新能源汽车课件-第4章电动汽车电机驱动系统

第 1 页,新能源汽车课件 第4章 电动汽车电机驱动系统,第 2 页,目 录,4.1 概述 4.2 直流电动机 4.3 无刷直流电动机 4.4 异步电动机 4.5 永磁同步电动机 4.6 开关磁阻电动机 4.7 轮毂电机,第 3 页,4.1 概述,4.1.1 电动汽车电机驱动系统的组成与类型 4.1.2 电动机的额定指标 4.1.3 电动汽车对电动机的要求 4.1.4 电动汽车电机驱动系统的发展趋势,第 4 页,4.1.1 电动汽车电机驱动系统的组成与类型,1电动汽车电机驱动系统的组成 电机驱动系统是电动汽车的心脏，它由电机、功率转化器、控制器、各种检测传感器和电源（蓄电池）组成，其任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。,第 5 页,4.1.1 电动汽车电机驱动系统的组成与类型,2电动汽车电机驱动系统的类型 电动汽车电机驱动系统按所选电动机的类型可分为: (1)直流电动机; (2)无刷直流电动机; (3)异步电动机; (4)永磁同步电动机; (5)开关磁阻电动机等。,第 6 页,4.1.2 电动机的额定指标,(1) 额定功率。额定功率是指额定运行情况下轴端输出的机械功率(W或kW)。 (2) 额定电压。额定电压是指外加于线端的电源线电压(V)。 (3) 额定电流。额定电流是指电动机额定运行(额定电压、额定输出功率)情况下电枢绕组(或定子绕组)的线电流(A)。 (4) 额定频率。额定频率是指电动机额定运行情况下电枢(或定子侧)的频率(Hz)。 (5) 额定转速。额定转速是指电动机额定运行(额定电压、额定频率、额定输出功率)的情况下，电动机转子的转速(r/min)。,第 7 页,4.1.3 电动汽车对电动机的要求,电动汽车在行驶过程中，经常频繁地启动/停车、加速/减速等，这就要求电动汽车中的电动机比一般工业应用的电动机性能更高，基本要求如下： (1) 电动机的运行特性要满足电动汽车的要求，在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足电动汽车起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足电动汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求； (2) 电动机应具有瞬时功率大、带负载启动性能好、过载能力强，加速性能好，使用寿命长的特点； (3) 电动机应在整个运行范围内，具有很高的效率，以提高一次充电的续驶里程；,第 8 页,4.1.3 电动汽车对电动机的要求,(4) 电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈给蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率； (5) 电动机应可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作； (6) 电动机应体积小，重量轻，一般为工业用电动机的1/21/3； (7) 电动机的结构要简单坚固，适合批量生产，便于使用和维护； (8) 价格便宜，从而能够减少整体电动汽车的价格，提高性价比； (9) 运行时噪声低，减少污染。,第 9 页,4.1.4 电动汽车电机驱动系统的发展趋势,（1）电机的功率密度不断提高，永磁电机应用范围不断扩大。 （2）电机的工作转速不断提高，回馈制动的高效区不断拓宽。 （3）电驱动系统的集成化和一体化趋势更加明显。 （4）电驱动系统的混合度与电功率比不断增加。 （5）车用电驱动控制系统的集成化和数字化程度不断加大。,第 10 页,4.2 直流电动机,4.2.1 直流电动机的分类 4.2.2 直流电动机的结构与特点 4.2.3 直流电动机的工作原理 4.2.4 直流电动机的控制,第 11 页,4.2.1 直流电动机的分类,直流电动机分为绕组励磁式直流电动机和永磁式直流电动机。在电动汽车所采用的直流电动机中，小功率电动机采用的是永磁式直流电动机，大功率电动机采用的是绕组励磁式直流电动机。 绕组励磁式直流电动机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式四种类型。,第 12 页,4.2.1 直流电动机的分类,1他励式直流电动机 他励式直流电动机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其它直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁直流电动机也可看作他励直流电动机。 他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。但当采用永磁激励时，虽然电动机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，电动机的机械特性不理想，驱动电动机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车起动和加速时的大转矩要求。,第 13 页,4.2.1 直流电动机的分类,2并励直流电动机 并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励直流电动机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。 3串励直流电动机 串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流。这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励直流电动机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。,第 14 页,4.2.1 直流电动机的分类,4复励直流电动机 复励直流电动机有并励和串励两个励磁绕组，电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运行效率高。