電動汽車驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1、電動汽車驅(qū)動電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理新能源電動汽車1. 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。運(yùn)行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，運(yùn)行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐。 無刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器組成。如圖所示，無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖。無刷直流電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖1-電機(jī)定子 2-電機(jī)轉(zhuǎn)子 3-位置傳感器 4-軸承1. 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 主轉(zhuǎn)子是電機(jī)本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生勵磁磁場的部件，它由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。1-永磁體 2-轉(zhuǎn)子鐵芯 3-轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子

2、結(jié)構(gòu) 永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。無刷直流電機(jī)常采用的永磁材料有下列幾種：鋁鎳鈷、鐵氧體、釹鐵硼及高磁能積的稀土鈷永磁材料等。導(dǎo)磁材料一般用硅鋼、電工純鐵或1J50坡莫合金等。如圖(a)和(b)所示。第一種結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)子鐵心外表面粘貼瓦片形磁鋼，稱為凸極式；第二種結(jié)構(gòu)是磁鋼插入轉(zhuǎn)子鐵心的溝槽中，稱為內(nèi)嵌式或隱極式。1. 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子是電機(jī)本體的靜止部分，由導(dǎo)磁的定子鐵心、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵心和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機(jī)殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。定子是無刷直流電動機(jī)的電樞。某電機(jī)拆解后定子鐵芯如圖所示。某電機(jī)拆解后定子鐵芯

3、 定子鐵心一般由硅鋼片疊成，取用硅鋼片的目的是為了減少主定子的鐵耗。硅鋼片沖成帶有齒槽的環(huán)形沖片，在槽內(nèi)嵌放電樞繞組，槽數(shù)視繞組的相數(shù)和極對數(shù)而定。為減少鐵心的渦流損耗，沖片表面涂絕緣漆或磷化處理。為了減少噪聲和寄生轉(zhuǎn)矩，定子鐵心采用斜槽。在疊裝后的鐵心槽內(nèi)放置槽絕緣和電樞線圈，然后整形、浸漆，最后把主定子鐵心壓人機(jī)殼內(nèi)。有時為了增加絕緣和機(jī)械強(qiáng)度，還需要采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封。1. 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子鐵中安放著對稱的多相繞組，可接成星形或封閉形（角形），各相繞組分別與電子開關(guān)線路中的相應(yīng)晶體管相連接。電子開關(guān)線路有橋式和非橋式兩種。如圖所示：表示常用的幾種電樞繞組連接方式，其中圖(a)、(b

4、)是非橋式開關(guān)電路，其它是橋式開關(guān)電路。 電樞繞組連接方式1. 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 無刷直流電機(jī)一般采用霍爾元件作為位置傳感器，由于無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子是永磁的，就可以很方便地利用霍爾元件的“霍爾效應(yīng)”檢測轉(zhuǎn)子的位置。圖4-12表示四相霍爾無刷直流電動機(jī)原理圖。 四相霍爾無刷直流電動機(jī)原理圖 如圖所示：兩個霍爾元件H1和H以間隔90電角度粘于電機(jī)定子繞組A和B的軸線上，并通上控制電流，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼兼作位置傳感器的轉(zhuǎn)子。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時磁鋼N極和S極輪流通過霍爾元件H1和H，因而產(chǎn)生對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置的兩個正的和兩個負(fù)的霍爾電勢，經(jīng)放大后去控制功率晶體管導(dǎo)通，使四個定子繞組輪流切換電流?；魻枱o刷直流電動機(jī)

5、結(jié)構(gòu)簡單，體積小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，對環(huán)境及工作溫度有定要求，耐震差。2. 直流電機(jī)的工作原理 無刷直流電機(jī)的工作原理：如圖所示，直流電源給開關(guān)線路（驅(qū)動器）供電，驅(qū)動器根據(jù)位置傳感器反饋的轉(zhuǎn)子極性和轉(zhuǎn)速信號，控制驅(qū)動器內(nèi)的晶體管開關(guān)，給電機(jī)定子三相繞組提供方波電源，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4-13 無刷直流電機(jī)的工作原理框圖直流電源位置傳感器電動機(jī)開關(guān)線路輸出2. 直流電機(jī)的工作原理 無刷直流電機(jī)定子的三相繞組有星形聯(lián)結(jié)方式和三角聯(lián)結(jié)方式，如圖所示為定子繞組聯(lián)結(jié)方式，后面將以常用的三相星形聯(lián)結(jié)作為模型，說明其工作原理。定子繞組聯(lián)結(jié)方式 如圖所示顯示了定子繞組聯(lián)結(jié)方式，三個極繞組通過

