新能源电动车电机原理课件

新能源电动车电机原理 新能源电动车电机原理1学习目标（1）知道电机的类型（2）知道电机的结构与工作原理；（3）知道电机的技术指标；（4）了解电汽车对电动机的要求。教学目标学习目标教学目标2电机（ElectricMachine），是机械能与电能之间转换装置的通称。转换是双向的，大部分应用的是电磁感应原理。由机械能转换成电能的电机，通常称做“发电机”；把电能转换成机械能的电机，被称做“电动机”。电机（Electric Machine），是机械能与电能之间3一、电机的类型二、电机的结构学习目录四、电机的技术指标三、永磁电机的工作原理五、电动汽车对电机的要求一、电机的类型二、电机的结构学习目录四、电机的技术指标三、永4一、电机的类型电机的类型如图4-2-1所示。图4-2-1电动机的类型一、电机的类型电机的类型如图4-2-1所示。图4-2-1 电5二、电机的结构混合动力电动汽车和纯电动汽车的采用的永磁无刷三相交流电机，它主要由定子、转子和其它附件组成，如图4-2-2所示。图4-2-2电机的结构二、电机的结构混合动力电动汽车和纯电动汽车的采用的永磁无刷三6电机的结构1、定子定子主要是由漆包线圈和铁芯组成，如图4-2-3所示。图4-2-3定子电机的结构1、定子 图4-2-3 定子7电机的结构2、转子转子主要是由若永磁铁和磁体固定盘组成，如图4-2-4所示。图4-2-4转子电机的结构2、转子图4-2-4 转子8电机的结构3、其他附件电机除了定子和转子外，还有壳体、轴承、转子旋转位置传感器、电机温度传感器和冷却液管路等。电机的结构3、其他附件9三、新能源汽车常用电机类型1、直流电机首台直流电机制造于 1830 年。大约自 1890 年起随着三相交流电的出现同步电机逐渐取代了直流电机的主导地位。直到今天直流电机仍旧作为一种主流电机被广泛使用。在车辆电气系统中作为车窗玻璃刮水器、车窗升降器、鼓风机和伺服电机大量使用了最大功率约为 100 W 的直流电机。直流电机可以将（直流电流形式的）电能转化为动能。它由一个固定部件定子和一个转动支撑部件转子（电枢）组成，如图4-2-5所示。大多数直流电机采用内部转子结构，即转子是内部部件，定子是外部部件。定子由电磁铁组成，在小型直流电机内由永久磁铁构成。三、新能源汽车常用电机类型1、直流电机10新能源汽车常用电机类型图4-2-5直流电机的工作原理新能源汽车常用电机类型 11新能源汽车常用电机类型电机工作原理以作用力施加在磁场内的载流导体上为 基础，导体上的作用力取决于：导体内的电流强度；磁场强度；导体有效长度（线圈圈数）。为了提高作用力的影响，使用带有铁芯的线圈代替载流导体。在图4-2-6中仅显示了一个线圈，以便于更好的进行描述。新能源汽车常用电机类型电机工作原理以作用力施加在磁场内的载流12新能源汽车常用电机类型图4-2-6载流导体的旋转新能源汽车常用电机类型图4-2-6 载流导体的旋转13新能源汽车常用电机类型在线圈上施加电压时，线圈内流动的电流产生一个磁场（线圈磁场）。永久磁铁两极间的磁场和线圈磁场形成一个总磁场。根据线圈内的电流方向产生一个左旋或右旋力矩。线圈继续转动，直至线圈磁场方向与永久磁体两极间磁场方向相同。随后线圈停留在所谓的磁极磁场中性区域内。为了能够继续转动，必须改变线圈内的电流方向。在此通过与线圈起始端和线圈末端连接的电流换向器（集电环）实现电流方向的切换。每旋转 180 集电环切换电流方向一次，从而实现连续转动。新能源汽车常用电机类型在线圈上施加电压时，线圈内流动的电流产14新能源汽车常用电机类型2、交流电机（1）单相交流电机在交流电机上，来自定子线圈的交流电流的极性将自动使转子磁场的极性倒转，如图4-2-7所示。图4-2-8交流电机1-转子；2-定子；3-定子线圈；4-连接新能源汽车常用电机类型2、交流电机图4-2-8 交流电机15新能源汽车常用电机类型因为省去了换向器和对定子线圈的电流供给，所以省去了直流电机上需要的滑环或碳刷。如果转子刚刚开始旋转，则转速取决于交流电（交流电的电压水平决定了可产生的最大功率）的频率。起动电机需要初始脉冲（“起动脉冲”），以便启动顺时针或逆时针旋转。（2）电容式交流电动机要允许交流电机自动起动，必须产生可使转子持续旋转的旋转场。在简单的交流电机上，通 常可在由电容器产生的辅助相期间实现这一点，如图4-2-8所示。使用230V主电源的所有电气设 备中几乎都采用了“电容式电动机”。此类电机设汁简单，但不适合需要高功率级别的应用。新能源汽车常用电机类型因为省去了换向器和对定子线圈的电流供给16新能源汽车常用电机类型图4-2-8电容式交流电动机新能源汽车常用电机类型图4-2-8 电容式交流电动机17新能源汽车常用电机类型(3)三相交流电机三相交流电机可以作为电机或发电机使用。作为电机使用时可以通过三相交流电流产生旋 转电磁场。作为发电机使用时，则可以产生三相交流电流。为了能够产生旋转磁场，需要三个针对其中心轴旋转120的线圈。通常这三个线圈被安装 在三相交流电机的定子上。通过这三个线圈提供相位差为120的交流电压，如图4-2-9所示。线圈以星形电路或三角形电路连接。可通过定子结构来区分同步和异步电机。