汽車電機及驅動技術 課件匯 史立偉 第1-6章 緒論 -感應電機

緒論第1章1.1電機在汽車中的應用汽車電機是一種在汽車上進行機械能和電能的轉換的電磁機械裝置。汽車電機可分為傳統(tǒng)汽車使用的汽車發(fā)電機，起動機，刮水器、車窗、座椅、風扇等微特電機和電動汽車驅動電機。新能源汽車定義為：采用新型動力系統(tǒng)，完全或主要依靠新型能源驅動的汽車。新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車及燃料電池汽車。1.2汽車電機的發(fā)展1.2.1誕生期1820年，丹麥人奧斯特發(fā)現(xiàn)通電導體在磁場中會受到力的作用，并初步開創(chuàng)了電磁學。同年，法國人安培提出了安培定律。1821年，法拉第制出了第一臺原理性的電動機，實現(xiàn)了電能和機械能的轉換。法拉第在1831發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，并在隨后的幾年制出了發(fā)電機和電動機。十九世紀三十年代，蘇格蘭發(fā)明家RobertAnderson便成功將電動馬達裝在一部馬車上，后來1842年并與ThomasDavenport合作，打造出第一部以電池為動力的電動汽車。法國人GastonPlante在1859年發(fā)明了鉛酸電池，1865年研發(fā)出性能更好二次電池。奧地利發(fā)明家FranzKravogl在1867年的巴黎世界博覽會推出了一款雙輪驅動電動車。1.2.2初步繁榮期1912年之前，電動車銷量遠遠超過其他動力的汽車。1900年，波爾舍在Lohner-Porsche的后輪上開始安裝內燃機驅動系統(tǒng)，支撐了世界上第一臺混合動力汽車。

1902，年德國人博世(RobertBosch)發(fā)明了高壓磁電機點火系統(tǒng)，包括分電器、點火線圈、火花塞等重要部件。1867年，比利時的格拉姆發(fā)明了直流發(fā)電機。1905，汽車開始采用直流發(fā)電機，可以為蓄電池充電；1912，美國查爾斯-科特林發(fā)明電起動。1913，美國福特推動形成了比較完善的汽車電器系統(tǒng)，包括點火，起動機，發(fā)電機、蓄電池、照明等推動了T型車的流水線生產(chǎn)，電動汽車逐漸被內燃機汽車取代。1.2.3電動汽車再次復興1888年，美國尼古拉-特斯拉發(fā)明了三相交流電驅動的感應電動機，但是當時電力電子技術和控制技術不發(fā)達，使得該電機在汽車上應用較為緩慢。1983年，日本住友特殊金屬公司（后成為日立金屬的子公司）首次發(fā)明了釹鐵硼永磁材料，第二年就開始量產(chǎn)，它的誕生開創(chuàng)了新一代稀土永磁材料制造的先河。1989年日本松下和東芝開始大批量生產(chǎn)鎳氫電池。鋰電池方面，日本吉野彰先生1985年發(fā)明了C/鈷酸鋰電池體系。2018年全年，全球電動車銷量達到2018247輛，且電動車在全球汽車市場占比份額達到2.1%，同比增長72%。1.3電動汽車對電機的要求及發(fā)展趨勢項目工業(yè)電機汽車應用封裝尺寸空間重量不受限制，可用標準封裝配套各種應用布置空間有限，必須根據(jù)具體產(chǎn)品進行特殊設計工作環(huán)境環(huán)境溫度適中（-20~+40℃);靜止應用，振動較小溫度變化大（-40~+105℃);振動劇烈可靠性要求較高，以保證生產(chǎn)效率很高，以保障乘車者安全冷卻方式通常為風冷（體積大）通常為水冷（體積?。┛刂菩阅芏酁樽冾l調速控制，動態(tài)性能較差需要精確的力矩控制，動態(tài)性能較好功率密度較低（0.2kW/kg）較高（1–1.5kW/kg）總體性價比一般極高：既要性能好，又要價格便宜1.高的功率密度和瞬時功率較高的功率密度和瞬時功率即體積小，重量輕，功率大。乘用車電機功率密度4kW/kg，商用車電機轉矩密度做到20Nm/kg。在控制器方面，2020

年達到16～18kW/L，力爭2025

年達到32～36kW/L（碳化硅）。2.寬轉速范圍內較高的效率電機的效率直接決定了新能源汽車的能耗水平。3.系統(tǒng)實現(xiàn)集成化電動汽車電機首先要和控制器實現(xiàn)集成，控制器作為控制電動汽車驅動電機的設備，通過接收整車控制器和控制機構(制動踏板、加速踏板、換擋機構)傳送的控制信息，對驅動電機轉速、轉矩和轉向進行控制，并可同時對動力電池的輸出進行相應控制。電動汽車電機還可能需要和變速器集成，以提高高效率運行取得轉速范圍。電動汽車電機也可以和車輪輪轂、發(fā)動機飛輪等實現(xiàn)集成。4.較高的可靠性電機應具備堅固、可靠，有一定的防塵防水能力，電機在大批量生產(chǎn)之前，應該進行相應的環(huán)境試驗，包括高低溫、三防（濕熱、霉菌、鹽霧）試驗、機械過載（振動、沖擊、加速度）試驗等。5.環(huán)境友好電動汽車電機要求低噪聲、低振動，產(chǎn)生的電磁輻射較小，同時也不容易受到其他電磁波的負面影響。6.批量大、成本低汽車產(chǎn)業(yè)的特點決定了電動汽車電機未來每年產(chǎn)量應在幾千萬臺以上，這就要求電機生產(chǎn)廠家大批量生產(chǎn)，并且提供最優(yōu)競爭力的價格。1.4電動汽車電機分類和發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1電動汽車電機分類按照功能不同，汽車電機可分為：發(fā)電機、電動機、電能轉換裝置和控制電機。發(fā)電機是將機械能轉換為電能的電機；電動機是將電能轉換為機械能的電機。在電機學中，也把變壓器、變頻機、移相機等電能轉換裝置看作是特殊類型的電機，用于將一種形式的電能轉換為另一種形式的電能?？刂齐姍C不以功率轉換為主要職能，主要起信號調節(jié)、放大和控制作用。在電動汽車具體應用上，按照原理不同，可以將有兩種分類。1.4.2各類型汽車電機

