1、第二章第二章 电动汽车驱动电机及其调速控制系统电动汽车驱动电机及其调速控制系统 目录第一节 概述 第二节 直流电机 第三节 交流电机 第四节 永磁无刷电机 第五节 开关磁阻电机及驱动SRD系统第六节 直接驱动轮毂式装置2023-1-28 第一节第一节 概概 述述电动汽车动力驱动系统特性：电动汽车动力驱动系统特性：决定主要行驶性能指标，起着节约电能消耗的重要作用。为提高电动汽车性价比以促使普及产业化，要求整个动力驱动系统效能高、造价低、坚固耐用、便于维护等。由于动力系统所用电机要求同时具有电动机和发电机两种功能，为此约定：约定：仅为前单项功能被称电动机电动机；兼有两项功能简称电机电机，以此一字区
2、别即知其含义。动力驱动系统可按传动结构方式或电机类型分类：按传动结构传动结构方式分类参见图1-19，及前所述特点。本章将按电动汽车动力驱动系统所用主要电机类型电机类型：直流电机、交流电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机来分别介绍。图1-19 四种典型的动力传递驱动结构 a)传统的驱动模式 b)电动机-驱动桥组合式驱动方式 离合器变速器传动轴驱动桥转向器电动机组合式驱动系统转向器c)电动机-驱动桥整体式驱动方式 d)轮毂电机分散驱动方式整体式驱动系统 转向器轮毂电机转向器轮毂电机直流电机：直流电机：控制简单、成本较低、技术成熟等优点，但由于具有电刷，存在换向火花、电刷易磨损、需定期维护等缺点。第一节
3、 概 述交流电机：交流电机：本身具有坚固耐用、效率高、体积小、免维护等优点，但其驱动控制器由于需将直流电逆变为交流电，并要采用矢量控制变频调速，控制线路复杂而价格高。永磁无刷电机：永磁无刷电机：有无刷直流电机和三相永磁同步电机两种，由于采用永磁铁励磁极大提高电机效率及其功率密度(单位体积下功率)，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。开关磁阻电机驱动系统：开关磁阻电机驱动系统：为新型机电一体化装置，有结构简单、坚固可靠、制造成本低、调速范围宽、起动力矩大、过载能力强、效率较高、能方便有效实现发电回馈及电磁制动等优点优点，特别适于汽车重载起步
4、、频繁起停和行驶路况多变等独特要求。但致命缺点缺点是存在较大转矩脉动，引起振动及噪声较大，使得业界较多因此对其进一步研发望而却步，而现经多年不懈努力终于解决了此难题。一、电机调速性能与其发展借鉴一、电机调速性能与其发展借鉴先按电机拖动理论简述工业用调速电机性能指标以便后述分析。机械特性机械特性：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。第一节 概 述1 1、电动机调速性能指标、电动机调速性能指标1)1)机械特性与负载特性机械特性与负载特性 负载特性：负载特性：电动
5、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所带负载特性。为满足汽车多变行驶路况的各种负载特性匹配即需更难的独特要求，后述特将归类分析。为所要求最高转速nmax与最低转速nmin之比，即调速范围D=nmax/nmin；为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。原采用多档齿轮与电机结合的多级调速法，存在机械摩擦使效率低，维护要求高，动态响应慢，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
6、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。第一节 概 述2)2)调速范围调速范围 有两种表示法：如数控伺服早由电机直驱控制，调速范围可达1:20000，实现低速强力切削及高速轻载快速趋近使机床拖板精确定位。然而数控伺服驱动发展经历了直流电机惯量匹配的曲折历程还值得借鉴，在此简述如下：随现代电机直接控制理论和各类调速电
7、机技术快速发展，应充分发挥电控调速多项优势，采用宽调速高特性电机直接驱动，以提高整个系统快速响应性，改善调速系统的整体性能指标，是当今技术的发展方向。早在20世纪60年代，德国SIMENS、美国GE等公司就对直流电动机探索研究，力图研制一种高灵敏度的直流伺服电动机。第一节 概 述2 2、直流调速伺服电动机发展的借鉴、直流调速伺服电动机发展的借鉴 第一节 概 述按电动机旋转运动平衡方程式可推得：3752GDMMdtdnzd电动机加速度Md电动机输出力矩，Mz负载力矩，Md-Mz加速扭矩；GD2=4gJ飞轮矩，g重力加速度，J转动惯量(kgm2)；折算系数375=(49.860)/2。为提高快速响
