电机及驱动系统PPT课件

电动汽车——电动机及驱动系统本文档后面有精心整理的常用PPT编辑图标，以提高工作效率第一节电动机概述一、电动机分类按功能分驱动电动机控制电动机（包括步进、测速、伺服等）按转速与电网电源频率之间的关系分同步电动机异步电动机按最高转速分普通电机（最高转速低于6000r/min）高速电机（最高转速高于6000r/min）按电源相数分单相电动机三相电动机按防护型式分开启式防护式封闭式隔爆式防水式潜水式按安装结构型式分卧式立式带底脚式带凸缘式按绝缘等级分E级(120)B级(130)F级(155)H级(180)按电能种类分直流电动机交流电动机（方波电机、正弦波等）Y,A,E,B,F,H,C.最低90，最高200适用于电力驱动的电动机的分类目前应用较少，但有一定发展空间应用较少目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机等。丰田Prius、本田Civic、InsightHV交流同步电机大型混合动力电动巴士三相交流感应电机直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点；交流电机：具有效率高、体积小、免维护等优点；但其驱动控制器需将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制变频调速，控制线路复杂。永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种。采用永磁铁励磁极大提高电机效率和功率密度(单位体积的功率)，但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响较大，存在可靠性不足及功率受限等缺点。开关磁阻电机：为新型机电一体化装置，具有结构简单、性能可靠、成本低、效率高、调速范围宽、起动力矩大、过载能力强、可方便有效地实现发电回馈和电磁制动等优点，特别适于汽车重载起步、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命缺点是存在较大转矩脉动，从而引起较大的振动和噪声；经多年不懈努力基本上解决了此难题。机械特性：电动机转矩T与转速n的关系n=f(T)曲线。曲线斜率大 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示机械特性硬度软；反之表示调速特性硬，即转矩随转速变化小。机械特性是电动机主要调速性能指标，也是电力拖动重要研究内容。第一节概述1、电动机调速性能指标负载特性：电动机所带负载转矩TL随转速n变化所要求的特性关系，随各类机械装置所带负载不同存在较大差别，要求电机调速控制系统有多种可修改设置参数以匹配于不同负载特性。应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配1)机械特性和负载特性①所要求最高转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；②调速系统能达到的最高转速nmax与基速nbase(通常也为设计的额定转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase。通常，采用多档齿轮与电机结合的多级调速法。存在摩擦使效率低，维护要求高，动态响应慢，同时也直接降低调速平滑性。随电力调速拖动技术发展，现常用一档齿轮减速增矩仅由电控调速，更有趋于电机直驱调速而提高机械调速特性与负载转矩特性匹配要求。为提高调速范围希望nmax大、nmin小。降低nmin受低速运行相对稳定性限制，通常在低于基速前采用降压恒转矩调速，高于基速后采用弱磁恒功率调速来增大nmax，而弱磁调速与电机类型相关:永磁电机因弱磁较难使转速因子x=2、而交流异步电机x=4、开关磁阻电机x=6。第一节概述2)调速范围有两种表示法：3）静差率。电动机从理想空载(T=0)加到额定负载(T=Te)时，由理想空载转速n0降为额定转速ne的转速降Δne与n0之比，即表示为：电动机调速机械特性愈硬，静差率愈小，而相对稳定性愈高。4）调速效率。为输出功率P2与输入功率P1之比，与损耗功率ΔP相关。5）平滑性。针对机械齿轮有级调速，齿轮档位数愈多使调速级数愈多则调速平滑性也愈好。而仅由电气控制的调速系统即为无级调速。即为：第一节概述据美国能源部评估，电动机能耗占整个工业用电的63%；日本曾估算国内所用电机每台效率仅提高一个百分点，就能省去一个大型核电站；而我国所用电机耗电量也约占全国用电量的60%。说明电机节能潜力巨大，尤其在调速控制应用领域，更何况对电动汽车采用能源更受限的移动式电源。电机运行期所需费用约98%为电费，所节能电机控制系统即使成本增加15～30%也为合算。为此多年来电机调速控制系统的技术发展变化巨大，并且改进提高的研究也是多方面的，其发展趋向呈下述特点。第一节概述2、电机调速控制系统的发展和研究方向1)传动系统。由机械齿轮多档变速控制系统；过渡到机械与电气联合控制系统；正向着全电气控制系统发展。2)电机结构。由直流有刷电机；过渡到直流无刷电机、交流异步电机等；正向着永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、三维磁路、无传感器等结构发展。4)电力电子器件。向全控型电力电子控制器件发展。3)控制电路。由分立元件、模拟电路；过渡到集成电路、数字和模拟混合电路；向高集成电路、全数字电路发展。5)控制策略。由低效有级控制；过渡到低效无级控制；向着高效无级控制及智能控制的高性能系统发展。而控制方法有最优控制、滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。