混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)

混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)學(xué)習(xí)單元一直流電機(jī)學(xué)習(xí)單元二三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)學(xué)習(xí)單元三永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)學(xué)習(xí)單元四開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)學(xué)習(xí)單元五輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)

在行駛過程中，混合動(dòng)力汽車經(jīng)常頻繁地啟動(dòng)/停車，加速/減速等，這就要求混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)比一般工業(yè)用的電機(jī)性能更高，基本要求如下：

(1)運(yùn)行特性要滿足混合動(dòng)力汽車的要求，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足爬坡和啟動(dòng)的要求；在恒功率區(qū)要滿足低扭矩高轉(zhuǎn)速的要求，以便高速行駛。

(2)要具有瞬時(shí)功率大、帶負(fù)載啟動(dòng)性能好、過載能力強(qiáng)、加速性能好、使用壽命長的特性。

(3)在運(yùn)行過程中要具有很高的效率。

．

(4)應(yīng)具有減速時(shí)可實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并給電池充電的功能。

(5)應(yīng)具有可靠性好，惡劣環(huán)境下能長期工作的特性。

(6)體積小、質(zhì)量輕。

(7)在結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)單堅(jiān)固，便于使用與維護(hù)。

(8)運(yùn)行噪音小、散熱好。

學(xué)習(xí)單元一直流電機(jī)

一、直流電機(jī)概述直流電機(jī)是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能(直流電動(dòng)機(jī))的驅(qū)動(dòng)電機(jī)或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機(jī))的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能的互相轉(zhuǎn)換。當(dāng)汽車行駛時(shí)，它作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；當(dāng)汽車制動(dòng)或減速時(shí)，它作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)以其良好的調(diào)速性能在矢量控制出現(xiàn)以前基本占據(jù)了電機(jī)控制領(lǐng)域的整座江山。

二、直流電機(jī)的分類

直流電機(jī)可分為繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)和永磁式直流電機(jī)。在混合動(dòng)力汽車中，小功率汽車一般采用永磁式直流電機(jī)，大功率汽車一般采用繞組勵(lì)磁式直流電機(jī)。

按磁場(chǎng)方式不同，直流電機(jī)可分為他勵(lì)電機(jī)、并勵(lì)電機(jī)、串勵(lì)電機(jī)和復(fù)勵(lì)電機(jī)4種。

(1)他勵(lì)電機(jī)：定子繞組電流是由獨(dú)立的電源供給，電流僅取決于定子繞組電源的電壓和定子繞組回路的電阻，與轉(zhuǎn)子繞組端電壓無關(guān)。

(2)并勵(lì)電機(jī)：定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)，其定子繞組電流不僅與定子繞組回路的電阻有關(guān)，還受轉(zhuǎn)子繞組端電壓影響，故定子繞組的匝數(shù)較多并且用較細(xì)的導(dǎo)線繞成。

(3)串勵(lì)電機(jī)：定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)。

(4)復(fù)勵(lì)電機(jī)：磁極上有兩個(gè)定子繞組，一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)，另一個(gè)與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)。

三、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

1.直流電機(jī)組成

直流電機(jī)主要由定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、換向器和轉(zhuǎn)子鐵芯等組成，如圖3-1所示。圖3-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分是直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)向器等部件組成，如圖3-2所示。圖3-2直流電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

(1)轉(zhuǎn)子鐵芯：是電機(jī)磁通通路的一部分。

(2)轉(zhuǎn)子繞組：是電機(jī)的主要電路部分，其作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。

(3)換向器：如圖3-3所示，其作用是產(chǎn)生換向磁場(chǎng)，減小電刷與換向器接觸面上產(chǎn)生的火花，改善電機(jī)的換向性能。圖3-3直流電機(jī)換向器結(jié)構(gòu)

