新能源汽車電力電子技術(shù) 課件 項(xiàng)目五 新能源汽車執(zhí)行器

新能源汽車電力電子技術(shù)（第1版）高等職業(yè)教育新能源汽車類專業(yè)Contents項(xiàng)目一新能源汽車電工基礎(chǔ)知識(shí)認(rèn)知與應(yīng)用項(xiàng)目二新能源汽車典型電子器件應(yīng)用與檢測(cè)項(xiàng)目三新能源汽車典型電子電路應(yīng)用與檢測(cè)項(xiàng)目四新能源汽車典型電壓轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)項(xiàng)目五新能源汽車執(zhí)行器項(xiàng)目五新能源汽車執(zhí)行器任務(wù)1高壓上電過(guò)程控制任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理習(xí)題及答案高壓電路中電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)控制器內(nèi)部含有電容，為了防止動(dòng)力蓄電池與高壓電路直接接通瞬間的電流過(guò)大，損壞控制器內(nèi)部電子元件，ＢＭＳ按特定順序來(lái)控制繼電器的通斷，達(dá)到以低電壓、小電流對(duì)各控制器內(nèi)部電容充電的目的。

本任務(wù)通過(guò)搭建電路，模擬高壓上電過(guò)程，使學(xué)生學(xué)習(xí)新能源汽車高壓上電的控制原理，并通過(guò)規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制（一）高壓上電預(yù)充電過(guò)程圖5-1預(yù)充電示意圖

驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)控制器和空調(diào)壓縮機(jī)的電機(jī)控制器內(nèi)部含有電容，如果動(dòng)力蓄電池接入高壓電路時(shí)，電容內(nèi)沒(méi)有預(yù)先儲(chǔ)存一定的電荷量則高壓電路中電容的充電電流會(huì)非常大，極容易發(fā)生危險(xiǎn)，為了避免發(fā)生短路的意外，應(yīng)加入預(yù)充繼電器和預(yù)充電阻來(lái)給電容進(jìn)行預(yù)充電，以此來(lái)保護(hù)電路，預(yù)充電示意圖如圖5-1所示。1.預(yù)充電原因一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-2高壓預(yù)充電電路2.預(yù)充電控制過(guò)程

常規(guī)的高壓預(yù)充電電路如圖5-2所示。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備預(yù)充電控制過(guò)程任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制

利用充電電阻Ｒ１’、緩沖電感Ｌ１’和防反接二極管Ｄ１’向充電電容Ｃ１’預(yù)充電，充電電阻Ｒ１’用于限制預(yù)充電電流，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)期時(shí)，閉合繼電器ＲＬ１’，完成預(yù)充電。預(yù)充電電流與充電電阻Ｒ１’、上電電壓高度關(guān)聯(lián)，需要充分考慮不同電壓、不同環(huán)境溫度下充電電阻Ｒ１’的發(fā)熱，繼電器ＲＬ１’的選型也非常關(guān)鍵，并且為維持繼電器ＲＬ１’導(dǎo)通，需要持續(xù)提供電流給繼電器ＲＬ１’的線圈，一般是１２Ｖ、４０ｍＡ。另外直流系統(tǒng)的繼電器驅(qū)動(dòng)需要反向供電才能使繼電器ＲＬ１’的觸點(diǎn)斷開(kāi)，繼電器ＲＬ１’的壽命有限，關(guān)閉時(shí)有電弧發(fā)生，會(huì)影響觸點(diǎn)電阻。此外，繼電器ＲＬ１’的體積比較大，占用空間比較大。一、知識(shí)準(zhǔn)備

對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，沒(méi)有電是萬(wàn)萬(wàn)不可的，可是有了電，也并不是萬(wàn)能的，畢竟在純電動(dòng)汽車起動(dòng)之前還要經(jīng)過(guò)一個(gè)高壓上電過(guò)程，新能源汽車高壓系統(tǒng)電路簡(jiǎn)圖如圖5-3所示。（二）高壓上電的控制原理圖5-3新能源汽車高壓系統(tǒng)電路簡(jiǎn)圖任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備

上電過(guò)程可以簡(jiǎn)單理解為各部件間開(kāi)關(guān)閉合的通電順序，標(biāo)準(zhǔn)說(shuō)法應(yīng)是上電時(shí)序，在純電動(dòng)汽車中，使用了更多的電子元件作為通電開(kāi)關(guān)，它們根據(jù)控制單元的指令，嚴(yán)格遵循開(kāi)閉的先后順序，即為上電時(shí)序，如圖5-4所示。圖5-4新能源汽車整車高壓系統(tǒng)上下電流程任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備既然有上電時(shí)序，就必有下電時(shí)序，有正常工作時(shí)的上下電時(shí)序，也有充電狀態(tài)下的上下電時(shí)序，在進(jìn)一步了解它們之前，我們必須要知道高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖5-5高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1.高壓上電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備(１)母線

