1、第六章 新能源汽车电机驱动系统新能源汽车概论（AR 增强现实版）职业院校“十三五”汽车专业规划教材第四节 永磁同步电动机目录导航第一节 概述第三节 三相异步感应电动机第二节 直流电动机第四节 永磁同步电动机第五节 磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统3 第一节 概述新能源汽车驱动系统包括能源、电机和控制器。控制器主要由功率模块（电源的电子开关线路）和控制模块（包括微处理器和相应软件）组成。控制器的作用是将动力源的电能转变为适合于电机运行的另一种形式的电能，所以控制器本质上是一个电能变换控制装置。控制器选择恰当时，驱动系统的性能决定于电机。第六章新能源汽车电机驱动系统4 图 6.1 电动机研究
2、开发历程一、电动机的类型电动机是把电能转换成机械能的装置。它被广泛应用于机械、冶金、石油、煤炭、化工、航空、交通、农业等各种行业。常见的电机分类及其种类如下：直流电动机永磁同步电动机交流感应电动机开关磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统5 电动机的类型常见的电动机中适用于电力驱动的电动机的分类如表6.1所示。表表6.1几种典型电动机的性能特性几种典型电动机的性能特性性能及类型性能及类型直流电动机直流电动机异步电动机异步电动机永磁同步电动机永磁同步电动机开关磁阻电动机开关磁阻电动机转速范围转速范围/rpm40006000120002000040001000015000功率密度功率密度低中高较高
3、电动机重量电动机重量重中轻轻电动机体积电动机体积大中小小可靠性可靠性一般好优良好结构坚固性结构坚固性差好好好控制器成本控制器成本低高高一般第六章新能源汽车电机驱动系统6 ）(b) (c)图6.2新能源汽车电动机的位置示意图新能源动力汽车，其特点是将不同类型的能源转换为电能，电动机将电能转换为机械能，并通过传动系统将机械能传递到车轮驱动车辆行驶。电动机在动力系统中的位置如图6.2所示。电动机可单独驱动汽车行驶，在市区实现零排放。不同的汽车对电机的功能要求不同。二、新能源驱动系统中电动机的功用1.纯电动汽车对电机的要求电动汽车对电机的要求是功率和转矩应满足电动车辆动力性能的要求，适应车辆频繁的起动
4、、加速、制动减速和倒车的运动要求；一般要求电机能承受24倍的过载，并能实现四象限的运转和高效回收车辆在制动是的反馈能量；电机工作电压高、转速高可以提高电机的比功率，减小电机的尺寸、降低重量和有利于在车辆上的安装布置；电机具有良好的可靠性、耐温、耐湿，结构简单维修方便。2.混合动力汽车对电机的要求混合动力汽车对电机的要求是电动机可单独驱动汽车行驶，在市区实现零排放。电动机在汽车启动、加速、大负荷运行时可以与发动机共同驱动汽车，在减速制动时以再生模式工作，起回收制动能量作用，与发电机功能相同。第六章新能源汽车电机驱动系统7 三、新能源汽车对驱动电机的性能要求1高电压2高转速3起动转矩大、调速范围宽
5、4 防过载能力强5具有高可控性、稳态精度、动态性能，机械效率高，以满足多部电机协调运行。6可兼做发电机使用7安全有保障具有高可控性、稳态精度、动态性能，机械效率高，以满足多部电机协调运行。安全有保障8. 结构简单，适合大批量生产，使用维修方便，价格便宜目录导航第一节 概述第二节 直流电动机第三节 三相异步感应电动机第四节 永磁同步电动机第五节 磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统9 图6.6直流电动机构造1. 直流电动机组成第二节直流电动机一、直流电动机的工作原理如图6.6所示，直流电动机分为两部分，定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器