由于电动机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电动机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于电动机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小，能克服纯永磁他励直流电动机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而电动机的重量或体积比串励电动机的小。,第 15 页,4.2.1 直流电动机的分类,各种励磁方式直流电动机的电路如图所示。,第 16 页,4.2.2 直流电动机的结构与特点,1直流电动机的结构 直流电动机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙。,第 17 页,4.2.2 直流电动机的结构与特点,2直流电动机的特点 (1) 调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 (2) 起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动。 (3) 控制比较简单。一般用斩波器控制，它具有高效率、控制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点。 (4) 有易损件。由于存在电刷、换向器等易磨损器件，所以必须进行定期维护或更换。,第 18 页,4.2.3 直流电动机的工作原理,直流电动机的工作原理图所示。图中，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。,第 19 页,4.2.4 直流电动机的控制,直流电动机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。 电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电动机的转速。这种控制只适合电动机基速以下的转速控制，它可保持电动机的负载转矩不变，电动机转速近似与电枢端电压成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电动机采用电枢调压控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1:10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1:30。电枢调压控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，由于转速不立即发生变化，反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小了，转矩也减小了。如果阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。,第 20 页,4.2.4 直流电动机的控制,磁场控制是指通过调节直流电动机的励磁电流改变每极磁通量，从而调节电动机的转速，这种控制只适合电动机基数以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过1:3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控整流电源作为励磁电源。 磁场控制的调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。,第 21 页,4.2.4 直流电动机的控制,电枢回路串电阻控制是指当电动机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电动机的转速。这种控制方法的机械特性较软，而且电动机运行不稳定，一般很少应用。对于小型串励电动机，常采用电枢回路串电阻控制方式。,第 22 页,4.3 无刷直流电动机,4.3.1 无刷直流电动机的分类 4.3.2 无刷直流电动机的结构与特点 4.3.3 无刷直流电动机的工作原理 4.3.4 无刷直流电动机的控制,第 23 页,4.3.1 无刷直流电动机的分类,无刷直流电动机按照工作特性，可以分为具有直流电动机特性的无刷直流电动机和具有交流电动机特性的无刷直流电动机。 具有直流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电动机。这类电动机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换相线路以实现无接触式换相。显然，这种无刷直流电动机具有有刷直流电动机的各种运行特性。 具有交流电动机特性的无刷直流电动机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电动机。这类电动机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电动机。因此，它们具有同步电动机的各种运行特性。,第 24 页,4.3.2 无刷直流电动机结构与特点,1无刷直流电动机的结构 无刷直流电动机主要由电动机本体、电子换相器和转子位置传感器三部分组成。 (1) 电动机本体。无刷直流电动机的电动机本体由定子和转子两部分组成。 (2) 电子换相器。电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。 (3) 位置传感器。位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相。,第 25 页,4.3.2 无刷直流电动机结构与特点,无刷直流电动机实物图。