(２)ＶＣＵ(３)ＢＭＳ(４)主正繼電器(５)主負(fù)繼電器(６)預(yù)充繼電器(７)預(yù)充電阻圖5-5高壓上電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備(１)高壓上電時(shí)序高壓上電控制時(shí)序如下:①整車上電后，ＢＭＳ被喚醒，此時(shí)高壓系統(tǒng)處于Ｉｎｉｔ(初始化)模式；②ＢＭＳ進(jìn)行自檢狀態(tài)，如果沒(méi)有故障將反饋Ｒｅａｄｙ(預(yù)準(zhǔn)備狀態(tài))到ＶＣＵ，檢測(cè)主負(fù)繼電器和主正繼電器是否粘連；③通過(guò)檢測(cè)后等待ＶＣＵ上電指令，此時(shí)由Ｉｎｉｔ模式切換至Ｓｔａｎｄｂｙ(待命)模式；④在接收到ＶＣＵ上高壓電指令后，閉合主負(fù)、預(yù)充繼電器進(jìn)行預(yù)充；2.高壓上電的控制過(guò)程任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備⑤預(yù)充完成后閉合主正繼電器，延時(shí)１００ｍｓ

后斷開(kāi)預(yù)充，預(yù)充時(shí)間不大于６００ｍｓ；⑥預(yù)充結(jié)束后，斷開(kāi)預(yù)充繼電器，高壓上電完成，進(jìn)入Ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ(運(yùn)作)模式，如圖5-6所示。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-6新能源汽車高壓上電控制時(shí)序圖示一、知識(shí)準(zhǔn)備(2)高壓下電時(shí)序高壓下電控制時(shí)序如下:①待ＯＮ擋消失(持續(xù)2ｓ)后，ＢＭＳ等待ＶＣＵ下電指令，若１５ｓ未收到ＶＣＵ下電指令，ＢＭＳ會(huì)強(qiáng)制下電休眠；②當(dāng)ＢＭＳ收到ＶＣＵ下電指令時(shí)，若母線電流小于２０A，則先后斷開(kāi)主正繼電器和主負(fù)繼電器，然后判斷母線電壓，若母線電壓下降到斷電前電壓的10％，ＢＭＳ將下電指令反饋給ＶＣＵ，此時(shí)進(jìn)入Ｐｏｗｅｒｄｏｗｎ模式，同時(shí)ＢＭＳ發(fā)送下電完成指令后500s內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài)；③當(dāng)ＢＭＳ收到ＶＣＵ下電指令時(shí)，若母線電流大于20Ａ，ＢＭＳ則會(huì)以５Ａ/１００ｍｓ的速度逐漸降低最大允許電流到０Ａ，若15ｓ內(nèi)母線電流仍然大于２０Ａ，ＢＭＳ會(huì)強(qiáng)制下電，如圖5-7所示。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-7新能源汽車高壓下電控制時(shí)序圖示一、知識(shí)準(zhǔn)備(3)慢充上電時(shí)序慢充上電控制時(shí)序如下:①ＢＭＳ接收到ＯＢＣ(車載充電器)的充電喚醒信號(hào)且檢測(cè)到ＯＢＣ發(fā)出的ＣＣ、ＣＰ信號(hào)均為連接狀態(tài)時(shí)，ＢＭＳ進(jìn)入充電模式。同時(shí)接收ＶＣＵ上高壓指令后且自檢通過(guò)，ＢＭＳ先后閉合主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器，當(dāng)預(yù)充電壓與母線電壓差值在±１５Ｖ時(shí)閉合正繼電器，然后斷開(kāi)預(yù)充繼電器，最后ＢＭＳ發(fā)送需求電流和需求電壓給ＯＢＣ；②當(dāng)電充滿后，ＢＭＳ會(huì)發(fā)送充電完成指令，并斷開(kāi)主繼電器，若此后不進(jìn)入休眠狀態(tài)則不再響應(yīng)ＶＣＵ的上電指令；③當(dāng)斷開(kāi)充電設(shè)備時(shí)，ＯＢＣ會(huì)斷開(kāi)ＢＭＳ的喚醒信號(hào)，同時(shí)ＢＭＳ在檢測(cè)到充電喚醒消失后，先將充電電流降為０，然后自己再進(jìn)入睡眠狀態(tài)；任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備④在充電過(guò)程中，若檢測(cè)到ＯＢＣ的二級(jí)以上故障，ＢＭＳ會(huì)主動(dòng)終止充電，此時(shí)充電設(shè)備ＣＣ/ＣＰ信號(hào)未連接到ＢＭＳ，只連接到ＯＢＣ；⑤當(dāng)ＢＭＳ檢測(cè)到自身故障或ＯＢＣ發(fā)出的三級(jí)故障，或充滿/充電過(guò)程中ＣＣ/ＣＰ/喚醒信號(hào)消失，則請(qǐng)求電流值為０，充電機(jī)模式為ＮＯＯＵＴＰＵＴ(無(wú)輸出模式)，如圖5-8所示。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-8新能源汽車慢充上電控制時(shí)序圖示一、知識(shí)準(zhǔn)備(4)快充上電時(shí)序快充上電控制時(shí)序如下:①ＢＭＳ接收到ＯＢＣ的充電喚醒信號(hào)且檢測(cè)到ＯＢＣ發(fā)出的ＣＣ、ＣＰ信號(hào)均為連接狀態(tài)時(shí)，ＢＭＳ進(jìn)入充電模式。同時(shí)接收ＶＣＵ上高壓指令后且自檢通過(guò)，ＢＭＳ先后閉合主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器，當(dāng)預(yù)充電壓與母線電壓差值在±１５Ｖ

