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1、电 动 机,壹,贰,叁,肆,伍,电机的分类,汽车常用电动机的结构及原理,常用电机比较,电动汽车电机设计,常见电动车电机案例及统计,电动机的分类,按工作电源种类划分：可分为直流电动机和交流电动机。直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机划分：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。其中交流电机还可分：单相电机和三相电机。,电动机的分类,按结构和工作原理划分：可分为直流电动机、异步电动机、同步电动机。同步电动机可划分：永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。异步电动机可划分
2、：感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机可划分：三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。,电动机的分类,汽车常用电动机的结构及原理,直流电动机永磁同步电机交流三相感应电动机永磁无刷直流电动机开关磁阻电动机外转子双凸极永磁电动机,直流电动机结构,直流电动机元件的作用,电动机是由转子和定子两部分组成。转子：电动机中的旋转部件，转子是用来实现机械能与电能的转换装置。定子：定子是电动机静止不动的部分。定子由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成。定子的主要作用是产生旋转磁场。,直流电动机,主磁极：作用是建立主磁场，由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。换向极：换向极是安装在两相邻主磁极之间
3、的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。电刷装置：电枢电路的引入装置电枢铁心：是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电动机的电路部分，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分励磁：为电机等“利用电磁感应原理工作的电气设备”提供工作磁场叫励磁。,直流电动机工作原理,直流电动机参数,额定功率 PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率。额定电压 UN：指额定状态下电枢出线端的电压。额定电流 IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值。额定转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速。额定励
4、磁电流 If：指电机在额定状态时的励磁电流值。电动机中还有效率N存在,即 PNUNINN,直流电动机的效率与损耗,机械损耗pm：机械摩擦与通风损耗，主要与转速有关铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场交变，产生涡流损耗和磁滞损耗。与磁密的平方及转速的1.21.5次方成正比。励磁损耗pf：pf=Uf If=If2Rf pm+pFe+pf 统称为空载损耗(不变损耗)。负载损耗：电枢回路电阻损耗pa=Ia2Ra;电刷接触压降损耗 Pb=2Us Ia（可变损耗）杂散损耗p:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等p=(0.51)%P2。,功率及效率方程,功率：P1=PM+pa+pb=P2+
5、pm+pFe+p+pa+pb+pf=P2+p效率：=P2/P1=（1-p）/P1,直流电动机的工作特性,1、转速特性：n=f(P2)U=Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa)/(Ce),电流增大，电压恒定时意味着P2增大，n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。,直流电动机的工作特性,2、转矩特性：T=f(P2)T=T2+T0=P2/(2n/60)+T0 他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。如果不考虑转速的变化，则T=f(P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f(P2)为一条略微上翘的曲线。3、效率特性：在0.8PN左右达到最大，之