2、电机调速控制系统的发展和研究方向3、电动汽车对动力驱动系统的要求为适应在起步、加速、匀速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、制动和停车等各种行驶工况的负载特性匹配要求，电动汽车的动力驱动系统应满足：1）起动力矩大和过载能力强。不仅要满足汽车带负载频繁起步要求，同时还希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。3）调速范围宽。在高、低速各工况均能高效运行，需电机有较宽调速范围，并保持理想调速特性。通常电机在所设计额定功率及其转速附近运行效率较高，而远离额定点效率必降低，为此将提出多级额定转速设计，以减化机械传动而减少其摩擦损耗和车载质量。2）限制电机过大的峰值电流。小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。4）电机能够正反转运行。使汽车倒车时不必切换齿轮来实现倒档。第一节概述5）方便、高效地实现发电回馈。使汽车降速制动和下坡滑行时经电机，将更多动能转换为电能回馈给蓄电池来提高续驶里程。7）调速响应快。提高电机动态响应性可改善行驶中各控制性能。6）设法使电机同时具有电磁制动功能。因电磁制动的动态响应极快，可及时准确地对前、后、左、右车轮制动力适宜分配，提高汽车安全性。8）运行平稳及可靠性高。利用其故障容错性等，确保电动汽车故障时仍能“跛脚回家”以避免交通堵塞。第一节概述3、电动汽车对动力驱动系统的要求1、高电压主要优点是可以减小电动机的尺寸、降低逆变器的成本以及提高能量转换效率等。电动机功率和电源电压的关系4、电动汽车对驱动电动机性能的基本要求提高电动机电压的典型的例子是丰田公司的THSⅡ混合动力系统。该系统电动机采用的电压由THS系统的274V提高到的500V，在电动机尺寸和质量变化不大的前提下，使电动机的功率、转矩和转速范围扩大.电动机的功率、转矩-转速曲线2、高转速P∝T·n在T一定的情况下，提高n，则提高P；在P一定的情况下，提高n则可降低电机的T；现代电动汽车的电动机转速可达8000-12000r/min，甚至更高。3、转矩密度和功率密度大、质量轻、体积小转矩密度、功率密度分别是指最大转矩体积比和最大功率体积比采用铝合金外壳等降低电动机的质量；各种控制装置和冷却系统的材料等也应尽可能选用轻质材料。TOYOTAHEV的电动机功率密度的变化电动机的转矩重量比的比较可以看出，SUV的转矩重量比与Prius相比增加了9%。4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能为满足起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩，应具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能；应具有自动调速功能，减轻操纵强度，提高舒适性，达到内燃机汽车同样的控制响应；电动机的转矩特性是小于基速时为恒转矩，随着车速（电动机转速）的升高转矩逐渐减少。发动机与电机的动力特性比较发动机1档电机单挡发动机2档发动机3档发动机4档车速ua驱动力F电机经低速恒转矩结合高速恒功率调速所示虚线基本拟合了发动机经4档变速的实线4、具有较大的起动转矩和较宽范围的调速性能5、较大的过载能力电动汽车的驱动电机一般需要有4～5倍的过载，以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要求。而工业驱动电动机只要求有2倍的过载。问题：汽油机的过载能力是多少？柴油机呢？7、高效率（a）2000款Prius（b）2005款SUV2005款SUV采用的电动机的90%以上机械效率的运转区域明显大于2000款Prius6、较高的可控性、稳态精度和动态性能满足多部电动机协调运行。（c）电动机效率脉谱图在高负荷、低转速和低负荷、高转速条件工作时，电动机的效率不够理想。因此，HEV的控制系统应在满足汽车动力性要求的前提下，尽量使电动机工作在高效率区域。EUDCdrivingcyclesFTPdrivingcyclesNEDCdrivingcyclesAveragedrivingforceindifferentdrivingcycles8、可兼作发电机使用由于HEV结构的不同，有的HEV既有电动机，又有发电机，如97年款的Prius。由于采用了混联式结构，电动机和发电机二者兼有，并且通过行星齿轮机构耦合在一起。为减少汽车的自重和节省空间，绝大部分HEV的电动机均可兼作发电机使用，以回收汽车制动和减速时的能量。9、电气系统安全性和控制系统的安全性应达到有关的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 和规定，必须装备高压保护设备以保证安全；10．能够在恶劣条件下可靠工作。电动机应具有高的可靠性、耐低温和高温性、耐潮湿性，并且运行时噪声低，能够在较恶劣的环境下长期工作；11．结构简单，适于大批量生产，使用维修方便，价格便宜等；12、散热性好普通电动机一般用风冷，而电动汽车驱动用永磁无刷直流电动机由于电磁负荷高，通风散热环境差，更多选用水冷或油冷。某公共汽车用牵引电动机外形某公共汽车用牵引电动机内部冷却管路内部冷却管路在定子绕组之中四、电动机的性能比较与类型选择现代混合动力电动汽车采用最多的是交流感应电动机和永磁同步电动机，直流电动机和开关磁阻电动机也有一定的竞争优势。项目交流感应电机永磁同步电机直流电机开关磁阻电机功率密度一般好差一般力矩转速性能好好一般好转速范围9000～150004000～100004000～6000>15000最大効率/%94-9595-9785-89小于90効率(10%负荷时)/%79-8590-9280-8778-86易操作性好好最好好可靠性好一般差好结构的坚固性好一般差好尺寸及质量一般，一般小，轻大，重小，轻成本低高较高较高控制器成本比3.52.514.5从能量转换效率、力矩转速性能和功率密度来看，交流感应电机和永磁同步电机有一定优势，但永磁同步电机的成本较高。