,第 26 页,4.3.2 无刷直流电动机结构与特点,无刷直流电动机作为电动汽车用电动机，具有以下优点： (1) 外特性好，非常符合电动汽车的负载特性，尤其是具有低速大转矩特性，能够提供大的起动转矩，满足电动汽车的加速要求； (2) 可以在低、中、高宽速度范围内运行，而有刷电动机由于受机械换向的影响，只能在中低速下运行； (3) 效率高，尤其是在轻载车况下，仍能保持较高的效率，这对珍贵的电池能量是很重要的； (4) 过载能力强，比Y系列电动机可提高过载能力2倍以上，满足电动汽车的突起堵转需要；,第 27 页,4.3.2 无刷直流电动机结构与特点,(5) 再生制动效果好，因无刷直流电动机转子具有很高的永久磁场，在汽车下坡或制动时电动机可完全进入发电机状态，给电池充电，同时起到电制动作用，减轻机械刹车负担； (6) 体积小、重量轻、比功率大，可有效地减轻重量、节省空间； (7) 无机械换向器，采用全封闭式结构，防止尘土进入电动机内部，可靠性高； (8) 控制系统比异步电动机简单。 缺点是电动机本身比交流电动机复杂，控制器比有刷直流电动机复杂。,第 28 页,4.3.3 无刷直流电动机的工作原理,无刷直流电动机的工作原理与有刷直流电动机的工作原理基本相同。它是利用电动机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电动机转子旋转。同时，随着电动机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断的改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电动机就旋转起来了。,第 29 页,4.3.4 无刷直流电动机的控制,按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电动机的控制方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。 有位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，以此控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态，保证电动机各相按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。无刷直流电动机中常用的位置传感器有霍尔元件位置传感器、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。,第 30 页,4.3.4 无刷直流电动机的控制,无刷直流电动机的无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电动机的无位置传感器控制近年来己成为研究的热点。无刷直流电动机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器，但在电动机运转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电动机换相。因此，如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电动机无位置传感器控制的关键。为此，国内外的研究人员在这方面作了大量的研究工作，提出了多种转子位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算。归纳起来，可以分为反电动势法、电感法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等。、磁敏晶体管位置传感器、光电式位置传感器等。,第 31 页,4.4 异步电动机,4.4.1 异步电动机的结构与特点 4.4.2 异步电动机的工作原理与运行特性 4.4.3 异步电动机的控制,第 32 页,4.4.1 异步电动机的结构与特点,1异步电动机的结构 异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。,第 33 页,4.4.1 异步电动机的结构与特点,2异步电动机的特点 异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其它电动机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。 异步电动机的局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电动机经济、方便。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合不如用同步电动机合理。,第 34 页,4.4.2异步电动机的工作原理与运行特性,1. 异步电动机的工作原理 当异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。,第 35 页,4.4.2异步电动机的工作原理与运行特性,2. 异步电动机的运行特性 异步电动机的运行特性包括工作特性和机械特性。 异步电动机的工作特性是指电动机在保持额度电压和额定频率不变的情况下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率变化的特性。一般通过负载试验来测取。图是异步电动机的工作特性。,第 36 页,4.4.2异步电动机的工作原理与运行特性,异步电动机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。 在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性，,第 37 页,4.4.2异步电动机的工作原理与运行特性,电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它附属设备，其中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。 由于电源频率不变，所以同步转速点不变，电磁转矩与电源电压的平方成比例变化，但各条曲线的最大转矩点对应的转差率基本保持不变。,第 38 页,4.4.3 异步电动机的控制,目前对异步电动机的调速控制主要有恒压频比开环控制、转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。 