直流電機感應電機開關磁阻電機永磁無刷直流永磁同步電機功率密度467810效率467910可控性108688可靠性6101088成熟度10108109成本810866噪聲61041010維修210101010綜合50706069711.直流電機直流電機可分為有刷和無刷直流電機，結構簡單、控制技術成熟，在電力電子技術出現(xiàn)前，直流電動機驅動普遍應用。工作原理是通過機械開關的調節(jié)來控制串聯(lián)的動力電池組的數(shù)量，實際是通過改變兩端的電壓大小實現(xiàn)有級調速的一種方式，可調范圍受到硬件上的限制。2.交流三相感應電動機三相感應電動機大部分是異步電動機，轉子和定子之間存在氣隙，最高可到12000~15000r/min，目前仍然是電動汽車的驅動電機的主要產(chǎn)品，比如特斯拉在使用該驅動技術上取得突破，轉速能達到6000轉/分鐘，最大扭矩可達400Nm，行車過程中能適應爬坡、加速等狀態(tài)下短時間內提高動力性能。3.永磁無刷直流電機永磁無刷直流電機通常簡稱為BLDCM或BLDC，該電機利用永磁體提供勵磁，消除了勵磁損耗，提高了有功功率，廣泛應用于電動自行車。4.永磁同步電機永磁同步電機通常簡稱為PMSM，由于具有構造簡單、運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、效率高、電機的形狀和尺寸靈活多變等顯著優(yōu)點，轉速范圍可達4000~25000r/min，尺寸小而輕，是電動汽車中具有較高功率密度和調速范圍廣的一種強有力的驅動電機。5.永磁輔助同步磁阻電機這種電機直軸方向通常為多層永磁體結構，直軸磁阻很大，直軸電感很小。同時，這種電機的交軸方向能使磁場順暢導通，交軸磁阻較小，電機凸極率很大，能產(chǎn)生磁阻轉矩。6.開關磁阻電動機開關磁阻電動機是新一代無極調速牽引電動機驅動，可簡稱為SRD，基于磁通總是沿磁導最大路徑閉合的原理產(chǎn)生轉矩，具有交、直流兩大類電機調速的優(yōu)點。優(yōu)點：該驅動電機轉子可承受較高的溫度，只在定子上產(chǎn)生損耗，冷卻效果好且方法簡單；啟動轉矩大，起動電流??；調速性能好，能夠滿足不同應用場合轉矩一速度的特性;具有較好的非線性特性，動態(tài)性能好，但一定程度上增加控制系統(tǒng)的難度。缺陷：SRD固有的轉矩波動，噪聲大，這也與電機不合理設計和控制策略選擇息息相關;其次，SRD結構上需要安裝位置傳感器，使其結構復雜化，傳感器的性能可靠性有待進一步提高.1.4.3電動汽車電機技術條件電機的型號由尺寸代號、電機類型代號、信號反饋元件代號、冷卻方式代號、預留代號五部分組成?？刂破餍吞栍煽刂破黝愋痛?、輸入電壓規(guī)格代號、信號反饋元件代號、輸出電流規(guī)格代號、冷卻方式代號和預留代號六部分組成。1.5起動發(fā)電機分類和研究現(xiàn)狀1.5.1起動發(fā)電機的分類起動發(fā)電一體化電機具有以下優(yōu)點：1）起動發(fā)電二合一，體積重量?。?）無空轉系統(tǒng)；3）輔助驅動（輕混合動力）；4）制動能量回收（輕混合動力）；5）主動抑制發(fā)動機轉矩脈動。1.飛輪式起動發(fā)電機直接安裝在曲軸上的起動發(fā)電機通常被稱為飛輪式起動發(fā)電機，也有的稱為集成型起動機交流發(fā)電機減振器(ISAD)。它包括一個電動機，功能是充當發(fā)動機和變速器間的控制元件，也可用來起動發(fā)動機，傳送電功率給蓄電池和汽車中的其他系統(tǒng)。2.皮帶式起動發(fā)電機飛輪式起動發(fā)電機多用于混合動力汽車，皮帶驅動式起動發(fā)電機，其軸向長度較長，可以充分利用現(xiàn)有發(fā)動機的起動機和發(fā)電機的安裝空間，作為皮帶驅動式起動發(fā)電機使用，對系統(tǒng)改造較小。1.5.2起動發(fā)電機的研究現(xiàn)狀1.有刷直流電機有刷直流電機當作起動發(fā)電機使用時，與一般的直流電動機和直流發(fā)電機略有不同。起動時，以復勵（串勵為主）直流電動機方式工作，要求有足夠的起動轉矩和起動電流；起動結束后，電機的串勵繞組停用改為并勵方式，作發(fā)電機運行。2.感應電機感應電機的數(shù)學模型精確可靠，作為起動發(fā)電系統(tǒng)電機在建模時有較大優(yōu)勢，便于進行控制策略的深入研究。但是感應電機的控制較為復雜，控制成本高，異步感應電機低速及低負載運行時的效率低，高速時需要減速機構，且容易發(fā)熱。3.電勵磁同步電機4.永磁同步電機永磁同步電機（PMSM）作為發(fā)電機已經(jīng)得到了廣泛的應用，既可以用于變頻恒速電源，也可以用于直流供電。只要在現(xiàn)有基礎上研究其起動方案，就可以將其改造成起動發(fā)電系統(tǒng)。5.開關磁阻電機開關磁阻電機的轉子是簡單的疊片結構，結構堅固且經(jīng)濟；開關磁阻電機轉子沒有電勵磁繞組或永磁體，轉子結構對溫度不敏感；開關磁阻電機定子集中繞組可以預先繞制好再嵌入定子槽。6.雙凸極電機電勵磁雙凸極起動發(fā)電機具有開關磁阻起動發(fā)電機的優(yōu)點，且發(fā)電控制更為簡單方便，無需位置傳感器，直接控制勵磁電流即可控制輸出電壓，發(fā)電性能優(yōu)良。1.6電動汽車驅動方式的選擇1.傳統(tǒng)驅動系統(tǒng)電動汽車傳統(tǒng)驅動模式由傳統(tǒng)內燃機汽車簡單改裝而來，僅以驅動電機替換發(fā)動機，傳動系統(tǒng)仍然包括離合器、變速器等傳動機構。2.組合式驅動系統(tǒng)電動汽車組合式驅動系統(tǒng)由驅動電機、減速器和機械差速器組成，驅動電機一般使用中、高轉速的電動機，因此需要利用減速器降低轉速增大扭矩，這種減速器一般檔位不可調或只有兩個檔位，這種布置方式的電動汽車動力系統(tǒng)既可以前置前驅，也可以后置后驅。3.整體式驅動系統(tǒng)電動汽車整體式驅動系統(tǒng)把驅動電機、齒輪減速器和差速器集成為一個整體，驅動電機軸與驅動橋兩半軸布置在同一軸線上。其中驅動電機軸是特殊加工的空心軸，一根驅動橋的半軸從該空心軸中通過，減速器和差速器安裝在驅動電機輸出端。4.輪邊電機驅動系統(tǒng)輪邊電機驅動系統(tǒng)和輪轂電機驅動系統(tǒng)都屬于分布式驅動系統(tǒng)，驅動電機與驅動輪個數(shù)相等且放置在驅動輪內側。兩者的區(qū)別是，輪邊電機驅動系統(tǒng)的電機、減速器與橋集成在一起，電機一般為內轉子高速電機組成，動力經(jīng)過一套行星齒輪傳動系統(tǒng)將動力傳遞至輪轂。5.輪轂電機驅動系統(tǒng)該系統(tǒng)采用輪轂電機直接驅動電動汽車，驅動電機安裝或集成在車輪的輪轂內，一般使用與輪轂集成為一體的外轉子驅動電機。電力電子器件與能量轉換電路第2章2.1汽車電力電子技術2.1.1汽車電力電子技術的由來未來汽車電氣系統(tǒng)必須滿足以下三個基本要求：1）能高效率的完成機械能與電能之間的轉化；2）能高效率的變換并分配電能；3）能可靠的提供電能。汽車電力電子技術是以混合動力汽車HEV、燃料電池汽車FEV和純電動汽車EV為對象，運用電力電子學理論，通過對車載電力傳動系統(tǒng)的交流化、高壓化和對車載電力系統(tǒng)的精細控制。

2.1.2功率半導體器件的定義功率變換器即為通常所說的電力電子電路（也稱主電路），它由電力電子器件構成。同處理信息的電子器件相比，電力電子器件的一般特征是：1）能處理電功率的大小不同，即承受電壓和電流不同。2）電力電子器件一般都工作在開關狀態(tài)。3）電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制。4）為保證不至于因損耗散發(fā)的熱量導致器件溫度過高而損壞，不僅在器件封裝上講究散熱設計，在其工作時一般都要安裝散熱器。2.1.3電力電子的系統(tǒng)組成電力電子系統(tǒng)由控制電路、驅動電路和以電力電子器件為核心的主電路組成。控制電路按系統(tǒng)的工作要求形成控制信號，通過驅動電路去控制主電路中電力電子器件的通或斷，來完成整個系統(tǒng)的功能。2.1.4功率半導體器件的分類1．按可控性分類（1）不可控型器件(UncontrolledDevice)不能用控制信號來控制其通斷，因此也就不需要驅動電路（2）半控型器件(Semi-controlledDevice)通過控制信號可以控制其導通而不能控制其關斷。（3）全控型器件(Full-controlledDevice)通過控制信號既可控制其導通又可控制其關斷，又稱自關斷器件。2．按驅動信號類型分類（1）電流驅動型(CurrentDrivingType)通過從控制端注入或者抽出電流來實現(xiàn)導通或者關斷的控制。（2）電壓驅動型(VoltageDrivingType)僅通過在控制端和公共端之間施加一定的電壓信號就可實現(xiàn)導通或者關斷的控制。3．按照器件內部電子和空穴兩種載流子參與導電的情況分類（1）單極型器件(UnipolarDevice)由一種載流子參與導電的器件；（2）雙極型器件(BipolarDevice)由電子和空穴兩種載流子參與導電的器件；（3）復合型器件(ComplexDevice)由單極型器件和雙極型器件集成混合而成的器件。2.2功率二極管2.2.1電力二極管的結構電力二極管又稱為大功率二極管。大功率二極管的內部結構是一個具有P型及N型兩層半導體、一個PN結和陽極A、陰極K的兩層兩端半導體器件。2.2.2大功率二極管的特性 1．大功率二極管的伏安特性二極管陽極和陰極間的電壓與陽極電流間的關系稱為伏安特性。2．大功率二極管的開通、關斷特性（1）大功率二極管的開通過程大功率二極管的開通需一定的過程，初期出現(xiàn)較高的瞬態(tài)壓降，過一段時間后才達到穩(wěn)定，且導通壓降很小。（2）大功率二極管的關斷過程

