模块三 新能源驱动电机构造原理与检修

2020/1/26新能源汽车驱动电机与控制技术全国交通运输职业教育教学指导委员会张利缑庆伟夏令伟全国交通运输职业教育高职新能源汽车运用与维修专业规划教材组织编写主编主审2020/1/26新能源汽车驱动电机的分类及特点永磁同步电动机的构造原理与检修交流异步电动机的构造原理与检修模块一模块二模块三模块三新能源汽车驱动电机构造原理与检修电机控制系统的结构及特点电机控制器的工作原理驱动电机冷却系维护技能实训模块小结123451.掌握电动汽车驱动电机的特性要求；2.熟悉电动汽车驱动电机的分类；3.了解电动汽车驱动电机的铭牌参数性能指标；4.掌握永磁同步电动机的结构组成、工作原理、性能特点、铭牌数据；5.掌握交流异步电动机的结构组成、工作原理、性能特点、铭牌数据；6.掌握电动机的拆装步骤、检测方法；建议课时：×课时。学习目标一、新能源汽车驱动电机的分类及特点•能够用于驱动的电机很多，分类方式也多种多样。目前，新能源汽车上最常用的是三相交流永磁同步电动机和三相交流感应式电动机，而驱动电机的分类、铭牌参数和性能要求是进一步学习电机的基础。•与传统工业驱动电机不同，电动汽车的驱动电机通常要求能够频繁起动、停车、加速、减速，在低速和爬坡时要求电机输出高转矩，在高速行驶时要求电机输出高转速，此外还要求电机有较宽的调速范围以满足车速变化的需要。2020/1/261.电动汽车对驱动电机的特性要求•电动汽车对驱动电机的要求可归纳如下：•（1）体积小质量轻•（2）全速段高效运行•（3）低速大转矩及宽范围的恒功率特性•（4）高可靠性•（5）高电压•（6）安全性能•（7）高转速•（8）使用寿命长2020/1/26理论知识准备2.电动汽车驱动电机的主要分类•驱动电机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机。•习惯上将有换向器的直流电动机简称为直流电机。由于技术成熟、控制简单，直流电机曾在电力驱动领域有着突出的地位。实际上各类直流电机包括（串励、并励、他励、复励和永磁直流电机）都曾在电动汽车上得到应用。但其电刷和换向器需要经常维护，可靠性低，正在被交流无刷电机取代。2020/1/26理论知识准备2.电动汽车驱动电机的主要分类•无换向器电机包括感应电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机等。无换向器电机在效率、功率密度、运行成本、可靠性等方面明显优于传统的直流电机，因此在现代电动汽车中获得广泛应用。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（1）电机的额定工作电压•电动机正常工作时的电压，电机的参数都是电机工作于额定工作电压时的数值。电机的工作电压也可以低于额定工作电压，此时各项参数数值都会下降。电机的工作电压也可以高于额定工作电压，但不要长时间运行，电压也不可过高。•（2）电机的额定电流•电机在额定工作点运行时所消耗的电流。•（3）电机的额定转速•电机在额定工作点运转时的转速。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（4）起动转矩•电动机起动时所产生的旋转力矩。异步电机通常起动转矩为额定转矩的125%以上。与之对应的电流称为起动电流，通常该电流为额定电流的6倍左右。•（5）额定负载转矩•电机在额定电压、额定转速时输出的转矩。使用时应留有一定的余量。•（6）堵转转矩•电机在额定电压下，加在输出轴上的，最终使电机停转的转矩。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（7）电机的功率•电动机的功率由转速和转矩决定。•输出功率P(kW)=转矩T(N·m)×转速n(r/min)/9550•（8）电机的效率•电动机内部功率损耗的大小是用效率来衡量的，输出功率与输入功率的比值称为电动机的效率。效率高，说明损耗小，节约电能。但过高的效率要求，将使电动机的成本增加。一般异步电动机在额定负载下其效率为75～92%。异步电动机的效率也随着负载的大小而变化。空载时效率为零，负载增加，效率随之增大，当负载为额定负载的0.7～1倍时，效率最高，运行最经济。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（9）转动惯量•具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质，转动惯量的大小直接影响电机的响应速度，转动惯量越大电机响应越慢，转动惯量越小电机响应越快。•（10）功率密度•电动机每单位质量所能获得的输出功率值，功率密度越大，电动机的有效材料的利用率就越高。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（11）功率因数•异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入的视在功率中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值为输入的有功功率P与视在功率S之比，用cosψ来表示。•电动机在运行中，功率因数是变化的，其变化大小与负载大小有关，电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，有功电流分量很小。此时，功率因数很低，约为0.2，当电动机带上负载运行时，要输出机械功率，定子绕组电流中的有功电流分量增加，功率因数也随之提高。当电动机在额定负载下运行时，功率因数达到最大值，一般为0.7～0.9。因此，电动机应避免空载运行，防止“大马拉小车”现象。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（12）电机绝缘等级•A级绝缘：包括浸渍处理过的棉纱，丝，纸等有机纤维材料以及普通漆包线上的磁漆等，且目前只在变压器上应用，最高允许工作温度为105℃。•E级绝缘：包括用聚酯树脂，环氧树脂，三醋酸纤维等制成的薄膜，聚乙烯醇缩醛，高强度漆包线上的磁漆等，最高允许工作温度为120℃。•B级绝缘：包括云母，石棉，玻璃丝等有机物；用提高了耐热性能的有机漆或树脂作为粘合物制成的材料及其组合物；聚酯高强度漆包线上的磁漆；最高允许工作温度为130℃。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（12）电机绝缘等级•F级绝缘：包括云母，石棉，玻璃丝等无机物用硅有机化合物改性的合成树脂漆，或耐热性能符合这一要求的醇酸、环氧等合成树脂作为粘合物而制成的材料或其组合物，最高允许工作温度为155℃。•H级绝缘：包括硅有机物以及云母，石棉，玻璃丝等无机物用硅有机漆作为粘合物制成的材料，最高允许工作温度为180℃。