混合動力汽車驅(qū)動電機

混合動力汽車驅(qū)動電機學習單元一直流電機學習單元二三相異步驅(qū)動電機學習單元三永磁同步驅(qū)動電機學習單元四開關(guān)磁阻驅(qū)動電機學習單元五輪轂驅(qū)動電機

在行駛過程中，混合動力汽車經(jīng)常頻繁地啟動/停車，加速/減速等，這就要求混合動力汽車的驅(qū)動電機比一般工業(yè)用的電機性能更高，基本要求如下：

(1)運行特性要滿足混合動力汽車的要求，在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足爬坡和啟動的要求；在恒功率區(qū)要滿足低扭矩高轉(zhuǎn)速的要求，以便高速行駛。

(2)要具有瞬時功率大、帶負載啟動性能好、過載能力強、加速性能好、使用壽命長的特性。

(3)在運行過程中要具有很高的效率。

．

(4)應具有減速時可實現(xiàn)再生制動，將能量回收并給電池充電的功能。

(5)應具有可靠性好，惡劣環(huán)境下能長期工作的特性。

(6)體積小、質(zhì)量輕。

(7)在結(jié)構(gòu)上要簡單堅固，便于使用與維護。

(8)運行噪音小、散熱好。

學習單元一直流電機

一、直流電機概述直流電機是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能(直流電動機)的驅(qū)動電機或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能(直流發(fā)電機)的旋轉(zhuǎn)電機，能實現(xiàn)直流電能和機械能的互相轉(zhuǎn)換。當汽車行駛時，它作為電動機運行，是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能；當汽車制動或減速時，它作為發(fā)電機運行，是直流發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機以其良好的調(diào)速性能在矢量控制出現(xiàn)以前基本占據(jù)了電機控制領(lǐng)域的整座江山。

二、直流電機的分類

直流電機可分為繞組勵磁式直流電機和永磁式直流電機。在混合動力汽車中，小功率汽車一般采用永磁式直流電機，大功率汽車一般采用繞組勵磁式直流電機。

按磁場方式不同，直流電機可分為他勵電機、并勵電機、串勵電機和復勵電機4種。

(1)他勵電機：定子繞組電流是由獨立的電源供給，電流僅取決于定子繞組電源的電壓和定子繞組回路的電阻，與轉(zhuǎn)子繞組端電壓無關(guān)。

(2)并勵電機：定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)，其定子繞組電流不僅與定子繞組回路的電阻有關(guān)，還受轉(zhuǎn)子繞組端電壓影響，故定子繞組的匝數(shù)較多并且用較細的導線繞成。

(3)串勵電機：定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)。

(4)復勵電機：磁極上有兩個定子繞組，一個與轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)，另一個與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)。

三、直流電機的基本結(jié)構(gòu)

1.直流電機組成

直流電機主要由定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組、換向器和轉(zhuǎn)子鐵芯等組成，如圖3-1所示。圖3-1直流電機結(jié)構(gòu)

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分是直流電機的旋轉(zhuǎn)部件，由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)向器等部件組成，如圖3-2所示。圖3-2直流電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

(1)轉(zhuǎn)子鐵芯：是電機磁通通路的一部分。

(2)轉(zhuǎn)子繞組：是電機的主要電路部分，其作用是產(chǎn)生感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換。

(3)換向器：如圖3-3所示，其作用是產(chǎn)生換向磁場，減小電刷與換向器接觸面上產(chǎn)生的火花，改善電機的換向性能。圖3-3直流電機換向器結(jié)構(gòu)

3.定子繞組部分

定子繞組是直流電機靜止不動的部分，包括機座、主磁極、電刷裝置和前端蓋等。

(1)機座：是電機磁路的一部分，用來安裝主磁極、換向器、前端蓋和后端蓋等部件。

(2)主磁極：如圖3-4所示，主要起支承定子繞組，產(chǎn)生主磁通的作用，當向定子繞組中通入直流電流時，定子繞組中會產(chǎn)生勵磁電動勢，磁極N、S應交替布置，均勻分布。

