第3章 電驅(qū)動系統(tǒng)

13.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求3.2直流電動機驅(qū)動3.3感應(yīng)電動機驅(qū)動3.4永磁無刷直流電動機驅(qū)動3.5開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動第三章電驅(qū)動系統(tǒng)3.6永磁直流無刷電機驅(qū)動控制2THSII系統(tǒng)的變速驅(qū)動橋發(fā)電機電動機行星齒輪減速機構(gòu)發(fā)動機電動機驅(qū)動系統(tǒng)電氣機械電動機功率變換器控制器機械傳動裝置車輪傳感器連接電路處理器43.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求驅(qū)動電機的分類:驅(qū)動電動機有換向器無換向器自勵他勵感應(yīng)電動機同步電動機永磁無刷直流電動機開關(guān)磁阻電動機永磁混合電動機53.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求驅(qū)動電機的特征及要求:（1）過載能力強具有4-5倍的過載能力從而滿足啟動、加速以及爬坡時對驅(qū)動功率的要求。（2）調(diào)速范圍寬在一般要求最高轉(zhuǎn)速達到基速的4-5倍。（3）高比功率和效率在一般要求高比功率，即最大功率與車重之比要高；高效率，一般電機效率為60-80%。（4）體積小重量輕在一般為工業(yè)用電機的1/3-1/2。（5）可靠性好能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作。63.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求各電機的性能比較:73.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求驅(qū)動電機的典型應(yīng)用:特斯拉P100D，三相4極異步電動機，雙電機，最大功率568kW，最高車速250km/h，百公里加速2.7s。83.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求驅(qū)動電機的典型應(yīng)用:秦EV300永磁同步電機，最大功率160kW，最高車速150km/h，百公里加速7.9s93.1新能源汽車電驅(qū)動系統(tǒng)特性要求驅(qū)動電機的典型應(yīng)用:普銳斯永磁同步電機，最大功率60kW，前置前驅(qū)103.2直流電動機驅(qū)動概述:

直流電機是實現(xiàn)直流電能與機械能互相轉(zhuǎn)換的電動機。通常情況下同一臺直流電機，既可以作為直流電動機運行，又可以作為直流發(fā)電機。113.2直流電動機驅(qū)動直流電動機的結(jié)構(gòu):

直流電動機主要有定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。123.2直流電動機驅(qū)動

定子部分是主要由主磁極、機座、換向極和電刷等構(gòu)成。主磁極：其主要作用是建立主磁場。勵磁繞組主極鐵心機座機座：用鑄鋼或者厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電動機的結(jié)構(gòu)框架。133.2直流電動機驅(qū)動

定子部分是主要由主磁極、機座、換向極和電刷等構(gòu)成。換向極：其主要作用是改善直流電動機的換向性能，使直流電動機運行時不產(chǎn)生有害的火花。一般裝在兩個相鄰主磁極之間，由換向極鐵心和繞組構(gòu)成，換向極的數(shù)目與主磁極數(shù)目相等。換向極鐵心換向極繞組143.2直流電動機驅(qū)動

定子部分是主要由主磁極、機座、換向極和電刷裝置等構(gòu)成。電刷裝置：主要由電刷、刷握、刷桿等構(gòu)成，用于直流電的引入或引出。刷握電刷壓緊彈簧153.2直流電動機驅(qū)動

轉(zhuǎn)子部分是主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器等構(gòu)成。電樞鐵心：是主磁路的主要部分，同時用以嵌放電樞繞組。由硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，其固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。163.2直流電動機驅(qū)動

轉(zhuǎn)子部分是主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器等構(gòu)成。電樞繞組：是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，是直流電動機進行能量變換的關(guān)鍵部件。是由銅線按一定規(guī)律繞制而成。173.2直流電動機驅(qū)動

轉(zhuǎn)子部分是主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器等構(gòu)成。換向器：由梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。183.2直流電動機驅(qū)動直流電動機的工作原理:電磁力

