混合动力与电动汽车(23)

第二章电动汽车的主要部件及工作原理五、永磁同步电动机永磁同步电动机（PermanentMagnetSynchronousMotor，简称PMSM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。1、永磁同步电动机的结构与特点1)永磁同步电动机结构永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步电动机。永磁同步电动机的结构示意图表面嵌入式转子结构a）内置径向式b）内置切向式c）内置混合式内置式转子结构1、永磁同步电动机的结构与特点2)．永磁同步电动机的特点优点：（1）用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠；（2）永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速；（3）永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转矩的扰动具有较强的承受能力；1、永磁同步电动机的结构与特点（4）永磁电动机转子为永久磁铁无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽；（5）永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高；（6）体积小、重量轻。（7）结构多样化，应用范围广。1、永磁同步电动机的结构与特点缺点：（1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗；（2）永磁电动机的磁钢价格较高。2、永磁同步电动机的运行原理与特性1)电枢反应永磁同步电动机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的。电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将影响永磁同步电动机的运行特性。2、永磁同步电动机的运行原理与特性2)电压方程式忽略磁饱和效应的影响，永磁同步电动机的电压方程式为式中，为电枢端电压；为励磁电动势；为电枢电流；电枢电流在d轴的分量；为电枢电流在q轴的分量；为电枢绕组电阻；为直轴同步电抗；为交轴同步电抗。qqddaaXjIXjIRIEU0U0EaIqdaIIIqIaRdXqX2、永磁同步电动机的运行原理与特性3)．功率与转矩当永磁同步电动机具有滞后功率因数并考虑电枢电阻的影响，电动机从电网输入的电功率为式中，为电动机的功率角。电动机的电磁功率为式中，为电动机的电枢绕组铜耗。qdaqdaaqaXXRXXUURRXEmUmUIP2012/2sincossincoscuaePPP1cuaP2、永磁同步电动机的运行原理与特性如果忽略电枢电阻的影响，则上式的前半部分称为基本电磁功率，由永磁磁场与电枢磁场相互作用产生；后半部分因凸极效应产生，称为附加电磁功率或磁阻功率。2sin112sin20dqdeXXmUXUmEP电磁功率与功率角的关系称为永磁同步电动机的功角特性。永磁同步电动机的功角特性和矩角特性2、永磁同步电动机的运行原理与特性4)运行特性永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。永磁同步电动机机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。永磁同步电动机的机械特性永磁同步电动机的工作特性2、永磁同步电动机的运行原理与特性运行特性永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。永磁同步电动机机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。六、开关磁阻电动机1.开关磁阻电动机结构与特点开关磁阻电动机的结构开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。1.开关磁阻电动机结构与特点开关磁阻电动机的特点优点：（1）可控参数多，调速性能好；（2）结构简单，成本低；（3）损耗小，运转效率高；1.开关磁阻电动机结构与特点缺点：（1）转矩脉动现象较大；（2）振动和噪声较大，特别是在负载运行的时候；（3）电动机出线头较多，还有位置检测器出线端；（4）电动机数学模型比较复杂，准确模型难建立；（5）控制复杂，依赖于电动机的结构。2.开关磁阻电动机工作原理与运行特性1)．开关磁阻电动机的工作原理开关磁阻电动机的工作原理示意图2).开关磁阻电动机的运行特性SR电动机的运行特性图2.开关磁阻电动机工作原理与运行特性各种电机的比较项目直流电机感应电机永磁电机开关磁阻电机比功率低中高较高峰值效率(%)85~8994~9595~9790负荷效率(%)80~8790~9285~9778~86功率因数(%)-82~8590~9360~65恒功率区-1:51:2.251:3转速范围(r/min)4000~600012000~150004000~10000可15000可靠性一般好优良好结构的坚固性差好一般优良电机外廓大中小小电机质量大中小小电机成本($/kW)108~1210~156~10控制操作性能最好好好好控制器成本低高高一般七、电动汽车中电机的控制通过控制技术，改变电机各种控制参数，达到改变电机的特性的目的，使电机特性符合电动汽车各种运行工况的要求。1、直流电机特性控制前后对比1、直流电机特性控制前后对比1、直流电机特性控制前后对比smnn0sTe010TeTemaxTemax图6-3恒压恒频时异步电机的机械特性2、异步电机特性控制前后的变化eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性2、异步电机特性控制前后的变化eTOnN0n03n02n01nN1111213131211N1Temax恒Eg/1控制时变频调速的机械特性2、异步电机特性控制前后的变化3、永磁同步特性控制前后的变化2).开关磁阻电动机的运行特性SR电动机的运行特性图4、开关磁阻电动机控制前后的变化理想电动汽车驱动系统特性