新能源汽车电机驱动系统

第六章新能源汽车电机驱动系统第四节永磁同步电动机目录导航第一节概述第三节三相异步感应电动机第二节直流电动机第四节永磁同步电动机第五节磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统3第一节概述新能源汽车驱动系统包括能源、电机和控制器。控制器主要由功率模块（电源的电子开关线路）和控制模块（包括微处理器和相应软件）组成。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。控制器选择恰当时，驱动系统的性能决定于电机。第六章新能源汽车电机驱动系统4图6.1电动机研究开发历程一、电动机的类型电动机是把电能转换成机械能的装置。它被广泛应用于机械、冶金、石油、煤炭、化工、航空、交通、农业等各种行业。常见的电机分类及其种类如下：直流电动机永磁同步电动机交流感应电动机开关磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统5电动机的类型常见的电动机中适用于电力驱动的电动机的分类如表6.1所示。表6.1几种典型电动机的性能特性性能及类型直流电动机异步电动机永磁同步电动机开关磁阻电动机转速范围/rpm4000~600012000~200004000~1000015000功率密度低中高较高电动机重量重中轻轻电动机体积大中小小可靠性一般好优良好结构坚固性差好好好控制器成本低高高一般第六章新能源汽车电机驱动系统6）(b)(c)图6.2新能源汽车电动机的位置示意图新能源动力汽车，其特点是将不同类型的能源转换为电能，电动机将电能转换为机械能，并通过传动系统将机械能传递到车轮驱动车辆行驶。电动机在动力系统中的位置如图6.2所示。电动机可单独驱动汽车行驶，在市区实现零排放。不同的汽车对电机的功能要求不同。二、新能源驱动系统中电动机的功用1.纯电动汽车对电机的要求电动汽车对电机的要求是功率和转矩应满足电动车辆动力性能的要求，适应车辆频繁的起动、加速、制动减速和倒车的运动要求；一般要求电机能承受2~4倍的过载，并能实现四象限的运转和高效回收车辆在制动是的反馈能量；电机工作电压高、转速高可以提高电机的比功率，减小电机的尺寸、降低重量和有利于在车辆上的安装布置；电机具有良好的可靠性、耐温、耐湿，结构简单维修方便。2.混合动力汽车对电机的要求混合动力汽车对电机的要求是电动机可单独驱动汽车行驶，在市区实现零排放。电动机在汽车启动、加速、大负荷运行时可以与发动机共同驱动汽车，在减速制动时以再生模式工作，起回收制动能量作用，与发电机功能相同。第六章新能源汽车电机驱动系统7三、新能源汽车对驱动电机的性能要求1．高电压2．高转速3．起动转矩大、调速范围宽4．防过载能力强5．具有高可控性、稳态精度、动态性能，机械效率高，以满足多部电机协调运行。6．可兼做发电机使用7．安全有保障具有高可控性、稳态精度、动态性能，机械效率高，以满足多部电机协调运行。安全有保障8.结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜目录导航第一节概述第二节直流电动机第三节三相异步感应电动机第四节永磁同步电动机第五节磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统9图6.6直流电动机构造1.直流电动机组成第二节直流电动机一、直流电动机的工作原理如图6.6所示，直流电动机分为两部分，定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。定子和转子之间由空气隙分开。（1）定子定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。第六章新能源汽车电机驱动系统10（2）转子转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。1、直流电动机的组成第二节直流电动机第六章新能源汽车电机驱动系统11第二节直流电动机2.直流电动机工作原理直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是N极有效边的电流方向向里,S极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后受力(左手定则)按逆时针方向旋转。线圈在磁场中旋转将在线圈中产生感应电动势，由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反，也称为反电动势。虽然电流方向使交替变化，但线圈所受电磁力的方向不改变，因而线圈可以连续地按逆时针方向旋转。第六章新能源汽车电机驱动系统12图6.8个种励磁方式的直流电动机(他励(b)并励(c)串励(d)积复励(e)差复励第二节直流电动机电动机是根据电磁感应原理实现能量转换的，电机磁场的建立的两种途径：一是对励磁线圈通电产生磁场，二是使用永久磁铁形成磁场。直流电动机使用线圈励磁分为他励和自励两类，而直流电动机的性能随着励磁方式不同将产生很大差别。他励电动机的励磁线圈与转子电枢的电压分开，他励直流电动机能够分别控制励磁电流和电枢电流，实现对他励直流电动机的控制。他励直流电动机具有线性特性和稳定输出的特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动是的再生制动，回收一部分能量。他励直流电动机的励磁电路如图6.8（a）所示。由其它直流电源单独供给电流，而与电枢绕组无连接关系。自励直流电动机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系，又可分为并励、串励和复励三种。3、直流电动机的励磁第六章新能源汽车电机驱动系统13第二节直流电动机BLDCM是随电子技术的发展而出现的一种新型电动机。它以电子换向装置代替了直流电动机的电刷和换向器，其特性与普通直流电动机相类似，但是在性能上保持了普通直流电动机的优点而克服了其缺点。