电机及驱动系统

第一节电动机概述一、电动机分类按功能分驱动电动机控制电动机（包括步进、测速、伺服等）按转速与电网电源频率之间的关系分同步电动机异步电动机按最高转速分普通电机（最高转速低于6000r/min）高速电机（最高转速高于6000r/min）按电源相数分单相电动机三相电动机按防护型式分开启式防护式封闭式隔爆式防水式潜水式按安装结构型式分卧式立式带底脚式带凸缘式按绝缘等级分E级(120)B级(130)F级(155)H级(180)按电能种类分直流电动机交流电动机（方波电机、正弦波等）Y,A,E,B,F,H,C.最低90，最高200适用于电力驱动的电动机的分类目前应用较少，但有一定发展空间应用较少目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机等。丰田Prius、本田Civic、InsightHV交流同步电机大型混合动力电动巴士三相交流感应电机直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点；交流电机：具有效率高、体积小、免维护等优点；但其驱动控制器需将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制变频调速，控制线路复杂。永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种。采用永磁铁励磁极大提高电机效率和功率密度(单位体积的功率)，但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响较大，存在可靠性不足及功率受限等缺点。开关磁阻电机：为新型机电一体化装置，具有结构简单、性能可靠、成本低、效率高、调速范围宽、起动力矩大、过载能力强、可方便有效地实现发电回馈和电磁制动等优点，特别适于汽车重载起步、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命缺点是存在较大转矩脉动，从而引起较大的振动和噪声；经多年不懈努力基本上解决了此难题。机械特性：电动机转矩T与转速n的关系n=f(T)曲线。曲线斜率大表示机械特性硬度软；反之表示调速特性硬，即转矩随转速变化小。机械特性是电动机主要调速性能指标，也是电力拖动重要研究内容。第一节概述1、电动机调速性能指标负载特性：电动机所带负载转矩TL随转速n变化所要求的特性关系，随各类机械装置所带负载不同存在较大差别，要求电机调速控制系统有多种可修改设置参数以匹配于不同负载特性。应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配1)机械特性和负载特性①所要求最高转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；②调速系统能达到的最高转速nmax与基速nbase(通常也为设计的额定转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase。通常，采用多档齿轮与电机结合的多级调速法。存在摩擦使效率低，维护要求高，动态响应慢，同时也直接降低调速平滑性。随电力调速拖动技术发展，现常用一档齿轮减速增矩仅由电控调速，更有趋于电机直驱调速而提高机械调速特性与负载转矩特性匹配要求。为提高调速范围希望nmax大、nmin小。降低nmin受低速运行相对稳定性限制，通常在低于基速前采用降压恒转矩调速，高于基速后采用弱磁恒功率调速来增大nmax，而弱磁调速与电机类型相关:永磁电机因弱磁较难使转速因子x=2、而交流异步电机x=4、开关磁阻电机x=6。第一节概述2)调速范围有两种表示法：3）静差率。电动机从理想空载(T=0)加到额定负载(T=Te)时，由理想空载转速n0降为额定转速ne的转速降Δne与n0之比，即表示为：%100%100%000nnnnnee百分数静差率电动机调速机械特性愈硬，静差率愈小，而相对稳定性愈高。4）调速效率。为输出功率P2与输入功率P1之比，与损耗功率ΔP相关。5）平滑性。针对机械齿轮有级调速，齿轮档位数愈多使调速级数愈多则调速平滑性也愈好。而仅由电气控制的调速系统即为无级调速。PPPPP2212调速效率即为：第一节概述据美国能源部评估，电动机能耗占整个工业用电的63%；日本曾估算国内所用电机每台效率仅提高一个百分点，就能省去一个大型核电站；而我国所用电机耗电量也约占全国用电量的60%。说明电机节能潜力巨大，尤其在调速控制应用领域，更何况对电动汽车采用能源更受限的移动式电源。电机运行期所需费用约98%为电费，所节能电机控制系统即使成本增加15～30%也为合算。为此多年来电机调速控制系统的技术发展变化巨大，并且改进提高的研究也是多方面的，其发展趋向呈下述特点。第一节概述2、电机调速控制系统的发展和研究方向1)传动系统。由机械齿轮多档变速控制系统；过渡到机械与电气联合控制系统；正向着全电气控制系统发展。2)电机结构。由直流有刷电机；过渡到直流无刷电机、交流异步电机等；正向着永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、三维磁路、无传感器等结构发展。4)电力电子器件。向全控型电力电子控制器件发展。3)控制电路。由分立元件、模拟电路；过渡到集成电路、数字和模拟混合电路；向高集成电路、全数字电路发展。5)控制策略。由低效有级控制；过渡到低效无级控制；向着高效无级控制及智能控制的高性能系统发展。而控制方法有最优控制、滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。2、电机调速控制系统的发展和研究方向3、电动汽车对动力驱动系统的要求为适应在起步、加速、匀速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、制动和停车等各种行驶工况的负载特性匹配要求，电动汽车的动力驱动系统应满足：1）起动力矩大和过载能力强。不仅要满足汽车带负载频繁起步要求，同时还希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。3）调速范围宽。在高、低速各工况均能高效运行，需电机有较宽调速范围，并保持理想调速特性。通常电机在所设计额定功率及其转速附近运行效率较高，而远离额定点效率必降低，为此将提出多级额定转速设计，以减化机械传动而减少其摩擦损耗和车载质量。2）限制电机过大的峰值电流。小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。4）电机能够正反转运行。使汽车倒车时不必切换齿轮来实现倒档。