6、，轴和风扇等。定子和转子之间由空气隙分开。（1）定子定子就是发动机中固定不动的部分，它主要由主磁极、机座和电刷装置组成。主磁极是由主磁极铁芯（极心和极掌）和励磁绕组组成，其作用时用来产生磁场。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度分配最为合理，并用来阻挡励磁绕组。主磁极用硅钢片叠成，固定在机座上。机座也是磁路的一部分，常用铸钢制成。电刷是引入电流的装置，其位置固定不变。它与转动的交换器作滑动连接，将外加的直流电流引入电枢绕组中，使其转化为交流电流。在微型直流电动机中，也有用永久磁铁作磁极的。第六章新能源汽车电机驱动系统10 （2）转子转子是电动机的转动部分，主要由电枢和换向
7、器组成。电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要包括电枢铁芯和电枢饶组。电枢铁芯成圆柱形，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放电枢绕组。通有电流的电枢绕组在磁场中受到电磁力矩的作用，驱动转子旋转，起了能量转换的枢纽作用，故称“电枢”。换向器又称整流子，是直流电动机的一种特殊装置。它是由楔形铜片叠成，片间用云母垫片绝缘。换向片嵌放在套筒上，用压圈固定后成为换向器再压装，在转轴上电枢绕组的导线按一定的规则焊接在换向片突出的叉口中。在换向器表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路连接起来，并实现将外部直流电流转化为电枢绕组内的交流电流。1、直流电动机的组成第二节直流电动机第六章新能源汽车电
8、机驱动系统11 第二节直流电动机2. 直流电动机工作原理直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是N极有效边的电流方向向里, S极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后受力(左手定则)按逆时针方向旋转。线圈在磁场中旋转将在线圈中产生感应电动势，由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反，也称为反电动势。虽然电流方向使交替变化，但线圈所受电磁力的方向不改变，因而线圈可以连续地按逆时针方向旋转。 第六章新能源汽车电机驱动系统12 图6.8 个种励磁方式的直流电动机(他励 (b)并励 (c)串励 (d) 积复励 (e)差复励第二节直流
9、电动机电动机是根据电磁感应原理实现能量转换的，电机磁场的建立的两种途径：一是对励磁线圈通电产生磁场，二是使用永久磁铁形成磁场。直流电动机使用线圈励磁分为他励和自励两类，而直流电动机的性能随着励磁方式不同将产生很大差别。他励电动机的励磁线圈与转子电枢的电压分开，他励直流电动机能够分别控制励磁电流和电枢电流，实现对他励直流电动机的控制。他励直流电动机具有线性特性和稳定输出的特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动是的再生制动，回收一部分能量。他励直流电动机的励磁电路如图6.8（a）所示。由其它直流电源单独供给电流，而与电枢绕组无 连接关系。自励直流电动机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电
10、枢绕组的连接关系，又可分为并励、串励和复励三种。 3、直流电动机的励磁第六章新能源汽车电机驱动系统13 第二节 直流电动机BLDCM是随电子技术的发展而出现的一种新型电动机。它以电子换向装置代替了直流电动机的电刷和换向器，其特性与普通直流电动机相类似，但是在性能上保持了普通直流电动机的优点而克服了其缺点。它具有调速范围宽，启动迅速、寿命长、维护方便、 可靠性高，噪声较低、无换向火花和无线电干扰等特点。无刷电动机转子上即无铜损又无鉄耗，其效率比同容量异步电动机提高10%12%. 4、无刷直流电动机BLDCM（brushless DC motor）图6.9 直流无刷电动机结构1.) 直流无刷电动机
