新能源汽車技術(shù)解析-第三章純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)

第三章

純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)1純電動汽車驅(qū)動電機系統(tǒng)主要由電機和電機控制器組成，其中電機是電動汽車的核心部件之一，其性能的好壞直接影響電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的性能，特別是電動汽車的最高車速、加速性能及爬坡性能等。電動汽車用電機主要有直流電機、無刷直流電機、異步電機、永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機等。一、電機主要性能指標電機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，它具有能做相對運動的部件，是一種依靠電磁感應(yīng)而運行的電氣裝置。電機作用電機主要性能指標額定功率01峰值功率02最高工作轉(zhuǎn)速03額定轉(zhuǎn)矩04堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩06額定電壓07額定電流08額定頻率09峰值轉(zhuǎn)矩05額定轉(zhuǎn)速10（1）額定功率一、電機主要性能指標額定功率是指電機額定運行條件下軸端輸出的機械功率。電機的功率等級為1kW、2.2kW、3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW、18.5kW、22kW、30kW、37kW、45kW、55kW、75kW、90kW、110kW、132kW、150kW、160kW、185kW、200kW及以上。（2）峰值功率一、電機主要性能指標峰值功率是指在規(guī)定的時間內(nèi)，電機運行的最大輸出功率。（3）最高工作轉(zhuǎn)速一、電機主要性能指標最高工作轉(zhuǎn)速是指在額定電壓時，電機帶載運行所能達到的最高轉(zhuǎn)速，它影響電動汽車的最高設(shè)計速度。（4）額定轉(zhuǎn)矩一、電機主要性能指標額定轉(zhuǎn)矩是指電機在額定功率和額定轉(zhuǎn)速下的輸出轉(zhuǎn)矩。（5）峰值轉(zhuǎn)矩一、電機主要性能指標峰值轉(zhuǎn)矩是指電機在規(guī)定的持續(xù)時間內(nèi)允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩。（6）堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩一、電機主要性能指標堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩是指轉(zhuǎn)子在所有角位堵住時所產(chǎn)生的最小轉(zhuǎn)矩。（7）額定電壓一、電機主要性能指標額定電壓是指電機正常工作的電壓。電機電源的電壓等級為36V、48V、120V、144V、168V、192V、216V、240V、264V、288V、312V、336V、360V、384V、408V、540V、600V。（8）額定電流一、電機主要性能指標額定電流是指電機額定運行（額定電壓、額定功率）條件下電樞繞組（或定子繞組）的線電流。（9）額定頻率一、電機主要性能指標額定頻率是指電機額定運行條件下電樞（或定子側(cè)）的頻率。（10）額定轉(zhuǎn)速一、電機主要性能指標額定轉(zhuǎn)速是指電機額定運行（額定電壓、額定功率）條件下電機的最低轉(zhuǎn)速。小結(jié)一、電機主要性能指標當(dāng)電機在額定運行條件下輸出額定功率時，稱為滿載運行，這時電機的運行性能、經(jīng)濟性及可靠性等均處于優(yōu)良狀態(tài)。輸出功率超過額定功率時稱為過載運行，這時電機的負載電流大于額定電流，將會引起電機過熱，從而減少電機的使用壽命，嚴重時甚至燒毀電機。電機的輸出功率小于額定功率時稱為輕載運行，輕載運行時電機的效率和功率因數(shù)等運行性能均較差，因此應(yīng)盡量避免電機輕載運行。直流電機是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機，是電機的主要類型之一。具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、控制容易等特點。廣泛應(yīng)用于地用電動車輛和低速電動汽車。二、直流電機直流電機分為繞組勵磁式直流電機和永磁式直流電機。在電動汽車所采用的直流電機中，小功率電機采用的是永磁式直流電機，大功率電機采用的是繞組勵磁式直流電機。繞組勵磁式直流電機根據(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4種類型。分類二、直流電機繞組勵磁式直流電機分類-他勵式直流電機他勵式直流電機的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他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。永磁式直流電機也可看作屬于他勵式直流電機。他勵式直流電機在運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，雖然電機效率高，重量和體積較小，但由于勵磁磁場固定，電機的機械特性不理想，驅(qū)動電機產(chǎn)生不了足夠大的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車啟動和加速時的大轉(zhuǎn)矩要求。二、直流電機繞組勵磁式直流電機分類-并勵式直流電機并勵式直流電機的勵磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，共用同一電源，性能與他勵式直流電機基本相同。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。二、直流電機繞組勵磁式直流電機分類-串勵式直流電機串勵式直流電機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)后，再接于直流電源，這種直流電機的勵磁電流就是電樞電流。這種電機內(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引起大的損耗和電壓降，勵磁繞組的電阻越小越好，所以串勵式直流電機通常用較粗的導(dǎo)線繞成，它的匝數(shù)較少。