3.定子繞組部分

定子繞組是直流電機(jī)靜止不動(dòng)的部分，包括機(jī)座、主磁極、電刷裝置和前端蓋等。

(1)機(jī)座：是電機(jī)磁路的一部分，用來安裝主磁極、換向器、前端蓋和后端蓋等部件。

(2)主磁極：如圖3-4所示，主要起支承定子繞組，產(chǎn)生主磁通的作用，當(dāng)向定子繞組中通入直流電流時(shí)，定子繞組中會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，磁極N、S應(yīng)交替布置，均勻分布。

(3)電刷裝置：如圖3-5所示，其作用是通過電刷與交換器表面之間的接觸，使轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通，將電流、電壓引出或引入轉(zhuǎn)子繞組。圖3-4主磁極圖3-5電刷裝置結(jié)構(gòu)

四、直流電機(jī)工作原理

如圖3-6所示為直流電動(dòng)機(jī)工作原理。圖3-6直流電動(dòng)機(jī)工作原理

直流發(fā)電機(jī)的工作原理則是直流電動(dòng)機(jī)的逆過程，如圖3-7所示，原動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，利用法拉第電磁感應(yīng)可產(chǎn)生直流電流，即直流發(fā)電機(jī)可把輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成直流電功

率，圖3-7比較清晰地說明了直流電機(jī)的兩種工作狀態(tài)中的能量轉(zhuǎn)換。圖3-7直流電機(jī)的兩種工作狀態(tài)

五、直流電機(jī)的特點(diǎn)

直流電機(jī)有如下特點(diǎn)：

(1)調(diào)試性能好：直流電機(jī)可以在重負(fù)荷的條件下實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，并且調(diào)速的范圍較寬。

(2)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大：在重負(fù)載或要求均勻調(diào)速的機(jī)械方面都可以采用直流電機(jī)。

(3)控制簡(jiǎn)單：直流電機(jī)一般采用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

(4)有易損件：由于存在電刷、換向器等易損件，使用直流電機(jī)必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。

六、直流電機(jī)的調(diào)速方法

常用的可控直流電源有以下3種。

1.旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組

如圖3-8所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖3-8旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)

2.靜止可控整流器

用靜止的可控整流器(如晶體閘管整流器)產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的直流電壓的工作原理如圖3-9所示圖3-9靜止可控整流器

3.直流斬波器(脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器)

用恒定直流電源或可控硅整流電源供電，利用直流斬波器(脈寬調(diào)制)的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓，直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，它利用開關(guān)器來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流

電源電壓斷續(xù)地加到負(fù)荷上，通過通斷時(shí)間的變化來改變負(fù)荷上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源轉(zhuǎn)化為平均值可調(diào)的直流電源，也稱DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖3-10所示為

其外形圖。圖3-10直流斬波器(脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器)外形

學(xué)習(xí)單元二三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

一、三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)分類三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)又稱感應(yīng)電機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的驅(qū)動(dòng)電化，三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)是各類電機(jī)中運(yùn)用最廣、需求量最大的一種。三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的種類很多，常按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)分類。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可分為鼠籠式異步電機(jī)和繞組式異步電機(jī)；按定子繞組相數(shù)的不同可分為單相異步電機(jī)、兩相異步電機(jī)和三相異步電機(jī)。

二、三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)

雖然三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)種類很多，但結(jié)構(gòu)基本相同，其結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，由定子鐵芯、定子繞組、接線盒、機(jī)座、風(fēng)扇、軸承、轉(zhuǎn)子繞組和軸等組成。圖3-11三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.定子部分

定子部分包括機(jī)座、定子鐵芯、定子繞組等，如圖3-11(a)所示，主要用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

(1)機(jī)座：主要作用是固定定子鐵芯與定子繞組。

(2)定子鐵芯：安裝在機(jī)座里，是三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)主磁通的一部分，如圖3-12所示。它具有良好的導(dǎo)磁性能，并且表面涂有絕緣漆，能夠減少交變磁通通過鐵芯時(shí)引起的渦流耗損，定子鐵芯的內(nèi)圓上沖有均勻分布的槽口，槽內(nèi)嵌放定子繞組。圖3-12三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子鐵芯

