新能源汽車驅(qū)動電機(jī)與控制系統(tǒng) 課件 第3、4章 交流感應(yīng)電機(jī)、永磁同步電機(jī)

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)與控制系統(tǒng)Contents01電機(jī)基礎(chǔ)知識02直流電機(jī)03交流感應(yīng)電機(jī)04永磁同步電機(jī)05電動汽車驅(qū)動電機(jī)傳感器模塊06電機(jī)控制器07其他類型電機(jī)任務(wù)3交流感應(yīng)電機(jī)課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調(diào)（高級）一、課堂目標(biāo)課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調(diào)（高級）4（一）知識目標(biāo)（1）掌握感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；（2）熟悉感應(yīng)電機(jī)的常用性能參數(shù)；（3）掌握感應(yīng)電機(jī)的工作特性以及對車輛工況的影響；（4）掌握電制動的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)；（5）掌握電動機(jī)的拆裝步驟、檢測方法；（6）能夠規(guī)范選擇使用相關(guān)工具、儀表、設(shè)備。（二）技能目標(biāo)能夠正確認(rèn)識交流異步電機(jī)整體及銘牌數(shù)據(jù)；能夠正確拆裝及檢測交流異步電動機(jī)；二、任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)5如何通過交流異步電機(jī)的銘牌來了解該電機(jī)的關(guān)鍵性能？您了解拆裝并正確檢測交流異步電機(jī)嗎？三、任務(wù)資訊6任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)01交流感應(yīng)電機(jī)的控制03感應(yīng)電動機(jī)的工作原理02（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)7電機(jī)基本結(jié)構(gòu)：交流感應(yīng)電動機(jī)是由靜止的定子和可以旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子之間為氣隙，交流感應(yīng)電動機(jī)的氣隙一般為0.5～2.0mm。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)8感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)：交流感應(yīng)電動機(jī)的定子主要由定子鐵心、定子繞組和機(jī)座3部分組成。定子鐵心定子鐵心主要是作為電動機(jī)主磁路的一部分并且用來嵌放定子繞組，為了降低定子鐵心的鐵損耗，定子鐵心一般由0.35～0.50mm厚、表面涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成。在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。定子鐵心槽型分為3種：開口槽、半開口槽和半閉口槽，其中開口槽用于大、中型容量的高壓感應(yīng)電動機(jī)；半開口槽用于中型500V以下的感應(yīng)電動機(jī)；半閉口槽，用于小型容量的低壓感應(yīng)電動機(jī)。（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)9定子繞組定子繞組是電動機(jī)的電路部分，通入三相交流電，其作用是吸收電功率和產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子繞組由三個在空間上相互間隔120°對稱排列結(jié)構(gòu)完全相同的繞組（每個繞組為一相）組成，根據(jù)需要連接成丫形或△形。對于大、中型容量的高壓異步電動機(jī)定子繞組常采用丫形接法。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)10機(jī)座機(jī)座主要用于固定定子鐵心和前、后端蓋，支撐轉(zhuǎn)子并起到防護(hù)和散熱等作用。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)11感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)交流感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵心轉(zhuǎn)子鐵心是電動機(jī)磁路的一部分，它由0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成。鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上，整個轉(zhuǎn)子的外表呈圓柱形。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組分為籠型和繞線型兩類?；\型繞組：籠型繞組是一個自己短路的繞組。在轉(zhuǎn)子鐵心的每個槽里嵌放一根導(dǎo)體，在鐵心的兩端用端環(huán)連接起來，形成一個短路的繞組。如果把轉(zhuǎn)子鐵心拿掉，則可看出，剩下來的繞組形狀像個松鼠籠子。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（一）交流感應(yīng)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)13繞線型繞組：繞線型繞組的槽內(nèi)嵌放用絕緣導(dǎo)線組成的三相繞組，一般都連接成丫形。轉(zhuǎn)子繞組的三條引線分別接到三個集電環(huán)上，用一套電刷裝引引出來，這就可以把外接電阻串聯(lián)到轉(zhuǎn)子繞組回路，以改善電動機(jī)的起動性能或調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理14感應(yīng)電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的產(chǎn)生：感應(yīng)電動機(jī)工作時，由定子、轉(zhuǎn)子共同建立磁場，并與轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁力，從而形成電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸出機(jī)械能，因此感應(yīng)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)了電能到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換。感應(yīng)電動機(jī)能夠正常工作必須滿足兩個基本條件：電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子磁動勢必須能合成并在氣隙內(nèi)建立旋轉(zhuǎn)磁場；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速必須小于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，并且兩者保持一定的差值，以保證轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間存在相對運(yùn)行。氣隙旋轉(zhuǎn)磁場也就是主磁場，其旋轉(zhuǎn)速度與電源頻率的關(guān)系為：式3-1中,n1-同步轉(zhuǎn)速，r/min；?-定子電源頻率，Hz；p-定子繞組的磁極對數(shù)。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理15感應(yīng)電機(jī)工作原理分析：感應(yīng)電動機(jī)定子繞組接通三相交流電源后，電機(jī)內(nèi)便形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，如圖3-5中。若轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（即轉(zhuǎn)子繞組）與旋轉(zhuǎn)磁場有相對運(yùn)動，導(dǎo)條中有感應(yīng)電動勢，方向由右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條彼此在端部短路，于是導(dǎo)條中有電流，不考慮電動勢與電流的相位差時，電流方向與電動勢方向相同。這樣，導(dǎo)條就在磁場中受力，用左手定則確定受力方向，為順時針旋轉(zhuǎn)方向。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理16感應(yīng)電機(jī)工作原理分析：感應(yīng)電動機(jī)定子繞組接通三相交流電源后，電機(jī)內(nèi)便形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，如圖3-5中。若轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條（即轉(zhuǎn)子繞組）與旋轉(zhuǎn)磁場有相對運(yùn)動，導(dǎo)條中有感應(yīng)電動勢，方向由右手定則確定。由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條彼此在端部短路，于是導(dǎo)條中有電流，不考慮電動勢與電流的相位差時，電流方向與電動勢方向相同。這樣，導(dǎo)條就在磁場中受力，用左手定則確定受力方向，為順時針旋轉(zhuǎn)方向。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理17感應(yīng)電機(jī)工作原理分析：轉(zhuǎn)子受力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，為電磁轉(zhuǎn)矩，方向與旋轉(zhuǎn)磁動勢同方向，轉(zhuǎn)子便在該方向上旋轉(zhuǎn)起來。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)速為，只要n＜n1（n1為定子旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速），轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與磁場仍有相對運(yùn)動，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時相同方向的電動勢、電流及受力，電磁轉(zhuǎn)矩仍為順時針方向，轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，穩(wěn)定運(yùn)行。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理18感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率：由感應(yīng)電動機(jī)的工作原理可知，感應(yīng)電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不能等于旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速n1，其轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)差轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之比為感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，用s表示。