(3)電刷裝置：如圖3-5所示，其作用是通過電刷與交換器表面之間的接觸，使轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)子繞組與外電路接通，將電流、電壓引出或引入轉(zhuǎn)子繞組。圖3-4主磁極圖3-5電刷裝置結(jié)構(gòu)

四、直流電機工作原理

如圖3-6所示為直流電動機工作原理。圖3-6直流電動機工作原理

直流發(fā)電機的工作原理則是直流電動機的逆過程，如圖3-7所示，原動機提供轉(zhuǎn)矩，利用法拉第電磁感應可產(chǎn)生直流電流，即直流發(fā)電機可把輸入的機械功率轉(zhuǎn)換成直流電功

率，圖3-7比較清晰地說明了直流電機的兩種工作狀態(tài)中的能量轉(zhuǎn)換。圖3-7直流電機的兩種工作狀態(tài)

五、直流電機的特點

直流電機有如下特點：

(1)調(diào)試性能好：直流電機可以在重負荷的條件下實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，并且調(diào)速的范圍較寬。

(2)啟動轉(zhuǎn)矩大：在重負載或要求均勻調(diào)速的機械方面都可以采用直流電機。

(3)控制簡單：直流電機一般采用斬波器控制，它具有高效率、控制靈活、重量輕、體積小、響應快的優(yōu)點。

(4)有易損件：由于存在電刷、換向器等易損件，使用直流電機必須進行定期維護或更換。

六、直流電機的調(diào)速方法

常用的可控直流電源有以下3種。

1.旋轉(zhuǎn)變流機組

如圖3-8所示為旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖3-8旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)

2.靜止可控整流器

用靜止的可控整流器(如晶體閘管整流器)產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的直流電壓的工作原理如圖3-9所示圖3-9靜止可控整流器

3.直流斬波器(脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器)

用恒定直流電源或可控硅整流電源供電，利用直流斬波器(脈寬調(diào)制)的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓，直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，它利用開關(guān)器來實現(xiàn)通斷控制，將直流

電源電壓斷續(xù)地加到負荷上，通過通斷時間的變化來改變負荷上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源轉(zhuǎn)化為平均值可調(diào)的直流電源，也稱DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖3-10所示為

其外形圖。圖3-10直流斬波器(脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器)外形

學習單元二三相異步驅(qū)動電機

一、三相異步驅(qū)動電機分類三相異步驅(qū)動電機又稱感應電機，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)將電能轉(zhuǎn)換為機械能的驅(qū)動電化，三相異步驅(qū)動電機是各類電機中運用最廣、需求量最大的一種。三相異步驅(qū)動電機的種類很多，常按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)分類。按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同可分為鼠籠式異步電機和繞組式異步電機；按定子繞組相數(shù)的不同可分為單相異步電機、兩相異步電機和三相異步電機。

二、三相異步驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)

雖然三相異步驅(qū)動電機種類很多，但結(jié)構(gòu)基本相同，其結(jié)構(gòu)如圖3-11所示，由定子鐵芯、定子繞組、接線盒、機座、風扇、軸承、轉(zhuǎn)子繞組和軸等組成。圖3-11三相異步驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)

1.定子部分

定子部分包括機座、定子鐵芯、定子繞組等，如圖3-11(a)所示，主要用來產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。

(1)機座：主要作用是固定定子鐵芯與定子繞組。

(2)定子鐵芯：安裝在機座里，是三相異步驅(qū)動電機主磁通的一部分，如圖3-12所示。它具有良好的導磁性能，并且表面涂有絕緣漆，能夠減少交變磁通通過鐵芯時引起的渦流耗損，定子鐵芯的內(nèi)圓上沖有均勻分布的槽口，槽內(nèi)嵌放定子繞組。圖3-12三相異步驅(qū)動電機的定子鐵芯

