第3章_1_电动汽车用电动机ppt课件

1、第3章 电动汽车用电动机 (一)3.1 概述3.2 直流电动机3.3 无刷直流电动机 3.1 概述 它是将电能转变为机械能的一种机器。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的运用和控制非常方便，能满足各种运转要求；电动机的任务效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。 由于它的一系列优点，所以在工农业消费、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛运用。 1电动机的分类1按电动机任务电源分类直流电动机和交流电动机直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机交流电动机分为单相电动机和三相电动机。 1电动机的分类2按构造及任务原理分类直流电动机、异

2、步电动机和同步电动机直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机；同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机 1电动机的分类3按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。4按转子的构造分类笼电动机按转子的构造可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。5按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。2. 电动机的额定目的电动机的额定目的主要包括：1额定功率额定功率是指额定运转情况下轴端输出的机械功率W或kW。2额定电压额定电压指外加于线端的电源线电压V。2.电动机的额定目的3额定电流

3、额定电流是指电动机额定运转额定电压、额定输出功率情况下电枢绕组或定子绕组的线电流A。4额定频率额定频率是指电动机额定运转情况下电枢或定子侧的频率Hz。2.电动机的额定目的5额定转速额定转速是指电动机额定运转额定电压、额定频率、额定输出功率的情况下，电动机转子的转速r/min。2.电动机的额定目的当电动机在额定运转情况下输出额定功率时，称为满载运转，这时电动机的运转性能、经济性及可靠性等均处于优良形状。输出功率超越额定功率时称为过载运转，这时电动机的负载电流大于额定电流，将会引起电动机过热，从而减少了电动机运用寿命，严重时甚至烧毁电动机。2.电动机的额定目的电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载

4、运转，轻载时电动机的效率和功率因数等运转性能均较差，因此电动机应尽量防止轻载运转。3.电动汽车对电动机的要求 1在恒转矩区，要求低速运转时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦的路面可以高速行驶的要求；。2电动机应具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载才干强，加速性能好，运用寿命长的特点；3.电动汽车对电动机的要求3电动机应在整个运转范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程； 4电动机应可以在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反响给蓄电池，使得电动汽车具有最正确能量的利用率；5电动机应可靠性好，可以在较恶劣的环境下长期任

5、务；3.电动汽车对电动机的要求6电动机应体积小，分量轻，普通为工业用电动机的1/21/3；7电动机的构造要简单巩固，适宜批量消费，便于运用和维护；8价钱廉价，从而可以减少整体电动汽车的价钱，提高性价比；9运转时噪声低，减少污染。3.2 直流电动机 在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。 绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。1.直流电动机的分类1他励式直流电动机他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无衔接关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电。他励直流电动机在运转过程中励磁磁场

6、稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。1.直流电动机的分类2并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励直流电动机根本一样。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得经过它的励磁电流较小。1.直流电动机的分类3串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。这种电动机内磁场随着电枢电流的改动有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。1.直流电

7、动机的分类4复励直流电动机 复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。假设串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向一样称为积复励。假设两个磁通势方向相反，那么称为差复励。复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性资料钕铁硼，运转效率高。各种鼓励方式直流电动机的电路图1.直流电动机的分类电动汽车所运用的直流电动机主要是他励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机三种类型。小功率100W10kW电动机采用的是小型高效的永磁直流电动机，可以运用在小型、低速的搬运设备上。 中等功率10100kW的电动机采用他励、复励或串励式直流电动机，可以用于构造简单、转矩要

8、求较大的电动货车上。大功率100kW直流电动机采用串励式，可用在要求低速、高转矩的公用电动车上。2.直流电动机的构造与特点 1 直流电动机的构造直流电动机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙。1定子部分 主磁极 机座 换向极 电刷安装2转子部分 电枢铁心 电枢绕组 换向器 直流电动机的构造直流电动机的构造2.直流电动机的构造与特点2直流电动机的特点调速性能好：直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽；起动力矩大：可以均匀而经济地实现转速调理，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调理转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直

