1、第3章 電動汽車用電動機 (一)3.1 概述3.2 直流電動機3.3 無刷直流電動機 3.1 概述 它是將電能轉變為機械能的一種機器。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。電動機的運用和控制非常方便，能滿足各種運轉要求；電動機的任務效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環境，噪聲也較小。 由于它的一系列優點，所以在工農業消費、交通運輸、國防、商業及家用電器、醫療電器設備等各方面廣泛運用。 1電動機的分類1按電動機任務電源分類直流電動機和交流電動機直流電動機又分為繞組勵磁式直流電動機和永磁式直流電動機交流電動機分為單相電動機和三相電動機。 1電動機的分類2按構造及任務原理分類直流電動機、異

2、步電動機和同步電動機直流電動機又分為無刷直流電動機和有刷直流電動機；異步電動機分為感應電動機和交流換向器電動機；同步電動機分為永磁同步電動機、磁阻同步電動機和磁滯同步電動機 1電動機的分類3按用途分類電動機按用途可分為驅動用電動機和控制用電動機。4按轉子的構造分類籠電動機按轉子的構造可分為籠型感應電動機和繞線轉子感應電動機。5按運轉速度分類電動機按運轉速度可分為高速電動機、低速電動機、恒速電動機、調速電動機。2. 電動機的額定目的電動機的額定目的主要包括：1額定功率額定功率是指額定運轉情況下軸端輸出的機械功率W或kW。2額定電壓額定電壓指外加于線端的電源線電壓V。2.電動機的額定目的3額定電流

3、額定電流是指電動機額定運轉額定電壓、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轉情況下電樞或定子側的頻率Hz。2.電動機的額定目的5額定轉速額定轉速是指電動機額定運轉額定電壓、額定頻率、額定輸出功率的情況下，電動機轉子的轉速r/min。2.電動機的額定目的當電動機在額定運轉情況下輸出額定功率時，稱為滿載運轉，這時電動機的運轉性能、經濟性及可靠性等均處于優良形狀。輸出功率超越額定功率時稱為過載運轉，這時電動機的負載電流大于額定電流，將會引起電動機過熱，從而減少了電動機運用壽命，嚴重時甚至燒毀電動機。2.電動機的額定目的電動機的輸出功率小于額定功率時稱為輕載

4、運轉，輕載時電動機的效率和功率因數等運轉性能均較差，因此電動機應盡量防止輕載運轉。3.電動汽車對電動機的要求 1在恒轉矩區，要求低速運轉時具有大轉矩，以滿足電動汽車起動和爬坡的要求；在恒功率區，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可以高速行駛的要求；。2電動機應具有瞬時功率大、帶負載啟動性能好、過載才干強，加速性能好，運用壽命長的特點；3.電動汽車對電動機的要求3電動機應在整個運轉范圍內，具有很高的效率，以提高一次充電的續駛里程； 4電動機應可以在汽車減速時實現再生制動，將能量回收并反響給蓄電池，使得電動汽車具有最正確能量的利用率；5電動機應可靠性好，可以在較惡劣的環境下長期任

5、務；3.電動汽車對電動機的要求6電動機應體積小，分量輕，普通為工業用電動機的1/21/3；7電動機的構造要簡單鞏固，適宜批量消費，便于運用和維護；8價錢廉價，從而可以減少整體電動汽車的價錢，提高性價比；9運轉時噪聲低，減少污染。3.2 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。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銜接關系，而由其它直流電源對勵磁繞組供電。他勵直流電動機在運轉過程中勵磁磁場

6、穩定而且容易控制，容易實現電動汽車的再生制動要求。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根本一樣。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，使得經過它的勵磁電流較小。1.直流電動機的分類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動有顯著的變化。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。1.直流電

