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1、项目三 混合动力汽车的电机驱动系统,活动一 混合动力汽车的电机驱动系统 电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构 混合动力汽车电机驱动系统一般由电机、控制器、功率转换器及传感器、电源等构成。,一、混合动力汽车电机驱动系统的组合形式 驱动电机及其控制系统是新能源汽车的核心部件（电池、电机、电控）之一，其驱动特性决定了汽车行驶的主要性能指标 混合动力汽车电机驱动系统的组合形式:机械驱动式、机电集成化驱动系统、机电一体化驱动系统、轮毂点击驱动。,二、混合动力汽车的电机驱动系统的要求 、转矩、功率密度大 无论是纯电动汽车还是混合动力汽车，动力总成结构都非常紧凑，留给电机驱动系统的空间非常小
2、，在减小电机体积的同时，还要求电机具有足够的转矩和功率。 、电机工作速域宽 在电机和输出到轮毂的轴之间设有主减速齿轮，要达到车辆的最高转速，驱动电机的理想机械特性是： 基速以下输出大转矩，以适应车辆的启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等复杂工况； 基速以上为恒功率运行，以适应最高车速、超车等要求。 、系统效率高 电动车供电电源能量有限，提高电驱动系统的效率是提高汽车续航里程和经济型的重要手段。,、系统适应环境能力强 电机及其驱动器要防水、防尘、防震，具有很强的适应环境能力。电机结构要坚固、体积尽可能小、重量尽可能轻、具有良好的环境适应性和高可靠性。 、电磁兼容性好 电机驱动系统在汽车上是比较大的干
3、扰源，在电机和驱动器设计及整车布置上要充分考虑电磁兼容和屏蔽，尽量避免和减小驱动系统对其他电器的影响。另外也要避免和减小点火系统等干扰源对电机驱动系统的影响。 、性价比高 电机驱动系统作为整车的一个元件，在保证性能的前提下，造价不能太高，尤其是当前世界汽车行业竞争激烈的环境下，提高驱动电机的性价比才能为电动车的产品化铺平道路。,三、电机驱动系统的电机及其控制器 电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于实现电能与机械能的转换。 电动机一般按要求具有电动和发电两项功能，按类型可选用直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、开关磁阻电动机四大类,三、电机驱动系统的电机及其控制器 电机的控制系统主
4、要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。 功率转换器按所选电机类型，有DC/DC、DC/AC、PWM功率转换器。其作用按电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流、交流或脉冲电源,DC/DC是直流斩波电路 将直流电变为另一固定电压的直流电或可调电压的直流电。 其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。 开关电源可以用于升压和降压。,DC/AC的转换器（逆变器） 将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。,PWM（脉冲宽度调节） 通过调节脉冲宽度实现电压的调节 指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关进行高频开关
5、的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。,四、驱动电机及控制系统的发展趋势 1、电机永磁化 永磁电机效率高、比功率大、功率因数高、可靠性高、便于维护 2、逆变器数字化 电动汽车中，蓄电池直流电通过逆变器转换成交流电给电动机，其核心原件为TGBT和电容占电机驱动控制器成本的50%以上 3、系统集成化 在电动汽车中，系统集成化是降低成本的需要。电机驱动系统的集成化包括两个方面： （1）机电集成：电动机与发动机集成、电动机与变速器 （2）控制元件集成：电机驱动系统所有控制元件集成,活动二 直流电机及其控制系统 直流电机是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机
