《新能源汽車技術（第2版）》項目3

新能源汽車技術（第2版）陳小兵主編簽到掃碼下載文旌課堂APP掃碼簽到（2022.3.2515:00至2022.3.2515:10）簽到方式教師通過“文旌課堂APP”生成簽到二維碼，并設置簽到時間，學生通過“文旌課堂APP”掃描“簽到二維碼”進行簽到。。項目三驅動電機及控制技術

得益于豐富的稀土資源，我國現(xiàn)已成為驅動電機生產大國，且生產驅動電機的多項技術指標已經達到國際先進水平。目前，我國驅動電機產業(yè)鏈已相當完善，形成了包括驅動電機、電機控制器、減速器、電驅動總成、主要關鍵材料和關鍵器件在內的一套完整的驅動電機產業(yè)鏈，自主生產的電驅動系統(tǒng)占據了絕對的市場份額，僅有少數(shù)純電動汽車采用外資企業(yè)的電驅動系統(tǒng)。項目導讀達成目標技能目標思政目標知識目標（1）掌握直流電機、三相異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機的基本結構。（2）熟悉直流電機、三相異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機的工作原理和特點。（3）熟悉電機控制系統(tǒng)的基本功能和控制策略。

（4）掌握電機控制器的基本結構。（5）了解三合一電驅動系統(tǒng)的特點。（1）能夠識別各類驅動電機的基本結構。（2）能夠分析電機控制系統(tǒng)的功能和控制策略。（1）堅定民族自豪感和文化自信心。（2）強化歷史使命感和社會責任感。（3）養(yǎng)成堅持不懈、刻苦鉆研的工作作風。認識驅動電機3.1動力電池及管理技術項目3任務導入調速范圍、效率、再生制動、可靠性、電磁兼容性、安全性等性能均有特定的要求。驅動電機主要有直流電機、三相異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機等類型。直流電機成本低、易控制、調速性能好，但結構復雜、轉速低、體積大、維護頻繁，目前在純電動汽車中應用較少。三相異步電機結構簡單、堅固耐用、成本低、轉矩脈動低、噪聲低、極限轉速高、運行可靠，但功率密度低、效率低、調速性差，目前在特斯拉ModelS、蔚來ES8等車型中仍有小批量應用。在2020年中國稀土永磁產業(yè)市場應用發(fā)展論壇上，金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司的技術專家、工學博士程方斌帶來了主題為“永磁同步電機在電動汽車中應用的技術要求及趨勢”的演講。演講中提到，純電動汽車對驅動電機系統(tǒng)的功率密度、能量密度、轉矩響應、任務導入永磁同步電機轉矩密度高、效率高、功率密度高、調速范圍寬、體積小，目前已大批量（市場份額達99%）應用于特斯拉Moedl3、蔚來ES6、比亞迪各系列、北汽EU系列、小鵬G3、威馬EX5等車型中，但永磁同步電機存在的制造工藝復雜、成本較高、高溫下磁性容易衰退等問題仍有待解決。開關磁阻電機結構緊湊、牢固，適合高速運行，且成本低、調速范圍寬、運行可靠，但轉矩脈動大、噪聲大、功率密度低、效率低，目前僅在新能源客車上有極小批量應用。本任務要求學生從直流電機、三相異步電機、永磁同步電機、開關磁阻電機的結構和工作原理等方面認識驅動電機。思考：驅動電機由哪些部件組成？具體應用在哪些領域？想一想

驅動電機是將電能轉換成機械能，為車輛行駛提供驅動力的電氣裝置，該裝置也可具備將機械能轉換成電能的功能。純電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的驅動電機，最早是采用了控制性能好、成本較低的直流電機。隨著電子技術、機械制造技術和自動控制技術的發(fā)展，異步電機、永磁同步電機和開關磁阻電機顯示出比直流電機更加優(yōu)越的性能，這些驅動電機逐步取代了直流電機。任務3.1

認識驅動電機3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機

直流電機是將直流電能轉換為機械能的驅動電機，它具有結構簡單、技術成熟、控制便捷等特點，在早期的純電動汽車中得到了廣泛應用。1.直流電機的分類直流電機可分為電勵磁直流電機和永磁直流電機兩大類。其中電勵磁直流電機根據勵磁方式的不同又可分為他勵和自勵兩類，而自勵直流電機則包括并勵、串勵、復勵等類型。在早期的純電動汽車中，小功率直流電機一般采用永磁直流電機，大功率直流電機一般采用他勵或復勵直流電機。3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機2.直流電機的構造直流電機主要包括定子和轉子兩部分。以他勵直流電機為例，其結構如圖所示。他勵直流電機的結構3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機1）定子

