1、新能源汽车驱动电机与控制技术-模块三-新能源驱动电机构造原理与检修电机控制系统的结构及特点电机控制器的工作原理驱动电机冷却系维护技能实训模块小结123451.掌握电动汽车驱动电机的特性要求；2.熟悉电动汽车驱动电机的分类；3.了解电动汽车驱动电机的铭牌参数性能指标；4.掌握永磁同步电动机的结构组成、工作原理、性能特点、铭牌数据；5.掌握交流异步电动机的结构组成、工作原理、性能特点、铭牌数据；6.掌握电动机的拆装步骤、检测方法；建 议 课 时：课时。学 习 目 标一、新能源汽车驱动电机的分类及特点能够用于驱动的电机很多，分类方式也多种多样。目前，新能源汽车上最常用的是三相交流永磁同步电动机和三相
2、交流感应式电动机，而驱动电机的分类、铭牌参数和性能要求是进一步学习电机的基础。与传统工业驱动电机不同，电动汽车的驱动电机通常要求能够频繁起动、停车、加速、减速，在低速和爬坡时要求电机输出高转矩，在高速行驶时要求电机输出高转速，此外还要求电机有较宽的调速范围以满足车速变化的需要。1.电动汽车对驱动电机的特性要求电动汽车对驱动电机的要求可归纳如下：（1）体积小质量轻（2）全速段高效运行（3）低速大转矩及宽范围的恒功率特性（4）高可靠性（5）高电压（6）安全性能（7）高转速（8）使用寿命长理论知识准备2.电动汽车驱动电机的主要分类驱动电机可分为两大类，即有换向器电动机和无换向器电动机。习惯上将有换向
3、器的直流电动机简称为直流电机。由于技术成熟、控制简单，直流电机曾在电力驱动领域有着突出的地位。实际上各类直流电机包括（串励、并励、他励、复励和永磁直流电机）都曾在电动汽车上得到应用。但其电刷和换向器需要经常维护，可靠性低，正在被交流无刷电机取代。理论知识准备2.电动汽车驱动电机的主要分类无换向器电机包括感应电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机等。无换向器电机在效率、功率密度、运行成本、可靠性等方面明显优于传统的直流电机，因此在现代电动汽车中获得广泛应用。理论知识准备3.电机性能参数（1）电机的额定工作电压电动机正常工作时的电压，电机的参数都是电机工作于额定工作电压时的数值。电机的
4、工作电压也可以低于额定工作电压，此时各项参数数值都会下降。电机的工作电压也可以高于额定工作电压，但不要长时间运行，电压也不可过高。（2）电机的额定电流电机在额定工作点运行时所消耗的电流。（3）电机的额定转速电机在额定工作点运转时的转速。理论知识准备3.电机性能参数（4）起动转矩电动机起动时所产生的旋转力矩。异步电机通常起动转矩为额定转矩的125%以上。与之对应的电流称为起动电流，通常该电流为额定电流的6倍左右。（5）额定负载转矩电机在额定电压、额定转速时输出的转矩。使用时应留有一定的余量。（6）堵转转矩电机在额定电压下，加在输出轴上的，最终使电机停转的转矩。理论知识准备3.电机性能参数（7）电
5、机的功率电动机的功率由转速和转矩决定。输出功率P(kW)=转矩T(Nm)转速n(r/min)/9550（8）电机的效率电动机内部功率损耗的大小是用效率来衡量的，输出功率与输入功率的比值称为电动机的效率。效率高，说明损耗小，节约电能。但过高的效率要求，将使电动机的成本增加。一般异步电动机在额定负载下其效率为7592%。异步电动机的效率也随着负载的大小而变化。空载时效率为零，负载增加，效率随之增大，当负载为额定负载的0.71倍时，效率最高，运行最经济。理论知识准备3.电机性能参数（9）转动惯量具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质，转动惯量的大小直接影响电机的响应速度，转动惯量越大电机响应越慢
6、，转动惯量越小电机响应越快。（10）功率密度电动机每单位质量所能获得的输出功率值，功率密度越大，电动机的有效材料的利用率就越高。理论知识准备3.电机性能参数（11）功率因数异步电动机的功率因数是衡量在异步电动机输入的视在功率中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值为输入的有功功率P与视在功率S之比，用cos来表示。电动机在运行中，功率因数是变化的，其变化大小与负载大小有关，电动机空载运行时，定子绕组的电流基本上是产生旋转磁场的无功电流分量，有功电流分量很小。此时，功率因数很低，约为0.2，当电动机带上负载运行时，要输出机械功率，定子绕组电流中的有功电流分量增加，功率因数也随之提高。当电动机在
7、额定负载下运行时，功率因数达到最大值，一般为0.70.9。因此，电动机应避免空载运行，防止“大马拉小车”现象。理论知识准备3.电机性能参数（12）电机绝缘等级A级绝缘：包括浸渍处理过的棉纱，丝，纸等有机纤维材料以及普通漆包线上的磁漆等，且目前只在变压器上应用，最高允许工作温度为105。E级绝缘：包括用聚酯树脂，环氧树脂，三醋酸纤维等制成的薄膜，聚乙烯醇缩醛，高强度漆包线上的磁漆等，最高允许工作温度为120。B级绝缘：包括云母，石棉，玻璃丝等有机物；用提高了耐热性能的有机漆或树脂作为粘合物制成的材料及其组合物；聚酯高强度漆包线上的磁漆；最高允许工作温度为130。理论知识准备3.电机性能参数（12