串勵式直流電機在低速運行時，能給電動汽車提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，而在高速運行時，電機電樞中的反電動勢增大，與電樞串聯(lián)的勵磁繞組中的勵磁電流減小，電機高速運行時的弱磁調(diào)速功能易于實現(xiàn)，因此串勵式直流電機驅(qū)動系統(tǒng)能較好地符合電動汽車的特性要求。但串勵式直流電機由低速到高速運行時弱磁調(diào)速特性不理想，隨著電動汽車行駛速度的提高，驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)矩快速減小，不能滿足電動汽車高速行駛時由于風(fēng)阻大而需要輸出較大轉(zhuǎn)矩的要求。串勵式直流電機運行效率低；在實現(xiàn)電動汽車的再生制動時，由于沒有穩(wěn)定的勵磁磁場，再生制動的穩(wěn)定性差；另外由于再生制動需要加接觸器切換，使得驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的故障率較高，可靠性較差。另外，串勵式直流電機的勵磁繞組損耗大，體積和重量也較大。二、直流電機繞組勵磁式直流電機分類-復(fù)勵式直流電機復(fù)勵式直流電機有并勵和串勵兩個勵磁繞組，電機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)勵式直流電機的永磁勵磁部分采用高磁性材料釹鐵硼，運行效率高。由于電機永磁勵磁部分有穩(wěn)定的磁場，因此用該類電機構(gòu)成驅(qū)動系統(tǒng)時易實現(xiàn)再生制動功能。同時由于電機增加了增磁繞組，通過控制勵磁繞組的勵磁電流或勵磁磁場的大小，能克服純永磁他勵式直流電機不能產(chǎn)生足夠的輸出轉(zhuǎn)矩來滿足電動汽車低速或爬坡時的大轉(zhuǎn)矩要求，而電機的重量或體積比串勵式直流電機的小。二、直流電機直流電機應(yīng)用電動汽車所使用的直流電機主要是他勵式直流電機（包括永磁式直流電機）?、串勵式直流電機和復(fù)勵式直流電機3種類型。小功率（100W～10kW）的直流電機采用的是小型高效的永磁式直流電機，可以應(yīng)用在小型、低速的搬運設(shè)備上，如電動自行車、休閑用電動汽車、高爾夫球車、電動叉車等。中等功率（10～100kW）的直流電機采用他勵、復(fù)勵或串勵式，可以用于結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩要求較大的電動貨車上。大功率（>100kW）的直流電機采用串勵式，可用在要求低速、大轉(zhuǎn)矩的專用電動車上，如礦石搬運電動車、玻璃電動搬運車等。各種勵磁方式直流電機的電路如上所示。圖中，Ia為電樞電流，If為勵磁電流，U為電源電壓，Uf為勵磁電壓；I為負載電流。二、直流電機直流電機結(jié)構(gòu)直流電機由定子與轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙稱為氣隙。直流電機定子主要由主磁極、機座、換向極和電刷裝置等組成。主磁極的作用是建立主磁場，它由主極鐵芯和套裝在鐵芯上的勵磁繞組構(gòu)成。主極鐵芯一般由1～1.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成，是主磁路的一部分。勵磁繞組用扁銅線或圓銅線繞制而成，產(chǎn)生勵磁磁動勢。機座用鑄鋼或厚鋼板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是電機的結(jié)構(gòu)框架。換向極的作用是改善直流電機的換向情況，使直流電機運行時不產(chǎn)生有害的火花。它由換向極鐵芯和套裝在鐵芯上的換向極繞組構(gòu)成。電刷裝置由電刷、刷握、刷桿、匯流排等組成，用于電樞電路的引入或引出。定子部分轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器等。電樞鐵芯既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組的支撐部分，電樞繞組嵌放在電樞鐵芯的槽內(nèi)。電樞鐵芯一般用0.55mm硅鋼沖片疊壓而成。電樞繞組由扁銅線或圓銅線按一定規(guī)律繞制而成，它是直流電機的電路部分，也是產(chǎn)生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。換向器由冷拉梯形銅排和絕緣材料等構(gòu)成，用于電樞電流的換向。轉(zhuǎn)子部分二、直流電機直流電機工作原理定子有一對N、S極，電樞繞組的末端分別接到兩個換向片上，正、負電刷A和B分別與兩個換向片接觸。如果給兩個電刷加上直流電源，如左圖（a）所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd，從電刷B流出。根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用，其方向可用左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如左圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1接觸，直流電流從電刷A流入，在線圈中的流動方向是dcba，從電刷B流出。此時載流導(dǎo)體ab和cd受到電磁力的作用方向同樣可用左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。二、直流電機直流電機轉(zhuǎn)速控制方法直流電機轉(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)壓控制定義：通過改變電樞的端電壓來控制電機的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電機基速以下的轉(zhuǎn)速控制，它可保持電機的負載轉(zhuǎn)矩不變，電機轉(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。直流電機采用電樞調(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1:10，如果與磁場控制配合使用，調(diào)速比可達1:30。電動汽車用的直流電機常用斬波控制器作為電樞調(diào)壓控制電源。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，轉(zhuǎn)矩也減小。