定子是直流電機在運行時靜止不動的部分，主要由以下幾部分組成。

機座電刷裝置主磁極端蓋換向極3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機1）定子

機座一般由低碳鋼鑄成或用鋼板焊接而成，是直流電機磁路的一部分，用來安裝主磁極、換向極、端蓋等部件。

主磁極主要由鐵芯和勵磁繞組兩部分組成，其作用是產生主磁通。換向極的作用是產生換向磁場，以減小電刷與換向器接觸面上產生的火花，改善直流電機的換向性能。3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機1）定子

電刷裝置作用是通過電刷與換向器表面的接觸，使轉動部分的電樞繞組與外電路接通，將直流電壓、電流引出或引入電樞繞組。3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機1）定子

端蓋用來安裝軸承、支撐整個轉子的重量，避免外界雜物落進電機內部。3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機2）轉子

轉子是直流電機的旋轉部件，也稱為電樞。它由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器等部件組成，如圖所示。轉子的作用是在主磁通中產生電磁轉矩，并通過傳動機構輸出機械轉矩。轉子3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機3.直流電機的工作原理如圖所示，將一匝矩形線圈abcd置于靜止的磁極N、S中，線圈的ab、cd兩邊分別與兩個相互絕緣的換向片（

半圓形銅片）相連，這些換向片組成換向器。換向器的兩側與電刷A、B貼合。直流電機的工作原理掃

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直流電機的工作原理3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機直流電機的工作原理如下。在電刷A、B接上直流電源，電流從電刷A流入線圈，從電刷B流出，此時根據左手定則可判斷出，線圈ab邊受力向左，cd邊受力向右，產生一個轉矩，使線圈按逆時針方向轉動，如圖（a）所示。當線圈轉過90°時，線圈與換向片無接觸，但線圈由于慣性會繼續(xù)旋轉。直流電機的工作原理3.直流電機的工作原理3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機當線圈轉到180°時，接觸的電刷已改變，即線圈中電流的方向與原來相反，如圖（b）所示。根據左手定則可判斷出，此時，ab邊受力向右，cd邊受力向左，線圈仍按逆時針方向轉動。綜上所述，通過電刷與換向器交替接觸，處于N極下的線圈電流總是從電刷向線圈流入，而處于S極下的線圈電流總是從線圈向電刷流出，從而使線圈總是獲得逆時針轉動的轉矩，轉動方向保持不變，這就是直流電機的工作原理。3.直流電機的工作原理3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機4.純電動汽車用直流電機1）直流電機的驅動特性驅動特性是指驅動電機輸出的功率、轉矩與轉速之間的關系。純電動汽車用直流電機的驅動特性曲線如圖所示。

純電動汽車用直流電機的驅動特性曲線3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機4.純電動汽車用直流電機1）直流電機的驅動特性對于直流電機，在基本轉速nb以下為恒轉矩區(qū)，基本轉速nb以上為恒功率區(qū)。在恒轉矩區(qū)，可使勵磁電流保持不變，通過改變電樞電壓來控制轉矩。在恒功率區(qū)，可使電樞電壓保持不變，通過改變勵磁電流或減弱磁通來控制轉矩。直流電機的這種特性很適合純電動汽車對動力源低速高轉矩和高速低轉矩的使用要求，而且直流電機結構簡單，易于平滑調速，加之控制技術成熟，所以幾乎所有早期的純電動汽車都采用直流電機。

3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機2）直流電機的特點直流電機具有以下特點。

調速性能好：直流電機可以在重負載條件下實現(xiàn)均勻、平滑的無級調速，而且調速范圍較寬。

啟動轉矩大：適合在重負載條件下啟動，可均勻調節(jié)轉速。

3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機2）直流電機的特點

控制簡單：直流電機一般采用斬波器控制，具有效率高、控制靈活、重量輕、體積小、響應快等優(yōu)點。

有易損件：由于存在電刷、換向器等易損零件（

有刷直流電機），所以直流電機必須進行定期維護或更換。

3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機3）直流電機的應用純電動汽車用直流電機主要有以下三種類型。

