电机及驱动系统
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电动汽车
——电动机及驱动系统
第一节 电动机概述
一、电动机分类
按功能分 驱动电动机 控制电动机（包括步进、测速、伺服等）
百度文库
按转速与电网电源频率之间的关系分 同步电动机 异步电动机
按最高转速分 普通电机（最高转速低于6000r/min） 高速电机（最高转速高于6000r/min）
按电源相数分 按防护型式分
第一节 概 述
1、电动机调速性能指标
1)机械特性和负载特性
机械特性：电动机转矩T与转速n的关系n=f(T)曲线。曲线斜率大 表示机械特性硬度软；反之表示调速特性硬，即转矩随转速变化小。 机械特性是电动机主要调速性能指标，也是电力拖动重要研究内容。 负载特性：电动机所带负载转矩TL随转速n变化所要求的特性关系， 随各类机械装置所带负载不同存在较大差别，要求电机调速控制系统 有多种可修改设置参数以匹配于不同负载特性。
电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。
3）调速范围宽。在高、低速各工况均能高效运行，需电机有较宽调速范围，并
保持理想调速特性。通常电机在所设计额定功率及其转速附近运行效率较高，而远 离额定点效率必降低，为此将提出多级额定转速设计，以减化机械传动而减少其摩 擦损耗和车载质量。
永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种。 采用永磁铁励磁极大提高电机效率和功率密度(单位体积的功率)， 但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响 较大，存在可靠性不足及功率受限等缺点。
开关磁阻电机：为新型机电一体化装置，具有结构简单、性能可靠、成本低、效率高、调速 范围宽、起动力矩大、过载能力强、可方便有效地实现发电回馈和电磁制动等优点，特别适于 汽车重载起步、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命缺点是存在较大转矩脉动，从而 引起较大的振动和噪声；经多年不懈努力基本上解决了此难题。
为此多年来电机调速控制系统的技术发展变化巨大，并且改进
提高的研究也是多方面的，其发展趋向呈下述特点。
2、电机调速控制系统的发展和研究方向
1)传动系统。由机械齿轮多档变速控制系统；过渡到机械与电气 联合控制系统；正向着全电气控制系统发展。
2)电机结构。由直流有刷电机；过渡到直流无刷电机、交流异步 电机等；正向着永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、 三维磁路、无传感器等结构发展。
应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配
第一节 概 述
2)调速范围 有两种表示法：
①所要求最高转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；
②调速系统能达到的最高转速nmax与基速nbase(通常也为设计的额定
转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase。
通常，采用多档齿轮与电机结合的多级调速法。存在摩擦使效率低，
即为：
调速效 P2率 P2
P 1 P2P
5）平滑性。针对机械齿轮有级调速，齿轮档位数愈多使调速级数愈多
则调速平滑性也愈好。而仅由电气控制的调速系统即为无级调速。
第一节 概 述
2、电机调速控制系统的发展和研究方向
据美国能源部评估，电动机能耗占整个工业用电的63%；日本
曾估算国内所用电机每台效率仅提高一个百分点，就能省去一个 大型核电站；而我国所用电机耗电量也约占全国用电量的60%。 说明电机节能潜力巨大，尤其在调速控制应用领域，更何况对 电动汽车采用能源更受限的移动式电源。电机运行期所需费用约 98%为电费，所节能电机控制系统即使成本增加15～30%也为合算。
第一节 概 述
3、电动汽车对动力驱动系统的要求
为适应在起步、加速、匀速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑
行、制动和停车等各种行驶工况的负载特性匹配要求，电动汽车的动 力驱动系统应满足：
1）起动力矩大和过载能力强。不仅要满足汽车带负载频繁起步要求，同时还
希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。
2）限制电机过大的峰值电流。小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通
