新能源第四章

本章要求:1.了解電動機的特殊要求2.了解直流電動機及控制策略3.知道永磁電動機及控制策略4.知道感應(yīng)電動機及控制策略5.了解開關(guān)磁阻電動機及控制策略第四章電動汽車電動機一、電動汽車驅(qū)動電動機比較獨特,在負(fù)載、技術(shù)性能和工作環(huán)境等方面有著特殊的要求:(１)電動汽車驅(qū)動電動機需要有４--５倍的過載以滿足短時加速或爬坡的要求(２)電動汽車的最高轉(zhuǎn)速要求達(dá)到在公路上巡航時基本速度的４--５倍(３)電動汽車驅(qū)動電動機需要根據(jù)車型和駕駛員的駕駛習(xí)慣設(shè)計(４)電動汽車驅(qū)動電動機要求有高度功率密度(５)電動汽車驅(qū)動電動機要求工作可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好(６)電動汽車驅(qū)動電動機工作在高溫、壞天氣、及頻繁振動等等惡劣環(huán)境下二、直流電動機設(shè)計內(nèi)容直流電動機的設(shè)計包括下列主要尺寸:電樞的外徑與鐵芯長、電樞外徑與鐵芯長之比的優(yōu)化氣隙長度、磁極對數(shù)、電樞槽的個數(shù)、電樞齒寬與槽深、線圈繞組匝數(shù)、槽滿率、換向器的小節(jié)數(shù)、換向裝置、單位磁路的磁通密度、勵磁電流、單位熱回路中的熱阻抗、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和效率、單位質(zhì)量轉(zhuǎn)矩、銅和鐵芯質(zhì)量等。第一節(jié)

直流電動機及控制策略一、直流電動機調(diào)速機構(gòu)

如圖所示為用于直流電動機速度控制的一象限直流斬波器，于體積小、質(zhì)量輕、效率高、可控制性好，而且根據(jù)所選的加速度。二、直流電動機

如圖1所示普通勵磁繞組直流電動機分為他勵、串勵、并勵和短復(fù)勵等，沒有外部控制時，它們在額定電壓時的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性如圖2所示。由于串勵直流電動機在低速時能提供高轉(zhuǎn)矩，所以它廣泛用于傳統(tǒng)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。圖1圖2三、轉(zhuǎn)速控制

為使電動汽車的直流電動機有較寬的轉(zhuǎn)速控制范圍，電樞控制必須和勵磁控制相結(jié)合。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速在零與基速之間時，勵磁電流保持在額定值，采用電樞控制，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速超過基速時，電樞電壓保持在額定值，采用勵磁控制，采用電樞與勵磁控制相結(jié)合的所允許的最大轉(zhuǎn)矩與最大功率如圖所示。一、永磁電動機分類及永磁材料

永磁電動機分為永磁直流電動機、永磁同步電動機、永磁無刷直流電動機、永磁混合式電動機。下表是典型永磁材料性能的主要情況。

第二節(jié)永磁電動機及控制策略二、四種電動機1.永磁直流電動機用永磁體代替勵磁線圈和磁極，傳統(tǒng)的繞線式勵磁直流電動機。這類電動機控制簡單，在低功率的電動汽車如電動自行車和電動三輪車中有所應(yīng)用。2.永磁同步電動機盡管永磁無刷電動機與感應(yīng)電動機相比效率高，但仍要對其進(jìn)行效率優(yōu)化控制。3.永磁無刷直流電動機

交換永磁直流電動機的定子和轉(zhuǎn)子，就變成了永磁無刷直流電動機，這類電動機的顯著優(yōu)點是無刷，消除了電刷帶來的許多問題，而且方波電流和方波磁場相互作用可產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩。4.永磁混合式電動機，于既有永磁體又用勵磁繞組，所以叫永磁混合式電動機，永磁混合式電動機一般采用串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)。三、無刷直流電動機相序測定１.采用位置傳感器測定相序永磁直流無刷電動機位置傳感器是組成無刷直流電動機系統(tǒng)的三大部分(電動機、逆變器、位置傳感器)之一，也是區(qū)別于有刷直流電動機的主要標(biāo)志。其作用是檢測電動機轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制它們的導(dǎo)通與截止，使電動機電樞繞組中的電流隨著轉(zhuǎn)子位置的變化按次序換向，形成氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場?驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，位置傳感器的種類一般有霍爾式、電磁式、光電式、磁敏式四種，它們各具特點，然而由于霍爾位置傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、安裝靈活方便、易于機電一體化等優(yōu)點，目前得到越來越廣泛的應(yīng)用。

