1、新能源汽车技术 第 1 页3 3.1 1 概述概述3 3.2 2 直流电动机直流电动机3 3.3 3 无刷直流电动机无刷直流电动机 3 3.4 4 异步电动机异步电动机 3 3.5 5 永磁同步电动机永磁同步电动机 3 3.6 6 开关磁阻电动机开关磁阻电动机新能源汽车技术 第 2 页电动机的分类电动机的分类1.电动机的分类方法电动机的分类方法（1）按电动机工作电源分类）按电动机工作电源分类直流电动机和交流电动机直流电动机和交流电动机直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机又分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机直流电动机交流电动机分为单相电动机和三相电动机。交流电动机分为单
2、相电动机和三相电动机。新能源汽车技术 第 3 页（2）按结构及工作原理分类）按结构及工作原理分类按结构及工作原理分直流电动机、异步电动机和同按结构及工作原理分直流电动机、异步电动机和同步电动机。步电动机。直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动直流电动机又分为无刷直流电动机和有刷直流电动机；机；异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机；异步电动机分为感应电动机和交流换向器电动机；同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机同步电动机分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。和磁滞同步电动机。新能源汽车技术 第 4 页（3）按用途分类）按用途分类电动机按用途可分为驱动用电动机和控
3、制用电动机。电动机按用途可分为驱动用电动机和控制用电动机。（4）按转子的结构分类）按转子的结构分类笼电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕笼电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。线转子感应电动机。（5）按运转速度分类）按运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。恒速电动机、调速电动机。新能源汽车技术 第 5 页2.各类电动机介绍各类电动机介绍（1）直流电动机）直流电动机优点：起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等；优点：起动加速时驱动力大、调速控制简单、技术成熟等；缺点：电枢电
4、流由电刷和换向器引入，换向时产生电火花，缺点：电枢电流由电刷和换向器引入，换向时产生电火花，换向器容易烧蚀，电刷容易磨损，需经常更换，维护工作量换向器容易烧蚀，电刷容易磨损，需经常更换，维护工作量大；接触部分存在摩擦损失，不仅使电动机效率降低，还限大；接触部分存在摩擦损失，不仅使电动机效率降低，还限制了电动机的工作转速。制了电动机的工作转速。磨损磨损新研制的电动汽车基本不采用直流电动机。新研制的电动汽车基本不采用直流电动机。新能源汽车技术 第 6 页（2）无刷直流电动机）无刷直流电动机无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它既有交无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它既有交流电动机的结构简单、运
5、行可靠、维护方便等诸多优流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等诸多优点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和点，又具备运行效率高、无励磁损耗、运行成本低和调速性能好等特点。因此，它在电动汽车上的应用与调速性能好等特点。因此，它在电动汽车上的应用与日俱增日俱增。新能源汽车技术 第 7 页（3）异步电动机）异步电动机 异步电动机在电动汽车上广泛应用，这是因为异步电异步电动机在电动汽车上广泛应用，这是因为异步电动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无动机采用变频调速时，可以取消机械变速器，实现无级变速，使传动效率大为提高。，异步电动机很容易级变速，使传动效率大为提高。，异步电动机很容易
6、实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。当采实现正反转，再生制动能量的回收也更加简单。当采用笼型转子时，异步电动机还具有结构简单、坚固耐用笼型转子时，异步电动机还具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、工作可靠、效率高和免维护等优点。用、价格便宜、工作可靠、效率高和免维护等优点。新能源汽车技术 第 8 页（4）永磁同步电动机）永磁同步电动机 永磁同步电动机结构上与无刷直流电动机相似，不同之处在永磁同步电动机结构上与无刷直流电动机相似，不同之处在于它采用正弦波驱动，所以在具备无刷直流电动机优点的同时，于它采用正弦波驱动，所以在具备无刷直流电动机优点的同时，还具有低噪声、体积小、功率密度大、转动惯量小