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。磁場控制定義：通過調(diào)節(jié)直流電機的勵磁電流改變每極的磁通量，從而調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。這種控制只適合電機基數(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。電樞回路電阻控制定義：指當(dāng)電機的勵磁電流不變時，通過改變電樞回路電阻來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。這種控制方法的機械特性較軟，而且電機運行不穩(wěn)定，一般很少應(yīng)用。對于小型串勵電機，常采用電樞回路電阻控制方式。三、無刷直流電機類型無刷直流電機是用電子換向裝置代替了有刷直流電機的機械換向裝置，保留了有刷直流電機寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，克服了有刷直流電機機械換向帶來的一系列缺點，體積小，重量輕，可做成各種體積形狀，高效率，高轉(zhuǎn)矩，高精度，數(shù)字式控制，是最理想的調(diào)速電機之一，在電動汽車上有著廣泛的應(yīng)用前景。無刷直流電機按照工作特性，可以分為具有直流電機特性的無刷直流電機和具有交流電機特性的無刷直流電機。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機。這類電機由直流電源供電，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)的電子換向線路以實現(xiàn)無接觸式換向。顯然，這種無刷直流電機具有有刷直流電機的各種運行特性。具有直流電機特性的無刷直流電機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機。這類電機也由直流電源供電，但通過逆變器將直流電變換成交流電，然后去驅(qū)動一般的同步電機。因此，它們具有同步電機的各種運行特性。具有交流電機特性的無刷直流電機三、無刷直流電機無刷直流電機結(jié)構(gòu)無刷直流電機主要由電機本體、電子換向器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分組成三、無刷直流電機無刷直流電機結(jié)構(gòu)-電機本體刷直流電機的電機本體由定子和轉(zhuǎn)子二部分組成定子是電機本體的靜止部分。它由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞繞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成，如機殼、絕緣片、槽楔、引出線及環(huán)氧樹脂等。定子轉(zhuǎn)子是電機本體的轉(zhuǎn)動部分，是產(chǎn)生勵磁磁場的部件。由永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件組成。轉(zhuǎn)子三、無刷直流電機無刷直流電機結(jié)構(gòu)-電子換向器電子換向器由功率變換電路和控制電路構(gòu)成，主要用來控制定子各繞組通電的順序和時間。無刷直流電機本質(zhì)上是自控同步電機，電機轉(zhuǎn)子跟隨定子旋轉(zhuǎn)磁場運動，因此，應(yīng)按一定的順序給定子各相繞組輪流通電，使其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的定子磁場。無刷直流電機的三相繞組中通過的電流是120°電角度的方波，繞組在持續(xù)通過恒定電流的時間內(nèi)產(chǎn)生的定子磁場在空間是靜止不動的。而在開關(guān)換向期間，隨著電流從一相轉(zhuǎn)移到另一相，定子磁場隨之跳躍了一個電角度。而轉(zhuǎn)子磁場則隨著轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)。這兩個磁場的瞬時速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”?。由于采用了自控式逆變器即電子換向器，電機輸入電流的頻率和電機轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機和逆變器不會產(chǎn)生震蕩和失步，這也是無刷直流電機的優(yōu)點之一。工作原理一般來說，對電子換向器的基本要求是結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定可靠，體積小，重量輕，功耗小，能按照位置傳感器的信號進行正確換向，并能控制電機的正反轉(zhuǎn)，應(yīng)能長期滿足不同環(huán)境條件的要求。要求三、無刷直流電機無刷直流電機結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器在無刷直流電機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用為功率開關(guān)電路提供正確的換向信息，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向。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的作用。作用分為電磁式位置傳感器、光電式位置傳感器、磁敏式位置傳感器等。電磁式位置傳感器具有輸出信號大、工作可靠、壽命長等優(yōu)點，但其體積比較大，信噪比較低且輸出為交流信號，需整流濾波后才能使用。光電式位置傳感器性能比較穩(wěn)定、體積小、重量輕，但對環(huán)境要求較高。磁敏式位置傳感器的基本原理為霍爾效應(yīng)和磁阻效用，它對環(huán)境適應(yīng)性很強，成本低廉，但精度不高。分類三、無刷直流電機無刷直流電機工作原理無刷直流電機的工作原理與有刷直流電機的工作原理基本相同。它是利用電機轉(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，拖動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。