五、电动机类型的选择项目直流电动机异步电动机永磁电动机开关磁阻电动机过载能力效率寿命转速范围功率范围可靠性转矩/电流比结构坚固性电动机外形尺寸电动机质量电动机成本驱动控制成本转矩/惯量比中中中较宽宽中中差大重高低中好较高好较宽宽好中较好中中中高中较好高好宽小较好高中小轻中高较高好中好较宽较宽好高好小轻低中高五、电动汽车用电动机参数选择的依据电动机的参数选择包括电动机额定功率、峰值功率、额定转速、最高转速以及额定电压等。电动机的功率:《电动汽车动力性能试验方法》GB-T18385-2001规定，用车辆能够持续行驶超过30分钟的最高平均车速V30来衡量电动车辆的动力性，因此，用连续工作30min以上的功率表示电动机的功率电动机外特性的特点是:转速低于额定转速时，以恒转矩模式工作转速高于额定转速时，以恒功率模式工作1．电动机的参数选择原则他激直流电动机及两速变速器汽车的牵引力-车速曲线PBmax-蓄电池最大输出功率；PAN30-30min输出功率；Fw-行驶阻力通常，电动机的短时最大输出功率取决于控制元件的耐热性能；连续工作性能按30min输出确定。主要限制因素是电动机的最高温度。电动机的短时工作功率是连续工作功率的1.5~3倍，甚至更高。2．电动机功率的确定方法满足整车动力性要求；并联式和混联式混合动力汽车电动机的功率取决于汽车的行驶阻力和发动机的直接驱动力大小；串联式混合动力汽车中，电动机直接驱动车轮。电动机的峰值功率应不小于车辆所需最大功率；电动机峰值功率的选择能够满足车辆最大需求功率。不仅满足车辆在良好水平道路上以最高车速匀速行驶，而且满足加速性能和最大爬坡性能的要求。保证各部件质量总和最小，以利于提高电动机效率和减轻尺寸，降低整车成本。汽车爬坡时所需功率为：　　　（1）式中，m－整车重量，kg；g－重力加速度；－滚动阻力系数；－坡度角；－车速，km/h；－空气阻力系数；A－迎风面积，m2；－旋转质量换算系数；dν/dt－行驶加速度，m/s2；－传动系统机械效率。汽车在水平道路上以最高车速匀速行驶时所需的功率为:（3）式中，－车辆的最高车速，km/h。对于HEV而言，汽车所需最大功率为最高车速匀速行驶所需功率和汽车爬最大坡度时所需功率中的最大值。电机的最大功率则为汽车所需最大功率减去发动机的功率。（2）电动汽车车速v与电动机转速n之间的关系为：3．电动机额定转速选择低速电动机转速为3000~6000r/min，扩大恒功率区的额定转矩高、转子电流大、电动机尺寸和重量较大；转换器、控制器尺寸也较大，各种电器内在损耗亦较大；相应的减速器速比较小。且转动惯量大、启/停速度慢.高速电动机转速在10000r/min以上，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，转换器、控制器尺寸较小，各种电器内在损耗小。而减速器的速比要大大增加，通常需要釆用行星齿轮传动机构。其使用受电磁材料性能、高速轴承承载能力的限制。此外，转动惯量小，启/停速度快。中速电动机转速为6000〜10000r/min，各种参数介于低速电动机与高速电动机之间。电动汽车多采用中速电动机作为驱动电动机。当电动机的输出功率相同时：电压高时，电流较低；相反，电压低时，电流则较高。高电压、小电流系统的导线、接头、开关等电器元件可以细小一些，连接起来方便，但要求有更安全的防护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 ，而且管理系统更复杂。低电压、大电流系统的导线、接头、开关等电器元件都比较大，连接要求也高，而且管理系统相对较简单。总体要求：尽可能提高电压等级。使电动机在满足驱动要求的情况下，减小电流。4．电动机额定电压选择5．电动机额定转矩第二节直流电动机基本知识电磁转矩控制特性优良，起动和制动转矩大，易于快速起动和停车；调速比较方便，调速范围广，易于平滑调节；控制装置简单（磁场和电枢可以分别控制），且价格低廉。效率较低、质量大、体积大、结构较复杂、成本高；在高速工作时会产生火花，工作转速低，电刷、换向器等接触零件易磨损。直流电动机的特点虽直流电机应用在逐年减少，但它包含了电力调速系统最基础的理论一、直流电机的基本结构定子(固定部分)：产生磁通和支撑电机；转子(转动部分)：产生电磁转矩或感应电动势。第二节直流电机图2-4直流电机的典型结构图b)直流电机横剖面结构图a)直流电机纵剖面结构图电枢槽电枢铁芯电枢绕组底脚换向绕组换向极主磁极励磁绕组轴风扇端盖轴承机座(磁轭)励磁绕组电刷极身机座(磁轭)电枢绕组极掌电枢齿主磁极电枢铁芯换向器一、直流电动机的基本结构基本结构：主要由转子、定子、端盖和电刷架四部分组成。在两个磁极（N极和S极）中间，装有一个可以转动的线圈，线圈的首末两端分别连接两片圆弧型的换向片（铜片），两个换向片之间、换向片与转轴（与线圈一起旋转）之间均相互绝缘。为了把电枢绕组和外电路接通，在换向器上安置了两个固定不动的电刷。工作原理：由电磁感应理论可知，通电线圈在磁场中受到逆时针方向的力矩作用。直流电动机的示意图①定子定子由主磁极、换向极和机座三部分组成，其主要功用是用来产生磁通和进行机械固定。主磁极：作用是产生主磁场。磁极可以是永磁也可以是励磁式的。励磁式磁极通常由厚0.5~1mm的低碳钢片叠装而成，在磁极铁心上绕有励磁绕组。整个磁极利用螺杆固定在磁轭上换向极：作用是改善换向，使电动机运行时电刷不产生有害的火花。如同主磁极一样，换向极也是由铁心和绕组两部分组成并固定在磁轭上。机座:也称机壳，用以固定主磁极、换向极和端盖等，也为其磁通路。一、直流电动机的基本结构②转子转子由电枢铁心、电枢绕组及换向器三部分组成。