《新能源汽车技术（第2版）》项目3

新能源汽车技术（第2版）陈小兵主编签到扫码下载文旌课堂APP扫码签到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）签到方式教师通过“文旌课堂APP”生成签到二维码，并设置签到时间，学生通过“文旌课堂APP”扫描“签到二维码”进行签到。。项目三驱动电机及控制技术

得益于丰富的稀土资源，我国现已成为驱动电机生产大国，且生产驱动电机的多项技术指标已经达到国际先进水平。目前，我国驱动电机产业链已相当完善，形成了包括驱动电机、电机控制器、减速器、电驱动总成、主要关键材料和关键器件在内的一套完整的驱动电机产业链，自主生产的电驱动系统占据了绝对的市场份额，仅有少数纯电动汽车采用外资企业的电驱动系统。项目导读达成目标技能目标思政目标知识目标（1）掌握直流电机、三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的基本结构。（2）熟悉直流电机、三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的工作原理和特点。（3）熟悉电机控制系统的基本功能和控制策略。

（4）掌握电机控制器的基本结构。（5）了解三合一电驱动系统的特点。（1）能够识别各类驱动电机的基本结构。（2）能够分析电机控制系统的功能和控制策略。（1）坚定民族自豪感和文化自信心。（2）强化历史使命感和社会责任感。（3）养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风。认识驱动电机3.1动力电池及管理技术项目3任务导入调速范围、效率、再生制动、可靠性、电磁兼容性、安全性等性能均有特定的要求。驱动电机主要有直流电机、三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等类型。直流电机成本低、易控制、调速性能好，但结构复杂、转速低、体积大、维护频繁，目前在纯电动汽车中应用较少。三相异步电机结构简单、坚固耐用、成本低、转矩脉动低、噪声低、极限转速高、运行可靠，但功率密度低、效率低、调速性差，目前在特斯拉ModelS、蔚来ES8等车型中仍有小批量应用。在2020年中国稀土永磁产业市场应用发展论坛上，金龙联合汽车工业（苏州）有限公司的技术专家、工学博士程方斌带来了主题为“永磁同步电机在电动汽车中应用的技术要求及趋势”的演讲。演讲中提到，纯电动汽车对驱动电机系统的功率密度、能量密度、转矩响应、任务导入永磁同步电机转矩密度高、效率高、功率密度高、调速范围宽、体积小，目前已大批量（市场份额达99%）应用于特斯拉Moedl3、蔚来ES6、比亚迪各系列、北汽EU系列、小鹏G3、威马EX5等车型中，但永磁同步电机存在的制造工艺复杂、成本较高、高温下磁性容易衰退等问题仍有待解决。开关磁阻电机结构紧凑、牢固，适合高速运行，且成本低、调速范围宽、运行可靠，但转矩脉动大、噪声大、功率密度低、效率低，目前仅在新能源客车上有极小批量应用。本任务要求学生从直流电机、三相异步电机、永磁同步电机、开关磁阻电机的结构和工作原理等方面认识驱动电机。思考：驱动电机由哪些部件组成？具体应用在哪些领域？想一想

驱动电机是将电能转换成机械能，为车辆行驶提供驱动力的电气装置，该装置也可具备将机械能转换成电能的功能。纯电动汽车在不同的历史时期采用了不同的驱动电机，最早是采用了控制性能好、成本较低的直流电机。随着电子技术、机械制造技术和自动控制技术的发展，异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机显示出比直流电机更加优越的性能，这些驱动电机逐步取代了直流电机。任务3.1

认识驱动电机3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机

直流电机是将直流电能转换为机械能的驱动电机，它具有结构简单、技术成熟、控制便捷等特点，在早期的纯电动汽车中得到了广泛应用。1.直流电机的分类直流电机可分为电励磁直流电机和永磁直流电机两大类。其中电励磁直流电机根据励磁方式的不同又可分为他励和自励两类，而自励直流电机则包括并励、串励、复励等类型。在早期的纯电动汽车中，小功率直流电机一般采用永磁直流电机，大功率直流电机一般采用他励或复励直流电机。3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机2.直流电机的构造直流电机主要包括定子和转子两部分。以他励直流电机为例，其结构如图所示。他励直流电机的结构3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机1）定子