時(shí)閉合正繼電器，然后斷開(kāi)預(yù)充繼電器。最后ＢＭＳ發(fā)送需求電流和需求電壓給ＯＢＣ。②ＢＭＳ會(huì)先以每３ｓ增加０.０５Ｃ的速度給定充電電流，然后等待響應(yīng)電流，如果響應(yīng)電流未達(dá)到給定值，則等待給定電流以防止充電樁響應(yīng)電流超調(diào)。③為兼容快充充電樁，ＢＭＳ將充電開(kāi)始前的絕緣檢測(cè)放在充電過(guò)程中進(jìn)行，其目的是為了防止充電樁在未完成絕緣檢測(cè)時(shí)發(fā)電而導(dǎo)致ＢＭＳ絕緣誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備④只要插入充電設(shè)備，ＢＭＳ都應(yīng)置位充電插頭處于連接狀態(tài)，但只有ＣＣ、ＣＰ同時(shí)有效或ＣＣ２有效時(shí)才允許進(jìn)入充電模式。⑤當(dāng)ＢＭＳ連續(xù)１５ｓ未接收到ＶＣＵＣＡＮ總線的指令信息，則認(rèn)定為通信超時(shí)，此時(shí)ＢＭＳ將執(zhí)行下電命令。⑥首先以５Ａ/１００ｍｓ的步長(zhǎng)速率將充電電流逐漸減小至０，然后斷開(kāi)主繼電器。該故障為可恢復(fù)故障，即當(dāng)通信恢復(fù)時(shí)，ＢＭＳ恢復(fù)正常通信，但不再接通主繼電器，故障等級(jí)為三級(jí)，如圖5-9所示。任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-9新能源汽車快充上電控制時(shí)序圖示一、知識(shí)準(zhǔn)備

汽車起動(dòng)時(shí)，如圖5-10所示，ＢＭＳ首先控制主負(fù)繼電器和預(yù)充繼電器閉合，主正繼電器斷開(kāi)。此時(shí)，動(dòng)力蓄電池首先經(jīng)預(yù)充壓，以較小的電流對(duì)電機(jī)控制器內(nèi)部的電容進(jìn)行充電。待電容充電達(dá)到目標(biāo)電壓后，ＢＭＳ控制預(yù)充繼電器斷開(kāi)和主正繼電器閉合，使動(dòng)力蓄電池直接連接主電路，完成上電過(guò)程。3.高壓上電的控制原理任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-10新能源汽車高壓上電控制時(shí)序圖示一、知識(shí)準(zhǔn)備

維修開(kāi)關(guān)在電動(dòng)汽車的裝位置相對(duì)廣泛，包括設(shè)置于車廂中部扶手箱內(nèi)或車廂后部的扶手箱，還有在儲(chǔ)物箱內(nèi)、動(dòng)力蓄電池總成上方等。因車型不同，需按照車輛維修手冊(cè)提示進(jìn)行查找。

針對(duì)維修開(kāi)關(guān)有著不同的稱呼:手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)(Ｍａｎｕ￣ａｌＳｅｒｖｉｃｅＤｉｓｃｏｎｎｅｃｔ，ＭＳＤ)、緊急維修開(kāi)關(guān)(ＥｍｅｒｇｅｎｃｙＳｅｒｖｉｃｅＳｗｉｔｃｈ，ＥＳＳ)，如5-11所示：（三）維修開(kāi)關(guān)1.認(rèn)識(shí)維修開(kāi)關(guān)任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-11維修開(kāi)關(guān)一、知識(shí)準(zhǔn)備

維修開(kāi)關(guān)，如圖5-12所示，布置于動(dòng)力電池組中間，主要作用是在進(jìn)行高壓系統(tǒng)的維修項(xiàng)目時(shí)，可以手動(dòng)拔出維修開(kāi)關(guān)，從而切斷動(dòng)力電池電源，避免維修人員發(fā)生觸電意外。而且維修開(kāi)關(guān)內(nèi)部裝有熔斷器，當(dāng)高壓系統(tǒng)出現(xiàn)短路的情況，熔斷器熔斷連接，有效降低意外風(fēng)險(xiǎn)。2.維修開(kāi)關(guān)的作用任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-12維修開(kāi)關(guān)的安裝位置及結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

維修開(kāi)關(guān)電氣部位布置一般有兩種：一種是位于高壓電源的正極，另一種是布置于動(dòng)力電池總成組中間，維修開(kāi)關(guān)位于動(dòng)力電池的正極，在動(dòng)力電池正極與維修開(kāi)關(guān)有一段電路，如果采用這種類型布置方式，需要保證此段電路處于人體不能接觸區(qū)域（一般在動(dòng)力電池總成內(nèi)部位置）。

依據(jù)《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》（GB/T19751-2005）的規(guī)定，如果高壓連接器可不用工具斷開(kāi)，則在未匹配的情況下需滿足IPXXB防護(hù)等級(jí)的要求，即防止手指直接接觸，所以維修開(kāi)關(guān)的底座插孔應(yīng)該依據(jù)IPXXB防護(hù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.維修開(kāi)關(guān)的位置布局任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制一、知識(shí)準(zhǔn)備

高壓互鎖指的是通過(guò)使用低壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)高壓系統(tǒng)的完整性，例如：高壓纜線連接器是否出現(xiàn)松脫、電機(jī)控制器外殼是否未安裝到位和動(dòng)力電池殼體是否移位等。