电枢铁心:在旋转时被交变磁化，为了减少损耗，铁心一般由0.35~0.5mm的硅钢片叠装而成换向器:起整流作用，它由楔形铜片所组成。铜片与铜片之间以及铜片与压圈之间均用云母绝缘。两个换向片与电枢绕组的各个线圈分别相接。电枢绕组:由按一定规律联接的线圈组成，是直流电动机中复杂而重要的电路部分，也是通过电流和产生感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。一、直流电动机的基本结构③端盖端盖上装有轴承以支撑电机转子旋转，端盖固定在机座的两端。④电刷架电刷架装在端盖上，电刷与换向器接触。电机的定子和转子之间留有气隙，气隙的大小以及定、转子的结构形式对电机性能有重要作用。端盖电刷架是定子磁极和转子电枢间自然形成的缝隙。虽不为结构部件，但为主磁路重要部分，是机电能量转换媒介。气隙大小直接影响电机性能，越小磁损耗越小，效率越高，但受机械加工精度和同轴度限制。随电机容量(体积)和最高允许转速增加而增大。第二节直流电机气隙二、直流电动机的基本原理可同时兼作电动机或发电机用，原理分别以电磁力或电磁感应为基础。电机外圈主磁极固定南S、北N极永磁铁，之间安装空芯筒状电枢铁芯；铁芯与磁极间为气隙；铁芯空筒内安放电枢绕组；绕组两端接在换向器的半圆形铜片上；再由两个电刷A、B连接外电路；电机运转时电枢铁芯、电枢绕组及换向器旋转，而主磁极和电刷在空间固定不动。第二节直流电机直流电机的物理模型a)直流电动机工作原理示意图b)直流发电机工作原理示意图二、直流电动机的工作原理第二节直流电机图2-3a直流电动机工作原理示意图①把直流电能转换为机械能输出做功电流正极从电刷A流入线圈，方向为a→b、c→d，再经电刷B返回电源负极。如导体所处磁通密度为B，导体有效长度为l，电流为i，按电磁力定律此时导体所受电磁力F=Bli。其方向由左手定则判定，即导体ab和cd受力产生的转矩均使电机转子按逆时针转动。导体内电流方向改变，但受力转矩方向不变，使转子连续旋转。转子转过180º导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上。电流经电刷A由d端流入线圈内，方向为d→c、b→a，仍如图箭头所示。根据左手定则判定导体ab和cd受力产生的转矩仍为逆时针方向。二、直流发电机的工作原理第二节直流电机②将电机轴上机械能转换为直流电能原动机拖动转子电枢按逆时针旋转，如图导体ab段在N极下，cd段在S极上。如导体所处磁通密度为B，长度为l，其线速度为v，则根据法拉第电磁感应定律，导体感应电动势瞬时值e=Blv。电动势方向按右手定则如图箭头所示：N极下ab段为b→a、S极上cd段为d→c。转子旋转时绕组感应的交变电动势经换向器与电刷变成直流电动势。转子转过180º导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上，电动势方向仍如图箭头所示：cd段为c→d、ab段为a→b。因电刷不随换向片转动使线圈abcd电动势方向仍是:电刷极性方向A为正、B为负。图2-3b直流发电机工作原理示意图线圈abcd电动势为ab(或cd)的2倍，并使电刷极性方向A为正、B为负。实际电机的电枢不只是一个线圈，而由多个按一定规律连接的线圈组成，主磁极对数也成倍增加，提高了电机的功率密度，同时也降低了输出转矩(电动机)或电动势(发电机)的脉动程度。对于同一台直流电机，只要改变外界条件，既可用作电动机，也能转换为发电机运行。第二节直流电机特别说明二、直流电动机的工作原理电动机状态和发电机状态的区别1.发电机状态运行时的特征（1）电枢电流Ia与电枢电动势Ea（方向由电枢两端正负号表示）的方向相同；（2）电磁转矩T与发电机的转向相反。2.电动机状态运行时的特征（1）电枢电动势Ea的方向与电枢电流Ia的方向相反，即与系统电流电压U的方向相反；（2）电磁转矩Tj的方向与电枢的旋转方向相同。由发电机逆变为电动机的过程：减小负载功率，使转速n降低，发电机的电势Ea减小，因U不变，故Ia减小；当Ea=U时，Ia=0；当Ea＜U时，电流将由系统电源流入电枢，即Ia反向，电磁转矩亦反向；完成由发电机逆变为电动机的过程。由电动机逆变为发电机的过程：略a)发电机状态b)电动机状态三、直流电机的励磁方式根据励磁方式不同，直流电机可分为他励和自励两类。他励直流电动机的励磁线圈与转子电枢的电源分开。能够实现对励磁电流If和电枢电流Ia的分别控制，从而实现对他励直流电动机的控制。具有线性特性和稳定输出特性，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收部分能量。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，又可以分为并励、串励和复励三种。+U-+Uf-MIfRcEaIa他励并励直流电机:励磁绕组与电枢绕组并联，励磁线圈与转子电枢的端电压相同为U。在外加电压一定的情况下，励磁电流产生的磁通将保持恒定不变。特点：起动转矩大、调速范围宽。串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电动机的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩。这种励磁方式采用的较少。特点：起动转矩大、有较好的起动特性以及较宽的恒功率调速范围，且转速随转矩的增加呈显著下降的特性。特别适用于起重设备。+U-IfMIa并励+U-IfMIa串励复励直流电机：主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组，另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组若产生的磁动势方向相同称为积复励，否则称为差复励。积复励电动机的电磁转矩变化速度较快，负载变化时能够有效克服电枢电流的冲击，比并励式电动机的性能优越，主要用于负载力矩有突然变化的场合。