永磁直流電機串勵直流電機復勵直流電機3.1.1直流電機任務3.1

認識驅動電機3）直流電機的應用

小功率（小于10kW）的直流電機多采用小型高效永磁直流電機，一般應用在小型、低速的專用車輛上，如小型電動無人運輸車、高爾夫球車、電動叉車、警用巡邏車等；

中等功率（10~100kW）的直流電機多采用串勵或復勵直流電機，可以用在結構簡單、要求轉矩較大的電動貨車上；

大功率（大于100kW）的直流電機多采用串勵直流電機，可用在要求低速、高轉矩的大型專用電動汽車上，如電動礦石搬運車、電動玻璃搬運車等。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機

交流電機可分為同步電機和異步電機兩大類。

異步電機異步電機又稱感應電機，是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩，從而實現(xiàn)電能轉換為機械能的一種交流電機。掃

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三相異步電機3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機

異步電機的種類很多，常按轉子結構和定子繞組相數(shù)進行分類。按轉子結構的不同，異步電機可分為籠型異步電機和繞線型異步電機；按定子繞組相數(shù)的不同，異步電機可分為單相異步電機、三相異步電機和多相異步電機。其中，三相籠型異步電機具有結構簡單、制造成本低、結構堅固、維修方便等特點，曾廣泛用于純電動汽車中。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機

1.三相異步電機的結構雖然三相異步電機的種類很多，但結構基本相同，都是由定子和轉子兩大部分組成，定子和轉子之間有氣隙。如圖所示為三相異步電機的基本結構。三相異步電機的基本結構任務3.1

認識驅動電機1）定子定子部分包含機座、定子鐵芯、定子繞組等，主要用來產生旋轉磁場。機座的主要作用是固定定子鐵芯和定子繞組。定子鐵芯一般由0.35~0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，裝在機座內，是三相異步電機的磁路部分。定子鐵芯的內圓上沖有均勻分布的槽口，用于嵌放定子繞組，如圖所示。3.1.2三相異步電機

三相異步電機的定子鐵芯任務3.1

認識驅動電機1）定子定子繞組是三相異步電機的電路部分。定子繞組嵌放在鐵芯槽內，當通入三相對稱電流時，就會產生旋轉磁場。定子繞組的線圈由絕緣銅導線或者絕緣鋁導線繞制而成，中小型三相異步電機的定子繞組一般采用圓漆包線，大中型三相異步電機的定子繞組則采用較大橫截面積的漆包扁銅線或絕緣包扁銅線。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機1）定子定子繞組是三相異步電機的三相定子繞組是相互獨立的，各相繞組之間的空間電角度為120°，其結構完全對稱，一般有六個出線端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出線端均接在接線盒內。如圖所示，三相異步電機的定子繞組可以接成星形（Y）或三角形（△）。3.1.2三相異步電機

三相異步電機定子繞組的連接方式任務3.1

認識驅動電機2）轉子轉子主要由轉子鐵芯和轉子繞組構成，是電機的旋轉部件。

轉子鐵芯一般由0.35~0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，是三相異步電機的磁路部分，其外圓上也均勻分布著槽孔，用來安放轉子繞組。一般小型異步電機的轉子鐵芯直接套壓在轉軸上，大、中型異步電機的轉子鐵芯先套壓在轉子支架上，然后再套裝在轉軸上。

3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機2）轉子轉子繞組可以切割定子旋轉磁場產生感應電動勢及感應電流，并形成電磁轉矩，從而使電機旋轉。根據繞組形式的不同，轉子繞組可分為籠型轉子繞組和繞線型轉子繞組兩種，三相籠型異步電機和三相繞線型異步電機的命名便由此而來。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機2.三相異步電機的工作原理如圖所示為三相異步電機的工作原理。三相異步電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，感應電動勢的方向由右手定則來確定。3.1.2三相異步電機

三相異步電機的工作原理任務3.1

認識驅動電機2.三相異步電機的工作原理由于轉子繞組是閉合通路，因此轉子中有感應電流產生，感應電流的方向與感應電動勢的方向相同，而載流的轉子繞組在定子旋轉磁場的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，驅動轉子旋轉，并且轉子旋轉的方向與旋轉磁場的方向相同。3.1.2三相異步電機