9、流电动机拖动控制比较简单：普通用斩波器控制，它具有高效率、控制灵敏、分量轻、体积小、呼应快等优点；2.直流电动机的构造与特点由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必需进展定期维护或改换。电动汽车公用的直流电动机和其它通用的电动机相比，应在耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载动摇性以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊思索。 除此之外，电动汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动，同时是大电流电路，因此需求留意衔接接线的接触电阻。3.直流电动机的任务原理4 .直流电动机的根本方程 (1)电枢绕组的感应电动势 直流电动机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷引出的电动势，也称电枢电动势，可表示为 为

10、每极磁通量； 为电动势常数，与电动机构造有关。4 .直流电动机的根本方程(2)直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩是指电枢上一切载流导体在磁场中受力所构成的转矩的总和。可表示为 式中， 为电磁转矩； 为转矩常数，与电动机构造有关。4 .直流电动机的根本方程(3)电压方程式由他励直流电动机的等效电路，得电枢回路的电压方程为 其中 为互感 励磁回路的电压方程为4 .直流电动机的根本方程有以下结果：1对于永磁直流电动机， 2对于并励直流电动机， 3对于串励直流电动机， 4对于复励直流电动机，其特性介于串励和并 励之间。4 .直流电动机的根本方程4转矩方程式 电动机空载时，轴上输出转矩 ，那么有

11、。 当负载转矩为 ，轴上输出有 ，电动机匀速稳定运转时有 式中， 为空载转矩，它是由电动机的机械摩擦和铁耗引起的转矩； 为电磁转矩，为拖动性质转矩； 为总的制动转矩，方向与相反。 电磁转矩公式： 各种直流电动机的速度转矩特性 各种直流电动机的速度转矩特性 直流电动机的转速转矩、电压特性曲线5功率方程式他励直流电动机输入功率为 式中， 为输入功率； 为电磁功率； 为电枢回路上的铜耗。5. 直流电动机的运转特性 直流电动机的任务特性是指电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定、励磁调理电阻和电枢回路电阻不变的情况下，其转速与电磁转矩之间的关系，又称为转矩转速特性

12、。5. 直流电动机的运转特性 (1)并励他励直流电动机的运转特性转速特性并励他励直流电动机的转速特性为式中， 为电动机的理想空载转速； 为转速调整率，由电枢电阻压降引起，普通为38%。5. 直流电动机的运转特性效率特性 转矩特性电动机的转矩特性可表示为 aTeICTF= 5. 直流电动机的运转特性直流电动机的效率具有普遍意义。电动机的额定效率是指电动机额定运转时的效率。普通直流电动机的效率为75%85%。并励直流电动机的任务特性如以下图所示。 并励直流电动机的任务特性5. 直流电动机的运转特性机械特性 并励他励直流电动机的机械特性可表示为 式中， 为电枢回路外的串联电阻。由上式可以得到并励他励

13、直流电动机的机械特性曲线，即改动电枢电压、改动励磁电流、改动电枢回路电阻时的机械特性曲线。5. 直流电动机的运转特性 改动电枢电压时的机械特性逐渐减小电源电压时，理想空载转速逐渐下降，但从空载到满载转速变化很小，这种特性称为硬机械特性。5. 直流电动机的运转特性改动励磁电流时的机械特性逐渐减小励磁电流时，理想空载转速逐渐上升，曲线斜率逐渐增大，使特性变软，电动机运转的稳定性变差。过分“弱磁时，使电动机转速过高，甚至引起“飞车。5. 直流电动机的运转特性改动电枢回路电阻时的机械特性当电枢回路电阻从零逐渐开场增大时，机械特性曲线的斜率逐渐增大，使特性逐渐变软，但电动机的理想空载转速不变。5. 直流