图4-2-9三个交流电压的曲线1-定子；2-绕组U；3-绕组V；4-绕组W；5-三相电流的相位新能源汽车常用电机类型(3)三相交流电机图4-2-9三个交18新能源汽车常用电机类型3.同步电机同步电机的转子中的磁场由永磁体（较小的机器）或电磁体（较大的机器）产生，如图 4-2-10所示。在第二种情况下，需要滑动触点，然而，只有相对小的电流流过该滑动触点。与 直流电机相比，同步电机不需要换向器。图4-2-14同步电机的结构1-绕组U；2-绕组V；3-绕组W；4-轴；5-带有旋转磁场绕组的定子；6-带有永久磁铁的转子；7-永久磁铁新能源汽车常用电机类型3.同步电机图4-2-14 同步电机的19新能源汽车常用电机类型同步电机在电动汽车中已广泛使用。因为借助永久磁铁转子不必使用其它外部能量就可以产生磁场。因此这种电机具有非常高的功率密度和效率（90%）。永磁同步电机的其它优点包括：惯量较小；维修费用低廉；转速不受负荷影响。同步电机的缺点是：磁铁材料的采购成本较高；调节成本较高；无法自动运行。新能源汽车常用电机类型同步电机在电动汽车中已广泛使用。因为借20新能源汽车常用电机类型4、异步电机三相电流异步电机可以作为电机或发电机使用。异步电机的特点是不为转子直接提供电流。而是通过与定子旋转磁场的磁场感应产生转子磁场。因为转子使用了定子旋转磁场产生的感应电流，所以通常异步电机也被称为感应式电机，如图4-2-11所示。图4-2-11异步电机的结构1-风扇；2-轴承；3-壳体；4-转子；5-定子；6-定子线圈；7-轴新能源汽车常用电机类型4、异步电机图4-2-11异步电机的结21新能源汽车常用电机类型定子旋转磁场转速和转子转速之间的差被称为异步转速。异步转速的大小取决于负荷。定 子旋转磁场和转子以不同的转速旋转，也就是说没有同步转动，因此这种电机被称为异步电机。异步电机与直流电机相比其优点是结构简单且坚固耐用，这里的主要优点是不再需要集电环和 电刷。由于结构简单，因此价格便宜且所需维护较少。异步电机通常被作为电动机使用。从电气角度来看，异步电机就像一个变压器。定子绕组为初级，短路的导体棒为次级。自调节电流取决于转速。怠速运行时异步电机的替代电路图主要由 Rs 和 Xs 构成，因此电机接收的几乎都是无功功率。只要转子没有转动，变压器的次级侧始终处于短路状态。因此需要提供一个较高的电流和一个较强的磁场。在该起动范围内电机的效率较差并且会产生很高的温度。只要电枢开始转动且已适应周围的旋转磁场，那么电流就会变小且效率也会得到提高。通过供电电子装置和可以提高或降低频率的变频器实现异步电机的转速控制新能源汽车常用电机类型定子旋转磁场转速和转子转速之间的差被称22新能源汽车常用电机类型异步电机的优点：使用寿命较长 因为可以简便的安装和拆除电刷，所以维护费用较低 制造成本相对较低 可以自动运行 短时间内可以承受较强的过载 设计坚固异步电机的缺点：与永磁同步电机相比，在高扭矩利用率方面的效率较低 未使用带有起动控制的变频器时起动扭矩较小。新能源汽车常用电机类型异步电机的优点：23四、电动机的技术指标电动机的额定指标是指根据国家标准及电动机的设计、试验数据而确定的额定运行数据，是电动机运行的基本依据。电动机的额定指标主要包括以下各项。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)。（1）满载当电动机在额定运行情况下输出额定功率时，称为满载运行，这时电动机的运行性能、经济性及可靠性等均处于优良状态。（2）过载输出功率超过额定功率时称为过载运行，这时电动机的负载电流大于额定电流，将会引起电动机过热，从而减少电动机使用寿命，严重时甚至烧毁电动机。四、电动机的技术指标电动机的额定指标是指根据国家标准及电动机24电动机的技术指标（3）轻载电动机的输出功率小于额定功率时称为轻载运行，轻载时电动机的效率和功率因数等运行性能均较差，因此应尽量避免电动机轻载运行。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)。电动机的技术指标（3）轻载25五、电动汽车对电动机的要求电动汽车在行驶过程中，经常频繁地起动/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高求；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、带负载起动性能好、过载能力强、加速性能能好，使用寿命长的特点。（3）电动机应在整个运行范围内，具有很离的效率，以提高一次充电的续驶里程。五、电动汽车对电动机的要求电动汽车在行驶过程中，经常频繁地起26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的能量利用率。（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、质量轻，一般为工业用电动机的1/3-1/2。（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，从而能够降低电动汽车的整体价格，提高性价比。（9）运行时噪声低，减少污染。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27