电动汽车-电机全面比较

电动机壹贰叁肆伍电机的分类汽车常用电动机的结构及原理常用电机比较电动汽车电机设计常见电动车电机案例及统计•电动机的分类按工作电源种类划分：可分为直流电动机和交流电动机。•直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。•有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。•电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。•其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。•电动机的分类按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。•同步电动机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。•异步电动机可划分：感应电动机和交流换向器电动机。•感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。•电动机的分类•汽车常用电动机的结构及原理•直流电动机•永磁同步电机•交流三相感应电动机•永磁无刷直流电动机•开关磁阻电动机•外转子双凸极永磁电动机•直流电动机结构•直流电动机元件的作用•电动机是由转子和定子两部分组成。•转子：电动机中的旋转部件，转子是用来实现机械能与电能的转换装置。•定子：定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场。•直流电动机•主磁极：作用是建立主磁场，由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。•换向极：换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。•电刷装置：电枢电路的引入装置•电枢铁心：是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；•电枢绕组：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电动机的电路部分，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分•励磁：为电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场叫励磁。•直流电动机工作原理•直流电动机参数•额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率。•额定电压UN：指额定状态下电枢出线端的电压。•额定电流IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值。额定转速nN：指额定状态下运行时转子的转速。•额定励磁电流If：指电机在额定状态时的励磁电流值。•电动机中还有效率ηN存在,即PN＝UNINηN•直流电动机的效率与损耗•机械损耗pm：机械摩擦与通风损耗，主要与转速有关•铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场交变，产生涡流损耗和磁滞损耗。与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。•励磁损耗pf：pf=UfIf=If2Rf•pm+pFe+pf统称为空载损耗(不变损耗)。•负载损耗：电枢回路电阻损耗pa=Ia2Ra;电刷接触压降损耗Pb=2ΔUsIa（可变损耗）•杂散损耗pΔ:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等pΔ=(0.5~1)%P2。•功率及效率方程功率：P1=PM+pa+pb=P2+pm+pFe+pΔ+pa+pb+pf=P2+Σp效率：η=P2/P1=（1-Σp）/P1•直流电动机的工作特性1、转速特性：n=f(P2)U=CeΦn+IaRa+2ΔUsn=(U-2ΔUs-IaRa)/(CeΦ)电流增大，电压恒定时意味着P2增大，n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。•直流电动机的工作特性2、转矩特性：T=f(P2)T=T2+T0=P2/(2nπ/60)+T0他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。•如果不考虑转速的变化，则T=f(P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f(P2)为一条略微上翘的曲线。3、效率特性：在0.8PN左右达到最大，之后逐渐下降•交流电动机•异步电动机：转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。•同步电动机：转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。•感应电动机：异步电动机的一种，由于在异步电动机中感应电机占90%以上，所以有时他们也作同义词。•交流电机对称三相电流的产生•对称三相电流的产生：电网提供的三相电压，作用于复阻抗相等的对称三相负载，产生对称三相电流。•对称三相电流的函数式表示为：•对称三相电流的波形表示为：240sin120sinsintIitIitIimCmBmAAiBiCimIt•交流电机旋转磁场的产生•当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。•旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组中的电流的相序决定的。•旋转磁场的旋转速度为分转秒转/60/111pfpfn•同步动电机结构•同步电动机工作原理•同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。三相交变电流直流电流静止磁场旋转磁场转子旋转定子转子拉力•同步电动机参数•额定功率PN：指电机输出功率的保证值。电动机的额定容量一般用kW数表示•额定电压UN：指额定运行时定子输出端的线电压。•额定电流IN：指额定运行时定子的线电流。•额定功率因数cosjN：额定运行时电动机的功率因数。•额定频率fN：额定运行时电动机电枢端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。•额定转速nN：额定运行时电动机的转速，即同步转速。