1_第五章电动汽车的电机驱动系统.

12DW4主编第五章电动汽车的电机驱动系统第五章电动汽车的电机驱动系统第一节电动汽车电机驱动系统综述第二节直流电机驱动系统的组成和工作原理第三节交流感应电机驱动系统的组成和工作原理第四节永磁电机驱动系统的组成和工作原理第五节开关磁阻电机传动系统的组成和工作原理第六节电动汽车的再生制动第七节电动汽车电驱动系统关键部件介绍第八节电机的冷却形式第九节典型的电动汽车电驱动系统结构第一节电动汽车电机驱动系统综述1)以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求转矩响应迅速，波动小。2)电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限内工作。3)为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数(2~4)；为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区处有一定的功率输出。4)驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。5)良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时期运转，结构简单，适合批量生产。1)高电压。第一节电动汽车电机驱动系统综述2)小质量。3)较大的起动转矩和较大的调速范围，使电动汽车有好的起动性能和加速性能，从而获得起动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。4)高效率，低损耗。5)电气系统和控制系统的安全性必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。6)高可靠性。1)额定电压。2)额定电流。3)额定转速。第一节电动汽车电机驱动系统综述4)额定功率。5)峰值功率。6)最高工作转速。7)最高转速。8)额定转矩。9)峰值转矩。10)堵转转矩。11)机械效率。12)电机及控制器整体效率。13)温升。1)以电磁转矩为控制目标，加速踏板和制动踏板的开度是电磁转矩给定的目标值，要求转矩响应迅速，波动小。2)电动汽车要求驱动电机有较宽的调速范围，电机能在四象限内工作。3)为保证加速时间，要求电机低速时有大的转矩输出和较大的过载倍数(2~4)；为保证汽车能达到最高车速，要求电机高速区处有一定的功率输出。4)驱动系统高效，电磁兼容性好，易于维护。5)良好的可靠性、耐温、耐潮湿，可以在恶劣的环境条件下长时期运转，结构简单，适合批量生产。1)高电压。2)小质量。3)较大的起动转矩和较大的调速范围，使电动汽车有好的起动性能和加速性能，从而获得起动、加速、行驶、减速、制动所需的功率与转矩。4)高效率，低损耗。5)电气系统和控制系统的安全性必须符合国家(或国际)有关车辆电气控制安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。6)高可靠性。图5-1电动汽车驱动电机的分类1)额定电压。2)额定电流。3)额定转速。4)额定功率。5)峰值功率。6)最高工作转速。7)最高转速。8)额定转矩。9)峰值转矩。10)堵转转矩。11)机械效率。12)电机及控制器整体效率。13)温升。表5-１各种电机的基本性能比较第二节直流电机驱动系统的组成和工作原理一、直流电机的结构二、直流电机的工作原理三、直流电机的调速控制第二节直流电机驱动系统的组成和工作原理图5-2直流电机驱动系统框图一、直流电机的结构1.电机的结构原理2.直流电机的结构1.电机的结构原理图5-3弗莱明左手定则1.电机的结构原理图5-4电机原理图2.直流电机的结构1)主磁极：由主磁极铁心及套装在铁心上的励磁绕组构成，作用是建立主磁场。2)换向极：由铁心和绕组构成，起改善换向、均匀气隙磁场等作用。3)机座：为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚钢板或铸钢件构成。4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出(或引入)装置，如图5-9所示。1)电枢铁心：为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，如图5-10所示。2.