应用较少
目前应用较少，但有一定发展空间 目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机等。
丰田Prius、本田Civic、Insight HV
交流同步电机
大型混合动力电动巴士
三相交流感应电机
直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点；
交流电机：具有效率高、体积小、免维护等优点； 但其驱动控制器需将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制 变频调速，控制线路复杂。
第一节 概 述
3）静差率。电动机从理想空载(T=0)加到额定负载(T=Te)时， 由理想空载转速n0降为额定转速ne的转速降Δne与n0之比，即表示为：
百分% 数 n e静 1% 0差 0 n 0 n e 率 1% 00
n 0
n 0
电动机调速机械特性愈硬，静差率愈小，而相对稳定性愈高。
4）调速效率。为输出功率P2与输入功率P1之比，与损耗功率ΔP相关。
3)控制电路。由分立元件、模拟电路；过渡到集成电路、数字和 模拟混合电路；向高集成电路、全数字电路发展。
4)电力电子器件。向全控型电力电子控制器件发展。
5)控制策略。由低效有级控制；过渡到低效无级控制；向着高效 无级控制及智能控制的高性能系统发展。而控制方法有最优控制、 滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。
单相电动机
三相电动机
Y,A,E,B,F,H,C.最低90，最高200
开启式 防护式 封闭式 隔爆式 防水式
按安装结构型式分 卧式 立式 带底脚式 带凸缘式
按绝缘等级分 E级(120) B级(130) F级(155) H级(180)
潜水式 按电能种类分 直流电动机
交流电动机（方波电机、正弦波等）
适用于电力驱动的电动机的分类
维护要求高，动态响应慢，同时也直接降低调速平滑性。
随电力调速拖动技术发展，现常用一档齿轮减速增矩仅由电控调速，
更有趋于电机直驱调速而提高机械调速特性与负载转矩特性匹配要求。
为提高调速范围希望nmax大、nmin小。降低nmin受低速运行相对稳定性
限制，通常在低于基速前采用降压恒转矩调速，高于基速后采用弱磁 恒功率调速来增大nmax，而弱磁调速与电机类型相关:永磁电机因弱磁 较难使转速因子x=2、而交流异步电机x=4、开关磁阻电机x=6。
——电动机及驱动系统
第一节 电动机概述
一、电动机分类
按功能分 驱动电动机 控制电动机（包括步进、测速、伺服等）
百度文库
按转速与电网电源频率之间的关系分 同步电动机 异步电动机
按最高转速分 普通电机（最高转速低于6000r/min） 高速电机（最高转速高于6000r/min）
按电源相数分 按防护型式分
第一节 概 述
1、电动机调速性能指标
1)机械特性和负载特性
机械特性：电动机转矩T与转速n的关系n=f(T)曲线。曲线斜率大 表示机械特性硬度软；反之表示调速特性硬，即转矩随转速变化小。 机械特性是电动机主要调速性能指标，也是电力拖动重要研究内容。 负载特性：电动机所带负载转矩TL随转速n变化所要求的特性关系， 随各类机械装置所带负载不同存在较大差别，要求电机调速控制系统 有多种可修改设置参数以匹配于不同负载特性。
电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。
3）调速范围宽。在高、低速各工况均能高效运行，需电机有较宽调速范围，并
保持理想调速特性。通常电机在所设计额定功率及其转速附近运行效率较高，而远 离额定点效率必降低，为此将提出多级额定转速设计，以减化机械传动而减少其摩 擦损耗和车载质量。
永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种。 采用永磁铁励磁极大提高电机效率和功率密度(单位体积的功率)， 但驱动控制器相对较复杂而使成本较高，也由于永磁体受温度影响 较大，存在可靠性不足及功率受限等缺点。
开关磁阻电机：为新型机电一体化装置，具有结构简单、性能可靠、成本低、效率高、调速 范围宽、起动力矩大、过载能力强、可方便有效地实现发电回馈和电磁制动等优点，特别适于 汽车重载起步、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命缺点是存在较大转矩脉动，从而 引起较大的振动和噪声；经多年不懈努力基本上解决了此难题。
为此多年来电机调速控制系统的技术发展变化巨大，并且改进
提高的研究也是多方面的，其发展趋向呈下述特点。