2.2.3大功率二極管的主要參數(shù)1．額定正向平均電流（額定電流）IF指在規(guī)定＋40℃的環(huán)境溫度和標準散熱條件下，元件結溫達額定且穩(wěn)定時，容許長時間連續(xù)流過工頻正弦半波電流的平均值。2．反向重復峰值電壓（額定電壓）ＵRRM在額定結溫條件下，元件反向伏安特性曲線（第Ⅲ象限）急劇拐彎處于所對應的反向峰值電壓稱為反向不重復峰值電壓URSM。3．反向漏電流IRR對應于反向重復峰值電壓URRM下的平均漏電流稱為反向重復平均電流IRR。4．正向平均電壓UF在規(guī)定的＋40℃環(huán)境溫度和標準的散熱條件下，元件通以工頻正弦半波額定正向平均電流時，元件陽、陰極間電壓的平均值，有時亦稱為管壓降。5．大功率二極管的型號普通型大功率二極管型號用ZP表示，其中Z代表整流特性，P為普通型。ZP[電流等級]—[電壓等級/100][通態(tài)平均電壓組別]2.3晶閘管2.3.1晶閘管的結構晶閘管是大功率的半導體器件?？煞譃槁菟ㄐ秃推桨逍蛢煞N，也有一些多個器件組成模塊。晶閘管依靠螺栓將管芯與散熱器緊密連接在一起，并靠相互接觸的一個面?zhèn)鬟f熱量。2.3.2晶閘管的工作原理晶閘管是一個具有P1—N1—P2—N2四層半導體的器件，內部形成有三個PN結J1、J2、J3，晶閘管承受正向陽極電壓時，其中J1、J3承受反向阻斷電壓，J2承受正向阻斷電壓。2.3.3晶閘管的基本特性1．靜態(tài)特性靜態(tài)特性又稱伏安特性，指的是器件端電壓與電流的關系。2．動態(tài)特性（1）開通特性晶閘管由截止轉為導通的過程為開通過程。（2）關斷特性通常采用外加反壓的方法將已導通的晶閘管關斷。反壓可利用電源、負載和輔助換流電路來提供。2.4電力場效應晶體管

（MOSFET）2.4.1結構與工作原理 1．結構電力場效應晶體管（MOSFET）是一種柵極電壓來控制漏極電流的單極型晶體管。1）驅動電路簡單，需要的驅動功率小；2）開關速度快，工作頻率高；3）熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR；4）電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。2．工作原理MOSFET的三個極分別為柵極G、漏極D和源極S。當漏極接正電源，源極接負電源，柵源極間的電壓為零時，P基區(qū)與N區(qū)之間的PN結反偏，漏源極之間無電流通過。2.4.2工作特性1．靜態(tài)特性（1）轉移特性漏極電流ID與柵源極電壓UGS反映了輸入電壓和輸出電流的關系，稱為轉移特性。（2）漏極伏安特性漏極伏安特性也稱輸出特性，可以分為三個區(qū)：可調電阻區(qū)Ⅰ，飽和區(qū)Ⅱ，擊穿區(qū)Ⅲ。2．開關特性P-MOSFET是多數(shù)載流子器件，不存在少數(shù)載流子特有的存貯效應，因此開關時間很短，典型值為20ns，而影響開關速度的主要是器件極間電容。P-MOSFET的開關過程如圖所示，其中UP為驅動電源信號，UGS為柵極電壓，iD為漏極電流。2.4.3主要參數(shù)與安全工作區(qū) 1．主要參數(shù)（1）漏極電壓UDS

漏極電壓UDS為P-MOSFET的電壓定額。 （2）電流定額ID電流定額ID為漏極直流電流，IDM為漏極脈沖電流幅值。 （3）柵源電壓UGS柵源間加的電壓不能大于此電壓，否則將擊穿元件。2．安全工作區(qū)P-MOSFET是多數(shù)載流子工作的器件，元件的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，即溫度升高通態(tài)電阻增大，使漏極電流能隨溫度升高而下降，因而不存在電流集中和二次擊穿的限制，有較寬的安全工作區(qū)。P-MOSFET的正向偏置安全工作區(qū)由四條邊界包圍框成。2.5絕緣柵雙極晶體管

（IGBT）2.5.1結構與工作原理1．結構雙極型的GTR和GTO的特點是電流驅動，有電導調制效應，通流能力很強，開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。單極型的MOSFET的優(yōu)點是采用電壓驅動，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。2．工作原理IGBT是以PNP型厚基區(qū)GTR為主導元件、N溝道MOSFET為驅動元件的達林頓電路結構器件，Rdr為GTR基區(qū)內的調制電阻。IGBT的開通與關斷由柵極電壓控制。2.5.2工作特性1．靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有輸出特性及轉移特性。2．動態(tài)特性IGBT的動態(tài)特性即開關特性，其開通過程主要由其MOSFET結構決定。2.5.3擎住效應和安全工作區(qū)1．擎住效應在IGBT管內存在一個由兩個晶體管構成的寄生晶閘管，同時P基區(qū)內存在一個體區(qū)電阻Rbr，跨接在N+PN晶體管的基極與發(fā)射極之間，P基區(qū)的橫向空穴電流會在其上產(chǎn)生壓降，在J3結上形成一個正向偏置電壓。若IGBT的集電極電流IC大到一定程度，這個Rbr上的電壓足以使N+PN晶體管開通，經(jīng)過連鎖反應，可使寄生晶閘管導通，從而IGBT柵極對器件失去控制，這就是所謂的擎住效應。2．安全工作區(qū)IGBT開通與關斷時，均具有較寬的安全工作區(qū)。IGBT開通時對應正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）。2.5.4IGBT驅動電路以EXB系列集成模塊驅動IGBT為例，該專用模塊比分立元件組成的驅動電路工作更可靠，效率更高。該例具有過流檢測、保護及軟關斷功能。當IGBT出現(xiàn)過流時，腳5出現(xiàn)低電平，光耦SOI有輸出，從而提供一個封鎖信號。該信號使PWM驅動脈沖輸出轉化成一系列窄脈沖，對EXB840實行軟關斷。腳號功

能

說

明腳號功

能

說

明1與IGBT的發(fā)射極相接；連接用于反向偏置電源的濾波電容7、8不接

2電源端，一般為20V9電源地端

3驅動輸出，經(jīng)柵極電阻RG與IGBT相連

10、11不接4外接電容器，防止過電流保護環(huán)節(jié)誤動作

12、13不接5內設的過電流保護電路輸出端

14驅動信號輸入（－）

6經(jīng)快速二極管連到IGBT集電極。監(jiān)視集電極電平，作為過流信號之一

15驅動信號輸入（+）

2.6功率集成電路（1）高壓集成電路（HighVoltageIC，HVIC）

一般指橫向高壓器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。（2）智能功率集成電路（SmartPowerIC，SPIC）

一般指縱向功率器件與邏輯或模擬控制電路的單片集成。（3）智能功率模塊（IntelligentPowerModule，IPM）

則專指IGBT及其輔助器件與其保護和驅動電路的單片集成，也稱智能IGBT（IntelligentIGBT）。序號端子符號含義

PN變頻裝置主電源輸入端P：＋端N：-端

B制動輸出端子，減速時用以釋放再生電能的端子

UVW變頻器三相輸出端1VupcU相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

－端2UFoU相上橋臂保護電路動作異常信號輸出3UpU相上橋臂控制信號輸入端4Vup1U相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

＋端5VvpcV相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

－端6VFoV相上橋臂保護電路動作異常信號輸出7VpV相上橋臂控制信號輸入端8Vvp1V相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