8、应性即要增大加速度，为此需增大电动机输出力矩Md，即增大加速扭矩Md-Mz，或减小电动机的转动惯量J。鉴于当时普通直流电动机由于本身惯量较大，电动机加速度较低，难以满足伺服动态响应性，又当时受到提高电动机加速转矩的限制，所较多电机研制厂力图减小电动机转动惯量J来提高其响应灵敏度。1963年日本安川电机厂研制成一种采用无槽小直径转子的新型直流电动机，命名为小惯量直流伺服电动机。电动机本身电气时间常数虽很小，但实际与机床传动机构连接应用中，由于惯量匹配等问题使得带负载能力较差，未能全面综合解决机床进给伺服驱动的各项要求。第一节 概 述而美国CETTYS盖梯斯公司在永磁直流电动机上采用所研究的陶瓷类
9、磁性材料，并同时加大转子直径，使电动机在不引起非磁化条件下能承受额定值1015倍的峰值加速扭矩，达到了较好的扭矩惯量比。于1969年成功推出命名为大惯量直流伺服电动机技术。该电动机由于转子的转动惯量大，容易与机床传动机构惯量匹配。可直接与机床拖板丝杠连接，即消除齿轮传动误差而提高精度和刚性，也减小了整个系统机电时间常数，使原来极力回避的大惯量反而成了优点。并能瞬时输出数倍额定转矩的加速扭矩，极大加快了动态响应。电动机推出后很快被推广应用，该技术专利被日本FANUC公司购买后，采用PWM晶体管脉宽调制系统为驱动控制电源，于1976年推出了大惯量直流电动机闭环伺服系统，而被世界众多数控机床所采用。
10、鉴此即充分说明电动机调速特性与其负载匹配的重要性，也揭示了综合性改进优化技术方案更需扩展思路来探索。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1530%也为合算。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。第一节 概 述3 3、电机调速控制系统的发展和研究方向、
11、电机调速控制系统的发展和研究方向1)1)传动系统。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；向着全电气控制系统发展。2)2)电机结构。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。4)4)电力电子器件。电力电子器件。由体积庞大的电子管、小功率晶体管；过渡到大功率无自关断能力的晶闸管；向全控型电力电子控制器件发展。3)3)控制电路。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；向着高集成电路、全数字电路发展。5)5)控制策略。控制策略。由低效有级控制；过渡
12、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。第一节 概 述二、汽车行驶对驱动电机的要求二、汽车行驶对驱动电机的要求电动汽车对动力控制要求虽类似数控伺服驱动，但负载特性匹配差别较大，因行驶路况多变，存在重载起步、频繁启停及车载能源受限等。而数控伺服技术发展进程值得参考效仿，即在发展初期电机、电子、电控多家齐心协力研发，极大提高了伺服性能和加快配套于机床应用。伺服按故名思意为伺侯服侍，即要敏捷、忠诚而准确执行数控指令。而电动汽车对电机驱动系统要求应为“稳、省、快、宽、足”，即仅将准确定位改为节省电能，因
13、车载能源受限要求电机及动能传输均有高效率，需按汽车行驶工况灵活调配电机功率，来提高运行效率与其动能回收率，以使车载自重与能源消耗良性循环来合理有效提高续行里程。数控机床对伺服驱动要求可概括为“稳、准、快、宽、足”五个大字，表示系统稳定性、准确定位性、快速响应性、宽调速范围和足够驱动力。第一节 概 述另外还有温升低、噪声小、体积小、价格低、控制方便、输出与输入线性度好、可靠性高，维修保养方便，对温度、湿度等环境要求宽等。1 1、电机的速度控制与位置控制、电机的速度控制与位置控制 要求要求以调速性能指标为主的电机系统，也是电动汽车行驶动力驱动所要求，应用领域应用领域还有机械、冶金、化工、纺织、造纸