8、）电机绝缘等级F级绝缘：包括云母，石棉，玻璃丝等无机物用硅有机化合物改性的合成树脂漆，或耐热性能符合这一要求的醇酸、环氧等合成树脂作为粘合物而制成的材料或其组合物，最高允许工作温度为155。H级绝缘：包括硅有机物以及云母，石棉，玻璃丝等无机物用硅有机漆作为粘合物制成的材料，最高允许工作温度为180。C级绝缘：包括无年合计的云母，石英，玻璃等；用热稳定性能特别优良的硅有机树脂，聚醯亚胺浸渍漆等处理过的石棉，玻璃纤维织物或其制成品；聚醯亚胺基漆包线的磁漆，聚醯亚胺薄膜等，C级绝缘等级是要求更高的绝缘材料，正在生产中推广使用，其最高允许工作温度尚未确定，但应在180以上。理论知识准备3.电机性能参数
9、（13）防护等级防护标志由字母IP和两个表示防护等级的表征数字组成，如表3-1所示。第一位数字表示：防止人体触及或接近壳内带电部分和触及壳内转动部件（光滑的旋转轴和类似部件除外），以及防止固体异物进入电机（表示防尘等级）。第二位数字表示：防止由于电机进水而引起的有害影响（表示防水等级）。理论知识准备防护等级定义 表3-1第一位数字简称定义0无防护没有专门的防护1防护大于50mm的固体能防止直径大于50mm的固体异物进入壳内。能防止人体的某一大面积部分（如手）偶然或意外地触及壳内带电或运动部分，但不能防止有意识地接近这些部分2防护大于12mm的固体能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内。能防止
10、手指触及壳内带电或运动部分3防护大于2.5mm的固体能防止直径大于2.5mm的固体异物进入壳内。能防止厚度或直径大2.5mm的工具、金属线等触及壳内带电或运动部分。4防护大于1mm的固体能防止直径大于1mm的固体异物进入壳内。能防止直径或厚度大于1mm的导线或片条触及壳内带电或运转部分。5防尘能防止灰尘进入达到影响产品正常运行的程度，完全防止触及壳内带电或运动部分。6尘密能完全防止灰尘进入壳内，完全防止触及壳内带电或运动部分。理论知识准备 防护等级定义 表3-1第二位数字简称定义0无防护没有专门的防护。1防 滴垂直的滴水应不能直接进入电机内部。215o防滴与铅垂线成15o角范围内的滴水，应不能
11、直接进入电机内部。3防淋水与铅垂线成60O角范围内的淋水，应不能直接进入电机内部。4防 溅任何方向的溅水对电机应无有害的影响。5防喷水任何方向的喷水对电机应无有害的影响，标准为1米处。6防海浪或强加喷水猛烈的海浪或强力的喷水对电机应无有害影响。7浸 水电机在规定的压力和时间下浸在水中，其进水量应无有害影响。8潜 水电机在规定的压力下长时间浸在水中，其进水量应无有害影响。电机常用的防护等级有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65。理论知识准备3.电机性能参数（14）工作制S1连续工作制，S2短时工作制，S3周期工作制。（15）负载类型恒转矩负载，如带式输送机，潜水泵，空压机；
12、恒功率负载，如打卷机，车床，钻床，磨床；二次方律负载，如离心式风机和水泵；直线律负载，如轧钢机,辗压机；混合型负载，如大部分金属切削机床。（16）冷却方式有自然冷却、强迫风冷、水冷。（17）恒转矩范围恒转矩调速时的频率范围。理论知识准备3.电机性能参数（18）恒功率范围恒功率调速时的频率范围。（19）极对数相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，所以电机有2极、4极、6极、8极之分。（20）接法指定子绕组星型连接还是三角形连接。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择至今为止电动汽车采用的驱动电机主要包括：直流电动机、交流异步电动机、永磁
13、同步电动机、直流无刷电机和开关磁阻电动机。选择新能源汽车驱动电动机的关键是电动机的机械特性。关于机械特性可以用转矩-转速特性和功率-转速特性曲线来表示，并可作为选择电动机的参考依据。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择在选择新能源汽车的驱动电动机时，可以向电动机生产厂家提出所需要的各种性能参数，以作为电动机设计的依据。实际上大多数情况下是新能源汽车制造商根据电动机生产厂家提供的技术性能参数选择现成的电动机。可供电动汽车选用电动机种类繁多，功率范围面很广。新能源汽车对于驱动电动机的调速范围、可靠性、在恶劣环境下的工作能力等方面有比较高的要求。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择（1）额定
