《新能源汽车电机及控制系统检修》教案-第3课-驱动电机(一)

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课题驱动电机（一）——驱动电机认知课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）了解驱动电机的分类与特点（2）熟悉驱动电机的技术参数与性能要求素质目标：（1）弘扬科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神（2）养成好学上进、开拓创新的工作作风，具备良好的人文素养和职业道德（3）增强规范操作、安全操作的意识教学重难点教学重点：驱动电机的分类、特点、技术参数与性能要求教学难点：熟悉驱动电机的技术参数与性能要求教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：传授新知（28min）课堂讨论（10min）第2节课：实践操作（40min）课堂小结（3min）作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单——认识不同车型的驱动电机”，并根据任务工单进行组内分工，同时提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，收集驱动电机特点及在性能方面有哪些要求的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况案例导入

（5min）【教师】讲述“打破固论，新能源SUV征服沙漠”的案例，然后提出以下问题：（1）适时四驱和全时四驱的区别是什么？（2）双电机全时四驱技术的唐DM工作模式是什么？有哪些优越性？（3）驱动电机有哪些特点，在性能方面有哪些要求？【学生】聆听、思考、举手回答通过与本任务相关的案例引出任务，激发学生的学习兴趣，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知

（28min）【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解驱动电机的分类、特点、技术参数与性能要求2.1.1驱动电机的分类驱动电机是将动力电池提供的电能转化为机械能来驱动车辆行驶的机构。此外，驱动电机还具有发电机的功能，即把车辆滑行和制动时的机械能转化为电能，并将其存储于动力电池中。根据不同的分类标准，驱动电机可分成不同的类型。1．按运转速度划分按运转速度的不同，驱动电机可分为低速电机、中速电机和高速电机。其中，中速电机和高速电机在新能源汽车中应用较广泛。1）低速电机低速电机的转速通常为3000～6000r/min。低速电机的缺点是尺寸大、控制器尺寸较大、内部损耗大等，优点是其变速器的速比较小，结构简单。低速电机因转动惯量较大、反应较慢，而不太适用于新能源汽车。2）中速电机中速电机的转速通常为6000～10000r/min，其各种参数介于低速电机和高速电机之间。3）高速电机高速电机的转速通常为10000r/min以上。高速电机的缺点是变速器的速比较大，通常需要采用行星齿轮传动机构，优点是功率密度高、传动效率高、噪音小、动态响应快、控制器尺寸较小、内部损耗小等。高速电机的应用受电磁材料的性能、转轴的承载能力等限制。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述速比、功率密度、传动效率的概念（1）速比：在汽车传动系统中，变速器的输入轴转速与输出轴转速的比值。（2）功率密度：输出功率与导电、导磁材料体积或质量的比值。（3）传动效率：输出功率与输入功率的比值。【学生】聆听、思考2．按转速能否调节划分按在特定电源频率下转速能否调节，驱动电机可分为恒速电机和调速电机。1）恒速电机恒速电机是指转速与电源频率成恒定比例的电机。只要电源频率一定，恒速电机的转速就是一定的。2）调速电机调速电机是指通过改变磁极对数、电压、电流、频率等来改变转速，以提高汽车性能的电机。按调速方式的不同，调速电机可分为电磁调速电机、直流调速电机、脉冲宽度调制变频调速电机和开关磁阻调速电机（简称开关磁阻电机）；按能否连续调节速度，调速电机可分为有级调速电机和无级调速电机。3．按结构和工作原理划分按结构和工作原理的不同，驱动电机可分为直流电机和交流电机，如下图所示。驱动电机的类型1）直流电机直流电机是出现最早的电机，具有调速性能好、启动容易、能够载重启动等优点，但在价格、维护成本等方面不如交流电机。按励磁方式的不同，直流电机可分为永磁直流电机和电励磁直流电机。（1）按永磁材料种类的不同，永磁直流电机可分为稀土永磁直流电机、铁氧体永磁直流电机和铝镍钴永磁直流电机。（2）按励磁方式的不同，电励磁直流电机可分为串励直流电机、并励直流电机、复励直流电机和他励直流电机。另外，按有无电刷和换向器，直流电机可分为无刷直流电机和有刷直流电机。