新能源汽車課件-第4章電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)

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1、第 1 頁,新能源汽車課件 第4章 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng),第 2 頁,目 錄,4.1 概述 4.2 直流電動機(jī) 4.3 無刷直流電動機(jī) 4.4 異步電動機(jī) 4.5 永磁同步電動機(jī) 4.6 開關(guān)磁阻電動機(jī) 4.7 輪轂電機(jī),第 3 頁,4.1 概述,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型 4.1.2 電動機(jī)的額定指標(biāo) 4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求 4.1.4 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,第 4 頁,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型,1電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是電動汽車的心臟，它由電機(jī)、功率轉(zhuǎn)化器、控制器、各種檢測傳感器和電源（蓄電池）組成，其任務(wù)是

2、在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的電量轉(zhuǎn)化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。,,第 5 頁,4.1.1 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的組成與類型,2電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的類型 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按所選電動機(jī)的類型可分為: (1)直流電動機(jī); (2)無刷直流電動機(jī); (3)異步電動機(jī); (4)永磁同步電動機(jī); (5)開關(guān)磁阻電動機(jī)等。,第 6 頁,4.1.2 電動機(jī)的額定指標(biāo),(1) 額定功率。額定功率是指額定運(yùn)行情況下軸端輸出的機(jī)械功率(W或kW)。 (2) 額定電壓。額定電壓是指外加于線端的電源線電壓(V)。 (3) 額定電流。額定電流是指電動機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定輸出功率)情況

3、下電樞繞組(或定子繞組)的線電流(A)。 (4) 額定頻率。額定頻率是指電動機(jī)額定運(yùn)行情況下電樞(或定子側(cè))的頻率(Hz)。 (5) 額定轉(zhuǎn)速。額定轉(zhuǎn)速是指電動機(jī)額定運(yùn)行(額定電壓、額定頻率、額定輸出功率)的情況下，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速(r/min)。,第 7 頁,4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求,電動汽車在行駛過程中，經(jīng)常頻繁地啟動/停車、加速/減速等，這就要求電動汽車中的電動機(jī)比一般工業(yè)應(yīng)用的電動機(jī)性能更高，基本要求如下： (1) 電動機(jī)的運(yùn)行特性要滿足電動汽車的要求，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足電動汽車起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足電動汽車在

4、平坦的路面能夠高速行駛的要求； (2) 電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大、帶負(fù)載啟動性能好、過載能力強(qiáng)，加速性能好，使用壽命長的特點； (3) 電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，具有很高的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程；,第 8 頁,4.1.3 電動汽車對電動機(jī)的要求,(4) 電動機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋給蓄電池，使得電動汽車具有最佳能量的利用率； (5) 電動機(jī)應(yīng)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作； (6) 電動機(jī)應(yīng)體積小，重量輕，一般為工業(yè)用電動機(jī)的1/21/3； (7) 電動機(jī)的結(jié)構(gòu)要簡單堅固，適合批量生產(chǎn)，便于使用和維護(hù)； (8) 價格便宜，從而能夠減少整體電動汽車的價格，

5、提高性價比； (9) 運(yùn)行時噪聲低，減少污染。,第 9 頁,4.1.4 電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,（1）電機(jī)的功率密度不斷提高，永磁電機(jī)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 （2）電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速不斷提高，回饋制動的高效區(qū)不斷拓寬。 （3）電驅(qū)動系統(tǒng)的集成化和一體化趨勢更加明顯。 （4）電驅(qū)動系統(tǒng)的混合度與電功率比不斷增加。 （5）車用電驅(qū)動控制系統(tǒng)的集成化和數(shù)字化程度不斷加大。,,第 10 頁,4.2 直流電動機(jī),4.2.1 直流電動機(jī)的分類 4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.2.3 直流電動機(jī)的工作原理 4.2.4 直流電動機(jī)的控制,,第 11 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,直流電動機(jī)分為繞組

6、勵磁式直流電動機(jī)和永磁式直流電動機(jī)。在電動汽車所采用的直流電動機(jī)中，小功率電動機(jī)采用的是永磁式直流電動機(jī)，大功率電動機(jī)采用的是繞組勵磁式直流電動機(jī)。 繞組勵磁式直流電動機(jī)根據(jù)勵磁方式的不同，可分為他勵式、并勵式、串勵式和復(fù)勵式四種類型。,,第 12 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,1他勵式直流電動機(jī) 他勵式直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其它直流電源對勵磁繞組供電。因此勵磁電流不受電樞端電壓或電樞電流的影響。永磁直流電動機(jī)也可看作他勵直流電動機(jī)。 他勵直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中勵磁磁場穩(wěn)定而且容易控制，容易實現(xiàn)電動汽車的再生制動要求。但當(dāng)采用永磁激勵時，雖然電動機(jī)效率高，重量和體積

7、較小，但由于勵磁磁場固定，電動機(jī)的機(jī)械特性不理想，驅(qū)動電動機(jī)產(chǎn)生不了足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車起動和加速時的大轉(zhuǎn)矩要求。,,第 13 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,2并勵直流電動機(jī) 并勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，共用同一電源，性能與他勵直流電動機(jī)基本相同。并勵繞組兩端電壓就是電樞兩端電壓，但是勵磁繞組用細(xì)導(dǎo)線繞成，其匝數(shù)很多，因此具有較大的電阻，使得通過它的勵磁電流較小。 3串勵直流電動機(jī) 串勵直流電動機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電動機(jī)的勵磁電流就是電樞電流。這種電動機(jī)內(nèi)磁場隨著電樞電流的改變有顯著的變化。為了使勵磁繞組中不致引起大的損耗和電壓降，