＋端9VwpcW相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

－端10WFoW相上橋臂保護電路動作異常信號輸出11WpW相上橋臂控制信號輸入端12Vwp1W相上橋臂驅動電源(Ucc)輸入端

＋端13Vnc下橋臂共用驅動電源(Ucc)輸入端

－端14Vn1下橋臂共用驅動電源(Ucc)輸入端

＋端15BR制動單元控制信號輸入端16UnU相下橋臂控制信號輸入端17VnV相下橋臂控制信號輸入端18WnW相下橋臂控制信號輸入端19Fo下橋臂和制動單元保護電路動作異常信號輸出2.7DC-DC直直變換器2.7.1DC-DC變換的基本控制思路DC-DC變換又稱直流斬波，它將大小固定的直流電壓變換成另一種直流電壓。直流斬波技術可以用來降壓、升壓和變阻，已被廣泛應用于直流電動機調速、蓄電池充電、開關電源等方面，特別是在車輛驅動上，如電動汽車、地鐵、電氣機車、無軌電車、電叉車等。1.脈寬控制斬波頻率固定（即T不變），改變導通時間

ton實現(xiàn)

α變化、控制輸出電壓U0大小的方法稱為脈寬調制（直流PWM），又稱定頻調寬。

2.滯環(huán)控制滯環(huán)控制又稱瞬時值控制，是將期望值或波形作為參考值

，規(guī)定一個控制誤差e，當斬波器實際輸出瞬時值達指令值上限

+e時，關斷斬波器；當斬波器實際輸出瞬時值達指令值下限

-e時，導通斬波器，從而獲得圍繞參考值

U*在誤差帶2

e范圍內的斬波輸出。2.7.2BUCK電路Buck變換電路是一種降壓型DC-DC變換器，即其輸出電壓平均值恒小于輸入電壓E，主要應用于開關穩(wěn)壓電源，直流電機速度控制，以及需要直流降壓變換的環(huán)節(jié)。1．電流連續(xù)時電感電流連續(xù)iL時的有關波形及VT導通ton、關斷

toff兩工作模式下的波形。通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。

2．電流斷續(xù)時2.7.2BOOST電路Boost變換電路是一種升壓型DC-DC變換器，其輸出電壓平均值

Uo要大于輸入電壓E，主要用于開關穩(wěn)壓電源、直流電機能量回饋制動中。同樣根據(jù)功率開關器件VT的開關頻率、儲能電感L、濾波電容C的數(shù)值，電感電流

iL或負載電流

i0可能連續(xù)或斷續(xù)。

1．電流連續(xù)時

2．電流斷續(xù)時2.7.3BOOST-BUCK變換器1）輸出電壓Uo可以小于（降壓）、也可以大于（升壓）輸入電壓E；2）輸出電壓與輸入電壓反極性。Boost-Buck變換工作原理如下：1）當開關VT導通，二極管反偏截止時，輸入電壓E加在L上，電感從電源獲取能量，此時靠濾波電容C維持輸出電壓Uo不變，其極性為下正上負。2）當開關VT斷開時，電感L中儲能經(jīng)二極管VD向電容及負載傳輸。2.8DC-AC無源逆變電路2.8.1脈寬調制型（PWM）逆變電路基本原理1.單脈沖與多脈沖調制功率開關器件VT1、VT2之間及VT3、VT4之間作互補通、斷，則負載兩端A、B點對電源E負端的電壓波形

uA、uB均為180°的方波。若VT1、VT2通斷切換時間與VT3、VT4通斷切換時間錯開λ角，則負載上的輸出電壓

uAB得到調制，輸出脈寬為λ的單脈沖方波電壓。λ調節(jié)范圍為0～180°，從而使交流輸出電壓

uAB的大小可從零調至最大值，這就是電壓的單脈沖脈寬調制控制。2.正弦脈寬調制（SPWM）3.單極性與雙極性調制4.同步調制與異步調制2.8.2正弦脈寬調制方法1.采樣法2.指定諧波消去法指定諧波消去法是將逆變電路與負載作為一個整體進行分析，從消去對系統(tǒng)有害的某些指定次數(shù)諧波出發(fā)來確定SPWM波形的開關時刻，使逆變器輸出電壓接近正弦。

2.8.3電流滯環(huán)控制PWM電流滯環(huán)控制PWM是將負載三相電流與三相正弦參考電流相比較，如果實際負載電流大于給定參考電流，通過控制逆變器功率開關元件關斷使之減小；如果實際電流小于參考電流，控制功率開關器件導通使之增大。磁性材料與磁路第3章3.1磁性材料基本概念3.1.1電磁基本概念1.磁感應強度、磁場強度和磁導率磁感應強度定義為通以單位電流的單位長度導體在磁場中所受的力，是一個矢量，用B表示，單位為特斯拉(T)，也稱為磁通密度，或簡稱磁密。磁場強度也是一個矢量，用H表示，單位為A/m，與磁感應強度之間滿足

B＝

H

2．磁通與磁通連續(xù)性定理磁通是通過磁場中某一面積A的磁力線數(shù)，用

表示，定義為

3．磁動勢和安培環(huán)路定律磁場強度沿一路徑l的線積分定義為該路徑上的磁壓降，也稱為磁壓，用符號F表示，單位為A。安培環(huán)路定律：磁場強度沿任一閉合路徑的線積分等于該路徑所包圍的電流的代數(shù)和，即電流的正方向與積分路徑的方向之間符合右手螺旋關系。由于磁場為電流所激發(fā)，上式中閉合路徑所包圍的電流數(shù)稱為磁動勢，用F表示，單位為A。4．磁鏈與電磁感應定律處于磁場中的一個N匝線圈，若其各匝通過的磁通

都相同，則經(jīng)過該線圈的磁鏈

為當線圈中的磁鏈發(fā)生變化時，線圈中將產(chǎn)生電動勢，稱為感應電動勢。5．電磁力與電磁轉矩若將一導體置于磁場中，導體中通以電流i，則其將受到電磁力作用，電磁力的大小可表示為電磁力的方向可用左手定則確定。將左手伸開，使磁力線指向手心，拇指在手掌平面中與其他四指成90

角，其他四指指向電流的方向，則拇指所指方向就是電磁力的方向。在旋轉電機中，假設載流導體位于轉子上，則其所受的電磁力乘以導體與旋轉軸中心線之間的距離r(通常為轉子半徑)，就是電磁轉矩，即3.1.2磁路及其基本定理1．磁路

所謂磁路，就是磁通流過的路徑。磁路的基本組成部分是磁動勢源和磁通流過的物體，磁動勢源為永磁體或通電線圈。由于鐵磁材料的導磁性能遠優(yōu)于空氣，絕大部分磁通在鐵磁材料內部流通。將磁通和磁動勢的關系與電路中電流和電壓的關系類比，定義為該段磁路的磁阻若磁路中有n個磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn串聯(lián)，則等效磁阻為若磁路中有n個磁阻Rm1、Rm2、…、Rmn并聯(lián)，則等效磁阻為磁阻的倒數(shù)稱為磁導，用

表示

雖然電路和磁路雖然形式上類似，但在物理本質上有本質的區(qū)別：1）電路中的電流是運動電荷產(chǎn)生的，是實際存在的，是有始有終的，而磁路中的磁通僅僅是描述磁現(xiàn)象的一種手段，閉合磁路是沒頭沒尾的；2）電路中通過電流要產(chǎn)生損耗，但當鐵心中的磁通不變時不產(chǎn)生損耗；3）在溫度一定的前提下，導體的電阻率是恒定的，而導磁材料的磁導率隨其中磁場的變化而變化；4）導體和非導體的導電率之比可達1016，電流沿導體流動；而常用鐵磁材料的相對磁導率通常為103~105，磁場不只在鐵磁材料中存在，在非鐵磁材料中也存在。2．磁路的基本定理（1）磁路的基爾霍夫（克?；舴颍┑谝欢?/p>

對于圖中的節(jié)點a，在其周圍取一閉合面，根據(jù)磁通連續(xù)性定理，流入該閉合面的磁通的代數(shù)和恒等于零，即（2）磁路的基爾霍夫第二定律

一帶開口鐵心的電抗器，磁路中含有通電線圈、鐵心和氣隙。線圈匝數(shù)為N，流過的電流為i，取一條通過電抗器鐵心和氣隙中心線的閉合路徑，根據(jù)安培環(huán)路定律任何閉合磁路上的總磁動勢等于組成該磁路的各磁阻上的磁壓降之和，稱為磁路的基爾霍夫第二定律，是安培環(huán)路定律在等效磁路中的具體體現(xiàn)?！纠?-1】

有一鐵心，其尺寸見圖3-7，鐵心的厚度為0.1m，相對磁導率為2000，上面繞有1000匝的線圈，當線圈內通以0.8A的電流時，能產(chǎn)生多大磁通？解：用磁路的歐姆定律求解。取通過鐵心中心線的路徑為平均磁路。鐵心的上、下、左三邊寬度相同，可取為磁路1，右邊取為磁路2。磁路1的平均長度為l1=1.3m，截面積為A1=0.15