14、电动机的运转特性2串励直流电动机的运转特性 串励直流电动机的特点是负载电流、电枢电流和励磁电流是一个电流，气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，同时对电动机转速产生较大影响。转速特性 串励直流电动机的转速特性可表示为5. 直流电动机的运转特性转矩特性 串励直流电动机的转矩特性可表示为串励直流电动机的任务特性曲线如以下图所示。从转矩特性可以看出，当负载添加时，串励直流电动机的转矩快速添加，但与此同时转速也快速下降，因此根本坚持了功率恒定。串励直流电动机的任务特性曲线5. 直流电动机的运转特性机械特性 串励直流电动机的机械特性可表示为由于串励电动机的负载电流、电枢电流和励磁电流相等，所以调理电源电压或

15、电枢回路电阻的同时，励磁电流也随之变化。可以看出，转速随转矩的添加迅速下降，这种特性称为软机械特性。改动电枢回路电阻时的机械特性改动电枢电压时的机械特性5. 直流电动机的运转特性 3复励直流电动机的运转特性复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组，因此其特性介于并励电动机和串励电动机之间。当复励电动机以并励为主时，其特性接近于并励电动机；当复励电动机以串励为主时，其特性接近于串励电动机。 6.直流电动机的控制1直流电动机的转速控制方法电枢调压控制 电枢调压控制是指经过改动电枢的端电压来控制电动机的转速。他励电动机改动电枢端电压时的转速控制特性如以下图所示。 改动电枢端电压时的转速控制特性6.直流电

16、动机的控制电枢调压控制只适宜电动机基速以下的转速控制，它可坚持电动机的负载转矩不变，电动机转速近似与电枢端电压成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电动机采用电枢调压控制可实如今广大范围内的延续平滑的速度控制，调速比普通可达1:10，假设与磁场控制配合运用，调速比可达1:30。如今大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源，小容量那么采用电力晶体管的PWM控制电源，电动汽车用的直流电动机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源。6.直流电动机的控制磁场控制 磁场控制是指经过调理直流电动机的励磁电流改动每极磁通量，从而调理电动机的转速。他励电动机带恒转矩负载时磁场控制的转速控制特性如以下图。 磁

17、场控制只适宜电动机基数以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，普通不超越1:3，而且呼应速度较慢。 磁场控制时的转速控制特性6.直流电动机的控制电枢回路串电阻控制 电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时，经过改动电枢回路电阻来调理电动机的转速。 这种控制方法的机械特性较软，而且电动机运转不稳定，普通很少运用。对于小型串励电动机，常采用电枢回路串电阻控制方式。 电枢回路串电阻时的转速控制特性 6.直流电动机的控制2电动汽车用直流电动机控制器功能 直流电动机的控制方法和功能因运用条件不同而不同。下面以电动叉车为例，引见直流电动机控制器的功能。 电动叉

18、车普通采用串励直流电动机，它的控制器所具有的功能可以分为非缺点性处置功能和缺点性处置功能。6.直流电动机的控制1正常前进 2正常后退3快速起动4斜坡起动5无级变速6速度方式选择 7反向制动功能 6.直流电动机的控制8空档制动功能9紧急反向及其连线检测10加速器类型选择11过电压和欠电压维护12温度维护13接触器检测 6.直流电动机的控制14高踏板缺点检测15静态断开缺点检测16 MOSFET驱动电路缺点17MOSFET晶体管缺点检测 18通用型手持编程器3.3 无刷直流电动机 无刷直流电动机是用电子换向安装替代了有刷直流电动机的机械换向安装，保管了有刷直流电动机宽阔而平滑的优良调速性能，抑制了

19、有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺陷。1 .无刷直流电动机的分类 无刷直流电动机按照任务特性，可以分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机和具有交流电动机特性的无刷直流电动机。(1)具有直流电动机特性的无刷直流电动机 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，所以又称为正弦波同步电动机。 这类电动机也由直流电源供电，但经过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动普通的同步电动机。因此，它们具有同步

