第4章电动汽车电机驱动系统

第4章电动汽车电机驱动系统4.1概述4.2直流电动机4.3无刷直流电动机4.4异步电动机4.5永磁同步电动机4.6开关磁阻电动机4.7轮毂电机第1页4.1概述4.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型4.1.2电动机的额定指标4.1.3电动汽车对电动机的要求4.1.4电动汽车电机驱动系统的发展趋势第2页4.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型1．电动汽车电机驱动系统的组成电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电机、功率转化器、控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。第3页4.1.1电动汽车电机驱动系统的组成与类型2．电动汽车电机驱动系统的类型电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为:(1)直流电动机;(2)无刷直流电动机;(3)异步电动机;(4)永磁同步电动机;(5)开关磁阻电动机等。第4页4.1.2电动机的额定指标(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。额定电压是指外加于线端的电源线电压(V)。(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)。(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)。第5页4.1.3电动汽车对电动机的要求电动汽车在行驶过程中，经常频繁地启动/停车、加速/减速等，这就要求电动汽车中的电动机比一般工业应用的电动机性能更高，基本要求如下：(1)电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，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；(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；第6页4.1.3电动汽车对电动机的要求(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；(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。第7页4.1.4电动汽车电机驱动系统的发展趋势（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大。（2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽。（3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。（4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加。（5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大。第8页4.2直流电动机4.2.1直流电动机的分类4.2.2直流电动机的结构与特点4.2.3直流电动机的工作原理4.2.4直流电动机的控制第9页4.2.1直流电动机的分类直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。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。第10页4.2.1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。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。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。但当采用永磁激励时，虽然电动机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，电动机的机械特性不理想，驱动电动机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。第11页4.2.1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。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。第12页4.2.1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。由于电动机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电动机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于电动机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小，能克服纯永磁他励直流电动机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而电动机的重量或体积比串励电动机的小。第13页4.2.1直流电动机的分类各种励磁方式直流电动机的电路如图所示。第14页4.2.2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。第15页4.2.2直流电动机的结构与特点2．直流电动机的特点(1)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。(2)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。(3)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。(4)有易损件。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。第16页4.2.3直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理图所示。图中，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。第17页4.2.4直流电动机的控制直流电动机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电动机的转速。这种控制只适合电动机基速以下的转速控制，它可保持电动机的负载转矩不变，电动机转速近似与电枢端电压成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电动机采用电枢调压控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1:10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1:30。电枢调压控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，由于转速不立即发生变化，反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小了，转矩也减小了。如果阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。第18页4.2.4直流电动机的控制磁场控制是指通过调节直流电动机的励磁电流改变每极磁通量，从而调节电动机的转速，这种控制只适合电动机基数以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过1:3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控整流电源作为励磁电源。磁场控制的调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。第19页4.2.4直流电动机的控制电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电动机的转速。这种控制方法的机械特性较软，而且电动机运行不稳定，一般很少应用。对于小型串励电动机，常采用电枢回路串电阻控制方式。第20页4.3无刷直流电动机4.3.1无刷直流电动机的分类4.3.2无刷直流电动机的结构与特点4.3.3无刷直流电动机的工作原理4.3.4无刷直流电动机的控制第21页4.3.1无刷直流电动机的分类无刷直流电动机按照工作特性，可以分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机和具有交流电动机特性的无刷直流电动机。具有直流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电动机具有有刷直流电动机的各种运行特性。具有交流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电动机。这类电动机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电动机。因此，它们具有同步电动机的各种运行特性。第22页4.3.2无刷直流电动机结构与特点1．无刷直流电动机的结构无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器三部分组成。(1)电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体由定子和转子两部分组成。(2)电子换相器。电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。(3)位置传感器。位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。第23页4.3.2无刷直流电动机结构与特点无刷直流电动机实物图。第24页4.3.2无刷直流电动机结构与特点无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点：(1)外特性好，非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的加速要求；(2)可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换向的影响，只能在中低速下运行；(3)效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的；(4)过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足电动汽车的突起堵转需要；第25页4.3.2无刷直流电动机结构与特点(5)再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担；(6)体积小、重量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空间；(7)无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机内部，可靠性高；(8)控制系统比异步电动机简单。缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有刷直流电动机复杂。第26页4.3.3无刷直流电动机的工作原理无刷直流电动机的工作原理与有刷直流电动机的工作原理基本相同。它是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电动机就旋转起来了。第27页4.3.4无刷直流电动机的控制按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电动机的控制方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机