定子是直流电机在运行时静止不动的部分，主要由以下几部分组成。

机座电刷装置主磁极端盖换向极3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机1）定子

机座一般由低碳钢铸成或用钢板焊接而成，是直流电机磁路的一部分，用来安装主磁极、换向极、端盖等部件。

主磁极主要由铁芯和励磁绕组两部分组成，其作用是产生主磁通。换向极的作用是产生换向磁场，以减小电刷与换向器接触面上产生的火花，改善直流电机的换向性能。3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机1）定子

电刷装置作用是通过电刷与换向器表面的接触，使转动部分的电枢绕组与外电路接通，将直流电压、电流引出或引入电枢绕组。3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机1）定子

端盖用来安装轴承、支撑整个转子的重量，避免外界杂物落进电机内部。3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机2）转子

转子是直流电机的旋转部件，也称为电枢。它由电枢铁芯、电枢绕组和换向器等部件组成，如图所示。转子的作用是在主磁通中产生电磁转矩，并通过传动机构输出机械转矩。转子3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机3.直流电机的工作原理如图所示，将一匝矩形线圈abcd置于静止的磁极N、S中，线圈的ab、cd两边分别与两个相互绝缘的换向片（

半圆形铜片）相连，这些换向片组成换向器。换向器的两侧与电刷A、B贴合。直流电机的工作原理扫

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直流电机的工作原理3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机直流电机的工作原理如下。在电刷A、B接上直流电源，电流从电刷A流入线圈，从电刷B流出，此时根据左手定则可判断出，线圈ab边受力向左，cd边受力向右，产生一个转矩，使线圈按逆时针方向转动，如图（a）所示。当线圈转过90°时，线圈与换向片无接触，但线圈由于惯性会继续旋转。直流电机的工作原理3.直流电机的工作原理3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机当线圈转到180°时，接触的电刷已改变，即线圈中电流的方向与原来相反，如图（b）所示。根据左手定则可判断出，此时，ab边受力向右，cd边受力向左，线圈仍按逆时针方向转动。综上所述，通过电刷与换向器交替接触，处于N极下的线圈电流总是从电刷向线圈流入，而处于S极下的线圈电流总是从线圈向电刷流出，从而使线圈总是获得逆时针转动的转矩，转动方向保持不变，这就是直流电机的工作原理。3.直流电机的工作原理3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机4.纯电动汽车用直流电机1）直流电机的驱动特性驱动特性是指驱动电机输出的功率、转矩与转速之间的关系。纯电动汽车用直流电机的驱动特性曲线如图所示。

纯电动汽车用直流电机的驱动特性曲线3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机4.纯电动汽车用直流电机1）直流电机的驱动特性对于直流电机，在基本转速nb以下为恒转矩区，基本转速nb以上为恒功率区。在恒转矩区，可使励磁电流保持不变，通过改变电枢电压来控制转矩。在恒功率区，可使电枢电压保持不变，通过改变励磁电流或减弱磁通来控制转矩。直流电机的这种特性很适合纯电动汽车对动力源低速高转矩和高速低转矩的使用要求，而且直流电机结构简单，易于平滑调速，加之控制技术成熟，所以几乎所有早期的纯电动汽车都采用直流电机。

3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机2）直流电机的特点直流电机具有以下特点。

调速性能好：直流电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。

启动转矩大：适合在重负载条件下启动，可均匀调节转速。

3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机2）直流电机的特点

控制简单：直流电机一般采用斩波器控制，具有效率高、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。

有易损件：由于存在电刷、换向器等易损零件（

有刷直流电机），所以直流电机必须进行定期维护或更换。

3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机3）直流电机的应用纯电动汽车用直流电机主要有以下三种类型。

