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第1頁,第3章電動汽車電機驅動系統,3.1概述3.2直流電動機3.3無刷直流電動機3.4異步電動機3.5永磁同步電動機3.6開關磁阻電動機3.7輪轂電機,第2頁,3.1概述,3.1.1電動汽車電機驅動系統的組成與類型3.1.2電動機的額定指標3.1.3電動汽車對電動機的要求3.1.4電動汽車電機驅動系統的發(fā)展趨勢,第3頁,3.1.1電動汽車電機驅動系統的組成與類型,1．電動汽車電機驅動系統的組成電機驅動系統是電動汽車的心臟，它由電機、功率轉化器、控制器、各種檢測傳感器和電源（蓄電池）組成，其任務是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的電量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。,,第4頁,3.1.1電動汽車電機驅動系統的組成與類型,2．電動汽車電機驅動系統的類型電動汽車電機驅動系統按所選電動機的類型可分為:(1)直流電動機;(2)無刷直流電動機;(3)異步電動機;(4)永磁同步電動機;(5)開關磁阻電動機等。,第5頁,3.1.2電動機的額定指標,(1)額定功率。額定功率是指額定運行情況下軸端輸出的機械功率(W或kW)。(2)額定電壓。額定電壓是指外加于線端的電源線電壓(V)。(3)額定電流。額定電流是指電動機額定運行(額定電壓、額定輸出功率)情況下電樞繞組(或定子繞組)的線電流(A)。(4)額定頻率。額定頻率是指電動機額定運行情況下電樞(或定子側)的頻率(Hz)。(5)額定轉速。額定轉速是指電動機額定運行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下，電動機轉子的轉速(r/min)。,第6頁,3.1.3電動汽車對電動機的要求,電動汽車在行駛過程中，經常頻繁地啟動/停車、加速/減速等，這就要求電動汽車中的電動機比一般工業(yè)應用的電動機性能更高，基本要求如下：(1)電動機的運行特性要滿足電動汽車的要求，在恒轉矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足電動汽車起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉矩時具有高的速度，以滿足電動汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求；(2)電動機應具有瞬時功率大、帶負載啟動性能好、過載能力強，加速性能好，使用壽命長的特點；(3)電動機應在整個運行范圍內，具有很高的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程；,第7頁,3.1.3電動汽車對電動機的要求,(4)電動機應能夠在汽車減速時實現再生制動，將能量回收并反饋給蓄電池，使得電動汽車具有最佳能量的利用率；(5)電動機應可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作；(6)電動機應體積小，重量輕，一般為工業(yè)用電動機的1/2~1/3；(7)電動機的結構要簡單堅固，適合批量生產，便于使用和維護；(8)價格便宜，從而能夠減少整體電動汽車的價格，提高性價比；(9)運行時噪聲低，減少污染。,第8頁,3.1.4電動汽車電機驅動系統的發(fā)展趨勢,（1）電機的功率密度不斷提高，永磁電機應用范圍不斷擴大。（2）電機的工作轉速不斷提高，回饋制動的高效區(qū)不斷拓寬。（3）電驅動系統的集成化和一體化趨勢更加明顯。（4）電驅動系統的混合度與電功率比不斷增加。（5）車用電驅動控制系統的集成化和數字化程度不斷加大。,,第9頁,3.2直流電動機,3.2.1直流電動機的分類3.2.2直流電動機的結構與特點3.2.3直流電動機的工作原理3.2.4直流電動機的控制,,第10頁,3.2.1直流電動機的分類,直流電動機分為繞組勵磁式直流電動機和永磁式直流電動機。在電動汽車所采用的直流電動機中，小功率電動機采用的是永磁式直流電動機，大功率電動機采用的是繞組勵磁式直流電動機。繞組勵磁式直流電動機根據勵磁方式的不同，可分為他勵式、并勵式、串勵式和復勵式四種類型。,,第11頁,3.2.1直流電動機的分類,1．他勵式直流電動機他勵式直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組無連接關系，而由其它直流電源對勵磁繞組供電。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。永磁直流電動機也可看作他勵直流電動機。他勵直流電動機在運行過程中勵磁磁場穩(wěn)定而且容易控制，容易實現電動汽車的再生制動要求。但當采用永磁激勵時，雖然電動機效率高，重量和體積較小，但由于勵磁磁場固定，電動機的機械特性不理想，驅動電動機產生不了足夠大的輸出轉矩來滿足電動汽車起動和加速時的大轉矩要求。,,第12頁,3.2.1直流電動機的分類,2．并勵直流電動機并勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯，共用同一電源，性能與他勵直流電動機基本相同。并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁繞組用細導線繞成，其匝數很多，因此具有較大的電阻，使得通過它的勵磁電流較小。3．串勵直流電動機串勵直流電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯后，再接于直流電源，這種直流電動機的勵磁電流就是電樞電流。這種電動機內磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以串勵直流電動機通常用較粗的導線繞成，它的匝數較少。