新能源汽车课件电动汽车电机驱动系统

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4.2.3 直流电动机的工作原理
➢直流电动机的工作原理图所示。图中，定子有一对N、S极， 电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分 别与两个换向片接触。
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4.2.4 直流电动机的控制
➢直流电动机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电 阻控制。 ➢电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电动机的转速。这种控 制只适合电动机基速以下的转速控制，它可保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现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速 比一般可达1:10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1:30。电枢调压 控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，由于转速不立即发生变 化，反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小了，转矩也减小了。如果 阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和 转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原 来降低了。
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4.2.1 直流电动机的分类
➢各种励磁方式直流电动机的电路如图所示。
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4.2.2 直流电动机的结构与特点
➢1．直流电动机的结构 ➢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。
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4.2.2 直流电动机的结构与特点
➢2．直流电动机的特点 ➢(1) 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。 ➢(2) 起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节，因此， 凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型 可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动 机拖动。 ➢(3) 控制比较简单。一般用斩波器控制，它具有高效率、控 制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。 ➢(4) 有易损件。由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以 必须进行定期维护或更换。
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4.3.1 无刷直流电动机的分类
➢无刷直流电动机按照工作特性，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。 ➢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。这类电动机由直流电源供电， 借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电 子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电动机具有有刷直 流电动机的各种运行特性。 ➢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，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电动机。 因此，它们具有同步电动机的各种运行特性。
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4.1.4 电动汽车电机驱动系统的发展趋势
➢（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩 大。 ➢（2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓 宽。 ➢（3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。 ➢（4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加。 ➢（5）车用电驱动控制系统的集成动系统的组成与类型
➢1．电动汽车电机驱动系统的组成 ➢电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电机、功率转化器、 控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是 在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的 动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。
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4.1.1 电动汽车电机驱动系统的组成与类型
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4.3.2 无刷直流电动机结构与特点
➢1．无刷直流电动机的结构 ➢无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置 传感器三部分组成。 ➢(1) 电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体由定子和转 子两部分组成。 ➢ (2) 电子换相器。电子换相器是由功率开关和位置信号处理 电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。 ➢ (3) 位置传感器。位置传感器在无刷直流电动机中起着检测 转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息， 即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电 路处理后控制定子绕组换相。
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4.1.3 电动汽车对电动机的要求
➢电动汽车在行驶过程中，经常频繁地启动/停车、加速/减速 等，这就要求电动汽车中的电动机比一般工业应用的电动机 性能更高，基本要求如下： ➢ (1) 电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区， 要求低速运行时具有大转矩，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能够高速行驶的要求； ➢(2) 电动机应具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能 力强，加速性能好，使用寿命长的特点； ➢(3) 电动机应在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高 一次充电的续驶里程；
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4.3.2 无刷直流电动机结构与特点
➢无刷直流电动机实物图。
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4.3.2 无刷直流电动机结构与特点
➢无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点： ➢(1) 外特性好，非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有 低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的 加速要求； ➢(2) 可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由 于受机械换向的影响，只能在中低速下运行； ➢(3) 效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率， 这对珍贵的电池能量是很重要的； ➢(4) 过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上， 满足电动汽车的突起堵转需要；
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4.2.1 直流电动机的分类
➢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。若串励绕组产生的磁通势与 并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势 方向相反，则称为差复励。
➢复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运 行效率高。由于电动机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用 该类电动机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于 电动机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励 磁磁场的大小，能克服纯永磁他励直流电动机不能产生足够 的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而 电动机的重量或体积比串励电动机的小。
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4.2.1 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连接关系，而由 其它直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电 压或电枢电流的影响。永磁直流电动机也可看作他励直流电 动机。 ➢他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制， 容易实现电动汽车的再生制动要求。但当采用永磁激励时， 虽然电动机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定， 电动机的机械特性不理想，驱动电动机产生不了足够大的输 出转矩来满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。
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4.2.4 直流电动机的控制
➢磁场控制是指通过调节直流电动机的励磁电流改变每极磁通量，从而调 节电动机的转速，这种控制只适合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，一般不超 过1:3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控 整流电源作为励磁电源。 ➢磁场控制的调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性， 转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢 电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未 变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随 着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。
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4.2.4 直流电动机的控制
➢电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时，通过 改变电枢回路电阻来调节电动机的转速。这种控制方法的机 械特性较软，而且电动机运行不稳定，一般很少应用。对于 小型串励电动机，常采用电枢回路串电阻控制方式。
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4.3 无刷直流电动机
➢4.3.1 无刷直流电动机的分类 ➢4.3.2 无刷直流电动机的结构与特点 ➢4.3.3 无刷直流电动机的工作原理 ➢4.3.4 无刷直流电动机的控制
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4.2.1 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基本相同。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，使得通过它的励磁电流较小。 ➢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变有显著的变化。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。
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4.3.2 无刷直流电动机结构与特点
➢(5) 再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久 磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给 电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担； ➢(6) 体积小、重量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空 间； ➢(7) 无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机 内部，可靠性高； ➢(8) 控制系统比异步电动机简单。 ➢缺点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。
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4.2 直流电动机
➢4.2.1 直流电动机的分类 ➢4.2.2 直流电动机的结构与特点 ➢4.2.3 直流电动机的工作原理 ➢4.2.4 直流电动机的控制
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4.2.1 直流电动机的分类
➢直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。 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。