電動車電機技術詳解課件

電動車電機技術詳解2011-11-2821、直流電機系統2、異步電機系統3、電系統應用趨勢目錄31.1、直流電機工作原理原理圖(物理模型圖)

磁極對N、S不動,線圈（繞組）abcd旋轉,換向片1、2旋轉,電刷及出線A、B不動1、直流電機系統1.2、直流發(fā)電機原理（機械能--->直流電能）原動機拖動電樞以轉速n(r/min)旋轉；電機內部有磁場存在；或定子（不動部件）上的勵磁繞組通過直流電流(稱為勵磁電流If)時產生恒定磁場（勵磁磁場，主磁場）電樞線圈的導體中將產生感應電勢

e=Blv，但導體電勢為交流電，而經過換向器與電刷的作用可以引出直流電勢EAB，以便輸出直流電能。為了得到穩(wěn)定的直流電勢，直流電機的電樞圓周上一般有多個線圈分布在不同的位置，并通過多個換向片聯接成電樞繞組。動畫51.3、直流電機的勵磁方式定義

直流電機勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯接。分類

除了永磁直流電機外，直流電機的勵磁方式有他勵式和自勵（串勵、并勵和復勵）式。

1、直流電機系統61.4、直流電機的電勢平衡方程式直流電機的電路包括電樞支路和勵磁支路。在分析直流電機時，最好先根據勵磁方式畫出電機的電路連線。發(fā)電機按照發(fā)電機慣例標注電勢，電流和電壓。電動機則按照電動機慣例標注。1）直流發(fā)電機的電勢平衡方程以他勵發(fā)電機為例。注意圖中電樞和勵磁的圖符。作為發(fā)電機運行時，電勢Ea和電樞電流Ia同方向。除了電阻壓降IaRa外，還要考慮電刷壓降△Us

電勢平衡方程為Ea=U+IaRa+2△Us如有串勵繞組，則Ra中應為串勵、補償和換向極繞組電阻。2）直流電動機的電勢平衡方程以并勵電動機為例。電樞接通直流電源。流的轉子導體在磁場中受力產生轉矩子一旦旋轉，就有電勢產生。勢與電流方向相反。故電動機的感應電勢又叫反電勢。U=Ea+IaRa+2△Us1、直流電機系統7

1.5、電磁轉矩

(Magnetic-electricTorque)在直流電機中，當電樞繞組通過電流時，與氣隙磁場作用會產生電磁轉矩T。在電動機中，電磁轉矩屬于拖動轉矩；而在發(fā)電機中則為阻力轉矩T=Ct*Φ*IaCT為轉矩常數，由電機結構決定?？梢婋姶呸D矩正比于每極磁通量和電樞電流。這一電磁轉矩公式把機械量T，磁場量Φ和電量Ia聯系起來了。

穩(wěn)態(tài)時的轉矩平衡對發(fā)電機來說，轉軸上輸入的是機械轉矩T1。T1克服各種阻力轉矩（如摩擦，鐵耗，風阻等）T0后與負載后電樞電流Ia產生的電磁轉矩T相平衡:

T1=T+T0

對于電動機來說，從電樞端輸入電流并產生電磁轉矩T,T克服各種阻力轉矩T0后與機械負載轉矩T2相平衡:

T=T0+T21、直流電機系統9b、他勵電動機降壓啟動對于他勵直流電動機，可以采用專門設備降低電樞回路的電壓以減小啟動電流。串勵與復勵電動機啟動方法基本上與并勵電動機相同，即采用電樞回路串電阻的方法減小啟動電流。串勵電動機絕對不允許空載啟動。串電阻啟動設備簡單，投資小，但啟動電阻上要消耗能量；電樞降壓啟動設備投資較大，但啟動過程節(jié)能。1、直流電機系統101.7、他勵直流電動機機械特性

機械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN時，改變負載的過程中，轉速n隨電磁轉矩T變化的函數關系機械特性方程式n=f(T)用電樞回路總電阻考慮電刷接觸壓降。n=[U-(Ra+Rp)Ia]/(CeΦ)