,,第13頁,3.2.1直流電動機的分類,4．復勵直流電動機復勵直流電動機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，電動機的磁通由兩個繞組內的勵磁電流產生。若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復勵。復勵直流電動機的永磁勵磁部分采用高磁性材料釹鐵硼，運行效率高。由于電動機永磁勵磁部分有穩(wěn)定的磁場，因此用該類電動機構成驅動系統時易實現再生制動功能。同時由于電動機增加了增磁繞組，通過控制勵磁繞組的勵磁電流或勵磁磁場的大小，能克服純永磁他勵直流電動機不能產生足夠的輸出轉矩來滿足電動汽車低速或爬坡時的大轉矩要求，而電動機的重量或體積比串勵電動機的小。,,第14頁,3.2.1直流電動機的分類,各種勵磁方式直流電動機的電路如圖所示。,,,,第15頁,3.2.2直流電動機的結構與特點,1．直流電動機的結構直流電動機由定子與轉子兩大部分構成，定子和轉子之間的間隙稱為氣隙。,,,第16頁,3.2.2直流電動機的結構與特點,2．直流電動機的特點(1)調速性能好。直流電動機可以在重負載條件下，實現均勻、平滑的無級調速，而且調速范圍較寬。(2)起動力矩大?？梢跃鶆蚨洕貙崿F轉速調節(jié)，因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調節(jié)轉速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都可用直流電動機拖動。(3)控制比較簡單。一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應快等優(yōu)點。(4)有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進行定期維護或更換。,,,第17頁,3.2.3直流電動機的工作原理,直流電動機的工作原理圖所示。圖中，定子有一對N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上，正、負電刷A和B分別與兩個換向片接觸。,,,第18頁,3.2.4直流電動機的控制,直流電動機轉速控制方法主要有電樞調壓控制、磁場控制和電樞回路電阻控制。電樞調壓控制是指通過改變電樞的端電壓來控制電動機的轉速。這種控制只適合電動機基速以下的轉速控制，它可保持電動機的負載轉矩不變，電動機轉速近似與電樞端電壓成比例變化，所以稱為恒轉矩調速。直流電動機采用電樞調壓控制可實現在寬廣范圍內的連續(xù)平滑的速度控制，調速比一般可達1:10，如果與磁場控制配合使用，調速比可達1:30。電樞調壓控制的調速過程：當磁通保持不變時，減小電壓，由于轉速不立即發(fā)生變化，反電動勢也暫時不變化，由于電樞電流減小了，轉矩也減小了。如果阻轉矩未變，則轉速下降。隨著轉速的降低，反電動勢減小，電樞電流和轉矩就隨著增大，直到轉矩與阻轉矩再次平衡為止，但這時轉速已經較原來降低了。,,第19頁,3.2.4直流電動機的控制,磁場控制是指通過調節(jié)直流電動機的勵磁電流改變每極磁通量，從而調節(jié)電動機的轉速，這種控制只適合電動機基數以上的控制。當電樞電流不變時，具有恒功率調速特性。磁場控制效率高，但調速范圍小，一般不超過1:3，而且響應速度較慢。磁場控制可采用可變電阻器，也可采用可控整流電源作為勵磁電源。磁場控制的調速過程：當電壓保持恒定時，減小磁通，由于機械慣性，轉速不立即發(fā)生變化，于是反電動勢減小，電樞電流隨之增加。由于電樞電流增加的影響超過磁通減小的影響，所以轉矩也就增加。如果阻轉矩未變，則轉速上升。隨著轉速的升高，反電動勢增大，電樞電流和轉矩也隨著減小，直到轉矩和阻轉矩再次平衡為止，但這時轉速已經較原來升高了。,,第20頁,3.2.4直流電動機的控制,電樞回路串電阻控制是指當電動機的勵磁電流不變時，通過改變電樞回路電阻來調節(jié)電動機的轉速。這種控制方法的機械特性較軟，而且電動機運行不穩(wěn)定，一般很少應用。對于小型串勵電動機，常采用電樞回路串電阻控制方式。,,第21頁,3.3無刷直流電動機,3.3.1無刷直流電動機的分類3.3.2無刷直流電動機的結構與特點3.3.3無刷直流電動機的工作原理3.3.4無刷直流電動機的控制,,第22頁,3.3.1無刷直流電動機的分類,無刷直流電動機按照工作特性，可以分為具有直流電動機特性的無刷直流電動機和具有交流電動機特性的無刷直流電動機。具有直流電動機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，所以又稱為矩形波同步電動機。這類電動機由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測主轉子的位置，由所檢測出的信號去觸發(fā)相應的電子換相線路以實現無接觸式換相。顯然，這種無刷直流電動機具有有刷直流電動機的各種運行特性。具有交流電動機特性的無刷直流電動機，反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波，所以又稱為正弦波同步電動機。這類電動機也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅動一般的同步電動機。因此，它們具有同步電動機的各種運行特性。,,第23頁,3.3.2無刷直流電動機結構與特點,1．無刷直流電動機的結構無刷直流電動機主要由電動機本體、電子換相器和轉子位置傳感器三部分組成。(1)電動機本體。無刷直流電動機的電動機本體由定子和轉子兩部分組成。(2)電子換相器。電子換相器是由功率開關和位置信號處理電路構成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。