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1、新能源汽车概论 第 1 页,第4章 驱动电动机,4.1 概述4.2 直流电动机,新能源汽车概论 第 2 页,电动机 与 发电机,新能源汽车概论 第 3 页,电动车用电动机 与 发电机,新能源汽车概论 第 4 页,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点4.1.2 新能源汽车对电动机的性能要求4.1.3 电动车用电动机的分类,4.1 概述,新能源汽车概论 第 5 页,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,新能源汽车概论 第 6 页,电动汽车电机驱动系统类型,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,新能源汽车概论 第 7 页,1.纯电动汽车的电动机驱动系统纯电动汽车中
2、使用的电动机，因为有差速减速器，不需要太大变速范围，故可采用无离合器和传动装置传动系统。没有传动装置，运转更加容易，但这样也需要低速大转矩、速度变化区域大的电动机。双电动机驱动方式分为前后驱动和双轮毂式电动机两类，双轮毂电动机及其逆变器的制造成本价较高。四轮毂式电动机把电动机组装在轮毂中，机构更紧凑。,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,新能源汽车概论 第 8 页,2.混合动力电动汽车的电动机驱动系统,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,（1）串联式混合动力汽车,串联式混合动力汽车解决了纯电动车续驶里程短这个 难题，行驶中或者停车时由能量源向电池充电。能量源与车轮在
3、结构上没有机械连接，因此驱动系统 的结构具有更大的自由度。,新能源汽车概论 第 9 页,串联式混合动力汽车的能量流动,（发动机提供动能）,新能源汽车概论 第 10 页,串联式混合动力汽车的能量流动,（以燃料电池为能源）,新能源汽车概论 第 11 页,2.混合动力电动汽车的电动机驱动系统,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,（2）并联式混合动力汽车,驱动系统中装载的电动机/发电机，根据制动或驱动需求，发动机随着运转状况改变转速和输出功率。制动时，电动机/发电机处在发电机模式，电池回收电力。启动、加速时，作为电动机提供驱动转矩。,新能源汽车概论 第 12 页,2.混合动力电动汽车的电
4、动机驱动系统,4.1.1 新能源汽车电动机驱动系统的种类和特点,（3）混联式混合动力汽车,混联式混合驱动方式具有发电机和电动机。与同样具有发电机和电动机的串联式混合动力汽车不 同，发动机与车轮通过机械结构连接到一起。尽管电动机的设计容量较小，但是在小功率时可作为纯 电动汽车运转，能实现多种驱动方式。对于内燃机汽车来说，在路况恶劣需要频繁启动和停止 的行驶条件下，可回收制动使之相对节省一些燃油。,新能源汽车概论 第 13 页,（1）体积小、重量轻 便于整车布置和减轻质量（2）在整个运行范围内的高效率 满足动力性和经济性要求，提高一次充电续驶里程（3）低速大转矩特性及较宽范围内的恒功率特性 满足起
5、动和爬坡以及在平坦路面高速行驶要求（4）高可靠性 能够在较恶劣环境下长期工作（5）高电压 减小尺寸，提高功率，降低逆变器成本（6）电气系统安全性高 装备高压保护设备以保证安全,4.1.2 新能源汽车对电动机的性能要求,新能源汽车概论 第 14 页,4.1.3 电动车用电动机的分类,电动机分类,三相异步电动机,直流电动机,步进电动机,永磁直流电动机,永磁同步电动机,大型直流电机,大型直流电机,新能源汽车概论 第 18 页,电动汽车用电动机,4.1.3 电动车用电动机的分类,返回,电动汽车用电动机基本性能比较,直流电动机（DCM）感应电动机（IM）永磁无刷电动机（PM-BLM）开关磁阻电动机（SR
6、M）,新能源汽车概论 第 21 页,额定功率PN:电机轴上输出的机械功率,额定电压UN:额定情况下电枢上加的电压（例：110V，220V，440V）,额定电流IN:额定电压下轴上输出额定功率时的电流 三者关系：PN=UNIN（：效率）,电动机的额定指标,新能源汽车概论 第 22 页,额定转速nN:在PN,UN,IN 时的转速 直流电机的转速一般在500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,注意:调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过1.2nN。,电动机的额定指标,效率,新能源汽车概论 第 23 页,额定转矩TN输出的额定机械
7、功率除以转子额定角速度,电动机的额定指标,额定频率电动机额定运行情况下电枢电流的频率,新能源汽车概论 第 24 页,.2 直流电动机,电动汽车采用的直流电动机 小功率电动机采用永磁式直流电动机 大功率电动机采用绕组励磁式直流电动机,直流电动机,绕组励磁式直流电动机永磁式直流电动机,新能源汽车概论 第 25 页,.2 直流电动机,根据励磁方式，绕组励磁式直流电动机可分为他励式并励式串励式复励式,新能源汽车概论 第 26 页,1.直流电动机的分类,（1）他励式直流电动机励磁绕组与电枢绕组无连接，由其它直流电源对励磁绕组供电。励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。运行过程励磁磁场稳定、容易控制，容
8、易实现再生制动要求。,新能源汽车概论 第 27 页,1.直流电动机的分类,（2）并励直流电动机励磁绕组与电枢绕组并联，共用电源。并励绕组两端电压就是电枢两端电压。励磁绕组用细导线绕成，匝数很多，具有较大电阻，励磁电流较小。,新能源汽车概论 第 28 页,1.直流电动机的分类,（3）串励直流电动机励磁绕组与电枢绕组串联。电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。励磁绕组通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少，不致引起大的损耗和电压降。励磁绕组的电阻越小越好。,新能源汽车概论 第 29 页,1.直流电动机的分类,（4）复励直流电动机 磁通由并励和串励两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与
