《新能源汽車》課件 課題三 新能源汽車電動機(jī)

課題三新能源汽車電動機(jī)1.了解新能源汽車電動機(jī)的工作條件與要求；2.熟悉新能源汽車電動機(jī)的類型；3.掌握各類電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

學(xué)習(xí)任務(wù)1.夠闡述各類電動機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理；2.能夠闡述各類電動機(jī)的特點(diǎn)。技能要求

任務(wù)一電動機(jī)概述一、電動機(jī)的簡介所謂電動機(jī)，就是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的一種電力機(jī)器。電動機(jī)是工業(yè)上常用的機(jī)器，而用于驅(qū)動車輛的電動機(jī)稱為驅(qū)動電動機(jī)。高爾夫GTE上搭載的電動機(jī)如圖1所示。驅(qū)動電動機(jī)的工作條件與一般工業(yè)電動機(jī)有明顯不同，主要體現(xiàn)在以下方面。①驅(qū)動電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩變化范圍大。②驅(qū)動電動機(jī)所處的使用環(huán)境惡劣。③車載的能量有限。二、電動機(jī)的分類圖3-2所示為現(xiàn)代混合動力汽車所采用的各種電動機(jī)。三、電動汽車對驅(qū)動電動機(jī)的基本要求①在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓，這樣可以減小電動機(jī)的尺寸和導(dǎo)線等裝備的尺寸，特別是可以降低逆變器的成本。②高轉(zhuǎn)速。電動汽車所采用的感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以達(dá)到8000～12000r/min，高轉(zhuǎn)速電動機(jī)的體積較小，質(zhì)量較小，有利于降低混合動力汽車的整車裝備質(zhì)量。③質(zhì)量小。電動機(jī)采用鋁合金外殼，以降低電動機(jī)的質(zhì)量，各種控制裝置的質(zhì)量和冷卻系統(tǒng)的質(zhì)量也要求盡可能小。④電動機(jī)應(yīng)具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，使混合動力汽車有良好的啟動性能和加速性能，以獲得所需要的啟動、加速、行駛、減速、制動等的功率與轉(zhuǎn)矩。⑤混合動力汽車應(yīng)有最優(yōu)化的能量利用，電動機(jī)應(yīng)高效率、低損耗，并在車輛減速時，實(shí)現(xiàn)再生制動能量的回收，再生制動回收的能量一般可達(dá)到總能量的10%～15%，這在內(nèi)燃機(jī)汽車上是不能實(shí)現(xiàn)的。⑥各種動力電池組和電動機(jī)的工作電壓可以達(dá)到300V以上，其電氣系統(tǒng)安全性和控制系統(tǒng)的安全性，都必須符合國家（或國際）有關(guān)車輛電氣控制安全性能的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，裝置高壓保護(hù)設(shè)備。

任務(wù)二直流電動機(jī)一、直流電動機(jī)簡介直流電動機(jī)通過定子繞組產(chǎn)生磁場，向轉(zhuǎn)子繞組通人直流電，并用換向裝置對繞組內(nèi)電流在適當(dāng)時候進(jìn)行換向，使轉(zhuǎn)子繞組始終受到固定方向的電磁轉(zhuǎn)矩。直流電動機(jī)如圖3-3所示。二、直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電動機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。利用通電道題在磁場中受力的電磁原理制成。圖3-4為直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。1.定子（1）機(jī)座（2）主磁極（3）換向極（4）電刷裝置2.轉(zhuǎn)子（1）電樞鐵心（2）電樞繞組（3）轉(zhuǎn)軸（4）換向器三、直流電動機(jī)的工作原理圖3-5為直流電動機(jī)原理示意圖。四、直流電動機(jī)的機(jī)械特性直流電動機(jī)的機(jī)械特性，如圖3-6。五、直流電動機(jī)的控制圖3-6可知，普通直流電動機(jī)的機(jī)械特性無法滿足汽車對驅(qū)動動力的要求。圖3-7直流電動機(jī)的電樞勵磁與勵磁繞組的混合控制圖3-8竄勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系六、直流電動機(jī)的特點(diǎn)直流電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：①起動性能好。具有較大的起動力矩，適用于重負(fù)載下起動的機(jī)械。用于驅(qū)動車輛②恒功率范圍大。用于驅(qū)動車輛時可保汪車輛的高速行駛能力。③調(diào)速性能好?？蓪?shí)現(xiàn)均勻平滑的無級調(diào)速，且具有較寬的調(diào)速范圍。④控制比較簡單。直流電動機(jī)易于建模，輸入輸出具有線性關(guān)系，可以單獨(dú)控制勵磁繞組電流和轉(zhuǎn)子繞組電流來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。⑤技術(shù)成熟，生產(chǎn)規(guī)模大，價格便宜。直流電動機(jī)的缺點(diǎn)如下：①換向器和電刷的存在，引起轉(zhuǎn)矩波動，并限制轉(zhuǎn)速的升高。②電刷帶來摩擦與射頻干擾。③由于磨損和斷裂，換向器和電刷需定期維護(hù)。