8、勵磁繞組的電阻越小越好，所以串勵直流電動機(jī)通常用較粗的導(dǎo)線繞成，它的匝數(shù)較少。,,第 14 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,4復(fù)勵直流電動機(jī) 復(fù)勵直流電動機(jī)有并勵和串勵兩個勵磁繞組，電動機(jī)的磁通由兩個繞組內(nèi)的勵磁電流產(chǎn)生。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若兩個磁通勢方向相反，則稱為差復(fù)勵。 復(fù)勵直流電動機(jī)的永磁勵磁部分采用高磁性材料釹鐵硼，運(yùn)行效率高。由于電動機(jī)永磁勵磁部分有穩(wěn)定的磁場，因此用該類電動機(jī)構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)時易實現(xiàn)再生制動功能。同時由于電動機(jī)增加了增磁繞組，通過控制勵磁繞組的勵磁電流或勵磁磁場的大小，能克服純永磁他勵直流電動機(jī)不能產(chǎn)生足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來滿

9、足電動汽車低速或爬坡時的大轉(zhuǎn)矩要求，而電動機(jī)的重量或體積比串勵電動機(jī)的小。,,第 15 頁,4.2.1 直流電動機(jī)的分類,各種勵磁方式直流電動機(jī)的電路如圖所示。,,,,第 16 頁,4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 直流電動機(jī)由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。,,,第 17 頁,4.2.2 直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2直流電動機(jī)的特點 (1) 調(diào)速性能好。直流電動機(jī)可以在重負(fù)載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，而且調(diào)速范圍較寬。 (2) 起動力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，因此，凡是在重負(fù)載下起動或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)

10、機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都可用直流電動機(jī)拖動。 (3) 控制比較簡單。一般用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應(yīng)快等優(yōu)點。 (4) 有易損件。由于存在電刷、換向器等易磨損器件，所以必須進(jìn)行定期維護(hù)或更換。,,,第 18 頁,4.2.3 直流電動機(jī)的工作原理,直流電動機(jī)的工作原理圖所示。圖中，定子有一對N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上，正、負(fù)電刷A和B分別與兩個換向片接觸。,,,第 19 頁,4.2.4 直流電動機(jī)的控制,直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制方法主要有電樞調(diào)壓控制、磁場控制和電樞回路電阻控制。 電樞調(diào)壓控制是指通過改變電樞的端電壓來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電動

11、機(jī)基速以下的轉(zhuǎn)速控制，它可保持電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電動機(jī)轉(zhuǎn)速近似與電樞端電壓成比例變化，所以稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。直流電動機(jī)采用電樞調(diào)壓控制可實現(xiàn)在寬廣范圍內(nèi)的連續(xù)平滑的速度控制，調(diào)速比一般可達(dá)1:10，如果與磁場控制配合使用，調(diào)速比可達(dá)1:30。電樞調(diào)壓控制的調(diào)速過程：當(dāng)磁通保持不變時，減小電壓，由于轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，反電動勢也暫時不變化，由于電樞電流減小了，轉(zhuǎn)矩也減小了。如果阻轉(zhuǎn)矩未變，則轉(zhuǎn)速下降。隨著轉(zhuǎn)速的降低，反電動勢減小，電樞電流和轉(zhuǎn)矩就隨著增大，直到轉(zhuǎn)矩與阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止，但這時轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來降低了。,,第 20 頁,4.2.4 直流電動機(jī)的控制,磁場控制是指通過調(diào)節(jié)直流電動機(jī)的勵

12、磁電流改變每極磁通量，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種控制只適合電動機(jī)基數(shù)以上的控制。當(dāng)電樞電流不變時，具有恒功率調(diào)速特性。磁場控制效率高，但調(diào)速范圍小，一般不超過1:3，而且響應(yīng)速度較慢。磁場控制可采用可變電阻器，也可采用可控整流電源作為勵磁電源。 磁場控制的調(diào)速過程：當(dāng)電壓保持恒定時，減小磁通，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不立即發(fā)生變化，于是反電動勢減小，電樞電流隨之增加。由于電樞電流增加的影響超過磁通減小的影響，所以轉(zhuǎn)矩也就增加。如果阻轉(zhuǎn)矩未變，則轉(zhuǎn)速上升。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電動勢增大，電樞電流和轉(zhuǎn)矩也隨著減小，直到轉(zhuǎn)矩和阻轉(zhuǎn)矩再次平衡為止，但這時轉(zhuǎn)速已經(jīng)較原來升高了。,,第 21 頁,4.2.4 直流

13、電動機(jī)的控制,電樞回路串電阻控制是指當(dāng)電動機(jī)的勵磁電流不變時，通過改變電樞回路電阻來調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制方法的機(jī)械特性較軟，而且電動機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定，一般很少應(yīng)用。對于小型串勵電動機(jī)，常采用電樞回路串電阻控制方式。,,第 22 頁,4.3 無刷直流電動機(jī),4.3.1 無刷直流電動機(jī)的分類 4.3.2 無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.3.3 無刷直流電動機(jī)的工作原理 4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,,第 23 頁,4.3.1 無刷直流電動機(jī)的分類,無刷直流電動機(jī)按照工作特性，可以分為具有直流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)和具有交流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)。 具有直流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)，

