电动汽车结构原理与故障诊断教学课件作者陈黎明混合动力与电动汽车2324课件幻灯片

第二章 电动汽车的主要部件及工作原理,五、 永磁同步电动机,永磁同步电动机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称PMSM）具有高效、高控制精度、高转矩密度、良好的转矩平稳性及低振动噪声的特点，通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，是最具竞争力的电动汽车驱动电机系统之一。,1、永磁同步电动机的结构与特点,1)永磁同步电动机结构 永磁同步电动机分为正弦波驱动电流的永磁同步电动机和方波驱动电流的永磁同步电动机。这里介绍的主要是以三相正弦波驱动的永磁同步电动机。,永磁同步电动机的结构示意图,表面嵌入式转子结构,a）内置径向式 b）内置切向式 c）内置混合式,内置式转子结构,1、永磁同步电动机的结构与特点,2)永磁同步电动机的特点 优点： （1）用永磁体取代绕线式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换向实现无刷运行，结构简单，运行可靠； （2）永磁同步电动机的转速与电源频率间始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电动机的转速； （3）永磁同步电动机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电动机转矩的扰动具有较强的承受能力；,1、永磁同步电动机的结构与特点,（4）永磁电动机转子为永久磁铁无需励磁，因此电动机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽； （5）永磁同步电动机与异步电动机相比，不需要无功励磁电流，因而功率因数高，定子电流和定子铜耗小，效率高； （6）体积小、重量轻。 （7）结构多样化，应用范围广。,1、永磁同步电动机的结构与特点,缺点： （1）由于永磁同步电动机转子为永磁体，无法调节，必须通过加定子直轴去磁电流分量来削弱磁场，这会增大定子的电流，增加电动机的铜耗； （2）永磁电动机的磁钢价格较高。,运行原理 基于交流旋转磁场理论， 即：三相对称绕组馈入三相对称交流电流可建立圆形旋转磁场,2、永磁同步电动机的运行原理与特性,是一个圆形旋转磁场 改变电源频率即可改变旋转磁场转速 改变电源相序即可改变旋转磁场转向,旋转磁场,三相合成磁势为,三相对称交流绕组通过三相对称电流,同步转速的概念：由交流电机定子极对数和定子绕组供电频率决定的旋转磁场的转速 电源频率f=50Hz，2极电机旋转磁势的同步转速为3000r/min。 4极电机旋转磁势的同步转速为1500r/min。,同步转速,交流电机恒定电磁转矩的产生,只有在同次数的谐波电流和谐波气隙磁场之间才能产生恒定电磁转矩； 定转子应具有相等的极对数； 电枢磁动势的轴线与气隙合成磁场的轴线之间的夹角为一常数； 电枢磁动势和气隙合成磁场都具有恒定不变的波幅值。,交流电机恒定电磁转矩的产生,定子为同步速旋转磁场，转子为直流恒定磁场； 为产生恒定电磁转矩，两磁场必须相对静止，转子必须严格以同步速旋转 。 同步电机,同步电动机电磁转矩,凸极式同步电动机,1 -凸极式同步电机电磁转矩 2 - 同步转矩 3 - 反应转矩,2,3,1,同步转矩： 定子与转子各有磁场，两个磁场相互作用产生转矩。,对应的电磁功率： Pe=Sekik,同步电动机电磁转矩,反应（磁阻）转矩： 磁力线经过的磁路上磁阻最小化趋势产生的转矩，与磁极极性无关。,也可以看成是定、转子两个磁场相互作用产生转矩。,同步电动机电磁转矩,同步电动机电磁转矩,隐极式同步电动机 永磁式同步电动机,永磁体导磁率一般很低，使交轴同步电抗反比直轴同步电抗大，致使反应转矩变负,只有同步转矩,2、永磁同步电动机的运行原理与特性,运行特性 永磁同步电动机的运行特性主要是机械特性和工作特性。 