恒压频比开环控制实际上只控制了电动机磁通而没有控制电动机的转矩，采用这样的控制系统对异步电动机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。 转差控制是根据异步电动机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电动机的转矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电动机的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在异步电动机的稳态数学模型基础上的，它适合于电动机转速变化缓慢或者对动态性能要求不高的场合。,第 39 页,4.4.3 异步电动机的控制,1异步电动机的矢量控制 矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电动机内部的电磁过程，是建立在交流电动机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电动机的控制技术，将交流电动机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电动机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。 (1) 异步电动机矢量控制方式的选择。异步电动机矢量控制是基于磁场定向的方法，其调速控制系统的方式比较复杂，常用的控制策略有以下4种。转子磁场定向矢量控制原理；转差率矢量控制原理；气隙磁场定向矢量控制原理；定子磁场定向矢量控制原理。,第 40 页,4.4.3 异步电动机的控制,(2) 异步电动机矢量控制的特点。矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电动机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器异步电动机变频调速是可以达到控制结构简单，可靠性高的效果。其主要表现在：可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广；可以对转矩实行较为精确控制；系统的动态响应速度很快；电动机的加速度特性很好。,第 41 页,4.4.3 异步电动机的控制,2. 异步电动机直接转矩控制 直接转矩控制是将电动机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电动机转速。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性。并且这种方法被推广到弱磁调速范围。逆变器的PWM采用电压空间向量控制方式，性能优越。但同时不可避免地产生转矩脉动，调速性能降低的问题。该方法对逆变器开关频率提高的限制较大，定子电阻对电动机低速性能也有较大影响，如在低速区，定子电阻变化引起的定子电流和磁链的畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。,第 42 页,4.4.3 异步电动机的控制,(1)异步电动机直接转矩控制系统的结构与原理。它主要包括磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等。其中磁链观测器对磁链的观测是否准确对整个控制系统的稳定性有着举足轻重的作用，而开关策略和磁链、转矩调节是先进控制算法的核心部分。,第 43 页,4.4.3 异步电动机的控制,(2) 直接转矩控制的特点 直接转矩控制所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。 直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 直接转矩控制并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。 直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简化。,第 44 页,4.5 永磁同步电动机,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点 4.5.2 永磁同步电动机的工作原理与运行特性 4.5.3 永磁同步电动机的控制,第 45 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,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。这里介绍的主要是三相正弦波驱动的永磁同步电动机。 永磁同步电动机的结构示意图如图所示，和传统电动机一样，主要由定子和转子两大部分构成。,第 46 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,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二种。 (1) 表面式转子磁路结构。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。,第 47 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,(2) 内置式转子磁路结构。按永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、切向式和混合式三种。