电动汽车电机(培训稿).doc

电动汽车电机一、概述 历史上的三次产业革命：18世纪，蒸汽机启动了第一次产业革命；19世纪末到20世纪上半叶，电机又引发了第二次产业革命，使人类进入了电气化时代。20世纪下半叶的信息技术引发了第三次产业革命，使生产和消费从工业化向自动化、智能化时代转变；推动了新一代高性能电机驱动系统与伺服系统的研究与发展。伺服电机及其控制系统在我们的各种设备上已大量应用。21世纪开始，世界汽车工业又站在了革命的门槛上。虽然，汽车工业是推动社会现代化进程的重要动力；然而，汽车工业的发展也带来了环境污染愈烈和能源消耗过多两大问题。1、在我国，汽车排放的污染已经成为城市大气污染的重要因素，目前世界上空气污染最严重的10个城市中有7个在中国，我国的二氧化碳排放目前已居全球第二，减排二氧化碳的压力将越来越大。而国家环保中心预测，2010年汽车尾气排放量将占空气污染源的64%。2、近年来，我国的汽车行业发展迅速，已成为世界第四大汽车生产国和第三大汽车消费国。根据国务院发展研究中心估计，2010年，我国的汽车保有量将接近6千万辆，2020年将达到1.4亿辆，机动车的燃油需求分别为1.38亿吨和2.56亿吨，为当年全国石油总需求的43%和57%。我国的石油资源短缺，目前石油进口量以每年两位数字的百分比增长，预计到2010年进口依存度将接近50%。 因此大力发展新能源汽车是实现我国能源安全、环境保护以及中国汽车工业实现跨越式、可持续发展的需要。而高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一，被列为863电动汽车重大专项的共性关键技术课题。二、电机和电动机1、定义：电机：泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。特指发电机、电能机、电动机。电动机：俗称马达，是一种将电能转化成机械能，并可再使用机械能产生动能，用来驱动其他装置的电气设备。由于电动汽车采用动力电池作为车载能源，其容量受到限制，为尽可能的延长续驶里程，大多数驱动系统都采用了能量回馈技术，即在汽车制动时，通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中，并使电机处于发电状态，将发出的电输送到电池中。因此，电动汽车的驱动机应该称为电机，而不是我们习惯称呼的电动机。例如中大青山采用的双定子磁悬浮复合转子电机既能将电能转化为机械能，又能将机械能转化为电能。2、电机的分类：除了发电功能外，电动汽车的电机主要还是起电动机的作用，所以我们以电动机来分类：（只作简单分类）1）、按工作电源种类划分：可分为直流电机和交流电机。直流电机：按结构及工作原理可划分：无刷直流电机和有刷直流电机。又可分为永磁直流电机和电磁直流电机。永磁直流电机按材料又分为稀土、铁氧体、铝镍钴永磁直流电机。电磁直流电机按励磁方式又分为串励、并励、他励和复励直流电机。 交流电机可分：单相电机和三相电机2）、按结构和工作原理划分：可分为直流电机、异步电机、同步电机。异步电动机的转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机的转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速3）、按用途分，有驱动电机和控制用电机。4）、按运转速度分，有高速电机、低速电机、恒速电机和调速电机。低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。3、电机的工作原理：1）、交流电机：单相异步电机通过电容移相作用，将单相交流电分离出另一相相位差90度的交流电。将这两相交流电分别送入两组或四组电机线圈绕组，就在电机内形成旋转的磁场，旋转磁场在电机转子内产生感应电流，感应电流产生的磁场与旋转磁场方向相反，被旋转磁场推拉进入旋转状态，由于转子必须切割磁力线才能产生感应电流，因此转子转速必须低于旋转磁转速，故称异步电机。 三相异步电机不必通过电容移相，本身就有相差120度的三相交流电，故产生的旋转磁场更均匀，效率更高。 永磁同步交流电动机的磁场由永久磁铁产生，转子线圈通过电刷供电，转速与交流电频率为整倍数（分数）关系（视转子线圈绕组数而定），故称同步电机。 转子线圈通过电刷供电，定子通过线圈绕组产生旋转磁场的电机，按转子线圈与定子线圈的串、并联关系分别称串励、并励电机。2）、直流电机“直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（N极和S极之间）的相互吸引下，使电机旋转。改变电刷的位置，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向.4、电机的结构：我们只讲直流电机。1）、永磁式直流电机：由定子磁极、转子、电刷、外壳等组成。定子磁极采用永磁体（永久磁钢），有铁氧体、铝镍钴、钕铁硼等材料。