混合动力汽车的电机驱动系统

1、项目三项目三 混合动力汽车的电机驱动系统混合动力汽车的电机驱动系统n活动一活动一 混合动力汽车的电机驱动系统混合动力汽车的电机驱动系统电机驱动控制系统电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构行结构混合动力汽车混合动力汽车电机驱动系统电机驱动系统一般由一般由电机电机、控制器、功控制器、功率转换器率转换器及及传感器、电源传感器、电源等构成。等构成。n一、混合动力汽车电机驱动系统的组合形式一、混合动力汽车电机驱动系统的组合形式 驱动电机驱动电机及其及其控制系统控制系统是新能源汽车的核心部件（电是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其池、电机、电控）

2、之一，其驱动特性驱动特性决定了汽车行驶决定了汽车行驶的主要性能指标的主要性能指标混合动力汽车电机驱动系统的组合形式混合动力汽车电机驱动系统的组合形式: :机械驱动式机械驱动式、机电集成化驱动系统机电集成化驱动系统、机电一体化驱动系统、轮毂点机电一体化驱动系统、轮毂点击驱动。击驱动。n二、混合动力汽车的电机驱动系统的要求二、混合动力汽车的电机驱动系统的要求、转矩、功率密度大、转矩、功率密度大n无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，动力总成结构都非常紧无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，动力总成结构都非常紧凑，留给电机驱动系统的空间非常小，凑，留给电机驱动系统的空间非常小，在减小电机体积的同时，在减小电

3、机体积的同时，还要求电机具有足够的转矩和功率还要求电机具有足够的转矩和功率。、电机工作速域宽、电机工作速域宽n在电机和输出到轮毂的轴之间设有在电机和输出到轮毂的轴之间设有主减速齿轮主减速齿轮，要达到车辆的，要达到车辆的最高转速，驱动电机的理想机械特性是：最高转速，驱动电机的理想机械特性是：基速以下输出大转矩基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况；繁起停等复杂工况；基速以上为恒功率运行基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求。，以适应最高车速、超车等要求。、系统效率高、系统效率高n电动车电动车供电电源能量有限，提高电

4、驱动系统的效率供电电源能量有限，提高电驱动系统的效率是提高汽车是提高汽车续航里程和经济型的重要手段。续航里程和经济型的重要手段。n、系统适应环境能力强、系统适应环境能力强 电机及其驱动器要防水、防尘、防震，具有很强的适应环境能力。电机及其驱动器要防水、防尘、防震，具有很强的适应环境能力。电机电机结构要坚固结构要坚固、体积尽可能小体积尽可能小、重量尽可能轻、具有良好的环、重量尽可能轻、具有良好的环境适应性和高可靠性。境适应性和高可靠性。 n、电磁兼容性好、电磁兼容性好 电机驱动系统在汽车上是比较大的干扰源，在电机和驱动器设计电机驱动系统在汽车上是比较大的干扰源，在电机和驱动器设计及整车布置上要充

5、分考虑及整车布置上要充分考虑电磁兼容和屏蔽电磁兼容和屏蔽，尽量避免和减小驱动，尽量避免和减小驱动系统对其他电器的影响。另外也要避免和减小点火系统等干扰源系统对其他电器的影响。另外也要避免和减小点火系统等干扰源对电机驱动系统的影响。对电机驱动系统的影响。 n、性价比高、性价比高 电机驱动系统作为整车的一个元件，电机驱动系统作为整车的一个元件，在保证性能的前提下，造价在保证性能的前提下，造价不能太高不能太高，尤其是当前世界汽车行业竞争激烈的环境下，提高驱，尤其是当前世界汽车行业竞争激烈的环境下，提高驱动电机的性价比才能为电动车的产品化铺平道路。动电机的性价比才能为电动车的产品化铺平道路。 n三、电

6、机驱动系统的电机及其控制器三、电机驱动系统的电机及其控制器电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现实现电能与机械能的转换电能与机械能的转换。电动机一般按要求具有电动机一般按要求具有电动电动和和发电发电两项功能，按类型两项功能，按类型可选用可选用直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机开关磁阻电动机四大类四大类n三、电机驱动系统的电机及其控制器三、电机驱动系统的电机及其控制器电机的控制系统主要起到电机的控制系统主要起到调节电机运行状态，使其满调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目

7、的足整车不同运行要求的目的。功率转换器按所选电机类型，有功率转换器按所选电机类型，有DC/DCDC/DC、DC/ACDC/AC、PWMPWM功功率转换器。其作用按率转换器。其作用按电动机驱动电流要求，将蓄电池电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源源nDC/DCDC/DC是直流斩波电路是直流斩波电路将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的

8、周期的比值）有关。关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压。开关电源可以用于升压和降压。nDC/ACDC/AC的转换器（逆变器）的转换器（逆变器）将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。nPWMPWM（脉冲宽度调节）（脉冲宽度调节） 通过调节脉冲宽度实现电压的调节通过调节脉冲宽度实现电压的调节指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关的指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给

9、负载，提供能量。再释放给负载，提供能量。n四、驱动电机及控制系统的发展趋势四、驱动电机及控制系统的发展趋势1 1、电机永磁化、电机永磁化n永磁电机效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高、便于维永磁电机效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高、便于维护护2 2、逆变器数字化、逆变器数字化n电动汽车中，蓄电池直流电通过逆变器转换成交流电给电动机，电动汽车中，蓄电池直流电通过逆变器转换成交流电给电动机，其核心原件为其核心原件为TGBTTGBT和和电容电容占电机驱动控制器成本的占电机驱动控制器成本的50%50%以上以上3 3、系统集成化、系统集成化n在电动汽车中，系统集成化是降低成本的需要。电机驱动系统

