第3章电动汽车电机驱动系统

LOGO1概述2直流电动机第三章电动汽车电机驱动系统4开关磁阻电动机3交流异步电动机5永磁同步电动机6轮毂电动机LOGO••电动汽车的电机驱动系统把电能转化为机械能，并通过传动装置(或直接)将能量传递到车轮进而驱动车辆按照驾驶人意志行驶，是电动汽车的关键系统之一。它在电动汽车上的具体任务是：在驾驶人操纵控制下，将内燃机-发电机系统、动力电池组的电能转化为车轮的动能驱动车辆，并在车辆制动时把车辆的动能再生为电能反馈到动力电池中以实现车辆的再生制动。概述LOGO•电动汽车的电机驱动系统特点•1、电动汽车上所使用的电机往往要求频繁的起停，频繁的加减速以及工作模式的频繁切换（做电动机使用驱动汽车以及做发电机使用实现能量回收及发电的功能），这对电机的响应性能提出了更高的要求。•2、由于汽车内部空间紧张，往往要求电机系统具有体积小，质量轻，以及具有较高的功率密度和工作效率等性能要求。概述LOGO•电动汽车的电机驱动系统特点•3、相对于传统电机而言，电动汽车上所使用的电机系统的工作环境更为恶劣、干扰更大，从而要求它具有更高的可靠性，抗震性和抗干扰性。•4、传统电机一般工作在额定工作点附近，而电动汽车电机的工作范围相对较宽。且由于电动汽车电机工作模式的特殊性，额定功率这个参数对于电动汽车所使用的电机而言，没有特别大的意义。所以对其额定功率的要求并不严格。而在高效工作区间，这个参数则更为实际和重要概述LOGO•电动汽车的电机驱动系统特点•5、在供电方式上，传统电机由常规标准电源供电，而电动汽车电机所使用的电能来源于蓄电池，且由功率转化器直接供给。另外电机的使用电压及形式并不确定，从减少功率损耗及降级电机逆变器成本的角度而言，一般倾向于使用较高的电压。概述LOGO•电动汽车驱动电动机种类•电动机的种类很多，用途广泛，功率的覆盖面非常大。而电动汽车所采用的电动机种类较少，功率覆盖面也较窄，只采用了一些符合电动汽车要求的电动机来作为驱动电动机。电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动机，最早是采用了控制性能好和成本较低的直流电动机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，交流电动机、永磁电动机和开关磁组电动机显示出更加优越的性能，这些电动机正在逐步取代了直流电动机。概述LOGO概述LOGO概述LOGO•电动汽车对电动机性能的基本要求•电动汽车的驱动电动机的主要参数为：电动机类型、额定电压、机械特性、效率、尺寸参数、质量参数、可靠性和成本等。另外为电动机所配置的电子控制系统和驱动系统，也会影响驱动电动机的性能。•1、高电压，在允许的范围内，尽可能采用高电压，可以减小电动机的尺寸和导线等装备的尺寸，特别是可以降低逆变器的成本。•概述LOGO•电动汽车对电动机性能的基本要求•2、高转速，电动汽车所采用的感应电动机的转速可以达到8000～12000r/min，高转速电动机的体积较小，质量较轻，有利于降低电动汽车的整车整备质量。•3、质量轻，电动机采用铝合金外壳，以降低电动机的质量、各种控制装置的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能轻。•概述LOGO•电动汽车对电动机性能的基本要求•4、电动机应具有较大的起动转矩和较大范围的调速性能，使电动汽车有良好的起动性能和加速性能。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。电动机具有自动调速功能，因此，可以减轻驾驶员的操纵强度，提高驾驶的舒适性，并且能够达到与内燃机汽车加速踏板同样的控制响应。•概述LOGO•电动汽车对电动机性能的基本要求•5、电动汽车应有最优化的能量利用，电动机应具有高效率、低损耗，并在车辆减速时，实现再生制动将制动能量回收，再生制动回收的能量一般可达到总能量的10%～15%，这点在内燃机汽车上是不能实现的。•6、各种动力电池组和电动机的工作电压，可以达到300V以上，对电气系统安全性和控制系统的安全性，都必须符合国家（或国际）有关车辆电气控制的安全性能的标准和规定，装备有高压保护设备。概述LOGO•直流电动机的分类•直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机则采用绕组励磁式直流电动机。•绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。直流电动机LOGO•他励式直流电动机•他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电，因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。他励式直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。当采用永磁激励时，虽然电动机效率高、重量轻和体积小，但由于励磁磁场固定，电动机的机械特性不理想，难以满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。直流电动机LOGO•并励式直流电动机•并励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，共用同一电源，性能与他励式直流电动机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。直流电动机LOGO•串励式直流电动机•串励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励式直流电动机通常用较粗的导线绕成，匝数较少。直流电动机LOGO•复励式直流电动机•复励式直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通量与并励绕组产生的磁通量方向相同，称为积复励；若两个磁通量方向相反，则称为差复励。直流电动机LOGO•直流电动机的工作原理直流电动机LOGO•直流电动机的结构直流电动机LOGO•直流电动机的驱动特性直流电动机LOGO•直流电动机的特点•1、调速性能好。•2、起动力矩大。•3、控制简单。•4、有易损件。直流电动机LOGO•电动汽车用直流电动机的要求•1、抗振动性•2、对环境的适应性•3、低损耗性•4、抗负荷波动性•5、小型、轻量化•6、免维护性直流电动机LOGO•直流电动机的应用•小功率（＜10kW）的电动机多采用小型高效的永磁式直流电动机，一般应用在小型、低速的专用车辆上，如电动自行车、高尔夫球车、电动叉车、警用巡逻车等。