11、组成与功用无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路三个基本部分组成。其定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似，转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。电动机结构组成如图6.9所示。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。第六章新能源汽车电机驱动系统14 2. ）直流无刷电动机工作原理 无刷直流电机的工作原理比
12、较复杂，其工作原理如图6.10所示，主要是通过转子位置传感器输出信号控制电子换相线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次通电，从而在定子上产生跳跃式旋转磁场，拖动电动机转子旋转。随着电动机转子转动，转子位置传感器又不懂送出位置信号，以不断改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中电流方向保持不变，这样电动机就能旋转起来了。无刷直流电机的电子换向电路原理如图6.11所示。4、无刷直流电动机BLDCM（brushless DC motor）第二节直流电动机图6.11无刷电动机电子换向驱动电路目录导航第一节 概述第二节直流电动机第三节 三相异步感应电动机第四节 永磁同步电动机第五节 磁阻电
13、动机第六章新能源汽车电机驱动系统16 第三节 三相交流电动机同步电动机异步电动机如果电动机转子转速不等于定子旋转磁场转速，则转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，则称其位异步电动机。如果电动机转子的转速与定子旋转磁场转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步地旋转，这种电动机别称为同步电动机。交流电动机可分为同步电动机和异步电动机两大类。第六章新能源汽车电机驱动系统17 二、三相异步感应电动机结构三相异步电动机的结构如图6.12所示，主要由定子、转子、机座、支架、外壳、风扇罩和冷却风扇等组成。感应式电动机转子与定子之间没有任何电气上的联系，能量的传递全靠电磁感应作用。转子和定子间有个非常小的空气气
14、隙将转子与定子隔开，根据电动机容量的大小不同，气隙一般在0.44mm的范围内。气隙过小，使电动机装配困难，高次谐波磁场增强，附加损耗增加，启动性能变差以及运行不可靠。气隙过大，则电动机运行时的功率因数降低。鼠笼式电动机转子由硅钢片和鼠笼型绕组构成，如图6.16所示。转子绕组分为铜排和铜条构成的笼型结构（图6.16(b)）或由铸铝形成的笼式结构（图6.16(c)）。铜质鼠笼转子的特点是叠压硅钢片铁芯（图6.16（a）两端各用一个铜环，两个铜环由若干铜条穿过铁芯槽连接而成。铝铸转子的的特点是转子导条和端环机风扇叶片用铝一次浇铸而成，多用于100kWY以下的异步电动机。图6.12 三相感应式电动机结
15、构(a) （c）图6.16鼠笼式转子的组成(b)第六章新能源汽车电机驱动系统18 三、三相异步电动机工作原理1.绕组旋转磁场的产生 假定三相异步电动机定子绕组的连接方法如图6.17所示的星形连接，单个绕组的始端分别为ABC；末端分别为XYZ。三相对称绕组分别为AX、BY、CZ并接在三相正弦交流电源上，通入三相交变电流。一般规定，电流为正值时从绕组的始端流入（A、B、C端），从绕组的末端流出（X、Y、Z）；为负值时相反。据此规则，可得到三相电流产生的磁场随时间变化的关系。2异步电动机旋转磁场的转向异步电动机的旋转方向与通入绕组的三相交流电相序有关。任意对调两根三相电源街道定子绕组上的导线，就可以
