6.第六章-電動汽車電機

二零一四年元月第六章電動汽車電機主講：趙振寧新能源汽車電工電子與電力電子基礎(chǔ)2能說出永磁同步直流無刷電機中的永磁、同步、直流、無刷分別指什么。能說出汽車變頻器控制下的電機工作特性。能說出汽車變頻器“兩兩導(dǎo)通”和“三三導(dǎo)通”的換流過程。知識目標3

能更換汽車永磁直流同步無刷電機。能正確拆裝汽車永磁直流同步無刷電機。能對汽車永磁直流同步無刷電機進行必要的檢查。能對汽車永磁直流同步無刷電機的液冷系統(tǒng)進行檢查。技能目標4第一節(jié)電動汽車電機一、電機種類電機根據(jù)電源的電壓幅值和頻率是否變化分為驅(qū)動電機和控制電機兩種。5二、驅(qū)動電機驅(qū)動電機是電源的特征（電壓幅值和頻率）不發(fā)生變化的電機，工作機械特性只取決于負載阻力的大小。例如，電機的端電壓ｕ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ），在我國有三相電機和單相電機兩種，我國工頻電為５０Ｈｚ（ω＝１００π），線電壓為３８０Ｖ，相電壓為２２０Ｖ。因此有:三相電機：ｕ＝３８０槡３ｓｉｎ（１００πｔ＋φ）Ｖ單相電機：ｕ＝２２０槡２ｓｉｎ（１００πｔ＋φ）Ｖ由于電壓幅值Ａ不變、角頻率ω不變、初始角φ不確定，整個電機的機械特性取決于電機的負載大小，這就是驅(qū)動電機（工頻電機）。第一節(jié)電動汽車電機6三、控制電機控制電機的電源是直流電，經(jīng)變頻器控制輸出幅值和頻率的電機，工作機械特性不僅取決于負載阻力的大小，也取決于變頻器的控制電流輸出大小。控制電機的端電壓仍為ｕ＝Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ），電動汽車為三相電機，電機端電壓隨以下參數(shù)的變化而變化：１）電壓幅值Ａ：幅值Ａ是變值。２）角頻率ω：ω也可以從零調(diào)節(jié)到幾百赫茲（Ｈｚ）。３）初始角φ：φ為確定值。整個電機的機械特性取決于電機控制目標的大小，這就是控制電機。汽車上的控制電機應(yīng)用有很多，如電動汽車或傳統(tǒng)汽車采用的電動轉(zhuǎn)向電機，電動汽車驅(qū)動電機和空調(diào)驅(qū)動電機。第一節(jié)電動汽車電機7四、電動汽車對電機的要求（１）過載能力要強（２）基速比要大（３）設(shè)計目標要求高（４）功率密度要高（５）可控性要好（６）工作環(huán)境差第一節(jié)電動汽車電機8第二節(jié)電動汽車永磁電機結(jié)構(gòu)一、永磁無刷電機的優(yōu)點１）電機轉(zhuǎn)子由高磁能永磁材料制作，對于給定的輸出功率，它的質(zhì)量和體積能夠大大減小，使得功率密度提高。２）轉(zhuǎn)子為永磁體，轉(zhuǎn)子銅損耗小于感應(yīng)電機，其效率高于感應(yīng)電機。３）電機發(fā)熱主要集中在定子上，易于采取散熱措施。４）永磁體沒有其他勵磁制造缺陷、過熱或機械損壞的限制，因而可靠性較高。汽車永磁電機按有無換向電刷可分為兩類：永磁有刷直流電機和永磁無刷直流電機。根據(jù)輸入電機接線端的交流波形，永磁無刷電機可分為永磁同步電機（正弦波）和永磁無刷直流電機（矩形波）。9二、三相直流無刷電機１.三相原始電機基本結(jié)構(gòu)第二節(jié)電動汽車永磁電機結(jié)構(gòu)10２.加倍降波動為了降低電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩波動，通常要將定子相數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極數(shù)加倍，在兩倍（相當于兩缸發(fā)動機）原始電機Ａ相中，Ａ１Ｘ１和Ａ２Ｘ２串在一起構(gòu)成Ａ相，通電時會同時產(chǎn)生磁通。二、三相直流無刷電機第二節(jié)電動汽車永磁電機結(jié)構(gòu)11第三節(jié)三相逆變過程電機的轉(zhuǎn)矩控制本質(zhì)是兩個要素的控制，第一是什么時間控制開關(guān)管導(dǎo)通；第二是開關(guān)管導(dǎo)通持續(xù)的時間（電角度）是多少。一、變頻器12二、電流導(dǎo)通方式１.兩兩導(dǎo)通第三節(jié)三相逆變過程13２.三三導(dǎo)通二、電流導(dǎo)通方式第三節(jié)三相逆變過程14三、定時和定量控制第三節(jié)三相逆變過程15第四節(jié)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器一、電機轉(zhuǎn)子初始角功率晶體管的換相信號需要從電機轉(zhuǎn)子位置傳感器的狀態(tài)得出，換相時刻即相序信號狀態(tài)改變的時刻。因此，電機轉(zhuǎn)子位置和三相繞組相對關(guān)系對于電機的正確方向運行非常重要。電機轉(zhuǎn)子位置傳感器分為有傳感器型和無傳感器型兩種，電機位置傳感器即電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速傳感器，由于表達過于冗長，一般稱為電機解角傳感器。16二、電機轉(zhuǎn)子位置識別１.有位置傳感器型永磁直流無刷電機位置傳感器是組成無刷直流電機系統(tǒng)的三大部分（電機、變頻器、位置傳感器）之一，也是區(qū)別于有刷直流電機的主要標志。其作用是檢測電機轉(zhuǎn)子在運動過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息，以控制功率晶體管的導(dǎo)通與截止，使電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)。第四節(jié)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器17２.無位置傳感器型二、電機轉(zhuǎn)子位置識別段式起動法：電機靜止時的轉(zhuǎn)子停留的位置決定了變頻器第一次應(yīng)觸發(fā)哪兩個功率晶體管，而在沒有位置傳感器時判斷轉(zhuǎn)子初始位置很復(fù)雜；可以先讓變頻器任意兩相導(dǎo)通，并控制電機電流，通電一段時間后，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)到與該導(dǎo)通狀態(tài)相對應(yīng)的一個預(yù)知位置，完成轉(zhuǎn)子的定位；轉(zhuǎn)子定位后，根據(jù)駕駛?cè)俗兯贄U的位置（Ｄ或Ｒ），就可知道接下來應(yīng)觸發(fā)的變頻器功率器件。基于以上這種想法，人們提出了三段式起動法。三段式起動法是信號發(fā)生器控制同步電機的運行狀態(tài)從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大到產(chǎn)生可識別的反電勢信號，再切換至反電勢法控制無刷電機運行狀態(tài)，實現(xiàn)電機起動