7、、脉动转矩还具有低噪声、体积小、功率密度大、转动惯量小、脉动转矩小、控制精度高等特点，特别适用于混合动力电动汽车电动机小、控制精度高等特点，特别适用于混合动力电动汽车电动机驱动系统，以达到减小系统体积，改善汽车加速性能和行驶平驱动系统，以达到减小系统体积，改善汽车加速性能和行驶平稳等目的。因此，永磁同步电动机受到了全世界各大汽车生产稳等目的。因此，永磁同步电动机受到了全世界各大汽车生产厂家的重视。厂家的重视。新能源汽车技术 第 9 页（5）开关磁阻电动机）开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、开关磁阻电动机是一种新型电动机，因其结构简单、坚固、工作可靠、效率高，其
8、调速系统运行性能和经济指标比普通的工作可靠、效率高，其调速系统运行性能和经济指标比普通的交流调速系统好，具有很大的潜力，被公认是一种极有发展前交流调速系统好，具有很大的潜力，被公认是一种极有发展前途的电动汽车驱动电动机。途的电动汽车驱动电动机。高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电动机驱动高密度、高效率、轻量化、低成本、宽调速牵引电动机驱动系统已成为各国研究和开发的主要热点。如永磁式开关磁阻电系统已成为各国研究和开发的主要热点。如永磁式开关磁阻电动机、转子磁极分割型混合励磁结构同步电动机、永磁无刷交动机、转子磁极分割型混合励磁结构同步电动机、永磁无刷交流电动机等。流电动机等。新能源汽车技
9、术 第 10 页新能源汽车技术 第 11 页电动机的额定指标主要包括：电动机的额定指标主要包括：（1）额定功率）额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率（W或或kW）。）。（2）额定电压）额定电压是指外加于线端的电源线电压（是指外加于线端的电源线电压（V）。）。（3）额定电流）额定电流是指电动机额定运行（额定电压、额定输是指电动机额定运行（额定电压、额定输出功率）情况下电枢绕组（或定子绕组）的线电流（出功率）情况下电枢绕组（或定子绕组）的线电流（A）。）。（4）额定频率）额定频率是指电动机额定运行情况下电枢（或定子是指电动机额定运行情况下电枢（或定子侧）
10、的频率（侧）的频率（Hz）。）。新能源汽车技术 第 12 页（5）额定转速）额定转速是指电动机额定运行（额定电压、额定是指电动机额定运行（额定电压、额定频率、额定输出功率）的情况下，电动机转子的转速频率、额定输出功率）的情况下，电动机转子的转速（r/min）。）。当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载电流大于额定电流
11、，将会引起电动机过热，从而减少了电动电流大于额定电流，将会引起电动机过热，从而减少了电动机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。新能源汽车技术 第 13 页（1）电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区，）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；。车在平坦的路面能够高速行驶的要求；。（2）电动机应具有瞬
12、时功率大、带负载启动性能好、过载能）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；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）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；一次充电的续驶里程；（4）电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收）电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率；并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率；新能源汽车技术 第 14 页（5）电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作；）电动机应可靠
13、性好，能够在较恶劣的环境下长期工作；（6）电动机应体积小，重量轻，一般为工业用电动机的）电动机应体积小，重量轻，一般为工业用电动机的1/21/3；（7）电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用）电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护；和维护；（8）价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高）价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高性价比；性价比；（9）运行时噪声低，减少污染。）运行时噪声低，减少污染。新能源汽车技术 第 15 页直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，直流电动机就是将直流电能转换成机械能的电动机，是电动机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟
14、、是电动机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车或希望获得更简控制容易等特点，在早期的电动汽车或希望获得更简单结构的电动汽车中应用，特别是场地用电动车和专单结构的电动汽车中应用，特别是场地用电动车和专用电动车。用电动车。新能源汽车技术 第 16 页直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流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。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。用的是绕组励磁
15、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、串励式和复励式他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。种类型。新能源汽车技术 第 17 页1.他励式直流电动机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。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
16、磁磁场稳定而且容易控制，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。矩来满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。新能源汽车技术 第 18 页2.并励直流电动机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，共并励直流电动
17、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。通过它的励磁电流较小。新能源汽车技术 第 19 页3.串励直流电动机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
18、种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著电流。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。通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。新能源汽车技术 第 20 页串励直流电动机在低速运行时，能提供足够大的转矩，而串励直流电动机在低速运行时，能提供足够大的转矩，而在高速运行时，电动机电枢中的反电动势增大，与电枢串联在高速运行时，电动机电枢中的反电动势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，
19、电动机高速时的弱磁调速功的励磁绕组中的励磁电流减小，电动机高速时的弱磁调速功能易于实现，因此能较好地符合电动汽车的特性要求。能易于实现，因此能较好地符合电动汽车的特性要求。串励直流电动机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想；串励直流电动机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想；车速提高时，输出转矩不能满足电动汽车高速行驶时大转矩车速提高时，输出转矩不能满足电动汽车高速行驶时大转矩要求；运行效率低；再生制动的稳定性差；再生制动可靠性要求；运行效率低；再生制动的稳定性差；再生制动可靠性较差；串励电动机的励磁绕组损耗大，体积和重量也较大。较差；串励电动机的励磁绕组损耗大，体积和重量也较大。新能源汽车技
20、术 第 21 页4.复励直流电动机复励直流电动机 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。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。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由
21、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，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。机的重量或体积比串励电动机的小。新能源汽车技术 第 22 页各种激励方式直流电动机的电路图新能源汽车技术 第 23 页电动汽车
22、所使用的直流电动机主要是他励直流电动机（包括电动汽车所使用的直流电动机主要是他励直流电动机（包括永磁直流电动机）、串励直流电动机、复励直流电动机三种类永磁直流电动机）、串励直流电动机、复励直流电动机三种类型。型。小功率（小功率（100W10kW）的电动机采用的是小型高效的永磁）的电动机采用的是小型高效的永磁直流电动机，可以应用在小型、低速的搬运设备上。如电动自直流电动机，可以应用在小型、低速的搬运设备上。如电动自行车、休闲用电动汽车、高尔夫球车、电动叉车等。行车、休闲用电动汽车、高尔夫球车、电动叉车等。中等功率（中等功率（10100kW）的电动机采用他励、复励或串励式）的电动机采用他励、复励或
23、串励式直流电动机，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。直流电动机，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。大功率（大功率（100kW）直流电动机采用串励式，可用在要求低）直流电动机采用串励式，可用在要求低速、高转矩的专用电动车上，如矿石搬运电动车、玻璃电动搬速、高转矩的专用电动车上，如矿石搬运电动车、玻璃电动搬运车等。运车等。新能源汽车技术 第 24 页1.直流电动机的结构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。间隙称为气隙。新能源汽车技术 第 25 页（1）定子部分）定子部分直流电动机定