14、、矿山等大部分工业用机械装置。1)1)电机的速度控制电机的速度控制 要求要求以定位精度为主的电机系统，为位置伺服系统、运动控制系统，通过电机伺服机构将给定位置指令变成期望的位移运动，特点特点除要求准确定位外，还需频繁起停，而对电机功率和效率的要求相对较低。应用领域应用领域有数控机床、机器人、打印机、复印件、扫描仪、磁记录仪、磁盘驱动器、雷达及导航等。2)2)电机的位置控制电机的位置控制 第一节 概 述2 2、电机的四象限运行特性、电机的四象限运行特性要求要求电动汽车动力驱动所用电机同时具有电动机和发电机双功能。即电动汽车行驶于前进、倒退、降速制动和下坡滑行各种工况中，要求电机分别运行于正、反转
15、、发电回馈的第、三个象限。注意注意汽车下坡时，电机仍运行于正转状态，因此其发电回馈制动也在第象限进行。第一节 概 述图示为调速电机运行特性的四个象限。现有调速电机通常具备四个象限运行功能，为加快电机停转或正反转切换，可采用能耗制动、反接制动或再生制动等方式，而对于能源受限的电动汽车应采用再生制动，并需设法改进发电回馈技术以提高动能回收率。图2-1a）电机四象限运行状态n-n-TL 0 TL 第象限正向制动(发电回馈)第象限反向电动第象限反向制动(发电回馈)第象限正向电动3 3、典型生产机械的负载特性分析、典型生产机械的负载特性分析直线律负载 位能性恒转矩负载；恒功率负载；反抗性恒转矩负载；二次
16、方律负载；以图示比较分析说明:汽车多变行驶工况致使负载特性也变化多端。第一节 概 述图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-PL 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -TL 0 反向制动正向电动1)1)恒功率负载特性恒功率负载特性功率PL(W)与转矩TL(Nm)、角速度(rad/s)、转速n(r/min)的关系式：特征特征:负载功率PL为不随转速n变化的恒定值。第一节 概 述图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-PL 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -TL 0 反向制动正向电动nPnP
17、PTLLLL9.55602负载转矩TL与转速n成反比，功率PL恒定时负载转矩特性为双曲线2)2)反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性特征：负载转矩TL为恒定值，也称摩擦性转矩负载。第一节 概 述图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-PL 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -TL 0 反向制动正向电动按PL=nTL/9.55，TL为恒值，所PL与n为一次方关系。3)3)位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性特点是负载转矩TL的大小与方向均为恒定，即与转速n无关。第一节 概 述图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-P
18、L 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -TL 0 反向制动正向电动典型实例:提升机带重物升降，重物不论提升(+n)或下降(-n)，重物的重力总是向下，即负载转矩方向不变。防止重物下降时太快，需对电机施加制动力，运行象限制动状态。恒转矩负载中位能性位能性与反抗性反抗性有何不同特性？思考思考 4)4)二次方律负载特性二次方律负载特性PL=KTn2n/9.55=KPn3，KP负载功率常数，而功率特性即为三次抛物线。第一节 概 述 图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-PL 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -
19、TL 0 反向制动正向电动对电机调速要求特别：低速时负载阻转矩与效率很低，可加快升速过程；随转速升高负载转矩迅速增大，应减缓升速过程，且所需功率成三次方急剧增加，易超过电机及驱动控制器容量而过热损坏，需限制最高转速及功率。特点：TL=KTn2，KT负载转矩常数，即负载转矩特性为二次抛物线，又称平方减速转矩负载或风机、泵类负载。典型负载为水泵、油泵、通风机和螺旋桨等一类机械装备。5)5)直线律负载特性直线律负载特性也称粘滞摩擦负载，第一节 概 述图2-1b）负载转矩特性曲线 c）负载功率特性曲线n-n-PL 0 PL 反向制动正向电动正向制动反向电动正向制动反向电动n-nTL -TL 0 反向制