6、后逐渐下降,交流电动机,异步电动机：转子转速总是略低于旋转磁场的同步转速。同步电动机：转子转速与负载大小无关而始终保持为同步转速。感应电动机：异步电动机的一种，由于在异步电动机中感应电机占90%以上，所以有时他们也作同义词。,交流电机对称三相电流的产生,对称三相电流的产生：电网提供的三相电压，作用于复阻抗相等的对称三相负载，产生对称三相电流。对称三相电流的函数式表示为：对称三相电流的波形表示为：,交流电机旋转磁场的产生,当三相对称电流通入三相对称绕组，必然会产生一个大小不变，且在空间以一定的转速不断旋转的旋转磁场。旋转磁场的旋转方向是由通入三相绕组中的电流的相序决定的。旋转磁场的旋转速度为,同
7、步动电机结构,同步电动机工作原理,同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。,三相交变电流,直流电流,静止磁场,旋转磁场,转子旋转,定子,转子,拉力,同步电动机参数,额定功率PN：指电机输出功率的保证值。电动机的额定容量一般用kW数表示额定电压 UN：指额定运行时定子输出端的线电压。额定电流IN：指额定运行时定子的线电流。额定功率因数cosjN：额定运行时电动机的功率因数。额定频率fN：额定运行时电动机电枢端电能的频率，我国标准工业频率规定为50Hz。额定转速nN：额定运行时电动机的转速，即同步转速。除上述额定值外，同步电机铭牌上还常列出一些其它的运行数据
8、，例如额定负载时的温升tN、励磁容量PfN和励磁电压UfN等。,同步电动机功率及效率,机械损耗pm：机械摩擦与通风损耗，主要与转速有关铁心损耗pFe：电枢铁心中磁场交变，产生涡流损耗和磁滞损耗。与磁密的平方及转速的1.21.5次方成正比。励磁损耗pf：电动机由外界直流励磁时，产生的损耗pm+pFe+pf 统称为空载损耗(不变损耗)。负载损耗pa：电枢回路电阻损耗a;电刷接触压降损耗pb。pa+pb（可变损耗）。杂散损耗p:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等。损耗类型与直流电动机类似，但由于采用交流电计算方法不同。,功率及效率方程,功率：P1=PM+pa+pb=P2+p
9、m+pFe+p+pa+pb+pf=P2+p效率：=P2/P1=（1-p）/P1,同步电动机工作特性,永磁同步电机效率图,内置式永磁电机效率图,永磁同步电机效率图,表贴式永磁电机效率图,Prius电机性能曲线,感应电动机,感应电动机：即转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。定子是电动机中不转动的部分，主要任务是产生一个旋转磁场。旋转磁场并不是用机械方法来实现。而是以交流电通于数对电磁铁中，使其磁极性质循环改变，故相当于一个旋转的磁场。,感应电动机结构,异步电机与同步电机结构上的的根本区别是旋转的转子没有通入直流电流励磁,感应电
10、机工作原理,当定子接通三相电源后，即在定、转子之间的气隙内建立了一同步速为n1的旋转磁场。磁场旋转时将切割转子导体，根据电磁感应定律可知，在转子导体中将产生感应电势，其方向可由右手定则确定。磁场逆时针方向旋转，导体相对磁极为顺时针方向切断磁力线。,异步电动机原理,转子上半边导体感应电势的方向为进去的，用表示；下半边导体感应电势的方向为出来的，用表示。因转子绕组是闭合的，导体中有电流，电流方向与电势相同。载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则确定。这样，在转子导条上形成一个逆时针方向的电磁转矩。于是转子就跟着旋转磁场逆时针方向转动。,感应电机额定参数（与同步电机相同）,主要额定值如下（三
11、相时）：额定电压:UN(V)，额定运行时，规定加在定子绕组上的线电压；额定电流：IN(A),额定运行时，规定加在定子绕组上的线电流；额定功率:PN额定运行时，电动机的输出功率；额定转速:nN,额定运行时，电动机的转子转速；额定频率:fN(Hz)，规定的电源频率(我国用工频 50Hz)；额定效率N，额定功率因数:cosN 等。额定功率：PN=3 UNp INp cosNN=P1NNsqrt(3)UNINcosNN,感应电动机效率,输入功率:P1=m1 U1 I1 cos1定子铜耗:pCu1=m1 I12 R1铁耗：定子铁心与旋转磁场相对转速为n1 较大，铁耗主要为定子铁耗:pFe=m1 Im2