2）交流电机交流电机结构简单、制造方便、可靠性好，且具备高转速、高电压、大电流、大容量等特点。按转子的旋转速度与定子磁场的旋转速度是否一致，交流电机可分为交流同步电机和交流异步电机。（1）交流同步电机可分为永磁同步电机、磁阻同步电机和磁滞同步电机。（2）交流异步电机可分为交流换向器电机和感应电机。其中，感应电机又可分为单相异步电机和三相异步电机。2.1.2驱动电机的特点及应用驱动电机的种类繁多，应用较广泛的、典型的驱动电机主要有直流电机、三相异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机等，下面对这四类驱动电机的特点及应用进行简单介绍。1）直流电机在新能源汽车发展的早期，大部分车辆都采用直流电机（详见教材）。2）三相异步电机三相异步电机运行可靠，且相对永磁同步电机具有价格优势。与同功率的直流电机相比，三相异步电机的效率更高，质量减少了二分之一左右。如果采用矢量控制，三相异步电机可以获得与直流电机相媲美的可控性和更宽的调速范围。三相异步电机的不足之处体现在以下几方面：①能耗高，转子发热快，需要为高速工况设置额外的冷却系统；②功率密度低，不利于提高车辆的最大行驶里程；③控制系统很复杂，技术要求较高。3）永磁同步电机永磁同步电机具有体积小、质量轻、可靠性高、运行安全可靠、能量利用率较高等优点。相较于直流电机，永磁同步电机不需要安装电刷和机械换向器，工作时不会产生火花；相较于三相异步电机，永磁同步电机的控制系统更简单、调速精度更高、响应速度更快。永磁同步电机具有较高的功率密度，其工作效率最高可达97%，能够为车辆提供较大的动力，广泛用在新能源汽车上。永磁同步电机转子中的永磁材料在高温、振动或过流的条件下，会发生磁性衰退的现象，永磁同步电机容易损坏，且永磁材料价格较高，因此永磁同步电机的生产、维护成本较高。4）开关磁阻电机开关磁阻电机具有价格低、电路简单可靠、调速范围宽等优点，但振动、噪声大，控制系统复杂，且对直流电源会产生很大的脉冲电流，多用于大型客车中。以三相开关磁阻电机为例介绍其运行原理（见下图），定子铁芯和转子铁芯由硅钢片叠压而成，二者的齿槽构成双凸极结构，定子具有三对线圈组成的绕组，转子没有绕组，定子绕组通电后，产生旋转磁场，而根据磁阻最小原理，转子会受到旋转磁场的作用而发生转动。三相开关磁阻电机的运行原理示意图【知识链接】拓展知识面【教师】讲述磁阻最小原理及磁阻的概念（1）磁阻最小原理：磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。（2）磁阻：一段磁路的磁位差和磁通量的比值。【学生】聆听、思考【科技前沿】拓展知识面【教师】讲述“轮毂电机技术”新能源汽车驱动电机历经了三代技术革新：第一代是中央电机集中驱动技术；第二代是轮边电机技术；第三代是轮毂电机（见下图）技术。与前两代技术相比，轮毂电机技术能有效解决新能源汽车在成本、能耗等方面存在的难以突破瓶颈的问题。1．轮毂电机技术的优点轮毂电机技术具有传动效率高、节省空间、易控制、成本低、易实现模块化等优点。2．轮毂电机技术的难点受到相关理论知识、技术条件的制约，轮毂电机技术具有以下几个难点。（1）轮毂电机大幅度增大了簧下质量，也增加了轮毂的转动惯量，会导致车辆的操控性能变差，如加速响应慢，颠簸路况下悬架的响应慢等。（2）由于轮毂电机的容量较小，不能满足整车制动性能的要求，因此需要附加机械制动系统。但是，机械制动系统将带来更大的能量消耗，影响车辆的最大行驶里程。（3）轮毂电机内置在轮毂里，工作环境恶劣。为满足轮毂电机对工作环境的要求，设计轮毂电机时要充分考虑防水、防尘、防振等问题。同时，轮毂电机的冷却和散热也是当前尚需解决的技术难点。【学生】聆听、思考2.1.3驱动电机的技术参数驱动电机主要的技术参数包括以下几个。（1）额定电压：在额定工况下，输入定子绕组的线电压值。其中，额定工况是指驱动电机可以长时间稳定工作的状态。（2）额定电流：在额定电压下，通过定子绕组的线电流值。（3）额定功率：在额定工况下，驱动电机转轴上输出的机械功率。（4）额定转速：驱动电机在额定功率下的最低转速。（5）峰值功率：在规定的持续时间内，允许驱动电机输出的最大功率。（6）最高工作转速：在额定电压下，驱动电机带负载运行所能达到的最高转速。（7）最高转速：在无负载条件下，允许驱动电机的最高转速。（8）额定转矩：驱动电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。（9）峰值转矩：在规定的持续时间内，允许驱动电机输出的最大转矩。（10）堵转转矩：转子在所有角位堵住时所产生的转矩最小测得值。（11）机械效率：在额定工况下，驱动电机转轴输出的机械功率与电源输入定子绕组的电功率之比。（12）电机及控制系统整体效率：驱动电机转轴输出的机械功率与电机控制器输入的电功率之比。（13）最大温升：驱动电机在运行时与环境之间允许存在的最大温差。