20、动正向电动负载功率PL与转速n成二次方，功率特性曲线为二次抛物线。负载转矩TL与转速n成正比，负载转矩特性曲线为直线；各种机械负载特性与第三章所述汽车行驶所遇各类阻力比较得出：滚动阻力Ff、坡度阻力Fi和加速阻力Fj均与恒转矩负载特性类似，也均与车载质量成正比，而其功率与车速成正比；汽车行驶阻力低速时以Ff、Fi和Fj为主，高速时以Fw为主，说明：第一节 概 述空气阻力Fw与二次方律负载特性类同，即风阻转矩随车速以二次方律提增，功率以三次方律增加。车辆起步、加速时表现为反抗性恒转矩负载特性；高速行驶时主要表现为恒功率负载特性；而上下坡时又近似于位能性恒转矩特性。电动汽车为多变型混合特性负载，所
21、用于一般工业机械的通用性调速控制系统难以全面满足电动汽车对动力驱动系统的要求。4 4、电动汽车对动力驱动系统的具体要求、电动汽车对动力驱动系统的具体要求为适应电动汽车在起步、加速、稳速、降速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、制动和停车等每种行驶工况的负载特性匹配要求，需对其全面分析、比较、归类，可归纳出对动力驱动系统八大性能要求：1 1）起动力矩大及过载能力强。）起动力矩大及过载能力强。即要满足汽车带负载频繁起步要求，还希望在加速和上坡时，有相当的短时过载能力。3 3）调速范围宽。）调速范围宽。希望汽车在高、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
22、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，并腾出空间供蓄电池布局和降低成本。如同数控伺服早已采用直驱。2 2）限制电机过大的峰值电流。）限制电机过大的峰值电流。须小于蓄电池最大放电允许电流以免损坏。普通电动机起动电流较大，需设法改善电机的起动特性。4 4）要求电机能正反转运行。）要求电机能正反转运行。使汽车倒车时不必切换齿轮来实现倒档。第一节 概 述5 5）要求电机能方便、高效地实现发电回馈。）要求电机能方便、高效地实现发电回馈。使汽车降速制动和下坡滑行时经电机，将更多动能转换为电能回馈给蓄电池来提高续驶里程。7
23、7）要求调速响应快。）要求调速响应快。提高电机动态响应性可改善行驶中各控制性能。6 6）设法使电机同时具有电磁制动功能。）设法使电机同时具有电磁制动功能。即使电机定、转子间由电磁吸力直接吸住，以实现较好制动效果来减少汽车频繁起停中机械制动运行频率，避免其固有热衰退以提高制动效能及其恒定性，增强行驶安全性。由于电磁制动动态响应极快，可方便控制按后述制动中车轮受力分析，根据轮胎与地面间附着力、制动力、滑动率的关系，及时准确对前、后、左、右车轮制动力适宜分配，提高汽车安全操控性。8 8）运行平稳及可靠性高。）运行平稳及可靠性高。以此减小电机振动与噪声，并利用其故障容错性等，确保电动汽车故障时仍能“跛
24、脚回家”以避免交通堵塞。第一节 概 述三、电机驱动系统的基本组成三、电机驱动系统的基本组成 包括图示四部分 电机电机需有电动与发电双功能，可选直流、交流、永磁无刷或开关磁阻等类型。第一节 概 述功率转换器功率转换器按电机类型有DC/DC、DC/AC等形式，将蓄电池直流电经功率开关管转换为电机驱动所需的直流、交流或矩形波等相应电压。各种检测传感器各种检测传感器有速度、电压、电流、转矩及温度等检测反馈，以改善电机调速特性，对永磁无刷或开关磁阻电机还需有电机转角检测。控制器控制器由整车控制系统指挥协调，以适于由多台轮毂电机等驱动的各种方式，也可直接取自驾驶操纵的档位杆、加速踏板和制动踏板等，按前进、
25、倒退、起步、加速、制动等指令，结合各传感检测反馈信息，通过运算、逻辑判断、分析比较等，适时向功率转换器发出相应指令，使整个驱动系统有效协调运行。与所选电机类型及驱动方式相关。回到本章目录图2-2 电机驱动系统的基本组成框图 动力电源流向控制信号流向；各种检测传感器电源（蓄电池组）制动踏板 档位杆控制器电 机功率转换器加速踏板第二节第二节 直流电机直流电机直流电机由于存在调速性能好、过载能力强、控制简单等优势，曾在调速电机领域独占鳌头，20世纪70年代前，对调速性能要求较高场合均采用直流电机。也是电动车辆应用最早较广泛的电机。但由于存在换向火花、电刷磨损及电机本身结构复杂等问题，随着交流变频调速
