混合动力与电动汽车(22)

第二章电动汽车的主要部件及工作原理三、无刷直流电动机无刷直流电动机是用电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点。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:(1)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。1、无刷直流电动机的分类(2)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，所以又称为交流永磁同步电动机。由直流电源供电，通过逆变器将直流电变换成交流电，然后按一般同步电动机进行控制。因此，它们具有同步电动机的各种运行特性。一般称第一种为无刷直流电动机，第二种为永磁同步电动机。2、无刷直流电动机结构与特点位置检测器逆变器电机本体控制信号控制器输出直流电源无刷直流电机构成框图1）无刷直流电动机的结构无刷直流电动机结构定子永磁转子传感器定子传感器转子(a)结构示意图(b)定转子实际结构2、无刷直流电动机结构与特点2、无刷直流电动机结构与特点2）无刷直流电动机的特点优点：（1）外特性好；（2）可以在低、中、高宽速度范围内运行；（3）效率高；（4）过载能力强；2、无刷直流电动机结构与特点（5）再生制动效果好；（6）体积小、重量轻、比功率大；（7）无机械换向器，全封闭式结构，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。3、无刷直流电动机的工作原理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。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。三相三状态BLDC原理传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B三相三状态BLDC原理传感器：H1=1H2=0H3=0导通相：B三相三状态BLDC原理传感器：H1=1H2=1H3=0导通相：C三相三状态BLDC原理传感器：H1=0H2=1H3=0导通相：C三相三状态BLDC原理传感器：H1=0H2=1H3=1导通相：A三相三状态BLDC原理传感器：H1=0H2=0H3=1导通相：A传感器：H1=1H2=0H3=1导通相：B三相三状态BLDC原理三相六状态BLDC工作原理图三相六状态BLDC原理4.无刷直流电动机的数学模型1）相关物理量（1）电枢绕组感应电动势式中，为气隙磁感应强度；为导体有效长度；为导体相对于磁场的线速度。导体相对于磁场的线速度为式中，为电动机转速；为电枢内径；为极距；为极对数。BLvBeLv3060npnDvnDp4.无刷直流电动机的数学模型设电枢绕组每相串连匝数为，则每相绕组的感应电动势为方波气隙磁感应强度对应的每极磁通为式中，为计算极弧系数。则有每相绕组感应电动势为WeWE2LaBiiaianpe30nWapEi154.无刷直流电动机的数学模型电枢感应电动势为式中，为电动势常数。nCnWapEEei1522WapCie1524.无刷直流电动机的数学模型（2）电枢电流在每个导通时间内，电压平衡方程式为式中，为电源电压；为开关管饱和压降；为每相绕组电流；为每相绕组电阻。电枢电流为aarIEUU22UUaIaRaaREUUI224.无刷直流电动机的数学模型（3）电磁转矩由两相绕组的合成磁场与转子永磁场相互作用而产生，则式中，为电动机的角速度。电磁转矩为式中，为转矩常数。aaeEIIET230naTeICTWapCiT44.无刷直流电动机的数学模型（4）转速电动机转速为由于无刷直流电动机的气隙磁场、反电动势以及电流是非正弦的，因此采用直交轴坐标变换已不是有效的方法。eaaCRIUUn22无刷直流电动机的运行特性机械特性曲线aTeICT调节特性无刷直流电动机调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为TTeUCrTU220eCK1无刷直流电动机工作特性工作特性×:实验值—：设计值120W样机效率特性5.无刷直流电动机的控制1）无刷直流电动机的控制方法（1）有位置传感器控制有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息。5.无刷直流电动机的控制（2）无位置传感器控制无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电动机的无位置传感器控制近年来己成为研究的热点。5.无刷直流电动机的控制2）无刷直流电动机的控制技术随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化，使得许多较复杂的控制技术得以实现。目前，应用到无刷直流电动机控制系统的控制技术主要有PID控制、模糊控制和神经网络控制等。5.无刷直流电动机的控制3）无刷直流电动机的控制器主要有专用集成电路(ASIC)控制器、微处理器(MCU)和数字信号处理器((DSP)等三种方式。对于专用集成电路，几乎所有先进工业国家的半导体商，都能提供自己开发的电动机控制专用集成电路。但使用时灵活性较差，受到的限制过多。无刷直流电动机控制器大多采用单片机来实现。四、异步电动机异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机的种类很多。最常见的方法是按转子结构和定子绕组相数分类。按照转子结构来分，有笼型异步电动机和绕线型异步电动机；按照定子绕组相数来分，有单相异步电动机、两相异步电动机和三相异步电动机。1、异步电动机的结构与特点1)异步电动机的结构异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。(1)定子异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。(2)转子异步电动机的转子由转子铁心、转子绕组和转轴组成。1、异步电动机的结构与特点三相异步电动机的典型结构1、异步电动机的结构与特点2)异步电动机的特点转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。异步电动机转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。2、异步电动机的工作原理异步电动机工作原理图2、异步电动机的工作原理异步电动机的转子转速与定子旋转磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子电动势及其频率的大小，直接影响异步电动机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值，用转差率表示，即有式中，为转差率；为定子旋转磁场的同步转速；为转子转速。11nnnss1nn3、异步电动机的运行特性2)异步电动机的机械特性异步电动机的机械特性是指电动机在恒定电压和恒定频率的情况下，电动机的转速与转矩之间的关系。异步电动机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。3、异步电动机的运行特性在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性。3、异步电动机的运行特性电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它附属设备，其中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。