新能源汽车驱动电机与控制技术-模块二-电机学基础知识

2019/10/2新能源汽车驱动电机与控制技术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2019/10/2新能源汽车概述电机学基础知识新能源汽车驱动电机构造原理与检修新能源汽车驱动电机与控制技术新能源汽车其他类型电机结构原理检修模块一模块二模块三模块四模块五模块二电机学基础知识新能源汽车对驱动电机的性能要求新能源汽车常用电机驱动系统电机基本电磁定律电机的磁路磁路和磁化123456电磁感应定律和电磁力定律7电机的制造材料１.时间要求:建议8学时２.知识目标：掌握电机基本电磁定律；熟悉电机的主要作用；了解电机的分类；了解电机的制造材料。３.技能目标：电机基本电磁定律、左手定则和右手定则的运用。学习目标新能源汽车驱动电机在需要充分满足汽车运行功能的同时，还应满足行驶的舒适性、环境适应性等性能以及对车辆依次充电续驶里程的要求。新能源汽车驱动电机具有比普通工业电机更为严格的技术规范和标准要求，其主要性能要求如下。一、新能源汽车对驱动电机的性能要求（一）体积小、质量轻（二）全速段高效运行（三）低速大转矩及宽范围的恒功率特性（四）高可靠性（五）高电压（六）安全性能（七）高转速（八）使用寿命长我国车用电机在全球资源条件下发展潜力较大。国内车用驱动电机行业现状：电机业中的小行业、但制造门槛高，电机驱动系统还存在较多差距与不足，但国内政策扶持将加快产业步伐。二、新能源汽车常用电机驱动系统（一）驱动电机系统简介二、新能源汽车常用电机驱动系统驱动电机及其控制系统电动机驱动系统的基本组成框图二、新能源汽车常用电机驱动系统电机的分类(按原理)二、新能源汽车常用电机驱动系统（二）电动汽车电机的基本要求二、新能源汽车常用电机驱动系统（1）电机结构紧凑、尺寸小，封装尺寸有限，必须根据具体产品进行特殊设计。（2）质量轻，以减轻车辆的整体质量，应尽量采用铝合金外壳，同时转速要高，以减轻整车的质量，增加电机与车体的适配性，扩大车体可利用空间，从而提高乘坐的舒适性。（3）可靠性高、失效模式可控，以保证乘车者的安全。（4）提供精确的力矩控制，动态性能较好。（5）效率高，功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率，以降低功率损耗，提高一次充电的续驶里程。（6）成本低，以降低车辆生产的整体费用。（7）调速范围宽，应包括恒转矩区和恒功率区，低速运行输出的恒定转矩大，以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求；高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。二、新能源汽车常用电机驱动系统（8）瞬时功率大，过载能力强，要保证汽车具有4~5倍的过载能力，以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求。（9）环境适应性好，要适应汽车本身行驶的不同区域环境，即使在较恶劣的环境中也能够正常工作，具有良好的耐高温、耐潮湿性能。（10）制动再生效率高，在汽车减速时，能够实现反馈制动，将能量回收并反馈回电池，使得电动汽车具有最佳能量利用率。（11）其他：结构简单，价格低廉，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便。（12）与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，此外，还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。（三）异步电动机(感应电动机)在新能源汽车中的应用二、新能源汽车常用电机驱动系统（1）异步电动机介绍（2）异步电动机的特点（3）异步电动机的控制系统（4）异步电动机的应用现状（四）永磁无刷电动机在新能源汽车中的应用二、新能源汽车常用电机驱动系统（1）永磁同步电动机简介（2）永磁同步电动机的特点（3）永磁电机作为驱动电机的优越性（4）永磁同步电机的控制系统（5）永磁电机应用现状（五）开关磁阻电动机在新能源汽车中的应用二、新能源汽车常用电机驱动系统（1）开关磁阻电动机简介（2）开关磁阻电机特点（3）开关磁阻电动机的控制系统（4）控制器（5）位置检测器（六）直流电动机在新能源汽车中的应用二、新能源汽车常用电机驱动系统（1）直流电动机简介（2）直流电动机的特点（3）直流电机的控制系统（七）各种电机的比较二、新能源汽车常用电机驱动系统电机类型直流有刷电机永磁电机交流感应电机开关磁阻电机最高效率（%）85-8990-9794-959010%负荷时效率（%）80-8790-9279-8578-86最高转速（r/min）4000-60004000-100009000-1500015000单位输出功率的相对成本比较1.01.0-1.50.8-1.20.6-1.0控制器相对价格比较1.02.53.54.5坚固及可靠性良良优优功率密度差好一般一般转矩转速特性一般好好好转速范围4000-60004000-150009000-15000〉15000易操作性最好好好好可靠性差一般好好结构坚固型差一般好好尺寸及质量大、重小、轻一般、一般小、轻成本高高低最低控制器成本低高高一般（七）各种电机的比较二、新能源汽车常用电机驱动系统各种电机在我国的发展现状：（1）交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。（2）开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。二、新能源汽车常用电机驱动系统（3）无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。（4）永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。