(3)位置傳感器。位置傳感器在無刷直流電動機中起著檢測轉子磁極位置的作用，為功率開關電路提供正確的換相信息，即將轉子磁極的位置信號轉換成電信號，經位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。,,第24頁,3.3.2無刷直流電動機結構與特點,無刷直流電動機實物圖。,,,第25頁,3.3.2無刷直流電動機結構與特點,無刷直流電動機作為電動汽車用電動機，具有以下優(yōu)點：(1)外特性好，非常符合電動汽車的負載特性，尤其是具有低速大轉矩特性，能夠提供大的起動轉矩，滿足電動汽車的加速要求；(2)可以在低、中、高寬速度范圍內運行，而有刷電動機由于受機械換向的影響，只能在中低速下運行；(3)效率高，尤其是在輕載車況下，仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的；(4)過載能力強，比Y系列電動機可提高過載能力2倍以上，滿足電動汽車的突起堵轉需要；,,,第26頁,3.3.2無刷直流電動機結構與特點,(5)再生制動效果好，因無刷直流電動機轉子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電動機可完全進入發(fā)電機狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機械剎車負擔；(6)體積小、重量輕、比功率大，可有效地減輕重量、節(jié)省空間；(7)無機械換向器，采用全封閉式結構，防止塵土進入電動機內部，可靠性高；(8)控制系統比異步電動機簡單。缺點是電動機本身比交流電動機復雜，控制器比有刷直流電動機復雜。,,,第27頁,3.3.3無刷直流電動機的工作原理,無刷直流電動機的工作原理與有刷直流電動機的工作原理基本相同。它是利用電動機轉子位置傳感器輸出信號控制電子換向線路去驅動逆變器的功率開關器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，拖動電動機轉子旋轉。同時，隨著電動機轉子的轉動，轉子位置傳感器又不斷送出位置信號，以不斷的改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向保持不變，這樣電動機就旋轉起來了。,,,第28頁,3.3.4無刷直流電動機的控制,按照獲取轉子位置信息的方法劃分，無刷直流電動機的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。有位置傳感器控制方法是指在無刷直流電動機定子上安裝位置傳感器來檢測轉子旋轉過程中的位置，將轉子磁極的位置信號轉換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息，以此控制電子換相電路中的功率開關管的開關狀態(tài)，保證電動機各相按順序導通，在空間形成跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子連續(xù)不斷地旋轉。無刷直流電動機中常用的位置傳感器有霍爾元件位置傳感器、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳感器等。,,第29頁,3.3.4無刷直流電動機的控制,無刷直流電動機的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，使用場合廣，相對于有位置傳感器方法有較大的優(yōu)勢，因此，無刷直流電動機的無位置傳感器控制近年來己成為研究的熱點。無刷直流電動機的無位置傳感器控制中，不直接使用轉子位置傳感器，但在電動機運轉過程中，仍然需要轉子位置信號，以控制電動機換相。因此，如何通過軟硬件間接獲得可靠的轉子位置信號，成為無刷直流電動機無位置傳感器控制的關鍵。為此，國內外的研究人員在這方面作了大量的研究工作，提出了多種轉子位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量實現轉子位置的估算。歸納起來，可以分為反電動勢法、電感法、狀態(tài)觀測器法、電動機方程計算法、人工神經網絡法等。、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳感器等。,,第30頁,3.4異步電動機,3.4.1異步電動機的結構與特點3.4.2異步電動機的工作原理與運行特性3.4.3異步電動機的控制,,第31頁,3.4.1異步電動機的結構與特點,1．異步電動機的結構異步電動機主要由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成，定子和轉子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機座和風扇等部件。,,第32頁,3.4.1異步電動機的結構與特點,2．異步電動機的特點異步電動機的基本特點是，轉子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電力系統；與其它電動機相比，異步電動機的結構簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動機為例，與同功率、同轉速的直流電動機相比，前者重量只及后者的二分之一，成本僅為三分之一。異步電動機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產品。它還具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數工農業(yè)生產機械拖動的要求。