电动汽车结构与原理第3章_驱动电机-电动汽车

第3章驱动电机•3.1电机分类•3.2直流电机•3.3交流异步电机•3.4永磁同步电机•3.5开关磁阻电机•3.6轮毂电机技术•3.7电动汽车的再生制动3.1电机分类驱动电机：即电动机，也称马达，将电能→机械能电动汽车常用直流电机永磁同步电机交流异步电机开关磁阻电机表3-1电动汽车常用驱动电机的性能比较电动汽车用驱动电机的工作环境特点：（1）电机工况变化频繁（2）电机在冲击、振动的环境下工作（3）车载电源能量有限（4）电机本身也是负载对电动汽车用驱动电机要求：（1）高比功率（2）高效率（3）高可靠性（4）高电压（5）高电气系统安全性电动汽车电机产品名称代号SYT：铁氧体永磁式直流伺服电动机SYX：稀土永磁式直流伺服电动机SXPT：铁氧体永磁式线绕盘式直流电动机SXPX：稀土永磁式线绕盘式直流电SWT：铁氧体永磁式无刷直流伺服电动机SWX：稀土永磁式无刷直流伺服电动机SN：印制绕组直流伺服电动机SR：开关磁阻电动机YX：三相异步电动机3.2直流电机组成：定子转子换向器3.2.1直流电机的结构凸极转子与隐极转子电动汽车用无刷直流电机1、定子：也称主磁极，由磁极铁芯和磁极绕组构成。（1）主磁极：在定子和转子间的气隙中建立磁场，使得通电电枢产生电磁转矩。（铁芯和绕组）（2）电刷组件：将直流电引向转动的电枢绕组，并与换向器配合，使得电枢绕组的电流及时换向。2、转子：也称电枢，由电枢铁芯和电枢绕组构成。（1）电枢铁芯：厚度为0.35-0.5mm的硅钢片叠装而成。（2）电枢绕组：通电后产生电磁转矩，转矩带动电枢绕组运动。转子总成3、换向器：使电枢绕组中的电流及时换向，将从电刷输入的直流电转换为电枢绕组的交流电。电刷和换向器3.2.2直流电机的基本原理3.2.3直流电机的特点1、与交流电机、无刷直流电机及开关磁阻电机相比，优点如下：（1）调速性能良好（2）起动性能好（3）具有较宽的恒功率范围（4）控制较为简单（5）价格便宜2、主要缺点：（1）效率低（2）维护工作量大（3）转速低（4）质量和体积大3.2.4直流电机的控制1、电枢电压调节法（1）改变电枢电压控制电机的转速。（2）适用于额定转速以下的调速。（3）降低电压→电枢电流↓→电磁转矩↓→电枢转速↓。2、磁场调节法（1）通过调节磁极绕组励磁电流，改变磁极磁通量来调节电机的转速。（2）适用于额定转速以上的转速控制。3、电枢回路电阻调节法（1）在磁极绕组励磁电流不变的情况下，改变电枢回路的电阻，使电枢电流变化来实现电机转速的调节。（2）很少在电动汽车上采用。3.2.5直流电机在电动汽车上的应用1、城市无轨电车2、电动叉车3、电动观光车4、电动巡逻车3.3交流异步电机组成：定子转子3.3.1交流异步电机的结构1、定子：由外壳、定子铁心和定子绕组构成。（1）定子铁心：硅钢片，0.35-0.5mm厚，叠亚而成。（2）定子绕组：三相，互相间隔120°，对称排列，结构完全相同。2、转子：由转子绕组和转子铁心组成。3.3.2交流异步电机的基本原理3.3.3交流异步电机的特点1、与有刷直流电机相比，优点如下：（1）效率较高（2）结构简单、体积较小，质量轻（3）工作可靠、使用寿命长（4）免维护2、缺点：（1）调速性能相对较差（2）配用的控制器成本较高3.3.4交流异步电机的控制1、矢量控制（1）模拟直流电机。（2）控制理论完善，日趋成熟，可基本满足电动汽车的动力性要求。2、直接转矩控制（1）对磁链和转矩直接控制。（2）简化了控制结构，动态响应快。（3）低速时，存在转矩脉动，负载能力下降。3.3.5交流异步电机在电动汽车中的应用1、应用广泛，运行可靠，转速高，成本低，是电动汽车用驱动系统的理想选择。2、适用于大功率、低速车辆，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车，如：广汽GZ6120EV1，、金龙XMQ6126YE、申沃SWB6121EV2等。3.4永磁同步电机组成：定子转子3.4.1永磁同步电机的结构与交流异步电机类似雪铁龙C-Zero微型纯电动轿车永磁同步电机1、定子：由铁心和三相绕组构成。（与交流异步电机相似）2、转子：永久磁铁3.4.2永磁同步电机的基本原理与交流异步电机基本相同定子绕组输入三相正弦交流电→产生旋转磁场→与永磁转子磁场作用→转子产生转矩→转子随定子的旋转磁场转动（即转子的转动与旋转磁场同步）。3.4.3永磁同步电机的特点1、可在很低的转速下同步运行，调速范围宽。2、效率高、功率密度大。3、瞬态特性通常都比较好。4、具有良好的机械特性。5、结构多样化。与交流异步电机相比：成本高、起动困难。