(3)定子繞組：三相異步驅(qū)動電機有3個定子繞組嵌在鐵芯槽里，當通入三相對稱電流時，就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，是三相異步驅(qū)動電機的電路部分。

三相異步驅(qū)動電機的3個繞組是相互獨立的，每個繞組為一相，在相位上相差120°，其結(jié)構(gòu)完全對稱，一般有6個出線端，即U1、U2、V1、V2、W1、W2，出線端均接在引線盒內(nèi)，繞組的排序如圖3-13所示，可以接成星形(Ｙ)或者三角形(Ｄ)。圖3-13三相異步驅(qū)動電機定子繞組電路

2.轉(zhuǎn)子部分

轉(zhuǎn)子部分主要由轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成，是三相異步驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)部件。

(1)轉(zhuǎn)子鐵芯：一般由0.35～0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，是驅(qū)動電機主磁通磁路的一部分。

(2)轉(zhuǎn)子繞組：轉(zhuǎn)子繞組可以切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。根據(jù)繞組的形式不同，轉(zhuǎn)子繞組可分為籠型轉(zhuǎn)子和繞線型轉(zhuǎn)子兩種。

三、三相異步驅(qū)動電機的工作原理

三相異步驅(qū)動電機的工作原理如圖3-14所示。圖3-14三相異步驅(qū)動電機的工作原理

四、三相異步驅(qū)動電機的控制方法

三相異步驅(qū)動電機是一個多變量(多輸入、多輸出)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，所以它又是強耦合的多變量系統(tǒng)。

1.矢量控制

矢量控制也稱為磁場定向控制，該控制方式可實現(xiàn)對三相異步驅(qū)動電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使三相異步驅(qū)動電機傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性有顯著的改善。

矢量控制的具體原理是將三相異步驅(qū)動電機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)，分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子的電流矢量，所以這種控制方式稱為矢量控制方式。矢量控制可分為基于轉(zhuǎn)差率控制的矢量控制方式、無速度傳感器的矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。它是一種控制三相異步驅(qū)動電機的有效方法。隨著矢量控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多矢量控制方法，這些方法基本上可分為兩類，即直接磁場定向控制和間接磁場定向控制。

(1)直接磁場定向控制需要直接測量轉(zhuǎn)子磁場，增加了執(zhí)行的復雜性和低速時測量的不可靠性。因此，直接磁場定向控制很少用于混合動力汽車的驅(qū)動電機。

(2)與直接磁場定向控制不同，間接磁場定向控制通過計算確定轉(zhuǎn)子磁場，而不是直接測量，這種方式相對于直接磁場定向控制更易于實現(xiàn)。因此，間接磁場定向控制在混合

動力汽車上得到廣泛應用。

2.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制三相異步驅(qū)動電機系統(tǒng)是由三相異步驅(qū)動電機的數(shù)學模型計算出轉(zhuǎn)矩Tf、系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩給定值Tg以及轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器容差εm，經(jīng)轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器ATR處理后得到轉(zhuǎn)矩開關(guān)

信號Tq，如圖3-15所示。圖3-15直接轉(zhuǎn)矩控制三相異步驅(qū)動電機系統(tǒng)框圖

五、三相異步驅(qū)動電機的性能特點

混合動力汽車用三相異步驅(qū)動電機具有以下特點：

(1)小型輕量化。

(2)易實現(xiàn)轉(zhuǎn)速超過1000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。

(3)高速低轉(zhuǎn)矩時運轉(zhuǎn)效率高。

(4)可靠性高(堅固)。

(5)低速時有高轉(zhuǎn)矩，以及有寬廣的速度控制要求。

(6)控制裝置簡單化。

(7)制造成本低。

學習單元三永磁同步驅(qū)動電機

一、永磁同步驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)三相永磁同步驅(qū)動電機具有三相分布的定子繞組和永磁轉(zhuǎn)子，在磁路結(jié)構(gòu)和繞組分布上保證反電動勢波形為正弦波，為了進行磁場定向控制，輸入到定子的電壓和電流也為正弦波。根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步驅(qū)動電機可分為內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動電機和外置式永磁同步驅(qū)動電機。