6、）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。 它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。 作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能； 作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。,一、直流电动机结构 主要由电枢、磁极、电刷及电刷架、壳体及前后端盖等组成 现代汽车起动机一般使用直流串励式电动机， 这种直流电动机其励磁绕组与电枢绕组串联。,（一）定子（静止部分):产生主磁场和电动机的机械支撑 1、磁极 由磁极铁心和磁场绕组两部分组成 磁极是用来产生电动机的磁场,磁极铁心上套有磁场绕组，4个（6个）绕组按一定方向连接，绕组通电后产生磁场，将磁极磁化，各磁极的内侧形成N、S极相间排列
7、的形式，在磁极、外壳和电枢铁心之间形成磁路,磁场绕组的连接方式有两种方式： 一种是四个绕组依次串联后再与电枢绕组串联； 另一种是磁场绕组两两串联后再并联，然后与电枢绕组串联，这一种电动机内阻小，可以获得更大的电枢电流。,2、换向磁极： 由磁极铁心和绕组两部分组成 产生附加磁场，在电动机换向时，减小电刷与换向器之间的火花，避免烧坏换向器。,3、电刷和电刷架 与换向器保持滑动接触，是将电流引入电枢使之产生定向转矩 电刷一般是四个，相对安装是同极，分别为绝缘电刷和搭铁电刷。,4、前后端盖与轴承 前端盖用钢板压制，内装电刷架。 后端盖用灰铸铁或用铝合金铸造，内装电机传动机构，设拨叉座及驱动齿轮行程调整
8、螺钉。 5、机壳 机壳为基础件，并起导磁作用，用钢管制成，其一端开有窗口，作为观察电刷与换向器之用，壳上只有一个与外壳绝缘的电源接线柱，并在机壳内部与磁场绕组的一端相接。,（二）电枢（转动部分）： 电枢又称转子，它用来产生电磁转矩 由铁心、电枢绕组、电枢轴及换向器组成,1、电枢铁心 电枢铁心由多片互相绝缘的硅钢片叠成，借内圆面的花键槽压装在电枢轴上，其外圆表面有槽，用来安装电枢绕组。 2、电枢绕组 励磁绕组通电后，在磁场的作用下，产生感应电流，产生电磁转矩，实现电能转化为机械能 3、换向器 压装在电枢轴上，作用是把电刷的直流电转变为电枢绕组中的导体所需要的交变电流。,二、直流电动机的工作原理
9、（一）直流电动机的作用与基本原理 直流电动机是将电能转化为机械能的装置，其作用是产生发动机起动时所需要的电磁转矩。 直流电动机是利用载流导体在磁场中受力运动的原理制造的。,U,+,N,S,电刷,换向片,直流电源,电刷,电流方向：上半边向里，下半边向外。,a,b,c,d,电流方向为：蓄电池正极正电刷换向片A线圈abcd换向片B负电刷蓄电池负极。电流方向为ad，由左手定则可以确定，线圈受到逆时针方向的转矩作用, 电枢绕组及换向片在电磁力矩的作用下逆时针转动。,电流方向为：蓄电池正极正电刷换向片B线圈dcba换向片A负电刷蓄电池负极。线圈中的电流方向为da，由左手定则可以确定，线圈仍然受到逆时针方向
10、的转矩作用, 电枢绕组及换向片在电磁力矩的作用下继续逆时针转动。,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,U,+,N,S,a,d,c,b,直流电动机的工作原理,1、直流电动机的转矩 当直流电动机接上直流电源时，由于载流导体在磁场中受到电磁力的作用，产生电磁转矩使电枢旋转。 电动机产生的电磁转矩M取决于磁通、电枢电流Ia的乘积，即 T= CmIa 其中Cm为电机结构常数，它与电动机的磁极对数以及绕组的个数有关。,电动机电磁转矩平衡方程式： T=TL+T0 T0（空载损耗转矩）:电动机运行时，由于 电动机本省机械摩擦等原因产生的阻转