9、并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若方向相反，则称为差复励。复励直流电动机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运行效率高。,复励直流电动机,新能源汽车概论 第 31 页,1.直流电动机的分类,电动汽车所使用的直流电动机 他励、串励、复励小功率（100W10kW）永磁直流电动机，可以应用在小型、低速的搬运设备上。中等功率（10100kW）他励、复励或串励式直流电动机，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。大功率（100kW）串励式电动机，可用在要求低速、高转矩的专用电动车上。,新能源汽车概论 第 32 页,2.直流电动机的结构与特点,1）直流电动机的结构直流电动机由定子与转子两大部分
10、构成，定子和转子之间的间隙称为气隙。（1）定子部分（2）转子部分,新能源汽车概论 第 33 页,电池 与 电动机,新能源汽车概论 第 34 页,直流电动机的结构,新能源汽车概论 第 35 页,2 直流电动机的结构与特点,直流电动机的结构,定子(磁极)转子(电枢),新能源汽车概论 第 36 页,磁极 用来在电机中产生磁场。,励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。,2 直流电动机的构造,定子 由主磁极、换向极、电刷、机座等组成。,主磁极示意图,主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成铁芯用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，N、S极交替排列。,空载
11、时磁场示意图,主磁通：同时环绕励磁绕组和电枢绕组漏磁通：只环绕励磁绕组,换向极示意图,换向极也由铁芯和绕组组成铁芯一般是由整块钢组成,电刷装置,新能源汽车概论 第 42 页,转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,2 直流电动机的构造,电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电机主磁路的一部分。,电枢绕组,绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律联接每个元件两个有效边，分别嵌放在电枢铁芯表面的槽内元件的两个出线端分别与两个换向片相连电枢绕组的作用是产生感应电势和电磁转矩,新能源汽车概论 第 45 页,换向器,换向器是由许多换向片组成的圆柱
12、体，换向片之间用云母片绝缘，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定,新能源汽车概论 第 46 页,电枢绕组线圈与换向片连接,直流电动机结构示意图,主磁极,电枢,换向片,电刷,直流电动机的结构,直流电动机的结构,新能源汽车概论 第 50 页,2.直流电动机的结构与特点,2）直流电动机的特点调速性能好：直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽；起动力矩大：可以均匀而经济地实现转速调节，因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都可用直流电动机拖动控制比较简单：一般用斩波器控制，它具有高效率、控
13、制灵活、重量轻、体积小、响应快等优点；,新能源汽车概论 第 51 页,2.直流电动机的结构与特点,有易损件。存在电刷、换向器等易磨损器件，必须进行定期维护或更换。电动汽车专用的直流电动机和其它通用的电动机相比，应在耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波动性以及小型轻量化、免维护性等方面给予特殊考虑。电动汽车用直流电动机大多在较低的电压下驱动，同时是大电流电路，因此需要注意连接接线的接触电阻。,新能源汽车概论 第 52 页,直流电源,电刷,换向器,线圈,电流方向：上半边向里，下半边向外,3 直流电机的基本工作原理,新能源汽车概论 第 53 页,左手定则,工作原理示意图,新能源汽车概论 第 55
14、页,E与电枢电流或外加电压方向相反，所以称反电势。,(1).电枢感应电动势,E=Ce n,4 直流电动机的基本方程,新能源汽车概论 第 56 页,式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻,(2).电枢回路电压平衡式,新能源汽车概论 第 57 页,(3).电磁转矩,单位:(韦伯)，Ia(安)，T(牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,T=CT Ia,新能源汽车概论 第 58 页,(4).转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的
15、变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,新能源汽车概论 第 59 页,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点。,(4).转矩平衡关系,新能源汽车概论 第 60 页,探讨电机稳定运行条件,n0,Td0,n,新能源汽车概论 第 61 页,平衡稳定运行充要条件：,1.电动机机械特性与负载特性必须相交，在交点处T=TL 处，实现了转矩平衡。2.在交点处有,新能源汽车概论 第 62 页,5 直流电动机的运行特性,虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。,