14、反電動勢波形和供電電流波形都是矩形波，所以又稱為矩形波同步電動機(jī)。這類電動機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子的位置，由所檢測出的信號去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路以實現(xiàn)無接觸式換相。顯然，這種無刷直流電動機(jī)具有有刷直流電動機(jī)的各種運(yùn)行特性。 具有交流電動機(jī)特性的無刷直流電動機(jī)，反電動勢波形和供電電流波形都是正弦波，所以又稱為正弦波同步電動機(jī)。這類電動機(jī)也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動一般的同步電動機(jī)。因此，它們具有同步電動機(jī)的各種運(yùn)行特性。,,第 24 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機(jī)主要由電動機(jī)本體、電子換相器

15、和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成。 (1) 電動機(jī)本體。無刷直流電動機(jī)的電動機(jī)本體由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。 (2) 電子換相器。電子換相器是由功率開關(guān)和位置信號處理電路構(gòu)成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。 (3) 位置傳感器。位置傳感器在無刷直流電動機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。,,第 25 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,無刷直流電動機(jī)實物圖。,,,第 26 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,無刷直流電動機(jī)作為電動汽車用電動機(jī)，具有以下優(yōu)點： (1) 外特性

16、好，非常符合電動汽車的負(fù)載特性，尤其是具有低速大轉(zhuǎn)矩特性，能夠提供大的起動轉(zhuǎn)矩，滿足電動汽車的加速要求； (2) 可以在低、中、高寬速度范圍內(nèi)運(yùn)行，而有刷電動機(jī)由于受機(jī)械換向的影響，只能在中低速下運(yùn)行； (3) 效率高，尤其是在輕載車況下，仍能保持較高的效率，這對珍貴的電池能量是很重要的； (4) 過載能力強(qiáng)，比Y系列電動機(jī)可提高過載能力2倍以上，滿足電動汽車的突起堵轉(zhuǎn)需要；,,,第 27 頁,4.3.2 無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)與特點,(5) 再生制動效果好，因無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子具有很高的永久磁場，在汽車下坡或制動時電動機(jī)可完全進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給電池充電，同時起到電制動作用，減輕機(jī)械剎車負(fù)擔(dān)； (

17、6) 體積小、重量輕、比功率大，可有效地減輕重量、節(jié)省空間； (7) 無機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，防止塵土進(jìn)入電動機(jī)內(nèi)部，可靠性高； (8) 控制系統(tǒng)比異步電動機(jī)簡單。 缺點是電動機(jī)本身比交流電動機(jī)復(fù)雜，控制器比有刷直流電動機(jī)復(fù)雜。,,,第 28 頁,4.3.3 無刷直流電動機(jī)的工作原理,無刷直流電動機(jī)的工作原理與有刷直流電動機(jī)的工作原理基本相同。它是利用電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出信號控制電子換向線路去驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，拖動電動機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號，以不斷的改變電樞繞組的通電狀態(tài)

18、，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電動機(jī)就旋轉(zhuǎn)起來了。,,,第 29 頁,4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,按照獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法劃分，無刷直流電動機(jī)的控制方法可以分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。 有位置傳感器控制方法是指在無刷直流電動機(jī)定子上安裝位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的位置，將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，為電子換相電路提供正確的換相信息，以此控制電子換相電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，保證電動機(jī)各相按順序?qū)?，在空間形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。無刷直流電動機(jī)中常用的位置傳感器有霍爾元件位置傳感器、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳

19、感器等。,,第 30 頁,4.3.4 無刷直流電動機(jī)的控制,無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制，無需安裝傳感器，使用場合廣，相對于有位置傳感器方法有較大的優(yōu)勢，因此，無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制近年來己成為研究的熱點。無刷直流電動機(jī)的無位置傳感器控制中，不直接使用轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號，以控制電動機(jī)換相。因此，如何通過軟硬件間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號，成為無刷直流電動機(jī)無位置傳感器控制的關(guān)鍵。為此，國內(nèi)外的研究人員在這方面作了大量的研究工作，提出了多種轉(zhuǎn)子位置信號檢測方法，大多是利用檢測定子電壓、電流等容易獲取的物理量實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的估算。歸納起來，可以分為

20、反電動勢法、電感法、狀態(tài)觀測器法、電動機(jī)方程計算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。、磁敏晶體管位置傳感器、光電式位置傳感器等。,,第 31 頁,4.4 異步電動機(jī),4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.4.2 異步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性 4.4.3 異步電動機(jī)的控制,,第 32 頁,4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 異步電動機(jī)主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間存在氣隙，此外，還有端蓋、軸承、機(jī)座和風(fēng)扇等部件。,,第 33 頁,4.4.1 異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2異步電動機(jī)的特點 異步電動機(jī)的基本特點是，轉(zhuǎn)子繞組不需與其他電源相連，其定子電流直接取自交流電

21、力系統(tǒng)；與其它電動機(jī)相比，異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護(hù)方便，運(yùn)行可靠性高，重量輕，成本低。以三相異步電動機(jī)為例，與同功率、同轉(zhuǎn)速的直流電動機(jī)相比，前者重量只及后者的二分之一，成本僅為三分之一。異步電動機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動的要求。 異步電動機(jī)的局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率，因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場合，不如直流電動機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外，異步電動機(jī)運(yùn)行時，從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，這會導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。因此，在大功率、低轉(zhuǎn)速場合不如用同

