新能源汽車技術(shù)第3章2電動汽車用電動機

第3章電動汽車用電動機(二)3.4異步電動機

3.5永磁同步電動機

3.6開關(guān)磁阻電動機3.4異步電動機異步電動機又稱感應(yīng)電動機，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電能量轉(zhuǎn)換為機械能量的一種交流電動機。異步電動機的種類很多。最常見的方法是按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)分類。按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來分，有籠型異步電動機和繞線型異步電動機；按照定子繞組相數(shù)來分，有單相異步電動機、兩相異步電動機和三相異步電動機。1.異步電動機的結(jié)構(gòu)與特點1)．異步電動機的結(jié)構(gòu)異步電動機主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大局部組成。(1)定子異步電動機的定子由定子鐵心、定子繞組和機座構(gòu)成。(2)轉(zhuǎn)子。異步電動機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。1.異步電動機的結(jié)構(gòu)與特點三相異步電動機的典型結(jié)構(gòu)2).異步電動機的特點轉(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力系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用、維護方便，運行可靠性高，重量輕，本錢低。異步電動機轉(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。此外，異步電動機運行時，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。1.異步電動機的結(jié)構(gòu)與特點2.異步電動機的工作原理異步電動機工作原理圖2.異步電動機的工作原理異步電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速之間存在轉(zhuǎn)速差，它的大小決定著轉(zhuǎn)子電動勢及其頻率的大小，直接影響異步電動機的工作狀態(tài)。通常將轉(zhuǎn)速差與同步轉(zhuǎn)速的比值，用轉(zhuǎn)差率表示，即有式中，為轉(zhuǎn)差率；為定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。3.異步電動機的運行特性

1)．異步電動機的工作特性異步電動機的工作特性是指電動機在保持額度電壓和額定頻率不變的情況下，電動機的轉(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。轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性關(guān)系到電動機與機械負(fù)載匹配的合理性；定子電流特性可以說明電動機的發(fā)熱情況，關(guān)系到電動機運行的可靠性和使用壽命；效率特性和功率因數(shù)特性關(guān)系到電動機運行的經(jīng)濟性。3.異步電動機的運行特性異步電動機的工作特性3.異步電動機的運行特性2)．異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性是指電動機在恒定電壓和恒定頻率的情況下，電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。異步電動機的機械特性分為自然機械特性和人為機械特性。3.異步電動機的運行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)備時的機械特性稱為自然機械特性。3.異步電動機的運行特性電源電壓、電源頻率、電動機極對數(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械特性稱為人為機械特性。4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型三相異步電動機的物理模型4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型〔1〕電壓方程三相定子繞組的電壓平衡方程為4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為分別為定子和轉(zhuǎn)子相電壓的瞬時值；分別為定子和轉(zhuǎn)子相電流的瞬時值；分別為各相繞組的全磁鏈；分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻。

4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型上述各量度已折算到定子側(cè)。將電壓方程寫成矩陣形式，并以微分算子代替微分符號

。4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型〔2〕磁鏈方程六個繞組的磁鏈可表示為對角線元素是各有關(guān)繞組的自感，其余各項是繞組間的互感。4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型根據(jù)磁鏈方程和電壓方程，可以得到展開后的電壓方程為4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型〔3〕運動方程在一般情況下，電氣傳動系統(tǒng)的運動方程式是式中，TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J為機組的轉(zhuǎn)動慣量；D為與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)載轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；K為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)；為極對數(shù)。對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，D=0，K=0，那么4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型〔4〕轉(zhuǎn)矩方程按照機電能量轉(zhuǎn)換原理，可求出電磁轉(zhuǎn)矩Te的表達(dá)式為)]120sin()()120sin()(sin)[(1oo-+++++++++=qqqbCcBcAaCcBbAcCbBaAmeiiiiiiiiiiiiiiiiiipLT4.異步電動機的數(shù)學(xué)模型三相異步電動機的數(shù)學(xué)模型將前述式子歸納起來，便構(gòu)成在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下三相異步電動機的多變量非線性數(shù)學(xué)模型。5.異步電動機的控制異步電動機是一個多變量〔多輸入輸出〕系統(tǒng)，其中變量電壓〔電流〕、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以其又是強耦合的多變量系統(tǒng)。如何對這樣一個非線性、多變量、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)進行有效控制，成為研究的重點。目前對異步電動機的調(diào)速控制主要有恒壓頻比開環(huán)控制〔VVVF〕、轉(zhuǎn)差控制、矢量控制〔VC〕以及直接轉(zhuǎn)矩控制〔DTC〕等。5.異步電動機的控制5.異步電動機的控制異步電動機矢量控制原理對于籠型轉(zhuǎn)子電動機，轉(zhuǎn)子短路，那么有，數(shù)學(xué)模型中的電壓矩陣方程式可簡化為