新能源汽車行駛過(guò)程中，高壓部件長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)的條件下，所以容易造成部件的移位或接線的松脫。當(dāng)控制單元檢測(cè)到低壓系統(tǒng)斷開(kāi)的時(shí)候，就需要啟動(dòng)相應(yīng)安全措施，給駕駛員發(fā)出警報(bào)并且斷開(kāi)高壓回路等，如圖5-13所示。（四）高壓互鎖原理任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制圖5-13高壓互鎖控制示意圖一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制課程思政點(diǎn)

現(xiàn)代新能源汽車越來(lái)越注重安全駕駛，我們的研發(fā)人員從各個(gè)方面盡量為用戶規(guī)避行車危險(xiǎn)，目的就是保證乘車人員的生命安全。生命安全大于一切，在進(jìn)行高壓上電實(shí)踐操作時(shí)，我們應(yīng)時(shí)刻牢記生命安全，規(guī)范操作，不讓自己和他人的受到傷害。一、知識(shí)準(zhǔn)備準(zhǔn)備工作防護(hù)裝備：防靜電工作服、絕緣手套、絕緣勞保鞋、絕緣安全鉤；制訂實(shí)訓(xùn)方案，準(zhǔn)備所需儀器、設(shè)備和工具。操作流程(１)教師進(jìn)行實(shí)操示范，指導(dǎo)完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。(２)運(yùn)用實(shí)訓(xùn)臺(tái)，探究高壓上電預(yù)充階段、高壓上電預(yù)充階段結(jié)束后、維修開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的條件下、高壓互鎖斷開(kāi)的情況下，高壓電路的工作狀態(tài)。(3)填寫(xiě)任務(wù)工單。操作提示實(shí)踐過(guò)程中，要保證自身及設(shè)備的安全，規(guī)范操作，這樣才能保證高壓上電實(shí)訓(xùn)的準(zhǔn)確進(jìn)行。任務(wù)實(shí)施——新能源汽車高壓電上電實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)訓(xùn)任務(wù)1

高壓上電過(guò)程控制二、任務(wù)實(shí)施

新能源汽車一般采用電子助力轉(zhuǎn)向裝置，該裝置的動(dòng)力源是直流電機(jī)。根據(jù)駕駛員的駕駛意圖，并且收集轉(zhuǎn)向、車速、扭矩等信息，由控制模塊完成直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制和轉(zhuǎn)速控制，保證汽車在低速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)輕便靈活，高速轉(zhuǎn)向行駛時(shí)穩(wěn)定可靠。

本任務(wù)通過(guò)搭建電路，學(xué)習(xí)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方式和轉(zhuǎn)向控制方式，并通過(guò)規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)。任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用任務(wù)描述（一）直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5-14直流電機(jī)結(jié)構(gòu)任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

直流電機(jī)（DirectCurrentMachine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)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)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。當(dāng)它作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動(dòng)機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，如圖5-14所示。一、知識(shí)準(zhǔn)備圖5-15定子結(jié)構(gòu)

定子主要部件包括主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋和電刷裝置等，其剖面結(jié)構(gòu)如圖5-15所示：1.定子任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備圖5-16主磁極結(jié)構(gòu)

主磁極的作用是產(chǎn)生恒定、有一定空間分布形狀的氣隙磁通密度，即產(chǎn)生主磁場(chǎng)，主磁極的結(jié)構(gòu)如圖5-16所示。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。

主磁極由鐵芯和放置在鐵芯上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成，一般主磁極鐵心采用低碳鋼板沖成一定形狀疊裝固定而成，主磁極鐵芯分成極身和極靴。極靴的作用是使氣隙磁通密度的空間分布均勻并減小氣隙磁阻，同時(shí)極靴對(duì)勵(lì)磁繞組也起支撐作用。為減小渦流損耗，主磁極鐵芯是用1.0～1.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，用鉚釘把沖片鉚緊，然后固定在機(jī)座上。主磁極上的線圈是用來(lái)產(chǎn)生主磁通的，稱為勵(lì)磁繞組。

主磁極任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備

主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按N，S極交替出現(xiàn)。套在主磁極鐵心上的勵(lì)磁繞組根據(jù)其不同的使用情況分為兩種：一種是并勵(lì)繞組；一種是串勵(lì)繞組；并勵(lì)繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線細(xì)，串勵(lì)繞組的匝數(shù)少、導(dǎo)線粗。整個(gè)主磁極再用螺桿固定在機(jī)座上。

在相鄰的主磁極之間裝有換向磁極，它也是由鐵心和繞組構(gòu)成。其作用是改善換向，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)，在電刷與換向器的接觸面上不致產(chǎn)生有害的火花。任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備

直流電機(jī)的機(jī)座有兩種形式，一種為整體機(jī)座，另一種為疊片機(jī)座。整體機(jī)座是用導(dǎo)磁效果較好的鑄鋼材料制成，能同時(shí)起到導(dǎo)磁和機(jī)械支撐作用。

直流電機(jī)的機(jī)座有兩個(gè)作用：一是構(gòu)成主磁路的一部分，機(jī)座中作為磁路通路的部分稱為磁軛，二是對(duì)電動(dòng)機(jī)起到支撐作用，主磁極和換向極固定于磁軛上。機(jī)座任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備圖5-17電刷的結(jié)構(gòu)