•除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据，例如额定负载时的温升tN、励磁容量PfN和励磁电压UfN等。•同步电动机功率及效率•机械损耗pm：机械摩擦与通风损耗，主要与转速有关•铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场交变，产生涡流损耗和磁滞损耗。与磁密的平方及转速的1.2~1.5次方成正比。•励磁损耗pf：电动机由外界直流励磁时，产生的损耗•pm+pFe+pf统称为空载损耗(不变损耗)。•负载损耗pa：电枢回路电阻损耗a;•电刷接触压降损耗pb。•pa+pb（可变损耗）。•杂散损耗pΔ:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等。•损耗类型与直流电动机类似，但由于采用交流电计算方法不同。•功率及效率方程•功率：P1=PM+pa+pb=P2+pm+pFe+pΔ+pa+pb+pf=P2+Σp•效率：η=P2/P1=（1-Σp）/P1•同步电动机工作特性•永磁同步电机效率图•内置式永磁电机效率图•永磁同步电机效率图•表贴式永磁电机效率图•Prius电机性能曲线•感应电动机•感应电动机：即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。•感应电动机结构•异步电机与同步电机结构上的的根本区别是旋转的转子没有通入直流电流励磁•感应电机工作原理•当定子接通三相电源后，即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。•异步电动机原理•转子上半边导体感应电势的方向为进去的，用×表示；下半边导体感应电势的方向为出来的，用⊙表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则确定。这样，在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向转动。60tAXYCBZSN1n60180tXBZ1nAYCA120tXYCBZ1n•感应电机额定参数（与同步电机相同）•主要额定值如下（三相时）：额定电压:UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；•额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；•额定功率:PN额定运行时，电动机的输出功率；•额定转速:nN,额定运行时，电动机的转子转速；•额定频率:fN(Hz)，规定的电源频率(我国用工频50Hz)；•额定效率ηN，额定功率因数:cosφN等。•额定功率：•PN=3UNpINpcosφNηN=P1NηNsqrt(3)UNINcosφNηN•感应电动机效率输入功率:P1=m1U1I1cosφ1定子铜耗:pCu1=m1I12R1铁耗：定子铁心与旋转磁场相对转速为n1较大，铁耗主要为定子铁耗:pFe=m1Im2Rm转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小，故转子铁耗可以忽略不计。电磁功率:PM=P1-pCu1-pFe=m1E'2I'2cosφ2转子铜耗:pCu2=m1I'22R'2总机械功率:PΩ=m1I'22R'2(1-s)/s机械损耗和附加损耗:pΩ+pΔ式中：pΔ=(0.5-3)%PN•感应电动机功率•故异步电动机的功率平衡方程式为:P2=P1-pCu1-pFe-pCu2-pΩ-pΔ=P1-Σp•电机效率(efficiency):η=P2/P1=(P1-Σp)/P1•感应电机工作特性•感应电机的工作特性•一.转差率特性s=f(P2)•s=(m1R'2I'2)/(Ω1CMΦ1cosφ2)•随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。•二.转矩特性T2=f(P2)•T2=P2/Ω•转矩曲线为一个微微上翘的曲线。•感应电机工作特性•三.电流特性I1=f(P2)•I1=-I'2+Im空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大（微微上翘）。•四.效率特性η=f(P2)•η=P2/(P2+pCu1+pFe+pCu2+pΩ+pΔ)其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；•效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。•异步电动机额定效率在（74-94）%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。•感应电机的工作特性五.功率因数特性cosφ1=f(P2)•空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；•随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；•在额定功率附近，功率因数达到最大值。•如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率成正比），从而引起功率因数下降。•感应电机效率图•同步/感应电动机效率曲线•直流无刷电机结构•结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushlessmotor）•直流无刷电机工作原理ImagescourtesyofServoMagnetics()•传感器感知转子位置•电子换向器打开和关闭相对应开关•通过特定的线圈通电使电动机运转•开关磁阻电机结构•开关磁阻电机结构•开关磁阻电动机原理开关磁阻电机特性曲线•外转子双凸极永磁电动机结构其基本构成与开关磁阻电机基本相同,即定、转子均为凸极结构,定子齿上装有集中绕组,与径向相对的齿上的绕组相串联构成一相,转上既没有绕组也没有永磁体,适合高速运行。•外转子双凸极永磁电动机原理•奥尔森咨询电机比较结果•华南理工大学电机比较结果•直流电动机•现状：基本上被淘汰•缺点：但是直流电机效率低下,其换向器和电刷需要经常性的周期维护,运行成本高,运用场合有很大的局限性,可靠性差。再加上该种电机成本高、体积大、质量大,所以随着高性能的交流调速系统的出现直流电机驱动已基本上被淘汰。•永磁同步电机•现状：目前在小型电动车及混合动力车中应用较多的电机大型车中也有部分应用•案例：丰田的Prius、福田BJ6123EVCA8•优点：因此永磁同步电动机具有高的功率/质量比,比其他类型的电动机有更高的效率,更大的输出转矩,电动机的极限转速和制动性能等优于其他类型的电动机。结构更加简单,性能更加可靠、体积更小,质量更轻。•缺点：永磁同步电动机的功率范围较小,最大功率仅为几十千瓦。永磁材料在