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1、第四章 驱动电机及控制系统,4.1 驱动电机及控制系统概述,驱动电机系统是车辆行驶的主要执行机构，其特性决定了车辆的主要性能指标，直接影响车辆动力性、经济性和用户驾乘感受。可见，驱动电机系统是纯电动汽车中十分重要的部件。 驱动电机系统由驱动电机、驱动电机控制器构成，通过高低压线束、冷却管路，与整车其它系统作电气和散热连接. 整车控制器（VCU）根据驾驶员意图发出各种指令，电机控制器响应并反馈，实时调整驱动电机输出，以实现整车的怠速、前行、倒车、停车、能量回收以及驻坡等功能。电机控制器另一个重要功能是通信和保护，实时进行状态和故障检测，保护驱动电机系统和整车安全可靠运行。,2.电动汽车对驱动电机
2、性能的要求,（1）结构紧凑、尺寸小、功率密度高、转矩密度高 纯电动汽车的整车布置空间有限，因此要求电机的结构尽量紧凑，便于安装布置。 （2）可靠性要求高 能够在恶劣的条件下可靠工作，电机应具有较高的可靠性耐温和耐蚀性，并且能够在较恶劣的条件下长期使用。 （3）重量轻、效率高、高效区广 驱动电机重量轻有利于降低整车的重量，延长汽车续航里程。电机可通过采用铝合金外壳等途径降低其重量，各种控制装置和冷却系统的材料也尽可能选用轻质材料。 （3）低噪音、低振动、舒适性强 为了满足驾驶舒适性的要求，要求电机低噪音，低振动。,3.电机及分类,4.驱动电机主要性能指标及特点,（1）主要性能指标,（2）各种驱动
3、电机的基本性能比较,5.电机中所用的材料,电机中使用的材料主要包括:导电材料、导磁材料、绝缘材料、结构材料等。导电材料为紫铜线、铝线，用于制成电机绕组。导磁材料主要是0.35或0.5mm厚的硅钢片叠成,构成电机磁路。绝缘材料用来把导电体之间、导电体与铁磁体之间绝缘开来，绝缘等级与允许温度对应关系如表4-3所示。结构材料是制造电机所需要的其它金属材料。,4.2 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，
4、随着交流变频调速技术发展，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。,1.直流电动机的特点 （1） 调速性能好 直流电动机可以在重负荷条件下, 实现平滑的无级调速, 而且调速范围较宽 。 （2）起动转矩大 可以均匀且经济地实现转速调节, 因此,凡是在重负荷下起动或是要求均匀调节转速的机械, 都可以使用直流电动机。 （3）控制简单 一般用斩波器控制, 具有效率高、控制灵活、质量和体积小、响应速度快等优点。 （
5、4）易磨损 由于存在电刷、 换向器等易损件, 所以必须进行定期维护或更換。,2.新能源汽车直流电动机的性能要求 （1）低能耗性 为了延长一次充电续驶里程以及抑制电动机的温升、 尽量保持低损耗和高效率成为直流电动机的重要特性 。 近年来, 由于稀土系列永磁体的研究开发, 直流电动机的效率已明显提高,能耗明显减低。 （2）环境适应性 直流电动机作为新能源汽车的驱动电机时, 与在室外使用时的环境大致相同, 所以要求在设计时充分考虑密封的问题, 防止灰尘和水汽侵入电动机, 另外还要考虑电动机的散热性能。,（3）抗振动性 由于直流电动机具有较重的电枢, 所以在颠簸的路况行驶时, 车辆振动会影响到轴承所承
6、受的机械应力, 对这个应力进行监控和采取相应的对策是很有必要的。 同时由于振动, 很容易影响到換向器和电刷的滑动接触, 因此必须采取提高电刷弹簧预紧力等措施。,（4）抗负载波动性 车辆在不同路况下行驶, 电动机的负荷会有较大的变动,在市区行驶时,由于交通信号密集及道路拥挤等因素,车辆起动、加速和制动等工况较频繁, 不可避免的经常在最大功率下运行, 此时电刷与换向器之间的电火花和磨损非常剧烈, 因此必须注意换向极和补偿绕组的设计 。在郊外行驶时, 电动机的输出速度较高,转矩较低, 一般要以高效率的额定条件运行,而直流电动机在高速运行情况下,对其换向器部分的机械应力和换向条件的要求会变得严格, 因
7、此在大型车辆驱动系统中, 大多设置变速器以达到提高起动转矩的目的 。,(5)小型化、轻量化 直流电动机的转子部分含有较大比例的铜, 如电枢绕组和换向器铜片, 所以与其他类型的电动机相比, 直流电动机的小型化和轻量化更难以实现。 目前可以通过采用高磁导率、 低损耗的电磁钢板减少磁性负荷, 虽然增加了成本, 但可以实现轻量化 。 (6)免维护性 对于电刷, 根据负荷情况和运行速度等使用条件的不同, 更换时间和维修的次数也是不的。相应的解决方法是:采用不损伤换向器的电刷材质,并且将检査端口设计的较大,以延长电刷使用寿命和便于维修、 更换 。,3.直流电机的基本原理,（1）直流电动机的工作原理,导体a
8、b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。 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4-3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。即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。,（2）直流发电机的工作原理,4-4直流发电机工作原理
9、示意图,原动机拖动转子电枢按逆时针旋转， 如图4-4所导体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4-4 箭头所示：N极下ab段为ba、S极上cd段为dc。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。 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。转子旋转时绕组感应的交变电动势经换向