電刷裝置是直流電機(jī)的重要組成部分，電刷裝置的作用是將轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞(轉(zhuǎn)子)中的電壓和電流引出來(lái)，或?qū)⑼饧与娫吹碾娏鬏斎氲睫D(zhuǎn)動(dòng)的電樞中去。電刷是主要由石墨做成的導(dǎo)電塊，放在刷握中，由彈簧機(jī)構(gòu)施以一定的壓力使其壓在換向器表面上，電機(jī)運(yùn)行時(shí)與換向器表面形成滑動(dòng)接觸，電刷上焊的銅絲辮引出或引入電流。電刷的組數(shù)即電刷桿數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，各刷桿裝在一圓形的可以轉(zhuǎn)動(dòng)的刷桿座上，刷桿座固定在一端的端蓋上。電刷的結(jié)構(gòu)，如圖5-17所示。電刷裝置任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子，它是電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以常稱之為電樞。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電機(jī)轉(zhuǎn)軸和軸承等部分組成。2.轉(zhuǎn)子任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用電樞鐵心

電樞鐵芯是主磁路的一部分，同時(shí)對(duì)放置在其上的電樞繞組起支撐作用。為減少當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)鐵芯中由于磁通方向發(fā)生變化引起的磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵芯通常用0.5mm厚的低硅硅鋼片或冷軋硅鋼片沖壓成型，并在硅鋼片的兩側(cè)涂絕緣漆。一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

硅鋼片上沖出轉(zhuǎn)子槽來(lái)放置繞組，沖制好的硅鋼片疊裝成電樞鐵芯。圖5-18為小型直流電機(jī)的電樞沖片形狀和電樞鐵芯裝配圖。圖5-18電樞鐵芯結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

電樞繞組

電樞繞組是直流電機(jī)的重要組成部分。繞組由帶絕緣的導(dǎo)體繞制而成，對(duì)于小型電機(jī)常采用銅導(dǎo)線繞制，對(duì)于大中型電機(jī)常采用成型線圈。在電機(jī)中每一個(gè)線圈稱為一個(gè)元件，多個(gè)元件有規(guī)律的連接起來(lái)形成電樞繞組。繞制好的繞組或成型繞組放置在電樞鐵芯上的槽內(nèi)，放置在鐵芯槽內(nèi)的直線部分在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來(lái)的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

換向器

換向器也是直流電機(jī)中的關(guān)鍵部件之一，換向器又叫整流子。對(duì)于發(fā)電機(jī)，換向器的作用是把電樞繞組中的交變電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)向外部輸出直流電壓；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，它是把外界供給的直流電流轉(zhuǎn)變?yōu)槔@組中的交變電流以使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。換向器采用導(dǎo)電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成，相鄰換向片間以0.6～1.2mm厚的云母片作為絕緣，如圖5-19所示。圖5-19換向器結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

換向片和云母片組成的圓筒兩端用V型云母套筒和V型金屬壓圈壓緊，以使其成為一個(gè)整體并保證其絕緣性能，這樣就構(gòu)成了一個(gè)換向器。將換向器裝到轉(zhuǎn)軸上，每個(gè)電樞線圈的首端和尾端的引線分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。功率較大的直流電機(jī)還裝有風(fēng)扇，加強(qiáng)散熱冷卻。一、知識(shí)準(zhǔn)備（二）直流電機(jī)的勵(lì)磁方式任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

直流電機(jī)的性能與它的勵(lì)磁方式有密切的關(guān)系。按勵(lì)磁電流供給方式的不同，直流電機(jī)可分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類，其中自勵(lì)直流電機(jī)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)三種，它們的線路如圖5-20所示：圖5-20直流電機(jī)勵(lì)磁方式一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

如圖5-20a）所示，勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)廣泛用于需要寬調(diào)速的拖動(dòng)系統(tǒng)中，如龍門(mén)刨床等。1.他勵(lì)方式2.并勵(lì)方式

如圖5-20b）所示，并勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。其勵(lì)磁繞組匝數(shù)較多，導(dǎo)線截面較小，電阻較大，勵(lì)磁電流只為電樞電流的一小部分（通常約為百分之幾）。一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

如圖5-20c）所示，串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流就是電樞電流。串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，其勵(lì)磁電流與電樞電流相等。3.串勵(lì)方式4.復(fù)勵(lì)方式

如圖5-20d）所示，復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)勵(lì)磁繞組，若串勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)與并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁通勢(shì)方向相同稱為積復(fù)勵(lì)。若兩個(gè)磁通勢(shì)方向相反，則稱為差復(fù)勵(lì)。不同勵(lì)磁方式的直流電機(jī)有著不同的特性。一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用課程思政點(diǎn)

如電動(dòng)機(jī)類型，技術(shù)落后就要被淘汰，擇優(yōu)選擇，是每個(gè)行業(yè)的生存之道，我們唯有通過(guò)不斷的創(chuàng)新，優(yōu)化電機(jī)技術(shù)，才能使我們躋身電氣行業(yè)的前端，才能讓我們的企業(yè)立于不敗之地。一、知識(shí)準(zhǔn)備（三）直流電動(dòng)機(jī)工作原理圖5-21直流電機(jī)工作原理圖如圖5-21是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖：任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用一、知識(shí)準(zhǔn)備