轉(zhuǎn)差率是感應(yīng)電動機(jī)的一個重要參數(shù)，正常運(yùn)行時感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近于同步轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)差率一般為0.01～0.05。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（二）感應(yīng)電動機(jī)的工作原理19感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率：感應(yīng)電動機(jī)工作原理總結(jié)如下：（1）均勻分布的定子繞組通入三相正弦交流電，在定子繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，即同步轉(zhuǎn)速；（2）旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流；（3）轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和仍處于定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場當(dāng)中，必定受到磁場力的作用，產(chǎn)生力矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；（4）電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速始終小于定子同步轉(zhuǎn)速，保證旋轉(zhuǎn)磁場始終對轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行切割，轉(zhuǎn)子上持續(xù)產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子繞組持續(xù)受到磁場力的作用，保證電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制20交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的基本方程：交流感應(yīng)電動機(jī)控制系統(tǒng)的主要作用是為電動機(jī)提供變壓、變頻電源，同時其電壓和頻率能夠按照一定的控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，使驅(qū)動系統(tǒng)具有良好的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性。交流感應(yīng)電動機(jī)的控制比直流電動機(jī)要復(fù)雜得多，交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的基本方程為：n-電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ns-同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；s-轉(zhuǎn)差率；p-磁極對數(shù)；?-電源頻率。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制21交流感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法：n-電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速；ns-同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速；s-轉(zhuǎn)差率；p-磁極對數(shù)；?-電源頻率。改變s、p和?可以調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，因此可以將交流感應(yīng)電動機(jī)的基本調(diào)速方式相應(yīng)分為三種：調(diào)壓調(diào)速、變極調(diào)速和變頻調(diào)速。改變感應(yīng)電動機(jī)輸入電源的電壓進(jìn)行調(diào)速的方式稱為調(diào)壓調(diào)速，是一種變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方式；改變感應(yīng)電動機(jī)的磁極對數(shù)，從而改變同步旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)速的方式稱為變極調(diào)速，其轉(zhuǎn)速階躍變化；改變感應(yīng)電動機(jī)輸入電源頻率，從而改變同步磁場轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速，其轉(zhuǎn)速可以均勻變化。對于交流感應(yīng)電動機(jī)調(diào)速控制，一般采用控制多種變量的方法。目前高級的控制策略和復(fù)雜的控制算法如自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制和最優(yōu)控制等已經(jīng)得以使用，以獲得快速響應(yīng)、高效率和寬調(diào)速范圍的優(yōu)勢。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制22交流感應(yīng)電機(jī)的起動：將三相異步電動機(jī)接入電源，電動機(jī)由靜止不動，到達(dá)至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，運(yùn)行中間所經(jīng)歷的過程稱為起動。在剛接入電源的一瞬間，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n=0，此時旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子之間相對運(yùn)動速度最大。轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流最大，定子電流也最大，通常為額定電流的4～7倍。如果電動機(jī)不是頻繁起動就不會有熱量的積累，對電動機(jī)本身沒有多大的影響。過大的起動電流對供電線路會有一定的影響。因為過大的起動電流會在線路上產(chǎn)生較大的電壓降，降低了電網(wǎng)供電的電壓，影響到同一供電系統(tǒng)上的其他電器設(shè)備不能正常工作。如工作在同一電源的其他異步電動機(jī)，由于電磁轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，電壓的降低會減小它們的轉(zhuǎn)速，增大其電流，甚至?xí)闺姶呸D(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩而造成電動機(jī)意外停轉(zhuǎn)。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制23交流感應(yīng)電機(jī)的起動電流過大改善方法：1.直接起動通過開關(guān)或接觸器將電動機(jī)直接接入電源的起動方法稱為直接起動。這種起動方法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但是否允許電動機(jī)直接起動，取決于電動機(jī)容量和供電電源容量之間的比例。在以下3種情況下，一般可以采用直接起動的方法。若電動機(jī)的電源是在具有獨(dú)立變壓器供電的情況下，對于不經(jīng)常起動的三相異步電動機(jī)，其功率不能超過電源容量的30%；對于頻繁起動的感應(yīng)電動機(jī)，其功率不應(yīng)超過電源容量的20%；如果沒有獨(dú)立變壓器供電，感應(yīng)電動機(jī)直接起動時所產(chǎn)生的電壓降不應(yīng)超過額定電壓的5%。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制24交流感應(yīng)電機(jī)的起動電流過大改善方法：1.直接起動通過開關(guān)或接觸器將電動機(jī)直接接入電源的起動方法稱為直接起動。這種起動方法簡單、容易實(shí)現(xiàn)，但是否允許電動機(jī)直接起動，取決于電動機(jī)容量和供電電源容量之間的比例。在以下3種情況下，一般可以采用直接起動的方法。若電動機(jī)的電源是在具有獨(dú)立變壓器供電的情況下，對于不經(jīng)常起動的三相異步電動機(jī)，其功率不能超過電源容量的30%；對于頻繁起動的感應(yīng)電動機(jī)，其功率不應(yīng)超過電源容量的20%；如果沒有獨(dú)立變壓器供電，感應(yīng)電動機(jī)直接起動時所產(chǎn)生的電壓降不應(yīng)超過額定電壓的5%。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制25交流感應(yīng)電機(jī)的起動電流過大改善方法：2.降壓起動對于不允許直接起動的電動機(jī)，可以采用降壓起動的方法，以減小起動電流。降壓起動就是在起動時，降低加在定子繞組上的電壓。待電動機(jī)的轉(zhuǎn)速接近額定值時，再將定子繞組的電壓恢復(fù)到額定值，使電動機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。由于三相異步電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩與電源電壓平方成正比，在降低起動電壓限制起動電流的同時，也大大降低了起動轉(zhuǎn)矩。因此降壓起動的方法只適用于電動機(jī)的輕載或空載起動。降壓起動有星形—三角形(Y-△)轉(zhuǎn)換降壓起動；自耦變壓器降壓起動；自耦變壓器降壓起動3種。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制26交流感應(yīng)電機(jī)的起動電流過大改善方法：3.變頻起動變頻起動是通過變頻器或電機(jī)控制器改變電機(jī)定子側(cè)供電頻率和電壓以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)順滑起動，它可以帶載起動，不會有沖擊電流，通過軟件可以設(shè)定加速曲線，是電動汽車使用的主要方式星形—三角形(Y-△)轉(zhuǎn)換降壓起動；任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制27交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速：三相異步電動機(jī)的調(diào)速方式有變極對數(shù)調(diào)速、變定子側(cè)電源頻率調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速3種。1.變頻調(diào)速變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)的電源頻率進(jìn)行調(diào)速，是電動汽車調(diào)速的主要形式。由于能連續(xù)改變電源頻率?1，所以速度的改變也是連續(xù)和平滑的。由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式可知，改變了定子電源頻率?1，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在忽略定子漏阻抗的情況下，異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢E1近似等于電源電壓U1：若電源電壓U1不變，則磁通隨頻率而變。