26、技术发展，交流调速电机后来居上。目前城市无轨电车和电动叉车等场合还较多采用直流驱动系统，虽直流电机应用在逐年减少，但它包含了电力调速系统最基础的理论，即仍有必要来分析讨论。并对由蓄电池提供直流电源的车辆，也有可能设法以适当简化驱动器来降低成本。一、直流电机的基本原理一、直流电机的基本原理可同时兼作电动机或发电机用，原理分别以电磁力和电磁感应为基础。电机外圈主磁极主磁极固定南S、北N极永磁铁，之间安装空芯筒状电枢铁芯电枢铁芯；铁芯与磁极间为气隙气隙；铁芯空筒内安放电枢绕组电枢绕组；绕组两端接在换向器换向器的半圆形铜片上；再由两个电刷电刷A A、B B连接外电路；电机运转时电枢铁芯、电枢绕组及换向
27、器旋转，而主磁极和电刷在空间固定不动。第二节 直流电机图2-3 直流电机的物理模型a)直流电动机工作原理示意图 b)直流发电机工作原理示意图1 1、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理 第二节 直流电机图2-3a 直流电动机工作原理示意图将直流电能转换成机械能从轴输出做功。从电刷A、B通入直流电，在图示位置导体ab段正处于N极下，cd段在S极上。电流正极从电刷A流入线圈，方向为ab、cd，再经电刷B返回电源负极。如导体所处磁通密度为B，导体有效长度为l，电流为i，按电磁力定律此时导体所受电磁力F=B l i。其方向由左手定则判定，即导体ab和cd受力产生的转矩均使电机转子按逆时针转动。即
28、虽导体内电流方向改变，但受力转矩方向不变，使转子连续旋转。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上。电流经电刷A由d端流入线圈内，方向为dc、ba，仍如图箭头所示。根据左手定则判定导体ab和cd受力产生的转矩仍为逆时针方向。2 2、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理 第二节 直流电机将电机轴上机械能转换为直流电能。原动机拖动转子电枢按逆时针旋转，如图导体ab段在N极下，cd段在S极上。如导体所处磁通密度为B，长度为l，其线速度为v，则根据法拉第电磁感应定律，导体感应电动势瞬时值e=B l v。电动势方向按右手定则如图箭头所示：N极下ab段为ba、S极上cd
29、段为dc。转子旋转时绕组感应的交变电动势经换向器与电刷变成直流电动势。转子转过180导体ab段与cd段对换，使cd段在N极下，ab段在S极上，电动势方向仍如图箭头所示：cd段为cd、ab段为ab。因电刷不随换向片转动使线圈abcd电动势方向仍是:电刷极性方向A为正、B为负。图2-3b 直流发电机工作原理示意图线圈abcd电动势为ab(或cd)的2倍，并使电刷极性方向A为正、B为负。实际电机的电枢不只是一个线圈，而由多个按一定规律连接的线圈组成，并主磁极对数也成倍增加，使即提高电机的功率密度，也使所输出转矩(电动机)或电动势(发电机)的脉振程度极大减少。由此表明：同台直流电机只要改变外界条件，既
30、可用作电动机，也能转换为发电机运行，这即是适于各类电机的普遍原理。但按电机结构原理不同，转换的方便性，及在电动或发电时的效能也有所不同，而对电动汽车即希望两者均能全面兼顾。第二节 直流电机二、直流电机的基本结构二、直流电机的基本结构由用以产生磁通和支撑电机的定子(固定部分)；用作产生电磁转矩或感应电动势的转子(转动部分)两大部分组成。第二节 直流电机图2-4 直流电机的典型结构图b)直流电机横剖面结构图a)直流电机纵剖面结构图电枢槽电枢铁芯电枢绕组底脚换向绕组换向极主磁极励磁绕组轴风扇端盖轴承机座(磁轭)励磁绕组电刷极身机座(磁轭)电枢绕组极掌电枢齿主磁极电枢铁芯换向器 第二节 直流电机1 1
31、、定子、定子 包括如下部件1 1）主磁极。）主磁极。在定、转子间气隙中建立磁场，致使电枢绕组产生电磁转矩或感应电动势。由包括极身和极掌的主极铁心；及励磁绕组组成。按N、S极相隔排列。为降低涡流损耗常用11.5mm厚低碳钢冲片叠压成。小电机也用永磁铁替代励磁绕组为永磁直流电机。2 2）换向极。）换向极。也称附加极，装在相邻主磁极间中心处，为改善换向，消除或减小电刷与换向器间火花。包含换向极铁芯和其绕组。铁芯常用整块钢制成，也用11.5mm厚钢片叠压成以提高换向性能。对小容量电机的换向极可减少一半或省去。3 3）机座。）机座。也称机壳，用以固定主磁极、换向极和端盖等，也为其磁通路。要求机座既要导磁