22、步電動機(jī)合理。,,第 34 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,1. 異步電動機(jī)的工作原理 當(dāng)異步電動機(jī)的三相定子繞組通入三相交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電動勢的方向由右手定則來確定。由于轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路，轉(zhuǎn)子中便有電流產(chǎn)生，電流方向與電動勢方向相同，而載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，電磁力的方向可用左手定則確定。由電磁力進(jìn)而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。,,第 35 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,2. 異步電動機(jī)的運(yùn)行特性 異步電動機(jī)的運(yùn)行特性包括工作特

23、性和機(jī)械特性。 異步電動機(jī)的工作特性是指電動機(jī)在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子電流、效率和功率因數(shù)隨輸出功率變化的特性。一般通過負(fù)載試驗來測取。圖是異步電動機(jī)的工作特性。,,,第 36 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,異步電動機(jī)的機(jī)械特性分為自然機(jī)械特性和人為機(jī)械特性。 在電源電壓和電源頻率恒定且定、轉(zhuǎn)子回路不接入任何附加設(shè)備時的機(jī)械特性稱為自然機(jī)械特性，,,,,第 37 頁,4.4.2異步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,電源電壓、電源頻率、電動機(jī)極對數(shù)、定子或轉(zhuǎn)子回路接入其它附屬設(shè)備，其中任意一項改變得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。 由于電源頻率不

24、變，所以同步轉(zhuǎn)速點不變，電磁轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成比例變化，但各條曲線的最大轉(zhuǎn)矩點對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率基本保持不變。,,,,,第 38 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,目前對異步電動機(jī)的調(diào)速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。 恒壓頻比開環(huán)控制實際上只控制了電動機(jī)磁通而沒有控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用這樣的控制系統(tǒng)對異步電動機(jī)來講根本談不上控制性能，通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。 轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來直接控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩的，可以在一定的轉(zhuǎn)差頻率范圍內(nèi)、一定程度上通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差來控制電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，但其控制

25、理論是建立在異步電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，它適合于電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對動態(tài)性能要求不高的場合。,,第 39 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,1異步電動機(jī)的矢量控制 矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析交流電動機(jī)內(nèi)部的電磁過程，是建立在交流電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它模仿對直流電動機(jī)的控制技術(shù)，將交流電動機(jī)的定子電流解耦成互相獨(dú)立的產(chǎn)生磁鏈的分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的分量。分別控制這兩個分量就可以實現(xiàn)對交流電動機(jī)的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，從而達(dá)到理想的動態(tài)性能。 (1) 異步電動機(jī)矢量控制方式的選擇。異步電動機(jī)矢量控制是基于磁場定向的方法，其調(diào)速控制系統(tǒng)的方式比較復(fù)雜，常用的控

26、制策略有以下4種。轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理；轉(zhuǎn)差率矢量控制原理；氣隙磁場定向矢量控制原理；定子磁場定向矢量控制原理。,,第 40 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(2) 異步電動機(jī)矢量控制的特點。矢量控制變頻器可以分別對異步電動機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測和控制，自動改變電壓和頻率，使指令值和檢測實際值達(dá)到一致，從而實現(xiàn)了變頻調(diào)速，大大提高了電動機(jī)控制靜態(tài)精度和動態(tài)品質(zhì)。轉(zhuǎn)速精度約等于0.5%，轉(zhuǎn)速響應(yīng)也較快。采用矢量變頻器異步電動機(jī)變頻調(diào)速是可以達(dá)到控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高的效果。其主要表現(xiàn)在：可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣；可以對轉(zhuǎn)矩實行較為精確控制；系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度很快；

27、電動機(jī)的加速度特性很好。,,第 41 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,2. 異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是將電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，也不需要依賴轉(zhuǎn)子數(shù)學(xué)模型，只是通過控制PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式，控制電動機(jī)的瞬時輸入電壓，改變磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度來控制瞬時轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)性能對轉(zhuǎn)子參數(shù)呈現(xiàn)魯棒性。并且這種方法被推廣到弱磁調(diào)速范圍。逆變器的PWM采用電壓空間向量控制方式，性能優(yōu)越。但同時不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，調(diào)速性能降低的問題。該方法對逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大，定子電阻對電動機(jī)低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電

28、阻變化引起的定子電流和磁鏈的畸變，以及轉(zhuǎn)矩脈動、死區(qū)效應(yīng)和開關(guān)頻率等問題。,,第 42 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(1)異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理。它主要包括磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器等。其中磁鏈觀測器對磁鏈的觀測是否準(zhǔn)確對整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用，而開關(guān)策略和磁鏈、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)是先進(jìn)控制算法的核心部分。,,,第 43 頁,4.4.3 異步電動機(jī)的控制,(2) 直接轉(zhuǎn)矩控制的特點 直接轉(zhuǎn)矩控制所需要的信號處理工作特別簡單，所用的控制信號使觀察者對于交流電動機(jī)的物理過程能夠做出直接和明確的判斷。 直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能