•C级绝缘：包括无年合计的云母，石英，玻璃等；用热稳定性能特别优良的硅有机树脂，聚醯亚胺浸渍漆等处理过的石棉，玻璃纤维织物或其制成品；聚醯亚胺基漆包线的磁漆，聚醯亚胺薄膜等，C级绝缘等级是要求更高的绝缘材料，正在生产中推广使用，其最高允许工作温度尚未确定，但应在180℃以上。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（13）防护等级•防护标志由字母IP和两个表示防护等级的表征数字组成，如表3-1所示。第一位数字表示：防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内转动部件（光滑的旋转轴和类似部件除外），以及防止固体异物进入电机（表示防尘等级）。第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响（表示防水等级）。2020/1/26理论知识准备防护等级定义表3-1第一位数字简称定义0无防护没有专门的防护1防护大于50mm的固体能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内。能防止人体的某一大面积部分（如手）偶然或意外地触及壳内带电或运动部分，但不能防止有意识地接近这些部分2防护大于12mm的固体能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内。能防止手指触及壳内带电或运动部分3防护大于2.5mm的固体能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内。能防止厚度或直径大2.5mm的工具、金属线等触及壳内带电或运动部分。4防护大于1mm的固体能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内。能防止直径或厚度大于1mm的导线或片条触及壳内带电或运转部分。5防尘能防止灰尘进入达到影响产品正常运行的程度，完全防止触及壳内带电或运动部分。6尘密能完全防止灰尘进入壳内，完全防止触及壳内带电或运动部分。2020/1/26理论知识准备防护等级定义表3-1第二位数字简称定义0无防护没有专门的防护。1防滴垂直的滴水应不能直接进入电机内部。215o防滴与铅垂线成15o角范围内的滴水，应不能直接进入电机内部。3防淋水与铅垂线成60O角范围内的淋水，应不能直接进入电机内部。4防溅任何方向的溅水对电机应无有害的影响。5防喷水任何方向的喷水对电机应无有害的影响，标准为1米处。6防海浪或强加喷水猛烈的海浪或强力的喷水对电机应无有害影响。7浸水电机在规定的压力和时间下浸在水中，其进水量应无有害影响。8潜水电机在规定的压力下长时间浸在水中，其进水量应无有害影响。2020/1/26电机常用的防护等级有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65。理论知识准备3.电机性能参数•（14）工作制•S1连续工作制，S2短时工作制，S3周期工作制。•（15）负载类型•恒转矩负载，如带式输送机，潜水泵，空压机；恒功率负载，如打卷机，车床，钻床，磨床；二次方律负载，如离心式风机和水泵；直线律负载，如轧钢机,辗压机；混合型负载，如大部分金属切削机床。•（16）冷却方式•有自然冷却、强迫风冷、水冷。•（17）恒转矩范围•恒转矩调速时的频率范围。2020/1/26理论知识准备3.电机性能参数•（18）恒功率范围•恒功率调速时的频率范围。•（19）极对数•相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，所以电机有2极、4极、6极、8极……之分。•（20）接法•指定子绕组星型连接还是三角形连接。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•至今为止电动汽车采用的驱动电机主要包括：直流电动机、交流异步电动机、永磁同步电动机、直流无刷电机和开关磁阻电动机。选择新能源汽车驱动电动机的关键是电动机的机械特性。关于机械特性可以用转矩-转速特性和功率-转速特性曲线来表示，并可作为选择电动机的参考依据。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•在选择新能源汽车的驱动电动机时，可以向电动机生产厂家提出所需要的各种性能参数，以作为电动机设计的依据。实际上大多数情况下是新能源汽车制造商根据电动机生产厂家提供的技术性能参数选择现成的电动机。可供电动汽车选用电动机种类繁多，功率范围面很广。新能源汽车对于驱动电动机的调速范围、可靠性、在恶劣环境下的工作能力等方面有比较高的要求。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•（1）额定电压的选择•电机电压的选择主要依据车辆总体参数的要求来设计，车辆的自重、电池等相关参数确定后，才能确定电动机的电压、转速等参数。即当车辆自重确定后，电池的个数就确定了，电动机的电压等级也随之确定。但总体要求是：尽可能提高电压等级，这样就可以使电动机在满足驱动要求的情况下，使电动机的功率小一些，电动机的电流也小一些，这样电池的容量选择、安装空间、安装方式等就更容易处理。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•（2）额定转速的选择•根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。•1）低速电动机•低速电动机的转速为3000～6000r/min，扩大的恒功率区的低速电动机额定转矩高、转子电流大、电动机的尺寸和质量较大，且相应的转换器、控制器的尺寸也较大，各种电器的损耗较大，但减速器的速比较小。一般低速电动机的转动惯量大、反应慢，不太适用于电动汽车。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•（2）额定转速的选择•根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。•2）中速电动机•中速电动机的转速为6000～10000r/min,它的各种参数介于低速电动机和高速电动机之间。通常电动汽车多采用中速电动机作为驱动电机。2020/1/26理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择•（2）额定转速的选择•根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。•3）高速电动机•高速电动机的转速为10000～15000r/min，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，相应的转换器和控制器的尺寸也较小，各种电器内在的损耗较小。而其减速器的速比要大大增加，通常需要采用行星齿轮传动机构。高速电动机的使用