14、电压的选择电机电压的选择主要依据车辆总体参数的要求来设计，车辆的自重、电池等相关参数确定后，才能确定电动机的电压、转速等参数。即当车辆自重确定后，电池的个数就确定了，电动机的电压等级也随之确定。但总体要求是：尽可能提高电压等级，这样就可以使电动机在满足驱动要求的情况下，使电动机的功率小一些，电动机的电流也小一些，这样电池的容量选择、安装空间、安装方式等就更容易处理。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择（2）额定转速的选择根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。1）低速电动机低速电动机的转速为30006000r/min，扩大的恒功率区的低速电动机额定转矩高、转子电流
15、大、电动机的尺寸和质量较大，且相应的转换器、控制器的尺寸也较大，各种电器的损耗较大，但减速器的速比较小。一般低速电动机的转动惯量大、反应慢，不太适用于电动汽车。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择（2）额定转速的选择根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。2）中速电动机中速电动机的转速为600010000r/min,它的各种参数介于低速电动机和高速电动机之间。通常电动汽车多采用中速电动机作为驱动电机。理论知识准备4.新能源汽车用电动机的选择（2）额定转速的选择根据电动汽车的速度、动力性能的要求，需要选择不同转速的驱动电动机。3）高速电动机高速电动机的转速为1000
16、015000r/min，扩大的恒功率区宽，尺寸和质量较小，相应的转换器和控制器的尺寸也较小，各种电器内在的损耗较小。而其减速器的速比要大大增加，通常需要采用行星齿轮传动机构。高速电动机的使用主要受电磁材料的性能、高速轴承的承载能力的限制。一般高速电动机的转动惯性小、起动快、停止也快，电动汽车常采用高速电动机作为驱动电机。理论知识准备电动汽车驱动电机性能对比 电动汽车常用驱动电机主要性能参数对比如表3-2所示。驱动电机性能对比 表3-2性能直流电动机交流异步电动机永磁同步电动机开关磁阻电动机功率密度差一般好一般力矩转速性能一般好好好转速范围（r/min）400060009000150004000
17、1000015000最大功率(kW)85899495959790可操作性差好好好结构坚固性差好一般好体积、质量大、重一般、一般小、轻小、轻功率10%负荷率%808779859092886理论知识准备1.永磁材料简介永磁材料又称“硬磁材料”。一经磁化即能保持恒定磁性的材料。具有宽磁滞回线、高矫顽力和高剩磁，如图所示。实用中，永磁材料工作于深度磁饱和及充磁后磁滞回线的第二象限退磁部分。常用的永磁材料分为铝镍钴系永磁合金、铁铬钴系永磁合金、永磁铁氧体、稀土永磁材料和复合永磁材料。（a）软磁材料 （b）硬磁材料磁滞回线知识拓展1.永磁材料简介（1）铝镍钴系永磁合金以铁、镍、铝元素为主要成分，还含有铜、
18、钴、钛等元素。具有高剩磁和低温度系数，磁性稳定。分铸造合金和粉末烧结合金两种。20世纪3060年代应用较多，现多用于仪表工业中制造磁电系仪表、流量计、微特电机、继电器等。（2）铁铬钴系永磁合金以铁、铬、钴元素为主要成分，还含有钼和少量的钛、硅元素。其加工性能好，可进行冷热塑性变形，磁性类似于铝镍钴系永磁合金，并可通过塑性变形和热处理提高磁性能。用于制造各种截面小、形状复杂的小型磁体元件。知识拓展1.永磁材料简介（3）永磁铁氧体主要有钡铁氧体和锶铁氧体，其电阻率高、矫顽力大，能有效地应用在大气隙磁路中，特别适于作小型发电机和电动机的永磁体。永磁铁氧体不含贵金属镍、钴等，原材料来源丰富，工艺简单，
19、成本低，可代替铝镍钴永磁体制造磁分离器、磁推轴承、扬声器、微波器件等。但其最大磁能积较低，温度稳定性差，质地较脆、易碎，不耐冲击振动，不宜作测量仪表及有精密要求的磁性器件。知识拓展1.永磁材料简介（4）稀土永磁材料主要是稀土钴永磁材料和钕铁硼永磁材料。前者是稀土元素铈、镨、镧、钕等和钴形成的金属间化合物，其磁能积可达碳钢的150倍、铝镍钴永磁材料的35倍，永磁铁氧体的810倍，温度系数低，磁性稳定，矫顽力高达800千安/米。主要用于低速转矩电动机、启动电动机、传感器、磁推轴承等的磁系统。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，其剩磁、矫顽力和最大磁能积比前者高，不易碎，有较好的机械性能，合金密度低
