车用驱动电机原理与控制基础（第2版）绪论

车用驱动电机原理与控制基础(第2版)绪论21.1电机的发展简史法拉第（1）“电机技术积累阶段”电机的技术起源可以追溯到1831年法拉第发明盘式电机，直至1866年大功率直流发电机研制成功之前的一段时间，可以称为“电机技术积累阶段”。（2）“直流电机的工业化应用”

1866年德国人西门子成功研制自激和并激式大功率直流发电机，开启了大功率机械能向电能转换的序幕，进而引发了19世纪晚期的“电气化”革命。电机技术的发展也进入第一个黄金发展期：“电机技术成熟期”。（3）“交流电动机的发明”进入十九世纪上半叶，各种交流电机不断发明和发展，开始了电机大量工业应用的第一个黄金年代。（4）“电力电子应用于交流电机调速控制”功率半导体技术的发展极大地促进了交流电机调速技术的进步。图1-11831年法拉第圆盘发电机实物模型与电路原理图图1-2斯特金电机原理图图1-3斯特金电机原理图31.2车用驱动电机的特点和常用类型因为车用的特殊应用需求，车用电机有其显著的技术特征，突出体现在如下方面：1）重量比功率高：量化对于整车的能效提高有直接的贡献，因此与固定设备的工业电机不同，车用电机普遍要求尽可能高的单位质量功率。2）体积比功率高：车用空间的优化是永恒的主题。电机系统越紧凑，就越容易满足整车的需要，实现更深度的“嵌入”设计，因此要求单位体积的电机功率要尽可能高。3）效率高：追求高效率是所有电机应用的基本要求。车用电机的主要特点是，驱动电机的高效率区要宽，不只是在特定工作点上有较高的效率，而在较宽的转速、转矩范围内都有较高的效率，从而满足车辆各种行驶工况下的效率优化。4）调速范围宽：除个别车型采用多个速比的变速箱外，电动汽车基本都只有一个固定速比的减速器；为了满足车辆的高速行驶和低速爬坡需求，车用电机的调速范围要非常宽。5）转矩动态响应快：车用电机持续工作于变工况状态下，高的转矩动态响应既是驾驶员驾驶性主观体验的重要技术基础，也是与整车安全功能相关的核心关键指标。6）短时峰值功率大：汽车匀速行驶所需的持续驱动功率显著低于加速工况所需要的短时峰值功率，但加速工况的持续时间较短，因此车用电机设计上（短时）峰值功率与（持续）额定功率相差可以达到一倍以上。7）长寿命、高可靠、环境适应性好和低成本。41.2车用驱动电机的特点和常用类型（1）交流感应电机，也称异步电机，其特点是结构简单、制造方便、坚固耐用、成本低廉、运行可靠、转矩脉动小、低噪声、不需要位置传感器、转速极限高。局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能略差。而且相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低。（2）永磁同步电机，功率密度和效率是永磁同步电机的突出优势，此外，调速范围广、转矩控制性能好、结构简单和可靠性高等特点也很突出，是目前车用电机的首选类型。针对一些特殊应用场合，比如扁平结构或轴向磁通结构电机，永磁电机的技术优势更加突出。根据转子上永磁体的安装位置不同可以分为面装式（SPM）和内置式（IPM）两大类，其中后者因为转子的凸极效应所产生的“磁阻转矩”可以有效提高电机的效率，在车用电机设计上更受青睐。对于反电动势为方波的永磁同步电机，有时也被归类为“直流无刷电机”（BrushlessDCMotor，简称为BLDC）。车用驱动电机永磁同步电机感应电机面装式内置式图1-4常见车用驱动电机分类5典型电机基本组成和工作原理直流有刷电机永磁同步电机61.3车用驱动电机的典型应用ISG电机与P2电机ISG电机又称作P1电机，其具体的安装位置以及结构形式如图1-5所示，电机与发动机直接连接，电机转子取代了传统的飞轮。此结构对传统汽车传动系统改动少，而且具有元件少、噪音低、起动迅速等优点，是目前最为简单、成熟的一种混合驱动方式。P2电机的安装位置位于变速箱的输入端，如图1-6所示。与ISG构型的本质区别在于发动机和电机之间增加了一个离合器（通常称为K0离合器）。