同時，隨著電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置傳感器又不斷送出位置信號，以不斷地改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導(dǎo)體中的電流方向保持不變，這樣電機就旋轉(zhuǎn)起來。無刷直流電機的工作原理圖三、無刷直流電機無刷直流電機控制方法按照獲取轉(zhuǎn)子位置信息的方法劃分，無刷直流電機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。在無刷直流電機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，為電子換向電路提供正確的換向信息，以此控制電子換向電路中的功率開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，保證電機各相按順序?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)。有位置傳感器控制無傳感器，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，無位置傳感器控制近年來已成為研究的熱點。無位置傳感器控制中，不直接使用轉(zhuǎn)子位置傳感器，但在電機運轉(zhuǎn)過程中，仍然需要轉(zhuǎn)子位置信號，以控制電機換向。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做了大量的研究工作，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，可以分為反電動勢法、電感法、狀態(tài)觀測器法、電機方程計算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。無位置傳感器控制四、異步電機類型異步電機又稱感應(yīng)電機，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機。異步電機是各類電機中應(yīng)用最廣、需求量最大的一種。在電動汽車中，主要使用三相籠型異步電機。異步電機的種類很多，最常見的分類方法是按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和定子繞組相數(shù)分類?；\型異步電機繞線型異步電機按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分類單相異步電機兩相異步電機三相異步電機按定子繞組數(shù)分類四、異步電機結(jié)構(gòu)異步電機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、機座和風(fēng)扇等部件。如下圖所示為三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)。四、異步電機結(jié)構(gòu)-定子異步電機的定子由定子鐵芯、定子繞組和機座構(gòu)成。定子鐵芯定子鐵芯是電機磁路的一部分，并在其上放置定子繞組。定子鐵芯一般由0.35～0.5mm厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵芯的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。定子鐵芯的槽型有半閉口型槽、半開口型槽和開口型槽三種。定子繞組是電機的電路部分，通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子繞組定子繞組由三個在空間互隔120°電角度、對稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同的繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。機座機座主要用于固定定子鐵芯與前后端蓋，以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護、散熱等作用。機座通常為鑄鐵件，大型異步電機機座一般用鋼板焊成，微型電機的機座采用鑄鋁件。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護式電機的機座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。為了實現(xiàn)輕量化，很多機座開始采用鑄鋁件。四、異步電機結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子異步電機的轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子繞組和轉(zhuǎn)軸組成。轉(zhuǎn)子鐵芯轉(zhuǎn)子鐵芯也是電機磁路的一部分，并在鐵芯槽內(nèi)放置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子鐵芯所用材料與定子一樣，由0.5mm厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵芯沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵芯。一般小型異步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電機（轉(zhuǎn)子直徑在300～400mm以上）的轉(zhuǎn)子鐵芯則借助于轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)子繞組是轉(zhuǎn)子的電路部分，它的作用是切割定子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及電流，并形成電磁轉(zhuǎn)矩而使電機旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組分為籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸用于固定和支撐轉(zhuǎn)子鐵芯，并輸出機械功率。轉(zhuǎn)軸一般用中碳鋼材料。異步電機定子與轉(zhuǎn)子之間有一個小的間隙，稱為電機氣隙。氣隙的大小對異步電機的運行性能有很大影響。中小型異步電機的氣隙一般為0.2～2mm；功率越大，轉(zhuǎn)速越高，氣隙長度越大。四、異步電機異步電機的工作原理當(dāng)異步電機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。