永磁直流电机串励直流电机复励直流电机3.1.1直流电机任务3.1

认识驱动电机3）直流电机的应用

小功率（小于10kW）的直流电机多采用小型高效永磁直流电机，一般应用在小型、低速的专用车辆上，如小型电动无人运输车、高尔夫球车、电动叉车、警用巡逻车等；

中等功率（10~100kW）的直流电机多采用串励或复励直流电机，可以用在结构简单、要求转矩较大的电动货车上；

大功率（大于100kW）的直流电机多采用串励直流电机，可用在要求低速、高转矩的大型专用电动汽车上，如电动矿石搬运车、电动玻璃搬运车等。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机

交流电机可分为同步电机和异步电机两大类。

异步电机异步电机又称感应电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能转换为机械能的一种交流电机。扫

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三相异步电机3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机

异步电机的种类很多，常按转子结构和定子绕组相数进行分类。按转子结构的不同，异步电机可分为笼型异步电机和绕线型异步电机；按定子绕组相数的不同，异步电机可分为单相异步电机、三相异步电机和多相异步电机。其中，三相笼型异步电机具有结构简单、制造成本低、结构坚固、维修方便等特点，曾广泛用于纯电动汽车中。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机

1.三相异步电机的结构虽然三相异步电机的种类很多，但结构基本相同，都是由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间有气隙。如图所示为三相异步电机的基本结构。三相异步电机的基本结构任务3.1

认识驱动电机1）定子定子部分包含机座、定子铁芯、定子绕组等，主要用来产生旋转磁场。机座的主要作用是固定定子铁芯和定子绕组。定子铁芯一般由0.35~0.5mm厚的硅钢片叠压而成，装在机座内，是三相异步电机的磁路部分。定子铁芯的内圆上冲有均匀分布的槽口，用于嵌放定子绕组，如图所示。3.1.2三相异步电机

三相异步电机的定子铁芯任务3.1

认识驱动电机1）定子定子绕组是三相异步电机的电路部分。定子绕组嵌放在铁芯槽内，当通入三相对称电流时，就会产生旋转磁场。定子绕组的线圈由绝缘铜导线或者绝缘铝导线绕制而成，中小型三相异步电机的定子绕组一般采用圆漆包线，大中型三相异步电机的定子绕组则采用较大横截面积的漆包扁铜线或绝缘包扁铜线。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机1）定子定子绕组是三相异步电机的三相定子绕组是相互独立的，各相绕组之间的空间电角度为120°，其结构完全对称，一般有六个出线端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出线端均接在接线盒内。如图所示，三相异步电机的定子绕组可以接成星形（Y）或三角形（△）。3.1.2三相异步电机

三相异步电机定子绕组的连接方式任务3.1

认识驱动电机2）转子转子主要由转子铁芯和转子绕组构成，是电机的旋转部件。

转子铁芯一般由0.35~0.5mm厚的硅钢片叠压而成，是三相异步电机的磁路部分，其外圆上也均匀分布着槽孔，用来安放转子绕组。一般小型异步电机的转子铁芯直接套压在转轴上，大、中型异步电机的转子铁芯先套压在转子支架上，然后再套装在转轴上。

3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机2）转子转子绕组可以切割定子旋转磁场产生感应电动势及感应电流，并形成电磁转矩，从而使电机旋转。根据绕组形式的不同，转子绕组可分为笼型转子绕组和绕线型转子绕组两种，三相笼型异步电机和三相绕线型异步电机的命名便由此而来。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机2.三相异步电机的工作原理如图所示为三相异步电机的工作原理。三相异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组从而在转子绕组中产生感应电动势，感应电动势的方向由右手定则来确定。3.1.2三相异步电机

三相异步电机的工作原理任务3.1

认识驱动电机2.三相异步电机的工作原理由于转子绕组是闭合通路，因此转子中有感应电流产生，感应电流的方向与感应电动势的方向相同，而载流的转子绕组在定子旋转磁场的作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动转子旋转，并且转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同。3.1.2三相异步电机