轉(zhuǎn)矩方程為5.異步電動機的控制在矢量控制系統(tǒng)中，被控制量是定子電流，因此，必須從數(shù)學(xué)模型中找出定子電流的兩個分量與其他物理量的關(guān)系。運算得所以運算得到式中，為轉(zhuǎn)子勵磁時間常數(shù)。5.異步電動機的控制由簡化得電壓矩陣方程式可得

進一步計算可得

5.異步電動機的控制異步電動機矢量控制的特點

(1)可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，因此調(diào)速范圍很寬廣；(2)可以對轉(zhuǎn)矩實行較為精確控制；(3)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度很快；(4)電動機的加速度特性很好。5.異步電動機的控制

2).異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制是將電動機輸出轉(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轉(zhuǎn)速。通過控制PWM型逆變器的導(dǎo)通和切換方式，控制電動機的瞬時輸入電壓，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。5.異步電動機的控制異步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)框圖如以下圖所示。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)是先進控制算法的核心局部。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.異步電動機的控制3.5永磁同步電動機

永磁同步電動機〔PermanentMagnetSynchronousMotor，簡稱PMSM〕具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動噪聲的特點，通過合理設(shè)計永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能，在電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應(yīng)用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，是最具競爭力的電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)之一。1.永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)與特點

1)．永磁同步電動機結(jié)構(gòu)

永磁同步電動機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電動機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電動機。這里介紹的主要是以三相正弦波驅(qū)動的永磁同步電動機。

永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)示意圖

外表嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)a〕內(nèi)置徑向式b〕內(nèi)置切向式c〕內(nèi)置混合式內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)1.永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)與特點2)．永磁同步電動機的特點優(yōu)點：〔1〕用永磁體取代繞線式同步電動機轉(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)無刷運行，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠；〔2〕永磁同步電動機的轉(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的轉(zhuǎn)速；〔3〕永磁同步電動機具有較硬的機械特性，對于因負(fù)載的變化而引起的電動機轉(zhuǎn)矩的擾動具有較強的承受能力；1.永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)與特點〔4〕永磁電動機轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無需勵磁，因此電動機可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運行，調(diào)速范圍寬；〔5〕永磁同步電動機與異步電動機相比，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?！?〕結(jié)構(gòu)多樣化，應(yīng)用范圍廣。1.永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)與特點缺點：〔1〕由于永磁同步電動機轉(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，增加電動機的銅耗；〔2〕永磁電動機的磁鋼價格較高。

2.永磁同步電動機的運行原理與特性1)．電樞反響永磁同步電動機帶負(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響。電樞反響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的運行特性。2.永磁同步電動機的運行原理與特性2)．電壓方程式忽略磁飽和效應(yīng)的影響，永磁同步電動機的電壓方程式為式中，為電樞端電壓；為勵磁電動勢；為電樞電流；為電樞電流在d軸的分量；為電樞電流在q軸的分量；為電樞繞組電阻；為直軸同步電抗；為交軸同步電抗。2.永磁同步電動機的運行原理與特性3)．功率與轉(zhuǎn)矩當(dāng)永磁同步電動機具有滯后功率因數(shù)并考慮電樞電阻的影響，電動機從電網(wǎng)輸入的電功率為式中，為電動機的功率角。

電動機的電磁功率為式中，為電動機的電樞繞組銅耗。2.永磁同步電動機的運行原理與特性如果忽略電樞電阻的影響，那么上式的前半局部稱為根本電磁功率，由永磁磁場與電樞磁場相互作用產(chǎn)生；后半局部因凸極效應(yīng)產(chǎn)生，稱為附加電磁功率或磁阻功率。電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步電動機的功角特性。永磁同步電動機的功角特性和矩角特性

2.永磁同步電動機的運行原理與特性4)．運行特性

永磁同步電動機的運行特性主要是機械特性和工作特性。永磁同步電動機機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)電動機轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比例變化。永磁同步電動機的工作特性是指當(dāng)電源電壓恒定時，電動機的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系。