在圖示5-21a)的直流電機(jī)中，給A、B的電刷上加上直流電源，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過(guò)線圈abcd，從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)180°在圖示5-21b）的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動(dòng)方向是dcba，從電刷B流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用

從上述分析可以看出，轉(zhuǎn)子上外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在轉(zhuǎn)子線圈中流過(guò)的電流是交變的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組是由多個(gè)線圈連接而成，以減小電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。一、知識(shí)準(zhǔn)備（四）直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)、起動(dòng)和轉(zhuǎn)速控制

電動(dòng)狀態(tài)下，直流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向與電磁轉(zhuǎn)矩方向一致，根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式(5-1)可知，其方向與電樞電流、主磁極磁場(chǎng)的方向有關(guān)：任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用1.反轉(zhuǎn)控制（5-1）

因此可知電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于電樞電流的方向和主磁極磁場(chǎng)的方向，任意改變其中一個(gè)物理量的方向，就可使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。通常并勵(lì)電動(dòng)機(jī)是改變電樞電流方向使電機(jī)反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)閯?lì)磁電路的電感很大，換接時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很高的電動(dòng)勢(shì)，可能把絕緣擊穿。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)可改變其勵(lì)磁繞組的電流方向來(lái)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。Ｔｅｍ

——電磁轉(zhuǎn)矩

ＫＴ

——轉(zhuǎn)矩常數(shù)

Φ

——磁通量

Ｉａ——電樞電流一、知識(shí)準(zhǔn)備

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，故Ea=Ke，，此時(shí)電樞電流稱為起動(dòng)電流Ist,由式

得：

任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用2.起動(dòng)控制

根據(jù)式(5-2)可知，由于電樞電阻Ra很小，因此起動(dòng)電流可達(dá)額定值的10~20倍，會(huì)損壞換向器和電樞繞組等，并使供電線路的電壓U下降。因此，起動(dòng)時(shí)可降低加在電樞繞組上的電壓，或在電樞電路中串聯(lián)起動(dòng)變阻器，以限制起動(dòng)電流。與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)相比，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)有較好的起動(dòng)能力和較大的過(guò)載能力，但為減小起動(dòng)電流，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)常常采用電路中串聯(lián)起動(dòng)電阻進(jìn)行起動(dòng)。一、知識(shí)準(zhǔn)備

控制電源周期性地通斷，給電機(jī)提供一個(gè)脈沖電源。如圖5-22所示，脈沖寬度越大，提供給電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越高。反之亦然，脈沖寬度越小，提供給電機(jī)的平均電壓越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速就越低。因此，通過(guò)改變脈沖的寬度，從而間接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用3.轉(zhuǎn)速控制圖5-22直流電機(jī)脈沖控制電壓波形一、知識(shí)準(zhǔn)備（五）直流電機(jī)在新能源汽車上的應(yīng)用

直流電機(jī)有非常廣泛的應(yīng)用，例如電動(dòng)車窗升降、電動(dòng)雨刮和電動(dòng)座椅等等，都是由直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能?，F(xiàn)今新能源汽車來(lái)都使用電子助力轉(zhuǎn)向，如圖5-23所示，該轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)輸出相應(yīng)大小的扭矩和方向，從而產(chǎn)生輔助動(dòng)力，使轉(zhuǎn)向系統(tǒng)更加輕便，響應(yīng)速度更加快捷。任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用圖5-23新能源汽車電子助力轉(zhuǎn)向一、知識(shí)準(zhǔn)備準(zhǔn)備工作防護(hù)裝備：普通實(shí)訓(xùn)服、絕緣手套、絕緣勞保鞋；制訂實(shí)訓(xùn)方案，準(zhǔn)備所需儀器、設(shè)備和工具。操作流程(１)教師進(jìn)行實(shí)操示范，指導(dǎo)完成相關(guān)學(xué)習(xí)任務(wù)。(２)運(yùn)用實(shí)訓(xùn)臺(tái)，分別探究電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)下的端電壓和控制信號(hào)特點(diǎn)。(3)填寫(xiě)任務(wù)工單。操作提示實(shí)踐過(guò)程中，要保證自身及設(shè)備的安全，規(guī)范操作，這樣才能保證高壓上電實(shí)訓(xùn)的準(zhǔn)確進(jìn)行。任務(wù)實(shí)施——直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)臺(tái)實(shí)訓(xùn)任務(wù)2

直流電機(jī)控制電路原理與應(yīng)用二、任務(wù)實(shí)施

電機(jī)及其控制系統(tǒng)是新能源汽車的核心部件，決定了汽車行駛的主要性能指標(biāo)。相比與傳統(tǒng)汽車，電機(jī)可以在較大的速度范圍內(nèi)高效產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，所以新能源汽車不需要變速器，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更簡(jiǎn)單，噪音低。

本任務(wù)通過(guò)搭建電路，測(cè)量三相電機(jī)的控制，學(xué)習(xí)其基本驅(qū)動(dòng)原理，并通過(guò)規(guī)范的操作，養(yǎng)成良好的職業(yè)素養(yǎng)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理任務(wù)描述（一）新能源汽車應(yīng)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的種類