20、，有利于磁性元件的轻型化、薄型化、小型和超小型化。但其磁性温度系数较高，限制了它的应用。知识拓展1.永磁材料简介（5）复合永磁材料由永磁性物质粉末和作为粘结剂的塑性物质复合而成。由于其含有一定比例的粘结剂，故其磁性能比相应的没有粘结剂的磁性材料显著降低。除金属复合永磁材料外，其他复合永磁材料由于受粘结剂耐热性所限，使用温度较低，一般不超过150。但复合永磁材料尺寸精度高，机械性能好，磁体各部分性能均匀性好，易于进行磁体径向取向和多极充磁。主要用于制造仪器仪表、通信设备、旋转机械、磁疗器械等。知识拓展1.永磁材料简介（6）永磁体充磁钕铁硼磁铁的广泛应该在于它的物理特性。最重要的是钕铁硼磁体的充磁
21、方法，常用的充磁方法：直流充磁、脉冲磁场充磁、超导磁场充磁方法三种。直流充磁：在电磁铁线圈中通直流电，产生充磁磁场。一般使用用途提及较小的永磁体，但由于耗能大、起动慢、冷却困难以及难以产生强的充磁磁场，现已很少使用。知识拓展1.永磁材料简介（6）永磁体充磁脉冲磁场充磁：先将交流电转成直流电存储在电容器中，然后使电容瞬时放电或用大容量晶压管放电，在冲刺线圈内产生强的脉冲电流，从而产生强的脉冲磁场，使线圈内的磁体被磁化。脉冲放电时，几毫秒内的脉冲电流可达到100kA以上，一般脉冲充磁装置所能提供的最大磁场为610T,原则上可以将矫顽力为2400kA/m的永磁材料在退磁状态下充到饱和。由于它具有易产
22、生强磁场。充磁周期短。适于连续充磁。能量损耗小，造价较低。冷却问题较易解决、设备体积小等优点，得到广泛的应用。知识拓展1.永磁材料简介（6）永磁体充磁超导磁场充磁方法：用超导材料绕制螺旋管，降温到超导临界温度一下，其电阻会突然消失，只要在超导线圈上加很小的电压，就可以产生很强的超导磁场。这种装置需要液态氮等制冷剂。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （1）永磁电动机的优点随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电机与普通异步速电机相比，具有如下优势：1）效率高这里所说的效率高不仅仅指额定功率点的效率离于普通三相异步电机，而是指
23、其在整个调速范围内的平均效率。永磁同步电机的励磁磁场由永磁体提供，转子不需要励磁电流，电机效率提高，与异步电机相比，任意转速点均节约电能，尤其在转速较低的时候这种优势尤其明显。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （1）永磁电动机的优点2）启动转矩 永磁同步电机一般也采用异步起动方式，由于永磁同步电机正常工作时转子绕组不起作用，在设计永磁电机时，可使转子绕组完全满足高起动转矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （1）永磁电动机的优点3）对电网运行的影响因异步电机的功率因数低，电机要从电网中吸收大量的无功电流，造成电网翰变电设备及发电
24、设备中有大量无功电流，进而使电网的品质因数下降，加重了电网及枪变电设备及发电设备的负荷，同时无功电流在电网、翰变电设备及发电设备中均要消耗部分电能，造成电力电网效率变低，影晌了电能的有效利用。同样由于异步电机的效率低，要满足翰出功率的耍求，势必要从电网多吸收电能，进一步增加了电两能量的损失，加重了电网负荷。在永磁电机转子中无感应电流励班，电机的功率因数高（可近似为1），提高了电网的品质因数使电网中不再需安装补偿器。同时，因永磁电机的高效率，也节约了电能。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （1）永磁电动机的优点4）体积小，重量轻由于使用了高性能的永磁材料提供磁场，使得永磁电机的气隙磁场较
25、感应电机大先增强，永磁电机的体积和重量较感应电机可以大大的缩小。例如某3kW的异步电机重最为40kg，而30kW永磁电机仅为45kg。5）故障率更低、使用普遍 由于使用了高性能的稀土永磁材料提供磁场，因此故障率更低，使用更加普遍为目前应用的主流电梯驱动电机，异步电机目前在客用电梯应用市场上已经完全淘汰，部分低端大载量货用电梯在使用。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （1）永磁电动机的优点6）响应速度快相同功率的永磁电机转子转动惯量小，因此响应迅速，起步加速性能好，图为2.2kW的永磁电机和异步电机在相同载荷时由静止加速到1500 时的阶跃响应曲线，同步电机液压源阶跃响应时间为90，明显