29、易受參數(shù)變化影響的問題。 直接轉(zhuǎn)矩控制并非極力獲得理想的正弦波波形，也不專門強(qiáng)調(diào)磁鏈完全理想圓形軌跡。相反，從控制轉(zhuǎn)矩的角度出發(fā)，它強(qiáng)調(diào)的是轉(zhuǎn)矩的直接控制效果，因而它采用離散的電壓狀態(tài)和六邊形磁鏈軌跡或近似圓形磁鏈軌跡的概念。 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)對轉(zhuǎn)矩實行直接控制。它的控制效果不取決于電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，它的控制既直接又簡化。,,,第 44 頁,4.5 永磁同步電動機(jī),4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.5.2 永磁同步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性 4.5.3 永磁同步電動機(jī)的控制,,,第 45 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)

30、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)。這里介紹的主要是三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)。 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示，和傳統(tǒng)電動機(jī)一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。,,,,,第 46 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,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)置式二種。 (1) 表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)。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。,,,,,,第 47 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,(2) 內(nèi)置式轉(zhuǎn)子

31、磁路結(jié)構(gòu)。按永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)又可分為徑向式、切向式和混合式三種。,,,,,,,第 48 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)與其它電動機(jī)相比，具有以下優(yōu)點： (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、滑環(huán)和電刷，以電子換向?qū)崿F(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)矩的擾動具有較強(qiáng)的承受能力，瞬間最大轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的三倍以上，適合在負(fù)

32、載轉(zhuǎn)矩變化較大的工況下運(yùn)行；,,,,,,,第 49 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,(4) 永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵磁，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、重量輕。近些年來隨著高性能永磁材料的不斷應(yīng)用，永磁同步電動機(jī)的功率密度得到很大提高，比起同容量的異步電動機(jī)來，體積和重量都有較大的減少，使其適合應(yīng)用在許多特殊場合； (7) 結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。,,,,,,第 50 頁,4.5.1 永磁同步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,永磁同步電動機(jī)還存

33、在以下缺點： (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) 永磁電動機(jī)的磁鋼價格較高。 由此可見，永磁電動機(jī)體積小，重量輕，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；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電動機(jī)驅(qū)動。比較典型的是在豐田Prius混聯(lián)式混合動力轎車上的應(yīng)用。,,,,,,第 51 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作

34、原理與運(yùn)行特性,1電樞反應(yīng) 永磁同步電動機(jī)帶負(fù)載時，氣隙磁場是永磁體磁動勢和電樞磁動勢共同建立的。電樞磁動勢對氣隙磁場有影響，電樞磁動勢的基波對氣隙磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場波形發(fā)生畸變，而且還會產(chǎn)生去磁或增磁作用，因此，氣隙磁場將影響永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行特性。 對永磁同步電動機(jī)進(jìn)行分析時，需要采用雙反應(yīng)理論，即需要把電樞電流和電樞電動勢分解成交軸和直軸兩個分量。交軸電樞電流產(chǎn)生交軸電樞電動勢，發(fā)生交軸電樞反應(yīng)；直軸電樞電流產(chǎn)生直軸電樞電動勢，發(fā)生直軸電樞反應(yīng)。,,,,第 52 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,2電壓方程式 忽略磁飽和效應(yīng)的影響，永磁同步電

35、動機(jī)的電壓方程式為 3功率與轉(zhuǎn)矩 電動機(jī)的電磁功率為 如果忽略電樞電阻的影響，則電動機(jī)的電磁功率為,,,,,,,第 53 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步電動機(jī)的功角特性。,,,,,,第 54 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,4運(yùn)行特性 永磁同步電動機(jī)的運(yùn)行特性主要是機(jī)械特性和工作特性。 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)格地與頻率成正比例變化。,,,,,,,第 55 頁,4.5.2永磁同步電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性,永磁同步電動

36、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、電樞電流、效率、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系。,,,,,,,,第 56 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,1.恒壓頻比開環(huán)控制(VVVF) VVVF的控制變量為電動機(jī)的外部變量即電壓和頻率?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入到實現(xiàn)控制策略的調(diào)制器中，最后由逆變器產(chǎn)生一個交變的正弦電壓施加在電動機(jī)的定子繞組上，使之運(yùn)行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進(jìn)行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例的線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略簡單，易于實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過電源頻率進(jìn)行控制，不存在異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)差補(bǔ)償問題。但同時

37、，由于系統(tǒng)中不引入速度、位置等反饋信號，因此無法實時捕捉電動機(jī)狀態(tài)，致使無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩；在突加負(fù)載或者速度指令時，容易發(fā)生失步現(xiàn)象；也沒有快速的動態(tài)響應(yīng)特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制控制電動機(jī)磁通而沒有控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，控制性能差。通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。,第 57 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,2矢量控制 矢量控制理論的基本思想為；以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標(biāo)，將定子電流分解為相互正交的兩個分量，一個與磁鏈同方向，代表定子電流勵磁分量，另一個與磁鏈方向正交，代表定子電流轉(zhuǎn)矩分量，分別對其進(jìn)行控制，獲得與直流電動機(jī)一樣良好的動態(tài)特性。因其控制結(jié)構(gòu)簡單，控制軟件

38、實現(xiàn)較容易，已被廣泛應(yīng)用到調(diào)速系統(tǒng)中。 永磁同步電動機(jī)矢量控制策略與異步電動機(jī)矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴(yán)格同步，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等于旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差恒等于零，沒有轉(zhuǎn)差功率，控制效果受轉(zhuǎn)子參數(shù)影響小。因此，在永磁同步電動機(jī)上更容易實現(xiàn)矢量控制。,第 58 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,某電動汽車用永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)框。,,第 59 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,3直接轉(zhuǎn)矩控制 永磁同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。,,,第 60 頁,4.5.3永磁同步電動機(jī)的控制,4智能控制 為了提高永磁同步電動機(jī)的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等開