32、性好与足够的导磁面积，又有足够的机械强度和刚度。4 4）电刷装置。）电刷装置。使旋转的电枢电路连接静止的外电路，与换向器配合进行逆变或整流。由电刷、刷握、握杆、握杆座以及铜丝辫等零部件组成。图2-4b）直流电机横剖面结构图电枢槽电枢铁芯电枢绕组底脚换向绕组换向极主磁极励磁绕组机座(磁轭)极身极掌电枢齿1 1）电枢铁心。）电枢铁心。为电机主磁路部分，并嵌放电枢绕组。常由涂绝缘漆的0.5mm厚硅钢片叠压成，以降低电枢旋转使磁通变向引起的铁心损耗。2 2）电枢绕组。）电枢绕组。产生电磁转矩或感应电动势，起转换机电能量的关键。由绕电枢铁芯的多个线圈组成，各线圈称作元件为单匝或多匝。元件两端嵌在相隔一定
33、槽数电枢铁芯的两槽中，以串联或并联接成回路。3 3）换向器。）换向器。以保证各磁极的电枢导体电流方向不变，产生恒向电磁转矩；或在电刷间得到直流电动势。因绕组由多个元件组成，各元件两端与各换向片连接，所换向器由多个互相绝缘的铜制换向片组成。是定子磁极和转子电枢间自然形成的缝隙。虽不为结构部件，但为主磁路重要部分，是机电能量转换媒介。气隙大小直接影响电机性能，越小磁损耗越小，使效率越高，但受机械加工精度和旋转同轴度限制，因此随电机容量(体积)和最高允许转速增加而增大。第二节 直流电机2 2、转子、转子 包括如下部件3 3、气隙、气隙 三、直流电机的励磁方式三、直流电机的励磁方式 按直流电机结构原理
34、，主磁极的励磁有永磁式和电励磁式两种。电励磁式由励磁绕组供电有图示四类，而并励、串励和复励通称自励。第二节 直流电机图2-5 直流电动机的各种电励磁方式b)并励d)复励a)他励c)串励+U -+Uf -MIfRcEaIa+U -IfMIa+U -IfMIa+U -If1MIf2Ia直流电机励磁绕组所耗功率虽只占整个电机功率的13%，但其性能随励磁方式不同产生很大差别，电动机的机械特性也大不相同，如图所示：第二节 直流电机他励机械特性图2-6 直流电机采用不同励磁方式的机械特性比较nn00 T并励机械特性串励机械特性复励机械特性励磁电路特点励磁电路特点:励磁线圈与转子电枢的电源分开，可分别控制励
35、磁电流If和电枢电流Ia，实现对他励直流电机各种控制，以扩大调速范围，实现在减速和制动时的再生制动。1 1）他励）他励 有良好的线性特征和稳定输出特性。在直流调速领域内应用最广泛，也是电动汽车在直流电机中的首选电机。机械特性机械特性指电枢电压、励磁电流等所有(如图中的电枢外串联电阻Rc=0)控制参数不变时，电机电磁转矩T与转速n的关系曲线。第二节 直流电机他励机械特性图2-6 直流电机采用不同励磁方式的机械特性比较nn00 T图2-5a）他励+U -+Uf -MIfRc EaIa励磁电流与转子电枢为同电源，按连接关系分并励、串励和复励三种：并励：并励：励磁绕组与电枢绕组并联，机械特性与永磁直流
36、电机相似。第二节 直流电机2 2）自励）自励 串励：串励：励磁绕组与电枢绕组串联，机械特性具有起动转矩大及恒功率调速范围宽，较适于电动汽车起步要求，但机械特性软使加速性能差，设想在汽车起步时采用串励方式起动，其他工况均采用他励方式驱动。复励：复励：主磁极有并励、串励两个励磁绕组，若两个励磁绕组所产生的磁动势方向相同就称为积复励，否则称为差复励。图2-6 直流电机采用不同励磁方式的机械特性比较nn00 T并励机械特性串励机械特性复励机械特性图2-5 直流电动机的各种电励磁方式b)并励d)复励c)串励+U -IfMIa+U -IfMIa+U -If1MIf2Ia四、他励直流电机的调速与制动四、他励
37、直流电机的调速与制动为满足各类生产机械对负载转矩特性要求，在实际应用中需通过设法改变电机的各种控制参数来达到某种所需的人为机械特性。前述不同励磁方式直流电机的机械特性为电机本身固有机械特性。他励直流电机可控参数多，易按需实现人为机械特性，所较多采用他励直流电机，在电动汽车直流驱动方式中也常选用他励直流电机。为此需先给出直流电机电枢电动势和电磁转矩的两个数学公式，从而导出他励直流电机的机械特性数学方程式，即电机的电磁转矩与转速间的函数关系式n=f(T)，然后才能说明如何改变方程式中的相关参数来获得所需人为机械特性。第二节 直流电机1 1、直流电机电枢电动势和电磁转矩、直流电机电枢电动势和电磁转矩