三相異步電機的工作原理任務3.1

認識驅動電機2.三相異步電機的工作原理三相異步電機的轉子轉速不等于旋轉磁場的轉速（

同步轉速），這是三相異步電機的主要特點。如果轉子軸上帶有機械負載，則負載將被拖動旋轉。當負載發(fā)生變化時，轉子的轉速也隨之發(fā)生變化，使轉子繞組中的感應電動勢、感應電流和電磁轉矩發(fā)生相應變化，以適應負載的需要。因此，三相異步電機的轉速是隨負載的變化而變化的。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機2.三相異步電機的工作原理

三相異步電機轉子的轉速與定子磁場的同步轉速之間存在轉速差，它的大小決定著轉子的感應電動勢及其頻率的大小，直接影響三相異步電機的工作狀態(tài)。通常將轉速差與同步轉速的比值用轉差率s表示，即式中：

——

定子旋轉磁場的同步轉速；

——

轉子轉速。轉差率是三相異步電機運行時的一個重要物理量。三相異步電機轉差率的取值范圍為0<s<1小于，在額定運行條件下一般為0.01~0.06。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機3.純電動汽車用三相異步電機的性能特點

純電動汽車用三相異步電機主要具有以下特點。

（1）小型輕量化。

（2）易實現(xiàn)轉速超過1000r/min的高速旋轉。

（3）高速低轉矩時運轉效率高。

（4）低速時有高轉矩，并有寬泛的速度控制范圍。

（5）可靠性高（結構堅固）。

（6）制造成本低。

（7）控制裝置簡單。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機3.純電動汽車用三相異步電機的性能特點

三相異步電機成本低且可靠性高，即使純電動汽車的逆變器損壞而產生短路，三相異步電機的定子繞組也不會產生反向電動勢，不會使車輛出現(xiàn)急速停車的現(xiàn)象。因此，三相異步電機曾廣泛應用于大型高速純電動汽車中。三相異步電機可以采用空氣冷卻或液體冷卻方式，冷卻自由度高，對環(huán)境的適應性好，并且能夠實現(xiàn)制動能量回收。與同樣功率的直流電機相比，三相異步電機效率較高，且重量僅為直流電機的一半。3.1.2三相異步電機

任務3.1

認識驅動電機

在各類驅動電機中，永磁同步電機具有高效、高控制精度、高轉矩密度、良好的轉矩平穩(wěn)性、較低的振動噪聲等特點。通過合理設計永磁磁路結構，可使永磁同步電機獲得較高的弱磁性能，在純電動汽車驅動方面具有較高的應用價值。因此，永磁同步電機得到了各大汽車企業(yè)的高度重視。

3.1.3永磁同步電機

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永磁同步電機永磁同步電機可分為單相永磁同步電機、三相永磁同步電機等類型，目前國內純電動汽車市場普遍采用三相永磁同步電機。任務3.1

認識驅動電機1.永磁同步電機的結構

下面以三相永磁同步電機為例進行介紹。三相永磁同步電機具有三相分布的定子繞組和永磁轉子，在磁路結構和繞組分布上保證反電動勢波形為正弦波。為了對磁場進行定向控制，輸入到定子繞組的電壓和電流也應為正弦波。

根據永磁體在轉子上位置的不同，永磁同步電機可分為內置式永磁同步電機和外置式永磁同步電機。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機1）內置式永磁同步電機

按永磁體磁化方向的不同，內置式永磁同步電機可分為徑向式、切向式和混合式三種類型。在有阻尼繞組的情況下，內置式永磁同步電機的轉子結構如圖所示。由于內置式永磁同步電機轉子內部嵌入永磁體，因此轉子具有凸極特性。3.1.3永磁同步電機

內置式永磁同步電機的轉子結構任務3.1

認識驅動電機2）外置式永磁同步電機

根據永磁體是否嵌入轉子鐵芯中，外置式永磁同步電機可分為面貼式和嵌入式兩種類型，其轉子結構如圖所示。3.1.3永磁同步電機

外置式永磁同步電機的轉子結構任務3.1

認識驅動電機2）外置式永磁同步電機

面貼式永磁同步電機的轉子永磁體一般為瓦片形，通過合成膠黏附在轉子鐵芯表面。在功率稍大的面貼式永磁同步電機中，可以在永磁體與氣隙之間通過無緯玻璃絲帶對永磁體加以捆綁保護，防止永磁體因轉子高速轉動而脫落。嵌入式永磁同步電機的永磁體嵌入轉子鐵芯中，兩個永磁體之間的鐵芯成為鐵磁介質突出的部分。