3.4.4永磁同步电机的控制1、矢量控制2、直接转矩控制3、恒压频比开环控制3.4.5永磁同步电机在电动汽车上的应用丰田2010普锐斯，本田INSIGHT，日产LTIMA奥迪A8Hybrid、宝马ActiveHybird7比亚迪E6、北汽C30电动版福克斯的基本结构与我们之前介绍过的其它电动车大同小异，不过前置的电动机是一套拥有更小体积、重量的永磁同步电动机，当然，它也有更强的功率密度、转矩惯量以及过载能力，同时通过量产化以及材料的优化，其制造成本也有了大幅度削减；3.5开关磁阻电机组成：定子转子电子开关3.5.1开关磁阻电机的结构1、转子：由导磁性能良好的硅钢片叠压而成，转子凸极上无绕组。转子的凸极个数为偶数，最少4个（2对），最多16个（8对）。2、定子：由定子铁心和定子绕组组成。定子的凸极个数为偶数，最少6个，最多18个。3.5.2开关磁阻电机的原理1、定子绕组按照D→A→B→C的顺序通电，转子逆着励磁顺序以逆时针方向连续旋转。2、若按B→A→D→C的顺序通电，则转子会沿着顺时针方向转动。3.5.3开关磁阻电机的特点1、再生制动能力较强，在高速运行区域内能保持较强的制动能力。2、电机驱动系统散热性好，功率密度大，减少了奠基的体积和重量，节省了电动汽车的有效空间。3、能在很宽的功率和转速范围内保持高效率，有效提高电动汽车一次充电的续驶里程。4、控制特性良好，容易智能化。5、结构简单，成本低，制造工艺简单。6、可控参数多，调速性能好，适于频繁起动、停止及正反转运行。3.5.4开关磁阻电机的控制电机的运行不是单纯的发电或电动过程，而是将两者有机结合在一起的控制过程。1、角度控制法（APC）：电压保持不变，对开通角和关断角进行控制。不适合低速工况。2、电流斩波控制法（CCC）：开通角和关断角不变，靠控制斩波电流的大小调节电流的峰值。3、电压控制法（VC）：在主开关的控制信号中加入PWM信号，调节占空比来调节绕组端电压大小，从而改变相电流值。3.5.5开关磁阻电机在电动汽车中的应用1、转子没有绕组和永磁体，结构是四种电机中最坚固的。2、制造简单、成本低、散热特性较好。3、效率比直流和交流电机高，可在较宽的功率和转速范围内高效率运行，符合电动汽车的驱动要求。4、工作时产生较大的噪声和振动。5、目前没有产业化车型使用该电机。其应用领域处在不断拓展中。3.6轮毂电机技术1、也称为车轮内装式电机。2、将电机、传动系统和制动系统融为一体。3、是电动汽车的最终驱动形式。4、可采用永磁无刷、直流无刷、开关磁阻等电机类型。3.6.1轮毂电机的结构分类：内转子电机和外转子电机1、内转子式轮毂电机（1）采用高速内转子电机。（2）配备固定传动比的减速器，转速高达10000r/min。（3）优点：比功率较高、质量轻、体积小、噪声小、成本低等。（4）缺点：必须采用减速装置，使用效率低，非簧载质量大，最高转速受线圈损耗、摩擦损耗及变速机构的承受能力等限制。（5）应用：在电动汽车中有应用，在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力。2、外转子式轮毂电机（1）采用低速外转子电机。（2）外转子与车轮的轮辋固定或集成在一起，车轮转速与电机相同，电机最高转速在1000-1500r/min间。（3）优点：结构简单、轴向尺寸小，能在很宽的速度范围内控制转矩，响应速度快，没有减速机构，效率高。（4）缺点：要获得较大的转矩，必须增大电机的体积和重量，成本高。（5）应用：在电动汽车中有应用。3.6.2轮毂电机技术的特点1、更方便的底盘布置，更灵活的供电系统。2、更好的汽车底盘主动控制性能。3、最优的驱动力分配。一、优点：1、增大了非簧载质量。2、制动能力有限，仍需液压制动系统。二、缺点：3.6.3轮毂电机的驱动方式1、减速驱动（1）电机在高速下运行，选用高速内转子式电机。（2）减速机构放置在电机和车轮之间，可减速和增矩。（3）适合于丘陵或山区使用，及要求过载能力大和城区客车等需要频繁起动/停车等场合。2、直接驱动（1）多采用外转子式电机。（2）适合平路或负荷较小的场合。3.6.4轮毂电机在电动汽车中的应用（1）1900年，保时捷首先制造了前轮装备轮毂电机的电动汽车。（2）20世纪70年代，用于矿山运输车。（3）日本：本田FCXconcept、三菱colt等。（4）国内：奇瑞瑞麟X1（5）优势明显，在电动汽车中应用前景广阔。3.7电动汽车的再生制动1、再生制动原理：在制动时将汽车行驶的惯性能量通过传动系统传递给电机，电机以发电机方式工作，为动力电池充电，实现制动能量的再生利用。同时，产生的电机制动力矩又可通过传动系统对驱动轮施加制动，产生制动力。2、设计时，应综全面综合考虑制动、下坡滑行、高速运行和低速运行等多种场合。