24、子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等直流电动机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。组成。主磁极主磁极主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁心和套主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主极铁心一般由装在铁心上的励磁绕组构成。主极铁心一般由11.5mm的低的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。机座机座机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分
25、，又是电动机的结构框架。部分，又是电动机的结构框架。新能源汽车技术 第 26 页换向极换向极换向极的作用是改善直流电动机的换换向极的作用是改善直流电动机的换向情况，使直流电动机运行时不产生有害的火花。向情况，使直流电动机运行时不产生有害的火花。它由换向极铁心和套装在铁心上的换向极绕组构成。它由换向极铁心和套装在铁心上的换向极绕组构成。电刷装置电刷装置电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。新能源汽车技术 第 27 页（2）转子部分）转子部分电枢铁心电枢铁心电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕电枢
26、铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。电枢铁心组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁心的槽内。电枢铁心一般用一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成。硅钢冲片叠压而成。电枢绕组电枢绕组电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转成，它是直流电动机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分。矩进行机电能量转换的部分。换向器换向器换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。电枢电流的换向。新能源汽车技术 第
27、28 页2.直流电动机的特点直流电动机的特点（1）调速性能好：直流电动机可以在重负载条件下，实现均）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；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，）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逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动动（3）控制比较简单：一般用斩波器控制，它具有高效率、
28、控）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；制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点；新能源汽车技术 第 29 页（4）有易损件：由于存在电刷、换向器等易磨损）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。器件，所以必须进行定期维护或更换。电动汽车专用的直流电动机和其它通用的电动机相电动汽车专用的直流电动机和其它通用的电动机相比，应在耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波比，应在耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波动性以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊考虑。动性以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊考虑。除此之外，电动汽
29、车用直流电动机大多在较低的除此之外，电动汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动，同时是大电流电路，因此需要注意连接电压下驱动，同时是大电流电路，因此需要注意连接接线的接触电阻。接线的接触电阻。新能源汽车技术 第 30 页图图3.3为直流电动机的工作原理示意图。定子有一对为直流电动机的工作原理示意图。定子有一对N、S极，电枢绕组的极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和和B分别与两个换向片接触。分别与两个换向片接触。如果给两个电刷加上直流电源，则有直流电流从电刷如果给两个电刷加上直流电源，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈流入，经过线圈abcd，