通常在設(shè)計電機(jī)時，為了充分利用鐵心材料，將磁通Φ的數(shù)值選擇在接近飽和值上。因此，如果頻率從額定值（工作頻率為50Hz）往下調(diào)，磁通會增加，這將造成磁路過飽和，使勵磁電流增加，鐵心過熱，增加其損耗。如果頻率從額定值往上調(diào)，會使磁通減小，造成電機(jī)欠勵磁，影響電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制28交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速：三相異步電動機(jī)的調(diào)速方式有變極對數(shù)調(diào)速、變定子側(cè)電源頻率調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速3種。1.變頻調(diào)速變頻調(diào)速是通過改變電動機(jī)的電源頻率進(jìn)行調(diào)速，是電動汽車調(diào)速的主要形式。由于能連續(xù)改變電源頻率?1，所以速度的改變也是連續(xù)和平滑的。由異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式可知，改變了定子電源頻率?1，就可以改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。在忽略定子漏阻抗的情況下，異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢E1近似等于電源電壓U1：若電源電壓U1不變，則磁通隨頻率而變。通常在設(shè)計電機(jī)時，為了充分利用鐵心材料，將磁通Φ的數(shù)值選擇在接近飽和值上。因此，如果頻率從額定值（工作頻率為50Hz）往下調(diào)，磁通會增加，這將造成磁路過飽和，使勵磁電流增加，鐵心過熱，增加其損耗。如果頻率從額定值往上調(diào)，會使磁通減小，造成電機(jī)欠勵磁，影響電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制29交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速：三相異步電動機(jī)的調(diào)速方式有變極對數(shù)調(diào)速、變定子側(cè)電源頻率調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速3種。1.變頻調(diào)速在調(diào)節(jié)電源頻率?1的同時要同步調(diào)節(jié)電源電壓U1的大小，以保持U1/?1值為恒定，從而維持磁通恒定不變。異步電動機(jī)變頻調(diào)速的控制方式主要有保持U1/?1值恒定的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：持U1/?1值恒定的恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速是將頻率U1從額定值往下調(diào)（同時減小U1），由于頻率減小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速低。在這種變頻調(diào)速過程中，由于U1=4.44f1N1ΦK1，T=CTΦI2COSΦ2，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，磁通又是恒定的，則轉(zhuǎn)子電流不變，電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也不變，故為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制30交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速：保持磁恒定、輸出轉(zhuǎn)矩不變的變頻調(diào)速機(jī)械特性如圖所示。這種調(diào)速方法的機(jī)械特性較硬，即轉(zhuǎn)速降較小，調(diào)速范圍較寬，但低速性能較差。如果電源頻率?1能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，就能實(shí)現(xiàn)無級變頻調(diào)速。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制31交流感應(yīng)電動機(jī)的調(diào)速：恒功率調(diào)速：恒功率變頻調(diào)速是將頻率?1從額定值向上調(diào)。由于一般不允許將電動機(jī)的電源電壓升高超過其額定值，因此在電源電壓U1不變的情況下，提高電源頻率會使磁通Φ減小，輸出轉(zhuǎn)矩隨之減小。對于恒功率負(fù)載，若電動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，其輸出轉(zhuǎn)矩會減小，從而異步電動機(jī)的電磁功率基本保持不變。這種恒功率變頻調(diào)速方式的機(jī)械特性如圖所示，它的機(jī)械特性較軟，即轉(zhuǎn)速降較大。這種調(diào)速方式也稱為恒壓弱磁變頻調(diào)速。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)不同負(fù)載采用不同的調(diào)速方式。通常恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，恒功率負(fù)載采用恒功率調(diào)速方式。（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制32變頻器介紹：由主電路和控制電路組成。主電路包括整流、濾波和逆變3個部分。它的工作原理是：首先將工頻交流電壓通過整流器轉(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)過濾波后，再通過逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為頻率可調(diào)的交流電壓?？刂齐娐返墓δ苁窍蛑麟娐诽峁┛刂菩盘?，它包括對電壓和頻率進(jìn)行運(yùn)算的運(yùn)算電路，對主電路進(jìn)行電流、電壓檢測的檢測電路，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的驅(qū)動電路以及主電路和控制電路的保護(hù)電路。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制33變頻器介紹：在現(xiàn)代變頻器中，普遍采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式，將直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓可調(diào)的交流電。它是通過改變輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波，即使脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排。當(dāng)正弦值為最大值時，脈沖的寬度也最大，當(dāng)正弦值較小時，脈沖的寬度也較小。如果脈沖間的間隔小，相應(yīng)的輸出電壓大：反之，脈沖間的間隔較大，相應(yīng)的輸出電壓也較小。單極性雙極性任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制342.變極調(diào)速變極調(diào)速是通過改變異步電動機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)來改變旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。每當(dāng)磁極對數(shù)增加一倍，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速就降低一半，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也將降低一半，顯然這種調(diào)速方法是有級調(diào)速。對于多極的電動汽車驅(qū)動電機(jī)在制造時已經(jīng)將繞組固定連接，因此只能不具有變極調(diào)速功能，只能采用變頻調(diào)速方式。改變異步電動機(jī)的磁極對數(shù)是通過改變定子繞組的接線方式來實(shí)現(xiàn)的。磁極繞組展開圖任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制352.變極調(diào)速它是由兩個等效集中線圈串聯(lián)組成，連接順序為A1-X1-A2-X2。當(dāng)繞組有電流通過時，方向如圖所示，根據(jù)右手定則，可以判斷出定子旋轉(zhuǎn)磁場有四個磁極，這時磁極對數(shù)P=2。磁極P=2繞組展開圖任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制362.變極調(diào)速它是由兩個等效集中線圈串聯(lián)組成，連接順序為A1-X1-A2-X2。當(dāng)繞組有電流通過時，方向如圖所示，根據(jù)右手定則，可以判斷出定子旋轉(zhuǎn)磁場有四個磁極，這時磁極對數(shù)P=2。磁極P=2繞組展開圖任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制372.變極調(diào)速它將線圈連接順序改為A1-X1-X2-A2，如下圖所示。當(dāng)有電流通過繞組時，它產(chǎn)生的定子旋轉(zhuǎn)磁場有兩個磁極，如圖所示，這時磁極對數(shù)P=1。磁極P=2繞組展開圖任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制383.變轉(zhuǎn)差率調(diào)速這種調(diào)速方式是在繞線型異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組中串聯(lián)接入電阻，通過改變轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速，如起重設(shè)備上。電動汽車上使用的是鼠籠式三相異步電動機(jī)，轉(zhuǎn)子不能串聯(lián)電阻，不具備該調(diào)速功能。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制39感應(yīng)電機(jī)的制動當(dāng)切斷三相異步電動機(jī)供電電源后，電動機(jī)會依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動一段時間后才停止。為了保證生產(chǎn)機(jī)械工作的準(zhǔn)確性和提高生產(chǎn)效率，需要采用某種方法對電動機(jī)實(shí)行制動，即強(qiáng)迫電動機(jī)迅速停止轉(zhuǎn)動。1.能耗制動這種制動方法是在電動機(jī)斷電之后，立即在定子繞組中通入直流電流，以產(chǎn)生一個恒定的磁場。它與繼續(xù)轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子相互作用，產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩，迫使電動機(jī)迅速停下來。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制401.能耗制動由開關(guān)SA實(shí)現(xiàn)制動。電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時開關(guān)QS閉合，當(dāng)制動時，開關(guān)QS斷開，SA閉合。當(dāng)電動機(jī)停轉(zhuǎn)后，打開開關(guān)SA，切斷直流電源。這種制動方法消耗能量小，制動效果較好，但需配直流電源。能耗制動原理能耗制動線路