F=BILabcdL為ab間導(dǎo)線的長度轉(zhuǎn)矩

T=BILDcosαD為bc間導(dǎo)線的長度，α為線圈平面與磁場之間的夾角AB12193.2直流電動機驅(qū)動直流電動機的勵磁方式:（1）他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：-+203.2直流電動機驅(qū)動直流電動機的勵磁方式:（1）他勵：直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給。如圖所示。他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同，即：-+（2）并勵：發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。且滿足

（3）串勵：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)。滿足（4）復(fù)勵：并勵和串勵兩種勵磁方式的結(jié)合。電機有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，一個與電樞繞組并聯(lián)。積復(fù)勵差復(fù)勵I(lǐng)a=I+If223.2直流電動機驅(qū)動直流電動機的電樞電動勢:+-+-RaIaRa為電樞回路的電阻Va電樞旋轉(zhuǎn)時,主磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢簡稱為電樞電動勢E。Ce為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)（電動勢常數(shù)）為每極磁通量結(jié)論:直流電機的電樞電動勢與每極的磁通量和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。為電樞轉(zhuǎn)速當電樞繞組中有電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩。式中CM為結(jié)構(gòu)常數(shù)（電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)）

結(jié)論：電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流和每極磁通量的乘積成正比。直流電動機的運行特性①轉(zhuǎn)速特性（1）他勵（并勵）直流電動機的運行特性由方程式可得從上圖中可以看出，并勵電動機轉(zhuǎn)速隨負載電流變化不大，故稱為硬特性，這是并勵和他勵具有優(yōu)良的調(diào)速性能。

注意：并勵電動機的勵磁回路不能斷開。如果斷開，Φ=Φ剩

，由于Φ剩很小，當電動機輕載時，其轉(zhuǎn)速將急劇上升，出現(xiàn)“飛速”現(xiàn)象。直流電動機的運行特性（1）他勵（并勵）直流電動機的運行特性從上圖中可以看出，轉(zhuǎn)矩特性是一條過原點的直線。②轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩表達式

,M∝Ia。1.直流電動機的運行特性（1）他勵（并勵）直流電動機的運行特性③機械特性

由此可見，隨著電磁轉(zhuǎn)矩M的增大，轉(zhuǎn)速n是一條略有下降的直線，如右圖所示。（2）串勵直流電動機的運行特性①轉(zhuǎn)速特性根據(jù)串勵電動機的電路特點，得由電壓平衡方程可得：當磁路不飽和時，，所以（2）串勵直流電動機的運行特性②轉(zhuǎn)矩特性

根據(jù)

，式中

，由此可分兩種情況討論：當磁路不飽和時，所以，由此可見，轉(zhuǎn)矩特性為拋物線；當磁路飽和時，Φ基本不變轉(zhuǎn)矩特性為一上升的直線。（2）串勵直流電動機的運行特性③機械特性當磁路不飽和時，，，所以將

代入轉(zhuǎn)速公式，可得式中，，直流電動機的調(diào)速調(diào)速方法

根據(jù)轉(zhuǎn)速公式

可得調(diào)速方法有三種：（1）電樞回路串電阻調(diào)速

電樞回路串電阻調(diào)速的規(guī)律是：所串電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。這種方法設(shè)備簡單，調(diào)速方便，但技術(shù)指標和經(jīng)濟性能較差，一般不使用。（3）勵磁調(diào)速

這種方法是減小磁通Φ，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。一般適合電動機轉(zhuǎn)速為基數(shù)以上的控制，可保持恒功率調(diào)速。

（2）調(diào)壓調(diào)速其基本規(guī)律是：電壓與轉(zhuǎn)速成正比。只適合電動機基速以下的轉(zhuǎn)速控制，可保持轉(zhuǎn)矩不不變。轉(zhuǎn)矩功率基速電壓勵磁直流斬波電路（DCChopper）將直流電壓變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電壓。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。通過周期地快速通、斷，把恒定直流電壓斬成一系列的脈沖電壓，改變這一脈沖列的脈沖寬度或頻率及可以實現(xiàn)輸出電壓平均值的調(diào)節(jié)。3.2.3直流電動機斬波控制電路的類型6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。直流斬波電路（DCChopper）將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)電壓的直流電。也稱為直流--直流變換器（DC/DCConverter）。一般指直接將直流電變?yōu)榱硪恢绷麟?，不包括直流—交流—直流?/p>