第一节概述5）方便、高效地实现发电回馈。使汽车降速制动和下坡滑行时经电机，将更多动能转换为电能回馈给蓄电池来提高续驶里程。7）调速响应快。提高电机动态响应性可改善行驶中各控制性能。6）设法使电机同时具有电磁制动功能。因电磁制动的动态响应极快，可及时准确地对前、后、左、右车轮制动力适宜分配，提高汽车安全性。8）运行平稳及可靠性高。利用其故障容错性等，确保电动汽车故障时仍能“跛脚回家”以避免交通堵塞。第一节概述3、电动汽车对动力驱动系统的要求1、高电压主要优点是可以减小电动机的尺寸、降低逆变器的成本以及提高能量转换效率等。电动机功率和电源电压的关系4、电动汽车对驱动电动机性能的基本要求提高电动机电压的典型的例子是丰田公司的THSⅡ混合动力系统。该系统电动机采用的电压由THS系统的274V提高到的500V，在电动机尺寸和质量变化不大的前提下，使电动机的功率、转矩和转速范围扩大.电动机的功率、转矩-转速曲线2、高转速P∝T·n在T一定的情况下，提高n，则提高P；在P一定的情况下，提高n则可降低电机的T；现代电动汽车的电动机转速可达8000-12000r/min，甚至更高。3、转矩密度和功率密度大、质量轻、体积小转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比采用铝合金外壳等降低电动机的质量；各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。TOYOTAHEV的电动机功率密度的变化电动机的转矩重量比的比较可以看出，SUV的转矩重量比与Prius相比增加了9%。4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能为满足起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，应具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能；应具有自动调速功能，减轻操纵强度，提高舒适性，达到内燃机汽车同样的控制响应；auiujukutFijkmaxau电动机的转矩特性是小于基速时为恒转矩，随着车速（电动机转速）的升高转矩逐渐减少。发动机与电机的动力特性比较发动机1档电机单挡发动机2档发动机3档发动机4档车速ua驱动力F电机经低速恒转矩结合高速恒功率调速所示虚线基本拟合了发动机经4档变速的实线4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能5、较大的过载能力电动汽车的驱动电机一般需要有4～5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求。而工业驱动电动机只要求有2倍的过载。问题：汽油机的过载能力是多少？柴油机呢？7、高效率（a）2000款Prius（b）2005款SUV2005款SUV采用的电动机的90%以上机械效率的运转区域明显大于2000款Prius6、较高的可控性、稳态精度和动态性能满足多部电动机协调运行。（c）电动机效率脉谱图在高负荷、低转速和低负荷、高转速条件工作时，电动机的效率不够理想。因此，HEV的控制系统应在满足汽车动力性要求的前提下，尽量使电动机工作在高效率区域。图14电机特性图240100200300400500EUDCNEDCCONST.FTP驾驶循环平均驱动力/NEUDCdrivingcyclesFTPdrivingcyclesNEDCdrivingcyclesAveragedrivingforceindifferentdrivingcycles8、可兼作发电机使用由于HEV结构的不同，有的HEV既有电动机，又有发电机，如97年款的Prius。由于采用了混联式结构，电动机和发电机二者兼有，并且通过行星齿轮机构耦合在一起。为减少汽车的自重和节省空间，绝大部分HEV的电动机均可兼作发电机使用，以回收汽车制动和减速时的能量。9、电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的标准和规定，必须装备高压保护设备以保证安全；10．能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐低温和高温性、耐潮湿性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作；11．结构简单，适于大批量生产，使用维修方便，价格便宜等；12、散热性好普通电动机一般用风冷，而电动汽车驱动用永磁无刷直流电动机由于电磁负荷高，通风散热环境差，更多选用水冷或油冷。某公共汽车用牵引电动机外形某公共汽车用牵引电动机内部冷却管路内部冷却管路在定子绕组之中四、电动机的性能比较与类型选择现代混合动力电动汽车采用最多的是交流感应电动机和永磁同步电动机，直流电动机和开关磁阻电动机也有一定的竞争优势。项目交流感应电机永磁同步电机直流电机开关磁阻电机功率密度一般好差一般力矩转速性能好好一般好转速范围9000～150004000～100004000～600015000最大効率/%94-9595-9785-89小于90効率(10%负荷时)/%79-8590-9280-8778-86易操作性好好最好好可靠性好一般差好结构的坚固性好一般差好尺寸及质量一般，一般小，轻大，重小，轻成本低高较高较高控制器成本比3.52.514.5从能量转换效率、力矩转速性能和功率密度来看，交流感应电机和永磁同步电机有一定优势，但永磁同步电机的成本较高。五、电动机类型的选择项目直流电动机异步电动机永磁电动机开关磁阻电动机过载能力效率寿命转速范围功率范围可靠性转矩/电流比结构坚固性电动机外形尺寸电动机质量电动机成本驱动控制成本转矩/惯量比中中中较宽宽中中差大重高低中好较高好较宽宽好中较好中中中高中较好高好宽小较好高中小轻中高较高好中好较宽较宽好高好小轻低中高五、电动汽车用电动机参数选择的依据电动机的参数选择包括电动机额定功率、峰值功率、额定转速、最高转速以及额定电压等。电动机的功率:《电动汽车动力性能试验方法》GB-T18385-2001规定，用车辆能够持续行驶超过30分钟的最高平均车速V30来衡量电动车辆的动力性，因此，用连续工作30min以上的功率表示电动机的功率电动机外特性的特点是:转速低于额定转速时，以恒转矩模式工作转速高于额定转速时，以恒功率模式工作1．电动机的参数选择原则他激直流电动机及两速变速器汽车的牵引力-车速曲线PBmax-蓄电池最大输出功率；PAN30-30min输出功率；Fw-行驶阻力通常，电动机的短时最大输出功率取决于控制元件的耐热性能；连续工作性能按30min输出确定。主要限制因素是电动机的最高温度。