任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制412.反接制動反接制動是將接到電動機(jī)定子繞組的三相電源的三根導(dǎo)線中的任意兩根對調(diào)位置，如圖所示，即通過改變接入電動機(jī)三相電源的相序來實(shí)現(xiàn)制動。當(dāng)三相電源的相序改變時，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場立即反向旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向與原來的方向相反，即與電動機(jī)由于慣性仍在轉(zhuǎn)動的方向相反，因此起到了制動的作用。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)降為零時，應(yīng)及時切斷電源，否則電動機(jī)將反向起動。在反接制動時，旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子相對速度(n0+n)很大，因而會在定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生很大的電流，為了限制這個電流，通常在定子繞組中串入限流電阻R。這種制動方法簡單，制動力矩大，制動效果好，但能量消耗較大。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制423.發(fā)電反饋制動當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n超過旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速n1，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，由于n＞n1，這時轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流的方向均與電動機(jī)的電動狀態(tài)相反，由此產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，在制動轉(zhuǎn)矩的作用下，電動機(jī)轉(zhuǎn)速減小。如在采用變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速時，降低變頻器的輸出頻率使電動機(jī)處在減速過程中。在減速瞬間，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速低于電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，異步電動機(jī)便成為異步發(fā)電機(jī)，它將機(jī)械負(fù)載和電動機(jī)所具有的機(jī)械能量反饋給變頻器，并在電動機(jī)中產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，故稱為發(fā)電反饋制動。另外，在多速電動機(jī)從高速調(diào)到低速的過程中，起重機(jī)快速下放重物時，也會出現(xiàn)這種發(fā)電制動情況。電動汽車的制動能量回收就是發(fā)電反饋制動。（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制43電機(jī)性能參數(shù)1.電機(jī)的額定工作電壓電動機(jī)正常工作時的電壓，電機(jī)的參數(shù)都是電機(jī)工作于額定工作電壓時的數(shù)值。電機(jī)的工作電壓也可以低于額定工作電壓，此時各項參數(shù)數(shù)值都會下降。電機(jī)的工作電壓也可以高于額定工作電壓，但不要長時間運(yùn)行，電壓也不可過高。2.電機(jī)的額定電流電機(jī)在額定工作點(diǎn)運(yùn)行時所消耗的電流。3.電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速電機(jī)在額定工作點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制44電機(jī)性能參數(shù)4.啟動轉(zhuǎn)矩電動機(jī)啟動時所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩。異步電機(jī)通常起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的125%以上。與之對應(yīng)的電流稱為起動電流，通常起動電流為額定電流的6倍左右。5.額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩電機(jī)在額定電壓、額定轉(zhuǎn)速時輸出的轉(zhuǎn)矩。使用時應(yīng)留有一定的余量，防止“小馬拉大車”現(xiàn)象。6.堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩電機(jī)在額定電壓下，加在輸出軸上的，最終使電機(jī)停轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩。如電動汽車被頂在臺階上，此時電機(jī)有功率輸入，有轉(zhuǎn)矩輸出，但是沒有轉(zhuǎn)速輸出，輸出功率為零，效率為零，輸入電能全部轉(zhuǎn)換為熱能，電機(jī)很快發(fā)熱，嚴(yán)重會觸發(fā)過載保護(hù)系統(tǒng)，影響車輛正常使用，應(yīng)減少該工況的產(chǎn)生或縮短出現(xiàn)該工況的時長。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制45電機(jī)性能參數(shù)7.電機(jī)的功率電動機(jī)的功率由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩決定。輸出功率P(kW)=轉(zhuǎn)矩T(N·m)×轉(zhuǎn)速n(r/min)/95508.電機(jī)的效率電動機(jī)內(nèi)部功率損耗的大小是用效率來衡量的，輸出功率與輸入功率的比值稱為電動機(jī)的效率。效率高，說明損耗小，節(jié)約電能。但過高的效率要求，將使電動機(jī)的成本增加。一般異步電動機(jī)在額定負(fù)載下其效率為75%～92%。異步電動機(jī)的效率也隨著負(fù)載的大小而變化?？蛰d時效率為零，負(fù)載增加，效率隨之增大，當(dāng)負(fù)載為額定負(fù)載的0.7～1倍時，電機(jī)效率最高，也最經(jīng)濟(jì)。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制46電機(jī)性能參數(shù)9.轉(zhuǎn)動慣量具有質(zhì)量的物體維持其固有運(yùn)動狀態(tài)的一種性質(zhì)，轉(zhuǎn)動慣量的大小直接影響電機(jī)的響應(yīng)速度，轉(zhuǎn)動慣量越大電機(jī)響應(yīng)越慢，轉(zhuǎn)動慣量越小電機(jī)響應(yīng)越快。10.功率密度電動機(jī)每單位質(zhì)量所能獲得的輸出功率值，功率密度越大，電動機(jī)的有效材料的利用率就越高。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制47電機(jī)性能參數(shù)11.功率因數(shù)異步電動機(jī)的功率因數(shù)是衡量在異步電動機(jī)輸入的視在功率中，真正消耗的有功功率所占比重的大小，其值為輸入的有功功率P與視在功率S之比，用cosψ來表示。

