(2)电动汽车电机驱动

电磁场的数学模型

电磁场的基本规律——麦克斯韦方程组

电磁场的数学模型

这一表征时变电荷与电流密度J之间关系的电流连续性方程可由麦克斯韦方程组直接导出。

直流电机直流电机（dcmachines）是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机(dcgenerators

)。把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机(dcmotor

)。直流电机的结构及基本工作原理1、直流发电机的基本工作原理直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的。直流发电机工作原理直流发电机的基本工作原理直流发电机的基本工作原理定子、转子和气隙定子(stator)

在空中固定不动的部分（主磁极、电刷等）称为定子。转子(rotor)

随转轴转动的部分（线圈、电枢铁芯、换相器等）称为转子（或称电枢(armature)

）气隙(airgap)

定、转子之间有一空隙，称为气隙。

当原动机带动电枢逆时针方向旋转时导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电势，大小：e=Bxlv（V）其中：Bx——导体所在处的磁通密度（Wb/m2）,l——导体的有效长度（m），

v——导体的线速度（m/s）。发电机工作情况感应电势方向感应电势方向由右手定则判定：伸开右手使大拇指与四指呈90°，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向，则四指的指向为导体中感应电势方向。直流电动机工作原理直流电动机工作原理在直流电动机中，线圈中的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向是恒定的。

直流电动机工作原理图一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。直流电机的可逆性为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压、电流、功率、转速等规定了保证值，这些保证值称为电机的额定值。直流电机的额定值有：

1．额定容量（功率）（kW）

2．额定电压（V）；

3．额定电流（A）;

4．额定转速（r／min）；

5．励磁方式和额定励磁电流（A）直流电机的额定值方程式电枢回路方程为：Ea=U+Ia·Ra式中Ra为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。励磁回路方程为：Uf=If·Rf式中Rf为励磁回路总电阻，它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢端电压U，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。转矩方程式式中：T1为原动机的拖动转矩，T为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩，T0为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。发电机的转向由原动机决定，T1>T，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。功率平衡关系从原动机输入的机械功率为：P1=Pem+p0

式中：P1为输入的机械功率；Pem为电磁功率；p0为空载损耗。空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗pm、附加损耗pad，励磁损耗pcuf,即：p0=pFe+pm+pad+pcuf,其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率PＮ的0.5%～1%。他励直流发电机功率流程图他励直流发电机功率流程图效率他励直流发电机的总损耗为Σp=pFe+pm+pad+pcuf

+pCua,

，即：Σp=p0+pCua效率为：

串励直流电动机的固有机械特性串励直流机的特点是：励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流If与电枢电流Ia相等，即If=Ia，气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，其接线图所示。串励直流电动机接线图串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性分析串励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压U=UN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(T)的关系曲线，其表达式为：