0.1=0.015m2

，則磁路1的磁阻為磁路2的平均長度為l2=0.45m，截面積為A2=0.1

0.1=0.01m2，則磁路2的磁阻為磁路的總磁阻為線圈的磁動勢為則產(chǎn)生的磁通為3.2常用鐵磁材料3.2.1磁化及磁滯1.磁化鐵磁材料包括鐵、鎳、鈷及它們的合金、某些稀土元素的合金和化合物、鉻和錳的一些合金等。從微觀角度看，在鐵磁材料內部存在著很多很小的具有確定磁極性的自發(fā)磁化區(qū)域，并且有很強的磁化強度，就相當于一個個超微型小磁鐵，稱之為磁疇。鐵磁材料的磁化過程可以用磁化特性來描述。鐵磁材料的在外磁場H作用下，磁感應強度B將發(fā)生變化，二者之間的關系曲線稱為磁化曲線，記為B=f(H)。相應地，還可以描繪磁導率與磁場強度的關系曲線，記為μ=f(H)，做磁導率曲線。2.磁滯電機中的鐵磁材料會進行周期性的交變磁化。在外磁場撤除后，磁疇的排列將不可能完全恢復到原始狀態(tài)，即初始隨機排列不復存在，對外也就會顯示出磁性。鐵磁材料中這種B的變化滯后于H的變化的現(xiàn)象被稱為磁滯。3.鐵心損耗鐵磁材料在交變磁場作用下的反復磁化過程中，磁疇會不停轉動，相互之間會不斷摩擦，因而就要消耗一定的能量，產(chǎn)生功率損耗。這種損耗稱為磁滯損耗。（1）磁滯損耗

磁滯損耗是磁疇之間相互摩擦而產(chǎn)生的損耗。在磁場變化的一個周期內，單位體積鐵心消耗的能量等于磁滯回線的面積，如圖中灰色部分所示，即磁滯回線的面積通?？捎媒?jīng)驗公式表示體積為V的鐵心所消耗的功率為（2）渦流損耗

根據(jù)電磁感應定律，鐵心內的磁場交變時，在鐵心內產(chǎn)生感應電動勢，由于鐵心為導電體，感應電動勢在鐵心中產(chǎn)生電流。這些電流在鐵心內圍繞磁通作旋渦狀流動，稱為渦流。渦流在鐵心中引起的損耗，稱為渦流損耗。體積為V的鐵心內產(chǎn)生的渦流損耗為（3）鐵耗

鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗之和，稱為鐵耗。3.2.2常用軟磁材料

（1）純鐵和低碳鋼

含碳量低于0.04％，包括電磁純鐵、電解鐵等。（2）鐵硅合金

含硅量為0.5％～4.8％，一般制成薄板使用，俗稱硅鋼片。（3）軟磁鐵氧體

軟磁鐵氧體為非金屬亞鐵磁性軟磁材料，其電阻率非常高(10-2～1010Ω·m)，但飽和磁化強度低，價格低廉，廣泛用于高頻電感和高頻變壓器。（4）非晶態(tài)軟磁合金

又稱非晶合金。其磁導率和電阻率高，矯頑力小，不存在由晶體結構引起的磁晶各向異性，具有耐腐蝕和強度高等特點?！纠?-2】對于例1-1中的鐵心，若其磁化曲線如圖，若鐵心內產(chǎn)生1.53

10-2Wb的磁通，所需電流多大？解：對于磁路1，流過

=1.53

10-2Wb的磁通時，磁密為

對于磁路2，流過Wb的磁通時，磁密為

該磁路上的磁壓為磁路所需磁動勢為所需勵磁電流為3.2.3永磁材料1．永磁材料的穩(wěn)定性（1）退磁曲線

磁穩(wěn)定性表示在外磁場干擾下永磁材料磁性能變化的大小，包括磁穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性。（2）熱穩(wěn)定性

隨著溫度的升高，磁性能逐步降低，升至某一溫度時，磁化強度消失，該溫度稱為該永磁材料的居里溫度

，又稱居里點，符號為K或℃。（3）化學穩(wěn)定性

受酸、堿、氧氣和氫氣等化學因素的作用，永磁材料內部或表面化學結構會發(fā)生變化，將嚴重影響材料的磁性能。

（4）時間穩(wěn)定性

永磁材料充磁以后在通常的環(huán)境條件下，即使不受周圍環(huán)境或其他外界因素的影響，其磁性能也會隨時間而變化，通常以一定尺寸形狀的樣品的開路磁通隨時間損失的百分比來表示，叫做時間穩(wěn)定性，或稱自然時效。2．常用永磁材料（1）鋁鎳鈷(A1NiCo)永磁材料鋁鎳鈷永磁材料有粉末燒結和鑄造兩種。鑄造型的磁性能較高，更為常用。粉末燒結型的工藝簡單，可直接壓制成所需形狀。

（2）鐵氧體永磁材料（非金屬永磁材料）主要是鋇鐵氧體（BaO-6Fe2O3)和鍶鐵氧體（SrO-6Fe2O3），兩者磁性能相差不多，而鍶鐵氧體的

值略高于鋇鐵氧體，更適于在電機中使用。（3）釹鐵硼永磁材料

釹鐵硼永磁材料的

高達1.47T，

可達992kA/m，

高達397.9kJ/m3，是目前磁性能最高的永磁材料。（4）粘結永磁材料

粘結永磁材料是用樹脂、塑料或低熔點合金等材料為粘結劑，與永磁材料粉末均勻混合，然后用壓縮、注射或擠壓成形等方法制成的一種復合型永磁材料。3.2.4電機磁性材料的測試1.硅鋼測試磁學性能：測試鐵損值、磁感應強度。力學性能：抗拉強度、伸長率。組織結構測試：利用X射線衍射（XRD）和電子背散射衍射技術（EBSD）測試硅鋼取向，利用掃描電鏡測試、透射電鏡測試和力學性能測試對硅鋼固溶強化研究提供實驗支持?；瘜W成分測試：采用輝光放電質譜法（GDMS）和碳硫試驗儀測試硅鋼中C、N等雜質的含量。2.永磁材料測試磁性能：測試永磁體的退磁曲線和回復線。力學性能：永磁體的拉伸性能、斷裂韌性、高周疲勞性能測試。環(huán)境實驗：永磁體的耐腐蝕試驗。化學成分測試：采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）法測定永磁體中元素的含量，采用GDMS法測試永磁體中的雜質含量。組織結構測試：采用XRD和EBSD測試磁體晶體取向。3.電刷和換向器材料測試電性能：測試導電率，接觸電壓降，電流密度。力學性能：測試硬度，摩擦系數(shù)和耐磨性（50小時磨損）。4.

電機殼體材料測試力學性能：斷裂韌性測試、焊接強度測試。環(huán)境實驗：耐高溫試驗，耐腐蝕試驗。熱學性能：導熱系數(shù)測試。無損檢測：鑄造殼體和焊縫的宏觀組織缺陷檢測。5.漆包線測試漆包線檢測方法標準主要有GB/T4909、GB/T4074、GB/T5584、GB/T3953、GB/T3952、GB/T6108。檢測漆包線的產(chǎn)品標準為GB/T6109和GB/T7095。機械性能測試：伸長率測試、回彈角實驗、拉伸力測試、彎曲力測試、耐刮性實驗。耐熱性能測試：熱老化試驗、熱沖擊試驗、耐熱軟化擊穿試驗。電氣試驗：直流電阻、擊穿電壓、漆膜連續(xù)性、針孔試驗。耐化學試驗：測試耐酸、耐堿、耐鹽霧、耐潮濕、耐油、耐溶劑、耐冷媒、耐輻射性能。3.3機電能量轉換3.3.1機電能量轉換基本原理電磁式機電能量轉換裝置的工作基于三大定律：?電磁感應定律?電磁力定律?能量守恒定律電機內部在進行能量形態(tài)的轉換過程中，存在著電能、機械能、磁場儲能和熱能四種能量形態(tài)。根據(jù)能量守恒原理，在實際電機中，即不忽略損耗時，這四種能量之間存在著下列平衡關系±機械能Wmec=磁場儲能增量△Wm+熱能損耗PT±電能We3.3.2電感及儲能1.電感