3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機2）外置式永磁同步電機

在面貼式永磁同步電機中，由于永磁體的相對磁導率接近真空磁導率(μ=1.0)，等效氣隙基本均勻，所以交、直軸電感基本相符，是一種隱極式同步電機。嵌入式永磁同步電機交軸方向上的氣隙比直軸的小，交軸的電感也比直軸的大，是一種凸極式永磁同步電機。相對而言，由于永磁體的存在，面貼式永磁同步電機定子和轉子之間的有效氣隙較大，因此定子繞組的電感較小。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機3.1.3永磁同步電機

外置式永磁同步電機比內置式永磁同步電機結構簡單，且具有制造容易、成本低廉的優(yōu)點，因此在工業(yè)上應用較多。面貼式永磁同步電機轉子結構最為簡單，與嵌入式永磁同步電機相比，它提高了轉子表面的平均磁通密度，可以得到更大的電磁轉矩。任務3.1

認識驅動電機2.永磁同步電機的性能特點

永磁同步電機的功率因數(shù)大、效率高、功率密度大，是一種比較理想的驅動電機。但由于電磁結構中轉子勵磁不能隨意改變，難以實現(xiàn)弱磁控制，調速特性不如直流電機。目前，永磁同步電機的相關理論還不如直流電機和異步電機完善，還有許多問題需要進一步研究，這主要體現(xiàn)在以下兩個方面。（1）低速效率

永磁同步電機低速運行時的效率較低，如何通過設計來減小低速運行時的定子電流，提升效率，是目前研究的主要方向之一。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

永磁同步電機的轉子采用永磁體勵磁，隨著轉子轉速的升高，定子繞組的輸入電壓會逐漸達到逆變器所能輸出的電壓極限，這時要想繼續(xù)升高轉速，只有靠調節(jié)定子電流的大小和相位、增加直軸去磁電流來等效弱磁控制。永磁同步電機的弱磁能力主要與直軸電抗和反電動勢有關，但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中，所以直軸磁路的磁阻一般較大，弱磁能力較小，且當反電動勢較大時，永磁同步電機的最高轉速也會降低。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

由于永磁同步電機的轉子上無繞組、無銅耗、磁通量小，在低負荷時鐵損很小，因此，永磁同步電機具有較高的“功率質量比”，比其他類型的驅動電機有更大的輸出轉矩。轉子電磁時間常數(shù)較小，因此，永磁同步電機的動態(tài)特性好，極限轉速和制動性能等都優(yōu)于其他類型的驅動電機。永磁同步電機的定子繞組是主要的發(fā)熱源，其冷卻系統(tǒng)相對比較簡單。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機2.永磁同步電機的性能特點

（2）弱磁能力

在純電動汽車上，一般要求驅動電機的輸出功率保持恒定，即驅動電機輸出功率不隨轉速的增加而變化，這就要求在驅動電機轉速增加時電壓保持恒定。一般驅動電機可以通過調節(jié)勵磁電流來控制，但永磁同步電機磁場的磁通量調節(jié)比較困難，因此需要采用磁場控制技術來實現(xiàn)。這使得永磁同步電機的控制系統(tǒng)變得更復雜，而且成本更高。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機3.永磁同步電機的驅動特性

由于永磁同步電機的磁場可產生恒定的磁通量，隨著電流的增大，永磁同步電機的轉矩與電流成正比地增大，同時電壓和功率也隨之增大。永磁同步電機的驅動特性如圖所示。3.1.3永磁同步電機

永磁同步電機的驅動特性任務3.1

認識驅動電機3.永磁同步電機的驅動特性

從圖中可以看出，永磁同步電機的恒轉矩區(qū)比較長，一直延伸到電機最高轉速的50%處左右，這對提高車輛的低速動力性能有很大幫助。永磁同步電機的最高轉速較高，能達到10000r/min。永磁同步電機功率密度高、調速性能好，在寬轉速范圍內運行效率高(90%~95%)，是理想的純電動汽車驅動電機。隨著稀土永磁材料的開發(fā)和應用，永磁同步電機的性能較以前有了很大的提升，是目前最有發(fā)展前景的驅動電機之一。3.1.3永磁同步電機