任務(wù)三交流異步電動機(jī)一、交流異步電動機(jī)簡介特斯拉MODELS配備的交流異步電動機(jī)如圖3-9所示。二、交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)交流異步電動機(jī)也稱為交流感應(yīng)電動機(jī)，主要由定子、轉(zhuǎn)子及一些附件構(gòu)成，定子與轉(zhuǎn)子之間有一很小的氣隙。圖3-10為典型的交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)。1.定子定子主要由定子鐵心、定子繞組、端蓋、機(jī)座等組成。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)軸和軸承組成。3.氣隙定子、轉(zhuǎn)子間的氣隙對異步電機(jī)的性能影響很大。氣隙大則磁阻大，產(chǎn)生同樣大小的磁場所要求的勵磁電流就大，消耗的磁動勢增大，導(dǎo)致電動機(jī)的功率因數(shù)降低。三、交流異步電動機(jī)的工作原理1.旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子之所以會旋轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，是因?yàn)闅庀秲?nèi)有一個旋轉(zhuǎn)磁場。下面討論旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生，三相交流電波形如圖3-13所示。2.交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動原理圖3-15為三相交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)動原理示意圖。四、交流異步電動機(jī)的控制在電動汽車上，一般采用發(fā)電機(jī)或動力電池組作為電源，交流異步電動機(jī)不能直接使用直流電源，另外，交流異步電動機(jī)具有非線性輸出特性。因此，在采用交流異步電動機(jī)時，需要用逆變器中的功率半導(dǎo)體交換器件，將直流電變換為頻率和幅值都可以調(diào)節(jié)的交流電，來實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的控制。五、交流異步電動機(jī)的特點(diǎn)交流異步電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：①結(jié)構(gòu)筒單、體積小、質(zhì)量輕。在相同功率的條件下，交流異步電動機(jī)的質(zhì)量約為直流電動機(jī)的一半。②運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，使用壽命長。③效率高于有刷直流電動機(jī)。④由于技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，目前已有大規(guī)模生產(chǎn)，故成本較低。交流異步電動機(jī)存在的不足如下:①由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速有轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合，不如直流電動機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。②運(yùn)行時從電力系統(tǒng)吸取無功功率以建立磁場，因此功率因數(shù)較低。③交流異步電動機(jī)是多變量的非線性系統(tǒng)，控制比較復(fù)雜。