由電磁力進而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。異步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速，這是異步電機的主要特點。如果電機轉(zhuǎn)子軸上帶有機械負載，則負載被電磁轉(zhuǎn)矩拖動而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也隨之發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)變化，以適應(yīng)負載需要。因此，異步電機的轉(zhuǎn)速是隨負載變化而變化的。異步電機的轉(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，即注：轉(zhuǎn)差率是異步電機運行時的一個重要物理量。異步電機運行時，取值范圍為0<sn<1；在額度負載條件下運行時，一般額定轉(zhuǎn)差率為0.01～0.06。四、異步電機異步電機的控制方法異步電機是一個多輸入輸出系統(tǒng)，其中變量電壓、電流、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又相互影響，所以又是強耦合的多變量系統(tǒng)。對異步電機的控制主要有轉(zhuǎn)差控制、矢量控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制等。轉(zhuǎn)差控制轉(zhuǎn)差控制是根據(jù)異步電機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系來直接控制電機轉(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)差來控制電機的電磁轉(zhuǎn)矩，從而改善調(diào)速系統(tǒng)的控制性能，但其控制理論是建立在異步電機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，它適合于電機轉(zhuǎn)速變化緩慢或者對動態(tài)性能要求不高的場合。矢量控制矢量控制理論采用矢量分析的方法來分析異步電機內(nèi)部的電磁過程，是建立在異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的控制方法。它將異步電機的定子電流解耦成互相獨立的產(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)對異步電機的磁鏈控制和轉(zhuǎn)矩控制的完全解耦，從而達到理想的動態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制是將電機輸出轉(zhuǎn)矩作為直接控制對象，通過控制定子磁場向量控制電機轉(zhuǎn)速。它不需要復(fù)雜的坐標變換，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，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。此外，該方法對逆變器開關(guān)頻率提高的限制較大，定子電阻對電機低速性能也有較大影響，如在低速區(qū)，定子電阻的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。注：PID控制、自適應(yīng)控制、模糊控制等現(xiàn)代控制和智能控制理論也開始應(yīng)用于異步電機的控制。五、永磁同步電機永磁同步電機具有高效、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。永磁同步電機分為正弦波驅(qū)動電流的永磁同步電機和方波驅(qū)動電流的永磁同步電機。永磁同步電機的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示，和傳統(tǒng)電機一樣，主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。結(jié)構(gòu)五、永磁同步電機定子與普通電機基本相同，由電樞鐵芯和電樞繞組構(gòu)成。結(jié)構(gòu)-定子電樞鐵芯一般采用0.5mm硅鋼沖片疊壓而成對于具有高效率指標或頻率較高的電機，為了減少鐵耗，可以考慮使用0.35mm的低損耗冷軋無取向硅鋼片。電樞鐵芯電樞繞組則普遍采用分布、短距繞組對于極數(shù)較多的電機，則普遍采用分數(shù)槽繞組；需要進一步改善電動勢波形時，也可以考慮采用正弦繞組或其他特殊繞組。電樞繞組五、永磁同步電機轉(zhuǎn)子主要由永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)子永磁體主要采用鐵氧體永磁和釹鐵硼永磁材料。永磁體轉(zhuǎn)子鐵芯可根據(jù)磁極結(jié)構(gòu)的不同，選用實心鋼，或采用鋼板或硅鋼片沖制后疊壓而成。轉(zhuǎn)子鐵芯五、永磁同步電機與普通電機相比，永磁同步電機還必須裝有轉(zhuǎn)子永磁體位置檢測器，用來檢測磁極位置，并以此對電樞電流進行控制，達到對永磁同步電機驅(qū)動控制的目的。按照永磁體在轉(zhuǎn)子上位置的不同，永磁同步電機的磁極結(jié)構(gòu)可分為表面式和內(nèi)置式二種。結(jié)構(gòu)-永磁體表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，永磁體通常呈瓦片形，并位于轉(zhuǎn)子鐵芯的外表面上，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，如下圖所示。表面式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的永磁體位于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，永磁體外表面與定子鐵芯內(nèi)圓之間有鐵磁物質(zhì)制成的極靴，極靴中可以放置鑄鋁籠或銅條籠，起阻尼或啟動作用，動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能好，廣泛用于要求有異步啟動能力或動態(tài)性能高的永磁同步電機。