在當線圈所在磁路由磁導率恒定的材料制成或磁路的主要組成部分為空氣，即磁路不飽和時，電感定義為線圈中流過單位電流所產(chǎn)生的磁鏈。（1）自感和互感

繞有兩個線圈的磁路，線圈內電流的方向使二者產(chǎn)生的磁通方向相同，則磁路上的總磁動勢為

（2）漏電感

線圈1中的電流實際上產(chǎn)生的磁通

1分成兩部分，一部分是在鐵心內同時交鏈線圈1和線圈2的磁通

，稱為主磁通；一部分是只交鏈線圈1的磁通

，稱為線圈1的漏磁通。

2．磁場儲能磁場是一種特殊形式的物質，能夠儲存能量，這部分能量是在磁場建立過程中由外部電源輸入的能量轉化而來的，稱為磁場儲能或磁場能量。

汽車直流電機第4章4.1汽車直流電機的原理直流電機分為直流發(fā)電機和直流電動機。1.直流發(fā)電機工作原理在發(fā)電機狀態(tài)，在外力作用下，線圈abcd切割磁力線產(chǎn)生感應電動勢。當線圈順時針方向旋轉90°時，導體cd從S極切換到N極，導體ab從N極切換到S極，兩導體中的電動勢在此時都改變了方向。2.直流電動機工作原理導體ab的受力方向是從右向左，導體cd的受力方向是從左向右，兩者合成產(chǎn)生逆時針方向的轉矩，使電樞逆時針方向轉動。當電樞轉過90°時，導體cd從S極切換到N極，導體ab從N極切換到S極。當電樞轉過180°時，導體cd正好在N極下，導體ab也正好位于S極上。3.電機的可逆原理作為發(fā)電機運行時，用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，機械能從電機軸上輸入，從電刷端輸出直流電壓，將機械能轉換成電能。作為電動機運行時，在電刷端加直流電壓，將電能輸入電機，從電機軸上輸出機械能，拖動機械負載工作，將電能轉換成機械能。4.2汽車直流電機的結構旋轉的直流電機總體結構可以分成兩大部分：靜止部分(稱為定子)和旋轉部分(稱為轉子)。定子和轉子之間存在間隙(稱為空氣隙)。4.2.1定子定子由主磁極、換向極、機殼、端蓋和電刷裝置等組成。

1.主磁極2.換向極磁極大中型的直流電機，通常要在相鄰兩主磁極之間裝設換向極，又稱附加極或間極，其作用是改善換向。直流電機的換向極也由鐵心和繞組構成。3.機座直流電機的機座有兩方面的作用：一是作機械支撐；二是用于散熱（鋁制）或者導磁（鐵制）。4.電刷裝置電刷裝置包括電刷和刷握座。電刷裝置是將直流電流引入或引出的裝置。電刷放在刷握里，用彈簧壓緊在換向器上，電刷上有銅絲辮，可以引入電流。4.2.2轉子轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸等組成。1.電樞鐵心

電樞鐵心有兩方面作用：一是作為主磁路的一部分，即導磁；二是用于嵌放電樞繞組，即放置繞組。2.換向器換向器也是直流電機的重要部件。在直流發(fā)電機中，換向器將繞組內的交變電動勢轉換為電刷兩端的直流電動勢；在直流電動機中，換向器將電刷上所通過的直流電流轉換為繞組內的交變電流。3.電樞繞組轉子上的繞組是直流電動機能量轉換的樞紐繞組，稱之為電樞繞組。電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律排列和連接而成，是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉矩以實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件。線圈用絕緣圓形線或扁銅線繞制而成，稱為元件。4.2.3電樞繞組形狀完全相同的多匝或單匝漆包線繞制在一起稱為元件或線圈，電樞繞組由許多元件(或線圈)按一定規(guī)律排列和連接而成。元件既可以是單匝，也可以是多匝。每個元件有兩個出線端，一個稱為首端，另一個稱為末端。同一個元件的首端和末端分別接到兩個不同的換向片上。電樞繞組的元件數(shù)等于換向片數(shù)，即S=K，其中K為換向片數(shù)，S為元件數(shù)或槽數(shù)。直流電機的繞組一般都是雙層繞組，即每個槽內有上下兩層。Qu=uQ=S=K1.的電樞繞組的節(jié)距節(jié)距是兩個元件邊跨過的距離，由于實際距離與電機尺寸有關，因此通常用跨過虛槽的個數(shù)表示。（1）第一節(jié)距y1（2）第二節(jié)距y2利用同一換向片串聯(lián)起來的兩個元件中，第一元件的下元件邊與第二元件的上元件邊之間在電樞表面上的距離稱為第二節(jié)距，也用槽數(shù)表示。（3）換向器節(jié)距yk

每一元件的兩端所接的兩片換向片之間在換向器表面上所跨的距離稱為換向器節(jié)距yk，用換向片數(shù)表示。2.單疊繞組單疊繞組的連接規(guī)律是，所有相鄰元件依次串聯(lián)，后一個元件的首端與前一個元件的末端連在一起并接到同一個換向片上，最后一個元件的末端與第一個元件的首端連在一起，構成一個閉合回路。例：以2p=4，S=K=Qu=12，u=1為例，說明單疊繞組的連接規(guī)律和特點。計算各節(jié)距。第一節(jié)距y1繞組展開圖繪制步驟是：第一步，先畫12根等長等距的實線，代表各槽上層元件邊；再畫16根等長等距的虛線，代表各槽下層元件邊，虛線與實線靠近，表示位于一個槽內。第二步，放置主磁極。第三步，將1號元件的上層邊放在1號槽(實線)并與1號換向片相連，其下層邊放在4號槽(y1=3)的下層(虛線)。第四步，放置電刷。1）位于同一個極下的各元件串聯(lián)起來組成了一條支路，即并聯(lián)支路對數(shù)等于極對數(shù)。2）當元件幾何形狀對稱時，電刷應放在主磁極中心線上，此時正、負電刷間感應電動勢最大，被電刷所短路的元件內感應電動勢為零。3）電刷組數(shù)等于磁極數(shù)。3.單波繞組單波繞組的繞制是呈波浪線一直向前的，其連接規(guī)律是從某一換向片出發(fā)，把相隔約為一對極距的同極性磁極下對應位置的所有元件串聯(lián)起來，沿電樞和換向器繞一周之后，恰好回到出發(fā)換向片的相鄰一片上，然后從該換向片出發(fā)，繼續(xù)繞連，直到全部元件串聯(lián)完，最后回到開始的換向片，構成一個閉合回路。例：已知電機極數(shù)2p=4，槽數(shù)和換向片均為15，繞制一個單波左行繞組。節(jié)距計算：可以總結出，單波繞組具有以下特點:1）同極性下各元件串聯(lián)起來組成一條支路，并聯(lián)支路對數(shù)a=1，與極對數(shù)p無關。2）當元件的幾何形狀對稱時，電刷放在主磁極中心線上，正、負電刷間感應電動勢最大。3）電刷組數(shù)也應等于磁極數(shù)。4.2.4直流電機的勵磁根據(jù)直流電機電樞繞組繞制方法不同可以分為單疊繞組、單波繞組、復疊繞組和復波繞組。按照勵磁方式的不同，直流電機可以分為永磁電機、電勵磁電機和混合勵磁電機。串勵電動機：1）輸出的電磁轉矩M=KIs2。2）輕載時，電樞電流與勵磁電流小，轉速高；而重載時，電樞電流與勵磁電流大，轉速低。4.3汽車直流電機的電磁特性4.3.1直流電機的磁場1.空載時的電機氣隙磁場直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小，可以不計其對勵磁磁場影響的一種運行狀態(tài)。將勵磁繞組產(chǎn)生的磁動勢稱為勵磁磁動勢，那么直流電機空載時的氣隙磁場可以認為是主磁場，即勵磁磁動勢單獨建立的磁場。不考慮齒槽影響時，直流電機一個極下的空載磁通密度分布。如果不計鐵磁材料中的磁壓降，則勵磁磁動勢全部加在氣隙中，因此，在極下方氣隙小處，氣隙中沿電樞表面上各點磁通密度較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁力線顯著減小，至兩極間的幾何中性線磁通密度幾乎為零。2.負載時的電機電樞磁場當直流電機帶負載時，電樞繞組中有電流通過，該電流也會產(chǎn)生磁場，稱之為電樞磁場。它與主磁場相互作用，會使空載磁場波形扭曲。電樞磁場對主磁場的影響稱為電樞反應。3.負載時的電機氣隙合成磁場電樞反應的存在對氣隙磁場產(chǎn)生了以下影響：1）使氣隙磁場發(fā)生畸變。2）使物理中心線線發(fā)生偏移。3）當磁路飽和總體上有去磁作用。4）使鐵心損耗增加和反電勢波形發(fā)生畸變。4.3.2直流電機的感應電動勢和電磁轉矩