12、Rm转子铁心与旋转磁场相对转速为sn1较小，故转子铁耗可以忽略不计。电磁功率:PM=P1-pCu1-pFe=m1 E2 I2 cos2转子铜耗:pCu2=m1 I22 R2总机械功率:P=m1 I22 R2(1-s)/s机械损耗和附加损耗:p+p 式中：p=(0.5-3)%PN,感应电动机功率,故异步电动机的功率平衡方程式为:P2=P1-pCu1-pFe-pCu2-p-p=P1-p,电机效率(efficiency):=P2/P1=(P1-p)/P1,感应电机工作特性,感应电机的工作特性,一.转差率特性 s=f(P2)s=(m1R2I2)/(1CM1cos2)随着负载功率的增加，转子电流增大，故
13、转差率随输出功率增大而增大。二.转矩特性T2=f(P2)T 2=P 2/转矩曲线为一个微微上翘的曲线。,感应电机工作特性,三.电流特性I1=f(P2)I1=-I2+Im 空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大（微微上翘）。四.效率特性=f(P2)=P2/(P2+pCu1+pFe+pCu2+p+p)其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。异步电动机额定效率在（74-94）%之间；最大效率发生在(0.7-1.0)倍额定效率处。,感应电机的工作特性,五.功率因数特性 cos1=f(P2)空
14、载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率成正比），从而引起功率因数下降。,感应电机效率图,同步/感应电动机效率曲线,直流无刷电机结构,结构上，无刷电机和有刷电机有相似之处，也有转子和定子，只不过和有刷电机的结构相反；无刷电机的转子是永磁磁钢，连同外壳一起和输出轴相连，定子是绕组线圈，去掉了有刷电机用来交替变换电磁场的换向电刷，故称之为无刷电机（Brushless motor）,直流无刷电机工作原理,Images cou
15、rtesy of Servo Magnetics(http:/,传感器感知转子位置电子换向器打开和关闭相对应开关通过特定的线圈通电使电动机运转,开关磁阻电机结构,开关磁阻电机结构,开关磁阻电动机原理,开关磁阻电机特性曲线,外转子双凸极永磁电动机结构,其基本构成与开关磁阻电机基本相同,即定、转子均为凸极结构,定子齿上装有集中绕组,与径向相对的齿上的绕组相串联构成一相,转上既没有绕组也没有永磁体,适合高速运行。,外转子双凸极永磁电动机原理,奥尔森咨询电机比较结果,华南理工大学电机比较结果,直流电动机,现状：基本上被淘汰缺点：但是直流电机效率低下,其换向器和电刷需要经常性的周期维护,运行成本高,运用
16、场合有很大的局限性,可靠性差。再加上该种电机成本高、体积大、质量大,所以随着高性能的交流调速系统的出现直流电机驱动已基本上被淘汰。,永磁同步电机,现状：目前在小型电动车及混合动力车中应用较多的电机大型车中也有部分应用案例：丰田的Prius、福田 BJ6123EVCA8 优点：因此永磁同步电动机具有高的功率/质量比,比其他类型的电动机有更高的效率,更大的输出转矩,电动机的极限转速和制动性能等优于其他类型的电动机。结构更加简单,性能更加可靠、体积更小,质量更轻。缺点：永磁同步电动机的功率范围较小,最大功率仅为几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时,其导磁性能可能会下降或发生退磁现象,将
17、严重降低永磁同步电动机的性能,甚至损坏电动机。大功率永磁同步电机驱动、控制系统复杂，造价较高,交流三相感应电动机,现状：在大型纯电动汽车中应用较多、欧美小型纯电动车中有一定应用案例：宇通公司ZK6100EGAAEV、申沃SWB6121EV5、BWM 的MINI E优点：结构简单,运行可靠,经久耐用。交流三相感应电动机的功率容量覆盖面很宽广,转速高于永磁电机,冷却自由度高,对环境的适应性好。价格便宜,维修简单方便。缺点：耗电量较大,转子容易发热,在高速运转时需保证对交流三相感应电动机的冷却。功率因素较低,变频变压装置的输入功率因素也较低,需要采用大容量的变频变压装置，另外就电机调速性能而言交流机
18、较差。交流三相感应电动机控制系统的造价远远高于交流三相感应电动机本身,增加了电动汽车的成本。,直流永磁无刷电动机,现状：在电动车中有一定应用。案例：如BWM EI优点：没有励磁损耗、散热容易，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。永磁无刷直流电动机与其它电动机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率。缺点：驱动控制系统复杂,造价高。而且永磁电动机受到永磁材料工艺的影响和限制,使得永磁电动机的功率范围较小，电动机本身价格较高，可靠地控制器价格也较高。,开关磁阻电动机,现状：在国内电动车市场有少量应用案例：华中科技大学的 EQ7200HEV 混合动力客车优点：开