（5）永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可280℃，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。（八）新能源汽车驱动电机未来展望二、新能源汽车常用电机驱动系统新能源汽车驱动电机目前的发展方向有以下几方面：小型轻量化；高效性；更出色的转矩特性；使用寿命长，可靠性高；噪声低；价格低廉。随着时间的推移，新能源驱动电机的发展呈现了下面的趋势：（1）电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。（2）电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。（3）电机系统集成化：通过机电集成(电机与发动机集成或电机与变速箱集成)和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。二、新能源汽车常用电机驱动系统未来的电机发展：(1)混合励磁电机(2)双定子永磁电机(3)记忆电机(4)磁性齿轮永磁无刷复合电机(5)非晶电机三、电机基本电磁定律（一）全电流定律右手螺旋定则三、电机基本电磁定律全电流定律示意图三、电机基本电磁定律（二）电磁感应定律（1）变压器电动势单相变压器原理图三、电机基本电磁定律（2）旋转电动势旋转电动势也称为速率电动势。磁通本身不随时间变化，而线圈与磁场之间有相对运动，从而使线圈中的磁链发生变化。这种情况通常发生在旋转电机中，故称为旋转电动势。（3）电磁力定律载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用而产生的，在电机学中通常将这种力称为电磁力。三、电机基本电磁定律（4）铁磁材料特性a.铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁化曲线三、电机基本电磁定律b.铁磁材料的磁导率铁磁材料的磁滞回线三、电机基本电磁定律硅钢片中的涡流四、电机的磁路（一）磁场磁体的周围存在着磁场，磁体间的相互作用就是通过它们各自的磁场而发生的。磁场的基本性质是它对放入其中的磁体发生磁力的作用。在磁场的某一点，小磁针静止时北极所指的方向规定为该点的磁场方向。四、电机的磁路（二）磁感线磁感线是在磁场中画出一些有方向的曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁场的方向一致。闭合电路磁通量变化四、电机的磁路（三）安培定则1.通电直导体产生的磁场一根直导体通入电流后，导体周围将产生磁场，其磁感线是以导体为圆心的同心圆，方向与电流的方向有关，可用右手定则判断：右手握住直导体，用大拇指指向电流方向，则其余四指弯曲的方向就是磁场的方向。SN右手定则四、电机的磁路2.通电线圈产生的磁场把导体绕成螺旋状并且通入电流，也能产生磁场，通电线圈相当于一块条形永久磁铁的磁场；通电导体的磁场强弱不仅与电流的大小有关，而且与线圈匝数有关；通电线圈磁场方向也可以用右手定则确定：右手握住线圈，用弯曲的四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是产生磁场N极的方向。右手定则电流方向磁场方向四、电机的磁路3.电流磁场强度电流磁场的强度与通入电流的大小及线圈的匝数有关:线圈匝数一定时，通入的电流越大，电流磁场的强度越强。通入电流大小一定时，外形相同的线圈，匝数越多，电流磁场的强度越强。四、电机的磁路4.磁路基本概念磁路可理解为磁通所经过的路径，与电路是电流所通过的路径的概念相类似。磁路示意图四、电机的磁路（四）磁路欧姆定律磁路示意图四、电机的磁路（五）磁路基尔霍夫第一定律有分支磁路示意图四、电机的磁路（六）磁路基尔霍夫第二定律（七）磁路与电路的类比五、磁路和磁化电和磁是紧密相关的，电流能产生磁场，而变动的磁场或导体切割磁力线又会产生电动势。初学电工者往往只注意电而不重视磁。其实在很多情况下没有磁路知识是不可能学懂电路的，例如电机、变压器、互感器、接触器和磁放大器等的工作原理都与磁密切相关。五、磁路和磁化（一）磁感应强度环形线圈五、磁路和磁化（二）磁通五、磁路和磁化（三）感应电流产生条件产生感应电流的条件与磁场的变化有关系，也就是说，与磁感应强度和闭合导体回路包围的面积有关系。只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就会有感应电流产生。五、磁路和磁化（四）感应电流的方向与大小环形线圈五、磁路和磁化右手定则五、磁路和磁化闭合回路切割磁感线电流大小变化图五、磁路和磁化（五）感应电动势（六）磁场强度（七）磁势（八）磁阻（九）铁磁物质的磁化（十）起始磁化曲线（十一）磁滞回线（十二）平均磁化曲线五、磁路和磁化（十三）直流导磁率（十四）交流导磁率（十五）软磁材料六、电磁感应定律和电磁力定律（一）直线导体中的感应电势（二）线圈中的感应电势（三）自感电势（四）自感系数（五）电磁力定律（六）RL电路的励磁过程七、电机的制造材料（一）常用材料种类：1、导磁材料——硅钢片2、导电材料——漆包线、铜圆线、铜扁线、纯铝、引接线、端子3、其他材料——支架用：钢板、锌合金、铝合金、含油轴承、滚珠轴承、弹片、主轴、钼尼龙、塑料、绝缘材料等七、电机的制造材料（二）导磁材料：1、导磁概念：（1）无论直流或交流电机都是在磁场和电流的共同作用下工作的；（2）直流电机中，磁场是恒定不变的；交流电机中，磁场是交变的，不固定的；（3）在电机中，磁场的形成有二种基本形式：永久磁铁形成的恒定磁场和电磁铁形成的非交变或交变的磁场；（4）当导体中有电流通过时，在导体周围就有磁场产生，当导体中电流方向改变时，其磁场也相应改变，通电导体所产生的磁场称为感应磁场，这种现象称为电磁感应现象。（5）通电导体产生磁场的强弱直接与