電動機(jī)在運(yùn)行中，功率因數(shù)是變化的，其變化大小與負(fù)載大小有關(guān)，電動機(jī)空載運(yùn)行時，定子繞組的電流基本上是產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的無功電流分量，有功電流分量很小。此時，功率因數(shù)很低，約為0.2左右，當(dāng)電動機(jī)帶上負(fù)載運(yùn)行時，要輸出機(jī)械功率，定子繞組電流中的有功電流分量增加，功率因數(shù)也隨之提高。當(dāng)電動機(jī)在額定負(fù)載下運(yùn)行時，功率因數(shù)達(dá)到最大值，一般約為0.7～0.9。因此，電動機(jī)應(yīng)避免空載運(yùn)行，防止“大馬拉小車”現(xiàn)象。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制48電機(jī)性能參數(shù)12.電機(jī)絕緣等級A級絕緣：包括浸漬處理過的棉紗、絲、紙等有機(jī)纖維材料以及普通漆包線上的磁漆等，且目前只在變壓器上應(yīng)用，最高允許工作溫度為105℃。

E級絕緣：包括用聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、三醋酸纖維等制成的薄膜，聚乙烯醇縮醛，高強(qiáng)度漆包線上的磁漆等，最高允許工作溫度為120℃。

B級絕緣：包括云母，石棉，玻璃絲等有機(jī)物；用提高了耐熱性能的有機(jī)漆或樹脂作為粘合物制成的材料及其組合物；聚酯高強(qiáng)度漆包線上的磁漆；最高允許工作溫度為130℃。F級絕緣：包括云母，石棉，玻璃絲等無機(jī)物用硅有機(jī)化合物改性的合成樹脂漆，或耐熱性能符合這一要求的醇酸、環(huán)氧等合成樹脂作為粘合物而制成的材料或其組合物，最高允許工作溫度為155℃。

任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制49電機(jī)性能參數(shù)12.電機(jī)絕緣等級H級絕緣：包括硅有機(jī)物以及云母，石棉，玻璃絲等無機(jī)物用硅有機(jī)漆作為粘合物制成的材料，最高允許工作溫度為180℃。

C級絕緣：包括無年合計的云母，石英，玻璃等；用熱穩(wěn)定性能特別優(yōu)良的硅有機(jī)樹脂，聚酰亞胺浸漬漆等處理過的石棉，玻璃纖維織物或其制成品；聚酰亞胺基漆包線的磁漆，聚酰亞胺薄膜等，C級絕緣等級是要求更高的絕緣材料，正在生產(chǎn)中推廣使用，其最高允許工作溫度尚未確定，但應(yīng)在180℃以上。