它具有调速范围宽，启动迅速、寿命长、维护方便、可靠性高，噪声较低、无换向火花和无线电干扰等特点。无刷电动机转子上即无铜损又无鉄耗，其效率比同容量异步电动机提高10%~12%.4、无刷直流电动机BLDCM（brushlessDCmotor）图6.9直流无刷电动机结构1.)直流无刷电动机组成与功用无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路三个基本部分组成。其定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似，转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。电动机结构组成如图6.9所示。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。第六章新能源汽车电机驱动系统142.）直流无刷电动机工作原理无刷直流电机的工作原理比较复杂，其工作原理如图6.10所示，主要是通过转子位置传感器输出信号控制电子换相线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式旋转磁场，拖动电动机转子旋转。随着电动机转子转动，转子位置传感器又不懂送出位置信号，以不断改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中电流方向保持不变，这样电动机就能旋转起来了。无刷直流电机的电子换向电路原理如图6.11所示。4、无刷直流电动机BLDCM（brushlessDCmotor）第二节直流电动机图6.11无刷电动机电子换向驱动电路目录导航第一节概述第二节直流电动机第三节三相异步感应电动机第四节永磁同步电动机第五节磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统16第三节三相交流电动机同步电动机异步电动机如果电动机转子转速不等于定子旋转磁场转速，则转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，则称其位异步电动机。。如果电动机转子的转速与定子旋转磁场转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电动机别称为同步电动机。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两大类。第六章新能源汽车电机驱动系统17二、三相异步感应电动机结构三相异步电动机的结构如图6.12所示，主要由定子、转子、机座、支架、外壳、风扇罩和冷却风扇等组成。感应式电动机转子与定子之间没有任何电气上的联系，能量的传递全靠电磁感应作用。转子和定子间有个非常小的空气气隙将转子与定子隔开，根据电动机容量的大小不同，气隙一般在0.4~4mm的范围内。气隙过小，使电动机装配困难，高次谐波磁场增强，附加损耗增加，启动性能变差以及运行不可靠。气隙过大，则电动机运行时的功率因数降低。鼠笼式电动机转子由硅钢片和鼠笼型绕组构成，如图6.16所示。转子绕组分为铜排和铜条构成的笼型结构（图6.16(b)）或由铸铝形成的笼式结构（图6.16(c)）。铜质鼠笼转子的特点是叠压硅钢片铁芯（图6.16（a））两端各用一个铜环，两个铜环由若干铜条穿过铁芯槽连接而成。铝铸转子的的特点是转子导条和端环机风扇叶片用铝一次浇铸而成，多用于100kWY以下的异步电动机。图6.12三相感应式电动机结构(a)（c）图6.16鼠笼式转子的组成(b)第六章新能源汽车电机驱动系统18三、三相异步电动机工作原理1.绕组旋转磁场的产生假定三相异步电动机定子绕组的连接方法如图6.17所示的星形连接，单个绕组的始端分别为ABC；末端分别为XYZ。三相对称绕组分别为AX、BY、CZ并接在三相正弦交流电源上，通入三相交变电流。一般规定，电流为正值时从绕组的始端流入（A、B、C端），从绕组的末端流出（X、Y、Z）；为负值时相反。据此规则，可得到三相电流产生的磁场随时间变化的关系。2．异步电动机旋转磁场的转向异步电动机的旋转方向与通入绕组的三相交流电相序有关。任意对调两根三相电源街道定子绕组上的导线，就可以改变异步电动机的旋转方向。3.异步电动机的工作原理由于旋转磁场不断切割转子中的闭合导体，产生感应电动势和感应电流，再由转子中的感应电流和旋转磁场的相互作用产生电磁转矩，使得转子随着旋转磁场的方向同向运转。在异步电动机中，为保持旋转磁场始终切割转子导体产生感应电流，转子转速小于旋转磁场的速度。((b)(c)图6.18三相交流电波形与在定子绕线形成测旋转磁场图6.19笼型异步电动机转子绕组电流方向第六章新能源汽车电机驱动系统19三相异步感应电动机的转矩与转速的控制电动车中应用鼠笼式转子感应电动机，三相异步感应电动机不能用直流电直接驱动，需要使用逆变器将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，来实现对异步感应电动机的控制。交流异步电动机控制系统与驱动电路结构如图6.20所示。由于不能直接使用直流电源驱动电动机，需要使用功率半导体器件构成的逆变器，将直流电转换为频率和幅值都可以调节的三相交流电，通过微机控制器实现对三相异步电动机的转速和转矩的控制。图6.20三相异步电动机控制系统图第六章新能源汽车电机驱动系统20三相异步电动机在新能源汽车中应用如图6.21所示为采用三相异步电动机的电动汽车驱动桥。异步电动机由三相交流电驱动，变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，纯电动车的车轮由电动机和差速器组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要。但是，在变频调速的性能方面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，所以，还需要电动机能够自如的在正反转状态