作以下假設:1）電樞表面光滑無槽2）電樞繞組的元件在電樞表面均勻連續(xù)分布3）線圈為整距繞組4）電刷位于幾何中性線上1.多個元件的電刷電勢根據(jù)法拉第電磁感應定律，導體切割磁通產(chǎn)生的電勢為對已制成的電機，l為定值，若電樞轉速n恒定，則v亦為常值，所以

。經(jīng)換向器換向后，電刷間電勢雖然方向不變，但卻有很大的脈動，稱其為脈動電勢。2.感應電動勢一個極距內氣隙磁通密度沿電樞表面的分布曲線。eav=Bavlv

Ea=N'eav=N'BavlvN'=Za/(2a)Ea=CeΦnEa=Ken3.電磁轉矩4.3.3直流電機的基本方程1.直流發(fā)電機的電壓平衡方程

2.直流發(fā)電機的功率平衡方程

1）機械損耗

，包括軸承、電刷摩擦損耗，空氣摩擦損耗以及通風損耗等。2）鐵耗

，電樞鐵心中磁場交變產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗。3）雜散損耗

，又稱附加損耗，包括主磁場脈動和畸變引起的鐵耗、漏磁場在金屬緊固件中產(chǎn)生的鐵耗和換向元件內的附加損耗等。

發(fā)電機的功率平衡方程為3.直流發(fā)電機的轉矩平衡方程4.直流電動機的電壓平衡方程

5.直流電動機的功率平衡方程6.直流電動機的轉矩平衡方程

為由機械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的制動轉矩。7.直流電機可逆性分析電動汽車電機作為發(fā)電機運行時，電樞電動勢

，電樞將向蓄電池輸出電流，這就是發(fā)電機狀態(tài)。此時電樞電流

與

的方向一致，電磁轉矩的方向與轉向相反，是制動性質，汽車的慣量作為驅動轉矩克服了制動的電磁轉矩，機械能就轉換為電能并向蓄電池充電。電機驅動電動汽車運行時，電機旋轉轉速引起的電樞電動勢

，此時電機將從蓄電池輸入電流。相應地，電磁轉矩將成為驅動轉矩，于是電機就進入電動機狀態(tài)。4.3.4直流電機的運行特性1.直流發(fā)電機的空載特性空載特性是指轉速

常值，輸出電流

時，電樞的空載端電壓與勵磁電流之間的關系

。電機空載時，電樞電流為零或很小，可以認為發(fā)電機的空載端電壓

就是空載感應電動勢

，因此

正比于主磁通，所以空載特性

與磁化曲線的縱坐標之間僅相差一個比例常數(shù)，空載特性實質上就是電機的磁化曲線?？蛰d特性常用來確定磁路的飽和程度。2.直流發(fā)電機的外特性外特性是一條隨負載電流增大而下降的曲線。發(fā)電機端電壓隨負載電流變化而變化的程度可用額定電壓調整率

來衡量，定義為：當、時，發(fā)電機從額定負載過渡到空載時的電壓變化率，即

3.直流發(fā)電機的調節(jié)特性調節(jié)特性是指

常值時，隨著負載電流I的變化，保持

常值時勵磁電流的調節(jié)規(guī)律4.直流電動機的轉速特性直流電動機的運行特性主要包括轉速特性、轉矩特性、機械特性(即轉速一轉矩特性)、效率特性等，它們與勵磁方式直接相關。如果直流電動機在工作過程中負載增大(M<Mz)，就會出現(xiàn)如下的變化：N↓→Ef↓→Is↑→M↑→M＝Mz于是，電動機在新的轉速下穩(wěn)定運轉。如果直流電動機的工作負載減小(M>Mz)，則出現(xiàn)如下的變化：N↑→Ef↑→Is↓→M↓→M＝Mz電動機又在新的轉速下穩(wěn)定運轉。如果他勵直流電動機在運行過程中勵磁回路斷開的話，將會使氣隙磁通驟然下降到剩磁磁通，感應電動勢很小。由于機械慣性的作用，轉速不能突然改變，電樞電流急劇增大，會出現(xiàn)兩種情況：1）若電動機重載，所產(chǎn)生的電磁轉矩小于負載轉矩，轉速下降，電動機減速直至停轉，停轉時，電樞電流為起動電流，引起繞組過熱將電機燒毀；2）電機輕載，所產(chǎn)生的電磁轉矩遠大于負載轉矩，使電動機迅速加速，造成“飛車”。這兩種情況都是非常危險的。5.直流電動機的轉矩特性他勵直流電動機的轉矩特性是指外加電壓和勵磁電流為額定值時，電磁轉矩與電樞電流之間的關系

。6.直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性是指當電動機加上一定的電壓U和一定的勵磁電流

時，轉速與電磁轉矩之間的關系，即

，是電動機的一個重要特性。7．直流電機的效率特性效率是指輸出功率與輸入功率之比。直流電機的效率特性定義是：在n=nN、U=UN時發(fā)電機的效率與負載的關系曲線（實際上電壓U將隨負載變化而變化，因變化不大，可近似認為U=UN）。附加損耗pad

又稱做雜散損耗包括：1）結構部件在磁場內旋轉而產(chǎn)生的損耗；2）因電樞齒槽影響，當電樞旋轉時，氣隙磁通發(fā)生脈動而在主極鐵心和電樞鐵心中產(chǎn)生的脈動損耗;3）因電樞反應使磁場畸變而在電樞鐵心中產(chǎn)生的損耗；4）由于電流分布不均勻而增加的電刷接觸損耗；5）換向電流所產(chǎn)生的損耗。4.4直流電機的調速控制1.調節(jié)氣隙磁通調速這種方法又稱為弱磁法。2.電樞回路串電阻這種方法是在外加電壓和每極磁通不變的條件下，在電樞回路中串入電阻。電樞回路串聯(lián)電阻調速方法最主要的缺點是調速時電機的效率低。改變電樞電路中外電阻的方法第二個其缺點是調速范圍小，且只能進行有級調速，故這種在電動汽車直流電動機中，一般不用這個方法。3.調節(jié)電樞電壓當勵磁電流和電樞回路總電阻都保持不變、僅改變電樞端電壓時，機械特性曲線是一組與固有機械特性平行的直線。

交流電機繞組和磁場第5章5.1汽車交流電機的原理和結構5.1.1電動勢的產(chǎn)生5.1.2交流電機結構l.轉子通電的勵磁繞組5產(chǎn)生磁場，通過兩塊爪極3和轉子鐵心4把軸向的磁場引導到定子所在的徑向上。轉子鐵心也稱為磁軛，磁軛和兩塊爪極壓裝在帶有滾花工藝的轉子軸上。磁場繞組的兩引出線分別焊接在與軸絕緣的兩個銅制滑環(huán)上，兩個電刷與滑環(huán)接觸，將直流電源引入磁場繞組。2．定子發(fā)電機的定子是發(fā)電機實現(xiàn)動能轉化為電能的關鍵部分，又稱為電樞，其作用是發(fā)電，它由定子鐵心和對稱的三相電樞繞組組成。定子鐵心由沖壓的內側帶槽的環(huán)狀硅鋼片疊加后焊接或者鉚接而成，各硅鋼片之間用絕緣漆絕緣。3.整流器交流發(fā)電機的整流器也可稱為整流橋，作用是把發(fā)電機發(fā)出的三相交流電變?yōu)橹绷麟?。整流器?只硅二極管和組成。整流橋由上橋板、下橋板、上整流管、下整流管和連線、螺栓等附件組成，正負極板之間有絕緣材料絕緣。4.端蓋端蓋的作用是固定電機本身和電機零部件的位置。交流發(fā)電機的前后端蓋由鋁合金鑄成，鋁合金為非導磁材料，可減少漏磁，并具有重聲量輕、散熱性好的優(yōu)點。5．電刷組件在后端蓋內裝有電刷組件，電刷組件包括電刷、電刷架和電刷彈簧。電刷架有兩種形式，一種是外裝式，從發(fā)電機的外部拆下電刷彈簧蓋板即可拆下電刷；另一種是內裝式，需拆開發(fā)電機后才能拆下電刷。6．風扇、皮帶輪為提高發(fā)電機的效率、減小發(fā)電機的體積，現(xiàn)在的發(fā)電機多在轉子爪極兩側安裝兩個風扇葉片，這樣空氣由發(fā)電機轉子的兩側進入，從發(fā)電機定子繞組外側流出，擁有兩個通風道，冷卻效果好，又稱為雙風道內風扇發(fā)電機。5.2交流電機的繞組5.2.1交流繞組基本理論交流繞組有多種分類方法。按相數(shù)可分為單相、兩相、三相和多相繞組；按槽內層數(shù)可分單層、雙層繞組、單雙層繞組和混合繞組，雙層繞組又分為疊繞組和波繞組，單層繞組又分為交叉式、同心式和鏈式等；按每極每相槽數(shù)可分為整數(shù)槽和分數(shù)槽繞組。雖然交流繞組種類較多，但它們的構成原則基本相同，基本要求是：1）電動勢和磁動勢波形要接近正弦波，在一定導體數(shù)下力求獲得較大基波電動勢和基波磁動勢。2）三相繞組的電動勢和磁動勢必須對稱，電阻和電抗要平衡。3）繞組銅耗小，用銅量少。4）絕緣可靠，機械強度高，散熱條件要好，制造和嵌線方便。1.電角度與機械角度