任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)（三）交流感應(yīng)電機(jī)的控制50電機(jī)性能參數(shù)防護(hù)等級：防護(hù)標(biāo)志由字母IP和兩個表示防護(hù)等級的表征數(shù)字組成，如表所示。第一位數(shù)字表示：防止人體觸及或接近殼內(nèi)帶電部分和觸及殼內(nèi)轉(zhuǎn)動部件。第二位數(shù)字表示：防止由于電機(jī)進(jìn)水而引起的有害影響（表示防水等級）。電機(jī)常用的防護(hù)等級有IP23、IP44、IP54、IP55、IP56、IP65，電動汽車常用的防護(hù)等級是IP67，即塵密防浸水。任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)四、任務(wù)實(shí)施1-電機(jī)整體及銘牌數(shù)據(jù)認(rèn)識任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)1.準(zhǔn)備工作設(shè)備：交流異步電動機(jī)1臺。2.操作步驟（1）觀察異步電動機(jī)的外形結(jié)構(gòu)，抄錄電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)。（2）用手撥動電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，觀察其轉(zhuǎn)動情況是否良好。（3）觀察電動機(jī)的接線方式，明確所有線束的功能作用。（4）觀察電動機(jī)的冷卻方式。（5）觀察電動機(jī)的固定方式。五、任務(wù)實(shí)施2-交流異步電動拆裝及檢測任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)1.準(zhǔn)備工作（1）拆裝設(shè)備：三相異步電動機(jī)1臺。（2）拆裝工具：拉拔器、扳手組件、榔頭、螺絲刀套件、銅棒、套筒工具、毛刷、鉗子等。2.技術(shù)要求與注意事項（1）拉具螺桿的中心線要對準(zhǔn)電動機(jī)軸的中心線，轉(zhuǎn)動絲杠，掌握力度，把帶輪或聯(lián)軸器慢慢拉出，切忌硬拆，拉具項端不得損壞轉(zhuǎn)子軸端中心孔。（2）嚴(yán)禁用錘子直接敲擊端蓋、軸承、軸，避免軸變形、端蓋受損。（3）拆除卡環(huán)時要使用專用的卡環(huán)鉗，并注意彈出傷人。（4）拆除風(fēng)葉時最好使用拉具，避免風(fēng)葉變形損壞。（5）裝配時，擰緊端蓋螺栓，必須四周用力均勻，對角依次逐步擰緊。（6）注意轉(zhuǎn)速傳感器、溫度傳感器引線，不要使絕緣層破損。（7）檢查電動機(jī)的絕緣電阻，用兆歐表搖測電動機(jī)定子繞組中相與相之間、各相對機(jī)殼之間的絕緣電阻，對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，還應(yīng)檢查各相轉(zhuǎn)子繞組間及對地間的絕緣電阻。額定電壓為380V的電動機(jī)用500V的兆歐表測量，絕緣電阻應(yīng)不低于0.5MΩ。大修更換繞組后的絕緣電阻一般不低于5MΩ。五、任務(wù)實(shí)施2-直流電動機(jī)拆裝及檢測任務(wù)3：交流感應(yīng)電機(jī)3.操作步驟（1）抄錄異步電動機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)。（2）用手撥動異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，觀察其轉(zhuǎn)動情況是否良好。（3）查閱相關(guān)技術(shù)手冊，按手冊要求及步驟拆裝異步電動機(jī)。（4）觀察異步電動機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（5）按手冊要求裝復(fù)電動機(jī)，再次檢查轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動情況。4.技能考核標(biāo)準(zhǔn)序號項目操作內(nèi)容規(guī)定分評分標(biāo)準(zhǔn)1數(shù)據(jù)記錄銘牌數(shù)據(jù)記錄作業(yè)過程數(shù)據(jù)記錄30分記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、清楚2操作前準(zhǔn)備維修手冊查詢拆裝前的準(zhǔn)備20分手冊查詢準(zhǔn)確工具準(zhǔn)備合理到位拆卸前的記號標(biāo)記準(zhǔn)確及時3測量絕緣電阻維修手冊查詢測量儀表準(zhǔn)備20兆歐表使用正確絕緣電阻測量準(zhǔn)確4直流電動機(jī)裝直流電動機(jī)拆卸直流電動機(jī)安裝30分拆裝過程合理工具使用合理完成所有拆裝作業(yè)項目Thanks

新能源汽車驅(qū)動電機(jī)與控制系統(tǒng)Contents01電機(jī)基礎(chǔ)知識02直流電機(jī)03交流感應(yīng)電機(jī)04永磁同步電機(jī)05電動汽車驅(qū)動電機(jī)傳感器模塊06電機(jī)控制器07其他類型電機(jī)任務(wù)4永磁同步電機(jī)課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調(diào)（高級）一、課堂目標(biāo)課程：智能座艙系統(tǒng)測試裝調(diào)（高級）58（一）知識目標(biāo)（1）掌握永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；（2）掌握永磁同步電機(jī)的工作特性及應(yīng)用；（3）掌握永磁同步電機(jī)與感應(yīng)異步電機(jī)不同工況時的運(yùn)行特點(diǎn)；（4）掌握永磁同步電動機(jī)的拆裝步驟、檢測方法；（5）能夠規(guī)范選擇使用相關(guān)工具、儀表、設(shè)備。（二）技能目標(biāo)能夠正確認(rèn)識永磁同步電機(jī)整體及銘牌數(shù)據(jù)；能夠正確拆裝及檢測永磁同步電動機(jī)；二、任務(wù)導(dǎo)入任務(wù)1：電機(jī)基礎(chǔ)知識59如何通過永磁同步電機(jī)的銘牌來了解該電機(jī)的關(guān)鍵性能？您了解拆裝并正確檢測永磁同步電機(jī)嗎？三、任務(wù)資訊60任務(wù)1：電機(jī)基礎(chǔ)知識永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)01永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用03永磁同步電機(jī)的工作原理02永磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析

04（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)61永磁同步電動機(jī)分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電動機(jī)和方波驅(qū)動電流的永磁同步電動機(jī)。定子：永磁同步電動機(jī)的定子與普通三相異步電動機(jī)基本相同，由電樞鐵心和電樞繞組構(gòu)成。電樞鐵心一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成，對于具有高效率指標(biāo)或頻率較高的電動機(jī)，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無取向硅鋼片。電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組；對于極數(shù)較多的電動機(jī)，則普遍采用分?jǐn)?shù)槽繞組。需要進(jìn)一步改善電動勢波形時，也可以考慮采用正弦繞組或其他繞組。任務(wù)1：電機(jī)基礎(chǔ)知識（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)62轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成，如圖4-3所示。其中永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料；轉(zhuǎn)子鐵心可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實(shí)心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。與普通電動機(jī)相比，水磁同步電動機(jī)還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進(jìn)行控制，達(dá)到對永磁同步電動機(jī)驅(qū)動控制的目的。任務(wù)1：電機(jī)基礎(chǔ)知識（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)63轉(zhuǎn)子：按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電動機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式兩種。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面式結(jié)構(gòu)又分為凸出式和嵌入式兩種，如圖所示。對采用稀土永磁材料的電動機(jī)來說，由于永磁材料的相對回復(fù)磁導(dǎo)率接近1，所以表面凸出式轉(zhuǎn)子在電磁性能上屬于隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)；而嵌入式轉(zhuǎn)子的相鄰兩永磁磁極間有著磁導(dǎo)率很大的鐵磁材料，故在電磁性能上屬于凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)64表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)：按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電動機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式兩種。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵心的外表面上，永磁體提供磁通的方向為徑向。表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電動機(jī)的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電動機(jī)所采用，但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)65內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)：內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的水磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵心內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動作用，動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電動機(jī)。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護(hù)，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電動機(jī)的過載能力或功率密度，而且易于弱磁擴(kuò)速。（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)66內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)：內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式、U型混合式和V型徑向式。徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高磁通密度。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需要采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片機(jī)械強(qiáng)度高，安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子有較大的慣性，漏磁系數(shù)較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點(diǎn)是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當(dāng)電動機(jī)極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就顯得更為突出。此外，采用該結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40％，對提高電動機(jī)的功率密度和擴(kuò)展恒功率運(yùn)行范圍都是很有利的（a）徑向式