電路種類6種基本斬波電路：降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路。復(fù)合斬波電路——不同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。多相多重斬波電路——相同結(jié)構(gòu)基本斬波電路組合。3.2.3直流電動機斬波控制電路結(jié)構(gòu)

降壓斬波電路（BuckChopper)

電感、電容：使電路中的電流、電壓連續(xù)且脈動小，即為濾波作用。

全控型器件

IGBT續(xù)流二極管負載出現(xiàn)的反電動勢GCECRU0+-Ui3.2.3直流電動機斬波控制IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)絕緣柵雙極型晶體管：（1）一般僅作為開關(guān)來使用，不具有電路放大的作用。（2）適用于電壓600V以上的變流系統(tǒng)，即高壓開關(guān)。（3）驅(qū)動電壓一般大于6V，在12-15V之間。柵極集電極發(fā)射集EV+-MRLVDioEMuoiGtttOOOb)電流連續(xù)時的波形TEiGtontoffioi1i2I10I20t1uoa)

電路圖工作原理t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負載供電，負載電壓uo=ui，負載電流io按指數(shù)曲線上升。t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。Uoui負載電壓平均值：ton——V通的時間toff——V斷的時間a--導(dǎo)通占空比總結(jié)：通過導(dǎo)通比在0-1之間控制，負載電壓可以從0-Ui之間變化，從而將一固定電壓的直流電源變?yōu)榭勺兊闹绷麟妷?。斬波電路控制方式時間比率控制（TRC）（1）固定頻率：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）。（2）變頻：ton不變，變T—頻率調(diào)制。此種方式應(yīng)用最多限流控制（CLC）通過將負載電流在特定的最大值和最小值之間來間接控制。當負載電流達到設(shè)定的最大值時，開關(guān)切斷負載與電源的連接，而當負載電流達到設(shè)定的最小值時，開關(guān)重新將負載與電源連接。實際上是一種變頻變脈寬調(diào)制?？偨Y(jié)：（1）電路中存在諧波成分，電路中有LC濾波器，一般工作在高頻下。（2）僅能提供正電壓和正電流，為單象限斬波器，即在第一象限正轉(zhuǎn)速、正轉(zhuǎn)矩的情況下，進行電機控制。例：在降壓斬波電路中，已知Ui=200V，R=10Ω，L極大，T=50us，Ton=20us，計算輸出電壓平均值Uo，輸出電路平均值。S導(dǎo)通時，L儲能；電容給負載供電；S關(guān)斷時，L釋放能量，電源與UL一起給電容充電，并給負載供電。

升壓斬波電路（BoostChopper）

電路結(jié)構(gòu)diVDoiSSuLCRLidUoUVisVoVSisSab假設(shè)電容C的電容量足夠大，從而使負載端電壓V0保持不變：升壓斬波電路之所以能夠升壓的原因：一是電感L儲能之后具有使電壓泵升的作用，二是電容C可將輸出電壓保持住。diVDoiSSuLCRLidUoUVisVoVSisSab端點a,b間的平均電壓電感L上的平均電壓電源電壓

例：在升壓斬波電路中，已知Vi=50V，R=20Ω，L和C極大，T=40us，Ton=25us，計算輸出電壓平均值Vo，輸出電路平均值。3.2.4斬波饋電直流電動機多象限控制wT正轉(zhuǎn)，電動機正轉(zhuǎn)制動，發(fā)電機反轉(zhuǎn)制動，發(fā)電機反轉(zhuǎn)，電動機機正轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)再生制動的兩象限控制1）含換向開關(guān)的單個斬波器正轉(zhuǎn)：C閉合，S周期性閉合打開正轉(zhuǎn)制動：C打開，S閉合，RS換向電樞—開關(guān)—VD1——電樞電樞—VD2—V—VD1——電樞C打開，S打開，RS換向VD2—V—VD1正轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)再生制動的兩象限控制2）C型兩象限斬波器電路結(jié)構(gòu)：iaS1S2VV0isV1和VD1構(gòu)成斬波電路，電動機為正轉(zhuǎn)運行（電動）V2和VD2構(gòu)成斬波電路，電動機作再生制動運行工作過程：兩種工作情況：正轉(zhuǎn)和制動第三種：一個周期內(nèi)交替正轉(zhuǎn)和制動。四象限運行電路結(jié)構(gòu)：橋式可逆斬波電路：