39、始應(yīng)用于同步電動機(jī)的控制。 采用智能控制方法的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)，在多環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，智能控制器處于最外環(huán)充當(dāng)速度控制器，而內(nèi)環(huán)電流控制、轉(zhuǎn)矩控制仍采用PI控制、直接轉(zhuǎn)矩控制這些方法，這主要是因為外環(huán)是決定系統(tǒng)的根本因素，而內(nèi)環(huán)主要的作用是改造對象特性以利于外環(huán)的控制，各種擾動給內(nèi)環(huán)帶來的誤差可以由外環(huán)控制或抑制。 在永磁同步電機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用智能控制時，也不能完全屏棄傳統(tǒng)的控制方法，必須將兩者很好地結(jié)合起來，才能彼此取長補(bǔ)短，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。,,,第 61 頁,4.6 開關(guān)磁阻電動機(jī),4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點 4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理與運(yùn)行特性 4.6.3 開關(guān)磁

40、阻電動機(jī)的控制,第 62 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,1開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 開關(guān)磁阻電動機(jī)是由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成。定子極上繞有集中繞組，把沿徑向相對的兩個繞組串聯(lián)成一個兩級磁極，稱為“一相”；轉(zhuǎn)子既無繞組又無永磁體，僅由硅鋼片疊成。 開關(guān)磁阻電動機(jī)有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，如單相、二相、四相及多相等，且定子和轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。低于三相的開關(guān)磁阻電動機(jī)一般沒有自起動能力。相數(shù)多，有利于減小轉(zhuǎn)矩脈動，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、主開關(guān)器件多、成本增高。目前應(yīng)用較多的是四相8/6極結(jié)構(gòu)和三相6/4極結(jié)構(gòu)。下面介紹的的開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)為四相8

41、/6極結(jié)構(gòu)。,第 63 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,2. 開關(guān)磁阻電動機(jī)的特點 開關(guān)磁阻電動機(jī)與其它電動機(jī)相比，具有以下優(yōu)點： (1) 可控參數(shù)多，調(diào)速性能好?？煽貐?shù)有主開關(guān)開通角、主開關(guān)關(guān)斷角、相電流幅值、直流電源電壓，控制方便，可四象限運(yùn)行，容易實現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和電動、制動等特定的調(diào)節(jié)控制； (2) 結(jié)構(gòu)簡單，成本低。開關(guān)磁阻電動機(jī)轉(zhuǎn)子無繞組，也不加永久磁鐵，定子為集中繞組，永磁電動機(jī)及感應(yīng)電動機(jī)都簡單，制造和維護(hù)方便；它的功率變換器比較簡單，主開關(guān)元件數(shù)較少，電子器件少； (3) 損耗小，運(yùn)轉(zhuǎn)效率高。開關(guān)磁阻電動機(jī)的轉(zhuǎn)子不存在勵磁及轉(zhuǎn)差損耗，功率變換器元器件少，相應(yīng)的損耗

42、也??；控制靈活，易于在很寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)高效節(jié)能控制； (4) 起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小。在15%額定電流的情況下就能達(dá)到100%的起動轉(zhuǎn)矩。,第 64 頁,4.6.1 開關(guān)磁阻電動機(jī)的結(jié)構(gòu)與特點,由于開關(guān)磁阻電動機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和工作方式，也存在一些缺點： (1) 轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象較大； (2) 振動和噪聲相對較大，特別是在負(fù)載運(yùn)行的時候； (3) 電動機(jī)的出線頭相對較多，還有位置檢測器出線端； (4) 電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，其準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型較難建立； (5) 控制復(fù)雜，依賴于電動機(jī)的結(jié)構(gòu)。,第 65 頁,4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理與運(yùn)行特性,1開關(guān)磁阻電動機(jī)的工作原理 開關(guān)磁阻電動機(jī)的工

43、作原理如圖所示。圖中，Sl、S2是電子開關(guān)；VD1、VD2是二極管，U是直流電源。,,第 66 頁,4.6.2 開關(guān)磁阻電動機(jī)工作原理與運(yùn)行特性,2.開關(guān)磁阻電動機(jī)的運(yùn)行特性 開關(guān)磁阻電動機(jī)運(yùn)行特性可分為三個區(qū)域：恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)(串勵特性區(qū))，如圖所示。,,,第 67 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,1.角度位置控制方式(APC) 角度位置控制是在加在繞組上的電壓一定的情況下，通過改變繞組上主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角，來改變繞組的通、斷電時刻，調(diào)節(jié)相電流的波形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。 根據(jù)電動勢平衡方程式可知，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，則此時電流上升率下降，各相的主開關(guān)

44、器件的導(dǎo)通時間較短，電動機(jī)繞組的相電流不易上升，電流相對較小，便于使用角度位置控制方式。 因為開通角和關(guān)斷角都可調(diào)節(jié)，角度位置控制可分為：變開通角、變關(guān)斷角和同時改變開通角及關(guān)斷角三種方式。改變開通角，可改變電流波形的寬度、峰值和有效值的大小，還可改變電流波形與電感波形的相對位置，從而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。而關(guān)斷角一般不影響電流的峰值，但可改變電流波形的寬度及其與電感曲線的相對位置，進(jìn)而改變電流的有效值。故一般采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制方式。,第 68 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,根據(jù)SRM的轉(zhuǎn)矩特性分析可知，當(dāng)電流波形主要位于電感的上升區(qū)時，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為正，電動機(jī)