按其结构形式可分为圆筒型和瓦块型等几种。转子一般采用硅钢片叠压而成， 漆包线绕在转子铁心的两槽之间（三槽即有三个绕组），其各接头分别焊在换向器的金属片上。电刷是连接电源与转子绕组的导电部件，具备导电与耐磨两种性能。永磁电机的电刷使用单性金属片或金属石墨电刷、电化石墨电刷。2）、无刷直流电机：由永磁体转子、多极绕组定子、位置传感器等组成。无刷直流电机的特点是无刷，采用半导体开关器件（如霍尔元件）来实现电子换向的，即用电子开关器件代替传统的接触式换向器和电刷。它具有可靠性高、无换向火花、机械噪声低等优点。位置传感器按转子位置的变化，沿着一定次序对定子绕组的电流进行换流（即检测转子磁极相对定子绕组的位置，并在确定的位置处产生位置传感信号，经信号转换电路处理后去控制功率开关电路，按一定的逻辑关系进行绕组电流切换）。位置传感器有磁敏式、光电式和电磁式三种类型。 采用磁敏式位置传感器的无刷直流电动机，其磁敏传感器件（例如霍尔元件、磁敏二极管、磁敏诂极管、磁敏电阻器或专用集成电路等）装在定子组件上，用来检测永磁体、转子旋转时产生的磁场变化。电动汽车多用的是霍尔元件。采用光电式位置传感器的无刷直流电动机，在定子组件上按一定位置配置了光电传感器件，转子上装有遮光板，光源为发光二极管或小灯泡。转子旋转时，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件将会按一定频率间歇间生脉冲信号。 采用电磁式位置传感器的无刷直流电动机，是在定子组件上安装有电磁传感器部件（例如耦合变压器、接近开关、LC谐振电路等），当永磁体转子位置发生变化时，电磁效应将使电磁传感器产生高频调制信号（其幅值随转子位置而变化）。定子绕组的工作电压由位置传感器输出控制的电子开关电路提供。三、电动汽车驱动电机的特性和要求用于电动汽车的驱动电机与常规的工业电机不同。电动汽车的驱动电机通常要求频繁的启动/停车、加速/减速，低速或爬坡时要求高转矩，高速行驶时要求低转矩，并要求变速范围大。而工业电机通常优化在额定的工作点。因此，电动汽车驱动电机比较独特，应单独归为一类。他们在负载要求、技术性能和工作环境等方面有着特殊的要求：1、电动汽车驱动电机需要有4-5倍的过载以满足短时加速或爬坡的要求；而工业电机只要求有2倍的过载就可以了。2、电动汽车的最高转速要求达到在公路上巡航时基本速度的4-5倍，而工业电机只需要达到恒功率是基本速度的2倍即可。3、电动汽车驱动电机需要根据车型和驾驶员的驾驶习惯设计，而工业电机只需根据典型的工作模式设计。4、电动汽车驱动电机要求有高度功率密度（一般要求达到1kg/kw以内）和好的效率图（在较宽的转速范围和转矩范围内都有较高的效率），从而能够降低车重，延长续驶里程；而工业电机通常对功率密度、效率和成本进行综合考虑，在额定工作点附近对效率进行优化。5、电动汽车驱动电机要求工作可控性高、稳态精度高、动态性能好；而工业电机只有某一种特定的性能要求。6、电动汽车驱动电机被装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气、及频繁振动等等恶劣环境下。而工业电机通常在某一个固定位置工作。因此，我们在电动汽车驱动电机的选型或设计时，应当综合考虑上述要求。四、目前的电动汽车驱动电机介绍1、直流电机：习惯上把有换向器的直流电机称为直流电机。优点是其电磁绕组的磁场与电枢绕组的磁场是垂直的，因而其控制原理非常简单；通过用永磁材料代替励磁绕组后，就变成了永磁直流电机。由于有效的利用了径向空间，使定子的直径大大减小，并且没有磁场损失，提高了功率密度和效率。但缺点是由于有换向器和电刷，使它的可靠性降低（火花和碳粉），且需要定期专业维护。2、永磁无刷直流电机：通过改变永磁直流电机的定子和转子的位置，就可以得到永磁无刷直流电机。需注意到是“直流”这个术语会引起误解，因为它并不是指直流电机，实际上它采用交流方波供电，所以也称为永磁无刷方波电机。它最大的优点是无刷，消除了电刷带来的许多问题。而且方波电流方波磁场相互作用可以产生更大的转矩。佛山照明沈大卫教授给的全称就是“永磁无刷方波力矩电机”。3、永磁无刷同步电机：用永磁材料代替传统同步电机的励磁绕组，就能去掉传统的电刷、滑环和励磁绕组的铜损，由于采用正弦交流电及无刷结构，又叫永磁无刷交流电机。其优点是高能量密度和高效率，其恒功率区域有更宽的转速范围，并可以以矢量控制方法来满足电动汽车的高性能要求。如南车时代的电机。需要说明的是，电动汽车驱动电机的控制技术非常重要，由其他老师专题讲。五、电机的安装1、电动汽车电机必须符合GBT18488.1-2006电动汽车电机及控制器-第一部分：技术条件和GTB18488.2-2006电动汽车电机及控制器-第二部分：试验方法的要求，并通过国家检测。2、安装前的检查：1）检查电机的外表有无裂纹，各紧固螺钉及零件是否齐全，电机的固定情况是否良好。 2）检查电机传动机构的工作是否可靠。 3）根据铭牌所示数据，如电压、功率、频率、联结、转速等与