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子內(nèi)的永磁體受到極靴的保護，其轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩也有助于提高電機的過載能力或功率密度，而且易于弱磁擴速。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。內(nèi)置式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本較低、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點，在矩形波永磁同步電機和恒功率運行范圍不寬的正弦波永磁同步電機中得到了廣泛應(yīng)用。此外，表面凸出式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的永磁磁極易于實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，使其成為能使電機氣隙磁密波形趨近于正弦波的磁極形狀，可顯著提高電機乃至整個傳動系統(tǒng)的性能。表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可充分利用轉(zhuǎn)子磁路不對稱性所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩，提高電機的功率密度，動態(tài)性能較凸出式有所改善，制造工藝也較簡單，常被某些調(diào)速永磁同步電機所采用，但漏磁系數(shù)和制造成本都較凸出式大。五、永磁同步電機結(jié)構(gòu)-內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特點徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的磁鋼放在磁通軸的非對稱位置上或同時利用徑向和切向充磁的磁鋼，以產(chǎn)生高磁通密度。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是漏磁系數(shù)小，轉(zhuǎn)軸上不需采取隔磁措施，極弧系數(shù)易于控制，轉(zhuǎn)子沖片機械強度高，安裝永磁體后轉(zhuǎn)子不易變形等。切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)切向式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子有較大的慣性，漏磁系數(shù)較大，制造工藝和成本較徑向式有所增加。其優(yōu)點是一個極距下的磁通由相鄰兩個磁極并聯(lián)提供，可得到更大的每極磁通。尤其當(dāng)電機極數(shù)較多、徑向式結(jié)構(gòu)不能提供足夠的每極磁通時，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢就顯得更為突出。此外，采用該結(jié)構(gòu)的永磁同步電機的磁阻轉(zhuǎn)矩可占到總電磁轉(zhuǎn)矩的40％，對提高電機的功率密度和擴展恒功率運行范圍都是很有利的。混合式結(jié)構(gòu)混合式結(jié)構(gòu)集中了徑向式和切向式的優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)和制造工藝都比較復(fù)雜，制造成本也比較高。五、永磁同步電機工作原理永磁同步電機的工作原理如左圖所示，圖中n為電機轉(zhuǎn)速，n0為同步轉(zhuǎn)速，T為轉(zhuǎn)矩，θ為功率角。電機的轉(zhuǎn)子是一個永磁體，N、S極沿圓周方向交替排列，定子可以看成是一個以速度n0旋轉(zhuǎn)的磁場。電機運行時，定子存在旋轉(zhuǎn)磁動勢，轉(zhuǎn)子像磁針在旋轉(zhuǎn)磁場中旋轉(zhuǎn)一樣，隨著定子的旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)。同步電機轉(zhuǎn)速可表示為

（式中，fs為電源頻率；pn為電機極對數(shù)。）永磁同步電機的定子是三相對稱繞組，三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)并力圖使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當(dāng)外加負載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個功率角，負載越大，功率角也越大，直到一個極限角度，電機停止。由此可見，同步電機在運行中，轉(zhuǎn)速必須與頻率嚴格成比例旋轉(zhuǎn)，否則會失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步，其靜態(tài)誤差為零。在負載擾動下，只是功率角變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時間是實時的。五、永磁同步電機永磁同步電機的控制方法矢量控制永磁同步電機矢量控制策略與異步電機矢量控制策略有些不同。由于永磁同步電機轉(zhuǎn)速和電源頻率嚴格同步，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，在永磁同步電機上更容易實現(xiàn)矢量控制。直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制不需要矢量控制復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)坐標變換和轉(zhuǎn)子磁鏈定向，轉(zhuǎn)矩取代電流成為受控對象，電壓矢量則是控制系統(tǒng)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，對電機模型進行簡化處理，沒有PWM信號發(fā)生器，控制結(jié)構(gòu)簡單，受電機參數(shù)變化影響小，能夠獲得極佳的動態(tài)性能。智能控制為了提高永磁同步電機的控制性能和控制精度，模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等開始應(yīng)用于同步電機的控制。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，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。