(3)定子繞組：三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)有3個(gè)定子繞組嵌在鐵芯槽里，當(dāng)通入三相對(duì)稱電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，是三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電路部分。

三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的3個(gè)繞組是相互獨(dú)立的，每個(gè)繞組為一相，在相位上相差120°，其結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，一般有6個(gè)出線端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出線端均接在引線盒內(nèi)，繞組的排序如圖3-13所示，可以接成星形(Ｙ)或者三角形(Ｄ)。圖3-13三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子繞組電路

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成，是三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件。

(1)轉(zhuǎn)子鐵芯：一般由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，是驅(qū)動(dòng)電機(jī)主磁通磁路的一部分。

(2)轉(zhuǎn)子繞組：轉(zhuǎn)子繞組可以切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)繞組的形式不同，轉(zhuǎn)子繞組可分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子兩種。

三、三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作原理

三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作原理如圖3-14所示。圖3-14三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作原理

四、三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法

三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)是一個(gè)多變量(多輸入、多輸出)系統(tǒng)，其中變量電壓(電流)、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以它又是強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。

1.矢量控制

矢量控制也稱為磁場(chǎng)定向控制，該控制方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性有顯著的改善。

矢量控制的具體原理是將三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)，分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子的電流矢量，所以這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制可分為基于轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制方式、無速度傳感器的矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。它是一種控制三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的有效方法。隨著矢量控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多矢量控制方法，這些方法基本上可分為兩類，即直接磁場(chǎng)定向控制和間接磁場(chǎng)定向控制。

(1)直接磁場(chǎng)定向控制需要直接測(cè)量轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，增加了執(zhí)行的復(fù)雜性和低速時(shí)測(cè)量的不可靠性。因此，直接磁場(chǎng)定向控制很少用于混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

(2)與直接磁場(chǎng)定向控制不同，間接磁場(chǎng)定向控制通過計(jì)算確定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，而不是直接測(cè)量，這種方式相對(duì)于直接磁場(chǎng)定向控制更易于實(shí)現(xiàn)。因此，間接磁場(chǎng)定向控制在混合

動(dòng)力汽車上得到廣泛應(yīng)用。

2.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是由三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出轉(zhuǎn)矩Tf、系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩給定值Tg以及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器容差εm，經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)

信號(hào)Tq，如圖3-15所示。圖3-15直接轉(zhuǎn)矩控制三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)框圖

五、三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能特點(diǎn)

混合動(dòng)力汽車用三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有以下特點(diǎn)：

(1)小型輕量化。

(2)易實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過1000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。

(3)高速低轉(zhuǎn)矩時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。

(4)可靠性高(堅(jiān)固)。

(5)低速時(shí)有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬廣的速度控制要求。

(6)控制裝置簡(jiǎn)單化。

(7)制造成本低。

學(xué)習(xí)單元三永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

一、永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)三相永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有三相分布的定子繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證反電動(dòng)勢(shì)波形為正弦波，為了進(jìn)行磁場(chǎng)定向控制，輸入到定子的電壓和電流也為正弦波。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分為內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)和外置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

1.內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)按永磁體磁化方向的不同可分為徑向式、切向式、U形混合式、V形混合式4種，如圖3-16所示。由于內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入了磁體，導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子機(jī)械結(jié)構(gòu)上的凸極特性。圖3-16內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

2.外置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)

外置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)永磁體是否嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中可分為面貼式和插入式兩種，如圖3-17所示。

(1)面貼式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體一般為瓦片形，通過合成粘膠粘于轉(zhuǎn)子鐵芯表面。

(2)插入式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中，兩永磁體之間的鐵芯成為鐵磁介質(zhì)突出的部分。圖3-17外置式永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型