差复励电动机具有负载变化时转速几乎不变的特性，常用于要求转速稳定的机械设备中。特别说明：虽然励磁绕组所消耗的功率仅占直流电机额定功率的1％~3％，但励磁方式对直流电机的性能产生很大影响。+U-If1MIf2Ia复励直流电机励磁绕组所耗功率虽只占整个电机功率的1～3%，但其性能随励磁方式不同产生很大差别，电动机的机械特性也大不相同，如图所示：第二节直流电机他励机械特性图2-6直流电机采用不同励磁方式的机械特性比较nn00T并励机械特性串励机械特性复励机械特性1、直流电机电枢电动势和电磁转矩1）电枢电动势Ea(V)。无论运行于发电或电动状态，Ia—电枢电流(A)；CT—转矩常数。P—电机极对数；N—电枢绕组总导体数；a—电枢绕组的支路对数；Ф—电机每极磁通(Wb)；n—电机转速(r/min)；Ce—电动势常数。2）电磁转矩T(N·m)。当电枢绕组流过电流时，第二节直流电机只要电枢旋转由绕组切割气隙磁通，就会产生载流导体在磁场中受力所形成的总转矩综上表明：Ea正比于Ф和n；T正比于Ф和Ia。Ce和CT均决定于电机设计结构参数，两者间关系：2、他励直流电机的机械特性数学方程式电枢回路电压平衡方程式U=Ea+(Ra+Rc)Ia。将电枢电动势Ea=CeФn及电磁转矩T=CTФIa代入，整理后可得他励直流电机的机械特性数学方程式：Ra—电枢绕组内电阻；Rc—电枢外串联电阻；n0—理想空载转速，n0=U／CeФ；β—机械特性斜率，β=(Ra+Rc)／CeCTΦ2。第二节直流电机图2-5a）他励+U-+Uf-MIfRcEaIa当电枢外串联电阻Rc较大时，机械特性曲线为斜率较大并穿越3个象限的直线。2）实际空载转速n0′。电机在实际空载状态运行时，还须克服轴承摩擦等所引起的空载转矩T0，此时虽输出轴转矩T2=0，但空载转矩T0使转速下降，所以实际空载转速n0′=n0-βT0＜n0。第二节直流电机图2-7他励直流电机的机械特性曲线0TⅠⅡⅣnn0AT0n0·1）理想空载转速n0。T=0→Ia=0→电枢压降(Ra+Rc)Ia=0→电枢电动势Ea=U，此时电机转速n0=U/CeФ。3）堵转时转矩Tk。此时n=0→Ea=0→外电压U与电枢压降Ia(Ra+Rc)平衡→电枢电流Ia=U/(Ra+Rc)=Ik堵转电流→决定于外电压U及电枢回路总电阻(Ra+Rc)压降→Ik对应为堵转转矩Tk=CTΦIk。4）转速降Δn。电磁转矩T在0与Tk间，转速n＞0，T为拖动转矩。电磁转矩:0→T，转速:n0→n=n0-βT，转速降Δn=βT。机械特性斜率β=(Ra+Rc)/CeCTΦ2表示机械调速特性的软硬度，β大特性软，β小特性硬。β与Ra+Rc成正比，与气隙磁通Φ的二次方成反比。第二节直流电机图2-7他励直流电机的机械特性曲线0TⅠⅡⅣnΔnnn0ATT0n0·TkB注意:通常外串电阻Rc较小或不接，当电机堵转时Ik将很大，极易损坏电动汽车的蓄电池，须有相应保护措施。第二节直流电机3、他励直流电机的调速，可得如下三种调速法：由①降压调速:改变电源电压U获得恒转矩调速；②弱磁调速:改变励磁电流If以改变磁通量Ф获得恒功率调速；③串电阻调速:通过逐级改变电枢回路所串电阻Rc调速，用以减小起动电流，但调速使机械特性变软，增加功耗，目前很少采用。前两种调速法目前用得较多。第二节直流电机(1)降低电源电压的恒转矩调速保持他励直流电机磁通为额定值，电枢回路不串电阻，将电压分别降为U1、U2、U3等不同值时，可获与固有机械特性平行的人为机械特性。图示为恒转矩负载，额定电压Ue时，其工作点为e，电动机为额定转速ne；电压降为U1时工作点为A，转速为nA；电压为U2时工作点为B，转速为nB等。转速随电压降低而降低，即从基速(额定转速ne)向下调速，且电压不同时机械特性斜率均保持为较硬的固有特性。通常在电压Ue以下，采用连续降低电压获得图示从基速到零速的恒转矩无级调速控制。n图2-8降低电源电压的恒转矩调速0TUe>U1>U2>U3TL=TeeUen0neU1An01nAU2Bn02nBU3Cn03nC电枢绕组控制PT0基速nen图2-10低速恒转矩、高速恒功率的调速特性功率特性PeTe转矩特性第二节直流电机(2)减弱磁通的恒功率调速机械特性斜率β与气隙磁通Φ的平方成反比，为使机械特性尽可能硬，要求磁通Φ高。但电机额定运行时已使Φ为近饱和，所以常减弱Φ调速。即保持电压Ue，电枢回路不串电阻，减小励磁电流If来减弱Φ，则机械特性方程式：n0随Φ减弱成反比增加，而Δn随Φ平方成反比增加，设近饱和额定磁通Φe比例为1，减弱后再平方的比例就更小于1，所n0比Δn增得快，即减弱磁通Φ后转速n从基速(额定转速ne)将向上升速调节。第二节直流电机设拖动恒转矩负载TL运行于固有特性e点，转速为ne。n0T图2-9弱磁调速的机械特性Φe→Φ1时n不能瞬时突变，而Ea=CeФne因Ф下降而减小，使Ia=(U-Ea)／Ra增大。因Ra较小，Ea稍减少就使Ia增很多，即使Ф减小幅度小于Ia所增幅度，所以转矩T＝CTФIa仍增大为T‵，工作点e过渡到Ф1的人为特性C点。T‵＞TL→n上升→Ea增大→Ia和T均下降，T=TL时建立新平衡，转速升至nA运行于A点。CTˊTL=TeBФ2n02Ф1An01nAen0neФe第二节直流电机弱磁调速中电压U=Ue，若保持Ia=Ie不变，代入T=CTФIa得T=CTФIe，再代入，得可得：常数1为C1=(Ue-IeRa)／Ce；常数2为C2=C1CTIe。代入电机输出功率公式有：说明弱磁调速为恒功率，与转速无关；输出转矩与转速成反比。第二节直流电机因励磁电流较小，所弱磁调速控制方便、功耗小，若连续调节励磁电源电压，可获图示从基速到高速的无级恒功率调速控制。电枢绕组控制PT0基速nen图2-10低速恒转矩、高速恒功率的调速特性功率特性PeTe转矩特性励磁绕组控制注意:励磁电流If在运行中绝对不能为0，否则Ф→0，n→∞，即将产生飞车，因此必须采取相应的互锁保护措施。