異步電動機的局限性是，它的轉速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率，因而調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速范圍的使用場合，不如直流電動機經濟、方便。此外，異步電動機運行時，從電力系統吸取無功功率以勵磁，這會導致電力系統的功率因數變壞。因此，在大功率、低轉速場合不如用同步電動機合理。,,第33頁,3.4.2異步電動機的工作原理與運行特性,1.異步電動機的工作原理當異步電動機的三相定子繞組通入三相交流電后，將產生一個旋轉磁場，該旋轉磁場切割轉子繞組，從而在轉子繞組中產生感應電動勢，電動勢的方向由右手定則來確定。由于轉子繞組是閉合通路，轉子中便有電流產生，電流方向與電動勢方向相同，而載流的轉子導體在定子旋轉磁場作用下將產生電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進而產生電磁轉矩，驅動電動機旋轉，并且電動機旋轉方向與旋轉磁場方向相同。,,第34頁,3.4.2異步電動機的工作原理與運行特性,2.異步電動機的運行特性異步電動機的運行特性包括工作特性和機械特性。異步電動機的工作特性是指電動機在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下，電動機的轉速、電磁轉矩、定子電流、效率和功率因數隨輸出功率變化的特性。一般通過負載試驗來測取。圖是異步電動機的工作特性。,,,第35頁,3.4.2異步電動機的工作原理與運行特性,異步電動機的機械特性分為自然機械特性和人為機械特性。在電源電壓和電源頻率恒定且定、轉子回路不接入任何附加設備時的機械特性稱為自然機械特性，,,,,第36頁,3.4.2異步電動機的工作原理與運行特性,電源電壓、電源頻率、電動機極對數、定子或轉子回路接入其它附屬設備，其中任意一項改變得到的機械特性稱為人為機械特性。由于電源頻率不變，所以同步轉速點不變，電磁轉矩與電源電壓的平方成比例變化，但各條曲線的最大轉矩點對應的轉差率基本保持不變。,,,,,第37頁,3.4.3異步電動機的控制,目前對異步電動機的調速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制、轉差控制、矢量控制以及直接轉矩控制等。恒壓頻比開環(huán)控制實際上只控制了電動機磁通而沒有控制電動機的轉矩，采用這樣的控制系統對異步電動機來講根本談不上控制性能，通常只用于對調速性能要求一般的通用變頻器上。轉差控制是根據異步電動機電磁轉矩和轉差頻率的關系來直接控制電動機的轉矩的，可以在一定的轉差頻率范圍內、一定程度上通過調節(jié)轉差來控制電動機的電磁轉矩，從而改善調速系統的控制性能，但其控制理論是建立在異步電動機的穩(wěn)態(tài)數學模型基礎上的，它適合于電動機轉速變化緩慢或者對動態(tài)性能要求不高的場合。,,第38頁,3.4.3異步電動機的控制,1．異步電動機的矢量控制矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電動機內部的電磁過程，是建立在交流電動機的動態(tài)數學模型基礎上的控制方法。它模仿對直流電動機的控制技術，將交流電動機的定子電流解耦成互相獨立的產生磁鏈的分量和產生轉矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現對交流電動機的磁鏈控制和轉矩控制的完全解耦，從而達到理想的動態(tài)性能。(1)異步電動機矢量控制方式的選擇。異步電動機矢量控制是基于磁場定向的方法，其調速控制系統的方式比較復雜，常用的控制策略有以下4種。轉子磁場定向矢量控制原理；轉差率矢量控制原理；氣隙磁場定向矢量控制原理；定子磁場定向矢量控制原理。,,第39頁,3.4.3異步電動機的控制,(2)異步電動機矢量控制的特點。矢量控制變頻器可以分別對異步電動機的磁通和轉矩電流進行檢測和控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達到一致，從而實現了變頻調速，大大提高了電動機控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質。轉速精度約等于0.5%，轉速響應也較快。采用矢量變頻器異步電動機變頻調速是可以達到控制結構簡單，可靠性高的效果。其主要表現在：可以從零轉速起進行速度控制，因此調速范圍很寬廣；可以對轉矩實行較為精確控制；系統的動態(tài)響應速度很快；電動機的加速度特性很好。,,第40頁,3.4.3異步電動機的控制,2.異步電動機直接轉矩控制直接轉矩控制是將電動機輸出轉矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電動機轉速。它不需要復雜的坐標變換，也不需要依賴轉子數學模型，只是通過控制PWM型逆變器的導通和切換方式，控制電動機的瞬時輸入電壓，改變磁鏈的旋轉速度來控制瞬時轉矩，使系統性能對轉子參數呈現魯棒性。并且這種方法被推廣到弱磁調速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式，性能優(yōu)越。但同時不可避免地產生轉矩脈動，調速性能降低的問題。該方法對逆變器開關頻率提高的限制較大，定子電阻對電動機低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電阻變化引起的定子電流和磁鏈的畸變，以及轉矩脈動、死區(qū)效應和開關頻率等問題。,,第41頁,3.4.3異步電動機的控制,(1)異步電動機直接轉矩控制系統的結構與原理。它主要包括磁鏈調節(jié)器、轉矩調節(jié)器、磁鏈和轉矩觀測器、轉速調節(jié)器等。其中磁鏈觀測器對磁鏈的觀測是否準確對整個控制系統的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用，而開關策略和磁鏈、轉矩調節(jié)是先進控制算法的核心部分。