10、在电动汽车中，系统集成化是降低成本的需要。电机驱动系统的集成化包括两个方面：的集成化包括两个方面：（1 1）机电集成：）机电集成：电动机电动机与与发动机集成、电动机与变速器发动机集成、电动机与变速器（2 2）控制元件集成：电机驱动系统所有控制元件集成）控制元件集成：电机驱动系统所有控制元件集成n活动二活动二 直流电机及其控制系统直流电机及其控制系统直流电机是指能将直流电机是指能将直流电能转换成机械能直流电能转换成机械能（直流电动（直流电动机）或机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机转电机。它是能实现它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机直

11、流电能和机械能互相转换的电机。n作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；n作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。一、直流电动机结构一、直流电动机结构 主要由主要由电枢电枢、磁极磁极、电刷及电刷架电刷及电刷架、壳体壳体及及前前后端盖后端盖等组成等组成 现代汽车起动机一般使用现代汽车起动机一般使用直流串励式电动机直流串励式电动机， 这种直流电动机其励磁绕组与电枢绕组串联。这种直流电动机其励磁绕组与电枢绕组串联。 电刷及电刷及电刷架电刷架磁极磁极电枢电枢换向器换向器（一）（一）定子（静止

12、部分定子（静止部分):):产生主磁场和电动机的机产生主磁场和电动机的机械支撑械支撑1 1、磁极、磁极 由由磁极铁心磁极铁心和和磁场绕组磁场绕组两部分组成两部分组成 磁极是用来磁极是用来产生电动机的磁场产生电动机的磁场 磁极铁心上套有磁场绕组，磁极铁心上套有磁场绕组，4 4个（个（6 6个）绕组按个）绕组按一定方向连接，绕组通电后产生磁场，将磁极磁化，一定方向连接，绕组通电后产生磁场，将磁极磁化，各磁极的内侧形成各磁极的内侧形成N N、S S极相间排列的形式，在磁极、极相间排列的形式，在磁极、外壳和电枢铁心之间形成磁路外壳和电枢铁心之间形成磁路磁场绕组的连接方式有两种方式：磁场绕组的连接方式有两

13、种方式： 一种是四个绕组依次串联后再与电枢绕组串联；一种是四个绕组依次串联后再与电枢绕组串联； 另一种是磁场绕组两两串联后再并联，然后与电枢另一种是磁场绕组两两串联后再并联，然后与电枢绕组串联，绕组串联，这一种电动机内阻小，可以获得更大的电这一种电动机内阻小，可以获得更大的电枢电流枢电流。 2 2、换向磁极：、换向磁极： 由由磁极铁心磁极铁心和和绕组绕组两部分组成两部分组成 产生附加磁场，在电动机换向时，减小电刷与产生附加磁场，在电动机换向时，减小电刷与换向器之间的火花，避免烧坏换向器。换向器之间的火花，避免烧坏换向器。3 3、电刷和电刷架、电刷和电刷架 与换向器保持滑动接触，是将电流引入电枢

14、使与换向器保持滑动接触，是将电流引入电枢使之产生定向转矩之产生定向转矩 电刷一般是四个，相对安装是同极，分别为绝电刷一般是四个，相对安装是同极，分别为绝缘电刷和搭铁电刷。缘电刷和搭铁电刷。4 4、前后端盖与轴承、前后端盖与轴承 前端盖用钢板压制，内装电刷架。前端盖用钢板压制，内装电刷架。 后端盖用灰铸铁或用铝合金铸造，内装电机后端盖用灰铸铁或用铝合金铸造，内装电机传动机构，设拨叉座及驱动齿轮行程调整螺钉。传动机构，设拨叉座及驱动齿轮行程调整螺钉。5 5、机壳、机壳 机壳为基础件，并起导磁作用，用钢管制成，机壳为基础件，并起导磁作用，用钢管制成，其一端开有窗口，作为观察电刷与换向器之用，其一端开

15、有窗口，作为观察电刷与换向器之用，壳上只有一个与外壳绝缘的电源接线柱，并在机壳上只有一个与外壳绝缘的电源接线柱，并在机壳内部与磁场绕组的一端相接。壳内部与磁场绕组的一端相接。（二）（二）电枢（转动部分）电枢（转动部分）： 电枢又称转子，它用来电枢又称转子，它用来产生电磁转矩产生电磁转矩 由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成 1 1、电枢铁心、电枢铁心 电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成，借电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成，借内圆面的花键槽压装在电枢轴上，其外圆表面有内圆面的花键槽压装在电枢轴上，其外圆表面有槽，槽，用来安装电枢绕组用来安装电枢绕组。2 2、

16、电枢绕组、电枢绕组 励磁绕组通电后，在磁场的作用下，产生感励磁绕组通电后，在磁场的作用下，产生感应电流，应电流，产生电磁转矩产生电磁转矩，实现电能转化为机械能，实现电能转化为机械能3 3、换向器、换向器 压装在电枢轴上，作用是压装在电枢轴上，作用是把电刷的直流电转把电刷的直流电转变为电枢绕组中的导体所需要的交变电流变为电枢绕组中的导体所需要的交变电流。二、直流电动机的工作原理二、直流电动机的工作原理（一）直流电动机的作用与基本原理（一）直流电动机的作用与基本原理 直流电动机是将电能转化为机械能的装置，直流电动机是将电能转化为机械能的装置，其作用是其作用是产生发动机起动时所需要的电磁转矩产生发动