为满足电动汽车驱动电机有较宽调速范围，常采用降低电枢电压结合减弱磁通两种方法，获得低速恒转矩、高速恒功率的调速特性。他励直流电机弱磁升速能达到的最高转速，受电机换向条件和机械强度的限制，一般只能升到额定转速ne的1～2倍，特制调速电机才可能升到ne的3～4倍。直流电动机的制动直流电动机的制动主要有能耗制动、反接制动和发电反馈制动等三种。①能耗制动：在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。反接制动：在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。发电反馈制动：在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。六、无刷直流电动机BLDCM（BrushlessDCMotor）BLDCM是随着电子技术的发展而出现的一种新型直流电动机。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。特点：启动迅速、调速范围宽、寿命长、维护方便、可靠性高，噪音较低、无换向火花和无线电干扰等特点。无刷直流电动机转子上既无铜耗又无铁耗，其效率比同容量异步电动机提高5%-12%。电子换向电路产生方波驱动电流或正弦波驱动电流。在有效材料利用率相同的条件下，方波电动机的平均转矩比正弦波电动机的大，控制器和转子位置传感器成本也较低；但正弦波电机的脉动转矩较小。方波电流驱动的无刷直流电动机在电动汽车中的应用比较普遍。基本结构：由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路三部分组成。无刷直流电动机的组成转子位置传感器检测出转子位置信号送入控制电路，控制电路将转子位置信号经过逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送到逆变器各功率管，控制电动机各相绕组按一定次序通电，电动机产生间断式旋转磁场。第三节三相异步感应电动机（交流电机）的基本知识一、三相异步电动机的特点交流电机可分为同步电机和异步电机两大类。同步电机：电机转子的转速n与定子旋转磁场的转速n1相等，即转子与定子旋转磁场在空间同步旋转；异步电机：n不等于n1，即转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步。异步电机具有结构简单、制造容易、价格便宜、运行可靠、维护方便、效率较高等优点。因此得到广泛的应用。据估计，90％左右的电动机均为异步电动机，在电网总负荷中，异步电动机用电量占60％以上。三、三相异步感应电动机基本结构组成：主要由定子、转子（层叠、压紧的硅钢片）、底座、支架、外壳、后保护罩和冷却风扇等。在转子和定子之间有一个非常小的空气气隙。根据电动机容量的不同，气隙一般在0.4～4mm的范围内。气隙过小，使电机装配困难，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下降。三相异步电动机转子与定子之间没有任何电气上的联系，能量的传递全部依靠电磁感应，因此称为感应式电动机。交流电机与直流电机均根据电磁力和电磁感应定律工作，区别主要是相对导体作用的磁场不同：前者为旋转磁场，而后者为静止磁场。1、旋转磁场对导体的作用旋转磁场对导体的作用SNFen0in因线圈闭合而产生感应电流i，方向如图箭头所示。带电导体在磁场中受到的电磁力F=Bli，方向按左手定则为图箭头所示。U形磁铁以转速n0逆时针旋转，在磁感应强度B的磁场内，有效长度l的线圈导体将以速度v切割磁力线，则产生的感应电动势为e=Blv，方向按右手定则为图箭头所示。线圈在旋转磁场电磁力F作用下，将按转速n逆时针旋转，且n＜n0。四、三相异步电动机（交流电机）的工作原理2、旋转磁场的产生交流电机定子的三相绕组在空间互为120º，每相绕组分别通入如图相位互差120º的对称正弦波交流电。假设如下图每相仅为一个线圈，ⓧ—电流流入、⊙—电流流出。线圈AX、BY、CZ分别通入相位互差120º正弦电流iA、iB、iC， 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 相位角ωt分别为0º、60º、120º、180º时，所产生合成磁场的变化过程。第三节交流电机图2-18三相对称的交流电波形iB=Imsin(ωt-120°)iA=ImsinωtiC=Imsin(ωt+120°)Im0º60º120º180ºωt不同时刻三相合成的旋转磁场位置0°n0NSABCXYZBZBYNSn0ABCXYZBYBX60°n0NSABCXYZBZBX120°n0SNABCXYZBZBY180°a)ωt=0°b)ωt=60°c)ωt=120°d)ωt=180°ωt=0º时：AX线圈iA=0，无磁场；BY线圈iB从Y端流入，B端流出，磁场方向按右手螺旋法则为图a的BY向，CZ线圈iC从C端流入，Z端流出，磁场为图a的BZ向，合成磁场为图a中NS极。同理ωt=60º、120º、180º时合成磁场分别为图b～d所示的NS极位置。第三节交流电机图2-18三相对称的交流电波形iB=Imsin(ωt-120°)iA=ImsinωtiC=Imsin(ωt+120°)Im0º60º120º180ºωt由此比较每个瞬间的合成磁场分别以顺时针方向在旋转NS极，即在定子绕组中通入三相交流电源时产生顺时针方向旋转的磁场。图2-19不同时刻三相合成的旋转磁场位置0°n0NSABCXYZBZBYNSn0ABCXYZBYBX60°n0NSABCXYZBZBX120°n0SNABCXYZBZBY180°a)ωt=0°b)ωt=60°c)ωt=120°d)ωt=180°旋转磁场在定子铁芯中产生的磁通被转子绕组切割而感应出电动势，其内流动的感应电流在旋转电磁场力F作用下，将按转速n旋转。