三相异步电机的工作原理任务3.1

认识驱动电机2.三相异步电机的工作原理三相异步电机的转子转速不等于旋转磁场的转速（

同步转速），这是三相异步电机的主要特点。如果转子轴上带有机械负载，则负载将被拖动旋转。当负载发生变化时，转子的转速也随之发生变化，使转子绕组中的感应电动势、感应电流和电磁转矩发生相应变化，以适应负载的需要。因此，三相异步电机的转速是随负载的变化而变化的。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机2.三相异步电机的工作原理

三相异步电机转子的转速与定子磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子的感应电动势及其频率的大小，直接影响三相异步电机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值用转差率s表示，即式中：

——

定子旋转磁场的同步转速；

——

转子转速。转差率是三相异步电机运行时的一个重要物理量。三相异步电机转差率的取值范围为0<s<1小于，在额定运行条件下一般为0.01~0.06。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机3.纯电动汽车用三相异步电机的性能特点

纯电动汽车用三相异步电机主要具有以下特点。

（1）小型轻量化。

（2）易实现转速超过1000r/min的高速旋转。

（3）高速低转矩时运转效率高。

（4）低速时有高转矩，并有宽泛的速度控制范围。

（5）可靠性高（结构坚固）。

（6）制造成本低。

（7）控制装置简单。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机3.纯电动汽车用三相异步电机的性能特点

三相异步电机成本低且可靠性高，即使纯电动汽车的逆变器损坏而产生短路，三相异步电机的定子绕组也不会产生反向电动势，不会使车辆出现急速停车的现象。因此，三相异步电机曾广泛应用于大型高速纯电动汽车中。三相异步电机可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现制动能量回收。与同样功率的直流电机相比，三相异步电机效率较高，且重量仅为直流电机的一半。3.1.2三相异步电机

任务3.1

认识驱动电机

在各类驱动电机中，永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性、较低的振动噪声等特点。通过合理设计永磁磁路结构，可使永磁同步电机获得较高的弱磁性能，在纯电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。因此，永磁同步电机得到了各大汽车企业的高度重视。

3.1.3永磁同步电机

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永磁同步电机永磁同步电机可分为单相永磁同步电机、三相永磁同步电机等类型，目前国内纯电动汽车市场普遍采用三相永磁同步电机。任务3.1

认识驱动电机1.永磁同步电机的结构

下面以三相永磁同步电机为例进行介绍。三相永磁同步电机具有三相分布的定子绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证反电动势波形为正弦波。为了对磁场进行定向控制，输入到定子绕组的电压和电流也应为正弦波。

根据永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电机可分为内置式永磁同步电机和外置式永磁同步电机。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机1）内置式永磁同步电机

按永磁体磁化方向的不同，内置式永磁同步电机可分为径向式、切向式和混合式三种类型。在有阻尼绕组的情况下，内置式永磁同步电机的转子结构如图所示。由于内置式永磁同步电机转子内部嵌入永磁体，因此转子具有凸极特性。3.1.3永磁同步电机

内置式永磁同步电机的转子结构任务3.1

认识驱动电机2）外置式永磁同步电机

根据永磁体是否嵌入转子铁芯中，外置式永磁同步电机可分为面贴式和嵌入式两种类型，其转子结构如图所示。3.1.3永磁同步电机

外置式永磁同步电机的转子结构任务3.1

认识驱动电机2）外置式永磁同步电机

面贴式永磁同步电机的转子永磁体一般为瓦片形，通过合成胶黏附在转子铁芯表面。在功率稍大的面贴式永磁同步电机中，可以在永磁体与气隙之间通过无纬玻璃丝带对永磁体加以捆绑保护，防止永磁体因转子高速转动而脱落。嵌入式永磁同步电机的永磁体嵌入转子铁芯中，两个永磁体之间的铁芯成为铁磁介质突出的部分。