38、 1 1）电枢电动势）电枢电动势Ea(V)。按电机结构原理无论运行于发电或电动状态，Ia电枢电流(A)；CT转矩常数。P电机极对数；N电枢绕组总导体数；a电枢绕组的支路对数；电机每极磁通(Wb)；n电机转速(r/min)；Ce电动势常数。2 2）电磁转矩）电磁转矩T(Nm)。按电机结构原理推得:当电枢绕组流过电流时，第二节 直流电机nCnpNEea60a只要电枢旋转由绕组切割气隙磁通，就会产生 aaa2ICIpNTT载流导体在磁场中受力所形成的总转矩综上表明：Ea正比于和n；T正比于和 Ia。eeTCCC55.9260Ce和CT均决定于电机设计结构参数，两者间关系：2 2、他励直流电机的机械特
39、性数学方程式、他励直流电机的机械特性数学方程式由图可得电枢回路电压平衡方程式U=Ea+(Ra+Rc)Ia。将前述电枢电动势Ea=Cen及电磁转矩T=CTIa代入，整理后可得他励直流电机的机械特性数学方程式：Ra电枢绕组内电阻；Rc电枢外串联电阻；n0理想空载转速，n0=UCe；机械特性斜率，=(Ra+Rc)CeCT2。第二节 直流电机TnTCCRRCUnTece02a图2-5a）他励+U -+Uf -MIfRc EaIa当电枢外串联电阻Rc较大时，机械特性曲线为斜率较大并穿越3个象限的直线。2 2）实际空载转速）实际空载转速n n0 0。电机在实际空载状态运行时，还须克服轴承摩擦等所引起的空载
40、转矩T0，此时虽输出轴转矩T2=0，但空载转矩T0使转速下降，所以实际空载转速n0=n0-T0n0。第二节 直流电机图2-7 他励直流电机的机械特性曲线0 Tn n0AT0n01 1）理想空载转速）理想空载转速n0。T=0Ia=0电枢压降(Ra+Rc)Ia=0电枢电动势Ea=U，所此时电机转速n0=U/Ce。3 3）堵转时转矩）堵转时转矩T Tk k。此时n=0Ea=0外电压U与电枢压降Ia(Ra+Rc)平衡电枢电流Ia=U/(Ra+Rc)=Ik堵转电流决定于外电压U及电枢回路总电阻(Ra+Rc)压降Ik对应为堵转转矩Tk=CTIk。4 4）转速降）转速降nn。电磁转矩T在0与Tk间，转速n0
41、，T为拖动转矩。电磁转矩:0T，转速:n0n=n0-T，转速降n=T。机械特性斜率=(Ra+Rc)/CeCT2表示机械调速特性的软硬度，大特性软，小特性硬。与Ra+Rc成正比，与气隙磁通的二次方成反比。第二节 直流电机图2-7 他励直流电机的机械特性曲线0 Tnnn n0ATT0n0TkB注意:通常外串电阻Rc较小或不接，当电机堵转时Ik将很大，极易损坏电动汽车的蓄电池，须有相应保护措施。第二节 直流电机3 3、他励直流电机的调速、他励直流电机的调速 ，可得如下三种调速法：TnTCCRRCUnTece02a分析降压调速降压调速:改变电源电压U获得恒转矩调速；弱磁调速弱磁调速:改变励磁电流If以
42、改变磁通量获得恒功率调速；串电阻调速串电阻调速:通过逐级改变电枢回路所串电阻Rc调速，用以减小起动电流，但调速使机械特性变软，增加功耗，目前很少采用。前两种调速法目前用得较多，也是电动汽车中配合采用方法。第二节 直流电机(1)(1)降低电源电压的恒转矩调速降低电源电压的恒转矩调速保持他励直流电机磁通为额定值，电枢回路不串电阻，将电压分别降为U1、U2、U3等不同值时，可获与固有机械特性平行的人为机械特性。图示为恒转矩负载，额定电压Ue时，其工作点为e，电动机为额定转速ne；电压降为U1时工作点为A，转速为nA；电压为U2时工作点为B，转速为nB等等。转速随电压降低而降低，即从基速(额定转速ne
43、)向下调速，且电压不同时机械特性斜率均保持为较硬的固有特性。通常在电压Ue以下，采用连续降低电压获得图示从基速到零速的恒转矩无级调速控制。n图2-8 降低电源电压的恒转矩调速0 TUeU1U2U3TL=TeeUen0neU1An01nAU2Bn02nBU3Cn03nC电枢绕组控制P T0 基速ne n图2-10 低速恒转矩、高速恒功率的调速特性功率特性PeTe转矩特性 第二节 直流电机(2)(2)减弱磁通的恒功率调速减弱磁通的恒功率调速 按前分析机械特性斜率与气隙磁通的平方成反比，为使机械特性尽可能硬，要求磁通高。但电机额定运行时已使为近饱和，所常仅减弱调速。即保持电压Ue，电枢回路不串电阻，
44、减小励磁nnTCCRCUnTeee02a电流If来减弱，则机械特性方程式：即n0随减弱成反比增加，而n随平方成反比增加，设近饱和额定磁通e比例为1，减弱后再平方的比例就更小于1，所n0比n增得快，即减弱磁通后转速n从基速(额定转速ne)将向上升速调节。第二节 直流电机弱磁调速机械特性如图，设拖动恒转矩负载TL运行于固有特性e点，转速为ne。n0 T图2-9 弱磁调速的机械特性e1时n不能瞬时突变，而Ea=Cene因下降而减小，使Ia=(U-Ea)Ra增大。因Ra较小，Ea稍减少就使Ia增很多，即使减小幅度小于Ia所增幅度，所以转矩TCTIa仍增大为T，工作点e过渡到1的人为特性C点。TTLn上