11、矩。 TL（负载转矩）：（电动机拖动生产机械的负载转矩） 只有当电磁转矩T与空载转矩T0和负载转矩TL平衡时电动机才会稳定平滑的运行。,2、反电动势 原理：当直流电动机的电枢绕组通电后，产生电磁转矩，使电枢旋转。旋转的电枢绕组切割磁力线后产生感应电动势，由右手定则可判断出其电动势的方向和线圈电流方向相反，即与外加电压的方向相反，故称为反电动势， 其大小为： E反=Cen 其中，Ce电机结构常数；磁极磁通；n电枢转速。,电动机的电压平衡方程式： U=E+IaRa U:电枢绕组的端电压 IaRa：电枢绕组上损失的电压降 反电动势E与电枢电流Ia方向是相反的,在电路中起着限制电枢电流的作用,四、直流
12、电动机的分类 直流电动机按励磁方式可分为永磁式和电磁式两大类。 永磁式直流电动机磁极磁通工作时保持不变，其转速随转矩的增加而近似地按线性规律下降，但下降很小。 电磁式直流电动机按励磁绕组与电枢绕组的连接关系又可分并励式、串励式和复励式三种,1、他励、并励式直流电动机 励磁绕组与电枢绕组联在同一电源上，若外电压不变、励磁电阻不变，则每极磁通也基本不变，其机械特性和永磁式基本相同，即它们具有较“硬”的机械特性 它们的适应性能较差，一般用于减速型起动机。,2、串励式直流电动机 励磁绕组与电枢绕组相串联，电枢电流等于励磁绕组电流，并与总电流相等。 串励式电动机具有起动转矩大，轻载转速高，重载转速低，短
13、时间内能输出最大功率等特点，它具有较“软”的机械特性 因此特别适合应用于直接驱动式起动机。,3、复励式电动机 磁极上有两组励磁绕组，一组同电枢串联，另一组则同电枢并联。 复励式电动机在空载运行的情况下与并励电动机相似，加了负载后，串励绕组的磁场将随负载的增加而加强，运行情况接近串励式电动机。 因此它的机械特性比并励式软，较串励式硬。复励式直流电动机被一些大功率起动机所采用。,直流电动机的调速 调速：使电动机在同样的负载下得到不同的转速 调速的目的：改变电机的工作速度，适应不同工况下汽车行驶要求。 可见，要改变电动机的转速，有三种方法： （1）调节电枢端电压U；降压方向，从上向下调 （2）调节励
14、磁磁通；弱磁调速，从下向上调 （3）调节电枢外串电阻；从上向下调,直流电动机的制动 电机有两种运转状态： 电动:运转T与n同向。 制动:运转T与n反向。制动的目的使电机停车或限速。 T= CmIa,、能耗制动： 制动瞬间,断开电源，励磁不变，因惯性转速不变，n不变，但电枢电流改变了方向，使T反向，电机处于制动状态。 T=CeIa,2、反接制动： 转速反向的反接制动：正接反转。 电机的转矩小于负载转矩，电机被负载拖动反向起动，使电机的转速逆电磁转矩的方向旋转，n 与T反向，电机处于制动状态。 电枢反接的反接制动：正转反接。 电机在电动状态下运行，突将电枢反接，即U为负，电枢电流改变方向，使T改变
15、方向，电机处于制动状态。,3、回馈制动：再生制动 1)负载拖动电动机，电机运行在反向电动状态， 某原因使电机的转速达到某一数值时，EnU，使电枢电流反向，即T 反向，电机进入发电机运行状态，而起制动作用。电机将轴上输入的机械功率大部分回馈给电源，小部分消耗在电阻上 En=CeN U=En+IaRa 2)改变电枢电压： 电机在正向电动状态运行，突降电枢电压,En来不及变化，出现回馈制动,活动三 感应电机及其控制系统 一、三相交流异步电动机结构 三相交流异步电动机按结构分为两种： 鼠笼式三相异步电动机和绕线式三相异步电动机。 异步电动机由两个基本部分组成：定子(固定部分)和转子(旋转部分)。,1、
16、定子：定子是三相异步电动机的静止部分，其作用是产生旋转磁场和机械支撑。 2、转子：转子是三相异步电动机的旋转部分，其作用是旋转，产生电磁转矩。,1、对称三相定子绕组 鼠笼式和绕线式三相异步电动机的定子结构完全相同，均由定子铁芯和对称三相定子绕组组成 三相绕组匝数相同、绕组分布相同，三相绕组首和首、尾和尾均相差120，每相绕组首、尾相差180,2、三相异步电动机转子绕组 转子结构不同，鼠笼式三相异步电动机转子由转子铁芯和鼠笼组成，而绕线式三相异步电动机转子由转子铁芯和对称三相转子绕组组成。 绕线型转子经绕组为三相绕组，而且三相绕组为星型(Y)接法，有三个端头与三个转动滑环相连接，三个转动滑环通过电刷与外设三相启动设备相连接,3、三相异步电动机的工作原理 旋转磁场的产生 把三相定子绕组接成星形接到对称三相电源，定子绕组中便有对称三相