30、从电刷，从电刷B流出。根据电磁力定律，载流导体流出。根据电磁力定律，载流导体ab和和cd受到电磁力的作受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到图（转子逆时针转动。如果转子转到图（b）所示的位置，电刷）所示的位置，电刷A和换向片和换向片2接触，接触，电刷电刷B和换向片和换向片1接触，直流电流从电刷接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷，从电刷B流出。此时载流导体流出。此时载流导体ab和和cd受到电磁力的作用方向同样可
31、受到电磁力的作用方向同样可用左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流用左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电动机的工作原理。电动机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变。是交流的，其产生的转矩的方向却是不变。新能源汽车技术 第 31 页新能源汽车技术 第 32 页 在建立直流电动机基本方程时，假设：在建立直流电动机基本方程时，假设：为电枢电压；为电枢电压；为电为电枢电流；枢电流；为电枢电阻；为电枢电阻；为电枢感
32、应电动势；为电枢感应电动势；为电枢角速为电枢角速度；度；为励磁电压；为励磁电压；为励磁电流；为励磁电流；为励磁电阻；为励磁电阻；为电源电为电源电压；压；为负载电流；为负载电流；为电动机转速。为电动机转速。1.电枢绕组的感应电动势电枢绕组的感应电动势 直流电动机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷引出直流电动机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷引出的电动势，也称电枢电动势，可表示为的电动势，也称电枢电动势，可表示为 为每极磁通量；为每极磁通量；为电动势常数，与电动机结构有关。为电动势常数，与电动机结构有关。nCEeaaIaRaEmfIfRUIneCfU新能源汽车技术 第 33 页2.直流电
33、动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩直流电动机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在直流电动机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。可表示为磁场中受力所形成的转矩的总和。可表示为 式中，式中，为电磁转矩；为电磁转矩；为转矩常数，与电动机结为转矩常数，与电动机结构有关。构有关。直流电动机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方直流电动机的基本方程式与励磁方式有关，励磁方式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流电式不同，基本方程式略有差别。下面以他励直流电动机为基础建立电压方程、转矩方程和功率方程。动机为基础建立电压方程、转矩方程和功率方程。aTeICTeTTC新能源汽车技术 第
34、34 页3.电压方程式电压方程式 由他励直流电动机的等效电路，得电枢回路的电压方程为由他励直流电动机的等效电路，得电枢回路的电压方程为 其中其中 为互感为互感 励磁回路的电压方程为励磁回路的电压方程为 得到以下结果：得到以下结果：（1）对于永磁直流电动机，有）对于永磁直流电动机，有 ；（2）对于并励直流电动机，有，）对于并励直流电动机，有，；（3）对于串励直流电动机，有，）对于串励直流电动机，有，；（4）对于复励直流电动机，其特性介于串励和并励之间。）对于复励直流电动机，其特性介于串励和并励之间。fmaaaaaMIERIEUMfffRIUMIfUUUafIIIafUUUafIIIaf新能源汽车
35、技术 第 35 页4.转矩方程式转矩方程式 电动机空载时，轴上输出转矩电动机空载时，轴上输出转矩 ，则有，则有 。当负载转矩为当负载转矩为 ，轴上输出有，轴上输出有 ，电动机匀速稳，电动机匀速稳定运行时有定运行时有 式中，式中，为空载转矩，它是由电动机的机械摩擦和铁耗为空载转矩，它是由电动机的机械摩擦和铁耗引起的转矩；引起的转矩；为电磁转矩，为拖动性质转矩；为电磁转矩，为拖动性质转矩；为为总的制动转矩，方向与相反。总的制动转矩，方向与相反。电磁转矩可用下面公式计算：电磁转矩可用下面公式计算：综上，可以得到各种直流电动机的速度转矩特性曲线。综上，可以得到各种直流电动机的速度转矩特性曲线。02T0
36、TTeLTLTT 202TTTe0TeT)(02TT afeIMIT 新能源汽车技术 第 36 页各种直流电动机的速度转矩特性各种直流电动机的速度转矩特性新能源汽车技术 第 37 页由式可得电枢角速度为 从上式可以看出，通过调整励磁电流 实现对转速的大幅度控制。对于串励直流电动机，有 ，所以大电流通过时会产生非常大的转矩，而如果电流变小，由上式可知，转速也将大幅度上升，由此可以得到电动汽车所希望的特性。图3.5为直流电动机的转速转矩、电压特性曲线。faaamMIIRU fI2aeMIT 新能源汽车技术 第 38 页新能源汽车技术 第 39 页5功率方程式功率方程式他励直流电动机输入功率为他励直