新能源汽車電機(jī)類型主要分為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。目前交流異步感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)主要應(yīng)用于新能源商用車，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的實(shí)際裝配應(yīng)用較少；永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用于新能源乘用車。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是新能源汽車核心系統(tǒng)之一，其性能決定了爬坡能力、加速能力以及最高車速等汽車行駛的主要性能指標(biāo)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理課程思政點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)的汽車電機(jī)技術(shù)在國(guó)際上是比較先進(jìn)的，這是我們民族企業(yè)不斷努力奮斗的結(jié)果，也是目前汽車工業(yè)我們比較引以為豪的一面。當(dāng)然，我們不能驕傲，汽車技術(shù)遠(yuǎn)不止于此，還需砥礪前行，為中國(guó)的汽車發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。一、知識(shí)準(zhǔn)備圖5-24直流電機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)，因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用，如圖5-24所示。1.直流電機(jī)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

①起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣平滑，過(guò)載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響??；

②直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)特性和調(diào)速特性；

③直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比較大；

④維修比較便宜；

⑤直流電機(jī)的直流相對(duì)于交流比較節(jié)能環(huán)保。

直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

①直流電機(jī)制造比較貴，有碳刷；

②與異步電動(dòng)機(jī)比較，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用維護(hù)不方便，而且要用直流電源；

③復(fù)雜的結(jié)構(gòu)限制了直流電動(dòng)機(jī)體積和重量的進(jìn)一步減小，尤其是電刷和換向器的滑動(dòng)接觸造成了機(jī)械磨損和火花，使直流電動(dòng)機(jī)的故障多、可靠性低、壽命短、保養(yǎng)維護(hù)工作量大。

④換向火花既造成了換向器的電腐蝕，還是一個(gè)無(wú)線電干擾源，會(huì)對(duì)周圍的電器設(shè)備帶來(lái)有害的影響。電機(jī)的容量越大、轉(zhuǎn)速越高，問(wèn)題就越嚴(yán)重。所以，普通直流電動(dòng)機(jī)的電刷和換向器限制了直流電動(dòng)機(jī)向高速度、大容量的發(fā)展。

直流電機(jī)的缺點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、堅(jiān)固耐用等一系列優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)有較高的運(yùn)行效率和較好的工作特性，從空載到滿載范圍內(nèi)接近恒速運(yùn)行，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)要求。2.交流異步電機(jī)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理交流異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)一、知識(shí)準(zhǔn)備

與直流電動(dòng)機(jī)相比，其啟動(dòng)性和調(diào)速性能較差；與同步電動(dòng)機(jī)相比，其功率因數(shù)不高，在運(yùn)行時(shí)必須向電網(wǎng)吸收滯后的無(wú)功功率，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行不利。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展較快，在電網(wǎng)功率因數(shù)方面，也可以采用其他辦法進(jìn)行補(bǔ)償。交流異步電機(jī)的缺點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

異步電動(dòng)機(jī)，其功率范圍從幾瓦到上萬(wàn)千瓦，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，為多種機(jī)械設(shè)備和家用電器提供動(dòng)力，如圖5-25所示，為三輪車交流異步電機(jī)。機(jī)床、中小型軋鋼設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、輕工機(jī)械、冶金和礦山機(jī)械等，大都采用三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器等家用電器中則廣泛使用單相異步電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)，用于風(fēng)力發(fā)電廠和小型水電站等。異步電機(jī)的應(yīng)用任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-25三輪車交流異步電機(jī)一、知識(shí)準(zhǔn)備

永磁同步電機(jī)是以永磁體替代勵(lì)磁繞組進(jìn)行勵(lì)磁。當(dāng)永磁電機(jī)的三相定子繞組（各相差120°電角度）通入頻率為f的三相交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速推移的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。穩(wěn)態(tài)情況下，主極磁場(chǎng)隨著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速亦是同步轉(zhuǎn)速，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)恒與永磁體建立的主極磁場(chǎng)保持相對(duì)靜止，它們之間相互作用并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。如圖5-26所示，為永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)。3.永磁同步電機(jī)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-26三輪車交流異步電機(jī)一、知識(shí)準(zhǔn)備

高效率：由于永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子，因此永磁同步電機(jī)比其他電機(jī)類型（如感應(yīng)電機(jī)）具有更高的效率。在高負(fù)載條件下，效率尤其明顯。

高功率密度：永磁同步電機(jī)在相同體積下可以產(chǎn)生更高的輸出功率，因?yàn)樗恍枰斔痛罅康碾娏鞯睫D(zhuǎn)子上，這使得它成為許多緊湊型設(shè)備的理想選擇。

精準(zhǔn)控制：永磁同步電機(jī)可以通過(guò)電子控制器精確地控制電流和速度，從而實(shí)現(xiàn)更好的控制和精度。

高可靠性：由于永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且沒(méi)有電刷和滑動(dòng)接觸件，因此其壽命較長(zhǎng)，維護(hù)成本也相對(duì)較低。永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

高成本：永磁同步電機(jī)使用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng)，因此其成本比一般的感應(yīng)電機(jī)高。

適應(yīng)性差：永磁同步電機(jī)對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率的變化不太敏感，這限制了其在某些應(yīng)用中的適用性。