45、運(yùn)行在電動狀態(tài)；當(dāng)電流波形主要位于電感的下降段時，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電動機(jī)工作在制動狀態(tài)。而通過對開通角、關(guān)斷角的控制，可以使電流的波形處在繞組電感波形的不同位置。因此，可以用控制開通角、關(guān)斷角的方式來使電動機(jī)運(yùn)行在不同的狀態(tài)。 角度位置控制的優(yōu)點在于：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍寬；可同時多相通電，以增加電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時減小了轉(zhuǎn)矩波動；通過角度的優(yōu)化，能實現(xiàn)效率最優(yōu)控制或轉(zhuǎn)矩最優(yōu)控制。 根據(jù)上面的分析可知，此法不適于低速場合。因為在低速時，旋轉(zhuǎn)電動勢較小，使電流峰值增大，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行限流，故一般用于轉(zhuǎn)速較高的場合。,第 69 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,2.電流斬波控制 根據(jù)

46、電動勢平衡方程式可知，電動機(jī)低速運(yùn)行特別是啟動時，旋轉(zhuǎn)電動勢引起的壓降很小，相電流上升快，為避免過大的電流脈沖對功率開關(guān)器件及電動機(jī)造成損壞，需要對電流峰值進(jìn)行限定，因此，可采用電流的斬波控制，獲取恒轉(zhuǎn)矩的機(jī)械特性。電流斬波控制一般不會對開通、關(guān)斷角進(jìn)行控制，它將直接選擇在每相的特定導(dǎo)通位置對電流進(jìn)行斬波控制。 目前常用的有兩種方案：對電流上、下限進(jìn)行限制的控制，及限制電流上限值和恒定關(guān)斷時間的控制。 該控制的優(yōu)點在于：它適用于電動機(jī)的低速調(diào)速系統(tǒng)，可以控制電流峰值的增長，并有很好的電流調(diào)節(jié)作用：因每相電流波形會呈現(xiàn)出較寬的平頂狀，使得產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩比較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩的波動相應(yīng)地比其它控制方式要小。

47、然而，由于電流的峰值受到了限制，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載的擾動作用下發(fā)生變化時，電流的峰值無法做出相應(yīng)的改變，使得系統(tǒng)的特性比較軟，因此系統(tǒng)在負(fù)載擾動下的動態(tài)響應(yīng)很緩慢。,第 70 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,3.電壓控制(VC) VC方式是保持開通角、關(guān)斷角不變的前提下，使功率開關(guān)器件工作在脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，來調(diào)整加在繞組兩端電壓的平均值，進(jìn)而改變繞組電流的大小，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。若增大調(diào)制脈沖的頻率，就會使電流的波型比較平滑，電動機(jī)出力增大，噪聲減小，但對功率開關(guān)器件的工作頻率的要求就會增大。 按照續(xù)流方式的不同，分為單管斬波和雙管斬波方式。單管方式

48、中，連接在每相繞組中的上、下橋臂的兩個開關(guān)管只有一個處于斬波狀態(tài)，另一個一直導(dǎo)通。而雙管斬波方式中，兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通和關(guān)斷，對電壓進(jìn)行斬波控制?？紤]到系統(tǒng)效率等因素，實際應(yīng)用中一般常用單管方式。,第 71 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,電壓控制的優(yōu)點在于，它通過調(diào)節(jié)繞組電壓的平均值進(jìn)而調(diào)節(jié)電流，因此可用在低速和高速系統(tǒng)，且控制簡單，但它的調(diào)速范圍有限。 在實際的SRD運(yùn)用中，也可以采用多種控制方式相組合的方法。如高速角度控制和低速電流斬波控制組合，變角度電壓斬波控制和定角度電壓斬波控制等。這些組合方式各有優(yōu)勢及不足，因此必須針對不同的應(yīng)用場合和不同的性能要求，合理地選擇控制方式，才能

49、使電動機(jī)運(yùn)行于最佳狀態(tài)。,第 72 頁,4.6.3 開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制,根據(jù)系統(tǒng)性能要求的不同，控制電路的具體結(jié)構(gòu)形式會有很大差異，但一般均應(yīng)包含以下功能： 1) 用于接受外部指令信號，如起動、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向信號的操作電路； 2) 用于給定量與控制量相比較，并按規(guī)定算法計算出控制參數(shù)的調(diào)節(jié)量的調(diào)節(jié)器電路； 3) 用于決定控制電路的工作邏輯，如正反轉(zhuǎn)相序邏輯、高低速控制方式的工作邏輯電路； 4) 用于檢測系統(tǒng)中的有關(guān)物理量，如轉(zhuǎn)速、角位移、電流和電壓的傳感器電路； 5) 用于當(dāng)系統(tǒng)中某些物理量超過允許值時，采取相應(yīng)保護(hù)措施的保護(hù)電路，如過壓保護(hù)和過流保護(hù)； 6) 用于控制各被控量信號的輸出電路，如