17、机起动时所需要的电磁转矩。 直流电动机是利用直流电动机是利用载流导体在磁场中受力运载流导体在磁场中受力运动的原理动的原理制造的。制造的。U U+ +N NS S电刷电刷换向片换向片直流电源直流电源电刷电刷换向器换向器线圈线圈I II I电流方向：电流方向：上半边向里，上半边向里，下半下半边向外。边向外。a ab bc cd d 电流方向为：蓄电池正电流方向为：蓄电池正极极正电刷正电刷换向片换向片AA线圈线圈abcdabcd换向片换向片BB负负电刷电刷蓄电池负极。电流蓄电池负极。电流方向为方向为adad，由左手定则，由左手定则可以确定，线圈受到逆时可以确定，线圈受到逆时针方向的转矩作用针方向的转

18、矩作用, , 电枢电枢绕组及换向片在电磁力矩绕组及换向片在电磁力矩的作用下逆时针转动的作用下逆时针转动。 电流方向为：蓄电池电流方向为：蓄电池正极正极正电刷正电刷换向片换向片BB线圈线圈dcbadcba换向片换向片AA负电刷负电刷蓄电池负极。蓄电池负极。线圈中的电流方向为线圈中的电流方向为dada，由左手定则可以，由左手定则可以确定，确定，线圈仍然受到逆线圈仍然受到逆时针方向的转矩作用时针方向的转矩作用, , 电枢绕组及换向片在电电枢绕组及换向片在电磁力矩的作用下继续逆磁力矩的作用下继续逆时针转动。时针转动。 注意：注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动

19、，总是上半边的电流向里，下半边的电流转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。向外。电刷压在换向片上。U U+ +N NS S电刷电刷换向片换向片I II Ia ad dc cb bF FF FT Tn n直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1 1、直流电动机的转矩、直流电动机的转矩 当直流电动机接上直流电源时，由于载流导当直流电动机接上直流电源时，由于载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩使体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩使电枢旋转。电枢旋转。 电动机产生的电磁转矩电动机产生的电磁转矩M M取决于磁通取决于磁通、电枢、电枢电流电流IaIa的乘积，即的

20、乘积，即 T= CmIa T= CmIa 其中其中CmCm为电机结构常数，它与电动机的磁极对为电机结构常数，它与电动机的磁极对数以及绕组的个数有关。数以及绕组的个数有关。 电动机电磁转矩平衡方程式：电动机电磁转矩平衡方程式： T=TL+T0 T=TL+T0 T0 T0（空载损耗转矩空载损耗转矩）: :电动机运行时，由于电动机运行时，由于 电动机本省机械摩擦等原因产生的阻转矩。电动机本省机械摩擦等原因产生的阻转矩。 TL TL（负载转矩负载转矩）：（电动机拖动生产机械的）：（电动机拖动生产机械的负载转矩）负载转矩） 只有当电磁转矩只有当电磁转矩T T与空载转矩与空载转矩T0T0和负载转矩和负载转

21、矩TLTL平衡时电动机才会稳定平滑的运行平衡时电动机才会稳定平滑的运行。2 2、反电动势、反电动势 原理：当直流电动机的电枢绕组通电后，产原理：当直流电动机的电枢绕组通电后，产生电磁转矩，使电枢旋转。生电磁转矩，使电枢旋转。旋转的电枢绕组切割旋转的电枢绕组切割磁力线后产生感应电动势磁力线后产生感应电动势，由右手定则可判断出，由右手定则可判断出其电动势的方向和线圈电流方向相反，即与外加其电动势的方向和线圈电流方向相反，即与外加电压的方向相反，故称为反电动势，电压的方向相反，故称为反电动势， 其大小为：其大小为： E E反反=Cen=Cen其中，其中，CeCe电机结构常数；电机结构常数；磁极磁通；

22、磁极磁通；n n电枢转速。电枢转速。 电动机的电压平衡方程式：电动机的电压平衡方程式： U=E+IaRa U=E+IaRa U: U:电枢绕组的端电压电枢绕组的端电压 IaRa IaRa：电枢绕组上损失的电压降：电枢绕组上损失的电压降 反电动势反电动势E E与电枢电流与电枢电流IaIa方向是相反的方向是相反的, ,在电路中起着在电路中起着限制电枢电流的作用限制电枢电流的作用四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类 直流电动机按励磁方式可分为直流电动机按励磁方式可分为永磁式永磁式和和电磁式电磁式两大类。两大类。 永磁式直流电动机磁极磁通工作时保持不变，其转速永磁式直流电动机磁极磁通工作时保持不变

23、，其转速随转矩的增加而近似地按线性规律下降，但下降很小。随转矩的增加而近似地按线性规律下降，但下降很小。 电磁式直流电动机按励磁绕组与电枢绕组的连接关系电磁式直流电动机按励磁绕组与电枢绕组的连接关系又可分又可分并励式、串励式和复励式并励式、串励式和复励式三种三种1 1、他励、并励式直流电动机、他励、并励式直流电动机 励磁绕组与电枢绕组联在同一电源上，若外电励磁绕组与电枢绕组联在同一电源上，若外电压不变、励磁电阻不变，则每极磁通也基本不变，压不变、励磁电阻不变，则每极磁通也基本不变，其机械特性和永磁式基本相同，即它们具有较其机械特性和永磁式基本相同，即它们具有较“硬硬”的机械特性的机械特性 它们