任務3.1

認識驅動電機1.開關磁阻電機系統(tǒng)的結構

開關磁阻電機系統(tǒng)是高性能機電一體化系統(tǒng)，主要由開關磁阻電機、功率轉換器、傳感器和控制器四部分組成，如圖所示。3.1.4開關磁阻電機

開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的結構任務3.1

認識驅動電機1.開關磁阻電機系統(tǒng)的結構

開關磁阻電機：系統(tǒng)的主要組成部分，用以實現(xiàn)電能向機械能的轉換。

功率轉換器：連接電源和驅動電機的開關器件，用以提供開關磁阻電機所需的電能，功率轉換器的結構形式一般與供電電壓、驅動電機相數(shù)及主開關器件種類有關。

3.1.4開關磁阻電機

任務3.1

認識驅動電機1.開關磁阻電機系統(tǒng)的結構

傳感器：主要用來反饋位置及電流信息，并將信息傳送給控制器。

控制器：系統(tǒng)的中樞，起決策和指揮作用，主要對傳感器提供的轉子位置、速度、電流等反饋信息及外部輸入的指令進行實時分析和處理，進而采取相應的控制決策，控制功率轉換器中主開關器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對開關磁阻電機運行狀態(tài)的控制。3.1.4開關磁阻電機

任務3.1

認識驅動電機2.開關磁阻電機的工作原理

開關磁阻電機的工作原理開關磁阻電機由雙凸極的定子和轉子組成，其定子和轉子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。轉子上既無繞組也無永磁體，一般裝有位置檢測器；定子上繞有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構成一相繞組。根據相數(shù)和定子、轉子極數(shù)配比，開關磁阻電機可以設計成不同的結構，其常用定子、轉子極數(shù)配比如圖所示。3.1.4開關磁阻電機

開關磁阻電機常用定子、轉子極數(shù)配比任務3.1

認識驅動電機2.開關磁阻電機的工作原理如左圖所示為四相8/6極開關磁阻電機，圖中僅畫出其中一相繞組的連接情況。由于定子、轉子均為凸極式結構，故每相繞組的電感隨轉子角位置的改變而改變，如圖右所示。3.1.4開關磁阻電機

四相8/6極開關磁阻電機電感、轉矩與轉子角位置的關系曲線任務3.1

認識驅動電機2.開關磁阻電機的工作原理當定子、轉子磁極正對時，電感達到最大值;當定子、轉子磁極完全錯開時，電感達到最小值。開關磁阻電機的運行遵循磁阻最小原理，當向B相繞組施加電流時，由于磁通總是選擇磁阻最小的路徑閉合，為減少磁路的磁阻，轉子將順時針旋轉，直到轉子磁極2與定子磁極B的軸線重合，此時磁阻最小(電感最大)；當切斷繞組B的電流，給繞組A施加電流時，磁阻轉矩使得轉子磁極1與定子磁極A相對。由于轉矩方向一般指向最近的一對定子、轉子磁極相對的位置，根據轉子位置傳感器反饋的位置信號，電樞繞組按B→A→D→C的順序導通，轉子便會沿順時針方向連續(xù)旋轉。3.1.4開關磁阻電機

任務3.1

認識驅動電機2.開關磁阻電機的工作原理開關磁阻電機有多種不同的相數(shù)結構，如單相、三相、四相等，低于三相的開關磁阻電機一般沒有自啟動能力。提高相數(shù)有利于減小轉矩脈動，但會導致結構復雜，使主開關器件增多，提高成本。目前應用較多的是四相8/6極結構和三相6/4極結構。3.1.4開關磁阻電機

任務3.1

認識驅動電機3.開關磁阻電機的性能特點開關磁阻電機作為一種新型調速電機，主要有如下優(yōu)點。3.1.4開關磁阻電機

（1）電機結構簡單、堅固，制造工藝簡單，可工作于極高轉速；定子線圈嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，能適用于各種惡劣、高溫甚至強振動環(huán)境。（2）損耗主要產生在定子部分，電機易于冷卻；轉子無永磁體，可允許有較高的溫升。任務3.1

