第3章_1_电动汽车用电动机

HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第1页第3章电动汽车用电动机(一)3.1概述3.2直流电动机3.3无刷直流电动机HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第2页3.1概述它是将电能转变为机械能的一种机器。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第3页1．电动机的分类（1）按电动机工作电源分类直流电动机和交流电动机直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机交流电动机分为单相电动机和三相电动机。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第4页1．电动机的分类（2）按结构及工作原理分类直流电动机、异步电动机和同步电动机直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机；同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第5页1．电动机的分类（3）按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。（4）按转子的结构分类笼电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。（5）按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第6页2.电动机的额定指标电动机的额定指标主要包括：（1）额定功率额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率（W或kW）。（2）额定电压额定电压指外加于线端的电源线电压（V）。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第7页2.电动机的额定指标（3）额定电流额定电流是指电动机额定运行（额定电压、额定输出功率）情况下电枢绕组（或定子绕组）的线电流（A）。（4）额定频率额定频率是指电动机额定运行情况下电枢（或定子侧）的频率（Hz）。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第8页2.电动机的额定指标（5）额定转速额定转速是指电动机额定运行（额定电压、额定频率、额定输出功率）的情况下，电动机转子的转速（r/min）。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第9页2.电动机的额定指标当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载电流大于额定电流，将会引起电动机过热，从而减少了电动机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第10页2.电动机的额定指标电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行，轻载时电动机的效率和功率因数等运行性能均较差，因此电动机应尽量避免轻载运行。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第11页3.电动汽车对电动机的要求（1）在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求；。（2）电动机应具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强，加速性能好，使用寿命长的特点；HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第12页3.电动汽车对电动机的要求（3）电动机应在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程；（4）电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率；（5）电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作；HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第13页3.电动汽车对电动机的要求（6）电动机应体积小，重量轻，一般为工业用电动机的1/2~1/3；（7）电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护；（8）价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高性价比；（9）运行时噪声低，减少污染。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第14页3.2直流电动机在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第15页1.直流电动机的分类（1）他励式直流电动机他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电。他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第16页1.直流电动机的分类（2）并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励直流电动机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第17页1.直流电动机的分类（3）串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第18页1.直流电动机的分类（4）复励直流电动机复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运行效率高。各种激励方式直流电动机的电路图HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第21页1.直流电动机的分类电动汽车所使用的直流电动机主要是他励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机三种类型。小功率（100W~10kW）电动机采用的是小型高效的永磁直流电动机，可以应用在小型、低速的搬运设备上。中等功率（10~100kW）的电动机采用他励、复励或串励式直流电动机，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。大功率（100kW）直流电动机采用串励式，可用在要求低速、高转矩的专用电动车上。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第22页2.直流电动机的结构与特点1）直流电动机的结构直流电动机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙。（1）定子部分主磁极机座换向极电刷装置（2）转子部分电枢铁心电枢绕组换向器直流电动机的结构直流电动机的结构HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第25页2.直流电动机的结构与特点2）直流电动机的特点调速性能好：直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽；起动力矩大：可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动控制比较简单：一般用斩波器控制，它具有高效率、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点；HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第26页2.直流电动机的结构与特点由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定期维护或更换。电动汽车专用的直流电动机和其它通用的电动机相比，应在耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波动性以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊考虑。除此之外，电动汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动，同时是大电流电路，因此需要注意连接接线的接触电阻。3.直流电动机的工作原理HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第29页4.直流电动机的基本方程(1)电枢绕组的感应电动势直流电动机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷引出的电动势，也称电枢电动势，可表示为为每极磁通量；为电动势常数，与电动机结构有关。nCEeaeCHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第30页4.直流电动机的基本方程(2)直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。可表示为式中，为电磁转矩；为转矩常数，与电动机结构有关。aTeICTeTTCHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第31页4.直流电动机的基本方程(3)电压方程式由他励直流电动机的等效电路，得电枢回路的电压方程为其中为互感励磁回路的电压方程为fmaaaaaMIERIEUMfffRIUHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第32页4.直流电动机的基本方程有以下结果：（1）对于永磁直流电动机，（2）对于并励直流电动机，（3）对于串励直流电动机，（4）对于复励直流电动机，其特性介于串励和并励之间。MIfUUUafIIIafUUUafIIIafHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第33页4.直流电动机的基本方程（4）转矩方程式电动机空载时，轴上输出转矩，则有。当负载转矩为，轴上输出有，电动机匀速稳定运行时有式中，为空载转矩，它是由电动机的机械摩擦和铁耗引起的转矩；为电磁转矩，为拖动性质转矩；为总的制动转矩，方向与相反。电磁转矩公式：02T0TTeLTLTT202TTTe0TeT)(02TTafeIMIT各种直流电动机的速度转矩特性各种直流电动机的速度转矩特性直流电动机的转速—转矩、电压特性曲线HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第37页5．功率方程式他励直流电动机输入功率为式中，为输入功率；为电磁功率；为电枢回路上的铜耗。cuaemaaaaaaaaaPPRIIERIEIUIP211PemPcuaPHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第38页5.直流电动机的运行特性直流电动机的工作特性是指电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定、励磁调节电阻和电枢回路电阻不变的情况下，其转速与电磁转矩之间的关系，又称为转矩—转速特性。HARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第39页5.直流电动机的运行特性(1)并励（他励）直流电动机的运行特性转速特性并励（他励）直流电动机的转速特性为式中，为电动机的理想空载转速；为转速调整率，由电枢电阻压降引起，一般为3~8%。nnCIRUneaa0eCUn0eaaCIRnHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第40页5.直流电动机的运行特性效率特性转矩特性直流电动机的效率特性可表示为%100%1002212kbPPPPPPbP为直流电动机的不变损耗，与负载电流变化无关；kP为直流电动机的可变损耗，电动机的转矩特性可表示为aTeICTHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY新能源汽车技术第41页5.直流电动机的运