２.無位置傳感器測定相序三段式起動法是信號發(fā)生器控制同步電動機的運行狀態(tài)從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大產(chǎn)生可識別的反電勢信號，再切換至反電勢法控制無刷電動機運行狀態(tài)，實現(xiàn)電動機起動，這個過程包括轉(zhuǎn)子定位、加速和運行狀態(tài)切換三個階段。

第三節(jié)感應(yīng)電動機及控制策略一、感應(yīng)電動機動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在電動汽車驅(qū)動中，感應(yīng)電動機驅(qū)動分為單電動機型和多電動機型，單電動機驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，由三相籠型感應(yīng)電動機、三相電壓型ＰＷＭ逆變器、電子控制器、減速器和差速器組成。

電動汽車運行時的電動機工作特性:爬坡時要求低速高轉(zhuǎn)矩，巡航時要求高速低轉(zhuǎn)矩，車輛超車時要求具有瞬時超負(fù)載能力。二、感應(yīng)電動機

用于電力驅(qū)動的感應(yīng)電動機在原理上與工業(yè)中用的感應(yīng)電動機基本相同，然而，這種電動機需要專門設(shè)計，轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯由薄硅鋼片疊加而成，以減少鐵損鼠籠采用銅條減少線圈損失，定子鐵芯采用Ｃ級絕緣，可直接用低黏度的油來冷卻，采用鑄鋁機座來減小電動機總質(zhì)量。電動汽車運行時的電動機工作特性:爬坡時要求低速高轉(zhuǎn)矩，巡航時要求高速低轉(zhuǎn)矩，車輛超車時要求具有瞬時超負(fù)載能力。三、感應(yīng)電動機逆變器

電動汽車驅(qū)動中，感應(yīng)電動機使用的幾乎都是專用的三相電壓型ＰＷＭ逆變器。ＡＲＳ逆變器的兩種三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖所示。四、轉(zhuǎn)速控制

由于感應(yīng)電動機的直軸和交軸的磁耦合作用，導(dǎo)致它動態(tài)模型的高度非線性，使得感應(yīng)電動機的控制比直流電動機要復(fù)雜得多。為了實現(xiàn)感應(yīng)電動機的理想控制。許多新的控制方法被應(yīng)用到電動汽車的感應(yīng)電動機驅(qū)動中來。其中較為成功的是。變壓變頻(ＶＶＶＦ)控制、磁場定向控制(ＦＯＣ)(也稱矢量控制或解耦控制)、變極控制。感應(yīng)電動機轉(zhuǎn)速控制的基本方程為:Ｎ＝Ｎｓ(１－ｓ)＝６０ｆ/ｐ(１－ｓ)式中:Ｎ為電動機轉(zhuǎn)速。Ｎｓ為同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，ｓ為滑差率，ｐ為磁極對數(shù)，ｆ為電源頻率。第四節(jié)開關(guān)磁阻電動機及控制策略開關(guān)磁阻驅(qū)動電動機由開關(guān)磁阻電動機、功率變換器、傳感器和控制器四部分組成，其中開關(guān)磁阻電動機起關(guān)鍵作用，它能將電能轉(zhuǎn)變成機械能，如圖顯示了三種開關(guān)磁阻電動機的基本結(jié)構(gòu)，它們是根據(jù)不同的定子和轉(zhuǎn)子磁極數(shù)來區(qū)分的。

一、開關(guān)磁阻電動機工作原理

開關(guān)磁阻電動機的工作原理遵循磁阻最小的原則，當(dāng)Ｂ相繞組受到激勵時，為減小磁路的磁阻，轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)?直到轉(zhuǎn)子極２與定子極Ｂ相對，此時磁路的磁阻最小(電感最大)，然后，切斷繞組Ｂ的激勵，給繞組Ａ施加激勵，磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子極１與定子極Ａ相對，轉(zhuǎn)矩方向一般指向最近的一對磁極相對的位置，因此，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器的反饋信號，相繞組按Ｂ-Ａ-Ｄ-C的順序?qū)?，使轉(zhuǎn)子沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如下圖所示是四相８/６極開關(guān)磁阻驅(qū)動電動機。

四相８/６極開關(guān)磁阻驅(qū)動電動機二、開關(guān)磁阻電動機的控制特點１.電動機結(jié)構(gòu)簡單成本低；２.功率電路簡單可靠；３.系統(tǒng)可靠性高；４.