認識驅動電機3.開關磁阻電機的性能特點開關磁阻電機作為一種新型調速電機，主要有如下優(yōu)點。3.1.4開關磁阻電機

（3）轉矩方向與電流方向無關，可最大限度地簡化功率轉換器，從而降低系統(tǒng)成本。（4）功率轉換器不會出現(xiàn)直通故障，可靠性高。（5）啟動轉矩大，低速性能好，無異步電機在啟動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。任務3.1

認識驅動電機3.開關磁阻電機的性能特點3.1.4開關磁阻電機

（6）調速范圍寬，控制靈活，易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉矩-速度特性。（7）在寬廣的轉速和功率范圍內都具有較高的效率。（8）能在四象限運行，具有較強的制動能量回收能力。（9）容錯能力強。開關磁阻電機的容錯體現(xiàn)在當某一相繞組損壞時，開關磁阻電機照樣可以運行。任務3.1

認識驅動電機3.開關磁阻電機的性能特點開關磁阻電機主要有如下缺點。3.1.4開關磁阻電機

（1）由于開關磁阻電機磁極端部的嚴重磁飽和以及磁極與溝槽的邊緣效應，使得開關磁阻電機的設計和控制要求非常精細。（2）噪聲較大。直流電機課堂總結三相異步電機開關磁阻電機永磁同步電機任務3.1

認識驅動電機課后作業(yè)（1）簡述直流電機的分類。（2）簡述直流電機的工作原理。（3）簡述三相異步電機的工作原理。（4）簡述永磁同步電機的基本結構和性能特點。任務3.1

認識驅動電機認識電機控制系統(tǒng)3.2動力電池及管理技術項目3任務導入電流的控制來實現(xiàn)。這些功能都是由電機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。在我國純電動汽車十多年的發(fā)展進程中，國內驅動電機及控制器相關產業(yè)也得到了快速發(fā)展。根據中國汽車技術研究中心提供的數(shù)據，目前我國電驅動系統(tǒng)相關供應商有200余家，遍布全國各地，自主企業(yè)占89%，其中比亞迪位居前列，市場份額占比為13.3%。目前純電動汽車普遍采用永磁同步電機，這就需要使用交流電來驅動，而動力電池提供的是直流電，因此需要將直流電轉變成交流電；而驅動電機的啟動、加減速、制動等均需要通過對驅動電機思考：談一談你對電機控制系統(tǒng)的認識有哪些？想一想任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)是驅動電機系統(tǒng)的控制單元，其核心部件為電機控制器，如圖所示。3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能電機控制器任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)一般具有總線通信、功率調節(jié)、能量回饋、高壓互鎖、過電流保護、過載保護、欠電壓保護、過電壓保護、缺相保護、故障上報等功能，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能（1）采集擋位信號以及加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器的信號。

（2）通過CAN總線與整車控制器、數(shù)字儀表板、電池管理系統(tǒng)通信，實現(xiàn)數(shù)據交換、指令接收等。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.1電機控制系統(tǒng)的基本功能（3）控制驅動電機的啟動、運行、加減速等。（4）調節(jié)驅動電機的輸出功率，同時對驅動電機進行各種電氣保護。（5）控制實現(xiàn)制動能量回收。

（6）控制防溜車系統(tǒng)。

（7）防止驅動電機出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，防止功率模塊受損。

（8）檢測和處理系統(tǒng)內部故障。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)在純電動汽車行駛過程中，駕駛員根據實際行駛工況的需要，通過操作加速踏板、制動踏板、減速器操縱桿來控制車速。在不考慮換擋的情況下，加速踏板、制動踏板的位置信號就代表了駕駛員的指令，整車控制器通過這些信號判斷駕駛員的駕駛意圖，并將其轉換成各種控制信號發(fā)送至電機控制系統(tǒng)。電機控制系統(tǒng)從整車控制器獲得整車的需求，從動力電池獲得電能，經過自身逆變器的調制，輸出驅動電機需要的電流和電壓，使得驅動電機的轉速和轉矩滿足整車的要求。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)因此純電動汽車實際上是通過駕駛員、動力電池系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、驅動電機等實現(xiàn)對車速閉環(huán)控制的。電機控制系統(tǒng)的控制策略如圖所示。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略電機控制系統(tǒng)的控制策略任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制系統(tǒng)的控制策略有以下幾種形式。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略開環(huán)控制車速-電流雙閉環(huán)控制電流閉環(huán)控制車速閉環(huán)控制任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略開環(huán)控制：利用加速踏板位置信號，通過電機控制器輸入PWM占空比信號，其特點是線路簡單、成本低，但是當動力電池電壓參數(shù)發(fā)生變化時，電機控制系統(tǒng)沒有自調節(jié)能力，驅動電機系統(tǒng)的抗干擾能力差，車輛的起步、加速和動力等性能不高。電流閉環(huán)控制：利用加速踏板位置信號控制驅動電機的電樞電流，從而控制驅動電機的輸出轉矩。電流閉環(huán)控制系統(tǒng)的主要特點是響應時間短、控制準確，且具有自調節(jié)能力，但是此系統(tǒng)容易出現(xiàn)過電流現(xiàn)象，可能導致驅動電機或電機控制器損壞。