,,,第42頁,3.4.3異步電動機的控制,(2)直接轉矩控制的特點①直接轉矩控制所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。②直接轉矩控制大大減少了矢量控制技術中控制性能易受參數變化影響的問題。③直接轉矩控制并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強調磁鏈完全理想圓形軌跡。相反，從控制轉矩的角度出發(fā)，它強調的是轉矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。④直接轉矩控制技術對轉矩實行直接控制。它的控制效果不取決于電動機的數學模型是否能夠簡化，而是取決于轉矩的實際狀況，它的控制既直接又簡化。,,,第43頁,3.5永磁同步電動機,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性3.5.3永磁同步電動機的控制,,,第44頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,永磁同步電動機分為正弦波驅動電流的永磁同步電動機和方波驅動電流的永磁同步電動機。這里介紹的主要是三相正弦波驅動的永磁同步電動機。永磁同步電動機的結構示意圖如圖所示，和傳統電動機一樣，主要由定子和轉子兩大部分構成。,,,,,第45頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,按照永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電動機的磁極結構可分為表面式和內置式二種。(1)表面式轉子磁路結構。表面式轉子磁路結構中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結構又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖所示。,,,,,,第46頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,(2)內置式轉子磁路結構。按永磁體磁化方向與轉子旋轉方向的相互關系，內置式轉子結構又可分為徑向式、切向式和混合式三種。,,,,,,,第47頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,永磁同步電動機與其它電動機相比，具有以下優(yōu)點：(1)用永磁體取代繞線式同步電動機轉子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、滑環(huán)和電刷，以電子換向實現無刷運行，結構簡單，運行可靠；(2)永磁同步電動機的轉速與電源頻率間始終保持準確的同步關系，控制電源頻率就能控制電動機的轉速；(3)永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負載的變化而引起的電動機轉矩的擾動具有較強的承受能力，瞬間最大轉矩可以達到額定轉矩的三倍以上，適合在負載轉矩變化較大的工況下運行；,,,,,,,第48頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,(4)永磁電動機轉子為永久磁鐵無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉速下保持同步運行，調速范圍寬；(5)永磁同步電動機與異步電動機相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數高，定子電流和定子銅耗小，效率高；(6)體積小、重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應用，永磁同步電動機的功率密度得到很大提高，比起同容量的異步電動機來，體積和重量都有較大的減少，使其適合應用在許多特殊場合；(7)結構多樣化，應用范圍廣。,,,,,,第49頁,3.5.1永磁同步電動機的結構與特點,永磁同步電動機還存在以下缺點：(1)由于永磁同步電動機轉子為永磁體，無法調節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機的銅耗；(2)永磁電動機的磁鋼價格較高。由此可見，永磁電動機體積小，重量輕，轉動慣量小，功率密度高(可達1kW/kg)，適合電動汽車空間有限的特點；另外，轉矩慣量比大，過載能力強，尤其低轉速時輸出轉矩大，適合電動汽車的起動加速。因此，永磁電動機得到國內外電動汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應用，日本新研制的電動汽車大都采用永磁電動機驅動。比較典型的是在豐田Prius混聯式混合動力轎車上的應用。,,,,,,第50頁,3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性,1．電樞反應永磁同步電動機帶負載時，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，而且還會產生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場將影響永磁同步電動機的運行特性。對永磁同步電動機進行分析時，需要采用雙反應理論，即需要把電樞電流和電樞電動勢分解成交軸和直軸兩個分量。交軸電樞電流產生交軸電樞電動勢，發(fā)生交軸電樞反應；直軸電樞電流產生直軸電樞電動勢，發(fā)生直軸電樞反應。,,,,第51頁,3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性,2．電壓方程式忽略磁飽和效應的影響，永磁同步電動機的電壓方程式為3．