24、的适应性能较差，一般用于减速型起动机。它们的适应性能较差，一般用于减速型起动机。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIf2 2、串励式直流电动机、串励式直流电动机 励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等于励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等于励磁绕组电流，并与总电流相等。励磁绕组电流，并与总电流相等。 串励式电动机具有起动转矩大，轻载转速高，串励式电动机具有起动转矩大，轻载转速高，重载转速低，短时间内能输出最大功率等特点，重载转速低，短时间内能输出最大功率等特点，它具有较它具有较“软软”的机械特性的机械特性 因此特别适合应用于直接驱动式起动机。因此特别适合应用于直接驱动式起动机。串励串励MU3

25、3、复励式电动机、复励式电动机 磁极上有两组励磁绕组，一组同电枢串联，磁极上有两组励磁绕组，一组同电枢串联，另一组则同电枢并联。另一组则同电枢并联。 复励式电动机在空载运行的情况下与并励电复励式电动机在空载运行的情况下与并励电动机相似，加了负载后，串励绕组的磁场将随负动机相似，加了负载后，串励绕组的磁场将随负载的增加而加强，运行情况接近串励式电动机。载的增加而加强，运行情况接近串励式电动机。 因此它的机械特性比并励式软，较串励式硬。因此它的机械特性比并励式软，较串励式硬。复励式直流电动机被一些大功率起动机所采用。复励式直流电动机被一些大功率起动机所采用。复励复励MUn直流电动机的调速直流电动机

26、的调速 调速：调速：使电动机在同样的负载下得到不同的转速使电动机在同样的负载下得到不同的转速调速的目的：改变电机的工作速度，适应不同工况下调速的目的：改变电机的工作速度，适应不同工况下汽车行驶要求。汽车行驶要求。 可见，要改变电动机的转速，有三种方法：可见，要改变电动机的转速，有三种方法：（1 1）调节电枢端电压）调节电枢端电压U U；降压方向，从上向下调降压方向，从上向下调（2 2）调节励磁磁通）调节励磁磁通；弱磁调速，从下向上调弱磁调速，从下向上调（3 3）调节电枢外串电阻；）调节电枢外串电阻；从上向下调从上向下调 n直流电动机的制动直流电动机的制动电机有两种运转状态：电机有两种运转状态：

27、n电动电动: :运转运转T T与与n n同向。同向。n制动制动: :运转运转T T与与n n反向。反向。制动的目的使电机停车或限速制动的目的使电机停车或限速。 T= CmIaT= CmIan、能耗制动：、能耗制动：n制动瞬间制动瞬间, ,断开电源，励磁不变，因惯性转速不变，断开电源，励磁不变，因惯性转速不变，n n不变，但电枢电流改变了方向，使不变，但电枢电流改变了方向，使T T反向，电机处反向，电机处于制动状态。于制动状态。 T=CeT=CeIaIa n2 2、反接制动：、反接制动：转速反向的反接制动：转速反向的反接制动：正接反转正接反转。电机的转矩小于负载转矩，电机被负载拖动反向起电机的转

28、矩小于负载转矩，电机被负载拖动反向起动动，使电机的转速逆电磁转矩的方向旋转，使电机的转速逆电磁转矩的方向旋转，n n 与与T T反向，反向，电机处于制动状态。电机处于制动状态。电枢反接的反接制动：电枢反接的反接制动：正转反接正转反接。电机在电动状态下运行，突将电枢反接电机在电动状态下运行，突将电枢反接，即，即U U为负，为负，电枢电流改变方向，使电枢电流改变方向，使T T改变方向，电机处于制动状态。改变方向，电机处于制动状态。n3 3、回馈制动：再生制动、回馈制动：再生制动1)1)负载拖动电动机，电机运行在反向电动状态负载拖动电动机，电机运行在反向电动状态， 某原因使电机的转速达到某一数值时，

29、某原因使电机的转速达到某一数值时，EnUEnU，使电枢，使电枢电流反向，即电流反向，即T T 反向，反向，电机进入发电机运行状态电机进入发电机运行状态，而，而起制动作用。电机将轴上输入的机械功率大部分回馈起制动作用。电机将轴上输入的机械功率大部分回馈给电源，小部分消耗在电阻上给电源，小部分消耗在电阻上En=CeEn=CeN NU=En+IaRaU=En+IaRa2)2)改变电枢电压：改变电枢电压：电机在正向电动状态运行，电机在正向电动状态运行，突降电枢电压突降电枢电压,En,En来不来不及变化，出现回馈制动及变化，出现回馈制动n活动三活动三 感应电机及其控制系统感应电机及其控制系统n一、一、三

30、相交流异步电动机结构三相交流异步电动机结构三相交流异步电动机按结构分为两种：三相交流异步电动机按结构分为两种：n鼠笼式三相异步电动机鼠笼式三相异步电动机和和绕线式三相异步电动机绕线式三相异步电动机。n异步电动机由两个基本部分组成：异步电动机由两个基本部分组成：定子定子( (固定部分固定部分) )和转子和转子( (旋转部分旋转部分) )。n1 1、定子：定子是三相异步电动机的静止部分，其作、定子：定子是三相异步电动机的静止部分，其作用是用是产生旋转磁场和机械支撑产生旋转磁场和机械支撑。n2 2、转子：转子是三相异步电动机的旋转部分，其作、转子：转子是三相异步电动机的旋转部分，其作用是用是旋转，产