26、优于异步电机的370。电机响应速度00.10.20.30.402004006008001000120014001600时间 t/s转速 n/(rmin-1)异步电机同步电机知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （2）永磁电机相对于普通异步电机存在主要问题1）控制难度大永磁电机制成后不需外界能量即可维持其磁场，但也造成从外部调节、控制其磁场极为困难。永磁发电机难以从外部调节其输出电压和功率因数，永磁直流电动机不能再用改变励磁的办法来调节其转速。永磁电机一般采用闭环控制，电机本身自带转速位置传感器，如旋转变压器、光电码盘；而异步电机即可开环控制如通用变频调速，也可闭环控制如私服控制。知识拓展2
27、.永磁同步电机与异步电机的比较 （2）永磁电机相对于普通异步电机存在主要问题2）不可逆退磁问题如果设计或使用不当，永磁电机在过高（钕铁硼永磁）或过低（铁氧体永磁）温度时，在冲击电流产生的电枢反应作用下，或在剧烈的机械震动时有可能产生不可逆退磁，或叫失磁，使电机性能降低，甚至无法使用。永磁电机一般在定子绕组中预埋温度传感器，检测电机温度，防止过载引起电机温升过大造成退磁。同时，对转速控制也极为严格，如“失步”（转子磁场与定子旋转磁场不同步）也会对电机造成严重不良影响，容易引起退磁。知识拓展2.永磁同步电机与异步电机的比较 （2）永磁电机相对于普通异步电机存在主要问题3）成本问题铁氧体永磁电机，特
28、别是微型永磁直流电动机，由于结构工艺简单、质量减轻，总成本一般比电励磁电机低，因而得到了极为广泛的应用。由于稀土永磁目前价格还比较贵，稀土永磁电机的成本一般比电励磁电机高，这需要用它的高性能和运行费用的节省来补偿。因此永磁电机适于小功率的场合。知识拓展二、永磁同步电机的构造原理与检修永磁同步电动机是在电动汽车上运用最多的一种驱动电机，了解永磁同步电动机的组成结构、工作原理、电机特性及拆装步骤至关重要。1.永磁同步电机的基本结构永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过
29、合理设计永磁三路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电动机系统之一。永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步电动机。理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构永磁同步电动机的结构如下图所示，和传统电动机一样，主要由定子和转子两大部分构成。永磁同步电动机的结构理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构（1）永磁同步电动机的定子定子与普通电动机基本相同，由电枢铁心和电枢绕组构成，如图所示。永磁同步电动机的定子结构电枢铁心一般采用0.5mm硅
30、钢冲片叠压而成，对于具有高效率指标或频率较高的电动机，为了减少铁耗，可以考虑使用0.35mm的低损耗冷轧无取向硅钢片。电枢绕组则普遍采用分布、短距绕组；对于极数较多的电动机，则普遍采用分数槽绕组；需要进一步改善电动势波形时，也可以考虑采用正弦绕组或其它绕组。理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构（2）永磁同步电动机的转子转子主要由永磁体、转子铁心和转轴等构成，如图所示。其中永磁体主要采用铁氧体永磁和钕铁硼永磁材料；转子铁心可根据磁极结构的不同，选用实心钢，或采用钢板或硅钢片冲制后叠压而成。与普通电动机相比，水磁同步电动机还必须装有转子永磁体位置检测器，用来检测磁极位置，并以此对电枢电流进行控制
31、，达到对永磁同步电动机驱动控制的目的。永磁同步电动机的转子结构理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构按照永磁体在转子上位置的不同，永磁同步电动机的磁极结构可分为表面式和内置式两种。表面式转子磁路结构中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，永磁体提供磁通的方向为径向。表面式结构又分为凸出式和嵌入式两种，如图所示。对采用稀土永磁材料的电动机来说，由于永磁材料的相对回复磁导率接近1，所以表面凸出式转子在电磁性能上属于隐极转子结构；而嵌入式转子的相邻两永磁磁极间有着磁导率很大的铁磁材料，故在电磁性能上属于凸极转子结构。表面式转子磁路结构 理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构表面凸出式转子具
32、有结构简单、制造成本较低、转动惯量小等优点，在矩形波水磁同步电动机和恒功率运行范围不宽的正弦波永磁同步电动机中得到了广泛应用。此外，表面凸出式转子结构中的永磁磁极易于实现最优设计，使之成为能使电动机气隙磁场密度波形趋近于正弦波的磁极形状，可显著提高电动机乃至整个传动系统的性能。1）表面凸出式转子结构表面嵌入式转子结构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，制造艺也较简单，常被某些调速永磁同步电动机所采用，但漏磁系数和制造成本都较凸出式大。理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构2）内置式转子磁路结构内置式结构的水磁体位于转子内部，永磁体外表面与