16、改变异步电动机的旋转方向。3.异步电动机的工作原理由于旋转磁场不断切割转子中的闭合导体，产生感应电动势和感应电流，再由转子中的感应电流和旋转磁场的相互作用产生电磁转矩，使得转子随着旋转磁场的方向同向运转。在异步电动机中，为保持旋转磁场始终切割转子导体产生感应电流，转子转速小于旋转磁场的速度。( (b) (c)图6.18三相交流电波形与在定子绕线形成测旋转磁场图6.19笼型异步电动机转子绕组电流方向第六章新能源汽车电机驱动系统19 三相异步感应电动机的转矩与转速的控制电动车中应用鼠笼式转子感应电动机，三相异步感应电动机不能用直流电直接驱动，需要使用逆变器将直流电变换为频率和幅值可调节的交流电，来
17、实现对异步感应电动机的控制。交流异步电动机控制系统与驱动电路结构如图6.20所示。由于不能直接使用直流电源驱动电动机，需要使用功率半导体器件构成的逆变器，将直流电转换为频率和幅值都可以调节的三相交流电，通过微机控制器实现对三相异步电动机的转速和转矩的控制。图6.20三相异步电动机控制系统图第六章新能源汽车电机驱动系统20 三相异步电动机在新能源汽车中应用如图6.21所示为采用三相异步电动机的电动汽车驱动桥。异步电动机由三相交流电驱动，变频调速是电动机首先要具备的功能，因为，纯电动车的车轮由电动机和差速器组成的传动机构进行驱动，电动机本身的转速范围即可满足车辆的行驶需要。但是，在变频调速的性能方
18、面，还是对电动机提出了较高的要求，另外，倒车也是日常驾驶时经常遇到的问题，所以，还需要电动机能够自如的在正反转状态间切换。 异步电动机具备变频调速的能力，其效果相当于我们所理解的装配有无级变速箱的车辆在加速时发动机转速与车速较为线性的对应关系。而上面提到的倒车问题，异步电动机也可轻易通过自身正反转的切换给予满足。异步电动机实现动能回收也更为容易。车辆滑行或制动时，车轮反拖电动机转动，在这个工况下，电动机可进行发电并将电能回收到电池中，以此延长车辆的续航里程。图6.21三相感应电动机在电动汽车上的应用与安装实例目录导航第一节 概述第二节 直流电动机第三节 三相异步感应电动机第四节永磁同步电动机第
19、四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节 永磁同步电动机第五节 磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统22 第四节永磁同步电动机永磁同步电动机广义上讲永磁电机是指使用了永磁体的电机，这类电机不需要励磁。永磁同步电动机PMSM（permanent magnet synchronous motor）的特点是输入交流正弦或近似正弦波，再用连续转子位置反馈信号来控制换向。PMSM的发展得益于稀土永磁体的发现。用稀土永磁体制造的电动机的磁体体积较原来磁场极所占空
20、间小，并且没有损耗，不发热，与传统的电动机相比有明显优势。电动机中永磁体最基本的作用是在某以特定的空间产生恒定的磁场，并且维持此磁场不需要外部电源，因此永磁材料对PMSM性能的影响很大，第六章新能源汽车电机驱动系统23 一、永磁材料基础知识永磁铁氧体是常见的永磁材料的一种，它以SrO 或BaO 及Fe为原料，通过陶瓷工艺（预烧、破碎、制粉、压制成型、烧结贺红磨加工）制作而成。在永磁材料中，它是综合磁性能最低的，如果使用它制作电动机，则电动机体积相当庞大。 常见的永磁材料还有稀土钴（如钐钴SmCo）、稀土铷、铷铁硼NdFeB、铝镍钴、稀土铁氮（RE.Fe.N系）和稀土铁碳（RE.Fe.C系）等。