永磁同步電動機的機械特性

永磁同步電動機的工作特性3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型

假定：〔1〕磁路不飽和，電動機電感不受電流變化影響，不計渦流和磁滯損耗；〔2〕忽略齒槽、換相過程和電樞反響的影響；〔3〕電動機的反電動勢是正弦的；〔4〕電動機各相繞組電阻相等；〔5〕轉(zhuǎn)子上無阻尼繞組，永磁體也沒有阻尼作用。3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型靜止三相坐標(biāo)系(ABC)模型3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型三相繞組的靜止坐標(biāo)系(ABC)電壓方程為3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換，可以將永磁同步電動機在ABC三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流量變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下。由此可以得3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型電磁轉(zhuǎn)矩方程為式中，為電動機磁極對數(shù)；為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；，直交流電感；，為直交流電流。定子電流空間矢量與定子磁鏈空間矢量同相，且定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場間的空間角度為，那么3.永磁同步電動機的數(shù)學(xué)模型下式代入上式得到

由上式可以看出，永磁同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個分量，第一項為哪一項由兩磁場互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，第二項是由凸極效應(yīng)引起，并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。4.永磁同步電動機的控制1).恒壓頻比開環(huán)控制(VVVF)VVVF的控制變量為電動機的外部變量即電壓和頻率。控制系統(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的定子繞組上，使之運行在指定的電壓和參考頻率下。4.永磁同步電動機的控制2)．矢量控制永磁同步電動機矢量控制策略與異步電動機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電動機轉(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，在永磁同步電動機上更容易實現(xiàn)矢量控制。永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)框圖4.永磁同步電動機的控制3)．直接轉(zhuǎn)矩控制實際系統(tǒng)中，開關(guān)信號是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反響值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到。而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計算得到的。PMSM直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.永磁同步電動機的控制4)．智能控制采用智能控制方法的永磁同步電機控制系統(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。

3.6開關(guān)磁阻電動機1.開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與特點開關(guān)磁阻電動機的結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電動機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。

1.開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與特點開關(guān)磁阻電動機的特點優(yōu)點：〔1〕可控參數(shù)多，調(diào)速性能好；〔2〕結(jié)構(gòu)簡單，本錢低；〔3〕損耗小，運轉(zhuǎn)效率高；1.開關(guān)磁阻電動機結(jié)構(gòu)與特點

缺點：〔1〕轉(zhuǎn)矩脈動現(xiàn)象較大；〔2〕振動和噪聲較大，特別是在負(fù)載運行的時候；〔3〕電動機出線頭較多，還有位置檢測器出線端；〔4〕電動機數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜，準(zhǔn)確模型難建立；〔5〕控制復(fù)雜，依賴于電動機的結(jié)構(gòu)。2.開關(guān)磁阻電動機工作原理與運行特性1)．開關(guān)磁阻電動機的工作原理

開關(guān)磁阻電動機的工作原理示意圖2.開關(guān)磁阻電動機工作原理與運行特性2).開關(guān)磁阻電動機的運行特性

SR電動機的運行特性圖3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型1〕根本方程當(dāng)恒定直流電源給開關(guān)磁阻電動機供電時，其電壓方程為式中，為電源電壓；為繞組電阻；為繞組電流；為繞組磁鏈。繞組磁鏈與繞組電流和轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，即式中，為轉(zhuǎn)子位置角；定子繞組電感。3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)力學(xué)原理，電動機的轉(zhuǎn)矩平衡方程式為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩也可以通過磁共能和轉(zhuǎn)子位置求得式中，為磁共能。

有上述兩式得

3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型2〕繞組電感

相電感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型由相電感與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系可得開關(guān)磁阻電動機任意一相繞組電感方程為

定子磁極極弧。3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型3〕電磁轉(zhuǎn)矩當(dāng)電流為一恒定值時，電磁轉(zhuǎn)矩為

綜上得電磁轉(zhuǎn)矩為3.開關(guān)磁阻電動機的數(shù)學(xué)模型4〕繞組電流電壓方程可改寫為設(shè)開通角為，關(guān)斷角為，假設(shè)己知初始條件，，那么根據(jù)上兩式可得繞組電流。4.開關(guān)磁阻電動機的控制開關(guān)磁阻電動機既可以通過控制電動機自身的參數(shù)(如開通角、關(guān)斷角)來實現(xiàn)，也可以用適用于其它電動機上的控制理論，如PID控制、模糊控制等，對功率變換器局部進行控制，進而實現(xiàn)電動機的速度調(diào)節(jié)。針對SRM自身參數(shù)進行控制，目前主要使用的幾種根本控制方式有：角度位置控制(APC)、電流斬波控制(CCC)和電壓控制(VC)。4.開關(guān)磁阻電動機的控制

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。

4.開關(guān)磁阻電動機的控制2).電流斬波控制根據(jù)電動勢平衡方程式可知，電動機低速運行特別是啟動時，旋轉(zhuǎn)電動勢引起的壓降