45、升Ea增大Ia和T均下降，T=TL时建立新平衡，转速升至nA运行于A点。CTTL=TeB2n021An01nAen0nee 第二节 直流电机弱磁调速中电压U=Ue，若保持Ia=Ie不变，代入T=CTIa得T=CTIe，eTeeCIRUTCCRCUnea2a再代入 ，即得nCnCRIUeee1a 可得：nCInCCTeT121电磁转矩 常数1为C1=(Ue-IeRa)Ce；常数2为C2=C1CT Ie。代入电机输出功率公式有：常数nCnTnP2331060210602说明弱磁调速为恒功率，与转速无关；输出转矩与转速成反比。第二节 直流电机因励磁电流较小，所弱磁调速控制方便、功耗小，若连续调节励磁
46、电源电压，可获图示从基速到高速的无级恒功率调速控制。电枢绕组控制 P T0 基速ne n图2-10 低速恒转矩、高速恒功率的调速特性功率特性PeTe转矩特性励磁绕组控制注意注意:励磁电流If在运行中绝对不能为0，否则0，n，即将产生飞车，因此必须采取相应的互锁保护措施。为满足电动汽车驱动电机有较宽调速范围，常采用降低电枢电压结合减弱磁通两种方法，获得低速恒转矩、高速恒功率的调速特性。他励直流电机弱磁升速能达到的最高转速，受电机换向条件和机械强度的限制，一般只能升到额定转速ne的12倍，特制调速电机才可能升到ne的34倍。第二节 直流电机4 4、他励直流电动机的制动、他励直流电动机的制动他励直流
47、电机的快速制动常有能耗、反接和再生发电三种制动法。能耗制动是电动机切断电源时，在电枢回路接入耗能电阻，电机动能通过发电迅速消耗在电枢电路的电阻上，以达到快速制动。反接制动是将电源电压极性反接，同时在电枢回路中串入电阻，使其产生反向电磁转矩来实现快速制动。上两种制动法不宜用于能源受限的电动汽车，即需用再生发电制动。它又分正、反向两种回馈制动：反向回馈制动是位能负载下放重物时运行于第象限的反转发电回馈；汽车上下坡时虽类似于位能负载，但均运行于正转的第象限，所汽车降速制动和下坡滑行时均为正向发电回馈制动。正向发电回馈制动按原理也称降低电源电压的再生发电制动。他励直流电机运行于电动时，电源电压U与电枢
48、电动势Ea方向相反，且|U|Ea|，电流Ia从电源流向电枢，产生拖动转矩，电源向电机输入电功率UIa0。若设法降低U使|Ea|U|，则Ea迫使Ia改变方向，电磁转矩也变向成制动转矩。Ia从电枢流向电源，UIa0，电机再生发电向电源馈送电功率。第二节 直流电机如图他励直流电机拖动恒转矩负载在固有特性曲线1的A点以转速ne稳定运行，UeU1U2图2-11 降低电源电压的再生发电制动0 Tn因nen01，所EaU1，电枢电流将改变方向使Ia0，此时电磁转矩T=TB0，与n方向相反，成为制动转矩，电机进入再生发电制动状态。在TB与TL作用下电机减速，运行于第象限沿特性曲线2的BC段变化。至C点时n=n
49、01，Ea=U1，Ia及T均降为0，即再生发电制动结束。此时如要继续再生制动则将电压再降到U2，电机运行从C点过渡到图中曲线3的D点并沿其到E点。此后如电压不变系统在负载转矩TL作用下减速运行于第象限，此时nn02，EaU2，Ia及T均为正，电机为正向电动状态，但因TTL，n继续下降到T=TL的F点，并以转速nF稳定运行。TBBDU23n02EU12n01TL=TeneFnF如突然将电源电压降到U1，则其机械特性将变为图中的人为机械特性曲线2，其理想空载转速n01=U1/Cee。由于ne在电压降低瞬间不能突变，电机的工作点将从A点过渡到机械特性曲线2的B点上。CA Ue1n0电动汽车平路行驶时
50、摩擦转矩Tf为反抗性，系统运行于特性曲线A点；电动汽车下坡时位能的减小使电机加速，也将处于回馈制动运行状态。下长坡时为防止车速过快，如车速升到C点时降低电压使运行于人为特性曲线2的D点，车速由升转为降沿曲线2运行到E点，同时发电回馈，速度降为n=nE时负载转矩与电磁转矩T平衡，汽车在E点以nE恒速下坡。第二节 直流电机 2-(TG-Tf)作用下加速下坡到B点时，以n=nBn0稳定运行。在n0B段，nn0，T为与n反向的制动转矩以抑制下坡速度，并发电回馈给电池。下坡时Tf未变而增加与Tf反向的位能负载转矩TG，数值常大于Tf，-(TG-Tf)与电磁转矩一起使电动汽车加速下坡。沿原特性曲线1升速，