33、定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，极靴中可以放置铸铝笼或铜条笼，起阻尼或起动作用，广泛用于要求有异步启动能力或动态性能高的求磁同步电动机。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩也有助于提高电动机的过载能力或功率密度，而且易于弱磁扩速。理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构按水磁体磁化方向与转子旋转方向的相互关系，内置式转子结构又可分为径向式、切向式、U型混合式和V型径向式。（a）径向式 （b）切向式 （c）U型混合式 （d）V型径向式内置式转子结构混合式结构集中了径向式和切向式的优点，但结构和制造工艺都比较复杂，制造成本也比较高。理论知识准备1.永磁同
34、步电机的基本结构（3）转子位置传感器在永磁同步电机中，通常转子位置传感器与电机轴联在一起，用来随时测定转子磁极的位置，为电子换向提供正确的信息。也有例外，像洗衣机用的DD电机，往往将HALL安装到定子上，永磁体安装在转子上，定子转子这里其实只是个相对的概念。目前，PMSM系统的位置传感器有很多种方式，像光电编码式、磁敏式、和电磁式等，也有控制精度要求相对较高的场合，采用正弦或余弦旋转变压器等位置传感器的，但无论哪种测量方式，其本质都是用来测量转子位置信息的，只是安装的体积、方便程度、成本及可靠性要求不同而已。理论知识准备1.永磁同步电机的基本结构（4）逆变器位置传感器将转子的位置信号电平反馈给
35、控制芯片，控制芯片经过电流采样和数学变换，并根据反馈的位置信息经过闭环运算，重新按新的PWM占空比输出，来触发功率器件（IGBT或MOSFET），实际上逆变器是自控的，由自身运行来保证电机的转速和电流输入频率同步，并避免震荡和失步的发生。理论知识准备2.永磁同步电机的工作原理永磁同步电动机的驱动电路如图所示，定子转组产生旋转磁场的机理与感应电动机是相同的，其转子通过永久磁铁产生磁场，两个磁场相互作用产生转矩，定子绕组产生的旋转磁场，可看作是一对旋转磁极吸引转子的磁极随其一起旋转。水磁同步电动机带负载时，气隙磁场是永磁体磁动势和电枢磁动势共同建立的，电枢磁动势对气隙磁场有影响，电枢磁动势的基波对
36、气隙磁场的影响称为电枢应。永磁同步电机驱动电路理论知识准备2.永磁同步电机的工作原理永磁同步电机的工作原理如图所示，图中为功率角，电机的转子是一个永磁体，N、S极延圆周方向交替排列，定子可以看成是一个以速度n0旋转的磁场。电机运行时，定子存在旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转样，随着定子的旋转磁场同步旋转。永磁同步电机工作原理理论知识准备2.永磁同步电机的工作原理 理论知识准备2.永磁同步电机的工作原理永磁同步电机的定子是三相对称绕组，三相正弦波电压在定子三相绕组中产生对称三相正弦波电流，并在气隙中产生旋转磁场。旋转磁极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、转子磁场轴线
37、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，功率角也越大，直到一个极限角度，电机停止。由此可见，同步电机在运行中，转速必须与频率严格成比例旋转，否则会失步停转。所以，它的转速与旋转磁场同步，其静态误差为零。在负载扰动下，只是功率角变化，而不引起转速变化，它的响应时间是实时的。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（1）永磁同步电机的优点 用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、集电环和电刷，以电子换相实现无刷运行，结构简单、运行可靠。永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速。永磁同步电
38、动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转距的扰动具有较强的承受能力，瞬间最大转矩可以达到额定转矩的3倍以上，适合在负载转矩变化较大的工况下运行。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（1）永磁同步电机的优点永磁同步电动机的转子为永久磁铁，无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高。体积小质量轻。近些年来随着高性能永磁材料的不断应用，永磁同步电动机的功率密度得到很大提高，比起同容量的异步电动机来，体积和质量都有较大的减少，使其适合应用在许多特殊场合。理论知识准备