21、1. 永磁材料分类与特点铷铁硼NdFeB系永磁体是目前磁性最高的永磁材料。钐钴SmCo磁体尽管其性能优异，但含有储量稀少的稀土金属钐，因稀缺和价格昂贵限制了其应用推广。铝镍钴材料是一种铝、镍、钴的合金，耐高温、耐腐蚀、剩磁高，但矫顽能力低，抗去磁能低。稀土永磁材料是现在已知的综合性能最高的一种永磁材料，它比19世纪使用的磁钢的磁性能高100倍，比铁氧体、铝镍钴性能优越的多，比昂贵的铂钴合金的磁性能还高一倍。永磁材料为铁磁材料的一种，特点是矫顽磁场强度大于1Ka/m。第六章新能源汽车电机驱动系统24 二、永磁同步电动机的原理永磁同步电动机的工作原理如图6.22所示。电机的转子为永久磁铁，定子铁芯
22、上饶有线圈绕组。对于双绕组同步电动机当定子的A、B相电流的方向改变时，定子的A、B相的磁场方向改变，因此永久磁铁就可以旋转。对于三相绕组永磁同步电动机，转子的永久磁铁NS极沿圆周方向交替排列，定子线圈绕组呈图6.22（b）所示等角度排列，当对定子绕组顺序通电，定子可以看做是以速度n旋转的磁场。电动机运行时，通过改变定子的绕组电流方向和通电时间，始终保持转子磁针附近的定子磁极与转子磁针磁极相反，使转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。 （a）两相式 （b）三相式图6.22永磁同步电动机的原理NS第六章新能源汽车电机驱动系统25 永磁同步电动机的结构永磁同步电动机的主要组成如
23、图6.23所示，由电机外壳、定子铁芯和定子绕组、转子与永磁体、电机引线、信号检测器、检测器引线等组成。定子与传统同步电机相同，转子采用径向永久磁铁做成的磁极，转子上粘有铷铁硼磁钢。转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的速度取决于电源频率。与多相交流同步电动机和感应电动机类似，永磁同步电动机产生理想的恒转矩或称平稳转矩。第六章新能源汽车电机驱动系统26 四、永磁同步电机的转子 转子是永磁同步电机最为关键的部件之一。永磁体在转子上的安装位置有表面式（突出式和插入式）和内置式，如图6.24所示。表面凸出式SMPM(surface mounted permanent motor)其特点是具有结构简单、制造
24、成本低、转动惯量小、动态响应快、转矩脉动低等优点。但由于弱磁调速范围小，功率密度低。表面插入式结构 IPM（insert permanent magnet）特点是可充分利用转子磁路不对称性所产生的磁阻转矩，提高电动机的功率密度，动态性能较凸出式有所改善，制造工艺也较简单，但漏磁系数和制造成本都大。内置式IPM（interior permanent motor ）内置式永磁同步电动机也称为混合式永磁同步电动机。该电动机在永磁转矩的基础上叠加了磁阻转矩。磁阻转矩的存在有助于提高电动机的过载能力和功率密度，而且易于弱磁调速，扩大恒功率范围运行。内置式结构的永磁体位于转子内部，按永磁体磁化方向与转子旋
25、转方向的相互关系，内置式磁路结构有分为径向式、切向式和混合式三种。内置式永磁体磁路结构如图6.25所示。图6.24 永磁转子的类型图6.25 内置式永磁体的磁路结构第六章新能源汽车电机驱动系统27 永磁同步电动机的工作原理 永磁同步电动机的定子通常称为三相对称绕组，产生的旋转磁场的角速度与电动机的磁极对数P成反比，与电源频率f成正比，即=2f/p其中p为电动机磁极对数。工作时，旋转磁场与已充磁的磁极作用，带动转子与旋转磁场同步旋转并力图使定子转子磁场轴线对齐。当外加负载转矩以后，转子磁场轴线将落后定子磁场轴线一个功率角，负载越大，角也越大，直到一个极限角度m，电动机失步为止。第六章新能源汽车电
26、机驱动系统28 永磁同步电动机的特点永磁同步电动机因应用永磁体，所以不用励磁，从而省去了励磁功率。永磁同步电动机同步运转时，转子既无能耗又无铁损，因而效率提高，损耗降低，无功功率很小，其功率因数0.95以上。其主要特点可归纳为如下几个方面：高效节能、功率因数高。永磁同步电动机以其他电动机一般效率达到95%以上，比Y系列异步电动机提高10%15%。因永磁同步电动机没有励磁功率，无功损耗很小，功率因数0.950.99，接近与1，系统综合节电明显。效率曲线平直。永磁同步电动机效率曲线好，负载在1/4时，效率仍能达到92%以上。结构简单，便于维护。以一般异步电动机相同，主要有定子、转子、机壳构成，无滑