1.內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動電機

內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動電機按永磁體磁化方向的不同可分為徑向式、切向式、U形混合式、V形混合式4種，如圖3-16所示。由于內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子內(nèi)部嵌入了磁體，導致了轉(zhuǎn)子機械結(jié)構(gòu)上的凸極特性。圖3-16內(nèi)置式永磁同步驅(qū)動電機類型

2.外置式永磁同步驅(qū)動電機

外置式永磁同步驅(qū)動電機根據(jù)永磁體是否嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中可分為面貼式和插入式兩種，如圖3-17所示。

(1)面貼式永磁同步驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子永磁體一般為瓦片形，通過合成粘膠粘于轉(zhuǎn)子鐵芯表面。

(2)插入式永磁同步驅(qū)動電機的永磁體嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中，兩永磁體之間的鐵芯成為鐵磁介質(zhì)突出的部分。圖3-17外置式永磁同步驅(qū)動電機類型

二、永磁同步驅(qū)動電機的性能特點

永磁同步驅(qū)動電機的功率因數(shù)大、效率高、功率密度大，是一種比較理想的驅(qū)動電機。但由于電磁結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)子勵磁不能隨意改變，導致弱磁困難，其調(diào)速特性不如直流電機。目

前，永磁同步驅(qū)動電機理論不如直流電機和異步驅(qū)動電機完善，還有許多問題需要進一步研究，主要有以下兩方面：

(1)驅(qū)動電機效率：永磁同步驅(qū)動電機的低速效率較低，如何通過設(shè)計降低低速電能損耗、優(yōu)化電機低速大扭矩的結(jié)構(gòu)是目前研究的主要方向之一。

(2)驅(qū)動電機的弱磁能力：永磁同步驅(qū)動電機由于轉(zhuǎn)子是永磁體勵磁，隨著轉(zhuǎn)速的升高，驅(qū)動電機電壓會逐漸達到逆變器所能輸出的電壓極限，這時要想繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速只有靠

調(diào)節(jié)定子電流的大小和相位，增加直軸去磁電流來等效弱磁，以提高轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電機的弱磁能力大小主要與直軸電抗和反電動勢大小有關(guān)，但永磁體串聯(lián)在直軸磁路中，所以直軸磁路一般磁阻較大，弱磁能力較小，當驅(qū)動電機反電動勢較大時，也會降低電機的最高轉(zhuǎn)速。

永磁同步驅(qū)動電機的驅(qū)動特性如圖3-18所示。圖3-18永磁同步驅(qū)動電機的驅(qū)動特性

三、永磁同步驅(qū)動電機的控制

永磁同步驅(qū)動電機控制系統(tǒng)可以采用矢量控制(磁定向控制)、直接轉(zhuǎn)矩控制和恒壓頻比開環(huán)控制等控制方式。

1.矢量控制

矢量控制的控制原理是以轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)空間矢量為參考坐標，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，代表定子電流的勵磁分量；另一個與磁鏈方向正交，

代表定子電流的轉(zhuǎn)矩分量，并分別對其進行控制，獲得與直流電機一樣良好的動態(tài)特性。

2.直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制不需要傳統(tǒng)量控制中復雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，而是由轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對象，電壓矢量則是控制系統(tǒng)里唯一的輸入，直接控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈的增

加或減小，但是轉(zhuǎn)矩和磁鏈并不解耦，在對電動機模型進行簡化處理時，沒有PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，受電動機參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動態(tài)性能。