31、生电磁转矩旋转，产生电磁转矩。 n1 1、对称三相定子绕组、对称三相定子绕组n鼠笼式和绕线式三相异步电动机的鼠笼式和绕线式三相异步电动机的定子结构完全相定子结构完全相同同，均由，均由定子铁芯定子铁芯和和对称三相定子绕组组成对称三相定子绕组组成n三相绕组匝数相同、绕组分布相同，三相绕组首和三相绕组匝数相同、绕组分布相同，三相绕组首和首、尾和尾均相差首、尾和尾均相差120120，每相绕组首、尾相差，每相绕组首、尾相差180180n 2 2、三相异步电动机转子绕组、三相异步电动机转子绕组转子结构不同转子结构不同，鼠笼式三相异步电动机转子由，鼠笼式三相异步电动机转子由转子铁芯转子铁芯和和鼠笼鼠笼组组成

32、，而绕线式三相异步电动机转子由成，而绕线式三相异步电动机转子由转子铁芯转子铁芯和和对称三相转子绕对称三相转子绕组组成组组成。绕线型转子经绕组为绕线型转子经绕组为三相绕组三相绕组，而且三相绕组，而且三相绕组为星型为星型(Y)(Y)接法接法，有三个端头与三个，有三个端头与三个转动滑环相连接转动滑环相连接，三个转，三个转动滑环通过动滑环通过电刷与外设三相启动设备相连接电刷与外设三相启动设备相连接)120sin(2)120sin(2sin2CBAtIitIitIipppAiAiBiCXBYCZn3 3、三相异步电动机的工作原理、三相异步电动机的工作原理n旋转磁场的产生旋转磁场的产生n把三相定子绕组接成

33、星形接到对称三相电把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相电流流过。源，定子绕组中便有对称三相电流流过。n三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相三相异步电动机的定子绕组是一个空间位置对称的三相绕组，绕组，如果在定子绕组中通入三相对称的交流电流，就如果在定子绕组中通入三相对称的交流电流，就会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场会在电动机内部建立起一个恒速旋转的磁场，称为，称为旋转旋转磁场，它是异步电动机工作的基本条件磁场，它是异步电动机工作的基本条件。 图4-7 三相对称电流波形及旋转磁场U1W1V1iWiV VU1W1V1iVU1W1V1iWU1W1V1iWiV

34、iUiUU2V2V1W1W2U1SNU2V2V1W1W2U1NSU2V1W2W1U1V2NSNSV2V1U2U1W2W1t=0 t=T/6 t=T/3t=T/2n定子旋转磁场的转速被称为定子旋转磁场的转速被称为同步速同步速，又称为电动，又称为电动机同步速，用机同步速，用n0n0表示。表示。n定子旋转磁场的转速与电源电压频率定子旋转磁场的转速与电源电压频率f1f1成正比与成正比与磁极对数磁极对数P P成反比。成反比。r/min 601opfn noFFnn三相异步电动机的转动原理三相异步电动机的转动原理n静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，静止的转子与旋转磁场之间有相对运动，转子切割磁感转子切割

35、磁感应线应线，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回，在转子导体中产生感应电动势，并在形成闭合回路的路的转子导体中产生感应电流转子导体中产生感应电流。转子电流在旋转磁场中转子电流在旋转磁场中受到磁场力受到磁场力F F的作用的作用，F F的方向用左手定则判定。电磁力的方向用左手定则判定。电磁力在转轴上形成电磁转矩。在转轴上形成电磁转矩。电磁转矩的方向与旋转磁场的电磁转矩的方向与旋转磁场的方向一致。方向一致。n电动机在正常运转时，其转速电动机在正常运转时，其转速n n总是稍低于同步转速总是稍低于同步转速n no o，因而称为因而称为异步电动机异步电动机。又因为产生电磁转矩的电流是电磁。又因为产

36、生电磁转矩的电流是电磁感应所产生的，所以也称为感应所产生的，所以也称为感应电动机感应电动机n转差率转差率三相异步电动机同步速三相异步电动机同步速nono与转子转速与转子转速n n之差之差(n=no-n)(n=no-n)称为称为转差转差；转差与同步速百分比称为转差率转差与同步速百分比称为转差率，用，用s s表示，电动机额定状态下表示，电动机额定状态下SNSN(2(26)6)。nS =(no-n)/ no S =(no-n)/ no 100% 100% nn =n =（1-s1-s）no =no =（1-s1-s）60fl/p 60fl/p n由以上分析可知转子转速由以上分析可知转子转速n n与同

37、步转速与同步转速nono相差很小，相差很小，电动电动机工作在电动状态机工作在电动状态nno ,nno ,电动机工作在发电制动状态电动机工作在发电制动状态nnonno。n二、三相电动机的调速二、三相电动机的调速根据各种生产机械需要，需要对电动机转速进行调整，根据各种生产机械需要，需要对电动机转速进行调整，这就是调速。这就是调速。三相异步电动机转速表达式三相异步电动机转速表达式: :nn=n=（1-s1-s）nono；n=n=（1-s1-s）60 f1/p60 f1/pn可知三相异步电动机可以通过可知三相异步电动机可以通过改变电压频率改变电压频率(fl(fl）调）调速、改变转差率（速、改变转差率（