27、环、无电刷、结构简单、寿命长、维护方便。调速精度高。永磁同步电动机的转速完全与频率同步，不受电源电压和负载变化的影响，在任何情况下永磁同步电动机的转速与同步转速的误差都不大于0.25r/min，如果超过5r/min就进入失步状态。图6.26大众途锐混合动力汽车永磁同步电动机分解结构第六章新能源汽车电机驱动系统29 永磁同步电动机冷却系统的组成永磁同步电动机工作时需要对电机进行空气或液体冷却。工作时定子铁芯绕组浸在冷却油中，多余的冷却液进入溢出的收集器中，整个冷却液在冷却油泵的作用下循环，通过带有冷却管的机壳将工作过程的热量散出。如图6.27所示为永磁同步电机是利用冷却泵形成液体循环，通过壳体上
28、的冷却水道将电机热量送到散热器后散到空气中。 图6-27 永磁同步电机具有冷却水道的壳体第六章新能源汽车电机驱动系统30 永磁同步电动机驱动图6.28所示为日产公司的英菲尼迪混动动力汽车采用的永磁同步电动机的定子与转子的结构，如图6.29所示为该电动机的驱动电路。该电机采用三相定子绕组，需要通过三相交流电在定子绕组中产生旋转磁场，驱动永磁转子与旋转磁场做同步运转。这个任务由控制器发出的脉宽信号按照一定的规律控制功率开关元件实现。电动机控制器根据解析器和电流传感器的反馈信号，调节脉宽信号，改变定子绕组的供电频率和电流，以满足车速和转矩的需求。 图6.29 永磁同步电机驱动控制电路图6-28 日产
29、英菲尼迪混合动力汽车永磁同步电动机转子、定子结构目录导航第一节 概述第二节 直流电动机第三节 三相异步感应电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节永磁同步电动机第四节 永磁同步电动机第五节 磁阻电动机第六章新能源汽车电机驱动系统32 第五节 磁阻电动机一、 概述磁阻电动机是利用转子磁阻不均匀而产生转矩的小功率同步电动机，又称反应式同步电动机。它不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠“磁阻最小原理”产生转矩。所谓“磁阻最小
30、原理”，即：“磁通总是沿着磁导最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩”和“磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性”。 如图6-30所示，当定子绕组均不通电时，转子可以停在任意位置，当给B定子线圈通电，则转子被吸引并停留在空气间隙最小的平衡位置上。一、 概述最早的磁阻是电动机由dawidsen于1838年制造，但在其后一段漫长的时间内，它一直被认为是一种效率、功率因数、利用系数等不高的电机，故仅应用于小功率场所。随着科学技术进步和近几十年的研究好改进，磁阻电动机的性能不断提高，其性能在较大的功率范围内已不低于其它类型电动机。并且在很多性能指标上超过了其他电动机。
31、因此自20世纪80年代以后，国际上掀起了开关磁阻电动机研究热，并且持续至今，使开关磁阻电动机的应用领域不管扩大。开关磁阻电动机的应用已扩展到矿第六章新能源汽车电机驱动系统33 二、开关磁阻电动机开关磁阻式电动机SRM（switch resistance motor）也叫可变磁阻式VRM（variable reluctance motor）电动机，其结构的组成如图6.31所示。主要有磁阻电机、功率变换器、传感器和控制器四部分组成。 （1）功率变换器功率变换器将电源电压变换为其开关磁阻电动机所需要的电压；（2）传感器传感器的作用是检测转子的位置和输入电流的大小；开关磁阻电动机将电能机械能。（3）控