直流电机的结构2)电枢绕组：直流电机的电路部分，由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。3)换向器：换向器由很多换向片组合成圆筒状，片间用云母绝缘，如图5-11所示。2.直流电机的结构图5-5有刷直流电机2.直流电机的结构图5-6无刷直流电机1)主磁极：由主磁极铁心及套装在铁心上的励磁绕组构成，作用是建立主磁场。2)换向极：由铁心和绕组构成，起改善换向、均匀气隙磁场等作用。3)机座：为主磁路的一部分，同时构成电机的结构框架，由厚钢板或铸钢件构成。4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出(或引入)装置，如图5-9所示。图5-7直流电机的剖视图a)直流电机径向剖视图b)直流电机横向剖视图１—极靴２—电枢齿３—电枢槽４—励磁绕组５—主磁通铁心６—磁轭７—换向极８—换向极绕组９—电枢绕组１０—电枢铁心１１—底脚１２—轴１３—端盖１４—风扇１５—机座１６—磁极１７—电枢１８—电刷１９—换向器２０—轴承4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出(或引入)装置，如图5-9所示。图5-8直流电机定子4)电刷装置：由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成，是电枢电路的引出(或引入)装置，如图5-9所示。图5-9直流电机电刷1)电枢铁心：为电枢绕组的支撑部件，也为主磁路的一部分，由硅钢片叠压而成，如图5-10所示。2)电枢绕组：直流电机的电路部分，由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成。3)换向器：换向器由很多换向片组合成圆筒状，片间用云母绝缘，如图5-11所示。图5-10直流电机电枢铁心3)换向器：换向器由很多换向片组合成圆筒状，片间用云母绝缘，如图5-11所示。图5-11直流电机换向器3)换向器：换向器由很多换向片组合成圆筒状，片间用云母绝缘，如图5-11所示。图5-12直流电机的爆炸图二、直流电机的工作原理1)并励直流电机的励磁绕组在运行中不能断开，否则易发生飞车。2)他励直流电机的励磁电流在运行中不能太小，否则易超速运行。3)串励电机则不允许空载运行，否则易发生飞车。1.直流电机的工作原理2.他励直流电机的特性二、直流电机的工作原理图5-13直流电机的5种励磁方式a)他励b)并励c)串励d)差复励e)积复励—电枢电流—电枢反电势—他励和并励方式下的励磁电流—串励各复励方式下的串励电流1)并励直流电机的励磁绕组在运行中不能断开，否则易发生飞车。2)他励直流电机的励磁电流在运行中不能太小，否则易超速运行。3)串励电机则不允许空载运行，否则易发生飞车。1.直流电机的工作原理(1)再生制动特性(电动到发电切换)对于一台直流电机，如何识别它运行于发电状态或是运行于电动状态是熟悉直流电机可逆原理的基本条件。(2)直流电机的运行特性(电动特性)直流电机的运行特性主要包括直流电机的工作特性和机械特性。(1)再生制动特性(电动到发电切换)对于一台直流电机，如何识别它运行于发电状态或是运行于电动状态是熟悉直流电机可逆原理的基本条件。1)电枢电流I与电枢电动势E(方向由电枢两端正负号表示)的方向相同。2)电磁转矩T与发电机的转向相反。1)电枢电流I与电枢电动势E(方向由电枢两端正负号表示)的方向相同。2)电磁转矩T与发电机的转向相反。图5-14电机可逆原理a)发电状态b)电动状态(2)直流电机的运行特性(电动特性)直流电机的运行特性主要包括直流电机的工作特性和机械特性。2.他励直流电机的特性(1)转速特性(2)转矩特性转矩特性指U=UN及ϕ=ϕN时，T=f(Ia)的关系。(3)机械特性机械特性是指U=UN及ϕ=ϕN时，n=f(T)的关系。(4)电机的电枢电流和电机轴上的负载转矩的关系从实践中可知，他励电机在电枢电压及气隙磁通恒定的条件下，电枢电流的大小随电机轴上负载转矩的大小而变化，从而可以根据电枢电流的变化情况知道负载转矩变化的情况。(５)电机的正反转切换特性由直流电机的工作原理可知，要想使电机反转，只要改变电机两端极性电压即可，如图5-19所示。(1)转速特性图5-15他励电机的转速特性(2)转矩特性转矩特性指U=UN及ϕ=ϕN时，T=f(Ia)的关系。图5-16他励电机的转矩特性(3)机械特性机械特性是指U=UN及ϕ=ϕN时，n=f(T)的关系。