2、电机调速控制系统的发展和研究方向
1)传动系统。由机械齿轮多档变速控制系统；过渡到机械与电气 联合控制系统；正向着全电气控制系统发展。
2)电机结构。由直流有刷电机；过渡到直流无刷电机、交流异步 电机等；正向着永磁式、双凸极、双定子、双转子、复合结构、 三维磁路、无传感器等结构发展。
应满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配
第一节 概 述
2)调速范围 有两种表示法：
①所要求最高转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；
②调速系统能达到的最高转速nmax与基速nbase(通常也为设计的额定
转速ne)之比，即转速因子x=nmax/nbase。
通常，采用多档齿轮与电机结合的多级调速法。存在摩擦使效率低，
即为：
调速效 P2率 P2
P 1 P2P
5）平滑性。针对机械齿轮有级调速，齿轮档位数愈多使调速级数愈多
则调速平滑性也愈好。而仅由电气控制的调速系统即为无级调速。
第一节 概 述
2、电机调速控制系统的发展和研究方向
据美国能源部评估，电动机能耗占整个工业用电的63%；日本
曾估算国内所用电机每台效率仅提高一个百分点，就能省去一个 大型核电站；而我国所用电机耗电量也约占全国用电量的60%。 说明电机节能潜力巨大，尤其在调速控制应用领域，更何况对 电动汽车采用能源更受限的移动式电源。电机运行期所需费用约 98%为电费，所节能电机控制系统即使成本增加15～30%也为合算。
第一节 概 述
3、电动汽车对动力驱动系统的要求
为适应在起步、加速、匀速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑
行、制动和停车等各种行驶工况的负载特性匹配要求，电动汽车的动 力驱动系统应满足：
1）起动力矩大和过载能力强。不仅要满足汽车带负载频繁起步要求，同时还
希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。
2）限制电机过大的峰值电流。小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通
应用较少
目前应用较少，但有一定发展空间 目前应用较多的是交流同步电机、永磁同步电机和三相交流感应电机等。
丰田Prius、本田Civic、Insight HV
交流同步电机
大型混合动力电动巴士
三相交流感应电机
直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点；
交流电机：具有效率高、体积小、免维护等优点； 但其驱动控制器需将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制 变频调速，控制线路复杂。
第一节 概 述
3）静差率。电动机从理想空载(T=0)加到额定负载(T=Te)时， 由理想空载转速n0降为额定转速ne的转速降Δne与n0之比，即表示为：
百分% 数 n e静 1% 0差 0 n 0 n e 率 1% 00
n 0
n 0
电动机调速机械特性愈硬，静差率愈小，而相对稳定性愈高。
4）调速效率。为输出功率P2与输入功率P1之比，与损耗功率ΔP相关。
3)控制电路。由分立元件、模拟电路；过渡到集成电路、数字和 模拟混合电路；向高集成电路、全数字电路发展。
4)电力电子器件。向全控型电力电子控制器件发展。
5)控制策略。由低效有级控制；过渡到低效无级控制；向着高效 无级控制及智能控制的高性能系统发展。而控制方法有最优控制、 滑模控制、鲁棒控制、模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。
单相电动机
三相电动机
Y,A,E,B,F,H,C.最低90，最高200
开启式 防护式 封闭式 隔爆式 防水式
按安装结构型式分 卧式 立式 带底脚式 带凸缘式
按绝缘等级分 E级(120) B级(130) F级(155) H级(180)
潜水式 按电能种类分 直流电动机
交流电动机（方波电机、正弦波等）
适用于电力驱动的电动机的分类
维护要求高，动态响应慢，同时也直接降低调速平滑性。
随电力调速拖动技术发展，现常用一档齿轮减速增矩仅由电控调速，
更有趋于电机直驱调速而提高机械调速特性与负载转矩特性匹配要求。
为提高调速范围希望nmax大、nmin小。降低nmin受低速运行相对稳定性
限制，通常在低于基速前采用降压恒转矩调速，高于基速后采用弱磁 恒功率调速来增大nmax，而弱磁调速与电机类型相关:永磁电机因弱磁 较难使转速因子x=2、而交流异步电机x=4、开关磁阻电机x=6。