將兩個C型斬波器組合起來，分別提供正向和反向電壓。工作過程：V4閉合：V1、VD1和V2、VD2提供正電壓V2閉合：V3、VD3和V4、VD4提供負電壓483.2感應(yīng)電動機驅(qū)動概述:

感應(yīng)電機是由于旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化為機械能的一種交流電機。按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分為：

鼠籠式繞線式特點:（1）無換向器（2）結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、高效率。

感應(yīng)電動機的構(gòu)造1—軸承；2—前端蓋；3—轉(zhuǎn)軸；4—接線盒；5—吊環(huán)；6—定子鐵心7—轉(zhuǎn)子；8—定子繞組；9—機座；10—后端蓋；11—風罩；12—風扇下面是它主要部件的拆分圖。感應(yīng)電動機的構(gòu)造

51

定子部分是主要外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。定子鐵心：異步電動機定子鐵心是電動機磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有絕緣漆的薄硅鋼片疊壓而成，。外殼：外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。定子繞組如三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。

定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1,V1,W1，末端分別標為U,2V2,W2。這六個出線端在接線盒里的排列如圖所示，可以接成星形或三角形。（a）星形連接（b）三角形連接

定子繞組54

轉(zhuǎn)子部分是主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子鐵心：

是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉(zhuǎn)軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉(zhuǎn)子繞組。55

轉(zhuǎn)子部分是主要由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組等構(gòu)成。轉(zhuǎn)子繞組：異步電動機的轉(zhuǎn)子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與籠形異步電動機。在轉(zhuǎn)子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導(dǎo)條連接起來，稱為銅排轉(zhuǎn)子，三相異步電動機的基本原理基本原理——在定子繞組中，通入三相交流電所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生的電磁力形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而使電動機工作。磁極旋轉(zhuǎn)導(dǎo)線切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢導(dǎo)線長度磁感應(yīng)強度切割速度（右手定則）閉合導(dǎo)線產(chǎn)生電流

i（左手定則）通電導(dǎo)線在磁場中受力1.線圈跟著磁鐵轉(zhuǎn)→兩者轉(zhuǎn)動方向一致

結(jié)論：異步2.線圈比磁場轉(zhuǎn)得慢旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生AB’CBC’在異步機中,旋轉(zhuǎn)磁場代替了旋轉(zhuǎn)磁極(?)電流出()電流入A’AA’B’CBC’AA’BB’CC’合成磁場方向：向下A’BC’AB’CAA’B’CBC’AA’B’CBC’同理分析，可得其它電流角度下的磁場方向：AU1V1W1U2V2W2旋轉(zhuǎn)磁場的連續(xù)觀察NSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNSNS三相異步電動機的同步（旋轉(zhuǎn)磁場）轉(zhuǎn)速：極對數(shù)每個電流周期磁場轉(zhuǎn)過的空間角度同步轉(zhuǎn)速電動機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速的關(guān)系：電動機轉(zhuǎn)速:電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向一致，但

異步電動機S轉(zhuǎn)差率為旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速和電動機轉(zhuǎn)速之差即：電動機轉(zhuǎn)速調(diào)速方法：1改變異步電機定子繞組的極對數(shù)P，以改變定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，即變極調(diào)速（不能均勻調(diào)速）。2改變電動機所接電源的頻率以改變轉(zhuǎn)速，即變頻調(diào)速。3改變電動機的轉(zhuǎn)差率。無轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場間沒有相對運動無轉(zhuǎn)子電動勢（轉(zhuǎn)子導(dǎo)體不切割磁力線）無轉(zhuǎn)子電流提示：如果n<n0相對速度為正，正常運轉(zhuǎn)n>n0相對速度為負，感生電壓和感生電流都反向，再生制動變頻調(diào)速特性基速圖6-2異步電機變壓變頻調(diào)速的控制特性

恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速UsUsNΦmNΦm恒功率調(diào)速ΦmUsnOUs—定子相電壓；fs—定子頻率；fsl—轉(zhuǎn)差頻率；Is、Ir、Im—分別為定子電流、折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電 流和勵磁電流；Eg—感應(yīng)電動勢；s—轉(zhuǎn)差率，s=fsl/fs；3.3.2穩(wěn)態(tài)性能一相等效電路Rs、Xls—定子繞組電阻和漏抗；Rr、Xlr—折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏抗； Rm、Xm—激磁電阻和電抗。

其中，Us、Is是可檢測的外部輸入量，Eg、Er、Ir是不可檢測的內(nèi)部物理量，s是決定負載轉(zhuǎn)矩和各種控制方式的調(diào)節(jié)變量。

定子每相電動勢

—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值(V)；

—定子頻率(Hz)；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—定子基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量(Wb)。

在進行電機調(diào)速時，希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機在基速以下的變頻調(diào)速：3.3.3恒壓頻比控制

得：

恒壓頻比的控制方式（基速以下）

感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則

這是恒壓頻比的控制方式

變頻調(diào)速異步電動機的轉(zhuǎn)矩公式當s很?。╯＜0.05）時

在上述恒壓頻運行過程中，隨著頻率和電機轉(zhuǎn)速的上升，定子電壓也相應(yīng)提高，電動機的輸出功率增大。當頻率上升到基準頻率后，定子電壓的提高受到變頻器最大輸出電壓和電機額定電壓的限制，不能進一步提高。因此當電機運行于高于基頻的速度時，只能保持定子電壓不變。此后電動機將運行于磁場被削弱的工況下(弱磁控制)，最大轉(zhuǎn)矩也隨著頻率的增加而減小。弱磁控制（用于基頻以上的變頻調(diào)速）弱磁控制時電機轉(zhuǎn)矩(1)—恒功率區(qū)電機的電磁轉(zhuǎn)矩：當s很小時轉(zhuǎn)矩近似與轉(zhuǎn)差頻率成正比，與定子頻率的平方成反比。

當s很?。╯＜0.05）時得恒功率運行條件：恒功運行條件推導(dǎo)：即：轉(zhuǎn)差頻率與定子頻率線性增加。功率P∝弱磁控制控制(2)——自然特性控制UsTefslfs在高速區(qū)域范圍內(nèi)，超出恒功率區(qū)，當轉(zhuǎn)差頻率達到極限值時，電機的輸出功率下降。

列車變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性:通常，電力牽引運行可分為如下3個運行調(diào)節(jié)區(qū)：①起動加速區(qū)（一般為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)）；②恒功率運行區(qū)③高速區(qū)（一般為自然特性區(qū)）fbfmcfs0轉(zhuǎn)矩Te

定子電壓Us

轉(zhuǎn)差頻率fslTe∝1fs∝1fs2Te恒轉(zhuǎn)矩恒功自然特性變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性(運行特性)功率P

①基頻以下恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，轉(zhuǎn)差頻率保持恒定，定子電壓隨定子頻率的增加而增加，維持磁通恒定；②基頻以上恒功區(qū)，定子電壓保持額定，轉(zhuǎn)差頻率隨定子頻率線性增加；③基頻以上高速區(qū)，定子電壓保持額定、轉(zhuǎn)差頻率保持最大值，功率下降?？偨Y(jié)：作業(yè)：1根據(jù)C型兩象斬波器，分別描述直流電機正轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)制動的電路工作方式。2對于感應(yīng)電機，在基速以下變頻調(diào)速時，為什么要對電機的定子電壓和頻率進行協(xié)調(diào)控。3對于感應(yīng)電機在恒功率區(qū)為什么會出現(xiàn)弱磁現(xiàn)象。3.3.4電力電子控制

作為電動汽車和混合動力電動汽車的動力，感應(yīng)電動機通常由一直流電源供電，該電源的端電壓近似為恒定值。因此，需要為感應(yīng)電動機配置一個可變頻率和電壓的DC/AC逆變器。三相橋式PWM逆變器主電路原理圖調(diào)制電路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT6VT5VT2正弦PWM：PWM(PulseWidthModulation)

脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>重要理論基礎(chǔ)：面積等效原理OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。PWM調(diào)制原理

期望波形：逆變器的期望輸出波形為正弦波作為逆變器輸出的期望波形，

載波：頻率比期望波高得多的等腰三角波作為載波（Carrierwave），調(diào)制波：并用頻率和期望波相同的正弦波作為調(diào)制波（Modulationwave）。當調(diào)制波與載波相交時，由它們的交點確定逆變器開關(guān)器件的通斷時刻，從而獲得在正弦調(diào)制波的半個周期內(nèi)呈兩邊窄中間寬的一系列等幅不等寬的矩形波。SPWM模擬實現(xiàn)三相對稱的參考正弦電壓調(diào)制信號、、由正弦波發(fā)生器產(chǎn)生,其頻率和幅值都是可調(diào)的。三角載波信號由三角波發(fā)生器提供，三相共用。分別與每相調(diào)制信號通過比較器進行比較，輸出SPWM脈沖序列波，作為逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動信號。計算法和調(diào)制法圖7-7三相橋式PWM型逆變電路

圖7-8三相橋式PWM逆變電路波形

■三相橋式PWM逆變電路（調(diào)制法）

◆采用雙極性控制方式。

◆U、V和W三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°。

◆電路工作過程（U相為例）

?當urU>uc時，上橋臂V1導(dǎo)通，下橋臂V4關(guān)斷，則U相相對于直流電源假想中點N’的輸出電壓uUN’=Ud/2。

?當urU<uc時，V4導(dǎo)通，V1關(guān)斷，則uUN’=-Ud/2。

?V1和V4的驅(qū)動信號始終是互補的。

?當給V1(V4)加導(dǎo)通信號時，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負載中電流的方向來決定。?uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形都只有±Ud/2兩種電平。

三相橋式PWM型逆變電路

三相橋式PWM逆變電路波形

三相橋式PWM型逆變電路

三相橋式PWM逆變電路波形

?輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成。

√當臂1和6導(dǎo)通時，uUV=Ud。

√當臂3和4導(dǎo)通時，uUV=－Ud。√當臂1和3或臂4和6導(dǎo)通時，uUV=0。

?負載相電壓uUN可由下式求得

負載相電壓的PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。

◆為了防止上下兩個臂直通而造成短路，在上下兩臂通斷切換時要留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號的死區(qū)時間。