,第 48 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,永磁同步电动机与其它电动机相比，具有以下优点： (1) 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、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠； (2) 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； (3) 永磁同步电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矩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三倍以上，适合在负载转矩变化较大的工况下运行；,第 49 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,(4) 永磁电动机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； (5) 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； (6) 体积小、重量轻。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，体积和重量都有较大的减少，使其适合应用在许多特殊场合； (7) 结构多样化，应用范围广。,第 50 页,4.5.1 永磁同步电动机的结构与特点,永磁同步电动机还存在以下缺点： (1) 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； (2) 永磁电动机的磁钢价格较高。 由此可见，永磁电动机体积小，重量轻，转动惯量小，功率密度高(可达1kW/kg)，适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电动机驱动。比较典型的是在丰田Prius混联式混合动力轿车上的应用。,第 51 页,4.5.2永磁同步电动机的工作原理与运行特性,1电枢反应 永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气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应不仅使气隙磁场波形发生畸变，而且还会产生去磁或增磁作用，因此，气隙磁场将影响永磁同步电动机的运行特性。 对永磁同步电动机进行分析时，需要采用双反应理论，即需要把电枢电流和电枢电动势分解成交轴和直轴两个分量。交轴电枢电流产生交轴电枢电动势，发生交轴电枢反应；直轴电枢电流产生直轴电枢电动势，发生直轴电枢反应。,第 52 页,4.5.2永磁同步电动机的工作原理与运行特性,2电压方程式 忽略磁饱和效应的影响，永磁同步电动机的电压方程式为 3功率与转矩 电动机的电磁功率为 如果忽略电枢电阻的影响，则电动机的电磁功率为,第 53 页,4.5.2永磁同步电动机的工作原理与运行特性,电磁功率与功率角的关系称为永磁同步电动机的功角特性。,第 54 页,4.5.2永磁同步电动机的工作原理与运行特性,4运行特性 永磁同步电动机的运行特性主要是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例变化。,第 55 页,4.5.2永磁同步电动机的工作原理与运行特性,永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。,第 56 页,4.5.3永磁同步电动机的控制,1.恒压频比开环控制(VVVF) VVVF的控制变量为电动机的外部变量即电压和频率。控制系统将参考电压和频率输入到实现控制策略的调制器中，最后由逆变器产生一个交变的正弦电压施加在电动机的定子绕组上，使之运行在指定的电压和参考频率下。按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制，不存在异步电动机的转差和转差补偿问题。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电动机状态，致使无法精确控制电磁转矩；在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象；也没有快速的动态响应特性。因此，恒压频比开环控制控制电动机磁通而没有控制电动机的转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。,第 57 页,4.5.3永磁同步电动机的控制,2矢量控制 矢量控制理论的基本思想为；以转子磁链旋转空间矢量为参考坐标，将定子电流分解为相互正交的两个分量，一个与磁链同方向，代表定子电流励磁分量，另一个与磁链方向正交，代表定子电流转矩分量，分别对其进行控制，获得与直流电动机一样良好的动态特性。因其控制结构简单，控制软件实现较容易，已被广泛应用到调速系统中。 永磁同步电动机矢量控制策略与异步电动机矢量控制策略有些不同。由于永磁同步电动机转速和电源频率严格同步，其转子转速等于旋转磁场转速，转差恒等于零，没有转差功率，控制效果受转子参数影响小。因此，在永磁同步电动机上更容易实现矢量控制。,第 58 页,4.5.3永磁同步电动机的控制,某电动汽车用永磁同步电动机矢量控制系统框。,第 59 页,4.5.3永磁同步电动机的控制,3直接转矩控制 永磁同步电机直接转矩控制系统的原理结构图。,第 60 页,4.5.3永磁同步电动机的控制,4智能控制 为了提高永磁同步电动机的控制性能和控制精度，模糊控制、神经网络控制等开始应用于同步电动机的控制。 采用智能控制方法的永磁同步电机控制系统，在多环控制结构中，智能控制器处于最外环充当速度控制器，而内环电流控制、转矩控制仍采用PI控制、直接转矩控制这些方法，这主要是因为外环是决定系统的根本因素，而内环主要的作用是改造对象特性以利于外环的控制，各种扰动给内环带来的误差可以由外环控制或抑制。 在永磁同步电机系统中应用智能控制时，也不能完全屏弃传统的控制方法，必须将两者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。,第 61 页,4.6 开关磁阻电动机,4.6.1 开关磁阻电动机的结构与特点 4.6.2 开关磁阻电动机的工作原理与运行特性 4.6.3 开关磁阻电动机的控制,第 62 页,4.6.1 开关磁阻电动机的结构与特点,1开关磁阻电动机的结构 开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。 