3.恒壓頻比開環(huán)控制

恒壓頻比開環(huán)控制的控制變量為電機的外部變量，即電壓和頻率?？刂葡到y(tǒng)將參考電壓和頻率輸入，實現(xiàn)控制策略的調(diào)整，最后由逆變器產(chǎn)生一個交變的正弦電壓施加在電機

的定子繞組上，使之運行在指定的電壓和參考頻率下。按照這種控制策略進行控制，使供電電壓的基波幅值隨著速度指令成比例地線性增長，從而保持定子磁通的近似恒定。恒壓

頻比開環(huán)控制策略簡單、易于實現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過電源頻率進行控制，不存在三相異步驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)差補償問題。

但同時，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機狀態(tài)，致使無法精確控制電磁轉(zhuǎn)矩。在突然加大負載或者速度指令時，容易發(fā)生失步現(xiàn)象，也沒有快速的動態(tài)響應特性。因此，恒壓頻比開環(huán)控制是控制電機磁通而沒有控制電機的轉(zhuǎn)矩，因此控制性能差，通常只用于對調(diào)速性能要求一般的通用變頻器上。

學習單元四開關(guān)磁阻驅(qū)動電機

一、開關(guān)磁阻驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的組成開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的控制系統(tǒng)是高性能機電一體化系統(tǒng)，主要由開關(guān)磁阻驅(qū)動電機、功率變換器、傳感器(位置檢測、電流檢測)和控制器4部分組成，如圖3-19所示。圖3-19開關(guān)磁阻驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的組成

(1)開關(guān)磁阻(SwitchedReluctance，SR)驅(qū)動電機：是系統(tǒng)主要組成部分，用以實現(xiàn)電能向機械能的轉(zhuǎn)換。

(2)功率變換器：是連接電源和驅(qū)動電機的開關(guān)器件，用以提升開關(guān)磁阻驅(qū)動電機所需的電能，功率變換器的結(jié)構(gòu)形式一般與供電電壓、電動機相數(shù)有關(guān)。

(3)傳感器(電流檢測，位置檢測)：主要用來反饋位置及電流信號，并傳輸給控制器。

(4)控制器：是系統(tǒng)的中樞，起到?jīng)Q策和指揮作用，主要針對傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置、速度、電流反饋信息以及外部輸入的命令，實時加以分析和處理，進而采取相應的控制決策，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的驅(qū)動運行狀態(tài)的控制。

二、開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)與工作原理

開關(guān)磁阻驅(qū)動電機由雙凸輪極的定子和轉(zhuǎn)子組成，其定子和轉(zhuǎn)子的凸輪極均由普通的硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)子上既無繞組也無永磁體，一般裝有位置檢測器，定子上繞有集中繞

組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一相繞組，根據(jù)相數(shù)和定子、轉(zhuǎn)子極數(shù)的配比，開關(guān)磁阻驅(qū)動電機可以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)，如圖3-20所示。圖3-20開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)

如圖3-21所示為8/6極開關(guān)磁阻驅(qū)動電機，圖中僅畫出其中一相(A組)的連接情況，由于定子、轉(zhuǎn)子均為凸輪極結(jié)構(gòu)，故每相繞組的電感隨轉(zhuǎn)子的位置改變而改變，如圖3-22所示。圖3-218/6極開關(guān)磁阻驅(qū)動電機圖3-22相電感、轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系曲線

三、開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的性能特點

1.開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的優(yōu)點

(1)調(diào)速范圍寬、控制靈活、易于實現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩—速度特征。開關(guān)磁阻驅(qū)動電機啟動轉(zhuǎn)矩大、低速性能好，無三相異步驅(qū)動電機在啟動時所出現(xiàn)的沖擊電流現(xiàn)象。

在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，由于轉(zhuǎn)速較低，驅(qū)動電機反電動勢較小，可采用電流斬波限幅與電流斬波控制方式，也可采用調(diào)節(jié)相繞組外加電壓有效值的電壓PWM控制方式；在恒功率區(qū)，可通