（14）额定频率：在额定工况下，驱动电机中电枢绕组的电流频率。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是电枢（1）电枢是驱动电机中装有导线的部件。直流电机中电枢为转子，交流电机中电枢为定子。例如，永磁同步电机的定子铁芯也称为电枢铁芯，其定子绕组也称为电枢绕组。（2）为了方便驱动电机的使用和检修，通常将记录了技术参数的铭牌固定在驱动电机外壳上。【学生】聆听、思考2.1.4驱动电机的性能要求驱动电机的性能一般需要满足以下几点要求。（1）电压高。采用高电压的驱动电机尺寸较小，逆变器的成本较低，能量转换效率较高等。（2）转速高。在电机转矩一定的情况下，提高转速可以提高电机功率；同样，在电机功率一定的情况下，提高转速可以提高电机转矩。转速高的驱动电机具有体积小、质量轻等特点，有利于降低整备质量。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述整备质量及续航能力整备质量包括动力电池、冷却液、玻璃洗涤液、润滑油、随车工具和备用车轮、车载充电器、手提式充电器等的质量，但是不包括乘员或装载质量。续航能力是新能源汽车行业关注的焦点，整备质量对续航能力有显著影响，减小整备质量可以大大提高汽车的续航能力。但是，整备质量大的车辆稳定性好，特别是在急转弯和急刹车的时候，优势很明显，因此车辆的整备质量也并非越小越好。【学生】聆听、思考（3）转矩密度、功率密度大，体积小、质量轻。驱动电机的转矩密度、功率密度越大，其在新能源汽车中占用的空间就越小。此外，电机外壳、各种控制装置、冷却系统等应尽可能选用轻质材料，如采用铝合金的电机外壳，以降低电机总成的质量。（4）启动转矩大，调速范围宽，可满足车辆启动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。此外，驱动电机应具有自动调速功能，以减轻驾驶人的操作强度，提高车辆加速过程中乘坐的舒适性。（5）需要有较好的承受过载的能力，以满足车辆快速加速与最大爬坡度的要求。（6）具有高可控性、高稳态精度、良好的动态性能，必要时可实现多部驱动电机协调运行。（7）机械效率高、损耗少。（8）可兼做发电机使用，具有制动能量回收功能，以延长车辆的续驶里程。（9）必须装备高压保护装置。（10）能够在恶劣条件下可靠工作，即具有耐潮、适应极端温度的能力，且工作时噪声小。（11）散热性好，能确保车辆行驶过程中各零部件的正常功能，以及乘员的人身安全。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述转矩密度、动态性能、稳态性能的相关知识（1）转矩密度：转矩与导电（或导磁）材料体积的比值。（2）动态性能：驱动电机在负载突变时表现出的特性，如速降、恢复时间、超调量等。（3）稳态性能：驱动电机在负载稳定时表现出的特性，如转速、电流等是否稳定。【学生】聆听、思考【学生】聆听、思考、理解、记忆通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解驱动电机的分类、特点、技术参数与性能要求课堂讨论（10min）【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：（1）驱动电机分为哪几类？。（2）新能源汽车中常用的驱动电机有哪些？挑选其中两种驱动电机进行比较。（3）驱动电机的5个技术参数是什么？（4）驱动电机的5个性能要求是什么？【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课实践操作（40min）【教师】组织学生扫码观看“比较不同车型的外观、比较不同车型的驱动电机及铭牌”视频，然后带领学生到实操间进行实践操作1．情景描述小兵高考后被职业学校的新能源汽车技术专业录取，在入学前，想趁着假期的空闲时间，提前了解一下与专业相关的知识。一天，小兵来到亲戚家的汽车维修公司参观实习。小兵一直对新能源汽车的驱动电机很感兴趣，于是仔细观察了不同车型驱动电机的外观及其铭牌。2．准备工作（1）台架车辆：电机及控制系统实训台、吉利帝豪EV450纯电动汽车、比亚迪e5纯电动汽车。（2）辅助资料：维修手册、教材。3．操作步骤（1）比较不同车型的外观，如图所示。吉利帝豪EV450纯电动汽车外观比亚迪e5纯电动汽车外观通过以上车型的外观比较，可以看出车头、车尾都有车辆品牌的标志，而车型的标号通常在车尾。这些信息是认识驱动电机的基础。比较不同车型的驱动电机，如图所示。吉利帝豪EV450纯电动汽车驱动电机的外观比亚迪e5纯电动汽车驱动电机的外观通过以上车型驱动电机的外观比较，可以看出驱动电机的接线盒（或接线处）和传感器通常布置在后端或者靠近后端的位置，铭牌通常布置在驱动电机的侧面或者后端较平整的位置。（3）比较不同车型驱动电机的铭牌，如图所示。吉利帝豪EV450纯电动汽车驱动电机的铭牌比亚迪e5纯电动汽车驱动电机的铭牌通过以上车型驱动电机的