3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机2）外置式永磁同步电机

在面贴式永磁同步电机中，由于永磁体的相对磁导率接近真空磁导率(μ=1.0)，等效气隙基本均匀，所以交、直轴电感基本相符，是一种隐极式同步电机。嵌入式永磁同步电机交轴方向上的气隙比直轴的小，交轴的电感也比直轴的大，是一种凸极式永磁同步电机。相对而言，由于永磁体的存在，面贴式永磁同步电机定子和转子之间的有效气隙较大，因此定子绕组的电感较小。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机3.1.3永磁同步电机

外置式永磁同步电机比内置式永磁同步电机结构简单，且具有制造容易、成本低廉的优点，因此在工业上应用较多。面贴式永磁同步电机转子结构最为简单，与嵌入式永磁同步电机相比，它提高了转子表面的平均磁通密度，可以得到更大的电磁转矩。任务3.1

认识驱动电机2.永磁同步电机的性能特点

永磁同步电机的功率因数大、效率高、功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。但由于电磁结构中转子励磁不能随意改变，难以实现弱磁控制，调速特性不如直流电机。目前，永磁同步电机的相关理论还不如直流电机和异步电机完善，还有许多问题需要进一步研究，这主要体现在以下两个方面。（1）低速效率

永磁同步电机低速运行时的效率较低，如何通过设计来减小低速运行时的定子电流，提升效率，是目前研究的主要方向之一。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机2.永磁同步电机的性能特点

（2）弱磁能力

永磁同步电机的转子采用永磁体励磁，随着转子转速的升高，定子绕组的输入电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速，只有靠调节定子电流的大小和相位、增加直轴去磁电流来等效弱磁控制。永磁同步电机的弱磁能力主要与直轴电抗和反电动势有关，但永磁体串联在直轴磁路中，所以直轴磁路的磁阻一般较大，弱磁能力较小，且当反电动势较大时，永磁同步电机的最高转速也会降低。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机2.永磁同步电机的性能特点

（2）弱磁能力

由于永磁同步电机的转子上无绕组、无铜耗、磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁同步电机具有较高的“功率质量比”，比其他类型的驱动电机有更大的输出转矩。转子电磁时间常数较小，因此，永磁同步电机的动态特性好，极限转速和制动性能等都优于其他类型的驱动电机。永磁同步电机的定子绕组是主要的发热源，其冷却系统相对比较简单。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机2.永磁同步电机的性能特点

（2）弱磁能力

在纯电动汽车上，一般要求驱动电机的输出功率保持恒定，即驱动电机输出功率不随转速的增加而变化，这就要求在驱动电机转速增加时电压保持恒定。一般驱动电机可以通过调节励磁电流来控制，但永磁同步电机磁场的磁通量调节比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现。这使得永磁同步电机的控制系统变得更复杂，而且成本更高。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机3.永磁同步电机的驱动特性

由于永磁同步电机的磁场可产生恒定的磁通量，随着电流的增大，永磁同步电机的转矩与电流成正比地增大，同时电压和功率也随之增大。永磁同步电机的驱动特性如图所示。3.1.3永磁同步电机

永磁同步电机的驱动特性任务3.1

认识驱动电机3.永磁同步电机的驱动特性

从图中可以看出，永磁同步电机的恒转矩区比较长，一直延伸到电机最高转速的50%处左右，这对提高车辆的低速动力性能有很大帮助。永磁同步电机的最高转速较高，能达到10000r/min。永磁同步电机功率密度高、调速性能好，在宽转速范围内运行效率高(90%~95%)，是理想的纯电动汽车驱动电机。随着稀土永磁材料的开发和应用，永磁同步电机的性能较以前有了很大的提升，是目前最有发展前景的驱动电机之一。3.1.3永磁同步电机