38、s)s)调速、改变磁极（调速、改变磁极（p p）调速）调速等三等三种方法。种方法。 n1 1、变频调速、变频调速通过功率转换器把通过功率转换器把电池存储的直流电池存储的直流电变换成为频率和电变换成为频率和电压均可调节的三相交流电源电压均可调节的三相交流电源，然后供给三相异步电，然后供给三相异步电动机，从而动机，从而使电动机的速度得到调节使电动机的速度得到调节。变频调速属于变频调速属于无级调速无级调速，具有机械特性曲线较硬的特，具有机械特性曲线较硬的特点。点。调速范围广，调速性能好调速范围广，调速性能好。n2 2、改变转差率调速、改变转差率调速n调压调速调压调速改变定子绕组加的电压，改变定子绕组

39、加的电压，随着电压的下降，转子转随着电压的下降，转子转速连续下降速连续下降，可实现，可实现无极无极调速调速。缺点：缺点：调速范围小调速范围小，难满，难满足机械调速要求，较少采足机械调速要求，较少采用用n绕线式异步电动机转子绕绕线式异步电动机转子绕组串电阻调速组串电阻调速通过改变通过改变转子绕组中串接转子绕组中串接调速电阻的大小来调整转调速电阻的大小来调整转差率实现平滑调速的差率实现平滑调速的，又，又称为变阻调速称为变阻调速。优点优点: :工作可靠，调速简单工作可靠，调速简单缺点：调速范围窄，调速平滑缺点：调速范围窄，调速平滑性差，调速能耗大性差，调速能耗大n3 3、变极调速、变极调速变极调速就

40、是变极调速就是改变电动机定子绕组的接法使定子磁极改变电动机定子绕组的接法使定子磁极改变，从而改变同步转速改变，从而改变同步转速nono实现实现 转子转速改变转子转速改变。变。变极率调速是极率调速是跳跃式调速，即速度变化非常大跳跃式调速，即速度变化非常大；例如电；例如电动机从两极调到四极，转速就从动机从两极调到四极，转速就从28002800转分跳跃到转分跳跃到14501450转分。转分。 适合于多速电动机调速适合于多速电动机调速三相异步电动机的制动三相异步电动机的制动n1 1能耗制动能耗制动n电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源电动机定子绕组切断三相电源后迅速接通直流电源。感应。感应电流

41、与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方电流与直流电产生的固定磁场相互作用，产生的电磁转矩方向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。向与电动机转子转动方向相反，起到制动作用。n特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。特点：是制动准确、平稳，但需要额外的直流电源。+M3Fnn0=0n2 2反接制动反接制动n电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机电动机停车时将三相电源中的任意两相对调，使电动机产生的旋转磁场改变方向产生的旋转磁场改变方向，电磁转矩方向也随之改变，成，电磁转矩方向也随之改变，成为制动转矩。为制动转矩。n注意：当电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止注意：当

42、电动机转速接近为零时，要及时断开电源防止电动机反转。电动机反转。n特点：简单，制动效果好特点：简单，制动效果好n反接时旋转磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较反接时旋转磁场与转子间的相对运动加快，因而电流较大大。对于功率较大的电动机制动时必须。对于功率较大的电动机制动时必须在定子电路（鼠笼在定子电路（鼠笼式）或转子电路（绕线式）中接入电阻式）或转子电路（绕线式）中接入电阻，用以限制电流。，用以限制电流。M3Fnn0n3 3发电反馈制动发电反馈制动n电动机转速超过旋转磁场的转电动机转速超过旋转磁场的转速时，电磁转矩的方向与转子速时，电磁转矩的方向与转子的运动方向相反的运动方向相反，从而限制转，

43、从而限制转子的转速，起到了制动作用。子的转速，起到了制动作用。n当转子转速大于旋转磁场的转当转子转速大于旋转磁场的转速时，速时，有电能从电动机的定子有电能从电动机的定子返回给电源返回给电源，实际上这时电动，实际上这时电动机已经转入发电机运行，所以机已经转入发电机运行，所以这种制动称为发电反馈制动。这种制动称为发电反馈制动。Fnnn0n0n三、单相交流电动机三、单相交流电动机n（一）单相异步电动机分类（一）单相异步电动机分类单相异步电动机是单相异步电动机是单相交流电源供电单相交流电源供电的电动机的电动机单相异步电动机由单相异步电动机由定子定子、转子转子、轴承轴承、机壳、端盖等、机壳、端盖等构成。

44、构成。 单相异步电动机按结构分，分为单相异步电动机按结构分，分为罩极式罩极式和和分相式分相式n分相式电动机分相式电动机分相式电动机的分相式电动机的定子绕组定子绕组分为分为工作绕组工作绕组和和起动起动绕组绕组两相绕组。两相绕组。n工作绕组和启动绕组在定子腔内相互成工作绕组和启动绕组在定子腔内相互成9090电角度电角度；可分为可分为电容分相电容分相、电感分相电感分相、电阻分相电阻分相三种类三种类型。型。其转子为鼠笼型转子。其转子为鼠笼型转子。nU1U1和和V1V1之间接电容器之间接电容器C C则称为则称为电容分相电容分相n若在若在U1U1和和V1V1之间接电感器之间接电感器L,L,则称为则称为电感

45、分相电感分相n若在若在U1U1和和V1V1之间接电阻器之间接电阻器R,R,则称为则称为电阻分相电阻分相n（二）单相电动机工作原理（二）单相电动机工作原理当向单相异步电动机的定子绕组中当向单相异步电动机的定子绕组中工作绕组工作绕组通入单相通入单相交流电后，交流电后，当电流在正半周及负半周不断交变时，其当电流在正半周及负半周不断交变时，其产生的磁场大小及方向也在不断变化，产生的磁场大小及方向也在不断变化，但但磁场的轴线磁场的轴线则沿纵轴方向固定不动则沿纵轴方向固定不动，这样的，这样的磁场称为脉动磁场磁场称为脉动磁场。当电流为正半波时，磁场方向垂直向下；当电流为负当电流为正半波时，磁场方向垂直向下；