7、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。假設串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向一樣稱為積復勵。假設兩個磁通勢方向相反，那么稱為差復勵。復勵直流電動機的永磁勵磁部分采用高磁性資料釹鐵硼，運轉效率高。各種鼓勵方式直流電動機的電路圖1.直流電動機的分類電動汽車所運用的直流電動機主要是他勵直流電動機、串勵直流電動機、復勵直流電動機三種類型。小功率100W10kW電動機采用的是小型高效的永磁直流電動機，可以運用在小型、低速的搬運設備上。 中等功率10100kW的電動機采用他勵、復勵或串勵式直流電動機，可以用于構造簡單、轉矩要

8、求較大的電動貨車上。大功率100kW直流電動機采用串勵式，可用在要求低速、高轉矩的公用電動車上。2.直流電動機的構造與特點 1 直流電動機的構造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。1定子部分 主磁極 機座 換向極 電刷安裝2轉子部分 電樞鐵心 電樞繞組 換向器 直流電動機的構造直流電動機的構造2.直流電動機的構造與特點2直流電動機的特點調速性能好：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；起動力矩大：可以均勻而經濟地實現轉速調理，因此，凡是在重負載下起動或要求均勻調理轉速的機械，例如大型可逆軋鋼機、卷揚機、電力機車、電車等，都可用直

9、流電動機拖動控制比較簡單：普通用斬波器控制，它具有高效率、控制靈敏、分量輕、體積小、呼應快等優點；2.直流電動機的構造與特點由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必需進展定期維護或改換。電動汽車公用的直流電動機和其它通用的電動機相比，應在耐高溫性、抗振動性、低損耗性、抗負載動搖性以及小型輕量化、免維護性等方面給予特殊思索。 除此之外，電動汽車用直流電動機大多在較低的電壓下驅動，同時是大電流電路，因此需求留意銜接接線的接觸電阻。3.直流電動機的任務原理4 .直流電動機的根本方程 (1)電樞繞組的感應電動勢 直流電動機電樞繞組的感應電動勢是指從一對正負電刷引出的電動勢，也稱電樞電動勢，可表示為 為

10、每極磁通量； 為電動勢常數，與電動機構造有關。4 .直流電動機的根本方程(2)直流電動機的電磁轉矩直流電動機的電磁轉矩是指電樞上一切載流導體在磁場中受力所構成的轉矩的總和。可表示為 式中， 為電磁轉矩； 為轉矩常數，與電動機構造有關。4 .直流電動機的根本方程(3)電壓方程式由他勵直流電動機的等效電路，得電樞回路的電壓方程為 其中 為互感 勵磁回路的電壓方程為4 .直流電動機的根本方程有以下結果：1對于永磁直流電動機， 2對于并勵直流電動機， 3對于串勵直流電動機， 4對于復勵直流電動機，其特性介于串勵和并 勵之間。4 .直流電動機的根本方程4轉矩方程式 電動機空載時，軸上輸出轉矩 ，那么有

11、。 當負載轉矩為 ，軸上輸出有 ，電動機勻速穩定運轉時有 式中， 為空載轉矩，它是由電動機的機械摩擦和鐵耗引起的轉矩； 為電磁轉矩，為拖動性質轉矩； 為總的制動轉矩，方向與相反。 電磁轉矩公式： 各種直流電動機的速度轉矩特性 各種直流電動機的速度轉矩特性 直流電動機的轉速轉矩、電壓特性曲線5功率方程式他勵直流電動機輸入功率為 式中， 為輸入功率； 為電磁功率； 為電樞回路上的銅耗。5. 直流電動機的運轉特性 直流電動機的任務特性是指電動機的轉速特性、轉矩特性和效率特性。直流電動機的機械特性是指在電源電壓恒定、勵磁調理電阻和電樞回路電阻不變的情況下，其轉速與電磁轉矩之間的關系，又稱為轉矩轉速特性