6、中心的連接點(diǎn)以”Y”型的方式被聯(lián)結(jié)在一起。整個電機(jī)就引出三根線通電時，有6種情況，分別是AB、AC、BC、BA、CA、CB的順序。2. 直流電機(jī)的工作原理 AC相通電第一階段：AB相通第二階段：AC相通電 AB相通電第三階段： BC相通電BC相通電2. 直流電機(jī)的工作原理其中第二、三階段原理與第一階段相同，可以類推，轉(zhuǎn)子永磁體的狀態(tài)如圖所示：轉(zhuǎn)子永磁體狀態(tài)圖每個過程轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60，6個過程即完成了完整轉(zhuǎn)動，其中6次換相。對于多級的無刷直流電機(jī)工作原理與上述單級原理類似，相當(dāng)于每轉(zhuǎn)換相次數(shù)增加，通電頻率提高。3. 無刷直流電機(jī)的特點(diǎn) 具有傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時又取消了碳刷、滑環(huán)結(jié)構(gòu)；體積小、重量

7、輕、出力大，適合中小功率電機(jī)；控制較為簡單，無級調(diào)速，調(diào)速范圍廣，過載能力較強(qiáng)；效率較高，可靠性較高，維修與保養(yǎng)簡單，成本較低低；有一定噪音和振動。無刷直流電機(jī)的特點(diǎn)1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機(jī)（permanent magnet synchronous motor，簡稱PMSM），圖1 的永磁同步電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。永磁同步電機(jī)切面如圖2所示。圖1 永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu) 圖2 永磁同步電機(jī)切面圖定子鐵芯和定子繞組構(gòu)成1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 永磁同步電機(jī)由定子鐵芯和定子繞組，用于產(chǎn)生同步旋轉(zhuǎn)磁場。定子的作用是在電機(jī)工作過程中產(chǎn)生磁場。向三相定子繞組通入對稱三相交流電

8、后，就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。三相永磁同步電機(jī)與三相交流異步電機(jī)的定子，定子鐵芯和定子繞組構(gòu)成如圖所示，在結(jié)構(gòu)上區(qū)別不大。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子如圖所示，主要有永久磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)第一種形式：安裝一個永磁體磁極的轉(zhuǎn)子，永磁體磁極安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯圓周表面上，稱為表面凸出式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向如圖所示：表貼式1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)第二種形式：永磁體磁極嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯表面，稱為表面嵌入式永磁轉(zhuǎn)子。磁極的極性與磁通走向如圖所示：圖4-24 表面嵌入式1. 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)第三種形式：在較大的

9、電機(jī)用得較多是在轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入永磁體，稱為內(nèi)埋式永磁轉(zhuǎn)子（或稱為內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子或內(nèi)嵌式永磁轉(zhuǎn)子），永磁體嵌裝在轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部，鐵芯內(nèi)開有安裝永磁體的槽，永磁體的布置主要方式如圖所示，在每一種形式中又有采用多層永磁體進(jìn)行組合的方式。內(nèi)嵌式2. 永磁同步電機(jī)的工作原理 永磁同步電機(jī)內(nèi)一般安裝有旋轉(zhuǎn)變壓器（旋變），如圖所示，是一種電磁式傳感器，用于檢測轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速。旋變的原理基本上和變壓器是一樣的。旋變原理圖2. 永磁同步電機(jī)的工作原理 永磁同步電機(jī)的旋變采用磁阻式旋變，其轉(zhuǎn)子就是一個轉(zhuǎn)子鐵芯，沒有轉(zhuǎn)子繞阻。轉(zhuǎn)子用鐵芯制成特殊形狀，根據(jù)轉(zhuǎn)子鐵芯與定子鐵芯之間間隙，而使輸出電壓發(fā)生振幅變化（振幅變調(diào)型