Ia=T/(CTΦ)

n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T=n0L-kT其中，n0=U/(CeΦ)為理想空載轉速，而k=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)為機械特性的斜率。固有機械特性

n=f(T)改變三個量U、Φ、Rp

中任意一個，可以改變機械特性曲線形狀。U=UN,Φ=ΦN,Rp=0時的機械特性稱為固有機械特性。其方程為n=U/(CeΦN)-RaT/(CeCTΦN2)由于Ra很小，轉矩T增大時，n下降很小，他勵電動機的固有機械特性是一條比較平的下降曲線。（即屬硬特性）1、直流電機系統11人為（人工）機械特性n=f(T)改變三個量U、Φ、Rp之一而其他量不變時可以得到人為機械特性。電樞回路串電阻時的人為機械特性，n=U/(CeΦN)-（Ra+Rp)T/(CeCTΦN2)

對應于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲線改變電樞電壓的人為機械特性,n=U/(CeΦN)-RaT/(CeCTΦN2)

斜率不變，理想空載轉速n0l不同的一簇平行線。(U<UN)減少電動機氣隙磁通的人為機械特性n=U/(CeΦ)-RaT/(CeCTΦ2)Φ減少時，n0L和k同時增大。1、直流電機系統131.9、改變電動機轉向的方法要改變電動機轉向，就必須改變電磁轉矩的方向。

T=CTΦIa根據電動機的工作原理，單獨改變磁通方向（即通過改變勵磁繞組連接）或者單獨改變電樞電流的方向，均可以改變電磁轉矩的方向。故改變轉向的方法：(1)對于并勵電動機，單獨將勵磁繞組引出端對調。(2)單獨將電樞繞組引出端對調。對于復勵電動機，應將電樞引出端對調或者同時將并勵繞組和串勵繞組引出段分別對調（維持加復勵狀態(tài)）。1.10、直流電動機的制動實現制動有兩種方法，機械制動和電磁制動。

電磁制動是使電機在制動時使電機產生與其旋轉方向相反的電磁轉矩,其特點是制動轉矩大,操作控制方便。直流電動機的電磁制動類型有能耗制動、反接制動和回饋制動。1、直流電機系統141.10、反接制動

(1)電壓反接制動他勵電動機拖動反抗性恒轉矩負載運行。通過反接閘刀把電源突然反接，同時在電樞支路串入限流電阻R。n=-UN/(CeΦN

）（Ra+R)T/(CeCTΦN2)如圖所示，工作點A→B→C,在C點時，n=0。這時應將電源切掉。在B→C的過程中轉速為正，電磁轉矩為負，起制動作用。如果在C點時，電動機的轉矩大于負載轉矩(絕對值)而沒有切除電源，則電動機在電磁轉矩作用下將反向起動，作為反轉的電動機運行。如圖中的D點。對于頻繁正反轉的電力拖動系統，常采用這種先反接制動停車，再反向起動的運行方式，達到迅速制動并反轉的目的。對于要求準確停車的系統，采用能耗制動較為方便。(2)電勢反接制動（倒拉反轉運行）他勵電動機拖動位能性恒轉矩負載運行。電樞支路突然傳入較大的電阻，則工作點A→B→C→D，D點位于第iv象限，轉速為負，電磁轉矩為正，屬于制動運行。在C點后，負載轉矩大于電磁轉矩，轉速反向，感應電勢也反向，所以稱為電勢反接制動。這種運行方式通常用在起重設備低速下放物體的場合。電動機的電磁轉矩起制動作用，限制了重物的下放速度。1、直流電機系統151.11、回饋制動(1)正向回饋制動他勵直流電動機通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點經過第II象限，如圖中的BC段，轉速為正而電磁轉矩為負，電動機運行于制動狀態(tài)。在這一過程中，由于電源電壓下降，使得Ea>U,電流方向改變，電能從電動機回饋到電源。在電力機車下坡時，由于重力作用使得電動機轉速高于原來的空載轉速，Ea增大，超過U以后，電流也會反向，進入正向回饋制動狀態(tài)。(2)反向回饋制動他勵電動機拖動勢能性恒轉矩負載運行。反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點將會穩(wěn)定在第iv象限。在D點，電動機的轉速高于理想空載轉速，Ea>U，電流流向電源，屬于反向回饋制動。反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機轉速。1、直流電機系統172.2、