19、关磁阻电动机是一种较新型电动机,首先它的结构简单而坚固,结构上的简单是其它任何电机所不能比的;能够在恶劣环境下工作,几乎不需要维护;功率范围很宽广,可达到的转速高;转子惯量小,系统动态响应快;电机转矩与电流方向无关,功率开关器件数量可以减少;起动转矩高而无起动冲击电流;理想的四象限运行特性非常适合于电动汽车驱动;转矩/转速特性与电动汽车的运行特性相吻合;发热集中在定子上,散热能力强;效率可达85%93%,而且在很宽广的范围内保持高效率;电机控制方面也灵活简单,电机制造成本也很低。,开关磁阻电动机,缺点：开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件
20、，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。存在转矩波动，噪声（主要）。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。,外转子双凸极永磁电动机,现状：目前为很多学者的主要研究方向，应用很少。优点：高转矩密度和高的效率（85%93%）；简单、坚固的结构，适合于高速运行；作电动运行时，功率变换器的伏安容量比较小；惯性小，响应快。缺点：文中同时也指出该种电机的转矩脉动比较大，在电动汽车行业应用较少，尚不成熟。,电动车电机设计原则,1)用最高车速确定电机额定功率;2)以常规车速确定电机额定转速;3)以额定功率/转速确定电机额定
21、转矩;4)以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩.,电动车电机设计,以最高车速确定电机额定功率式中:PN电机额定功率,kW;T传动系效率;m最大车重,kg;f滚动摩擦系数;Cd风阻系数;A车辆迎风面积,m2;Umax最高车速,km/h。,电动车电机设计,以常规车速确定电机额定转速nN电机额定转速,r/min;ig传动比;i0主减速比;uN常规车速,km/h;r滚动车轮半径,m。,电动车电机设计,以额定功率/转速确定电机额定转矩式中:MN额定转矩,Nm。以最大爬坡度确定其短时工作线低速转矩,电动车电机设计,假定以匀速爬坡,车辆所受阻力项中没有加速阻力,则所需电机驱动力为:Ft=Ff+Fw+Fi式中
22、:Ft电动汽车驱动力,此时也即为车辆所受的阻力;Ff电动汽车行驶时的滚动阻力,Ff=mgfcos(为坡道角度值);Fw电动汽车行驶时的空气阻力,Fi电动汽车行驶时的坡道阻力,Fi=mgsin。,电动客车电机案例及统计,电动机混合动力轿车电机案例,谢谢！,电动机的分类,异步电动机按起动与运行方式划分：电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。按转子的结构划分：笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）,电动机的分类,按运转速度划分：高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。低速
23、电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机等。调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无级变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。,同步电动机功率及效率,综上所述，电机的总损耗功率 P表达式为：Ploss=PCu1+PCu2+PFe+Pmec+Pstary=Pout/(Ploss+Pout)=Pout/(Pout+PCu1+PCu2+PFe+Pmec+Pstary,感应电动机效率,几个常用的关系式:PM=m1I22 R2/s=pCu2/spCu2=s PM P=(1-s)PM,无刷电动机工作原理,每一次换向都会有一组绕组处于正向通电；第二组反相通电；第三组不通电。转子永磁体的磁场和定子钢片产生的磁场相互作用就产生了转矩，理论上，当这两个磁场夹角为90时会产生最大的转矩，当这两个磁场重合时转矩变为0，为了使转子不停的转动，那么就需要按顺序改变定子的磁场，就像转子的磁场一直在追赶定子的磁场一样。典型的“六步电流换向”顺序图展示了定子内绕组的通电次序。,