10、），如圖所示。永磁同步電機(jī)的旋變旋變輸出電壓振幅變化勵磁電壓(R1-R2)輸出電壓(S1-S2)輸出電壓(S1-S3)2. 永磁同步電機(jī)的工作原理 永磁同步電機(jī)就是一種電磁鐵磁場和永磁體磁場相互牽引產(chǎn)生力和運(yùn)動的裝置如圖所示。永磁同步電機(jī)工作原理定子2. 永磁同步電機(jī)的工作原理 由于電機(jī)定子三相繞組中接入三相對稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。根據(jù)磁極異性相吸、同性相斥的原理，不論定子旋轉(zhuǎn)磁極與永磁磁極起始相對位置如何，定子的旋轉(zhuǎn)磁極總會由于磁力拖著轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，如圖所示。三相對稱交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場2. 永磁同步電機(jī)的工作原理永磁同步電機(jī)中電磁轉(zhuǎn)化及能量傳遞過程如圖所示。能量傳遞圖對稱三相繞組通入對稱三相

11、電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力的作用旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）三相交流電能電磁轉(zhuǎn)矩磁力3. 永磁同步電機(jī)的特點(diǎn) 體積小，重量輕，高功率密度。高性能的超強(qiáng)永磁材料的應(yīng)用，使得永磁電機(jī)體積和重量大幅減小，功率密度至少為普通三相異步電機(jī)的1.5倍以上。高效節(jié)能。因勵磁磁場由永磁體提供，永磁轉(zhuǎn)子不需要勵磁，效率可高達(dá)90%以上。與異步電機(jī)相比，高效率運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬，節(jié)能顯著。尤其在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，優(yōu)勢更加明顯。溫升較低，由于永磁電機(jī)效率高，轉(zhuǎn)子繞組中不存在電阻損耗，定子繞組中較少有或幾乎不存在無功電流，使電機(jī)溫升低，延長了電機(jī)的使用壽命。響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、可靠較高，噪音較小，運(yùn)

12、行平穩(wěn)，適合中高功率的場合。目前電動乘用車普遍采用永磁同步電機(jī)。要使用一定量的永磁體，成本較三相異步電機(jī)高，且永磁體高溫下易產(chǎn)生不可逆退磁，可靠性較三相異步電動機(jī)低。永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)1. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2 交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖1 交流感應(yīng)電機(jī)外形圖 三相異步電動機(jī)主要有由定子和轉(zhuǎn)子，軸承組成。一般交流感應(yīng)電機(jī)外形如圖1所示，圖2為交流感應(yīng)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。1. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子主要由鐵心，三相繞組，機(jī)座，端蓋組成。定子鐵心一般由0.30.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。三相繞組由三個在空間互隔120電角度、對

13、稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。其作用是通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。機(jī)座作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護(hù)作用。轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.30.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。1. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 定子鐵芯的槽內(nèi)嵌放著定子繞組，即三相交流繞組，接入三相交流電源就可產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，圖1 為電機(jī)定子結(jié)構(gòu)圖，圖2 為轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖，圖3 顯示了轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯有硅鋼片疊成。圖1 定子結(jié)構(gòu)圖1. 交流感應(yīng)異步

14、電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖3 轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯有硅鋼片疊成圖2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖1. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。圖所示是鼠籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子（銅條）鼠籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子（鑄鋁）。鼠籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子（銅條）鼠籠型異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子（鑄鋁）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機(jī)采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對

15、稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。繞組式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu) 繞組式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖所示：交流感應(yīng)電機(jī)工作原理2. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的工作原理交流感應(yīng)電機(jī)工作原理如圖所示：三相對稱繞組通三相交流電產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。2. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的工作原理 由于旋轉(zhuǎn)磁場不斷切割轉(zhuǎn)子中的閉合導(dǎo)體，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流。再由轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流和旋轉(zhuǎn)磁場的相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子隨著旋轉(zhuǎn)磁場的方向同向運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)基本工作過程如圖所示。電機(jī)基本工作過程對稱三相繞組通入對稱三相電流轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)起來機(jī)械負(fù)載旋轉(zhuǎn)起來轉(zhuǎn)子繞組在磁場中受到電磁力的作用旋轉(zhuǎn)磁場（磁場能量）三相交流電能電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生e2和i2磁感線切割轉(zhuǎn)子繞組磁力2. 交流感應(yīng)異步電機(jī)的工作原理 由于當(dāng)轉(zhuǎn)