新新 能能 源源 汽汽 车车 主讲人：尹力卉教授 第二章第二章 电动汽车基础 电动机（电动机（MotorsMotors）是把电能转换成机械能的一种设备。）是把电能转换成机械能的一种设备。 2.2 电动机 1. 1. 交流电机的原理交流电机的原理(AC)(AC) 电动机是利用通电线圈（也就是定子绕组）产生旋转磁场并 作用于转子形成磁电动力旋转扭矩,使电动机转动。 电动机主要由定子与转子组成。 2.2 电动机 2. 2. 直流电机的原理直流电机的原理(DC)(DC) 电流通过线圈时就会产生磁场。两块磁铁（电磁铁和永久磁 铁）之间产生吸引力，线圈旋转。通过转换器使电流的极性每180 颠倒一次，从而进行连续旋转。 2.2 电动机 电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电机，最早是采最早是采 用了控制性能好和成本较低的直流电机用了控制性能好和成本较低的直流电机。随着电子技术随着电子技术、机械制造机械制造 技术工艺及自动控制技术的发展技术工艺及自动控制技术的发展，电动车电动车（混合动力汽车混合动力汽车）性能的性能的 提高提高，其在高负载下转速的限制其在高负载下转速的限制，体积大等缺点逐渐暴露体积大等缺点逐渐暴露，取而代取而代 之的是交流异步电机之的是交流异步电机，永磁电机永磁电机，开关磁阻电机以及新型的双凸极开关磁阻电机以及新型的双凸极 永磁电机永磁电机，而上述电机在用于电动汽车上所表现出来的性能也是一而上述电机在用于电动汽车上所表现出来的性能也是一 个比一个优越个比一个优越。 2.2 电动机 2.2.1电动汽车用电动机分类 现代电动汽车所采用的各种电动机 2.2 电动机 1. 1. 按工作电源分类可分为直流电动机和交流电动机。交流按工作电源分类可分为直流电动机和交流电动机。交流 电机与直流电机相比较，交流电机的体积小、重量轻、效率高、采电机与直流电机相比较，交流电机的体积小、重量轻、效率高、采 用变频调速技术时，调速范围宽、可靠性约为直流电机的用变频调速技术时，调速范围宽、可靠性约为直流电机的6 6倍、维护倍、维护 保养费用低、节能等特点。保养费用低、节能等特点。 直流电动机交流电动机 2.2 电动机 其中交流电动机还分为单相电动机和三相电其中交流电动机还分为单相电动机和三相电 动机。动机。 单相电动机三相电动机 2.2 电动机 2. 2. 按结构及工作原理分类可分为异步电动机和同步电动按结构及工作原理分类可分为异步电动机和同步电动 机。机。 异步电动机同步电动机 2.2 电动机 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和 磁滞同步电动机。磁滞同步电动机。 永磁同步电动机磁阻同步电动机磁滞同步电动机 2.2 电动机 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。 感应电动机交流换向器电动机 2.2 电动机 交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动 机和推斥电动机。机和推斥电动机。 单相串励电动机交直流两用电动机推斥电动机 2.2 电动机 3. 3. 按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、按起动与运行方式可分为电容起动式单相异步电动机、 电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分 相式单相异步电动机。相式单相异步电动机。 电容起动式单相异步电动机电容运转式单相异步电动机 2.2 电动机 电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。 电容起动运转式单相异步电动机分相式单相异步电动机 2.2 电动机 4. 4. 按运转速度分类可分为高速电动机、低速电动机、恒速按运转速度分类可分为高速电动机、低速电动机、恒速 电动机、调速电动机。电动机、调速电动机。 高速电动机 低速电动机 恒速电动机 调速电动机 2.2 电动机 5. 5. 按绝缘等级分为：按绝缘等级分为：A A级、级、E E级、级、B B级、级、F F级、级、H H级、级、C C级。级。 绝 缘 等 级YAEBFHC 工 作 极 限温 度 90105120130155180180 温 升50607580100125 2.2 电动机 6.6.按额定工作制分为：连续、断续、短时工作制按额定工作制分为：连续、断续、短时工作制 连续工作制（SI）：电动机在铭牌规定的额定值条件下， 保证长期运行 短时工作制（S2）：电动机在铭牌规定的额定值条件下， 只能在限定的时间内短时运行。短时运行的持续时间标准有四种：10 分钟（min） 、30分钟（min） 、60分钟（min）及90分钟（min）。 断续工作制（S3）：电动机在铭牌规定的额定值条件下只 能断续周期性使用，用每周期10分钟（min）的百分比表示。 2.2 电动机 2.2.22.2.2电动汽车常用的电动机电动汽车常用的电动机 电动汽车驱动电机主要包括直流电机和交流电机。 直流电机交流电机 2.2 电动机 目前广泛使用的交流电机有：交流感应电机、开关磁阻电目前广泛使用的交流电机有：交流感应电机、开关磁阻电 机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。机和永磁电机（包括无刷直流电机和永磁同步电机）。 交流感应电机开关磁阻电机永磁电机 2.2 电动机 1. 1. 直流电动机（直流电动机（DCMDCM） 直流电动机（direct current motor，DC motor）将直流电 能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子 的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。 2.2 电动机 特点：特点： （1）调速性能好。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平 滑的无级调速，而且调速范围较宽。 （2）起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。 （3）高速性能不佳。由于存在电刷和换向器，其高速性能及可靠性 受到影响。