39、3.永磁同步电机的特点及应用（1）永磁同步电机的优点结构多样化，应用范围广。永磁同步电动机由于转子结构的多样化，产生了特点和性能各异的许多品种，从工业到农业，从民用到国防，从日常生活到航空航天，从简单电动具到高科技产品，几乎无所不在。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（2）永磁同步电机的缺点由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（2）永磁同步电机的缺点永磁同步电动机的磁钢价格较高。由此可见，永磁同步电动机体积小、质量轻、转动惯量小、功率密度高（可达1kW/kg），适
40、合电动汽车空间有限的特点；另外，转矩惯量比大、过载能力强，尤其低转速时输出转矩大，适合电动汽车的起动加速。因此，永磁同步电动机得到国内外电动汽车界的广泛重视，并已在日本得到了普遍应用，日本新研制的电动汽车大都采用永磁同步电动机驱动。比较典型的是在丰田普锐斯混联式混合动力轿车上的应用。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（2）永磁同步电机的缺点永磁同步电动机的磁钢价格较高。丰田普锐斯电动机为交流永磁同步电动机，采用钕磁铁（永久磁铁）转子。其特点是输出功率高、低速转矩特性好。THS的500V最高电压使电动机的输出功率比THS系统（最高电压为274V）提高了1.5倍，即从33kW提高到50kW，
41、而电动机的尺寸保持不变，它是目前世界上单位质量和体积输出功率最大的电动机。在电动机控制方面，中转速范围增加全新的过调制控制技术，保留原来的低速和高速控制方法。通过改进脉冲宽度调制方法，中速范围的输出比原来的最大值增加大约30。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（2）永磁同步电机的缺点永磁同步电动机的磁钢价格较高。丰田普锐斯发电机也采用交流永磁同步发电机，向高功率电动机提供充足的电能。发电机高速旋转，以增大输出功率。采用增加转子强度等措施，将最大功率输出时的转速从6500rmin提高到10000rmin，高转速明显地提高了中转速范围的电力，改善了低转速范围的加速性能，此外，发电机还用作发动
42、机的起动机。起动时，发电机（起动机）驱动分配装置的太阳轮带动发动机旋转。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（3）永磁同步电动机的运行特性永磁同步电动机的运行特性主要包括机械特性和工作特性，永磁同步电动机稳态正常运行时，转速始终保持同步速不变，因此，其机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比变化，如图所示。永磁同步电动机的机械特性理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用 理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（3）永磁同步电动机的运行特性从图中可以看出，在正常工作范围内，永磁同步电动机的功率因数比较平稳，效率特性也能保持较高的水平。电动机的输入
43、功率和电枢电流近似与输出功率成正比。理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（4）永磁同步电机的应用比亚迪E6是比亚迪自主研发的一款纯电动crossover，该车的长宽尺寸分别为4554mm，1822mm，1630mm，轴距达到2830mm。比亚迪E6采用了自主研发的铁电池，同时装配了终身免维护的永磁电动机，E6电机控制器如图所示，电机最大功率达到90kW，电机最大功率转速250rpm，最大扭矩450Nm，最大续驶里程为350km。比亚迪E6电机控制器理论知识准备3.永磁同步电机的特点及应用（4）永磁同步电机的应用宝马i3纯电动汽车是宝马公司的第一款综合了环保技术及功能性创新的量产车，并荣获2
44、014年度世界环保车型大奖和2014年度世界汽车设计大奖。该车采用后置后驱的布置形式，永磁同步电动机位于后桥后方，最大输出功率为125kW，最大输出转矩为250 N m搭载了一套22kW h的锂离子电池，0100kmh的加速时间为7.2s，最高车速为150kmh，在一次充满电的情况下，续驶里程为130160km。宝马i3动力单元理论知识准备1.旋转变压器（1）旋转变压器简介旋转变压器（resolver）是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。学习拓展1.旋转变压器（1）旋转变压器简介定子绕组作为变压器的原边