三相基波合成磁勢——旋轉磁勢

一.圖解法證明1.三相對稱電流通入三相對稱繞組

三相對稱電流:Iam

=

Ibm=

Icm=

Im,Ia、Ib、Ic在時間上依差120o

三相對稱繞組:匝數、繞型、線徑三相均相等；三相在空間上依差120o電角度2.圖中繞組首末端、電流正負的表示繞組的的首、末端：ABC、XYZ電流的正、負：

頭出尾進、尾出頭進3.分析各瞬間磁場分布的情況

1.三相對稱電流通入三相對稱繞組時，在電機內部可自動產生一個圓形旋轉磁勢

用動畫演示（動畫）關于圓形——橢圓形——脈振磁勢的說明2.旋轉磁勢的轉向永遠是由帶有超前電流的相轉向帶有滯后電流的相。改變旋轉磁場轉向的方法：調換接在電源上的任意兩根線（即改變相序）即可。

3.旋轉磁勢的幅值為:

F1=(m/2)Fp1

=(m/2)0.9(I1N1/p)Kw1,本例子中：m=3（相）

4.旋轉磁勢的轉速（即同步轉速）為:

n1=60f/p

5.當某相電流達到最大值時，旋轉磁勢的幅值位置恰好轉到該相繞組的軸線上。2、異步電機系統182.3、轉差、轉差率切割磁力線是產生轉子感生電流和電磁轉矩的必要條件。

轉子必須與旋轉磁場保持一定的速度差，才可能切割磁力線。

旋轉磁場的轉速n1為同步轉速；轉子的實際轉速n簡稱轉子轉速。兩者在電機運行時有差別，即

轉差Δn=n1-n

轉差率:s=(n1-n)/n1

注:

s是異步電機的一個基本變量，在分析異步電動機運行時有著重要的地位。

啟動瞬間即堵轉時：n=0,s=1

理想空載時：n=n1,s=0

電動機運行時,s在0~1之間。

轉差率一般很?。?/p>

sN=0.015~0.06

制動運行時，電磁轉矩方向與轉速方向相反，即n1與n反向，s>1

發(fā)電機運行時，n高于同步轉速n1,s<0.

根據轉差率可以區(qū)分異步電機的屬何種運行狀態(tài)：2、異步電機系統192.4、電勢平衡方程式1.定子繞組電勢平衡方程式

定子繞組接到交流電源上，與電源電壓相平衡的電勢（壓降）包括：

主電勢（感應電勢）：

定子繞組通入三相對稱交流電流時，將會產生旋轉的主磁通，同時被定子繞組和轉子繞組切割，并在其中產生感應電勢。有效值為：

E1=4.44f1N1Φ1kw1

漏磁電勢（漏抗壓降）

定子漏磁通：僅與定子繞組相匝鏈。

漏抗壓降：E1σ=-jI1X1σ

電阻壓降：R1I1

定子邊方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1σ)

=-E1+I1Z1

2.轉子繞組的電勢及電流

轉子繞組的感應電勢

轉子繞組切割主磁通的轉速

主磁通以同步速度n1旋轉

轉子以轉速n旋轉

轉子繞組導體切割主磁通的相對轉速為(n1-n)=sn1

頻率公式：f2=p.sn1/60=f1s(Hz)