所以P2电机驱动构型可以实现纯电驱动、内燃机驱动和混合动力驱动三种工作模式。与ISG构型的混合动力系统类似，不需要改变原来传统燃油汽车的发动机和变速器基本结构。图1-5ISG电机构型布置和结构形式图1-6P2构型安装位置和结构形式71.3车用驱动电机的典型应用电机与变速箱的集成将内燃机和电机输出的旋转机械能在变速箱中通过不同方式耦合，即电机与变速箱集成是目前混合动力车辆的重要技术路线，这种将电机与变速箱集成后的变速箱又称作混合动力专用变速器DHT，其工作原理是通过集成一个或者多个电动机到变速器中形成带电动机的自动变速器系统，叠加发动机输入功率后即可实现混合动力驱动的功能。丰田公司的混合动力系统THS是比较典型的DHT变速器。可以看出该系统采用了发动机与双电机（MG1、MG2）3个动力源，并通过行星齿轮耦合构成电控无极变速器，根据车辆的不同工况实现发动机转速和转矩的双自由度调节。当电动机MG2纯电行驶时，发动机通过电动机MG1给电池充电；发动机也可以与电动机MG2（或者MG1）同时驱动汽车。THS属于功率分流混合动力，通过电动机或发动机控制其转矩比例，从而实现传动比的无级调节，所以THS又被称为电动无级变速器。图1-7第三代THS系统结构示意图81.3车用驱动电机的典型应用三合一纯电驱动总成将电机、控制器和减速器集成起来的三合一电驱动总成系统由于其高集成度，是车用电驱动系统的重要发展方向，该种集成形式的电驱动系统的优势在于：1）集成式设计可以使驱动系统体积减小。驱动系统各部件被整合为一体，这无疑使整个系统更紧凑，使得车辆动力系统的布局可以更加灵活；2）集成式设计可以使驱动系统重量减小。随着主要零部件的高度集成，各部件间的连接线材大幅减少，系统重量也得到了优化，使车辆能耗更低；3）集成化设计有效减小了各部件间的距离，优化了能量传输路径，有利于减低损耗，使动力总成效率更高。图1-8“三合一”电驱动总成91.3车用驱动电机的典型应用轮毂电机图1-9轮边和轮毂电机驱动类型目前轮毂电机驱动方式主要有两种：第一种是所谓“轮边电机”，其典型拓扑结构为内转子外定子，其结构简图如图1-9左图所示，其工作原理是转子作为输出轴与固定减速比的行星齿轮减速器的太阳轮相连，车轮轮毂与其齿圈连接，通过较大的减速比来放大轮毂电机的输出转矩，所以该结构电机一般为高转速内转子电机。第二种是直接驱动轮毂电机，其典型拓扑结构为外转子内定子，结构简图如图1-9右图所示，其工作原理是外转子通过固定装置直接与轮毂相连，当电机运转时，车轮与电机同步旋转，所以直接驱动轮毂电机一般为低速大扭矩外转子电机。10交通强国战略的实施交通电气化是交通领域节能减排的基本技术途径和产业机遇。我国在交通强国战略指导下，在轨道交通、公路交通运载工具电气化领域取得举世瞩目的成就。在轨道交通行业，通过原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新相结合，形成了以CRH高速动车技术为代表的完整的高速铁路技术体系。截至“十三五”末，全国电气化铁路里程数占比超过70%，其中高速铁路通车运行总里程接近四万公里，占世界高铁营业里程的一半以上。在公路交通领域，自上世纪末开始，我国持续开展新能源汽车核心关键技术攻关和产业链培植，在电机、电池等关键零部件领域和电动汽车整车产品等方面均取得跨越式发展，初步实现了在汽车工业领域的战略逆转。2020年，中国新能源汽车销量为130余万辆，占全世界总销量的四成。11中国电机工业的苦难辉煌在西方工业界电气化革命开始的40余年之后，中国的电机工业才蹒跚起步，但生逢乱世，电机工业举步维艰。新中国成立后，中国电机工业与祖国的现代化建设共成长，以恽震、褚应璜为代表的老一辈电机人为中国电机工业的长期发展做出了卓越贡献。近70年来，经过几代人持续不断的努力，我国的电机工业已经达到世界领先水平。在大型水电机组、核电、风电、轨道交通、电动汽车等行业应用领域实现了产业自主和成套装备出口。以车用驱动电机为例，伴随新能源汽车产业的快速发展，我国自主开发的永磁同步电机、交流异步电机