永磁同步电动机机械特性为平行于横轴的直线，调节电源频率来调节电动机转速时，转速将严格地与频率成正比例变化。 永磁同步电动机的工作特性是指当电源电压恒定时，电动机的输入功率、电枢电流、效率、功率因数等随输出功率变化的关系。,永磁同步电动机的机械特性,永磁同步电动机的工作特性,六、开关磁阻电动机,1. 开关磁阻电动机结构与特点 开关磁阻电动机的结构 开关磁阻电动机是由双凸极的定子和转子组成，其定子、转子的凸极均由普通的硅钢片叠压而成。 定子极上绕有集中绕组，把沿径向相对的两个绕组串联成一个两级磁极，称为“一相”；转子既无绕组又无永磁体，仅由硅钢片叠成。,1. 开关磁阻电动机结构与特点,SRD传动系统的组成,SR电动机定、转子实际结构,SR电动机定、转子实际结构,1.开关磁阻电动机结构与特点,开关磁阻电动机的特点 优点： （1）可控参数多，调速性能好； （2）结构简单，成本低； （3）损耗小，运转效率高；,1.开关磁阻电动机结构与特点,缺点： （1）转矩脉动现象较大； （2）振动和噪声较大，特别是在负载运行的时候； （3）电动机出线头较多，还有位置检测器出线端； （4）电动机数学模型比较复杂，准确模型难建立； （5）控制复杂，依赖于电动机的结构。,2 .开关磁阻电动机工作原理与运行特性,1)开关磁阻电动机的工作原理,开关磁阻电动机的工作原理示意图,运行原理：磁阻最小原理,磁通总要沿着磁阻最小路径闭合，一定形状的铁心在移动到最小磁阻位置时，必定使自己的轴线与主磁场的轴线重合,A-A 通电 1-1 与A-A重合 B-B 通电 2-2 与B-B重合 C-C 通电 3-3 与C-C重合 D-D 通电 1-1 与D-D重合,依次给A-B-C-D绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转,电机的定子铁芯有六个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。,电机的转子铁芯有四个齿极，由导磁良好的硅钢片冲制。,开关磁阻电动机原理模型,由于定子与转子都有凸起的齿极，这种形式也称为双凸极结构。在定子齿极上绕有线圈（定子绕组），用来向电机提供工作磁场。在转子上没有线圈，这是磁阻电机的主要特点。,在讲电动机工作原理时常用通电导线在磁场中受力来解释电动机旋转的道理，磁阻电机转子上没有绕组，那是靠什么力推动转子转动呢？ 磁阻电动机是利用磁阻最小原理，也就是磁通总是沿磁阻最小的路径闭合，利用磁引力拉动转子旋转。,该电机有3相，结合定子与转子的极数就称该电机为三相6 / 4结构。在下图标注的A、B、C相线圈仅为后面分析磁路带来方便，并不是连接三相交流电。,图中红色的线圈是通电线圈，黄色的线圈没有电流通过；通过定子与转子的深蓝色线是磁力线；把转子启动前的转角定为0度。 从左面图起，A相线圈接通电源产生磁通，磁力线从最近的转子齿极通过转子铁芯 中间图是转子转了10度的图 右面图是转到20度的图 磁力一直牵引转子转到30度为止。,为了使转子继续转动，在转子转到30度前已切断A相电源在30度接通B相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图 中间图是转子转到40度的图 右面图是转到50度的图，磁力一直牵引转子转到60度为止。,在 到60度前切断B相电源在60度时接通C相电源，磁通从最近的转子齿极通过转子铁芯，见下左图。 中间图是转子转到70度的图 右面图是转到80度的图，磁力一直牵引转子转到90度为止。,当转子转到90度前切断C相电源，转子在90度的状态与前面0度开始时一样，重复前面过程，接通A相电源，转子继续转动，这样不停的重复下去，转子就会不停的旋转。这就是磁阻电动机的工作原理。 由于是运用了利用磁阻最小原理，故称为磁阻电动机，又由于线圈电流通断、磁通状态直接受开关控制，故称为开关磁阻电动机。,向线圈供电的开关是用开关晶体管进行的，下面就是三相线圈与开关晶体管的连接示意图，BG1、BG2、BG3是三个开关晶体管，分别控制三相线圈A、B、C的电流通断，三极管旁边并联的二极管是用来续流的。