20、电动机的各种运转特性。2 .无刷直流电动机构造与特点 1无刷直流电动机的构造 (1)电动机本体 (2)电子换相器 (3)位置传感器2 .无刷直流电动机构造与特点2无刷直流电动机的特点优点：1外特性好；2可以在低、中、高宽速度范围内运转；3效率高；4过载才干强；2 .无刷直流电动机构造与特点5再生制动效果好；6体积小、分量轻、比功率大；7无机械换向器，全封锁式构造，可靠性高；8控制系统比异步电动机简单。 缺陷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. 无刷直流电动机的任务原理 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

21、在定子上产生腾跃式的旋转磁场，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，以不断的改动电枢绕组的通电形状，使得在某一磁极下导体中的电流方向坚持不变，这样电动机就旋转起来了。无刷直流电动机的任务原理图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。 4. 无刷直流电动机的数学模型设电枢绕组每相串连匝数为 ，那么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。 那么

22、有每相绕组感应电动势为4. 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。4. 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，那么 式中， 为电动机的角速度。 电磁转矩为 式中， 为转矩常数。4. 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。4. 无刷直流电动机的数学模型假设电动机定

23、子绕组为三项Y型接法，三相绕组完全对称；转子磁钢的磁性能一致；三相反电动势波形完全一致；三相定子绕组的电阻、电感一样，且不受电流变化的影响；磁路不饱和，不计涡流损耗和磁滞损耗，不计定子斜槽的影响，不计电枢反响。4. 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的等效电路如图4. 无刷直流电动机的数学模型2电压方程三相绕组的电压平衡方程式为 式中 ， ， 为定子相绕组电压； ， ， 定子相绕组相电流； ， ， 为定子相绕组电动势；为每相绕组的电阻； 为每相绕组的自感； 为每两相绕组间的互感； 为微分算子 。4. 无刷直流电动机的数学模型由于转子磁阻不随转子位置变化而变化，因此定子绕组的自感和互感为常数

24、。当三相绕组为Y衔接，且没有中线，那么有并且由此得到电压方程为4. 无刷直流电动机的数学模型3电磁转矩方程无刷直流电动机的电磁转矩方程与普通直流电动机类似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，即4. 无刷直流电动机的数学模型为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，任何时辰定子绕组只需两相导通，且每一相电流和反电动势数值完全相等方向完全相反，那么电磁功率为式中， 为定子绕组各相电动势的幅值； 为定子绕组各相电流的幅值。 4. 无刷直流电动机的数学模型电磁转矩又可写成无刷直流电动机通电期间，带电导体处于一样的磁感应强度下，电枢每相绕组的感应电动势为式中， 为电枢绕组每相串联导

25、体数； 为电动势系数。 4. 无刷直流电动机的数学模型 因此，电磁转矩可表示为式中， 为转矩系数。 4. 无刷直流电动机的数学模型4运动方程在忽略转动时的粘滞系数的情况下，无刷直流电动机的运动方程可写为式中， 为发动机的额定转矩； 为负载转矩； 为电动机轴上转动惯量的总和。4. 无刷直流电动机的数学模型5机械特性无刷直流电动机的机械特性为无刷直流电动机与有刷直流电动机的机械特性类似，经过调理电枢电流可以到达转矩控制，同时经过调理电源电压可以实现无刷直流电动机的调速控制。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

26、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置信息。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，运用场所广，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讨的热点。 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开展，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，运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 1PID控制技术在古典控制实际中，运用最胜利的是PID控制。它是一种在工业消费中广泛运用的常规控制算法，属于线性控制。这种控制方式的最大优点是构造简单，运用方便。传统的无刷直流电动机调速通常采用PID控制，它算法简单，参数调整方便具有较好的控制精度。5.无刷直流电动机的控制 2模糊控制技术所谓模糊控制，是指在控制方法上运用模糊集实际、模糊言语变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思想方法，用计算机实现与操作者一样的控制。模糊控制技术运用于无刷直流电动机的调速系统，可以抑制PID控制器在任务环境不稳定，负载或参数变化时，控制效果不佳的问题