結論：由于s很小，轉子感應電勢頻率很低。一般

1-3Hz2、異步電機系統212.6、異步電動機的磁勢平衡1.定子繞組的磁勢

幅值：F1=(m1/2).(0.9*I1N1./p)kw1；轉速：

n1=60f1/p

2.轉子繞組磁勢

有效值：F2=(m2/2).(0.9*I2N2/p)kw2；轉速：轉子電流的頻率f2=sf1

轉子磁勢F2相對于轉子的轉速：n2=60f2/p=60sf1/p=sn1=n1-n

轉子磁勢F2相對于空間的轉速為n2+n=（n1-n）+n=n1

結論：定、轉子磁勢在空間相對靜止，均以同步速n1旋轉。

3.磁勢平衡方程式

激磁電流Im產生激磁磁勢Fm

建立主磁通Φ1所需要的電流為激磁電流Im。激磁磁勢的幅值為：Fm=（m1/2）.(0.9*ImN1/p)kw1

激磁磁勢近似不變

由電勢方程式：U1=-E1+I1(R1+jX1σ)=-E1+I1Z1

電源電壓不變，阻抗壓降很小，電勢近似不變；

由公式：U1=4.44f1N1Φ1kw1，Φ1近似不變；

可見，勵磁磁勢和勵磁電流幾乎不變。

空載運行時，勵磁磁勢全部由定子磁勢F0提供，即：F0=Fm

負載運行時，轉子繞組中有電流I2流過，產生一個同步旋轉磁勢F2，為了保持原Fm不變，定子磁勢F1除了提供激磁磁勢Fm外，還必須抵消轉子磁勢Fm的影響，即：F1=F1F+Fm=(-F2+Fm)

異步電動機的磁勢平衡方程：F1+F2=Fm;

即

(m1/2)(0.9*I1N1/p)kw1+(m2/2)

(0.9*I2N2/p)kw2

=(m1/2)(0.9*ImN1/p)kw1

I1+[(m2N2kw2)/(m1N1kw1)]I2=I1+I2/ki=Im

結論：空載運行時，轉子電流近似為0，定子電流等于勵磁電流；負載時，定子電流隨負載增大而增大。2、異步電機系統222.7、異步電動機的工作特性分析異步電動機的工作特性是指在額定電壓及額定頻率下，電動機的主要物理量轉差率、轉矩、電流、效率、功率因數分別隨輸出功率變化的關系曲線。.轉差率特性s=f(P2)

s=pCu2/PM=(m1R'2I'22)/(Ω1T)

=(m1R'2I'22)/(Ω1CMΦ1I'2cosφ2)

=(m1R'2I'2)/(Ω1CMΦ1cosφ2)隨著負載功率的增加，轉子電流增大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。轉矩特性T2=f(P2)異步電動機的輸出轉矩:T2=P2/Ω轉速的變換范圍很小，從空載到滿載，轉速略有下降。因為

sN=0.015~0.06轉矩曲線為一個微微上翹的曲線。2、異步電機系統23.電流特性I1=f(P2)I1=-I'2+Im

空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大（微微上翹）。.效率特性

η=f(P2)η=P2/(P2+pCu1+pFe+pCu2+pΩ+pΔ)

其中銅耗隨著負載的變化而變化（與負載電流的平方正比）；鐵耗和機械損耗近似不變；效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗時，電機達到最大效率。異步電動機額定效率在（74-94）%之間；最大效率發(fā)生在(0.7-1.0)倍額定效率處。功率因數特性cosφ1=f(P2)空載時，定子電流基本上用來產生主磁通，有功功率很小，功率因數也很低；隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數逐漸升高；在額定功率附近，功率因數達到最大值。如果負載繼續(xù)增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率成正比），從而引起功率因數下降。2、異步電機系統25電機類型特點控制技術發(fā)展趨勢直流有刷電機驅動系統優(yōu)點：結構簡單，成本低，起步加速牽引力大缺點：有機械換向器，最高速受限，需定期維護保養(yǎng)；體積大脈寬調制技術控制系統：較簡單逐步被替代異步電機驅動系統優(yōu)點：結構簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，低轉矩脈動，低噪聲，轉速極限高缺點：低速小負載時效率低；控制系統結構負載，故障率高，成本高控制技術：V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制和直、接轉矩控制(DTC)和無轉速傳感器的控制法有被其它新型無刷永磁牽引電機驅動系統逐步取代的趨勢；美國傾向于采用異步電機驅動系統無刷永磁同步電機驅動系統優(yōu)點：具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調速范圍；缺點：但造價較高，永磁材料會有退磁效應，抗腐蝕性差，磁場不可變低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向、定子磁鏈定向；高速時用弱磁控制得到日本和美國汽車公司親睞已在國內外多種電動車輛中獲得應用，發(fā)展前景十分廣闊開關磁阻電機驅動系統優(yōu)點：高密度、高效率、輕量化、低成本、寬調速缺點：但具有高度的非線性應用較多的是智能控制，如神經網絡,模糊控制,滑?？刂频戎悄芸刂品椒o傳感器的SRD也是未來的發(fā)展趨勢之一；極具潛力，但目前應用還受限制；德國、英國等大力開發(fā)開關磁阻電機3.2電機性能、控制技術和應用趨勢