45、，接受励磁电压，励磁频率通常用400Hz、3000Hz及5000Hz等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化,输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。学习拓展1.旋转变压器（1）旋转变压器简介旋转变压器一般有两极绕组和四极绕组两种结构形式。两极绕组旋转变压器的定子和转子各有一对磁极，四极
46、绕组则各有两队磁极，主要用于高精度的检测系统。除此之外，还有多极式旋转变压器，用于高精度绝对式检测系统。旋转变压器(resover)包含三个绕组，即一个转子绕组和两个定子绕组。转子绕组随马达旋转，定子绕组位置固定且两个定子互为90度角(如下图所示)。这样，绕组形成了一个具有角度依赖系数的变压器。学习拓展1.旋转变压器（1）旋转变压器简介旋转变压器及其相关信号 将施加在转子绕组上的正弦载波耦合至定子绕组，对定子绕组输出进行与转子绕组角度相关的幅度调制。由于安装位置的原因，两个定子绕组的调制输出信号的相位差为90。通过解调两个信号可以获得马达的角度位置信息，首先要接收纯正弦波及余弦波，然后将其相除
47、得到该角度的正切值，最终通过“反正切”函数求出角度值。学习拓展1.旋转变压器（1）旋转变压器简介按输出电压与转子转角间的函数关系，主要分三大类旋转变压器：1）正-余弦旋转变压器-其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系。2）线性旋转变压器-其输出电压与转子转角成线性函数关系。线性旋转变压器按转子结构又分成隐极式和凸极式两种。3）比例式旋转变压器-其输出电压与转角成比例关系。学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理由于旋转变压器在结构上保证了其定子和转子(旋转一周)之间空气间隙内磁通分布符合正弦规律，因此，当激磁电压加到定子绕组时，通过电磁耦合，转子绕组便产生感应电势。两极旋转
48、变压器电气工作原理图学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理设加在定子绕组 的激磁电压为 根据电磁学原理，转子绕组 中的感应电动势则为式中K：旋转变压器的变比；Vm：Vs的幅值；：转子的转角，当转子和定子的磁轴垂直时，=0。21SStVVmssin21BBtKVKVVmsBsinsinsin学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理由上式可知，转子绕组中的感应电势VB为以角速度随时间t变化的交变电压信号。其幅值KVmsin随转子和定子的相对角位移以正弦函数变化。因此，只要测量出转子绕组中的感应电势的幅值，便可间接地得到转子相对于定子的位置，即角的大小。在实际应用中，考虑到使用的方
49、便性和检测精度等因素，常采用四极绕组式旋转变压器。这种结构形式的旋转变压器可分为鉴相式和鉴幅式两种工作方式。学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理鉴相式工作方式是一种根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移大小的检测方式。如图所示，定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。鉴相式工作方式学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理图中S1S2为定子主绕组，K1K2为定子辅助绕组。当S1S2和K1K2中分别通以交变激磁电压时，可得：根据线性叠加原理，可在转子绕组B1B2中得到感应电势VB，其值为激磁电压VS和VK在B1B2中产生感应电势VBS和VBK之和，即
50、：tVVmscostVVmKsin)sin(tKVVVVmBKBSB学习拓展1.旋转变压器（2）旋转变压器的工作原理由此可见，旋转变压器转子绕组中的感应电势VB与定子绕组中的激磁电压同频率，但相位不同，其差值为。而角正是被测位移，故通过比较感应电势VB与定子激磁电压信号VK的相位，便可求出。在鉴相式工作方式图中，转子绕组A1A2接一高阻抗，它不作为旋转变压器的测量输出，主要起平衡磁场的作用，目的是为了提高测量精度。学习拓展1.旋转变压器（3）与编码器比较优缺点旋转变压器和光电编码器是目前伺服领域应用最广的测量元件，其用途类似光电编码器，其原理和特性上的区别决定了其应用场合和使用方法的不同。光电