過調(diào)節(jié)主開關(guān)的開通角和關(guān)斷角獲得恒功率特征，即角度位置控制方式。

(2)制造與維修方便。

(3)運轉(zhuǎn)效率高。

(4)可四象限運行，具有較高的再生制動能力。

(5)可控參數(shù)多，調(diào)速性能好。

(6)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，制造工藝簡單。

(7)轉(zhuǎn)矩方向與電流方向無關(guān)，從而減少功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件數(shù)，降低了成本。

(8)電能耗損小，電能耗損主要產(chǎn)生在定子上，電機易于冷卻。

(9)適應頻繁啟動、停止以及正、反轉(zhuǎn)運行。

2.開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的不足之處

(1)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但其設(shè)計和控制較復雜。

(2)噪音較大。

(3)由于開關(guān)磁阻驅(qū)動電機磁極端部的嚴重磁飽和以及磁與溝槽的邊緣效應，使得其設(shè)計與控制要求非常精細。

四、開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的控制方法

開關(guān)磁阻驅(qū)動電機的運行不是單純的發(fā)電或者電動的過程，而是將兩者有機結(jié)合在一起的控制過程，即它同時包含了能量回饋的過程。這一控制系統(tǒng)的主要特點是不同能量流

動過程分時控制，采用相同的硬件設(shè)備實現(xiàn)，將發(fā)電和電動過程整合到一起，實現(xiàn)了能量的回饋。開關(guān)磁阻驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的可控參數(shù)主要有開通角、關(guān)斷角、相電流幅值以及

相繞組的端電壓，對這些參數(shù)進行單獨或組合控制就會產(chǎn)生不同的控制方法。常用的控制方法有角度控制法(APC)、電流斬波控制法(CCC)和電壓斬波控制法(VC)3種。

1.角度控制法(APC)

APC是電壓保持不變，只對開通角和關(guān)斷角進行控制，通過對它們的控制來改變電流波形以及電流波形與繞組電感波形的相對位置。在APC控制中，如果改變開通角，因它通常處于低電感區(qū)，則可以改變電流的波形寬度、波形峰值和有效值大小以及電流波形與電感波形的相對位置，這樣就會對輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生很大的影響。改變關(guān)斷角一般不影響電流峰值，但可以影響電流波形寬度以及與電感曲線的相對位置，電流有效值也隨之變化，因此關(guān)斷角同樣會對電機的輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生影響，只是其影響程度沒有開通角那么大。在具體實現(xiàn)過程中，一般情況下采用固定關(guān)斷角、改變開通角的控制模式。

2.電流斬波控制法(CCC)

在電流斬波控制方式中，一般使電機的開通角和關(guān)斷角保持不變，主要靠控制斬波電流限幅值的大小來調(diào)節(jié)電流的峰值，從而起到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的，其實現(xiàn)方式有

以下兩種。

1)限制電流上、下幅值的控制

在一個控制周期內(nèi)，給定電流最大值和最小值，使相電流與設(shè)定的上、下限值進行比較。當相電流大于設(shè)定的最大值時，則控制該相功率開關(guān)器件關(guān)斷；當相電流降低到設(shè)定

最小值時，功率開關(guān)重新開通。如此反復，其斬波的波形如圖3-23所示。圖3-23設(shè)定電流上、下限幅值的電流斬波的波形

2)電流上限和關(guān)斷時間恒定的控制

電流上限和關(guān)斷時間恒定的控制與上一種方法的區(qū)別是，當相電流大于電流斬波上限值時，就將功率開關(guān)的時間關(guān)斷一段固定的時間再開通，而重新導通的觸發(fā)條件不是電流的下限而是定時，在每一個控制期內(nèi)，關(guān)斷時間恒定，但電流下降多少取決于繞組電感量、電感變化率和轉(zhuǎn)速等因素，因此電流下限并不一致。關(guān)斷時間過長，相電流脈動大，易發(fā)