开关磁阻电动机有多种不同的相数结构，如单相、二相、四相及多相等，且定子和转子的极数有多种不同的搭配。低于三相的开关磁阻电动机一般没有自起动能力。相数多，有利于减小转矩脉动，但结构复杂、主开关器件多、成本增高。目前应用较多的是四相8/6极结构和三相6/4极结构。下面介绍的的开关磁阻电动机的结构为四相8/6极结构。,第 63 页,4.6.1 开关磁阻电动机的结构与特点,2. 开关磁阻电动机的特点 开关磁阻电动机与其它电动机相比，具有以下优点： (1) 可控参数多，调速性能好。可控参数有主开关开通角、主开关关断角、相电流幅值、直流电源电压，控制方便，可四象限运行，容易实现正转、反转和电动、制动等特定的调节控制； (2) 结构简单，成本低。开关磁阻电动机转子无绕组，也不加永久磁铁，定子为集中绕组，永磁电动机及感应电动机都简单，制造和维护方便；它的功率变换器比较简单，主开关元件数较少，电子器件少； (3) 损耗小，运转效率高。开关磁阻电动机的转子不存在励磁及转差损耗，功率变换器元器件少，相应的损耗也小；控制灵活，易于在很宽转速范围内实现高效节能控制； (4) 起动转矩大，起动电流小。在15%额定电流的情况下就能达到100%的起动转矩。,第 64 页,4.6.1 开关磁阻电动机的结构与特点,由于开关磁阻电动机的特殊结构和工作方式，也存在一些缺点： (1) 转矩脉动现象较大； (2) 振动和噪声相对较大，特别是在负载运行的时候； (3) 电动机的出线头相对较多，还有位置检测器出线端； (4) 电动机的数学模型比较复杂，其准确的数学模型较难建立； (5) 控制复杂，依赖于电动机的结构。,第 65 页,4.6.2 开关磁阻电动机工作原理与运行特性,1开关磁阻电动机的工作原理 开关磁阻电动机的工作原理如图所示。图中，Sl、S2是电子开关；VD1、VD2是二极管，U是直流电源。,第 66 页,4.6.2 开关磁阻电动机工作原理与运行特性,2.开关磁阻电动机的运行特性 开关磁阻电动机运行特性可分为三个区域：恒转矩区、恒功率区、自然特性区(串励特性区)，如图所示。,第 67 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,1.角度位置控制方式(APC) 角度位置控制是在加在绕组上的电压一定的情况下，通过改变绕组上主开关的开通角和关断角，来改变绕组的通、断电时刻，调节相电流的波形，实现转速闭环控制。 根据电动势平衡方程式可知，当电动机转速较高时，旋转电动势较大，则此时电流上升率下降，各相的主开关器件的导通时间较短，电动机绕组的相电流不易上升，电流相对较小，便于使用角度位置控制方式。 因为开通角和关断角都可调节，角度位置控制可分为：变开通角、变关断角和同时改变开通角及关断角三种方式。改变开通角，可改变电流波形的宽度、峰值和有效值的大小，还可改变电流波形与电感波形的相对位置，从而改变了电动机的转矩和转速。而关断角一般不影响电流的峰值，但可改变电流波形的宽度及其与电感曲线的相对位置，进而改变电流的有效值。故一般采用固定关断角、改变开通角的控制方式。,第 68 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,根据SRM的转矩特性分析可知，当电流波形主要位于电感的上升区时，产生的平均电磁转矩为正，电动机运行在电动状态；当电流波形主要位于电感的下降段时，产生的平均电磁转矩为负，电动机工作在制动状态。而通过对开通角、关断角的控制，可以使电流的波形处在绕组电感波形的不同位置。因此，可以用控制开通角、关断角的方式来使电动机运行在不同的状态。 角度位置控制的优点在于：转矩调节的范围宽；可同时多相通电，以增加电动机的输出转矩，同时减小了转矩波动；通过角度的优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制。 根据上面的分析可知，此法不适于低速场合。因为在低速时，旋转电动势较小，使电流峰值增大，必须采取相应措施进行限流，故一般用于转速较高的场合。,第 69 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,2.电流斩波控制 根据电动势平衡方程式可知，电动机低速运行特别是启动时，旋转电动势引起的压降很小，相电流上升快，为避免过大的电流脉冲对功率开关器件及电动机造成损坏，需要对电流峰值进行限定，因此，可采用电流的斩波控制，获取恒转矩的机械特性。电流斩波控制一般不会对开通、关断角进行控制，它将直接选择在每相的特定导通位置对电流进行斩波控制。 目前常用的有两种方案：对电流上、下限进行限制的控制，及限制电流上限值和恒定关断时间的控制。 该控制的优点在于：它适用于电动机的低速调速系统，可以控制电流峰值的增长，并有很好的电流调节作用：因每相电流波形会呈现出较宽的平顶状，使得产生的转矩比较平稳，转矩的波动相应地比其它控制方式要小。 然而，由于电流的峰值受到了限制，当电动机转速在负载的扰动作用下发生变化时，电流的峰值无法做出相应的改变，使得系统的特性比较软，因此系统在负载扰动下的动态响应很缓慢。,第 70 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,3.电压控制(VC) VC方式是保持开通角、关断角不变的前提下，使功率开关器件工作在脉冲宽度调制(PWM)方式。通过调节PWM波的占空比，来调整加在绕组两端电压的平均值，进而改变绕组电流的大小，实现对转速的调节。若增大调制脉冲的频率，就会使电流的波型比较平滑，电动机出力增大，噪声减小，但对功率开关器件的工作频率的要求就会增大。 按照续流方式的不同，分为单管斩波和双管斩波方式。单管方式中，连接在每相绕组中的上、下桥臂的两个开关管只有一个处于斩波状态，另一个一直导通。而双管斩波方式中，两个开关管同时导通和关断，对电压进行斩波控制。考虑到系统效率等因素，实际应用中一般常用单管方式。