頻率：

電動機端電壓的基波頻率與正弦波基準電壓的頻率相同，所以通過調(diào)整正弦波的頻率從而改變電動機端電壓的頻率。電壓：

正弦波與三角載波的幅值比m稱作調(diào)制指數(shù)。問題的提出直流電動機雖然具有優(yōu)良的調(diào)速和起動特性，但由于存在電刷和換向器，需要經(jīng)常性維護，并且會產(chǎn)生火花和電磁干擾，限制了它的應(yīng)用范圍。近年發(fā)展起來的無刷直流電動機就是為了克服換向器和電刷的滑動接觸而發(fā)展起來的新型直流電動機。3.4永磁無刷直流電動機驅(qū)動有刷直流電動機工作原理磁極靜止，電樞旋轉(zhuǎn)f=IBla，這個力形成電磁轉(zhuǎn)矩；根據(jù)左手定則，線圈在這個轉(zhuǎn)矩作用下將按逆時針方向旋轉(zhuǎn)；當載流導(dǎo)體轉(zhuǎn)過180度后，借助電刷-換向片改變導(dǎo)體中電流方向。無刷直流電動機原理電樞靜止，磁極旋轉(zhuǎn)，且磁極為永久磁鐵。電樞繞組中電流的換向是借助于轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路來實現(xiàn)的；所以，無刷直流電動機一般都是由電動機、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。無刷直流電動機原理圖定子繞組永磁體傳動軸傳感器定子繞組傳感器永磁體定子繞組傳感器無刷直流電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖永磁體定子繞組傳感器定子定子鐵心和定子繞組，與感應(yīng)電機類似，在鐵芯中嵌入多相繞組。繞組可以接成星行或三角形，并且與逆便器的各功率管相連并換相。轉(zhuǎn)子（1）表面式安裝：構(gòu)造簡單，但是在高速時，永磁體可能飛離轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子（2）嵌入式安裝：永磁體嵌入在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，適用于高速場合。轉(zhuǎn)子（3）插入式安裝：每個永磁體裝配在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)部，適用于高速場合。永磁體能夠長期保持磁性的磁體稱為永磁體。常用的由此材料為鋁鎳鈷系永磁合金、鐵鉻鈷系永磁合金、永磁鐵氧體、稀土永磁材料和復(fù)合永磁材料。稀土永磁材料（釹鐵硼、釤鈷等）為電動汽車常用的永磁材料。光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)進行工作，由發(fā)光二極管、光敏接收元件、遮光板組成。轉(zhuǎn)子位置傳感器：光電器件和霍爾器件光電式位置傳感器利用光電效應(yīng)進行工作，由發(fā)光二極管、光敏接收元件、遮光板組成。特點：輕便可靠，安裝精度高，調(diào)整方便，獲得廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)子位置傳感器永磁無刷直流電動機的原理框圖CC’A’BAB’開關(guān)V1和V6導(dǎo)通A相電流為正；B相電流為負；C相電流為零。NSCC’A’BAB’開關(guān)V1和V2導(dǎo)通A相電流為正；B相電流為零；C相電流為負。NSCC’A’BAB’開關(guān)V3和V2導(dǎo)通A相電流為零；B相電流為正；C相電流為負。NS二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)定子合成磁場為跳躍式旋轉(zhuǎn)，步進為60度，即1/6周期。每轉(zhuǎn)60度，逆變器開關(guān)管換流一次，有六個狀態(tài)?；痉匠逃来艧o刷直流電動機的基本物理量有：反電勢、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等。它們的表達式與電機氣隙磁場分布繞組形式密切相關(guān)。U+-+-raLaE假設(shè)條件：（1）忽略電樞繞組的電感，電樞電流可以突變；（2）不考慮開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷動作的過渡過程，認為每一相電流是瞬時產(chǎn)生和關(guān)斷的。每相繞組上的感應(yīng)電動勢（線電勢）每個導(dǎo)通時間內(nèi)有以下電壓平衡方程則電機的電磁轉(zhuǎn)矩：則2.機械特性機械特性曲線調(diào)節(jié)特性曲線1.速度控制通過脈寬調(diào)制（PWM）方法改變電壓大小實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。2.正、反轉(zhuǎn)控制有刷電機：改變勵磁磁場的極性或電樞電壓的極性。無刷電機：原理相同，但因功率管的單向?qū)щ娦?，不能靠簡單地改變電源電壓極性使電機反轉(zhuǎn)，而是通過改變繞組的通電順序來改變電機轉(zhuǎn)向。二相導(dǎo)通方式傳感器信號與功率管開關(guān)導(dǎo)通邏輯關(guān)系正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)H1H2H3導(dǎo)通管H1H2H3導(dǎo)通管101V1V2101V4V5100V2V3001V3V4110V3V4011V2V3010V4V5010V1V2011V5V6110V6V1001V6V1100V5V6永磁無刷直流電機的優(yōu)點（1）高效率：因為采用永磁體，沒有功率消耗，沒有機械式換向器和電刷意味著機械摩擦損耗低，因此效率高。（2）體積?。翰捎酶吣芰棵芏扔来朋w能夠獲得非常高的磁通密度以及轉(zhuǎn)矩，使得電機體積小而且重量輕。（3）易控制：與有刷直流電機一樣易于控制。（4）易冷卻：轉(zhuǎn)子中沒有環(huán)形電流，不會發(fā)熱。定子易于冷卻。（5）低廉維護、壽命長。（6）低噪聲：沒有換向器。永磁無刷直流電機的缺點（1）成本：稀土永磁體價格高。（2）有限的功率范圍：一般最高轉(zhuǎn)速在基速的2倍左右。（3）磁體退磁：永磁體可被大的反向磁動勢和高溫退磁。（4）安全性：永磁體產(chǎn)生感生出高電動勢。補充：永磁同步電機一、傳感器的不同