表各種電機性能、控制技術和應用趨勢3、電機系統應用趨勢263.4電機系統的關鍵技術點

系統部件整車類型電機本體控制器電機系統類型異步電機/永磁電機異步電機/永磁電機技術核心點純電動1、高功率密度2、噪聲低3、高能量密度4、維護性好5、磁路設計6、寬的橫轉矩區(qū)和恒功率區(qū)設計7、耐壓絕緣設計8、溫度場設計大功率設計硬件：1、功率器件驅動保護電路2、功率電路可靠性和電磁兼容性設計3、控制電路板電磁兼容和可靠性設計4、功率電路的熱管理設計軟件：1、熱管理控制技術2、矢量控制算法3、智能化控制算法大功率管理ISG混合動力1、盤式電機制造工藝；2、高溫退磁3、更好的抗震性轉矩控制精度轉矩變化率控制插電式混合動力盤式電機電機控制器普通電機電機及變速機構一體化3、電機系統應用趨勢壓縮機的轉速采用的控制方法：1．當車室溫度高于設定溫度1oC時，為了盡快使溫度達到設定值，壓縮機以最大轉速運行；2．若車室溫度低于設定溫度1oC，壓縮機以最低轉速運行；3．當室溫偏差在-1—1oC之間時，壓縮機的轉速通過模糊控制算法來控制，以每一采樣時刻室溫與設定值的溫差及溫差的變化率為輸入量，通過模糊推理得出壓縮機的轉速值。2023/3/9292023/3/930制冷系統圖：2023/3/931風道系統圖：2023/3/932空調系統圖1空調系統圖22023/3/9332023/3/934壓縮機總成相關標準2023/3/935壓縮機總成基本參數2023/3/936制冷量、功耗測量工況具體參數壓縮機的噪聲要求清潔度壓縮機總成內部外來雜質總量必須小于40mg。含水率壓縮機含水率不得超過1500×10-6高壓泄漏在壓縮機內充入HFC-134a氣體，壓力達到1380kPa后，各處泄漏量不得超過11g/y。耐壓性壓縮機高壓側經8275kPa的壓力試驗后無損壞及泄漏。壓縮機低壓側經5170kPa壓力試驗后無損壞及泄漏。耐振動性壓縮機總成經振動試驗后應符合以下要求壓縮機內部各面不出現裂紋和損壞；螺栓不得有松動和損壞。溫度交變試驗壓縮機經720h溫度交變循環(huán)后，HFC134a泄漏量不得超過11g/年。2023/3/937壓縮機總成技術要求絕緣電阻電動壓縮機總成緣電阻應大于50MΩ。耐電壓電動壓縮機總成施加頻率為50Hz、實際正弦波的1500V電壓，歷時1min，絕緣應無擊穿、閃絡和飛弧。電磁輻射抗擾性電動壓縮機及功率驅動模塊總成在運行中所產生的電磁輻射不得超過GB/T14023-2000中第4章所規(guī)定的輻射干擾允許值。耐久性試驗(包括功率驅動模塊)2023/3/9382023/3/939(*)轉速循環(huán)試驗工況：1)用30s從0r/min升速到2500r/min，2500r/min持續(xù)1min，2)用15s從2500r/min升速到3000r/min，3000r/min持續(xù)1min，3)用15s從3000r/min升速到3500r/min，3500r/min持續(xù)1min，4)用15s從3500r/min升速到4000r/min，4000r/min持續(xù)1min，5)用15s從4000r/min升速到4500r/min，4500r/min持續(xù)1min，6)用15s從4500r/min升速到5000r/min，5000r/min持續(xù)1min，7)用15s從5000r/min升速到5500r/min，5500r/min持續(xù)1min，8)用15s從5500r/min升速到6000r/min，6000r/min