生“過斬”；關(guān)斷時間過短，斬波頻率又會較高，功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗增大。應該根據(jù)電機運行的不同狀況來選擇關(guān)斷時間。

3.電壓斬波控制法(VC)

電壓斬波控制法與前兩種控制方式不同，它不是實時地調(diào)整開通角和關(guān)斷角，而是在某相繞組導通階段，在主開關(guān)的控制信號中加入PWM信號，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)繞

組端電壓的大小，從而改變相電流值。具體方法是在固定開通角和關(guān)斷角的情況下，用PMW信號來調(diào)制主開關(guān)器件相控信號，通過調(diào)節(jié)此PWM信號的占空比來調(diào)節(jié)加在主開

關(guān)上驅(qū)動信號波形的占空比，從而改變相繞組上的平均電壓，進而改變輸出轉(zhuǎn)矩。

電壓斬波控制是通過PWM的方式調(diào)節(jié)相繞組的平均電壓值，間接調(diào)節(jié)和限制過大的繞組電流，適合于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)，抗負荷擾動的動態(tài)響應快。這種控制容易實現(xiàn)，且成本較低；缺點是導通角度始終固定，功率元件開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗大，不能精確控制相電流。實際上，在開關(guān)磁阻驅(qū)動電機雙向控制系統(tǒng)中，采用的是后兩種控制方法。發(fā)電/電動狀態(tài)控制策略框圖如圖3-24所示。圖3-24發(fā)電/電動狀態(tài)控制策略框

開關(guān)磁阻驅(qū)動電機具有發(fā)電／電動雙向運行控制功能。當開關(guān)磁阻驅(qū)動電機在發(fā)電狀態(tài)下運行時，會將原動機提供給電機的機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋給電源，而當其在電動狀態(tài)下運行時，則將電源提供的電能轉(zhuǎn)換為機械能輸出。開關(guān)磁阻驅(qū)動電機分別在發(fā)電或電動狀態(tài)下運行時的工作原理如圖3-25所示，可以看出，相電感是以轉(zhuǎn)子位置角為周期而變化的。圖3-25開關(guān)磁阻驅(qū)動電機發(fā)電／電動工作原理圖

學習單元五輪轂驅(qū)動電機

一、輪轂驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)形式輪轂驅(qū)動電機通常由車輛懸架、定子、固定轉(zhuǎn)子、輪軸軸承、線圈、電控組件、逆變器和傳統(tǒng)合金輪轂等組成，如圖3-26所示。圖3-26輪轂驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)

高速內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂驅(qū)動電機的優(yōu)點是比功率高、質(zhì)量小、體積小、效率高、噪聲小、成本低；缺點是必須采用減速裝置，效率降低，非簧載質(zhì)量增大，驅(qū)動電機的高轉(zhuǎn)速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構(gòu)的承受能力等因素的限制。由于電機電制動容量較小，輪轂驅(qū)動電機動力系統(tǒng)不能滿足整車制動效能的要求，通常需要附加機械制動系統(tǒng)。輪轂驅(qū)動電機系統(tǒng)中的制動器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)要求采用鼓式或者盤式制動器。電動機電制動容量的存在往往可以使制動器的設(shè)計容量適當減小。大多數(shù)的輪轂驅(qū)動電機系統(tǒng)采用風冷方式進行冷卻，也有的采用水冷和油冷的方式對電機、制動器等的發(fā)熱部件進行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復雜。

二、輪轂驅(qū)動電機的分類及特點

1.輪轂驅(qū)動電機的分類

輪轂驅(qū)動電機可分為感應式、永磁式、開關(guān)磁阻式3類。輪轂驅(qū)動電機系統(tǒng)的驅(qū)動電機按照電機磁場的類型不同分為徑向磁場和軸向磁場兩種類型。

(1)徑向磁場：電機的定子、轉(zhuǎn)子之間受力比較平衡