,由于电机靠磁阻工作，跟磁通方向无关，即跟电流方向无关，故在上面运行图中没有标明磁力线的方向。 A、B、C各相线圈轮流通电视乎简单，实际情况要复杂些，线圈切断电源后产生的自感电流不会立即消失，要提前关断电源进行续流；为加大力矩相邻相线圈有电流的时间会有部分重合；调节电动机的转速、转矩也要调整开关时间，各相线圈开通与关断时间与转子定子间的相对位置直接相关，故电机还装有转子位置检测装置为准时开关各相线圈电流提供依据，何相线圈何时通断必须根据转子转到的位置与控制参数决定。,例：12/8 极三相开关磁阻电动机,以不同的颜色表示磁场强弱，蓝色磁场最弱，绿色强 当某一相通电时，磁极极尖处磁场强,转速的计算,设：定子绕组为m相，定子齿数 Ns=2m，转子齿数为Nr。 当定子绕组轮流通电一次时，转子转过一个转子齿距。这样定子需轮流通电 Nr次转子才转过一周，故电机转速 n(r/min)与相绕组电压的开关频率 fph之间的关系为 给定子相绕组供电的功率变换器输出电流脉动频率 则为,结论,1、依次给A-B-C-A绕组通电，转子逆励磁顺序方向连续旋转。改变绕组导通顺序，就可改变电机的转向。 2、通电一周期，转过一个转子极距tr=360/Nr 3、步距角 qb=tr/m=360/(mNr) 4、转矩方向与电流无关,但转矩存在脉动。 5、需要根据定、转子相对位置投入激励。不能像普通异步电机一样直接投入电网运行，需要与控制器一同使用。,2).开关磁阻电动机的运行特性,SR电动机的运行特性图,2 .开关磁阻电动机工作原理与运行特性,各种电机的比较,七、电动汽车中电机的控制,通过控制技术，改变电机各种控制参数，达到改变电机的特性的目的，使电机特性符合电动汽车各种运行工况的要求。,1、直流电机特性控制前后对比,1、直流电机特性控制前后对比,sm,图6-3 恒压恒频时异步电机的机械特性,2、异步电机特性控制前后的变化,恒压频比控制时变频调速的机械特性,补偿定子压降后的特性,2、异步电机特性控制前后的变化,Temax,恒 Eg /1 控制时变频调速的机械特性,2、异步电机特性控制前后的变化,3、永磁同步特性控制前后的变化,2).开关磁阻电动机的运行特性,SR电动机的运行特性图,4、开关磁阻电动机控制前后的变化,理想电动汽车驱动系统特性,第二章 电动汽车的主要部件及工作原理,电动汽车用蓄电池,四、电动汽车对蓄电池的性能要求,(1)能量型动力电池 能量型动力电池通常具有比较大的容量，能够提供比较持久的能源供给，常常用于纯电动汽车、中度或重度混合动力电动汽车。 (2)功率型动力电池 功率型动力电池的容量通常比较小，可以提供瞬间大功率供电，主要用于电动工具、轻度混合动力电动汽车。,四、电动汽车对蓄电池的性能要求,(3)能量/功率兼顾型动力电池 能量/功率兼顾型动力电池能量密度高，同时在SOC低时有提供大功率的能力，在SOC高时能接收大功率，即要求电池具有高能量、大功率兼顾的特性，主要用于插电式混合动力汽车。,1.纯电动汽车电池的工作要求,1)电池组要有足够的能量和容量，以保证典型的连续放电不超过1C，典型峰值放电一般不超过3C；如果电动汽车上具有回馈制动功能，电池组必须能够接受高达5C的脉冲电流充电。 2)电池要能够实现深度放电(如80%)而不影响其寿命，在必要时能实现满负荷甚至全负荷放电。,1.纯电动汽车电池的工作要求,3)需要安装电池管理系统和热管理系统，以显示电池组的剩余电量和实现温度控制。 4)由于动力电池组体积和质量大，电池箱的设计、电池的空间布置和安装问题都需要认真研究。,2.混合动力汽车对电池的工作要求,串联式混合动力汽车完全由电机驱动，发动机-发电机总成与电池组一起为电机提供需要的电能，电池SOC处于较高的水平，对电池的要求与纯电动汽车相似，但容量要小一些。 并联式混合动力汽车发动机和电机都可直接为车轮提供驱动力，整车的功率需求可以由不同的动力组合来满足。,2.混合动力汽车对电池的工作要求,1)电池的峰值功率要大，能短时大功率充放电。 2)循环寿命要长，达到1000次以上的深度放电循环和40万次以上的浅度放电循环