,第 71 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,电压控制的优点在于，它通过调节绕组电压的平均值进而调节电流，因此可用在低速和高速系统，且控制简单，但它的调速范围有限。 在实际的SRD运用中，也可以采用多种控制方式相组合的方法。如高速角度控制和低速电流斩波控制组合，变角度电压斩波控制和定角度电压斩波控制等。这些组合方式各有优势及不足，因此必须针对不同的应用场合和不同的性能要求，合理地选择控制方式，才能使电动机运行于最佳状态。,第 72 页,4.6.3 开关磁阻电动机的控制,根据系统性能要求的不同，控制电路的具体结构形式会有很大差异，但一般均应包含以下功能： 1) 用于接受外部指令信号，如起动、转速、转向信号的操作电路； 2) 用于给定量与控制量相比较，并按规定算法计算出控制参数的调节量的调节器电路； 3) 用于决定控制电路的工作逻辑，如正反转相序逻辑、高低速控制方式的工作逻辑电路； 4) 用于检测系统中的有关物理量，如转速、角位移、电流和电压的传感器电路； 5) 用于当系统中某些物理量超过允许值时，采取相应保护措施的保护电路，如过压保护和过流保护； 6) 用于控制各被控量信号的输出电路，如控制功率开关器件的导通与关断； 7) 用于指示系统的工作状况和参数状态显示电路，如指示电动机转速、指示故障保护情况的显示。,第 73 页,4.7 轮毂电机,4.7.1 轮毂电机结构形式 4.7.2 轮毂电机应用类型 4.7.3 轮毂电机驱动方式 4.7.4 轮毂电机驱动系统的特点 4.7.5 轮毂电机驱动系统关键技术,第 74 页,4.7.1 轮毂电机结构形式,轮毂电机驱动系统通常由电动机、减速机构、制动器与散热系统等组成。轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成两种结构形式：内转子型和外转子型。,第 75 页,4.7.2 轮毂电机应用类型,轮毂电机系统的驱动电机按照电机磁场的类型分为轴向磁场和径向磁场两种类型。轴向磁通电机的结构更利于热量散发，并且它的定子可以不需要铁心；径向磁通电机定转子之间受力比较均衡，磁路由硅钢片叠压得到，技术更简单成熟。 轮毂电机的电机类型主要分为永磁、感应、开关磁阻式。其特点如下： （1）无刷永磁同步电机可采用圆柱形径向磁场结构或盘式轴向磁场结构，具有较高的功率密度和效率以及宽广的调速范围，发展前景十分广阔，已在国内外多种电动汽车中获得应用； （2）感应（异步）电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，转矩脉动小，噪声低，不需要位置传感器，转速极限高；缺点是驱动电路复杂，成本高，相对永磁电机而言，异步电机效率和功率密度偏低； （3）开关磁阻式电机具有结构简单，制造成本低廉，转速/转矩特性好等特点，适用于电动汽车驱动；缺点是设计和控制非常困难和精细，运行噪声大。,第 76 页,4.7.3 轮毂电机驱动方式,轮毂电机的驱动方式可以分为直接驱动和减速驱动两种基本形式。 直接驱动方式如图所示，采用低速外转子电动机，轮毂电机与车轮组成一个完整部件总成，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行驶。其主要优点是电机体积小，质量轻，成本低，系统传动效率高，结构紧凑，既有利于整车结构布置和车身设计，也便于改型设计。,第 77 页,4.7.3 轮毂电机驱动方式,减速驱动方式如图所示，采用高速内转子电动机，适合现代高性能电动汽车的运行要求。这种电动轮采用高速内转子电动机，其目的是为了获得较高的功率。减速机构布置在电动机和车轮之间，起减速和增矩的作用，保证电动汽车在低速时能够获得足够大的转矩。,第 78 页,4.7.4 轮毂电机驱动系统的特点,轮毂电机驱动系统作为一种新兴的电机驱动形式，其布置非常灵活，可以根据汽车驱动方式分别布置在电动汽车的两前轮、两后轮或四个车轮的轮毂中。和其它驱动形式的电动汽车相比，轮毂电机驱动式电动汽车在动力源配置、底盘结构等方面有其独特的技术特征和优势，具体体现在以下几个方面： （1）动力控制由硬连接改为软连接型式。通过电子线控技术，实现各电动轮从零到最大速度的无级变速和各电动轮间的差速要求，从而省略了传统汽车所需的机械式操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等，使驱动系统和整车结构简洁，有效可利用空间大，传动效率提高。 （2）各电动轮的驱动力直接独立可控，使其动力学控制更为灵活、方便；能合理控制各电动轮的驱动力，从而提高恶劣路面条件下的行驶性能。,第 79 页,4.7.4 轮毂电机驱动系统的特点,（3）容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈，还能对整车能源的高效利用，实施最优化控制和管理，节约能源。 （4）底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加，若能将底架承载功能与车身功能分离，则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本。 （5）若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导入线控四轮转向技术，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加了转向灵便性。,第 80 页,4.7.5 轮毂电机驱动系统的关键技术,（1）轮毂电机系统集驱动、制动、承载等多种功能于一体，优化设计难度大； （2）车轮内部空间有限，对电机功率密度性能要求高，设计难度大； （3）电机与车轮集成导致非簧载质量较大，恶化悬架隔振性能，影响不平路面行驶条件下的汽车操控性和安全性。同时，轮毂电机将承受很大的路面冲击载荷，电机抗振要求苛刻； （4）汽车大负荷低速爬长坡工况下容易出现冷却不足导致的轮毂电机过热烧毁问题，电机的散热和强制冷却问题需要重视； （5）车轮部位水和污物等容易集存，导致电机的腐蚀破坏，寿命可靠性受影响； （6）轮毂电机运行转矩的波动可能会引起汽车轮胎、悬架以及转向系统的振动和噪声，以及其他整车声振问题。,第 81 页,谢 谢！,