二、永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能特點(diǎn)

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率因數(shù)大、效率高、功率密度大，是一種比較理想的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但由于電磁結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子勵(lì)磁不能隨意改變，導(dǎo)致弱磁困難，其調(diào)速特性不如直流電機(jī)。目

前，永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)理論不如直流電機(jī)和異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)完善，還有許多問題需要進(jìn)一步研究，主要有以下兩方面：

(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率：永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速效率較低，如何通過設(shè)計(jì)降低低速電能損耗、優(yōu)化電機(jī)低速大扭矩的結(jié)構(gòu)是目前研究的主要方向之一。

(2)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的弱磁能力：永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)由于轉(zhuǎn)子是永磁體勵(lì)磁，隨著轉(zhuǎn)速的升高，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓會(huì)逐漸達(dá)到逆變器所能輸出的電壓極限，這時(shí)要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠

調(diào)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，以提高轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電動(dòng)勢(shì)大小有關(guān)，但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中，所以直軸磁路一般磁阻較大，弱磁能力較小，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)較大時(shí)，也會(huì)降低電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性如圖3-18所示。圖3-18永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)特性

三、永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制

永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)可以采用矢量控制(磁定向控制)、直接轉(zhuǎn)矩控制和恒壓頻比開環(huán)控制等控制方式。

1.矢量控制

矢量控制的控制原理是以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個(gè)分量，一個(gè)與磁鏈同方向，代表定子電流的勵(lì)磁分量；另一個(gè)與磁鏈方向正交，

代表定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，并分別對(duì)其進(jìn)行控制，獲得與直流電機(jī)一樣良好的動(dòng)態(tài)特性。

2.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制不需要傳統(tǒng)量控制中復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，而是由轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對(duì)象，電壓矢量則是控制系統(tǒng)里唯一的輸入，直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增

加或減小，但是轉(zhuǎn)矩和磁鏈并不解耦，在對(duì)電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理時(shí)，沒有PWM信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動(dòng)態(tài)性能。

3.恒壓頻比開環(huán)控制

恒壓頻比開環(huán)控制的控制變量為電機(jī)的外部變量，即電壓和頻率?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入，實(shí)現(xiàn)控制策略的調(diào)整，最后由逆變器產(chǎn)生一個(gè)交變的正弦電壓施加在電機(jī)

的定子繞組上，使之運(yùn)行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進(jìn)行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例地線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。恒壓

頻比開環(huán)控制策略簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過電源頻率進(jìn)行控制，不存在三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償問題。

但同時(shí)，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置等反饋信號(hào)，因此無法實(shí)時(shí)捕捉電機(jī)狀態(tài)，致使無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩。在突然加大負(fù)載或者速度指令時(shí)，容易發(fā)生失步現(xiàn)象，也沒有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制是控制電機(jī)磁通而沒有控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，因此控制性能差，通常只用于對(duì)調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。

學(xué)習(xí)單元四開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)

一、開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)是高性能機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、功率變換器、傳感器(位置檢測(cè)、電流檢測(cè))和控制器4部分組成，如圖3-19所示。圖3-19開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成

(1)開關(guān)磁阻(SwitchedReluctance，SR)驅(qū)動(dòng)電機(jī)：是系統(tǒng)主要組成部分，用以實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。

(2)功率變換器：是連接電源和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開關(guān)器件，用以提升開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的電能，功率變換器的結(jié)構(gòu)形式一般與供電電壓、電動(dòng)機(jī)相數(shù)有關(guān)。

(3)傳感器(電流檢測(cè)，位置檢測(cè))：主要用來反饋位置及電流信號(hào)，并傳輸給控制器。

(4)控制器：是系統(tǒng)的中樞，起到?jīng)Q策和指揮作用，主要針對(duì)傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置、速度、電流反饋信息以及外部輸入的命令，實(shí)時(shí)加以分析和處理，進(jìn)而采取相應(yīng)的控制決策，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