12、。5. 直流電動機的運轉特性 (1)并勵他勵直流電動機的運轉特性轉速特性并勵他勵直流電動機的轉速特性為式中， 為電動機的理想空載轉速； 為轉速調整率，由電樞電阻壓降引起，普通為38%。5. 直流電動機的運轉特性效率特性 轉矩特性電動機的轉矩特性可表示為 aTeICTF= 5. 直流電動機的運轉特性直流電動機的效率具有普遍意義。電動機的額定效率是指電動機額定運轉時的效率。普通直流電動機的效率為75%85%。并勵直流電動機的任務特性如以下圖所示。 并勵直流電動機的任務特性5. 直流電動機的運轉特性機械特性 并勵他勵直流電動機的機械特性可表示為 式中， 為電樞回路外的串聯電阻。由上式可以得到并勵他勵

13、直流電動機的機械特性曲線，即改動電樞電壓、改動勵磁電流、改動電樞回路電阻時的機械特性曲線。5. 直流電動機的運轉特性 改動電樞電壓時的機械特性逐漸減小電源電壓時，理想空載轉速逐漸下降，但從空載到滿載轉速變化很小，這種特性稱為硬機械特性。5. 直流電動機的運轉特性改動勵磁電流時的機械特性逐漸減小勵磁電流時，理想空載轉速逐漸上升，曲線斜率逐漸增大，使特性變軟，電動機運轉的穩定性變差。過分“弱磁時，使電動機轉速過高，甚至引起“飛車。5. 直流電動機的運轉特性改動電樞回路電阻時的機械特性當電樞回路電阻從零逐漸開場增大時，機械特性曲線的斜率逐漸增大，使特性逐漸變軟，但電動機的理想空載轉速不變。5. 直流

14、電動機的運轉特性2串勵直流電動機的運轉特性 串勵直流電動機的特點是負載電流、電樞電流和勵磁電流是一個電流，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，同時對電動機轉速產生較大影響。轉速特性 串勵直流電動機的轉速特性可表示為5. 直流電動機的運轉特性轉矩特性 串勵直流電動機的轉矩特性可表示為串勵直流電動機的任務特性曲線如以下圖所示。從轉矩特性可以看出，當負載添加時，串勵直流電動機的轉矩快速添加，但與此同時轉速也快速下降，因此根本堅持了功率恒定。串勵直流電動機的任務特性曲線5. 直流電動機的運轉特性機械特性 串勵直流電動機的機械特性可表示為由于串勵電動機的負載電流、電樞電流和勵磁電流相等，所以調理電源電壓或

15、電樞回路電阻的同時，勵磁電流也隨之變化。可以看出，轉速隨轉矩的添加迅速下降，這種特性稱為軟機械特性。改動電樞回路電阻時的機械特性改動電樞電壓時的機械特性5. 直流電動機的運轉特性 3復勵直流電動機的運轉特性復勵電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，因此其特性介于并勵電動機和串勵電動機之間。當復勵電動機以并勵為主時，其特性接近于并勵電動機；當復勵電動機以串勵為主時，其特性接近于串勵電動機。 6.直流電動機的控制1直流電動機的轉速控制方法電樞調壓控制 電樞調壓控制是指經過改動電樞的端電壓來控制電動機的轉速。他勵電動機改動電樞端電壓時的轉速控制特性如以下圖所示。 改動電樞端電壓時的轉速控制特性6.直流電

16、動機的控制電樞調壓控制只適宜電動機基速以下的轉速控制，它可堅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如今廣大范圍內的延續平滑的速度控制，調速比普通可達1:10，假設與磁場控制配合運用，調速比可達1:30。如今大、中容量的可控直流電源廣泛采用晶閘管可控整流電源，小容量那么采用電力晶體管的PWM控制電源，電動汽車用的直流電動機常用斬波控制器作為電樞調壓控制電源。6.直流電動機的控制磁場控制 磁場控制是指經過調理直流電動機的勵磁電流改動每極磁通量，從而調理電動機的轉速。他勵電動機帶恒轉矩負載時磁場控制的轉速控制特性如以下圖。 磁