功率與轉矩電動機的電磁功率為如果忽略電樞電阻的影響，則電動機的電磁功率為,,,,,,,第52頁,3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性,電磁功率與功率角的關系稱為永磁同步電動機的功角特性。,,,,,,第53頁,3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性,4．運行特性永磁同步電動機的運行特性主要是機械特性和工作特性。永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)正常運行時，轉速始終保持同步速不變，因此，其機械特性為平行于橫軸的直線，調節(jié)電源頻率來調節(jié)電動機轉速時，轉速將嚴格地與頻率成正比例變化。,,,,,,,第54頁,3.5.2永磁同步電動機的工作原理與運行特性,永磁同步電動機的工作特性是指當電源電壓恒定時，電動機的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數等隨輸出功率變化的關系。,,,,,,,,第55頁,3.5.3永磁同步電動機的控制,1.恒壓頻比開環(huán)控制(VVVF)VVVF的控制變量為電動機的外部變量即電壓和頻率?？刂葡到y將參考電壓和頻率輸入到實現控制策略的調制器中，最后由逆變器產生一個交變的正弦電壓施加在電動機的定子繞組上，使之運行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現，轉速通過電源頻率進行控制，不存在異步電動機的轉差和轉差補償問題。但同時，由于系統中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電動機狀態(tài)，致使無法精確控制電磁轉矩；在突加負載或者速度指令時，容易發(fā)生失步現象；也沒有快速的動態(tài)響應特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制控制電動機磁通而沒有控制電動機的轉矩，控制性能差。通常只用于對調速性能要求一般的通用變頻器上。,第56頁,3.5.3永磁同步電動機的控制,2．矢量控制矢量控制理論的基本思想為；以轉子磁鏈旋轉空間矢量為參考坐標，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉矩分量，分別對其進行控制，獲得與直流電動機一樣良好的動態(tài)特性。因其控制結構簡單，控制軟件實現較容易，已被廣泛應用到調速系統中。永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機轉速和電源頻率嚴格同步，其轉子轉速等于旋轉磁場轉速，轉差恒等于零，沒有轉差功率，控制效果受轉子參數影響小。因此，在永磁同步電動機上更容易實現矢量控制。,第57頁,3.5.3永磁同步電動機的控制,某電動汽車用永磁同步電動機矢量控制系統框。,,第58頁,3.5.3永磁同步電動機的控制,3．直接轉矩控制永磁同步電機直接轉矩控制系統的原理結構圖。,,,第59頁,3.5.3永磁同步電動機的控制,4．智能控制為了提高永磁同步電動機的控制性能和控制精度，模糊控制、神經網絡控制等開始應用于同步電動機的控制。采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統，在多環(huán)控制結構中，智能控制器處于最外環(huán)充當速度控制器，而內環(huán)電流控制、轉矩控制仍采用PI控制、直接轉矩控制這些方法，這主要是因為外環(huán)是決定系統的根本因素，而內環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動給內環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。在永磁同步電機系統中應用智能控制時，也不能完全屏棄傳統的控制方法，必須將兩者很好地結合起來，才能彼此取長補短，使系統的性能達到最優(yōu)。,,,第60頁,3.6開關磁阻電動機,3.6.1開關磁阻電動機的結構與特點3.6.2開關磁阻電動機的工作原理與運行特性3.6.3開關磁阻電動機的控制,第61頁,3.6.1開關磁阻電動機的結構與特點,1．開關磁阻電動機的結構開關磁阻電動機是由雙凸極的定子和轉子組成，其定子、轉子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。定子極上繞有集中繞組，把沿徑向相對的兩個繞組串聯成一個兩級磁極，稱為“一相”；轉子既無繞組又無永磁體，僅由硅鋼片疊成。開關磁阻電動機有多種不同的相數結構，如單相、二相、四相及多相等，且定子和轉子的極數有多種不同的搭配。低于三相的開關磁阻電動機一般沒有自起動能力。相數多，有利于減小轉矩脈動，但結構復雜、主開關器件多、成本增高。目前應用較多的是四相8/6極結構和三相6/4極結構。下面介紹的的開關磁阻電動機的結構為四相8/6極結構。,第62頁,3.6.1開關磁阻電動機的結構與特點,2.開關磁阻電動機的特點開關磁阻電動機與其它電動機相比，具有以下優(yōu)點：(1)可控參數多，調速性能好?？煽貐涤兄鏖_關開通角、主開關關斷角、相電流幅值、直流電源電壓，控制方便，可四象限運行，容易實現正轉、反轉和電動、制動等特定的調節(jié)控制；(2)結構簡單，成本低。開關磁阻電動機轉子無繞組，也不加永久磁鐵，定子為集中繞組，永磁電動機及感應電動機都簡單，制造和維護方便；它的功率變換器比較簡單，主開關元件數較少，電子器件少；(3)損耗小，運轉效率高。開關磁阻電動機的轉子不存在勵磁及轉差損耗，功率變換器元器件少，相應的損耗也??；控制靈活，易于在很寬轉速范圍內實現高效節(jié)能控制；(4)起動轉矩大，起動電流小。