46、当电流为负半波时，磁场方向垂直向上；当电流为零时，磁场强半波时，磁场方向垂直向上；当电流为零时，磁场强度为零。度为零。 电流正半周产生的磁场电流正半周产生的磁场 电流负半周产生的磁场电流负半周产生的磁场 n脉动磁场可分解为脉动磁场可分解为两个幅值相等、转速相反的旋转磁场两个幅值相等、转速相反的旋转磁场，从而在气隙中建立从而在气隙中建立正转和反转磁场正转和反转磁场。n这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生这两个旋转磁场切割转子导体，并分别在转子导体中产生感应电动势和感应电流感应电动势和感应电流 。n感应电流与磁场相互作用产生感应电流与磁场相互作用产生正、反电磁转矩正、反电磁转矩。正向

47、电磁。正向电磁转矩企图使转子转矩企图使转子正转正转；反向电磁转矩企图使转子；反向电磁转矩企图使转子反转反转。这。这两个转矩叠加起来就是推动两个转矩叠加起来就是推动电动机转动的合成转矩电动机转动的合成转矩。 n单相异步电动机定子都有一套单相异步电动机定子都有一套工作绕组工作绕组，它在电动机的气，它在电动机的气隙中，只能产生隙中，只能产生正，负交变的脉振磁场正，负交变的脉振磁场，不能产生，不能产生旋转磁旋转磁场场，当转子静止不动时转子导体的，当转子静止不动时转子导体的合成感应电动势和电流合成感应电动势和电流为为0 0，合成转矩为，合成转矩为0 0，因此，因此转子没有启动转矩转子没有启动转矩。故单相

48、异步。故单相异步电动机如果不采取一定的措施，单相异步电动机电动机如果不采取一定的措施，单相异步电动机不能自行不能自行启动启动，如果用一个外力使转子转动一下，则转子能沿该方，如果用一个外力使转子转动一下，则转子能沿该方向继续转动。向继续转动。n用外力使电动机向某一方向旋转时，转子导体的用外力使电动机向某一方向旋转时，转子导体的感应电动感应电动势、感应电流，正反转电磁转矩方向相反，但大小不同势、感应电流，正反转电磁转矩方向相反，但大小不同，使使合成感应电动势和电流不为合成感应电动势和电流不为0 0，合成转矩不为，合成转矩不为0 0。这样平这样平衡就打破了，转子所产生的合成电磁转矩将不再是零，衡就打

49、破了，转子所产生的合成电磁转矩将不再是零，转转子将顺着推动方向旋转起来子将顺着推动方向旋转起来。n要使单相电机能自动旋转起来，在定子中加上一个要使单相电机能自动旋转起来，在定子中加上一个起动绕起动绕组组，起动绕组与工作绕组在空间上相差起动绕组与工作绕组在空间上相差9090度度，起动绕组要，起动绕组要串接一个合适的串接一个合适的电容电容，使得，使得与工作绕组的电流在相位上近与工作绕组的电流在相位上近似相差似相差9090度度，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差，即所谓的分相原理。这样两个在时间上相差9090度的电流通入两个在空间上相差度的电流通入两个在空间上相差9090度的绕组，将会在空度的绕

50、组，将会在空间上产生间上产生旋转磁场旋转磁场 n在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待在这个旋转磁场作用下，转子就能自动起动，起动后，待转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或转速升到一定时，借助于一个安装在转子上的离心开关或其他自动控制装置将其他自动控制装置将起动绕组断开起动绕组断开，正常工作时只有工作正常工作时只有工作绕组工作绕组工作。n起动绕组可以做成短时工作方式。要改变这种电机的转向，起动绕组可以做成短时工作方式。要改变这种电机的转向，只要把只要把起动绕组的接线端头调换起动绕组的接线端头调换一下即可。一下即可。 n在单相电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为在单相

51、电动机中，产生旋转磁场的另一种方法称为罩极法罩极法，又称又称单相罩极式电动机单相罩极式电动机。此种电动机定子做成凸极式的，。此种电动机定子做成凸极式的，有两极和四极两种。每个磁极在有两极和四极两种。每个磁极在1/3-1/41/3-1/4全极面处开有小全极面处开有小槽，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个槽，把磁极分成两个部分，在小的部分上套装上一个短路短路铜环铜环，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动，好象把这部分磁极罩起来一样，所以叫罩极式电动机机。n当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，其中当定子绕组通电后，在磁极中产生主磁通，其中穿过短路穿过短路铜环的主磁通在铜环内产生一个

52、在相位上滞后铜环的主磁通在铜环内产生一个在相位上滞后9090度的感应度的感应电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通电流，此电流产生的磁通在相位上也滞后于主磁通，它的，它的作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生作用与电容式电动机的起动绕组相当，从而产生旋转磁场旋转磁场使电动机转动起来使电动机转动起来。 n（四）单相电动机启动（四）单相电动机启动1 1、电阻启动单绕组运行方式、电阻启动单绕组运行方式n指单相电动机的启动时，指单相电动机的启动时，工作绕组和串电阻器的启工作绕组和串电阻器的启动绕组并联后加单相交流电压动绕组并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线，这两个绕组和轴线在空间成在空间