中等功率（10～100kW）的电动机采用他励、串励或复励式直流电动机，可以用于结构简单、转矩较大的电动货车上。大功率（＞100kW）的电动机采用串励式，可用在要求低速、高转矩的大型专用电动车上，如电动矿石搬运车、电动玻璃搬运车等。直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•直流电动机运行过程符合以下公式：•直流电动机的转速和其他参量的关系为：直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种。•1、旋转变流机组。用直流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。由交流电动机（原动机）拖动直流发电机G来实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节发电机的励磁电流主的大小，就能够方便地改变其输出电压，从而调节电动机的转速。直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•2、静止可控整流器•用静止的可控整流器，如晶闸管整流装置产生可调的直流电压。与旋转交流机组装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性，直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•3、直流斩波器或脉宽调制变换器•用恒定直流电源或可控硅整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负荷上，通过通断时间的变化来改变负荷上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，也称直-直变换器。直流电动机LOGO•直流电动机的调速方法•直流电动机LOGO•交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两大类，交流异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电子转矩，从而实现电能转换为机械能的一种交流电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需求量最大的一种。•异步电动机的种类很多，常按转子结构和定子绕组相数进行分类。按转子结构来分，可分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机；按照定子绕组相数来分，则有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的工作原理•当异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产出，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的工作原理•交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的结构•异步电动机主要由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。•1、定子。异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。•2、转子。异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的性能特点•1、小型轻量化；•2、易实现转速超过10000r/min的高速旋转；•3、高速低转矩时运转效率高；•4、低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围；•5、高可靠性（坚固）；•6、制造成本低；•7、控制装置的简单化。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的控制方法•异步电动机是一个多变量（多输入、多输出）系统，其中变量电压（电流）、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以其又是强耦合的多变量系统。如何对这样一个非线性、多变量、强耦合的复杂系统进行有效控制，成为异步电动机的研究重点。目前对异步电动机的调速控制主要有矢量控制、直接转矩控制、转速控制、变频恒压控制、自适应控制、效率优化控制等。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的控制方法•矢量控制。该控制方式实现了交流电动机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性有了显著的改善，在提高电动汽车驱动器的动态性能方面，磁场定向控制得到了较多关注。矢量控制的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的控制方法•矢量控制具体原理是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制又有基于转差率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。它是一种控制异步电动机的有效方法，与直流电动机类似，也可得到高速转矩响应。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的控制方法•直接转矩控制。直接转矩控制以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。和矢量控制不同，直接转矩控制不采用解耦的方式，从而在算法上不存在旋转坐标变换，简单地通过检测电动机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电动机的磁链和转矩，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。交流异步电动机LOGO•交流异步电动机的控制方法•交流异步电动机LOGO•开关磁阻电动机驱动系统主要由开关磁阻电动机、功率转换器、传感器和控制器四部分组成，开关磁阻电动机实现电能向机械能的转化。功率转换器是连接电源和电动机的开关器件，用以提供开关电动机所需电