50、控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷； 7) 用于指示系統(tǒng)的工作狀況和參數(shù)狀態(tài)顯示電路，如指示電動機(jī)轉(zhuǎn)速、指示故障保護(hù)情況的顯示。,第 73 頁,4.7 輪轂電機(jī),4.7.1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)形式 4.7.2 輪轂電機(jī)應(yīng)用類型 4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式 4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點 4.7.5 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù),第 74 頁,4.7.1 輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)形式,輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)通常由電動機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、制動器與散熱系統(tǒng)等組成。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子型式主要分成兩種結(jié)構(gòu)形式：內(nèi)轉(zhuǎn)子型和外轉(zhuǎn)子型。,,,,第 75 頁,4.7.2 輪轂電機(jī)應(yīng)用類型,輪轂電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)按照電機(jī)磁場的類型分為

51、軸向磁場和徑向磁場兩種類型。軸向磁通電機(jī)的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵心；徑向磁通電機(jī)定轉(zhuǎn)子之間受力比較均衡，磁路由硅鋼片疊壓得到，技術(shù)更簡單成熟。 輪轂電機(jī)的電機(jī)類型主要分為永磁、感應(yīng)、開關(guān)磁阻式。其特點如下： （1）無刷永磁同步電機(jī)可采用圓柱形徑向磁場結(jié)構(gòu)或盤式軸向磁場結(jié)構(gòu)，具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍，發(fā)展前景十分廣闊，已在國內(nèi)外多種電動汽車中獲得應(yīng)用； （2）感應(yīng)（異步）電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，轉(zhuǎn)矩脈動小，噪聲低，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速極限高；缺點是驅(qū)動電路復(fù)雜，成本高，相對永磁電機(jī)而言，異步電機(jī)效率和功率密度偏低； （3）開關(guān)磁阻式電

52、機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉，轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩特性好等特點，適用于電動汽車驅(qū)動；缺點是設(shè)計和控制非常困難和精細(xì)，運(yùn)行噪聲大。,,,第 76 頁,4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式,輪轂電機(jī)的驅(qū)動方式可以分為直接驅(qū)動和減速驅(qū)動兩種基本形式。 直接驅(qū)動方式如圖所示，采用低速外轉(zhuǎn)子電動機(jī)，輪轂電機(jī)與車輪組成一個完整部件總成，電機(jī)布置在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動車輪帶動汽車行駛。其主要優(yōu)點是電機(jī)體積小，質(zhì)量輕，成本低，系統(tǒng)傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，既有利于整車結(jié)構(gòu)布置和車身設(shè)計，也便于改型設(shè)計。,,第 77 頁,4.7.3 輪轂電機(jī)驅(qū)動方式,減速驅(qū)動方式如圖所示，采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機(jī)，適合現(xiàn)代高性能電動汽車的運(yùn)行要求。這種電

53、動輪采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機(jī)，其目的是為了獲得較高的功率。減速機(jī)構(gòu)布置在電動機(jī)和車輪之間，起減速和增矩的作用，保證電動汽車在低速時能夠獲得足夠大的轉(zhuǎn)矩。,,,第 78 頁,4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點,輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)作為一種新興的電機(jī)驅(qū)動形式，其布置非常靈活，可以根據(jù)汽車驅(qū)動方式分別布置在電動汽車的兩前輪、兩后輪或四個車輪的輪轂中。和其它驅(qū)動形式的電動汽車相比，輪轂電機(jī)驅(qū)動式電動汽車在動力源配置、底盤結(jié)構(gòu)等方面有其獨(dú)特的技術(shù)特征和優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在以下幾個方面： （1）動力控制由硬連接改為軟連接型式。通過電子線控技術(shù)，實現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求，從而省略了傳統(tǒng)

54、汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等，使驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔，有效可利用空間大，傳動效率提高。 （2）各電動輪的驅(qū)動力直接獨(dú)立可控，使其動力學(xué)控制更為靈活、方便；能合理控制各電動輪的驅(qū)動力，從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。,,第 79 頁,4.7.4 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的特點,（3）容易實現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋，還能對整車能源的高效利用，實施最優(yōu)化控制和管理，節(jié)約能源。 （4）底架結(jié)構(gòu)大為簡化，使整車總布置和車身造型設(shè)計的自由度增加，若能將底架承載功能與車身功能分離，則可實現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發(fā)

55、周期，降低開發(fā)成本。 （5）若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，可有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。,,第 80 頁,4.7.5 輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),（1）輪轂電機(jī)系統(tǒng)集驅(qū)動、制動、承載等多種功能于一體，優(yōu)化設(shè)計難度大； （2）車輪內(nèi)部空間有限，對電機(jī)功率密度性能要求高，設(shè)計難度大； （3）電機(jī)與車輪集成導(dǎo)致非簧載質(zhì)量較大，惡化懸架隔振性能，影響不平路面行駛條件下的汽車操控性和安全性。同時，輪轂電機(jī)將承受很大的路面沖擊載荷，電機(jī)抗振要求苛刻； （4）汽車大負(fù)荷低速爬長坡工況下容易出現(xiàn)冷卻不足導(dǎo)致的輪轂電機(jī)過熱燒毀問題，電機(jī)的散熱和強(qiáng)制冷卻問題需要重視； （5）車輪部位水和污物等容易集存，導(dǎo)致電機(jī)的腐蝕破壞，壽命可靠性受影響； （6）輪轂電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)矩的波動可能會引起汽車輪胎、懸架以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的振動和噪聲，以及其他整車聲振問題。,,,第 81 頁,謝 謝！,