转速的三个因素是：电源电压、串接在电枢回路中的电阻、电动机气隙主磁通。只要改变以上三个因素中的任何一个，都能达到调节有刷有齿直流电动机转速的目的。目前，电动车用控制器，不管有刷、无刷，普遍采用PWM调速方式。控制器的调速原理一般都是将直流电转换成宽度可调的脉冲，改变脉冲宽度即改变了电压的平均值，使直流电动机平稳地无级调速。LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统1）串励电动机与速度控制器连接LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统2）串励电动机用有刷控制器的工作原理LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统2.交流异步电动机调速控制系统交流异步电动机常见的调速方法布3种，一是变级调速，二是变频调速，三是变转差率调速。采用变频调速控制技术，可使电动车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统3.开关磁阻电动机调速控制系统开关磁阻电动机调速控制系统（SRD）是当今世界最新、性能价格比最高的调速系统。它是一种基于改变供电电源频率的调速方式，即交流变频调速。开关磁阻电动机调速控制系统已经实现智能化和模块化，不仅调速性能优越，而且各种保护功能也很完善，现已大量使用。这项技术调速范围宽广，机械特性良好，起动、制动性能卓越，并且具有节能，易维护等优点。LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统4.无刷直流电动机调速控制系统1）无刷直流电动机调速控制原理LOGO1.3.8电动汽车电动机调速控制系统4.无刷直流电动机调速控制系统2）无刷直流电动机与控制器连接LOGO1.3.9电动机控制器（MCU）DSP电动机控制器的功能是：接受整车控制器的指令并反馈信息；检测电动机系统内传感器信息；根据指令及传感器信息产生逆变器开关信