任务3.1

认识驱动电机1.开关磁阻电机系统的结构

开关磁阻电机系统是高性能机电一体化系统，主要由开关磁阻电机、功率转换器、传感器和控制器四部分组成，如图所示。3.1.4开关磁阻电机

开关磁阻电机驱动系统的结构任务3.1

认识驱动电机1.开关磁阻电机系统的结构

开关磁阻电机：系统的主要组成部分，用以实现电能向机械能的转换。

功率转换器：连接电源和驱动电机的开关器件，用以提供开关磁阻电机所需的电能，功率转换器的结构形式一般与供电电压、驱动电机相数及主开关器件种类有关。

3.1.4开关磁阻电机

任务3.1

认识驱动电机1.开关磁阻电机系统的结构

传感器：主要用来反馈位置及电流信息，并将信息传送给控制器。

控制器：系统的中枢，起决策和指挥作用，主要对传感器提供的转子位置、速度、电流等反馈信息及外部输入的指令进行实时分析和处理，进而采取相应的控制决策，控制功率转换器中主开关器件的工作状态，实现对开关磁阻电机运行状态的控制。3.1.4开关磁阻电机

任务3.1

认识驱动电机2.开关磁阻电机的工作原理

开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机由双凸极的定子和转子组成，其定子和转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。转子上既无绕组也无永磁体，一般装有位置检测器；定子上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组串联构成一相绕组。根据相数和定子、转子极数配比，开关磁阻电机可以设计成不同的结构，其常用定子、转子极数配比如图所示。3.1.4开关磁阻电机

开关磁阻电机常用定子、转子极数配比任务3.1

认识驱动电机2.开关磁阻电机的工作原理如左图所示为四相8/6极开关磁阻电机，图中仅画出其中一相绕组的连接情况。由于定子、转子均为凸极式结构，故每相绕组的电感随转子角位置的改变而改变，如图右所示。3.1.4开关磁阻电机

四相8/6极开关磁阻电机电感、转矩与转子角位置的关系曲线任务3.1

认识驱动电机2.开关磁阻电机的工作原理当定子、转子磁极正对时，电感达到最大值;当定子、转子磁极完全错开时，电感达到最小值。开关磁阻电机的运行遵循磁阻最小原理，当向B相绕组施加电流时，由于磁通总是选择磁阻最小的路径闭合，为减少磁路的磁阻，转子将顺时针旋转，直到转子磁极2与定子磁极B的轴线重合，此时磁阻最小(电感最大)；当切断绕组B的电流，给绕组A施加电流时，磁阻转矩使得转子磁极1与定子磁极A相对。由于转矩方向一般指向最近的一对定子、转子磁极相对的位置，根据转子位置传感器反馈的位置信号，电枢绕组按B→A→D→C的顺序导通，转子便会沿顺时针方向连续旋转。3.1.4开关磁阻电机

任务3.1

认识驱动电机2.开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机有多种不同的相数结构，如单相、三相、四相等，低于三相的开关磁阻电机一般没有自启动能力。提高相数有利于减小转矩脉动，但会导致结构复杂，使主开关器件增多，提高成本。目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。3.1.4开关磁阻电机

任务3.1

认识驱动电机3.开关磁阻电机的性能特点开关磁阻电机作为一种新型调速电机，主要有如下优点。3.1.4开关磁阻电机

（1）电机结构简单、坚固，制造工艺简单，可工作于极高转速；定子线圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境。（2）损耗主要产生在定子部分，电机易于冷却；转子无永磁体，可允许有较高的温升。任务3.1

认识驱动电机3.开关磁阻电机的性能特点开关磁阻电机作为一种新型调速电机，主要有如下优点。3.1.4开关磁阻电机

（3）转矩方向与电流方向无关，可最大限度地简化功率转换器，从而降低系统成本。（4）功率转换器不会出现直通故障，可靠性高。（5）启动转矩大，低速性能好，无异步电机在启动时所出现的冲击电流现象。任务3.1