為了提高永磁同步電機控制系統(tǒng)的性能，使其具有更快的響應(yīng)速度、更高的轉(zhuǎn)速精度、更寬的調(diào)速范圍，提出了各種新型控制策略用于永磁同步電機控制。永磁同步電機控制主要有矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等。六、開關(guān)磁阻電機開關(guān)磁阻電機是繼直流電機和交流電機之后，又一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗姍C。開關(guān)磁阻電機是采用定轉(zhuǎn)子凸極且極數(shù)相接近的大步距磁阻式步進電機的結(jié)構(gòu)，利用轉(zhuǎn)子位置傳感器通過電子功率開關(guān)控制各相繞組導(dǎo)通使其運行的電機。開關(guān)磁阻電機由雙凸極的定子和轉(zhuǎn)子組成結(jié)構(gòu)定子：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”?定子轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成轉(zhuǎn)子既無繞組又無永磁體，僅由硅鋼片疊成轉(zhuǎn)子開關(guān)磁阻電機有多種不同的相數(shù)結(jié)構(gòu)，如單相、兩相、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)磁阻電機一般沒有自啟動能力。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)。開關(guān)磁阻電機的工作原理六、開關(guān)磁阻電機S1、S2代表電子開關(guān)；VD1、VD2代表二極管，U代表直流電源電機的定子和轉(zhuǎn)子呈凸極形狀，極數(shù)互不相等，轉(zhuǎn)子由疊片構(gòu)成，轉(zhuǎn)子帶有位置檢測器以提供轉(zhuǎn)子位置信號，使定子繞組按一定的順序通斷，保持電機的連續(xù)運行。開關(guān)磁阻電機的磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化。因為電感與磁阻成反比，所以當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時，相繞組電感最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極中心線對準定子磁極中心線時，相繞組電感最小。因為開關(guān)磁阻電機的運行原理遵循“磁阻最小原理”——磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，所以具有一定形狀的鐵芯在移動到最小磁阻位置時，必須使自己的主軸線與磁場的軸線重合。由右圖可看出，當(dāng)定子D-D’極勵磁時，所產(chǎn)生的磁力則力圖使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子極軸線1-1’與定子極軸線D-D’重合的位置，并使D相勵磁繞組的電感最大。若以圖中定、轉(zhuǎn)子所處的相對位置作為起始位置，則依次給D-A-B-C相繞組通電，轉(zhuǎn)子即會逆著勵磁順序以逆時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)；反之，若依次給B-A-D-C相通電，則電機即會沿著順時針方向轉(zhuǎn)動。所以開關(guān)磁阻電機的轉(zhuǎn)向與相繞組的電流方向無關(guān)，而僅取決于相繞組通電的順序。開關(guān)磁阻電機的控制開關(guān)磁阻電機既可以通過控制電機自身的參數(shù)（如開通角、關(guān)斷角）來實現(xiàn)，也可以用適用于其他電機上的控制理論，如PID控制、模糊控制等，對功率變換器部分進行控制，進而實現(xiàn)電機的速度調(diào)節(jié)。針對開關(guān)磁阻電機自身參數(shù)進行控制，主要有角度位置控制、電流斬波控制和電壓控制。六、開關(guān)磁阻電機角度位置控制電流斬波控制控制原理：電壓控制是保持開通角、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，進而改變繞組電流的大小，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。優(yōu)點：它通過調(diào)節(jié)繞組電壓的平均值進而調(diào)節(jié)電流，因此可用在低速和高速系統(tǒng)，且控制簡單。缺點：調(diào)速范圍有限。電壓控制控制原理：電機低速運行特別是啟動時，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)器件及電機造成損壞，需要對電流峰值進行限定，因此，可采用電流的斬波控制，獲取恒轉(zhuǎn)矩的機械特性。優(yōu)點：它適用于電機的低速調(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)地比其他控制方式要小。缺點：由于電流的峰值受到了限制，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速在負載的擾動作用下發(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)在負載擾動下的動態(tài)響應(yīng)很緩慢?？刂圃恚航嵌任恢每刂剖窃诩釉诶@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。分類：變開通角、變關(guān)斷角、同時改變開通角及關(guān)斷角優(yōu)點：轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的范圍寬；可同時多相通電，以增加電機的輸出轉(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。應(yīng)用范圍：角度位置控制不適于低速場合，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)措施進行限流，故一般用于轉(zhuǎn)速較高的場合。