需要高精度控制器：永磁同步電機(jī)的控制需要高精度電子控制器，這增加了成本和復(fù)雜度。

永磁同步電機(jī)的缺點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化電動(dòng)機(jī)，又稱“開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”，這種電動(dòng)機(jī)主要包括開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體、功率變換器、轉(zhuǎn)子位置傳感器及控制器四部分。開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)本體主要結(jié)構(gòu)包括定子、轉(zhuǎn)子、位置傳感器、前后軸承、前后端蓋和電機(jī)殼體等，如圖5-27所示。4.開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖5-27開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，啟動(dòng)性能好，效率高，成本低，可以通過(guò)改變導(dǎo)通、關(guān)斷角度和電壓來(lái)調(diào)速，擁有較寬的調(diào)速范圍和能力。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較大，噪聲較大。目前在一些小型電驅(qū)動(dòng)車輛上使用，比如電驅(qū)動(dòng)四輪代步車、巡邏車等。

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備（二）三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁同步電機(jī)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車界的高度重視，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)之一。

永磁同步電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步電機(jī)。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)。

永磁同步電機(jī)內(nèi)部的殼體上間隔繞制六匝線圈，對(duì)角的兩匝線圈為一組，共三組，而且這三組線圈相互錯(cuò)開(kāi)120°排列。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5-28所示，和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-28開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

定子與普通電機(jī)基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。電樞鐵芯一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成，對(duì)于具有高效率指標(biāo)或頻率較高的電機(jī)，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無(wú)取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組；對(duì)于極數(shù)較多的電機(jī)，則普遍采用分?jǐn)?shù)槽繞組；需要進(jìn)一步改善電動(dòng)勢(shì)波形時(shí)，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理1.定子一、知識(shí)準(zhǔn)備

轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料；轉(zhuǎn)子鐵芯可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實(shí)心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成，如圖5-29所示。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理2.轉(zhuǎn)子圖5-29三相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较颉１砻媸浇Y(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖5-30所示。對(duì)采用稀土永磁材料的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于永磁材料的相對(duì)回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而嵌入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理3.表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)圖5-30表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動(dòng)作用，動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動(dòng)能力或動(dòng)態(tài)性能高的永磁同步電機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機(jī)的過(guò)載能力或功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。

任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理4.內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備（三）三相永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)

按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種，如圖5-31所示。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-31表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)一、知識(shí)準(zhǔn)備

當(dāng)永磁同步電機(jī)其中一組線圈通電時(shí)，同一組且對(duì)角的兩匝線圈會(huì)產(chǎn)生相異的磁極，吸引著轉(zhuǎn)子朝磁極轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)給三組線圈依次排列進(jìn)行通電時(shí)，就定子內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生不斷旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，如圖5-32所示。因此，在磁場(chǎng)力矩的作用下，轉(zhuǎn)子會(huì)跟隨磁場(chǎng)的變化而轉(zhuǎn)動(dòng)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-32三相永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)變化原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)子并不是只有一根磁鐵，而是多根磁鐵嵌入在定子上，轉(zhuǎn)子的外壁就形成了等距離間隔的S極和N極，如圖5-33所示。此時(shí)，三組線圈在三相交流電的通電下，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，使得轉(zhuǎn)子穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)起來(lái)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-33三相永磁同步電機(jī)工作原理（四）三相永磁同步電機(jī)的工作原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

永磁同步電機(jī)的工作原理如圖5-34所示，圖中n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，n0

為同步轉(zhuǎn)速，T為轉(zhuǎn)矩，θ

為功率角。電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個(gè)以速度n0

旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)。

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理圖5-34三相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備

永磁同步電機(jī)的定子是三相對(duì)稱繞組，三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與已充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線對(duì)齊。當(dāng)外加負(fù)載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線將落后定子磁場(chǎng)軸線一個(gè)功率角，負(fù)載越大，功率角也越大，直到一個(gè)極限角度，電機(jī)停止。由此可見(jiàn)，同步電機(jī)在運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速必須與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則會(huì)失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步，其靜態(tài)誤差為零。在負(fù)載擾動(dòng)下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)的。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理一、知識(shí)準(zhǔn)備（五）永磁同步電機(jī)的控制

三相電機(jī)轉(zhuǎn)子跟隨定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)改變?nèi)嗑€的通電順序，改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)間接控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向?；蛘咝枰淖冃D(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向時(shí)，只需將接入的三相線任意兩相進(jìn)行交換，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)就會(huì)向相反的方向旋轉(zhuǎn)。

任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理1.轉(zhuǎn)向控制2.矢量控制

永磁同步電機(jī)矢量控制策略與異步電機(jī)矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒(méi)有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此，在永磁同步電機(jī)上更容易實(shí)現(xiàn)矢量控制。一、知識(shí)準(zhǔn)備

直接轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，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)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，對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，沒(méi)有PWM信號(hào)發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受電機(jī)參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動(dòng)態(tài)性能。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理3.直接轉(zhuǎn)矩控制一、知識(shí)準(zhǔn)備

為了提高永磁同步電機(jī)的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等開(kāi)始應(yīng)用于同步電機(jī)的控制。

采用智能控制方法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能控制器處于最外環(huán)充當(dāng)速度控制器，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法，這主要是因?yàn)橥猸h(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對(duì)象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動(dòng)給內(nèi)環(huán)帶來(lái)的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。

在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用智能控制時(shí)，也不能完全摒棄傳統(tǒng)的控制方法，必須將兩者很好地結(jié)合起來(lái)，才能彼此取長(zhǎng)補(bǔ)短，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。任務(wù)3

三相電機(jī)控制原理4.智能控制一、知識(shí)準(zhǔn)備（五）三相永