认识驱动电机3.开关磁阻电机的性能特点3.1.4开关磁阻电机

（6）调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩-速度特性。（7）在宽广的转速和功率范围内都具有较高的效率。（8）能在四象限运行，具有较强的制动能量回收能力。（9）容错能力强。开关磁阻电机的容错体现在当某一相绕组损坏时，开关磁阻电机照样可以运行。任务3.1

认识驱动电机3.开关磁阻电机的性能特点开关磁阻电机主要有如下缺点。3.1.4开关磁阻电机

（1）由于开关磁阻电机磁极端部的严重磁饱和以及磁极与沟槽的边缘效应，使得开关磁阻电机的设计和控制要求非常精细。（2）噪声较大。直流电机课堂总结三相异步电机开关磁阻电机永磁同步电机任务3.1

认识驱动电机课后作业（1）简述直流电机的分类。（2）简述直流电机的工作原理。（3）简述三相异步电机的工作原理。（4）简述永磁同步电机的基本结构和性能特点。任务3.1

认识驱动电机认识电机控制系统3.2动力电池及管理技术项目3任务导入电流的控制来实现。这些功能都是由电机控制系统来实现的。在我国纯电动汽车十多年的发展进程中，国内驱动电机及控制器相关产业也得到了快速发展。根据中国汽车技术研究中心提供的数据，目前我国电驱动系统相关供应商有200余家，遍布全国各地，自主企业占89%，其中比亚迪位居前列，市场份额占比为13.3%。目前纯电动汽车普遍采用永磁同步电机，这就需要使用交流电来驱动，而动力电池提供的是直流电，因此需要将直流电转变成交流电；而驱动电机的启动、加减速、制动等均需要通过对驱动电机思考：谈一谈你对电机控制系统的认识有哪些？想一想任务3.2

认识电机控制系统电机控制系统是驱动电机系统的控制单元，其核心部件为电机控制器，如图所示。3.2.1电机控制系统的基本功能电机控制器任务3.2

认识电机控制系统电机控制系统一般具有总线通信、功率调节、能量回馈、高压互锁、过电流保护、过载保护、欠电压保护、过电压保护、缺相保护、故障上报等功能，具体表现在以下几个方面。3.2.1电机控制系统的基本功能（1）采集挡位信号以及加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器的信号。

（2）通过CAN总线与整车控制器、数字仪表板、电池管理系统通信，实现数据交换、指令接收等。任务3.2

认识电机控制系统3.2.1电机控制系统的基本功能（3）控制驱动电机的启动、运行、加减速等。（4）调节驱动电机的输出功率，同时对驱动电机进行各种电气保护。（5）控制实现制动能量回收。

（6）控制防溜车系统。

（7）防止驱动电机出现“飞车”现象，防止功率模块受损。

（8）检测和处理系统内部故障。任务3.2

认识电机控制系统在纯电动汽车行驶过程中，驾驶员根据实际行驶工况的需要，通过操作加速踏板、制动踏板、减速器操纵杆来控制车速。在不考虑换挡的情况下，加速踏板、制动踏板的位置信号就代表了驾驶员的指令，整车控制器通过这些信号判断驾驶员的驾驶意图，并将其转换成各种控制信号发送至电机控制系统。电机控制系统从整车控制器获得整车的需求，从动力电池获得电能，经过自身逆变器的调制，输出驱动电机需要的电流和电压，使得驱动电机的转速和转矩满足整车的要求。3.2.2电机控制系统的控制策略任务3.2

认识电机控制系统因此纯电动汽车实际上是通过驾驶员、动力电池系统、整车控制系统、电机控制系统、驱动电机等实现对车速闭环控制的。电机控制系统的控制策略如图所示。3.2.2电机控制系统的控制策略电机控制系统的控制策略任务3.2