16、（1）并励电动机运行特性,转矩特性,新能源汽车概论 第 63 页,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则,T=CT Ia=KT Ia,即：转矩与电枢电流成正比。,n,0,T,Ia,（1）并励电动机运行特性,新能源汽车概论 第 64 页,记：,转速特性,由,a,a,Ia,T,T,e,C,n,C,E,R,I,E,U,=,=,+,=,理想空载转速,（1）并励电动机运行特性,新能源汽车概论 第 65 页,机械特性,（1）并励电动机运行特性,转速调整率,新能源汽车概论 第 66 页,n=f(T)特性曲线,（1）并励电动机运行特性,当 T时n，但由于他励电动机的电枢电
17、阻Ra很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，属硬机械特性。,并励电动机的人为机械特性,1.增加电枢回路串联电阻R,根据,2.改变电枢电压U,3.减弱磁通,新能源汽车概论 第 68 页,（2）串励电动机运行特性,转矩特性,当Ia较小时，铁心不饱和,特点：,当Ia较大时，铁心饱和,与并励类似,新能源汽车概论 第 69 页,转速特性,当Ia较小时,可得,根据,当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%,（2）串励电动机运行特性,新能源汽车概论 第 70 页,机械特性,串励电动机在负载变化时，转速 n 的变化大软机械特性
18、（自然特性）。,当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。适合于拖动启动频繁、变化大的负载。,（2）串励电动机运行特性,新能源汽车概论 第 71 页,(3)复励电动机运行特性,他的工作特性介于并励和串励之间。因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。,新能源汽车概论 第 72 页,固有机械特性,电源电压U=UN，气隙磁通=N，电枢外串电阻Rst=0时，n=(T)的机械特性,斜率,并励,串励,新能源汽车概论 第 73 页,斜率的倒数或定义机械特性曲线工作范围内某一点转矩对该点转速的导数，即：越大（越小）
19、，特性越硬，称为硬特性。即T变化时，n 的变化不大。,机械特性硬度,新能源汽车概论 第 74 页,1.并(他)励电动机：较大，称为硬特性。2.串励电动机：较小，称为软特性。,各种直流电动机机械特性,例:有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,Rf=27.5，Ra=0.04 试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If;(2)额定转矩T;(3)反电动势E。,解：(1)额定输入功率,额定电流,额定励磁电流,（2）额定转矩,（3）反电动势,额定电枢电流,新能源汽车概论 第 77 页,磁场控制,保持电枢电压U不变，减小励磁电流I
20、f(调Rf)以减小磁通。,由式,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,Rf,E,I,n,Ia,E,T,6 直流电动机的控制,T=CT Ia=KT Ia,T,新能源汽车概论 第 78 页,弱磁调速时，减小，但Ia保持不变，所以转矩随调速的升高而下降，而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速。,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。,特点：,6 直流电动机的控制,新能源汽车概论 第 79 页,调压控制,由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,6
21、 直流电动机的控制,新能源汽车概论 第 80 页,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,6 直流电动机的控制,新能源汽车概论 第 81 页,电枢回路串电阻调速,电枢回路串电阻调速时，和Ia保持不变，所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速改变。,特点：(1)设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,6 直流电动机的控制,新能源汽车概论 第 82 页,三种调速方法的性能比较,改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑
22、调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上作小范围的弱磁升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。,新能源汽车概论 第 83 页,直流斩波器调压,ua,新能源汽车概论 第 84 页,起动注意事项,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器。,起动时,n=0,(1)起动电流大,新能源汽车概论 第 85 页,(2)起动转矩大,起动时，起动转矩为(1020)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,起动注意事项,新能源汽车概论 第 86 页,起动方法,(1)
23、电枢串电阻起动法,(2)降压起动法,在满磁条件下将Rst置最大处起动电机，然后逐渐减小Rst使n逐渐升高。,最大起动电压,新能源汽车概论 第 87 页,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T=CT Ia，而 0，电机将不能启动，因此，反电动势 为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁 的危险。,直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故.,使用注意事项,新能源汽车概论 第 88 页,（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，E Ia T 可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使Ia更大，也很危险。,使用注意事项,