電機中，若磁場在空間按正弦波分布，則經(jīng)過一對極后磁場變化一個周期。電路理論中認為一個周期為360°電角度，因此電機理論中將一對極所對應的空間角度定義為360°電角度。電角度=p×機械角度2.節(jié)距一個線圈的兩個邊所跨的定子槽數(shù)稱為節(jié)距，用y1表示，y1

應接近極距τ

。用槽數(shù)表示時，極距τ定義為3.槽距角用電角度表示的相鄰兩槽之間的距離稱為槽距角，用α表示.4.相帶

為保證電樞三相繞組產(chǎn)生大小相等、相位差120°的對稱電動勢。為了使繞組對稱，通常令每個極面下每相繞組所占的范圍相等，這個范圍稱為相帶。由于一個極對應180°電角度，若電機相數(shù)為m，則每個相帶的寬度為180°/m，通常三相電機的相帶為60°電角度，按60°相帶排列的繞組稱為60°相帶繞組。5.每極每相槽數(shù)

每相在每極下占有相等的槽數(shù)，即每個相帶所占有的槽數(shù)，稱為每極每相槽數(shù)，用q表示5.2.2三相單層繞組

1.同心式

同心式繞組由不同節(jié)距的同心線圈組成，下面以2極、三相、24槽電機為例說明。每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY一對極23，24，1，23，4，5，67，8，9，1011，12，13，1415，16，17，1819，20，21，222.鏈式繞組鏈式繞組的各個線圈具有相同的節(jié)距，各個線圈之間的連接是一環(huán)套一環(huán)，從外形看如同鐵索鏈，因此被稱為鏈式繞組。鏈式繞組的節(jié)距恒為奇數(shù)。下面以6極、三相、36槽電機為例說明。其每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY第一對極36，12，34，56，78，910，11第二對極12，1314，1516，1718，1920，2122，23第三對極24，2526，2728，2930，3132，3334，353.交叉式繞組

交叉式繞組是從鏈式繞組演變而來的，采用不等距線圈。下面以4極、三相、36槽電機為例說明，每極每相槽數(shù)為相帶AZBXCY第一對極35，36，12，3，45，6，78，9，1011，12，1314，15，16第二對極17，18，1920，21，2223，34，2526，27，2829，30，3132，33，345.2.3三相雙層繞組1．雙層繞組的特點雙層繞組在每一個槽內有上、下兩個線圈邊，每個線圈的一個邊嵌放在某一個槽的上層，另一個邊則嵌放在另一個槽的下層，兩者之間相隔y1個槽。1）線圈尺寸和形狀相同，便于制造。2）端部形狀排列整齊，有利于散熱和增加機械強度。3）可以利用短距繞組節(jié)約銅材。4）合理選擇節(jié)距和采用分布的方法，可以改善電動勢和磁動勢波形。2.槽電動勢星形圖和相帶劃分交流電機的分析可以借助于槽電動勢星形圖。相鄰兩槽在空間上相距α

電角度，因而對應的導體內的感應電動勢相差α電角度。當把各槽內導體按正弦規(guī)律變化的感應電動勢用相量表示時，這些相量構成一個輻射星形圖，稱為槽電動勢星形圖可以清晰地表示各槽內導體電動勢之間的相位關系，據(jù)此可劃分相帶和繪制繞組展開圖。3.槽電動勢星形圖的繪制

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，求得每極每相槽數(shù)q和槽距角α分別為因各槽在空間互差20°電角度，所以相鄰槽中導體的感應電動勢在時間上相差20°電角度。將1號槽內電動勢的相位設為0°，則2號槽內電動勢滯后于1號槽內電動勢20°。依此類推，一直到18號槽滯后1號槽360°，經(jīng)過了一對極，在槽電動勢星形圖上正好轉過一周。19號槽與1號槽完全重合，因為它們在磁極下處于對應的位置，所以它們的感應電動勢同相位。從19號至36號槽，又經(jīng)過了一對極，在電動勢星形圖上又轉過一周。一般來講，對于每極每相整數(shù)槽繞組，如電機有

對極，則有

個重疊的槽電動勢星形。

相帶AZBXCY第一對極1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，18第二對極19，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，363.繞組展開圖的繪制

繞組展開圖的繪制是根據(jù)分相的結果，把屬于各相的導體按一定規(guī)律連接起來，組成對稱三相繞組。根據(jù)線圈的形狀和連接規(guī)律的不同，雙層繞組也可分為疊繞組和波繞組兩類。疊繞組的優(yōu)點是短距時能節(jié)省端部用銅及得到較多的并聯(lián)支路，缺點是線圈組間連接線較長，在線圈組較多時浪費銅材，主要用于10kW以上的交流電機定子繞組。5.2.4發(fā)卡繞組即使圓線繞組在定子槽內排列非常緊密，兩根繞組之間的接觸面從剖面圖來看也僅為點接觸，而發(fā)卡繞組中繞組橫截面為長方形，繞組之間的接觸為面接觸，面積比較大。因此發(fā)卡繞組的槽滿率較高，進而它具有更大的電負荷和功率密度。5.3正弦磁場下交流繞組的感應電動勢5.3.1導體的感應電動勢導體的感應電動勢主極磁場在氣隙空間內按正弦分布，可以近似為2.感應電動勢的頻率導體中感應電動勢的頻率與轉子的轉速和磁極的極數(shù)有關，若電機為2極電機，轉子轉一周為一個周期，感應電動勢交變一次，設轉子每分鐘轉n轉(即每秒

轉)，則導體中電動勢交變的頻率應為

，若電機有p對極，則轉子每旋轉一周，感應電動勢將交變p次，感應電動勢的頻率為3.導體感應電動勢有效值5.3.2整距線圈的感應電動勢5.3.3短距線圈的感應電動勢當線圈采用短距時感應電動勢應為5.3.4線圈組的電動勢因每極下（雙層繞組）或每對極下（單層繞組）每相有一個線圈組，每個線圈組由q個線圈串聯(lián)組成，相鄰線圈在空間相差α電角度。5.3.5相電動勢和線電動勢電機有2p個極，這些極下屬于一相的線圈組根據(jù)需要串聯(lián)或并聯(lián)起來組成一相繞組。由電路理論可知，把一相中所串聯(lián)的線圈組電動勢相加即為一相的電動勢，將每相串聯(lián)總匝數(shù)簡寫為N，則一相繞組的電動勢為5.4交流發(fā)電機工作特性l.空載特性空載特性是指發(fā)電機空載時，發(fā)電機端電壓U與發(fā)電機轉速n之間的關系。即：負載電流

時，

曲線。2．外特性外特性是指發(fā)電機轉速一定時，發(fā)電機的端電壓與輸出電流之間的關系。即：n=C時，

的曲線。發(fā)電機在某一穩(wěn)定的轉速下的Rz為一定值，如果E是穩(wěn)定的，則發(fā)電機的端電壓U將隨輸出電流增大而呈直線下降。交流發(fā)電機的端電壓與電動勢及輸出電流的關系為：（1）發(fā)電機的電樞反應增強

（2）勵磁電流減小