混合动力与电动汽车(21)

第二章电动汽车的主要部件及工作原理2.1电动汽车用电动机2.2电动汽车用蓄电池2.3电动汽车驱动控制器2.1电动汽车用电动机一、概述二、直流电动机三、无刷直流电动机四、交流异步电机五、永磁同步电机六、开关磁阻电机七、电动汽车中电机的控制一、概述电动机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。1、磁性基础知识磁性是由电子运动，有些物质中是由排列成直线的原子运动产生的一种能量形式。自然界中，一种叫磁石的铁矿石以磁铁的形式存在。自然悬挂的磁铁将指向磁北极。如果一块磁铁烂了或者裂开，它就变成两块弱磁铁。1、磁性基础知识根据材料的原子结构或者铁含量，很多材料能人工磁化使其有一定的磁性。含铁的金属叫做黑色金属，它能被磁化，碳含量低的软铁很容易磁化。有色金属，如铝和非金属，如玻璃、木头和塑料根本不能磁化。1、磁性基础知识磁力线磁性物质内的原子整齐排列成直线导致磁铁周围产生力场线。条形磁铁中，磁力线集中在条的两端，在磁铁周围形成立体平行的闭合曲线。它们从电磁的一端或者一极出来进入另一端，它们不会交叉。1、磁性基础知识磁铁相对的两端叫做磁的北极和南极。磁性越强，形成的磁线越多。磁力线也叫磁通量或者通量线，它们形成一个磁场。磁场、磁力线、通量、通量线这几个词可以互换使用。异性相吸同性相斥1、磁性基础知识磁导率这种磁力通过的难易程度就叫做磁导率。磁力线穿过铁比空气更容易，所以铁具有磁导性。磁阻尽管不能绝对隔绝磁性，但是某些物质能阻碍磁力通过。这可以比作电路里的阻力。磁力不能容易通过空气，所以空气有很高的磁阻。磁力线常常集中穿过物质，避开阻碍物质，磁力从阻力最小的地方穿过。1、磁性基础知识电磁场原理1820年科学家们发现载流导体周围也有磁场。用电流产生的磁场叫做电磁场。这些磁场可以比传统的磁铁周围的磁场更强。通过改变电流大小可以控制导体周围的磁场强度。电流增大，产生更多通量线，磁场扩大，变得更强。电流减小时，磁场缩小或者消失。这些发现大大地扩大了磁性的实际应用，开创了电磁学的研究领域。1、磁性基础知识产生电磁体产生一块电磁铁的简单方法是用绝缘导线绕钉子20圈，把导线两端与1.5伏干电池的两接线端连接。通电时，钉子变成一个磁体，能吸起大头针或者其它小的钢质东西。直导体载流直导体周围的磁场存在于导线的整个长度范围。电流强度决定有多少根通量线以及它们从导线表面延伸到外面多远。1、磁性基础知识右手定则磁力线圈有方向，就像条形磁铁周围的通量线有方向一样。电流磁场2、电动机原理电动机原理电动机如汽车起动电动机用磁场相互作用把电能转化成机械能。如果把电流方向相反的两个导体放在南极和北极之间，导体的磁场与磁场的两极相互作用，上面导体的顺时针磁场加上南北两极的磁场在导体下方产生一个强磁场。然后导体向上运动离开这个强磁场。2、电动机原理下面的导体的逆时针磁场加上南北两极的磁场在导体上面产生一个强磁场。然后导体向下运动离开这个强磁场。这些力导致导体的位置也就是电动机的中心顺时针转动。电流磁场2、电动机原理线圈导体如果把几圈导线做成线圈，磁通量密度会变强。线圈周围的通量线与条形磁体周围的通量线一样。它们从北极出来进入南极。增加导线的圈数、增加通过线圈的电流或者两个都增加能增强线圈的磁场强度。磁场方向相反的两导体会分开向更线圈周围的磁力线看上去与条形磁体弱的磁场移动。周围的相似。2、电动机原理电磁感应原理如果通量线或者导体正在运动，磁力线能在导体内产生电动势或者电压。这个过程叫感应，产生的电动势叫做感应电压。运动磁场在导体内产生电压叫做电磁感应。如果导体在一个完整闭合的电路内，电流会流动。2、电动机原理有四个方法提高感应电压：增强磁场强度，这样有更多磁力线。增加切割磁力线的导体数量。提高导体和磁力线之间的相对运动速度，这样单位时间内更多磁力线被切割。把磁力线与导体之间的角度变成最大90度。如果导体平行运动，不切割任何磁力线，没有电压产生。导体运动没有电压感应导体运动通量线导体2、电动机原理导体运动磁力线导体感应电压如果导体以90度破坏磁力线产生的电压最大，导体以0至90度之间的角度切断磁力线时，电压变小。感应电流运动导致磁场阻碍感应电流的运动。这条原则叫做楞次定律。感应电流的磁场阻碍导体与磁场之间的相对运动。2、电动机原理电动机的工作原理大多数电动机通过电磁来工作，其基本原理是导线导电时，它有一个磁场会产生一个机械力。这个力用洛伦兹力定律说明，与导线和磁场的方向都垂直。电动机中，旋转部分（一般在里面）叫转子，静止部分叫定子。电动机有电磁铁绕在框架上。每个载流导体的周围都有一个磁场是电磁学的一个基本原理。磁场的强度随电流（安培）的增加而变大。2、电动机原理电动机的功率电动机的功率用千瓦（kW）表示。这是额定机械功率和电功率的标准国际单位。效率为100%的电动机产生一千瓦机械功率，输出一千瓦电。一千瓦等于1000瓦。功率单位是以苏格兰工程师詹姆斯.瓦特的名字命名。一马力等于756瓦。这表示马一秒内能拉重550磅的物体跑一英尺。2、电动机原理导体运动导体运动旋转旋转两个磁场一起作用，它们的磁力线“聚在一起”或者电枢线圈的一边的磁力线很强，导体的另一边变弱。导致导体（电枢）从磁场强度强的地方朝磁场强度弱的地方运动。这导致电枢转动。通过起动电动机的电流变大时，这个转动力（扭矩）也变大。起动机的扭矩大小由磁场强度决定。磁场强度用安培圈数表述。如果电流或者导线的圈数增加，磁场强度变大。2、电动机原理迈克尔.法拉第于1821年发明了第一台电磁旋转电动机。标准的直流电动机使用带两极的电磁旋转电枢。旋转开关叫换向器，每两圈反转流过电枢的电流方向，这样电磁的两极推动电动机外面的永久磁铁运动。由于电枢电磁铁的两极通过永久磁铁的两极，换向器反转电枢电磁铁的极性。改变极性的瞬间，惯性使电动机向其原来的方向继续转动。1）直流电动机----电枢组成：电枢轴电枢绕组铁心换向器照片作用：通电后产生转动力矩2）直流电动机----磁极铁心励磁绕组机壳2）直流电动机----电刷与电刷架电刷的作用是将电流引入电枢使之产生定向转矩。四刷式两刷式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；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；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。二、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。1.直流电动机的分类（1）他励式直流电动机（2）并励直流电动机（3）串励直流电动机（4）复励直流电动机各种激励方式直流电动机的电路图各种激励方式直流电动机的电路图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；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。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