53、成9090度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场作用下启动，作用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开殊的离心开关自动断开，使启动绕组切断电源，只，使启动绕组切断电源，只有工作绕组接通电源，有工作绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳电动机在脉振磁场作用下稳定运行定运行。n 2 2、电感启动单绕组运行方式、电感启动单绕组运行方式指单相电动机的启动时，指单相电动机的启动时，工作绕组和串电感器的启动工作绕组和串电感器的启动绕组并联后加单相交流电压绕组并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线在空，这两个绕组和轴线在空间

54、成间成9090度电角度形成旋转磁场，电动机在旋转磁场作度电角度形成旋转磁场，电动机在旋转磁场作用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的用下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开，使离心开关自动断开，使启动绕组切断电源启动绕组切断电源，只有工作，只有工作绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行。绕组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行。n 3 3、电容启动单绕组运行方式、电容启动单绕组运行方式指单相电动机的启动时，指单相电动机的启动时，工作绕组和串电容器的启动工作绕组和串电容器的启动绕组，并联后加单相交流电压绕组，并联后加单相交流电压，这两个绕组和轴线在，这两个

55、绕组和轴线在空间成空间成9090度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场作用度电角度形成旋转磁场，电动机在磁场作用下启动，下启动，当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离当电动机转速接近同步转速时，靠特殊的离心开关自动断开心开关自动断开，使启动绕组切断电源，只有工作绕，使启动绕组切断电源，只有工作绕组接通电源，组接通电源，电动机在脉振磁场作用下稳定运行电动机在脉振磁场作用下稳定运行。n（五）单相电动机调速（五）单相电动机调速单相电动机调速有单相电动机调速有3 3种常用的方法，即种常用的方法，即串电抗串电抗器调速器调速、串调速绕组串调速绕组和和变频调速变频调速，变频调速是，变频调速是目前应用较多。目前应

56、用较多。n1 1、单相电动机串电抗器调速、单相电动机串电抗器调速电抗器电抗器L L串于单相电动机两个绕组公共端，电抗器串于单相电动机两个绕组公共端，电抗器L L有有三条引出线，分别接于调速开关三条引出线，分别接于调速开关SKSK的三个定触点，调的三个定触点，调速开关速开关SKSK的还有一个触点和电源线相连接，的还有一个触点和电源线相连接，通过改变通过改变调速开关调速开关SKSK旋钮位置使得电动机两个绕组承受电压发旋钮位置使得电动机两个绕组承受电压发生改变，从而改变转速生改变，从而改变转速，实质是，实质是调压调速法调压调速法。n 2 2、单相电动机串调速绕组调速、单相电动机串调速绕组调速将将调速

57、绕组串于单相电动机的启动绕组调速绕组串于单相电动机的启动绕组，调速绕组有，调速绕组有3 3条引出线，分别接于调速开关条引出线，分别接于调速开关SKSK的的3 3个定触点，调速开个定触点，调速开关关SKSK的还有一个触点和电源线相连接，的还有一个触点和电源线相连接，通过改变调速通过改变调速开关开关SKSK旋钮位置使得电动机启动绕组承受电压发生改旋钮位置使得电动机启动绕组承受电压发生改变，从而改变转速变，从而改变转速，实质是，实质是调磁调速法调磁调速法n3 3、单相电动机变频调速、单相电动机变频调速单相电动机变频调速实质是改变单相电动机变频调速实质是改变电动机定子绕组电压电动机定子绕组电压频率，就

58、会改变电动机同步转速频率，就会改变电动机同步转速，进而达到改变转速，进而达到改变转速的目的，此调速方法是最理想的方法。的目的，此调速方法是最理想的方法。n五、无刷直流电动机五、无刷直流电动机直流电动机具有调速和启动性能好，启动转矩大的优直流电动机具有调速和启动性能好，启动转矩大的优点，但是电刷和换向器严重影响点击精度和性能，所点，但是电刷和换向器严重影响点击精度和性能，所产生的火花引起无线电干扰缩短电机寿命。产生的火花引起无线电干扰缩短电机寿命。无刷直流电机利用无刷直流电机利用电子开关线路电子开关线路和和位置传感器位置传感器代替电代替电刷和换向器刷和换向器无刷直流电动机是由无刷直流电动机是由电

59、动机电动机、转子位置传感器转子位置传感器和和电子电子开关线路开关线路三部分组成三部分组成n五、无刷直流电动机五、无刷直流电动机直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动，电动机转子位置由机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电，从而控制电动机的转动。动机的转动。n五、无刷直流电动机五、无刷直流电动机n（1 1）无刷直流电动机的基本结构）无刷直流电动机的基本结构 n1 1、电动机定子、电动机定子n2 2、电动机转子、电动机转子n3 3

60、、位置传感器定子、位置传感器定子n4 4、位置传感器转子、位置传感器转子n5 5、驱动电路或电子开关电路、驱动电路或电子开关电路n电动机的定子电动机的定子电动机的定子绕组为对称电动机的定子绕组为对称多相绕组多相绕组（星型或封闭式），（星型或封闭式），各相绕组与电子开关线路中的各相绕组与电子开关线路中的开关管开关管（桥式和非桥式）（桥式和非桥式）连接。连接。n电动机的转子电动机的转子电动机的转子用永磁材料制作成电动机的转子用永磁材料制作成一定极数的永磁体一定极数的永磁体。为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传位置传感器感器。n位置传感器位置传感器电