直流無刷電機：位置傳感器，如霍爾等；

永磁同步電機：速度和位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電編碼器等；

二、反電勢波形不同

直流無刷電機

：近似梯形波（理想狀態(tài)）；

永磁同步電機：正弦波（理想狀態(tài)

）三、三相電流波形不同直流無刷電機

：近似方波或梯形波（理想狀態(tài)）；

永磁同步電機

：正弦波（理想狀態(tài)

）

3.5開關(guān)磁阻電機電機可以根據(jù)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的機理粗略的分為兩大類：一類是由電磁作用原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；另一類是由磁阻變化原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。第一類電機中，運動是定、轉(zhuǎn)子兩個磁場相互作用的結(jié)果，這類似于兩個磁鐵的同極性相排斥、異極性相吸引的現(xiàn)象。目前大部分電機都是遵循這一原理，例如一般的直流電機和交流電機。第二類的電機，運動是由定、轉(zhuǎn)子間氣隙磁阻的變化產(chǎn)生的。當定子繞組通電時，產(chǎn)坐一個單相磁場，其要遵循“磁阻最小原則”，即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合。因此，當轉(zhuǎn)子軸線與定子磁極的軸線不重合時，便公有磁阻力作用在轉(zhuǎn)子上并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使其趨向于磁阻最小的位置。即兩軸線重合位置，這類似于磁鐵吸引鐵質(zhì)物質(zhì)的現(xiàn)象。開關(guān)磁阻電機就是屬于這一類型的電機。開關(guān)磁阻電機的基本組成開關(guān)磁阻電動機定、轉(zhuǎn)子實際結(jié)構(gòu)

定子：通過三相6/4極開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)電機的定子鐵芯有六個齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。定子鐵芯在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），是向電機提供工作磁場的勵磁繞組。

定子繞組電機的轉(zhuǎn)子鐵芯有四個齒極，由導(dǎo)磁良好的硅鋼片沖制。轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子與定子直接有很小縫隙，轉(zhuǎn)子可在定子內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。開關(guān)磁阻電機結(jié)構(gòu)特點雙凸極結(jié)構(gòu)定子集中繞組轉(zhuǎn)子無繞組轉(zhuǎn)子無永磁體

由于定子與轉(zhuǎn)子都有凸起的齒極，這種形式也稱為雙凸極結(jié)構(gòu)。在定子齒極上繞有線圈（定子繞組），用來向電機提供工作磁場。在轉(zhuǎn)子上沒有線圈，這是磁阻電機的主要特點。

開關(guān)磁阻電動機的相數(shù)與結(jié)構(gòu)

定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)應(yīng)為偶數(shù)。定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)不相等。定子和轉(zhuǎn)子齒槽數(shù)盡量接近。相數(shù)與極數(shù)關(guān)系：Ns、Nr為定子、轉(zhuǎn)子極數(shù)k為1或者2m為電動機的相數(shù)開關(guān)磁阻電機常用方案相數(shù)與轉(zhuǎn)矩、性能關(guān)系：相數(shù)越大，轉(zhuǎn)矩脈動越小，但成本越高，故常用三相、四相，還有學者在研究兩相、單相SRM。

相數(shù)3456789定子極數(shù)681012141618轉(zhuǎn)子極數(shù)46810121416步進角(度)3015964.283.212.5常用開關(guān)磁阻電機方案結(jié)構(gòu)兩相4/2結(jié)構(gòu)三相6/4結(jié)構(gòu)四相8/6結(jié)構(gòu)六相12/10結(jié)構(gòu)通常是用通電導(dǎo)線在磁場中受力來解釋電動機旋轉(zhuǎn)的道理，磁阻電機轉(zhuǎn)子上沒有繞組，那是靠什么力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動呢？

磁阻電動機是利用磁阻最小原理，也就是磁通總是沿磁阻最小的路徑閉合，利用磁引力拉動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

定子六個齒極上繞有線圈，徑向相對的兩個線圈是連接在一起的，組成一“相”，該電機有