随着电力电子技术、自动控制技术和计算机技 术的 发展，直流电机已逐步被交流电机替代。 2.2 电动机 构造：构造： 分为两部分：定子与转子。其中，定子包括：主磁极，机座，换 向极，电刷装置等；转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和 风扇等。 2.2 电动机 2. 2. 交流感应电动机交流感应电动机 交流感应电动机又称交流异步电动机，由定子绕组形成的旋 转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转 子旋转的交流电动机。 2.2 电动机 特点：特点： 交流感应电动机具有结构简单、坚固耐用、成本低廉、 运行可靠、低转矩脉动和低噪音特点。近年来被广泛应用于汽车。 最大缺点是驱动电路复杂，相对于永磁电机而言，感应电机（异 步电机）效率和功率密度偏低。 2.2 电动机 工作原理：工作原理： 交流感应电动机又称交流异步电动机，转子置于旋转磁场中，在 旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动。 2.2 电动机 3. 3. 永磁无刷电动机永磁无刷电动机 永磁电动机特别是稀土永磁电动机具有结构简单、运行可靠、 体积小、质量小、损耗少、效率高，以及电动机的形状和尺寸可以灵 活多样等显著优点。永磁直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转 子位置传感器和电子换向电路组成。 2.2 电动机 4. 4. 开关磁阻电动机开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是新一代无级调速系统，是集现代微电子技 术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计 和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼 具直流、交流两类调速系统的优点。 2.2 电动机 英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起 步较早，并已取得显著效果，开关磁阻电机的应用和发展取得了明步较早，并已取得显著效果，开关磁阻电机的应用和发展取得了明 显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺显的进步，已成功地应用于电动车驱动、通用工业、家用电器和纺 织机械等各个领域，产品功率范围从织机械等各个领域，产品功率范围从10W10W到到5MW5MW，最大速度高达，最大速度高达100100， 000 r/min000 r/min。 2.2 电动机 2.2 电动机 系统特点：系统特点： 开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突开关磁组电动机调速系统之所以能在现代调速系统中异军突 起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在：起，主要是因为它卓越的系统性能，主要表现在： 结构简单；电动机结构简单、成本低、可用于高速运转。其 突出的优点是转子机械强度极高，可以用于超高速运转（如每分钟上 万转）。在定子方面，它只有几个集中绕组，因此制造简便、绝缘结 构简单。 2.2 电动机 起动优点；起动转矩大，起动电流低。控制器从电源侧吸收 较少的电流，得到较大的起动转矩是本系统的一大特点。起动电流小 而转矩大的优点还可以延伸到低速运行段，因此本系统十分合适那些 需要重载起动和较长时间低速重载运行的机械。 频繁起停；适用于频繁起停及正反向转换运行。本系统具有 的高起动转矩、低起动电流的特点，使之在起动过程中电流冲击小， 电动机和控制器发热较连续额定运行时还要小。可控参数多使其制动 运行能与电动运行具有同样优良的转矩输出能力和工作特性。二者综 合作用的结果必然使之适用于频繁起停及正反向转换运行，次数可达 1000次/小时。 2.2 电动机 性能好；可控参数多，调速性能好。可以根据对电动机的运行 要求和电动机的情况，采取不同控制方法和参数值，即可使之运行于 最佳状态（如出力最大、效率最高等），还可使之实现各种不同的功 能的特定曲线。如使电动机具有完全相同的四象限运行能力，并具有 最高起动转矩和串励电动机的负载能力曲线。 效率高损耗小；效率高，损耗小。本系统是一种非常高效的调 速系统。这是因为一方面电动机绕组无铜损；另一方面电动机可控参 数多，灵活方便，易于在宽转速范围和不同负载下实现高效优化控制。 可通过机和电的统一协调设计满足各种特殊使用要求。 缺点：转矩脉冲大，噪音大，相对于永磁电机而言，功率密度和 效率偏低。 2.2 电动机 5. 5. 永磁电机永磁电机 永磁电机包括反电动势为方波的无刷直流电机和反电动势为正 反弦波的永磁同步电机。 2.2 电动机 永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它永磁同步电动机的运行原理与电励磁同步电动机相同，但它 以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为以永磁体提供的磁通替代后者的励磁绕组励磁，使电动机结构较为 简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电 刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁 损耗，提高了电动机的效率和功率密度。损耗，提高了电动机的效率和功率密度。 2.2 电动机 稀土永磁同步电机稀土永磁同步电机 建立很强的永久磁场，用来替代传统电机的电励磁场所制成 的稀土永磁电机不仅效率高，而且结构简单、运行可靠，还可做到体 积小、重量轻。既可达到传统电励磁电机所无法比拟的高性能（如特 高效、特高速、特高响应速度），又可以制成能满足特定运行要求的 特种电机，如电梯曳引电机、汽车专用电机等。 2.2 电动机 稀土永磁电机的工作原理与电励磁同步电机相同，区别在于前者 是以永磁体替代励磁绕组进行励磁。当永磁电机的三相定子绕组（各 相差120电角度）通入频率为f的三相交流电后，将产生一个以同步转 速推移的旋转磁场。稳态情况下，主极磁场随着旋转磁场同步转动， 因此转子转速亦是同步转速，定子旋转磁场恒与永磁体建立的主极磁