在15%額定電流的情況下就能達到100%的起動轉矩。,第63頁,3.6.1開關磁阻電動機的結構與特點,由于開關磁阻電動機的特殊結構和工作方式，也存在一些缺點：(1)轉矩脈動現象較大；(2)振動和噪聲相對較大，特別是在負載運行的時候；(3)電動機的出線頭相對較多，還有位置檢測器出線端；(4)電動機的數學模型比較復雜，其準確的數學模型較難建立；(5)控制復雜，依賴于電動機的結構。,第64頁,3.6.2開關磁阻電動機工作原理與運行特性,1．開關磁阻電動機的工作原理開關磁阻電動機的工作原理如圖所示。圖中，Sl、S2是電子開關；VD1、VD2是二極管，U是直流電源。,,第65頁,3.6.2開關磁阻電動機工作原理與運行特性,2.開關磁阻電動機的運行特性開關磁阻電動機運行特性可分為三個區(qū)域：恒轉矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)(串勵特性區(qū))，如圖所示。,,,第66頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,1.角度位置控制方式(APC)角度位置控制是在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上主開關的開通角和關斷角，來改變繞組的通、斷電時刻，調節(jié)相電流的波形，實現轉速閉環(huán)控制。根據電動勢平衡方程式可知，當電動機轉速較高時，旋轉電動勢較大，則此時電流上升率下降，各相的主開關器件的導通時間較短，電動機繞組的相電流不易上升，電流相對較小，便于使用角度位置控制方式。因為開通角和關斷角都可調節(jié)，角度位置控制可分為：變開通角、變關斷角和同時改變開通角及關斷角三種方式。改變開通角，可改變電流波形的寬度、峰值和有效值的大小，還可改變電流波形與電感波形的相對位置，從而改變了電動機的轉矩和轉速。而關斷角一般不影響電流的峰值，但可改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對位置，進而改變電流的有效值。故一般采用固定關斷角、改變開通角的控制方式。,第67頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,根據SRM的轉矩特性分析可知，當電流波形主要位于電感的上升區(qū)時，產生的平均電磁轉矩為正，電動機運行在電動狀態(tài)；當電流波形主要位于電感的下降段時，產生的平均電磁轉矩為負，電動機工作在制動狀態(tài)。而通過對開通角、關斷角的控制，可以使電流的波形處在繞組電感波形的不同位置。因此，可以用控制開通角、關斷角的方式來使電動機運行在不同的狀態(tài)。角度位置控制的優(yōu)點在于：轉矩調節(jié)的范圍寬；可同時多相通電，以增加電動機的輸出轉矩，同時減小了轉矩波動；通過角度的優(yōu)化，能實現效率最優(yōu)控制或轉矩最優(yōu)控制。根據上面的分析可知，此法不適于低速場合。因為在低速時，旋轉電動勢較小，使電流峰值增大，必須采取相應措施進行限流，故一般用于轉速較高的場合。,第68頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,2.電流斬波控制根據電動勢平衡方程式可知，電動機低速運行特別是啟動時，旋轉電動勢引起的壓降很小，相電流上升快，為避免過大的電流脈沖對功率開關器件及電動機造成損壞，需要對電流峰值進行限定，因此，可采用電流的斬波控制，獲取恒轉矩的機械特性。電流斬波控制一般不會對開通、關斷角進行控制，它將直接選擇在每相的特定導通位置對電流進行斬波控制。目前常用的有兩種方案：對電流上、下限進行限制的控制，及限制電流上限值和恒定關斷時間的控制。該控制的優(yōu)點在于：它適用于電動機的低速調速系統，可以控制電流峰值的增長，并有很好的電流調節(jié)作用：因每相電流波形會呈現出較寬的平頂狀，使得產生的轉矩比較平穩(wěn)，轉矩的波動相應地比其它控制方式要小。然而，由于電流的峰值受到了限制，當電動機轉速在負載的擾動作用下發(fā)生變化時，電流的峰值無法做出相應的改變，使得系統的特性比較軟，因此系統在負載擾動下的動態(tài)響應很緩慢。,第69頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,3.電壓控制(VC)VC方式是保持開通角、關斷角不變的前提下，使功率開關器件工作在脈沖寬度調制(PWM)方式。通過調節(jié)PWM波的占空比，來調整加在繞組兩端電壓的平均值，進而改變繞組電流的大小，實現對轉速的調節(jié)。若增大調制脈沖的頻率，就會使電流的波型比較平滑，電動機出力增大，噪聲減小，但對功率開關器件的工作頻率的要求就會增大。按照續(xù)流方式的不同，分為單管斬波和雙管斬波方式。單管方式中，連接在每相繞組中的上、下橋臂的兩個開關管只有一個處于斬波狀態(tài)，另一個一直導通。而雙管斬波方式中，兩個開關管同時導通和關斷，對電壓進行斬波控制?？紤]到系統效率等因素，實際應用中一般常用單管方式。,第70頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,電壓控制的優(yōu)點在于，它通過調節(jié)繞組電壓的平均值進而調節(jié)電流，因此可用在低速和高速系統，且控制簡單，但它的調速范圍有限。在實際的SRD運用中，也可以采用多種控制方式相組合的方法。如高速角度控制和低速電流斬波控制組合，變角度電壓斬波控制和定角度電壓斬波控制等。這些組合方式各有優(yōu)勢及不足，因此必須針對不同的應用場合和不同的性能要求，合理地選擇控制方式，才能使電動機運行于最佳狀態(tài)。