第三节交流电机若在电机转子绕组中另外通入直流励磁电流，使转子本身产生固定极性的磁场，则定子旋转磁场的磁极与转子的异性磁极产生磁拉力会牵引转子与旋转磁场同速旋转，这即为同步电机的简单工作原理。如改变三相交流电相序，则产生逆时针旋转的合成磁场。其旋转磁场转速为同步转速，f—电流频率(Hz)；P—电机极对数。因转子导体须与旋转磁场间有相对运动才能感应出电流而形成电磁转矩，所n总小于n0，由此该类电机被称为异步电机。电机转子导体的电流经切割旋转磁场而感应，所也称感应电机。3、转差率为使转子导体感应电动势，转速n须与旋转磁场同步转速n0存在差速Δn=n0-n，Δn与n0之比即称为异步电机的转差率s=(n0-n)/n0。转差率s是异步电机的重要运行参数，与负载及运行状态密切相关。s越小n越接近n0，效率也较高。通常额定负载时异步电机s≈1～6%。1）电动机运行状态。即为0＜n＜n0或0＜s＜1时，电机产生电磁转矩驱动负载与磁场同向旋转，从电源吸收电功率，向轴输出机械功率。第三节交流电机4、转差率与异步电机运行状态之间的关系nn＞n0n00n＜0图2-20转差率与异步电机的三种运行状态发电机电动机反接制动s＜0s=0s=1s＞1s2）发电机运行状态。当电机轴由原动机或如惯性、重力等其他转矩拖动，使n＞n0，s＜0时，旋转磁场将反向切割转子导体，使感应的电动势改向，转子电流及电磁转矩也变向，即电磁转矩变为制动型，电机从外部获得机械功率，经磁动势平衡使定子电流随之改向，变为输出电功率。对电动汽车在降速制动过程中n不可能升高，但按公式n0=60f／p，即可降低电源频率f来减小n0以实现发电回馈。而下坡时可能因加速行驶会n＞n0，但为确保安全应结合降低f来发电回馈。3）反接制动状态。如吊车起吊时货物过重，电动机不能将货物吊起，反而因货物过重下沉使电动机反转，即n＜0使s＞1，电磁转矩为制动转矩。此时电动机即从电网吸收电功率，又从轴上吸收机械功率，使两部分功率变为电动机内部损耗，异步电动机运行于反接制动状态。第三节交流电机nn＞n0n00n＜0图2-20转差率与异步电机的三种运行状态发电机电动机反接制动s＜0s=0s=1s＞1s额定功率Pe：在额定工况下运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。额定电压Ue：在额定工况下运行时，加在定子绕组上的线电压。变动范围一般不应超过额定电压的±5%。电压过高，电动机容易烧毁；电压过低，电动机难以启动，即使启动后电动机也可能带不动负载，容易烧坏。额定电流Ie：在额定电源电压下，输出额定功率时，定子绕组的线电流。若超过额定电流过载运行，三相电动机就会过热乃至烧毁。额定频率fe：表示电动机所接入的交流电源的频率。五、三相异步电动机的主要性能指标绝缘等级：指三相电动机所采用的绝缘材料的耐热能力，它表明三相电动机允许的最高工作温度，分A、E、B、F、H级。绝缘的温度等级       A级E级  B级  F级   H级最高允许温度（℃）105120  130   155   180绕组温升限值（K）60   75     80    100   125性能参考温度（℃）80    95   100  120   145允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。型号：国产中小型三相电动机型号的系列为Y系列，是按国际电工委员会IEC标准设计生产的三相异步电动机，以电机中心高度为依据编制型号谱，例如Y-200L2-6的意义:中心高度200mm、长机座（M-中机座、S-短机座）、2号铁心和6个磁极的异步电动机额定转速ne：在额定电压额定频率和额定输出功率的情况下，电动机的转速。它取决于交流电源的频率、电机的磁极对数和转差率。三相异步电动机的磁场转速n1与频率f、电机磁极对数p和转差率s的关系为：n1＝60f(1-s)/p五、三相异步电动机的主要性能指标特别说明：电动机的额定功率相同时，额定转速越高，体积越小，效率越高，功率因数也较高，所以应尽量选用额定转速较高的电动机。然而，对于要求转速较低的驱动系统而言，选用高转速电动机时，需要增加一套传动比高、体积大的减速传动装置。因此，在选择电动机的额定转速时，应综合考虑电动机和传动系统两方面的因素来确定。三相异步电动机的额定功率Pe与其它额定数据之间的关系：Pe＝IeUeηecosφe式中：cosφe——额定功率因数；ηe——额定效率五、三相异步电动机的主要性能指标六、三相异步感应电动机的转矩与机械特性电磁转矩及其影响因素电磁转矩是由电动机旋转磁场与转子电流相互作用而产生的。转矩与定子每相电压U1和转子的电阻R2、电源的频率f等有关。电动机特性曲线：在一定的电源电压U1、电源频率f和转子电阻R2条件下，转矩与转速的关系曲线。Tst、Tmax、Te、ne和n0分别表示电机启动时的电磁转矩、最大电磁转矩、额定转矩、额定转速和最大转速。相电压U1、转子的电阻R2和电源的频率f对转矩与转速的关系曲线的影响如图所示。电源电压U1降低时，起动转矩减小五、三相异步感应电动机的转矩与机械特性当转子电阻R2适当增大时，起动转矩会增大当电源频率变化时，起动转矩有一个最大值堵转：当负载转矩超过最大转矩时，电动机将发生“堵转”(或闷转)现象，“堵转”时电动机的电流会升高6~7倍，电动机严重过热，甚至烧坏。过载系数：电动机的最大转矩与额定转矩之比称为过载系数。通常，三相异步感应电动机的起动电流与额定电流的比值大约为5~7倍，但由于起动时间很短（约3s），且起动后转速迅速升高，电流比很快地降低，从发热的角度考虑不会有太大问题。启动时，如果起动转矩过小，就不能在满载下起动；如果起动转矩过大，就会对传动系统的齿轮造成冲击。因此，可以采用在空载条件下起动，避免发生以上情况。