32、制器控制器根据位置传感器检测到的定子与转子间相对位置信息，结合给定的运行命令（正转、反转）导通相应定子相绕组的主开关元件。开关磁阻电机的两个基本特征：1、 开关性-电机必须工作在连续的开关模式，这也是为什么继各种新型功率半导体器件发展后开关磁阻电机才得以发展的主要原因。2、 磁阻性-定、转子具有可变磁阻回路。第六章新能源汽车电机驱动系统34 开关磁阻驱动电机的结构(4)开关磁阻电动机的定子和转子采用凸极结构，定子和转子由硅钢片叠片组成，开关磁阻电动机的定子和装置极数不同，有多种组合方式，最常见的是三相6/4结构和四相8/6结构，如图6-32所示为三相6/4的开关磁阻电动机定子和转子结构，三相开
33、关磁阻电动机的定子有6个凸极，转子上有4个凸极。四相开关磁阻电动机的定子上有8个凸极，转子上有6个凸极。在定子相对称的两个凸极上的集中绕组相互串联，构成一相。转子上没有任何绕组。因此，定子上有6个凸极的为三相开关磁阻电动机，定子上有8个凸极的为四相开关磁阻电动机，如此类推。由于开关磁阻电动机的定子凸极数不同，形成不同极数的开关磁阻电动机。图6-32 开关磁阻电机三相6/4结构第六章新能源汽车电机驱动系统35 开关磁阻电动机的不同组合结构方案相数3456789定子极数681012141618转子极数46810121416步进角3015964.283.212.5图6-33（a）、(b)、(c)分别
34、为三相6/4凸极结构、四相8/6凸极结构和三相12/8凸极结构的开关磁阻电动机的带绕组的定子、转子结构剖面示意图。此处仅以三相6/4凸极结构为例说明此类电机工作原理。如图6-34所示给出了三相绕组的分别两通时的情况，开关磁阻电动机的工作原理循序磁阻最小的原则。第六章新能源汽车电机驱动系统36 开关磁阻电机工作原理三相6/4极开关磁阻电动机定子绕组与转子工作原理如图6.34所示，控制器根据位置传感器检测到的定子与转子间相对位置信息，结合给定的运行命令（正转、反转）导通相应定子相绕组的主开关元件。绕组中就有电流流过，并产生磁场。由于磁场总是趋于“磁阻最小”，因而电磁转矩是转子转向“极对极”位置。当
35、转子转动被吸引的转子磁极与定子激磁相相重合（平衡位置）时，电磁矩消失。此时控制器根据新的位置信息，在定子与转子即将达到平衡位置时，向功率变换器发出命令，关断当前相的主开关元件，而导通下一相，则转子又会向下一个平衡位置转动。 当A相绕组受到激励时，为了减小磁路的磁阻，转子顺时针旋转，直到转子a极与定子的A极相对，此时磁路的磁阻最小（电感最大）。切断绕组A的激励，给绕组B施加激励，磁阻转矩使转子b极与定子B极相对。切断绕组B的激励，给绕组C施加激励，磁阻转矩使转子c极与定子C极相对。如果相绕组按A.B.C.A的顺序导通，转子沿顺时针方向连续旋转。反之，则逆时针方向旋转。控制器根据相应位置信息按一定
36、的控制逻辑连续导通和关断相应的相绕组主开关，就可产生连续的同转向的电磁转矩，使转子在一定的转速下连续运转；再根据一定的控制策略控制各相绕组的同、断电时刻以及绕组的电流大小，就可使系统在最佳状态下运行。第六章新能源汽车电机驱动系统37 开关磁阻电机工作原理由以上的分析可以看出，电流的方向对转矩没有任何影响，电动机的转向与电流的方向无关，而只取决于相绕组的通电顺序。若通电顺序改变，则电动机的转向也发生改变。为了保证电动机能连续可旋转，位置检查其要能及时给出定子、转子极间的相对位置，使控制器能及时和准确地控制定子各相绕组的通断，以使SRM能产生所要求的转矩和转速，达到预期的性能要求。图6.35为三相