10、器与电刷变成直流电动势。,4.直流电机的基本结构,直流电机主要由定子、转子、气息等部分组成,4-5直流电机基本结构,（1）定子 定子由主磁极、换向极、机座、电刷装置四部分组成。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。它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。 电刷装置作用是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。它由电刷、刷握、握杆、握杆座以及铜丝辫等零部件组成。,（2）转子 转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器三部分组成。 电枢铁心是电机主磁路部分，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
11、磁通变向引起的铁心损耗。 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。 换向器用来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。,（3）气隙 气隙是定子磁极和转子电枢间自然形成的缝隙，它虽不为结构部件，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。,5.直流电机的励磁方式,按直流电机结构原理，主磁极的励磁有永磁式和电励磁式两种。电励磁式
12、由励磁绕组供电有图4-6所示四类，而并励、串励和复励通称自励。,他励 并励 串励,复励,图4-6直流电机的励磁方式,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4-7所示,图4-7 直流电动机的机械特性,4.2 交流感应电动机,1. 交流感应电动机基本结构,图4-8交流感应电动机结构,1）定子部分 定子部分由定子铁芯、定子绕组、机座三部分构成。定子铁心压装在机座内，是电机磁路的一部分，铁芯用0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗；叠片内圆冲有槽，以嵌放定子(电枢)绕组。定子绕组是电机的电路部分，按一定规律连接而成的三相
13、对称绕组，嵌放在定子铁心槽内。机座用来固定和支撑定子铁心，一般不作为工作磁路的组成部分，所以大多数采用铸铁铸造而成，也可以用铸铝或铜制成。中小电机用铸铁机座，大型电机用钢板焊接而成。,2）转子部分 转子部分由转子铁芯和转子绕组两部分组成。转子铁心固定在转轴上，是电机磁路的一部分，用0.5 mm硅钢片叠成，以减少铁心损耗，叠片外圆冲有槽，以嵌放转子绕组。转子绕组有两种结构形式：鼠笼式转子（图4-9）和绕线式转子（图4-10），相应的使用鼠笼式转子的称为鼠笼型异步电动机而采用绕线式转子的称为绕线型异步电动机。,铸铝转子 铜条转子 图4-9 鼠笼式转子,绕线式转子绕组是对称三相绕组，一般采用星形联结
14、。三相绕组的出线端分别接在三个滑环上，经电刷引出，再经串联电阻后短接起来。转子回路串电阻，可以改善电动机的起动性能或实现电动机调速。,图4-10 绕线式转子,3）气隙 定子和转子之间的气隙大小，对电动机的性能影响很大。变压器主磁路全部是铁心，磁阻很小，产生主磁通所需励磁电流很小（210%）。异步电机主磁路由定、转子铁心和两段气隙构成，气隙虽然很小但磁阻却很大，因此产生一定的主磁通所需要的励磁电流较大，一般为额定电流的2050%。励磁电流是无功电流，励磁电流较大是异步电动机功率因数较低的主要原因。为提高功率因数，必须减小励磁电流，最有效的方法就是减小气隙长度。异步电动机的气隙大小一般为0.21.
15、5 mm左右。,2.工作原理,图4-12三相绕组空间布置,图4-13三相绕组星形连接,图4-14 绕组中的电流波形,在t1时刻t= 90，iU的的实际方向与参考方向一致,即电流从U1流到U2,而iV、iU的实际方向与参考方向相反, 即电流分别从 V2、W2流到 V1、W1，根据右手螺旋法则可知三相电流的合成磁场如图4-15（a）所示，为一对磁极的磁场,方向自下而上 。 在t2时刻t= 210，三相电流的合成磁场如图4-15(b)所示。 此时两极磁场在空问的位置较 t1,时刻沿顺时针方向旋转了120。 在t3时刻t= 330，三相电流的合成磁场如图4-15(c)所示。 此时两极磁场在空间的位置较
16、 t2时刻沿顺时针方向又旋转了120。 在 t4时刻,两极磁场又沿顺时针方向旋转120而回到了图4-15(a) 所示的位置。当三相电流不断变化时,合成磁场在空间将不断旋转,这样就产生了旋转磁场。,图4-15 三相电流产生的旋转磁场,（a）t1时刻 三相电流的合成磁场,（b） t2时刻 三相电流的合成磁场,（c）t3时刻 三相电流的合成磁场,3. 三相异步电动机的运行状态 （1）转差率 同步转速与转子转速之差称为n=n1-n称为转差,转差n与同步转速n1的比值称为转差率，用字母S表示，即：,（2） 三相异步电动机的运行状态 三相异步电动机的运行状态如下表4-4所示：,6. 三相异步电动机驱动电机的调速方法,从以上方程可知通过控制频率f1、磁极对数p、转差率s可以控制电动机的转速。通过调节三相交流电的频率,也就调节了同步转速,也就调节了异步电动机转子的转速。只要平滑地调节三相交流电的频率,就能实现异步电动机的无调速 ,就能使三