图5-17他励电机的机械特性(4)电机的电枢电流和电机轴上的负载转矩的关系从实践中可知，他励电机在电枢电压及气隙磁通恒定的条件下，电枢电流的大小随电机轴上负载转矩的大小而变化，从而可以根据电枢电流的变化情况知道负载转矩变化的情况。图5-18额定工作点工作示意图(4)电机的电枢电流和电机轴上的负载转矩的关系从实践中可知，他励电机在电枢电压及气隙磁通恒定的条件下，电枢电流的大小随电机轴上负载转矩的大小而变化，从而可以根据电枢电流的变化情况知道负载转矩变化的情况。图5-19电机的正反转切换特性(５)电机的正反转切换特性由直流电机的工作原理可知，要想使电机反转，只要改变电机两端极性电压即可，如图5-19所示。三、直流电机的调速控制1)周期T固定，导通时间Ton改变，称为脉波宽度调变(Pulse-widthModulation，PWM)。2)导通时间Ton固定，周期T改变，称为频率调变(FrequencyModulation，FM)。3)周期T及导通时间Ton同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。1.单象限直流斩波器2.二象限直流斩波器3.四象限直流斩波器1)周期T固定，导通时间Ton改变，称为脉波宽度调变(Pulse-widthModulation，PWM)。2)导通时间Ton固定，周期T改变，称为频率调变(FrequencyModulation，FM)。3)周期T及导通时间Ton同时改变，即波宽调变及频率调变混合使用。图5-20单象限直流斩波器驱动电路原理图1.单象限直流斩波器2.二象限直流斩波器图5-21单象限直流斩波器驱动电路稳态波形2.二象限直流斩波器图5-22二象限直流斩波器驱动电路原理图2.二象限直流斩波器图5-23单象限直流斩波器驱动电路稳态波形2.二象限直流斩波器图5-24二象限直流斩波器的机械特性3.四象限直流斩波器图5-25四象限直流斩波器驱动电路原理图3.四象限直流斩波器图5-26四象限直流斩波器的机械特性第三节交流感应电机驱动系统的组成和工作原理一、交流感应电机的结构二、交流感应电机的工作原理三、交流电机的调速控制四、逆变器五、交流感应电机的控制系统一、交流感应电机的结构1.交流感应电机的结构原理2.交流感应电机的结构1.交流感应电机的结构原理图5-27不同时刻三相合成旋转磁场的位置1.交流感应电机的结构原理图5-28三相异步电机的工作原理1.交流感应电机的结构原理图5-29异步电动机的三种运行情况a)电动机情况b)发电机情况c)制动情况1.交流感应电机的结构原理图5-30交流感应电机本体图2.交流感应电机的结构(1)定子三相异步电机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座3部分组成。(2)转子三相异步电机的转子主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。(1)定子三相异步电机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座3部分组成。1)定子铁心。2)定子绕组。3)机座。(1)定子三相异步电机的定子主要由定子铁心、定子绕组和机座3部分组成。图5-31交流感应电动机的基本构造1—轴承盖2—端盖3—接线盒4—定子铁心5—定子绕组6—转轴7—转子S—风扇9—轴承10—机座11—罩壳1)定子铁心。2)定子绕组。图5-32定子铁心a)定子铁心b)硅钢片2)定子绕组。图5-33三相定子绕组的结构3)机座。(2)转子三相异步电机的转子主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。1)转子铁心。2)转子绕组。①鼠笼式转子绕组。在转子铁心的每一槽内插入一根铜条，并在铁心两端备用一铜环(称为端环)把导条连接起来，形成一个闭合的多相(每根导条为一相)对称绕组，如图5-36a所示。也可用铸铝的方法，把转子导条、端环和风叶用铝液一次浇铸而成，如图5-36b所示，这种转子也称铸铝转子。(2)转子三相异步电机的转子主要由转子铁心和转子绕组两部分组成。②绕线式转子绕组。绕线式转子绕组是一个与定子绕组相似的三相对称绕组，一般接成星型，3个出线端分别接到转轴上的3个与转轴绝缘的集电环上，再通过安装在定子端盖上的电刷装置与外电路相连(与外接电阻串联后短接或直接短接)，如图5-37所示。1)转子铁