17、場控制只適宜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，普通不超越1:3，而且呼應速度較慢。 磁場控制時的轉速控制特性6.直流電動機的控制電樞回路串電阻控制 電樞回路串電阻控制是指當電動機的勵磁電流不變時，經過改動電樞回路電阻來調理電動機的轉速。 這種控制方法的機械特性較軟，而且電動機運轉不穩定，普通很少運用。對于小型串勵電動機，常采用電樞回路串電阻控制方式。 電樞回路串電阻時的轉速控制特性 6.直流電動機的控制2電動汽車用直流電動機控制器功能 直流電動機的控制方法和功能因運用條件不同而不同。下面以電動叉車為例，引見直流電動機控制器的功能。 電動叉

18、車普通采用串勵直流電動機，它的控制器所具有的功能可以分為非缺點性處置功能和缺點性處置功能。6.直流電動機的控制1正常前進 2正常后退3快速起動4斜坡起動5無級變速6速度方式選擇 7反向制動功能 6.直流電動機的控制8空檔制動功能9緊急反向及其連線檢測10加速器類型選擇11過電壓和欠電壓維護12溫度維護13接觸器檢測 6.直流電動機的控制14高踏板缺點檢測15靜態斷開缺點檢測16 MOSFET驅動電路缺點17MOSFET晶體管缺點檢測 18通用型手持編程器3.3 無刷直流電動機 無刷直流電動機是用電子換向安裝替代了有刷直流電動機的機械換向安裝，保管了有刷直流電動機寬闊而平滑的優良調速性能，抑制了

19、有刷直流電動機機械換向帶來的一系列的缺陷。1 .無刷直流電動機的分類 無刷直流電動機按照任務特性，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。(1)具有直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。1 .無刷直流電動機的分類(2)具有交流電動機特性的無刷直流電動機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，但經過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅動普通的同步電動機。因此，它們具有同步

20、電動機的各種運轉特性。2 .無刷直流電動機構造與特點 1無刷直流電動機的構造 (1)電動機本體 (2)電子換相器 (3)位置傳感器2 .無刷直流電動機構造與特點2無刷直流電動機的特點優點：1外特性好；2可以在低、中、高寬速度范圍內運轉；3效率高；4過載才干強；2 .無刷直流電動機構造與特點5再生制動效果好；6體積小、分量輕、比功率大；7無機械換向器，全封鎖式構造，可靠性高；8控制系統比異步電動機簡單。 缺陷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。3. 無刷直流電動機的任務原理 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

21、在定子上產生騰躍式的旋轉磁場，拖動電動機轉子旋轉。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，以不斷的改動電樞繞組的通電形狀，使得在某一磁極下導體中的電流方向堅持不變，這樣電動機就旋轉起來了。無刷直流電動機的任務原理圖4. 無刷直流電動機的數學模型1相關物理量1電樞繞組感應電動勢式中 ， 為氣隙磁感應強度； 為導體有效長度； 為導體相對于磁場的線速度。導體相對于磁場的線速度為 式中， 為電動機轉速； 為電樞內徑； 為極距； 為極對數。 4. 無刷直流電動機的數學模型設電樞繞組每相串連匝數為 ，那么每相繞組的感應電動勢為方波氣隙磁感應強度對應的每極磁通為式中， 為計算極弧系數。 那么

22、有每相繞組感應電動勢為4. 無刷直流電動機的數學模型電樞感應電動勢為 式中， 為電動勢常數。4. 無刷直流電動機的數學模型2.電樞電流 在每個導通時間內，電壓平衡方程式為式中， 為電源電壓； 為開關管飽和壓降； 為每相繞組電流； 為每相繞組電阻。電樞電流為4. 無刷直流電動機的數學模型 3電磁轉矩由兩相繞組的合成磁場與轉子永磁場相互作用而產生，那么 式中， 為電動機的角速度。 電磁轉矩為 式中， 為轉矩常數。4. 無刷直流電動機的數學模型4轉速電動機轉速為由于無刷直流電動機的氣隙磁場、反電動勢以及電流是非正弦的，因此采用直交軸坐標變換已不是有效的方法。4. 無刷直流電動機的數學模型假設電動機定