,第71頁,3.6.3開關磁阻電動機的控制,根據系統性能要求的不同，控制電路的具體結構形式會有很大差異，但一般均應包含以下功能：1)用于接受外部指令信號，如起動、轉速、轉向信號的操作電路；2)用于給定量與控制量相比較，并按規(guī)定算法計算出控制參數的調節(jié)量的調節(jié)器電路；3)用于決定控制電路的工作邏輯，如正反轉相序邏輯、高低速控制方式的工作邏輯電路；4)用于檢測系統中的有關物理量，如轉速、角位移、電流和電壓的傳感器電路；5)用于當系統中某些物理量超過允許值時，采取相應保護措施的保護電路，如過壓保護和過流保護；6)用于控制各被控量信號的輸出電路，如控制功率開關器件的導通與關斷；7)用于指示系統的工作狀況和參數狀態(tài)顯示電路，如指示電動機轉速、指示故障保護情況的顯示。,第72頁,3.7輪轂電機,3.7.1輪轂電機結構形式3.7.2輪轂電機應用類型3.7.3輪轂電機驅動方式3.7.4輪轂電機驅動系統的特點3.7.5輪轂電機驅動系統關鍵技術,第73頁,3.7.1輪轂電機結構形式,輪轂電機驅動系統通常由電動機、減速機構、制動器與散熱系統等組成。輪轂電機驅動系統根據電機的轉子型式主要分成兩種結構形式：內轉子型和外轉子型。,,,,第74頁,3.7.2輪轂電機應用類型,輪轂電機系統的驅動電機按照電機磁場的類型分為軸向磁場和徑向磁場兩種類型。軸向磁通電機的結構更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵心；徑向磁通電機定轉子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術更簡單成熟。輪轂電機的電機類型主要分為永磁、感應、開關磁阻式。其特點如下：（1）無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，已在國內外多種電動汽車中獲得應用；（2）感應（異步）電機結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，轉矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉速極限高；缺點是驅動電路復雜，成本高，相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低；（3）開關磁阻式電機具有結構簡單，制造成本低廉，轉速/轉矩特性好等特點，適用于電動汽車驅動；缺點是設計和控制非常困難和精細，運行噪聲大。,,,第75頁,3.7.3輪轂電機驅動方式,輪轂電機的驅動方式可以分為直接驅動和減速驅動兩種基本形式。直接驅動方式如圖所示，采用低速外轉子電動機，輪轂電機與車輪組成一個完整部件總成，電機布置在車輪內部，直接驅動車輪帶動汽車行駛。其主要優(yōu)點是電機體積小，質量輕，成本低，系統傳動效率高，結構緊湊，既有利于整車結構布置和車身設計，也便于改型設計。,,第76頁,3.7.3輪轂電機驅動方式,減速驅動方式如圖所示，采用高速內轉子電動機，適合現代高性能電動汽車的運行要求。這種電動輪采用高速內轉子電動機，其目的是為了獲得較高的功率。減速機構布置在電動機和車輪之間，起減速和增矩的作用，保證電動汽車在低速時能夠獲得足夠大的轉矩。,,,第77頁,3.7.4輪轂電機驅動系統的特點,輪轂電機驅動系統作為一種新興的電機驅動形式，其布置非常靈活，可以根據汽車驅動方式分別布置在電動汽車的兩前輪、兩后輪或四個車輪的輪轂中。和其它驅動形式的電動汽車相比，輪轂電機驅動式電動汽車在動力源配置、底盤結構等方面有其獨特的技術特征和優(yōu)勢，具體體現在以下幾個方面：（1）動力控制由硬連接改為軟連接型式。通過電子線控技術，實現各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，從而省略了傳統汽車所需的機械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機械差速器等，使驅動系統和整車結構簡潔，有效可利用空間大，傳動效率提高。（2）各電動輪的驅動力直接獨立可控，使其動力學控制更為靈活、方便；能合理控制各電動輪的驅動力，從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。,,第78頁,3.7.4輪轂電機驅動系統的特點,（3）容易實現各電動輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋，還能對整車能源的高效利用，實施最優(yōu)化控制和管理，節(jié)約能源。（4）底架結構大為簡化，使整車總布置和車身造型設計的自由度增加，若能將底架承載功能與車身功能分離，則可實現相同底盤不同車身造型的產品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。（5）若在采用輪轂電機驅動系統的四輪電動汽車上導入線控四輪轉向技術，實現車輛轉向行駛高性能化，可有效減小轉向半徑，甚至實現零轉向半徑，大大增加了轉向靈便性。,,第79頁,3.7.5輪轂電機驅動系統的關鍵技術,（1）輪轂電機系統集驅動、制動、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設計難度大；（2）車輪內部空間有限，對電機功率密度性能要求高，設計難度大；（3）電機與車輪集成導致非簧載質量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的汽車操控性和安全性。同時，輪轂電機將承受很大的路面沖擊載荷，電機抗振要求苛刻；（4）汽車大負荷低速爬長坡工況下容易出現冷卻不足導致的輪轂電機過熱燒毀問題，電機的散熱和強制冷卻問題需要重視；（5）車輪部位水和污物等容易集存，導致電機的腐蝕破壞，壽命可靠性受影響；（6）輪轂電機運行轉矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉向系統的振動和噪聲，以及其他整車聲振問題。,,,第80頁,謝謝！,