37、6/4极SRM的驱动回路，IGBT1IGBT6为与绕组相连的可控开关元件，6个二极管为对应的续流二极管。当A相绕组的开关管导通时，电源给A相励磁，流通顺序：电源正.上开关管IGBT1.绕组A.下开关管IGBT2.电源负。A相绕组的电感处在电感上升区域内，转子转向极对极的位置。开关管关断时，由于绕组是一个电感，根据电工理论，电感的电流不允许突变，此时电流的续流回路（去磁阶段）流通顺序为：绕组A.上续流二极管VD1.电源.下续流二极管VD2.绕组A，存储于电感的磁场储能一部分转化为电能回馈给电源；另一部分怎转化为机械能输出。当电动机相绕组按A.A、B.B、C.C的顺序导通，使转子沿顺时针连续旋转。
38、第六章新能源汽车电机驱动系统38 （1）电动机结构简单、成本低、适用于高速。转子上没哟任何类型绕组，转子机械弹度极高，可以用于超高速运转。(2) 功率电路简单可靠。只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关，即降低了成本又具有高的工作可靠性。(3) 各相独立工作，可靠性高。当一相绕组或控制器一相电路发生故障时，只需停止该相工作，电动机除总功率能力有所下降外，并无其它妨碍。(4) 起动电流小转矩大。试验表明，起动电流为15%、30%额定电流是获得的起动转矩可达额定转矩的100%、150%；起动电流小转矩大的优点可以延伸到低速运行段，很适合电动车量等需要重载起动和较长时间低速重载运行的
39、机械。（5）适用于频繁起动、停止和正、反向转换运行。(6) 可控参数多、调速性能好。快年改制开关磁阻电动机的主要运行参数有相开通角、相关断角、相电流幅值好、相绕组电压等。(7) 损耗小效率高。转子不存在绕组铜损，加上可控参数多，灵活方便，故易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。效率在很宽范围呢都在87%以上。(8) 易于回收利用。定子和转子使用的事硅钢片，回收利用容易。(9) 高温运转特性好。运转时转子不发热，冷却控制比较容易，可在高温下运行。(10) 转矩有脉动现象。磁场是跳跃性旋转的，输出的转速与转矩产生脉动现象。(11) 振动与噪声。转速和与转矩有脉动加上单边磁拉力的作用，产生振
40、动与噪声比其它类型电动机要大。(12) 控制系统复杂。控制系统复杂，必须安装位置检查器和电流检查器等总成，引线比其它电动机要多，使得控制和接线更为复杂。(13) 脉动电流的影响。相电流是脉冲电流，功率变换器的直流电流一侧的电流波动也较大，在直流母线傻瓜需要一个很大的滤波器。 开关磁阻电动机特点第六章新能源汽车电机驱动系统39 二、永磁磁阻电动机永磁磁阻电动机PRM(permanent.magnet reluctance motor)是一种同步电动机，也属于磁阻电动机的一种，其特征是转子采用永磁.磁阻混合方式，即将永磁的磁钢固定在转子体铁芯中的反应槽与磁障槽之间，如图6.36 图6.37 永磁磁
41、阻电机转子总成图所示,其磁钢的磁力线方向与转子半径方向垂直，在磁钢旁均设有磁障槽，将永磁体磁通与电枢反应磁通隔开。这种电机的总力矩为永磁力矩与磁阻力矩之和，起动性能好。永磁磁阻电机转子总成如图6.37所示。1.永磁磁阻电机磁阻机图6.36 转子铁芯与永磁体位置关系图6.37 永磁磁阻电机转子总成图第六章新能源汽车电机驱动系统40 永磁磁阻电动机永磁磁阻电动机的基本构造如图6.38所示，主要有定子铁芯、转子铁芯、转子、永久磁铁、定子孔等组成。可见PRM实质是由永磁电动机和磁阻电动机复合而成。为了产生大的磁阻转矩，把永久磁铁放入转子铁芯的V型槽中。为了减小离心力的作用引起的应力集中，在设计转子铁芯时通常设计有桥形和凸起的部分，以提高转子铁芯的机械强度，提高可靠性。2.永磁磁阻电动机构造3. 永磁磁阻电机特点：图6.38永磁磁阻电机的构造永磁体（1）小型、高效率。（2）在低速区域短时间产生最大转矩。（3）在中、高速可使用的最高功率的转速范围宽。（4）无负荷和小负荷的损失小。（5）单位功率的额电动机成本低。人民邮电出版社新能源汽车概论（AR 增强现实版）职业院校“十三五”汽车专业规划教材谢 谢 观 赏第六章 新能源汽车驱动电机