23、子繞組為三項Y型接法，三相繞組完全對稱；轉子磁鋼的磁性能一致；三相反電動勢波形完全一致；三相定子繞組的電阻、電感一樣，且不受電流變化的影響；磁路不飽和，不計渦流損耗和磁滯損耗，不計定子斜槽的影響，不計電樞反響。4. 無刷直流電動機的數學模型無刷直流電動機的等效電路如圖4. 無刷直流電動機的數學模型2電壓方程三相繞組的電壓平衡方程式為 式中 ， ， 為定子相繞組電壓； ， ， 定子相繞組相電流； ， ， 為定子相繞組電動勢；為每相繞組的電阻； 為每相繞組的自感； 為每兩相繞組間的互感； 為微分算子 。4. 無刷直流電動機的數學模型由于轉子磁阻不隨轉子位置變化而變化，因此定子繞組的自感和互感為常數

24、。當三相繞組為Y銜接，且沒有中線，那么有并且由此得到電壓方程為4. 無刷直流電動機的數學模型3電磁轉矩方程無刷直流電動機的電磁轉矩方程與普通直流電動機類似，其電磁轉矩大小與磁通和電流幅值成正比，即4. 無刷直流電動機的數學模型為產生恒定的電磁轉矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，任何時辰定子繞組只需兩相導通，且每一相電流和反電動勢數值完全相等方向完全相反，那么電磁功率為式中， 為定子繞組各相電動勢的幅值； 為定子繞組各相電流的幅值。 4. 無刷直流電動機的數學模型電磁轉矩又可寫成無刷直流電動機通電期間，帶電導體處于一樣的磁感應強度下，電樞每相繞組的感應電動勢為式中， 為電樞繞組每相串聯導

25、體數； 為電動勢系數。 4. 無刷直流電動機的數學模型 因此，電磁轉矩可表示為式中， 為轉矩系數。 4. 無刷直流電動機的數學模型4運動方程在忽略轉動時的粘滯系數的情況下，無刷直流電動機的運動方程可寫為式中， 為發動機的額定轉矩； 為負載轉矩； 為電動機軸上轉動慣量的總和。4. 無刷直流電動機的數學模型5機械特性無刷直流電動機的機械特性為無刷直流電動機與有刷直流電動機的機械特性類似，經過調理電樞電流可以到達轉矩控制，同時經過調理電源電壓可以實現無刷直流電動機的調速控制。5.無刷直流電動機的控制1無刷直流電動機的控制方法1有位置傳感器控制 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

26、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置信息。5.無刷直流電動機的控制2無位置傳感器控制 無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，運用場所廣，相對于有位置傳感器方法有較大的優勢，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討的熱點。 5.無刷直流電動機的控制2無刷直流電動機的控制技術隨著電動機及驅動系統的開展，控制系統趨于智能化和數字化，使得許多較復雜的控制技術得以實現。目前，運用到無刷直流電動機控制系統的控制技術主要有PID控制、模糊控制和神經網絡控制等。5.無刷直流電動機的控制 1PID控制技術在古典控制實際中，運用最勝利的是PID控制。它是一種在工業消費中廣泛運用的常規控制算法，屬于線性控制。這種控制方式的最大優點是構造簡單，運用方便。傳統的無刷直流電動機調速通常采用PID控制，它算法簡單，參數調整方便具有較好的控制精度。5.無刷直流電動機的控制 2模糊控制技術所謂模糊控制，是指在控制方法上運用模糊集實際、模糊言語變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思想方法，用計算機實現與操作者一樣的控制。模糊控制技術運用于無刷直流電動機的調速系統，可以抑制PID控制器在任務環境不穩定，負載或參數變化時，控制效果不佳的問題