任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略車速閉環(huán)控制：車速閉環(huán)控制:直接根據速度偏差計算驅動電機所需的電壓，但在整個控制過程中不能精確地控制驅動電機的輸出轉矩。車速-電流雙閉環(huán)控制：具有良好的動態(tài)性能，加速踏板位置信號直接關聯(lián)駕駛員期望車速，車輛的起步、加速、動力等性能表現(xiàn)較好。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)動力電池系統(tǒng)中采用了再生制動器，它通過驅動電機的發(fā)電功能將車輛制動減速時多余的動能轉換成電能儲存至動力電池中，以增大車輛的續(xù)駛里程。電機控制系統(tǒng)在制動時與制動器同時控制再生制動器，完美地將原來在減速中作為摩擦熱散失的動能回收為行駛用能量。車輛在利用驅動車輪的旋轉帶動驅動電機發(fā)電的同時，還可利用發(fā)電時的電磁阻力來減速。3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.2電機控制系統(tǒng)的控制策略在城市道路上行駛時，反復進行的調速制動操作具有較高的能量回收效果，所以車輛在低速運行時優(yōu)先使用再生制動器。據統(tǒng)計，在城市道路上行駛100km，可回收的能量等同于1L汽油的能量。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)電機控制器主要由中央控制模塊、功率模塊、驅動控制模塊及各種傳感器組成。3.2.3電機控制器的基本結構1.中央控制模塊中央控制模塊一般包括PWM波形生成電路、復位電路、傳感器信號處理電路、交互電路等，如圖所示。對外，中央控制模塊通過對外接口，接收整車上其他部件的指令和狀態(tài)信息；對內，中央控制模塊把接收到的指令和狀態(tài)信息傳遞給逆變器驅動電路，并檢測控制效果。中央控制模塊掃

一

掃

電機控制器任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3電機控制器的基本結構2.功率模塊電機控制器的主體是一臺逆變器，它是通過功率模塊對驅動電機的電流、電壓進行控制的。功率模塊經常選用的功率器件主要有金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、門極可關斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等，其中以IGBT應用最為廣泛。比亞迪車規(guī)級IGBT模塊如圖所示。比亞迪車規(guī)級IGBT模塊任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3電機控制器的基本結構

在功率半導體方面，我國長期依賴國外進口產品。以IGBT為例，在2017年之前，車規(guī)級IGBT幾乎100%依賴進口，絕大部分市場份額由外資占據。2018年，比亞迪微電子發(fā)布全新一代車規(guī)級IGBT標桿性產品——比亞迪IGBT4.0，一舉打破了IGBT市場完全被外資芯片巨頭壟斷的現(xiàn)狀。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3電機控制器的基本結構3.驅動控制模塊

驅動控制模塊用于將中央控制模塊的指令轉換成對逆變器中晶體管的通斷指令;并作為保護裝置，對系統(tǒng)的電壓、電流等進行檢測，防止出現(xiàn)過電壓、過電流現(xiàn)象。任務3.2

認識電機控制系統(tǒng)3.2.3電機控制器的基本結構4.傳感器

電機控制系統(tǒng)應用到的傳感器主要包括電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器等，可根據設計要求適當增減。電流傳感器：用以檢測驅動電機工作的實際電流(包括母線電流、三相交流電流等)。電壓傳感器：用以檢測電機控制器工作的實際電壓(包括動力電池電壓、低壓蓄電池電壓)。溫度傳感器：用以檢測驅動電機系統(tǒng)的工作溫度(包括IGBT模塊