（b）切向式

（c）U型混合式

（d）V型徑向式（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)67轉(zhuǎn)子位置傳感器：像光電編碼式、霍爾式、和電磁式等，也有控制精度要求相對較高的場合，采用正弦或余弦旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器的，但無論哪種測量方式，其本質(zhì)都是用來測量轉(zhuǎn)子位置信息的，只是安裝的體積、方便程度、成本及可靠性要求不同而已。（a）光電編碼式

（b）霍爾式

（c）U型混合式

（一）永磁同步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)68逆變器：位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號電平反饋給控制芯片，控制芯片經(jīng)過電流采樣和數(shù)學(xué)變換，并根據(jù)反饋的位置信息經(jīng)過閉環(huán)運(yùn)算，重新按新的PWM占空比輸出，來觸發(fā)功率器件（IGBT或MOSFET），實(shí)際上逆變器是自控的，由自身運(yùn)行來保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流輸入頻率同步，并避免震蕩和失步的發(fā)生。（a）電機(jī)IGBT

（b）MOSFET

（二）永磁同步電機(jī)的工作原理69工作原理：定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在永磁同步電機(jī)中，定子繞組通常分布在定子磁芯上，定子繞組中的電流通過變化的三相交流電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場由電流的相位和大小決定。轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生徑向磁場。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是由永磁體材料制成，向外產(chǎn)生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。旋轉(zhuǎn)磁場與徑向磁場相互作用產(chǎn)生電磁力。旋轉(zhuǎn)磁場與徑向磁場兩者之間的相互作用會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)行（二）永磁同步電機(jī)的工作原理70工作原理：定子繞組產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。在永磁同步電機(jī)中，定子繞組通常分布在定子磁芯上，定子繞組中的電流通過變化的三相交流電壓產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，這個旋轉(zhuǎn)磁場由電流的相位和大小決定。轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生徑向磁場。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是由永磁體材料制成，向外產(chǎn)生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。旋轉(zhuǎn)磁場與徑向磁場相互作用產(chǎn)生電磁力。旋轉(zhuǎn)磁場與徑向磁場兩者之間的相互作用會在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的高效運(yùn)行。（二）永磁同步電機(jī)的工作原理71工作原理：圖中θ為功率角，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個永磁體，N、S極延圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度旋轉(zhuǎn)的磁場。電機(jī)運(yùn)行時，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中旋轉(zhuǎn)―樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生徑向磁場。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是由永磁體材料制成，向外產(chǎn)生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。fs-電源頻率；Pn-電機(jī)極對數(shù)（二）永磁同步電機(jī)的工作原理72工作原理：圖中θ為功率角，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是一個永磁體，N、S極延圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度旋轉(zhuǎn)的磁場。電機(jī)運(yùn)行時，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中旋轉(zhuǎn)―樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生徑向磁場。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通常是由永磁體材料制成，向外產(chǎn)生徑向磁場，其大小和方向由其放置方式和材料決定。（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用73永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）用永磁體取代繞線式同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵磁繞組，從而省去了勵磁線圈、集電環(huán)和電刷，以電子換相實(shí)現(xiàn)無刷運(yùn)行，結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠。（2）永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系，控制電源頻率就能控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。（3）永磁同步電動機(jī)具有較硬的機(jī)械特性，對于因負(fù)載的變化而引起的電動機(jī)轉(zhuǎn)距的擾動具有較強(qiáng)的承受能力，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的3倍以上，適合在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行。（4）永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，無須勵磁，因此電動機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行，調(diào)速范圍寬。（5）永磁同步電動機(jī)與異步電動機(jī)相比，不需要無功勵磁電流，因而功率因數(shù)高，定子電流和定子銅耗小，效率高。（6）體積小質(zhì)量輕。（7）結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用74永磁同步電機(jī)的缺點(diǎn)：（1）由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機(jī)的銅耗。（2）永磁同步電動機(jī)的磁鋼價格較高。由此可見，永磁同步電動機(jī)體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、功率密度高（可達(dá)1Kw/kg），適合電動汽車空間有限的特點(diǎn)；另外，轉(zhuǎn)矩慣量比大、過載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)矩大，適合電動汽車的起動加速。因此，永磁同步電動機(jī)得到國內(nèi)外電動汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應(yīng)用，日本新研制的電動汽車大都采用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動。比較典型的是在豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力轎車上的應(yīng)用。（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用75永磁同步電機(jī)的缺點(diǎn)：（1）由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，無法調(diào)節(jié)，必須通過加定子直軸去磁電流分量來削弱磁場，這會增大定子的電流，增加電動機(jī)的銅耗。（2）永磁同步電動機(jī)的磁鋼價格較高。由此可見，永磁同步電動機(jī)體積小、質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、功率密度高（可達(dá)1Kw/kg），適合電動汽車空間有限的特點(diǎn)；另外，轉(zhuǎn)矩慣量比大、過載能力強(qiáng)，尤其低轉(zhuǎn)速時輸出轉(zhuǎn)矩大，適合電動汽車的起動加速。因此，永磁同步電動機(jī)得到國內(nèi)外電動汽車界的廣泛重視，并已在日本得到了普遍應(yīng)用，日本新研制的電動汽車大都采用永磁同步電動機(jī)驅(qū)動。比較典型的是在豐田普銳斯混聯(lián)式混合動力轎車上的應(yīng)用。（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用76永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行特性：永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行特性主要包括機(jī)械特性和工作特性。機(jī)械特性：永磁同步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速始終保持同步速不變，因此，其機(jī)械特性為平行于橫軸的直線，調(diào)節(jié)電源頻率來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比變化，如圖所示。（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用77永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行特性：工作特性：永磁同步電動機(jī)的工作特性是指當(dāng)電源電壓恒定時，電動機(jī)的輸入功率P1電樞電流、效率η、功率因數(shù)cos等隨輸出功率變化的關(guān)系，如圖所示。在正常工作范圍內(nèi)，永磁同步電動機(jī)的功率因數(shù)比較平穩(wěn)，效率特性也能保持較高的水平。電動機(jī)的輸入功率和電樞電流近似與輸出功率成正比（三）永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用78永磁同步電機(jī)的應(yīng)用：特斯拉比亞迪、理想汽車、蔚來旗下第二款量產(chǎn)車型ES6、ModelS、ModelX、Model3、ModelY、ChevroletBolt、BMWi3（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析791.永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢（1）效率高。這里所說的效率高不僅僅指額定功率點(diǎn)的效率離于普通三相異步電機(jī)，而是指其在整個調(diào)速范圍內(nèi)的平均效率。永磁同步電機(jī)的勵磁磁場由永磁體提供，轉(zhuǎn)子不需要勵磁電流，電機(jī)效率提高，與異步電機(jī)相比，任意轉(zhuǎn)速點(diǎn)均節(jié)約電能，尤其在轉(zhuǎn)速較低的時候這種優(yōu)勢尤其明顯。（2）啟動轉(zhuǎn)矩高。永磁同步電機(jī)一般也采用異步起動方式，由于永磁同步電機(jī)正常工作時轉(zhuǎn)子繞組不起作用，在設(shè)計永磁電機(jī)時，可使轉(zhuǎn)子繞組完全滿足高起動轉(zhuǎn)矩的要求，例如使起倍1.8倍上升到2.5倍，甚至更大。（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析80（3）體積小，重量輕。由于使用了高性能的永磁材料提供磁場，使得永磁電機(jī)的氣隙磁場較感應(yīng)電機(jī)大先增強(qiáng)，永磁電機(jī)的體積和重量較感應(yīng)電機(jī)可以大大的縮小。例如某3kW的異步電機(jī)重最為40kg，而30kW永磁電機(jī)僅為45kg。