二、開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)由雙凸輪極的定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子和轉(zhuǎn)子的凸輪極均由普通的硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，一般裝有位置檢測(cè)器，定子上繞有集中繞

組，徑向相對(duì)的兩個(gè)繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，根據(jù)相數(shù)和定子、轉(zhuǎn)子極數(shù)的配比，開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)，如圖3-20所示。圖3-20開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

如圖3-21所示為8/6極開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)，圖中僅畫出其中一相(A組)的連接情況，由于定子、轉(zhuǎn)子均為凸輪極結(jié)構(gòu)，故每相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子的位置改變而改變，如圖3-22所示。圖3-218/6極開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖3-22相電感、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線

三、開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能特點(diǎn)

1.開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

(1)調(diào)速范圍寬、控制靈活、易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩—速度特征。開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、低速性能好，無三相異步驅(qū)動(dòng)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，由于轉(zhuǎn)速較低，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)較小，可采用電流斬波限幅與電流斬波控制方式，也可采用調(diào)節(jié)相繞組外加電壓有效值的電壓PWM控制方式；在恒功率區(qū)，可通

過調(diào)節(jié)主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角獲得恒功率特征，即角度位置控制方式。

(2)制造與維修方便。

(3)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。

(4)可四象限運(yùn)行，具有較高的再生制動(dòng)能力。

(5)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好。

(6)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，制造工藝簡(jiǎn)單。

(7)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，從而減少功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件數(shù)，降低了成本。

(8)電能耗損小，電能耗損主要產(chǎn)生在定子上，電機(jī)易于冷卻。

(9)適應(yīng)頻繁啟動(dòng)、停止以及正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行。

2.開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的不足之處

(1)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其設(shè)計(jì)和控制較復(fù)雜。

(2)噪音較大。

(3)由于開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)磁極端部的嚴(yán)重磁飽和以及磁與溝槽的邊緣效應(yīng)，使得其設(shè)計(jì)與控制要求非常精細(xì)。

四、開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制方法

開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行不是單純的發(fā)電或者電動(dòng)的過程，而是將兩者有機(jī)結(jié)合在一起的控制過程，即它同時(shí)包含了能量回饋的過程。這一控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是不同能量流

動(dòng)過程分時(shí)控制，采用相同的硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)，將發(fā)電和電動(dòng)過程整合到一起，實(shí)現(xiàn)了能量的回饋。開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開通角、關(guān)斷角、相電流幅值以及

相繞組的端電壓，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)或組合控制就會(huì)產(chǎn)生不同的控制方法。常用的控制方法有角度控制法(APC)、電流斬波控制法(CCC)和電壓斬波控制法(VC)3種。

1.角度控制法(APC)

APC是電壓保持不變，只對(duì)開通角和關(guān)斷角進(jìn)行控制，通過對(duì)它們的控制來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對(duì)位置。在APC控制中，如果改變開通角，因它通常處于低電感區(qū)，則可以改變電流的波形寬度、波形峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對(duì)位置，這樣就會(huì)對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生很大的影響。改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對(duì)位置，電流有效值也隨之變化，因此關(guān)斷角同樣會(huì)對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有開通角那么大。在具體實(shí)現(xiàn)過程中，一般情況下采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制模式。

2.電流斬波控制法(CCC)

在電流斬波控制方式中，一般使電機(jī)的開通角和關(guān)斷角保持不變，主要靠控制斬波電流限幅值的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，其實(shí)現(xiàn)方式有

以下兩種。

1)限制電流上、下幅值的控制

在一個(gè)控制周期內(nèi)，給定電流最大值和最小值，使相電流與設(shè)定的上、下限值進(jìn)行比較。當(dāng)相電流大于設(shè)定的最大值時(shí)，則控制該相功率開關(guān)器件關(guān)斷；當(dāng)相電流降低到設(shè)定