輪轂電機的結(jié)構(gòu)形式七、輪轂電機輪轂電機技術(shù)又稱為車輪內(nèi)裝式電機技術(shù)，是將電機、傳動系統(tǒng)和制動系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置技術(shù)輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子型式分成兩種結(jié)構(gòu)，即內(nèi)轉(zhuǎn)子式和外轉(zhuǎn)子式。內(nèi)轉(zhuǎn)子式外轉(zhuǎn)子式特點：采用低速外轉(zhuǎn)子電機，電機的最高轉(zhuǎn)速為1000～1500r/min，無減速機構(gòu)，車輪的轉(zhuǎn)速與電機相同優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、軸向尺寸小，比功率高，能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉(zhuǎn)矩，響應(yīng)速度快，無減速機構(gòu)，因此效率高缺點：要獲得較大的轉(zhuǎn)矩，必須增大電機體積和重量，成本高，加速時效率低，噪聲大特點：采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，電機的轉(zhuǎn)速可高達10000r/min，減速機構(gòu)傳動比在10:1，車輪的轉(zhuǎn)速在1000r/min左右。優(yōu)點：具有較高的比功率，重量輕，體積小，效率高，噪聲小，成本低缺點：必須采用減速機構(gòu)，效率降低，非簧載重量增大，電機的最高轉(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。隨著更為緊湊的行星齒輪減速器的出現(xiàn)，內(nèi)轉(zhuǎn)子式輪轂電機在功率密度方面比低速外轉(zhuǎn)子式更具競爭力?！嗇炿姍C動力系統(tǒng)由于電機電制動容量較小，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)。輪轂電機系統(tǒng)中的制動器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或盤式制動器。大多數(shù)的輪轂電機系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進行冷卻，也有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(fù)雜。輪轂電機的應(yīng)用類型七、輪轂電機輪轂電機系統(tǒng)的驅(qū)動電機按照電機磁場的類型分為軸向磁場和徑向磁場兩種類型。軸向磁場軸向磁通電機的結(jié)構(gòu)更利于熱量散發(fā)，并且它的定子可以不需要鐵芯徑向磁場徑向磁通電機定轉(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1無刷永磁同步電機2異步電機3開關(guān)磁阻式電機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)展前景十分廣闊結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠，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，相對永磁電機而言，異步電機效率和功率密度偏低結(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，運行噪聲大輪轂電機的驅(qū)動方式七、輪轂電機原理采用低速外轉(zhuǎn)子電機，輪轂電機與車輪組成一個完整部件總成，電機布置在車輪內(nèi)部，直接驅(qū)動車輪帶動汽車行駛（如下圖）優(yōu)點電機體積小，重量輕，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)計要求這種驅(qū)動方式直接將外轉(zhuǎn)子安裝在車輪的輪輞上驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。由于電動汽車在起步時需要較大的轉(zhuǎn)矩，所以安裝在直接驅(qū)動型電動輪中的電機必須能在低速時提供大轉(zhuǎn)矩；承載大轉(zhuǎn)矩時需要大電流，易損壞電池和永磁體；電機效率峰值區(qū)域很小，負載電流超過一定值后效率急劇下降。為了使電動汽車能夠有較好的動力性，電機還必須具有很寬的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。由于電機工作產(chǎn)生一定的沖擊和振動，要求車輪輪輞和車輪支撐必須堅固、可靠，同時由于非簧載重量大，要保證電動汽車的舒適性，要求對懸架系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。此方式適用于平路或負載小的場合。1直接驅(qū)動采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，適合現(xiàn)代高性能電動汽車的運行要求。這種電動輪采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機，其目的是為了獲得較高的功率。減速機構(gòu)布置在電機和車輪之間，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。電機輸出軸通過減速機構(gòu)與車輪驅(qū)動軸連接，使電機軸承不直接承受車輪與路面的載荷作用，改善了軸承的工作條件；采用固定速比行星齒輪減速器，使系統(tǒng)具有較大的調(diào)速范圍和輸出轉(zhuǎn)矩，消除了車輪尺寸對電機輸出轉(zhuǎn)矩和功率的影響。但輪轂電機內(nèi)齒輪的工作噪聲比較大，并且潤滑方面存在很多問題；其非簧載重量也比直接驅(qū)動式電動輪電驅(qū)動系統(tǒng)的大，對電機及系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計要求更高。從電動汽車各種驅(qū)動技術(shù)的特點和發(fā)展趨勢來看，輪轂電機驅(qū)動技術(shù)將是未來電動汽車的主要驅(qū)動形式。2減速驅(qū)動八、電機控制器電機控制器的組成與原理電機控制器是控制動力電源與電機之間能量傳輸?shù)难b置，它由控制信號接口電路、電機控制電路和驅(qū)動電路組成。接收電池輸送過來的直流電能，逆變成三相交流電給電動汽車驅(qū)動電機提供電源逆變器1接收電機轉(zhuǎn)速等信號反饋到儀表，當(dāng)發(fā)生制動或者加速行為