（4）故障率更低、使用普遍。

由于使用了高性能的稀土永磁材料提供磁場，因此故障率更低。（5）響應(yīng)速度快。相同功率的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，因此響應(yīng)迅速，起步加速性能好，圖為2.2Kw的永磁電機(jī)和異步電機(jī)在相同載荷時由靜止加速到1500r/min時的階躍響應(yīng)曲線，同步電機(jī)液壓源階躍響應(yīng)時間為90ms，明顯優(yōu)于異步電機(jī)的370ms。（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析812.永磁同步電機(jī)存在的問題（1）控制難度大。永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動機(jī)不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。永磁電機(jī)一般采用閉環(huán)控制，電機(jī)本身自帶轉(zhuǎn)速位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤；而異步電機(jī)即可開環(huán)控制如通用變頻調(diào)速，也可閉環(huán)控制如伺服控制。（2）不可逆退磁問題。如果設(shè)計或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，也叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。永磁電機(jī)一般在定子繞組中預(yù)埋溫度傳感器，檢測電機(jī)溫度，防止過載引起電機(jī)溫升過大造成退磁。同時，對轉(zhuǎn)速控制也極為嚴(yán)格，如“失步”（轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場不同步）也會對電機(jī)造成嚴(yán)重不良影響，容易引起退磁。（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析822.永磁同步電機(jī)存在的問題（1）控制難度大。永磁電機(jī)制成后不需外界能量即可維持其磁場，但也造成從外部調(diào)節(jié)、控制其磁場極為困難。永磁發(fā)電機(jī)難以從外部調(diào)節(jié)其輸出電壓和功率因數(shù)，永磁直流電動機(jī)不能再用改變勵磁的辦法來調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。永磁電機(jī)一般采用閉環(huán)控制，電機(jī)本身自帶轉(zhuǎn)速位置傳感器，如旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤；而異步電機(jī)即可開環(huán)控制如通用變頻調(diào)速，也可閉環(huán)控制如伺服控制。（2）不可逆退磁問題。如果設(shè)計或使用不當(dāng)，永磁電機(jī)在過高（釹鐵硼永磁）或過低（鐵氧體永磁）溫度時，在沖擊電流產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下，或在劇烈的機(jī)械震動時有可能產(chǎn)生不可逆退磁，也叫失磁，使電機(jī)性能降低，甚至無法使用。永磁電機(jī)一般在定子繞組中預(yù)埋溫度傳感器，檢測電機(jī)溫度，防止過載引起電機(jī)溫升過大造成退磁。同時，對轉(zhuǎn)速控制也極為嚴(yán)格，如“失步”（轉(zhuǎn)子磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場不同步）也會對電機(jī)造成嚴(yán)重不良影響，容易引起退磁。（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析83（3）成本問題。鐵氧體永磁電機(jī)，特別是微型永磁直流電動機(jī)，由于結(jié)構(gòu)工藝簡單、質(zhì)量減輕，總成本一般比電勵磁電機(jī)低，因而得到了極為廣泛的應(yīng)用。由于稀土永磁目前價格還比較貴，稀土永磁電機(jī)的成本一般比電勵磁電機(jī)高，這需要用它的高性能和運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省來補(bǔ)償。因此永磁電機(jī)適于小功率的場合。永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，永磁同步電機(jī)低速節(jié)能性、響應(yīng)速度等方面更優(yōu)，而交流異步電機(jī)的高速性能更好。因此很多主流四驅(qū)純電動汽車同時采用永磁同步電機(jī)和交流異步電機(jī)，提升不同工況時的車輛綜合性能，如特斯拉、蔚來等；而對于單電機(jī)驅(qū)動的車輛，一般采用永磁同步電機(jī)，如比亞迪、吉利等。（四）磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析84永磁同步電機(jī)與交流感應(yīng)電機(jī)工況對比分析:1.電機(jī)電動狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動車輛行駛工況永磁同步電機(jī)：定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速基本相同，定子磁場始終超前轉(zhuǎn)子磁場一個角度，角度大小始終在某一范圍內(nèi)。交流異步電機(jī)：定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速大于定子轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率0＜S＜1。2.電機(jī)發(fā)電狀態(tài)，減速制動能量回收工況永磁同步電機(jī)：定子旋轉(zhuǎn)磁場和轉(zhuǎn)子同向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速基本相同，定子磁場始終滯后轉(zhuǎn)子磁場一個角度，角度大小始終在某一范圍內(nèi)。交流異步電機(jī)：定子旋轉(zhuǎn)磁