①当负载较小时负载较小，则T较小，这时磁路未饱和，气隙住磁通Φ∝Ia，即Φ=k1Ia，又因为电磁转矩为：故有：式中为一常数，可得：，

转速n是随着电磁转矩T的增大而减小，是双曲线关系。当负载较大时负载较大，则T较大，这时磁路饱和，主磁通基本上为一常数，即Φ=k，得：可见，转速n随电磁转矩T增大而下降，是条略微向下倾斜的直线。电驱动系统之续流增磁永磁电机驱动系统励磁控制思想：低速增磁提高转矩，高速弱磁提高转速转速励磁电流永磁磁场＋绕组励磁磁场将增磁绕组接入续流回路：低速自动增磁提高扭矩高速自动弱磁提速不需要附加励磁调节装置不需要额外能量；提高效率、降低成本、增加可靠性。电驱动系统之续流增磁永磁电机驱动系统控制原理：低速续流自动增磁，高速续流自动弱磁TpnnnIGBT0VIT永磁励磁时电机输出特性续流增磁大幅提高低速扭矩电驱动系统之续流增磁永磁电机驱动系统实施效果：高效率：系统额定效率92.4%,高效转速区84.4%高可靠性低速大扭矩低成本我国第一辆自主知识产权电动公交车，服务于21届北京国际大学生运动会，并北京121公交线路得到示范运行。交流电机的基本要求和分类在交流电机中要进行能量的转换必须要有绕组。交流绕组尽管形式多样，但其基本功能相同，即感应电动势、导通电流和产生电磁转矩，所以其构成原则也基本相同。交流绕组绕组的分类（1）按槽内层数分，可分为单层和双层绕组。其中，单层绕组又可分为链式、交叉式和同心式绕组；双层绕组又可分为叠绕组和波绕组。（2）按相数分，可分为单相、两相、三相及多相绕组。（3）按每极每相槽数，可分为整数槽和分数槽绕组。尽管交流绕组种类很多，但由于三相双层绕组能较好地满足对交流绕组的基本要求，所以现代动力用交流电机一般多采用三相双层绕组相关概念（1）极对数：指电机主磁极的对数，通常用p表示。（2）电角度：在电机理论中，我们把一对主磁极所占的空间距离，称为360°的空间电角度。（3）机械角度：一个圆周真正的空间角度为机械角度360°。很明显，电角度=极对数×机械角度。（4）槽距角：相邻两槽间的距离用电角度表示，叫做槽距角，用α表示。（5）极距：极距指电机一个主磁极在电枢表面所占的长度。其表示方法很多，可用槽数：

空间长度（6）每极每相槽数：在交流电机中，每极每相占有的平均槽数q是一个重要的参数，如电机槽数为Z，极对数为p，相数为m。则得：

q=1的绕组称为集中绕组，q>1的绕组称为分布绕组。

相关概念

三相异步电机主要用作电动机，拖动各种生产机械，例如：风机、泵、压缩机、机床、轻工及矿山机械、农业生产中的脱粒机和粉碎机、农副产品中的加工机械等等。异步电动机的用途和分类分类在民用生活中，电扇、洗衣机、电冰箱和空调器等一般由单相异步电动机来拖动。异步电动机的用途和分类异步电动机的用途和分类

异步电动机能在生产和生活领域中得到广泛的应用，是有着众多优点：

结构简单、制造容易、价格低廉、运行可靠、坚固耐用、运行效率较高并具有适用性广的工作特性。异步电动机的用途和分类缺点：功率因数较差，电机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此它的功率因数总小于1。异步电动机的种类很多，从不同的角度看，有不同的分类法，常见的有：按定子相数分：单相异步电动机两相异步电动机三相异步电动机异步电动机的用途和分类按转子结构分：绕线型异步电动机鼠笼型异步电动机异步电动机的用途和分类下面是它主要部件的拆分图。右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。异步电动机的用途和分类

三相异步电动机的定子部分在结构上和同步电机的定子部分完全相同。对中、小容量的低压异步电动机，通常定子三相绕组的六个出线头都引出，这样可根据需要灵活地接成“Y”形或“D”形。U1V1W1U1V1W1W2U2V2W2U2V2D联结Y联结异步电动机的用途和分类

三相异步电动机的转子部分结构类型主要有两种：鼠笼型和绕线型。

鼠笼型转子绕组由插入每个转子槽中的导条和两侧的短路端环构成，如果去掉转子铁心，剩余的转子绕组就像一个松鼠笼子。鼠笼型转子铁心和绕组结构示意图异步电动机的结构这种电机的特点是：可以在转子绕组中串入附加电阻，来改善电机的起动性能或作转速调节用。下图是三相绕线型转子结构。绕组的三个出线端子接到固定在转轴上的三铜环上，通过电刷引出。异步电动机的结构交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.2~1.5mm范围。交流电机定子结构转子鼠笼转子鼠笼转子定子端部及冲片绕线转子三相异步电动机的机械特性

三相异步电动机的机械特性是指在电动机定子电压、频率以及绕组参数一定的条件下，电动机电磁转矩与转速或电磁转矩与转差率的关系，即n=ƒ(T)或T=ƒ(s)。机械特性可用函数表示，也可用曲线表示，用函数表示时，有三种表达式：物理表达式、参数表达式和实用表达式。机械特性物理表达式