任務(wù)四永磁電動機(jī)一、永磁同步電動機(jī)永磁同步電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及一些相關(guān)附件組成，圖3-16為永磁同步電動機(jī)結(jié)構(gòu)。定子結(jié)構(gòu)與交流異步電動機(jī)類似，由定子鐵心和定子繞組構(gòu)成。1.結(jié)構(gòu)與工作原理（1）表面式如圖3-17所示，表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種。永磁體通常呈瓦片形，手位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向?yàn)閺较?。?）內(nèi)置式按永磁體提供磁通的方向，又可分為徑向式、切向式和混合式，如圖3-18所示。①采用永磁體轉(zhuǎn)子而省去了繞組線圈、集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠。②轉(zhuǎn)子無繞組，無銅損，定子電流和銅損較小，故電動機(jī)效率高。③電動機(jī)轉(zhuǎn)速與磁場保持同步，控制電源頻率就能控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，電動機(jī)的調(diào)速范圍寬。④具有較硬的機(jī)械特性，對于因負(fù)載變化而引起的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩擾動具有較強(qiáng)的承受能力，適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的場合。⑤體積小、質(zhì)量輕。永磁材料的應(yīng)用使得永磁同步電動機(jī)的功率密度得到提高，與同容量的異步電動機(jī)相比，體積和質(zhì)量都有大幅減少。⑥結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。轉(zhuǎn)子有多種結(jié)構(gòu)，不同結(jié)構(gòu)有不同的性能、特點(diǎn)和適用環(huán)境。2.永磁同步電動機(jī)的特點(diǎn)二、無刷直流直流電動機(jī)內(nèi)部電磁過程的特點(diǎn)是定子側(cè)為靜止的主極勵磁磁勢，轉(zhuǎn)子側(cè)由外部電刷的直流電源供電，內(nèi)部繞組電流及感應(yīng)的電動勢為交流。換向器和電刷完成上述逆變過程的轉(zhuǎn)換。1.無刷直流電動機(jī)的引入圖3-19為無刷直流電動機(jī)實(shí)物圖。2.無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖3-20為一無刷直流電動機(jī)電子換向器電路。①體積小、質(zhì)量輕、比功率大，用于電動車輛時可有效減輕質(zhì)量、節(jié)省空間。②運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬，由于沒有換向器和電刷造成的換向火花和電磁干擾，電動機(jī)可高速運(yùn)行。③具有低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩大的特性，起動性能好，符合車輛對起步加速的轉(zhuǎn)矩特性要求。④發(fā)熱集中于定子．易于散熱，轉(zhuǎn)子采用永磁體，無繞組無銅損，電動機(jī)效率高。⑤控制方法比交流異步電動機(jī)簡單。無刷直流電動機(jī)目前還有以下不足:①由于定子磁場換向的不連續(xù)，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動比異步電動機(jī)和直流電動機(jī)都要大。②電動機(jī)需要安裝位置傳感器、轉(zhuǎn)子使用永磁體、控制器的電子器件較多等因素使得電動機(jī)成本目前還較高。3.無刷直流電動機(jī)的特點(diǎn)

任務(wù)五開關(guān)磁阻電動機(jī)一、開關(guān)磁阻電動機(jī)簡介開關(guān)磁阻電動機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是凸極結(jié)構(gòu)（如圖3-21所示），開關(guān)磁阻電動機(jī)如圖3-22所示。二、開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動機(jī)是近20年來開發(fā)出來的一種新型電動機(jī)，它的結(jié)構(gòu)和工作原理與其他類型電動機(jī)有很大的不同。開關(guān)磁阻電動機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、功率開關(guān)構(gòu)成，如圖3-23所示。開關(guān)磁阻電動機(jī)可以有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，如單相、二相、四相及多相等，且定子和轉(zhuǎn)子的極一數(shù)可有多種搭配，見表3-1所示。定子相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、開關(guān)器件多、成本增加。應(yīng)用較多的是四相8/6極和三相6/4極。三、開關(guān)磁阻的工作原理圖3-25是開關(guān)磁阻電動機(jī)原理圖。四、開關(guān)磁阻電動機(jī)的特點(diǎn)開關(guān)磁阻電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)如下：①電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低。由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，定子線圈的端部又很短，不但制造方便，而且線圈的發(fā)熱量小、容易散熱，其電磁負(fù)荷可以提高，電動機(jī)利用系數(shù)高，電動機(jī)制造成本大為降低。②功率變換電路簡單可靠。開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩是靠凸極效應(yīng)產(chǎn)生的，與繞組所通電流極性無關(guān)，通人每相繞組中的是單向電流，不需要交變。③高起動轉(zhuǎn)矩，低起動電流。由于起動過程中電流沖擊小，電動機(jī)和控制器發(fā)熱比連續(xù)額定運(yùn)行時還小，故適用于頻繁起停、正反換向運(yùn)行的場合。④可控參數(shù)多，調(diào)速性能好。可通過控制相導(dǎo)通角、相切斷角、相電流幅值、相繞組電壓等參數(shù)來控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。⑤由于轉(zhuǎn)子無線圈，轉(zhuǎn)動慣量小，具