认识电机控制系统电机控制系统的控制策略有以下几种形式。3.2.2电机控制系统的控制策略开环控制车速-电流双闭环控制电流闭环控制车速闭环控制任务3.2

认识电机控制系统3.2.2电机控制系统的控制策略开环控制：利用加速踏板位置信号，通过电机控制器输入PWM占空比信号，其特点是线路简单、成本低，但是当动力电池电压参数发生变化时，电机控制系统没有自调节能力，驱动电机系统的抗干扰能力差，车辆的起步、加速和动力等性能不高。电流闭环控制：利用加速踏板位置信号控制驱动电机的电枢电流，从而控制驱动电机的输出转矩。电流闭环控制系统的主要特点是响应时间短、控制准确，且具有自调节能力，但是此系统容易出现过电流现象，可能导致驱动电机或电机控制器损坏。

任务3.2

认识电机控制系统3.2.2电机控制系统的控制策略车速闭环控制：车速闭环控制:直接根据速度偏差计算驱动电机所需的电压，但在整个控制过程中不能精确地控制驱动电机的输出转矩。车速-电流双闭环控制：具有良好的动态性能，加速踏板位置信号直接关联驾驶员期望车速，车辆的起步、加速、动力等性能表现较好。任务3.2

认识电机控制系统动力电池系统中采用了再生制动器，它通过驱动电机的发电功能将车辆制动减速时多余的动能转换成电能储存至动力电池中，以增大车辆的续驶里程。电机控制系统在制动时与制动器同时控制再生制动器，完美地将原来在减速中作为摩擦热散失的动能回收为行驶用能量。车辆在利用驱动车轮的旋转带动驱动电机发电的同时，还可利用发电时的电磁阻力来减速。3.2.2电机控制系统的控制策略任务3.2

认识电机控制系统3.2.2电机控制系统的控制策略在城市道路上行驶时，反复进行的调速制动操作具有较高的能量回收效果，所以车辆在低速运行时优先使用再生制动器。据统计，在城市道路上行驶100km，可回收的能量等同于1L汽油的能量。任务3.2

认识电机控制系统电机控制器主要由中央控制模块、功率模块、驱动控制模块及各种传感器组成。3.2.3电机控制器的基本结构1.中央控制模块中央控制模块一般包括PWM波形生成电路、复位电路、传感器信号处理电路、交互电路等，如图所示。对外，中央控制模块通过对外接口，接收整车上其他部件的指令和状态信息；对内，中央控制模块把接收到的指令和状态信息传递给逆变器驱动电路，并检测控制效果。中央控制模块扫

一

扫

电机控制器任务3.2

认识电机控制系统3.2.3电机控制器的基本结构2.功率模块电机控制器的主体是一台逆变器，它是通过功率模块对驱动电机的电流、电压进行控制的。功率模块经常选用的功率器件主要有金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)等，其中以IGBT应用最为广泛。比亚迪车规级IGBT模块如图所示。比亚迪车规级IGBT模块任务3.2

认识电机控制系统3.2.3电机控制器的基本结构

在功率半导体方面，我国长期依赖国外进口产品。以IGBT为例，在2017年之前，车规级IGBT几乎100%依赖进口，绝大部分市场份额由外资占据。2018年，比亚迪微电子发布全新一代车规级IGBT标杆性产品——比亚迪IGBT4.0，一举打破了IGBT市场完全被外资芯片巨头垄断的现状。任务3.2

认识电机控制系统3.2.3电机控制器的基本结构3.驱动控制模块

驱动控制模块用于将中央控制模块的指令转换成对逆变器中晶体管的通断指令;并作为保护装置，对系统的电压、电流等进行检测，防止出现过电压、过电流现象。任务3.2

认识电机控制系统3.2.3电机控制器的基本结构4.传感器

电机控制系统应用到的传感器主要包括电流传感器、电压传感器、温度传感器等，可根据设计要求适当增减。电流传感器：用以检测驱动电机工作的实际电流(包括母线电流、三相交流电流等)。电压传感器：用以检测电机控制器工作的实际电压(包括动力电池电压、低压蓄电池电压)。温度传感器：用以检测驱动电机系统的工作温度(包括IGBT模块