37、流电动机输入功率为 式中，式中，为输入功率；为输入功率；为电磁功率；为电磁功率；为电枢回为电枢回路上的铜耗。路上的铜耗。cuaemaaaaaaaaaPPRIIERIEIUIP211PemPcuaP新能源汽车技术 第 40 页直流电动机的运行特性主要包括直流电动机的工作特性和直流直流电动机的运行特性主要包括直流电动机的工作特性和直流电动机的机械特性。电动机的机械特性。直流电动机的工作特性是指电动机的转速特性、转矩特性和效直流电动机的工作特性是指电动机的转速特性、转矩特性和效率特性，即在保持额定电压、额定励磁电流（他励、并励）或率特性，即在保持额定电压、额定励磁电流（他励、并励）或励磁调节不变（串
38、励、复励）的情况下，电动机的转速、电磁励磁调节不变（串励、复励）的情况下，电动机的转速、电磁转矩和效率随电枢电流（或输出功率）变化的特性。转矩和效率随电枢电流（或输出功率）变化的特性。直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定、励磁调节电阻和直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定、励磁调节电阻和电枢回路电阻不变的情况下，其转速与电磁转矩之间的关系，电枢回路电阻不变的情况下，其转速与电磁转矩之间的关系，又称为转矩又称为转矩转速特性，是电动机的重要特性。转速特性，是电动机的重要特性。新能源汽车技术 第 41 页 1.并励（他励）直流电动机的运行特性(1)转速特性:并励（他励）直流电动机的转速特性为式中
39、，为电动机的理想空载转速；为转速调整率，由电枢电阻压降引起，一般为38%。并励（他励）直流电动机在运行时，励磁绕组绝对不能断开。若励磁电流为零，电枢电流迅速增大，若负载较小，则会造成“飞车”事故。nnCIRUneaa0eCUn0eaaCIRn新能源汽车技术 第 42 页(3)效率特性效率特性(2)转矩特性转矩特性新能源汽车技术 第 43 页直流电动机的效率具直流电动机的效率具有普遍意义。电动机有普遍意义。电动机的额定效率是指电动的额定效率是指电动机额定运行时的效率。机额定运行时的效率。一般直流电动机的效一般直流电动机的效率为率为75%85%。并励直流电动机的工并励直流电动机的工作特性如图作特性
40、如图3.6所示。所示。新能源汽车技术 第 44 页(4)机械特性机械特性 并励（他励）直流电动机的机械特性可表示为并励（他励）直流电动机的机械特性可表示为 式中，式中，为电枢回路外的串联电阻为电枢回路外的串联电阻。由上式可以得到并励（他励）直流电动机的机械特由上式可以得到并励（他励）直流电动机的机械特性曲线，即改变电枢电压、改变励磁电流、改变电性曲线，即改变电枢电压、改变励磁电流、改变电枢回路电阻时的机械特性曲线。枢回路电阻时的机械特性曲线。eTeJaeTCCRRCUn2JR新能源汽车技术 第 45 页 从左图可以看出，逐渐减小电源电压时，理想空载转速逐渐下降，但从空载到满载转速变化很小，这种
41、特性称为硬机械特性。这使并励和他励直流电动机具有了优良的调速性能。新能源汽车技术 第 46 页从左图可以看出，逐渐减小励磁电流时，理想空载转速逐渐上升，曲线斜率逐渐增大，使特性变软，电动机运行的稳定性变差。过分“弱磁”时，使电动机转速过高，甚至引起“飞车”。因此，电动机采用弱磁调节时必须注意。新能源汽车技术 第 47 页从左图可以看出，当电枢回路电阻从零逐渐开始增大时，机械特性曲线的斜率逐渐增大，使特性逐渐变软，但电动机的理想空载转速不变。新能源汽车技术 第 48 页2.串励直流电动机的运行特性串励直流电动机的运行特性 串励直流电动机广泛应用于交通运输中，它的特串励直流电动机广泛应用于交通运输
42、中，它的特点是负载电流、电枢电流和励磁电流是一个电流，点是负载电流、电枢电流和励磁电流是一个电流，即，气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，同时即，气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，同时对电动机转速产生较大影响。对电动机转速产生较大影响。(1)转速特性转速特性 串励直流电动机的转速特性可表示为串励直流电动机的转速特性可表示为efaCIRRUn)(新能源汽车技术 第 49 页(2)转矩特性转矩特性 串励直流电动机的转矩特性可表示为串励直流电动机的转矩特性可表示为串励直流电动机的工作特性曲线如图串励直流电动机的工作特性曲线如图3.10所示。所示。从转矩特性可以看出，当负载增加时，串励直流从转矩特性可以
43、看出，当负载增加时，串励直流电动机的转矩快速增加，但与此同时转速也快速电动机的转矩快速增加，但与此同时转速也快速下降，因此基本保持了功率恒定，即串励直流电下降，因此基本保持了功率恒定，即串励直流电动机具有恒功率特性。动机具有恒功率特性。ICTTe新能源汽车技术 第 50 页新能源汽车技术 第 51 页(3)机械特性机械特性 串励直流电动机的机械特性可表示为串励直流电动机的机械特性可表示为 得到串励直流电动机的机械特性曲线，下页所示。得到串励直流电动机的机械特性曲线，下页所示。由于串励电动机的负载电流、电枢电流和励磁电流由于串励电动机的负载电流、电枢电流和励磁电流相等，所以调节电源电压或电枢回路
44、电阻的同时，相等，所以调节电源电压或电枢回路电阻的同时，励磁电流也随之变化。励磁电流也随之变化。可以看出，转速随转矩的增加迅速下降，这种特性可以看出，转速随转矩的增加迅速下降，这种特性称为软机械特性。称为软机械特性。faefTfeRRUTKCKCn1新能源汽车技术 第 52 页新能源汽车技术 第 53 页 3.3.复励直流电动机的运行特性复励直流电动机的运行特性 复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组，因复励电动机既有并励绕组，又有串励绕组，因此其特性介于并励电动机和串励电动机之间。当复此其特性介于并励电动机和串励电动机之间。当复励电动机以并励为主时，其特性接近于并励电动机；励电动机以并励为主时