电磁转矩为：说明

为异步机的转矩系数；

为转子电流折算值；

为转子功率因数。物理表达式

物理表达式它反映了不同转速时电磁转矩T与主磁通Φm以及转子电流有功分量I2ˊcosφ2之间的关系，此表达式一般用来定性分析在不同运行状态下的转矩大小和性质。参数表达式

由物理表达式、功率关系、简化等值电路可推出参数表达式：说明

参数表达式说明，异步电动机的电磁转矩T与定子每相电压U1平方成正比，若电源电压波动大，会对转矩造成很大影响。在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示，下面对机械特性曲线上的几个特殊点进行分析。机械特性曲线①最大转矩Tm

最大转矩Tm是T=ƒ（s）的极值点，则：

最大转矩对应的临界转差率为：两式中“+”为电动状态（特性在第Ⅰ象限）；“-”为制动状态（特性在第Ⅱ象限）。最大转矩近似表达式

通常情况下，可忽略r1，则有：

最大转矩与额定转矩的比值称为过载倍数，其值大小反映电动机过载能力，用λm表示，即：一般异步电动机过载倍数λm=1.5～2.2。起动转矩Tst

起动瞬间n=0或s=1时，电动机相当于堵转，这一时刻的电磁转矩称为起动转矩或堵转转矩，用Tst表示，则有：起动转矩与额定转矩的比值称为起动转矩倍数或堵转转矩倍数，用kst表示，则有：一般普通异步电动机起动转矩倍数为0.8～1.2。实用表达式若利用异步电机产品目录中给出的数据，找出异步电动机的机械特性公式，即便是粗糙些，但也很有用，这就是实用公式实用表达式实用表达式：认为，一般异步电动机的，在任何s值时都有：，而，

可以忽略，简化得：临界转差率临界转差率：当拖动额定负载时，TL=TN，临界转差率为：额定转矩为：从产品目录查出该异步电动机的数据PN、nN、λm，应用实用公式就可方便得出机械特性表达式。临界转差率当三相异步电动机在额定负载范围内运行时，它的转差率小于额定转差率（＝0.01～0.05）。这就是说忽略s/，变成为:经过以上简化，使三相异步电动机的机械特性呈线性变化关系，使用起来更为方便。但是，上式只能用于转差率在≥s＞0的范围内。说明特性上的各特殊点(1)同步转速点A

同步转速点又称理想空载点，在该点处：s=0，n=n1，T=0，E2s=0，I2=0，I1=I0，电动机处于理想空载状态。(2)额定运行点B

在该点处：n=nN，T=TN，I1=I1N，I2=I2N，P2=PN，电动机处于额定运行状态。说明特性上的各特殊点(3)临界点C

在该点处：s=sm，T=Tm，对应的电磁转矩是电动机所能提供的最大转矩。Tmˊ是异步电动机回馈制动状态所对应的最大转矩，若忽略r1的影响时，有Tmˊ=Tm。(4)起动点D

在该点处：s=1，n=0，T=Tst，I=Ist。人为机械特性

异步电动机的人为机械特性是指人为改变电动机的电气参数而得到的机械特性。由参数表达式可知，改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2ˊ和电抗x2ˊ，都可得到不同的人为机械特性。降低定子电压的人为机械特性

在参数表达式中，保持其它参数不变，只改变定子电压U1的大小，可得改变定子电压的人为机械特性。讨论电压在额定值以下范围调节的人为特性（为什么？）降电压人为机械特性曲线Tm∝U12；Tst∝U12；n1和sm与电压无关TL1-恒转矩负载特性、TL2-风机类负载特性分析

定子电压U1下降后，电动机的起动转矩和临界转矩都明显降低，对于恒转矩负载，如原先运行在A点，电网电压由于某种原因降低，使负载运行至B点，电动机转速n下降，转差率s增大，转子阻抗角

增大，则转子功率因数下降

定子回路串入对称电阻的人为机械特性

当定子电阻r1增大时，同步转速n1不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、起动转矩Tst都变小定子回路串入对称电阻的接线图和人为机械特性定子回路串入对称电抗的人为机械特性

如果定子回路串入对称的电抗，同步转速n1仍不变，但临界转矩Tm、临界转差率sm、