最小值時(shí)，功率開關(guān)重新開通。如此反復(fù)，其斬波的波形如圖3-23所示。圖3-23設(shè)定電流上、下限幅值的電流斬波的波形

2)電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定的控制

電流上限和關(guān)斷時(shí)間恒定的控制與上一種方法的區(qū)別是，當(dāng)相電流大于電流斬波上限值時(shí)，就將功率開關(guān)的時(shí)間關(guān)斷一段固定的時(shí)間再開通，而重新導(dǎo)通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時(shí)，在每一個(gè)控制期內(nèi)，關(guān)斷時(shí)間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率和轉(zhuǎn)速等因素，因此電流下限并不一致。關(guān)斷時(shí)間過長，相電流脈動(dòng)大，易發(fā)

生“過斬”；關(guān)斷時(shí)間過短，斬波頻率又會(huì)較高，功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗增大。應(yīng)該根據(jù)電機(jī)運(yùn)行的不同狀況來選擇關(guān)斷時(shí)間。

3.電壓斬波控制法(VC)

電壓斬波控制法與前兩種控制方式不同，它不是實(shí)時(shí)地調(diào)整開通角和關(guān)斷角，而是在某相繞組導(dǎo)通階段，在主開關(guān)的控制信號(hào)中加入PWM信號(hào)，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞

組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方法是在固定開通角和關(guān)斷角的情況下，用PMW信號(hào)來調(diào)制主開關(guān)器件相控信號(hào)，通過調(diào)節(jié)此PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)加在主開

關(guān)上驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形的占空比，從而改變相繞組上的平均電壓，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。

電壓斬波控制是通過PWM的方式調(diào)節(jié)相繞組的平均電壓值，間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流，適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負(fù)荷擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。這種控制容易實(shí)現(xiàn)，且成本較低；缺點(diǎn)是導(dǎo)通角度始終固定，功率元件開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大，不能精確控制相電流。實(shí)際上，在開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)雙向控制系統(tǒng)中，采用的是后兩種控制方法。發(fā)電/電動(dòng)狀態(tài)控制策略框圖如圖3-24所示。圖3-24發(fā)電/電動(dòng)狀態(tài)控制策略框

開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有發(fā)電／電動(dòng)雙向運(yùn)行控制功能。當(dāng)開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，會(huì)將原動(dòng)機(jī)提供給電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋給電源，而當(dāng)其在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，則將電源提供的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出。開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別在發(fā)電或電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的工作原理如圖3-25所示，可以看出，相電感是以轉(zhuǎn)子位置角為周期而變化的。圖3-25開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)電／電動(dòng)工作原理圖

學(xué)習(xí)單元五輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)

一、輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常由車輛懸架、定子、固定轉(zhuǎn)子、輪軸軸承、線圈、電控組件、逆變器和傳統(tǒng)合金輪轂等組成，如圖3-26所示。圖3-26輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是比功率高、質(zhì)量小、體積小、效率高、噪聲小、成本低；缺點(diǎn)是必須采用減速裝置，效率降低，非簧載質(zhì)量增大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機(jī)構(gòu)的承受能力等因素的限制。由于電機(jī)電制動(dòng)容量較小，輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)不能滿足整車制動(dòng)效能的要求，通常需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求采用鼓式或者盤式制動(dòng)器。電動(dòng)機(jī)電制動(dòng)容量的存在往往可以使制動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量適當(dāng)減小。大多數(shù)的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，也有的采用水冷和油冷的方式對(duì)電機(jī)、制動(dòng)器等的發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

二、輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類及特點(diǎn)

1.輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的分類

輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分為感應(yīng)式、永磁式、開關(guān)磁阻式3類。輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照電機(jī)磁場(chǎng)的類型不同分為徑向磁場(chǎng)和軸向磁場(chǎng)兩種類型。

(1)徑向磁場(chǎng)：電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子之間受力比較平衡