电动机转矩与转速的控制根据电动机的特性参数及运转要求，对电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。控制方法不同，控制效果不一样。控制方法：变压变频控制法、转差频率控制法、矢量控制法和直接转矩控制法等对电动机的转矩和转速进行控制。矢量控制或直接转矩控制，一般都能实现小于基速的恒转矩和大于基速的恒功率机械特性，速比一般都能够达到3。变压变频控制:具有气隙磁通偏移和延时响应等缺点，在高性能电动汽车的驱动电机中较少使用这种方法。20世纪90年代以后感应电动机采用的控制方法主要为转差频率控制和矢量控制。调速方法从调速的本质分析，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两大类。不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速；改变同步转速的调速方法有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率的变频调速等。从调速时的能耗分析，有高效调速方法与低效调速方法两种。高效调速指转差率不变，因此无转差损耗，如多速电动机、变频调速以及能将转差损耗回收的调速方法（如串级调速等）；有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法（能量损耗在转子回路中）；电磁离合器调速方法（能量损耗在离合器线圈中）；液力偶合器调速（能量损耗在液力偶合器的液压油中）。转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范围不大，能量损耗是很小的。异步电动机的磁场转速n1、频率f、电机磁对数p和转差率s之间的关系为：n1＝60f(1-s)/p基本思想：矢量控制理论最初是西门子的一位博士研究出来的异步电机控制理论，目的在于实现绕组电流的励磁分量与出力分量的解耦，像他励直流电机那样，一个只管励磁，一个在励磁一定的前提下只管力矩，做到所谓的类直流调速效果。基本原理：模仿直流电动机的控制原理，根据异步电动机的动态数学模型，利用一系列坐标变换把定子电流矢量分解为励磁分量和转矩分量，在转子磁场定向后实现磁场和转矩的解耦，从而达到控制异步电动机转矩的目的，使异步电机得到接近他励直流电机的控制性能；方法：将定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 （励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，故称这种控制方式为矢量控制方式；分类：基于转差频率控制的矢量控制方式、有速度传感器矢量控制和无速度传感器矢量控制三大类。对于无速度传感器控制方式，首先必须解决电机转速和转子磁链位置角的在线辨识问题。常用的方法有基于检测定子电流信号的辨识方法、同时使用电流检测信号和电压检测信号的辨识方法、根据电流检测信号和逆变器的开关控制信号重构电压信号方法等。矢量控制（VectorControl）第三节交流电机经频率变换装置供给电机定子电流的基波幅值、瞬时相位角。如图通过坐标变换，图2-27矢量控制系统框图坐标变换÷积分位置检测器PSθm+θ按磁通运算电路公式，由求得磁通幅值Ф2，将ωs积分得滑差角θs，再与转子位置检测器所测转角θm相加得转子磁通瞬时相位角θ。将θ*与θ相加得控制绕组的电流瞬时相位角。磁通运算进入系统的是稳定的三相正弦电压（3φ）。三相正弦电通过六个二极管进入高速IGBT晶体管逆变电路，最后进入感应电机IM。为了对电机进行有效控制，通过编码器检测转子的相位及转速等信号，用电流传感器检测相电流id、iq。根据检测到的信号，经DSP系统分析计算，得到IGBT晶体管等的门电路控制信号，改变进入电机的电流、电压信号，达到改变电机的转速和转矩的目的。电机的效率电机效率的高低决定于电机工作过程中各种损耗的大小。电机损耗可分为不变损耗（机械损耗、铁耗）和可变损耗（附加损耗、定子铜耗、转子铜耗）两部分可变损耗与电流平方成正比。当输出功率逐渐增加时，由于开始时电流不大，故可变损耗增加较慢，所以效率上升较快；当可变损耗与不变损耗相等时，电动机的效率达到最大值。通常，异步电动机的最大效率发生在(0.7~1.0)Pe范围内。由于效率和功率因数的最大值都发生在额定负载附近，因此选用异步电动机时应注意与负载相匹配，不能使电动机长期在轻载下工作，以免浪费能源。与汽油机的效率特性相比，感应电机在宽广的转速、转矩范围内保持较高的效率特性。非常适合于汽车在宽广的转速、转矩范围内工作。汽油机万有特性感应电机的效率特性第四节永磁同步电动机PMSM(permanentmagnetsynchronousmotor)第五节开关磁阻电动机第六节永磁磁阻电动机自学内容表3-4电动汽车常用驱动电动机的性能比较项目直流电动机异步电动机永磁电动机开关磁阻电动机过载能力效率寿命转速范围功率范围可靠性转矩/电流比结构坚固性电动机外形尺寸电动机质量电动机成本驱动控制成本转矩/惯量比中中中较宽宽中中差大重高低中好较高好较宽宽好中较好中中中高中较好高好宽小较好高中小轻中高较高好中好较宽较宽好高好小轻低中高电动汽车常用驱动电动机的性能比较电机驱动系统特性发动机驱动系统电动机驱动系统过载特性电动机驱动系统转速扭矩串励电机系统永磁电机系统永磁同步电机系统异步电机系统转速优点：调速范围宽、额定效率较高，电机成本低、寿命长缺点：低速大扭矩稳定性较差、工作电流大、系统高效工作区窄、控制器成本较高扭矩传统电机驱动系统新型续流增磁电机系统串励电机系统永磁电机系统永磁同步电机系统异步电机系统转速扭矩新型续流增磁：把增磁绕组接在电动机续流回路中，形成复合磁场，产生全新的自动弱磁调速理念。驱动系统变速器匹配转速力高档转矩曲线低档力输出曲线水平路面阻力曲线20％坡路面阻力曲线