45、，其特性接近于并励电动机；当复励电动机以串励为主时，其特性接近于串励电当复励电动机以串励为主时，其特性接近于串励电动机。动机。新能源汽车技术 第 54 页从直流电动机的转速特性和机从直流电动机的转速特性和机械特性可以看出，其转速控制方械特性可以看出，其转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。制和电枢回路电阻控制。1.电枢调压控制电枢调压控制电枢调压控制是指通过改变电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。枢的端电压来控制电动机的转速。他励电动机改变电枢端电压时的他励电动机改变电枢端电压时的转速控制特性如图转速控制特性如图3.13所
46、示。所示。新能源汽车技术 第 55 页电枢调压控制只适合电动机基速以下的转速控制，它可保持电枢调压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。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，如果与磁场控制配合使用，调速比可达用，调速比可达1:30。电枢调压控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动
47、电枢调压控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动发发电动机组，现在大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可电动机组，现在大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源，小容量则采用电力晶体管的控整流电源，小容量则采用电力晶体管的PWM控制电源，电控制电源，电动汽车用的直流电动机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源。动汽车用的直流电动机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源。新能源汽车技术 第 56 页2.磁场控制磁场控制磁场控制是指通过调节直流电动机的励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，从而调节电动机磁电流改变每极磁通量，从而调节电动机的转速。他励电动机带恒转矩负载时磁场的
48、转速。他励电动机带恒转矩负载时磁场控制的转速控制特性如图控制的转速控制特性如图3.14所示。所示。磁场控制只适合电动机基数以上的控制。磁场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。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，一般不磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过超过1:3，而且响应速度较慢。，而且响应速度较慢。磁场控制可用可变，也可采用可控整流磁场控制可用可变，也可采用可控整流电源作为励磁电源。电源作为励磁电源。新能源汽车技术 第 57 页3.电枢回路串电阻控制电枢回路串电阻控制 电枢回路串电阻控制是指当电枢回路串电阻控制是指当电动机
49、的励磁电流不变时，通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过改变电枢回路电阻来调节电动机的转速。其转速控制特性动机的转速。其转速控制特性如图所示。如图所示。这种控制方法的机这种控制方法的机械特性较软，而且电动机运行械特性较软，而且电动机运行不稳定，一般很少应用。对于不稳定，一般很少应用。对于小型串励电动机，常采用电枢小型串励电动机，常采用电枢回路串电阻控制方式。回路串电阻控制方式。新能源汽车技术 第 58 页无刷直流电动机是用电子换向装置代替了有刷直流无刷直流电动机是用电子换向装置代替了有刷直流电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动机宽阔电动机的机械换向装置，保留了有刷直流电动
50、机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电动机机械而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电动机机械换向带来的一系列的缺点，体积小，重量轻，可作成换向带来的一系列的缺点，体积小，重量轻，可作成各种体积形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控各种体积形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控制，是最理想的调速电动机之一，在电动汽车上有着制，是最理想的调速电动机之一，在电动汽车上有着广泛的应用前景。广泛的应用前景。新能源汽车技术 第 59 页 无刷直流电动机按照工作特性，可分为具有直流电动机特性无刷直流电动机按照工作特性，可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。的无刷
