3 电动汽车驱动系统1电动机

电动汽车的相关知识,对于想要了解电动汽车的同学具有引导和帮助的作用,课件对于电动汽车的现状,各种组成系统和组成原理都有相关的分析,且有较多相关的图片作为辅助进行说明,学习起来更为简便有效。

3.2 驱动电动机 3.2.2直流电动机 直流电动机是电动车辆应用最早且很广泛的电机。它 直接利用蓄电池的直流电，直流电动机的调速和控制技术 成熟。 3.2.2.1 直流电动机的结构 直流电动机是1883年英国人发明的，后来经过不断的 发展，形成如今成熟的一种将电能转化成机械能的装置， 在日常生活和工程技术等领域获得广泛的应用。 直流电动机由磁场、电枢、电刷及刷架等组成，它利 用通电导体在磁场中受力的电磁原理制成。 电动车辆上使用的直流电动机为牵引型电动机，其工 作特点是工作电流大，工作时间长(须连续工作),图3-20 为电动车辆驱动用直流电动机的结构图。

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1.电刷护罩 2.轴承 3.挡油板 4.电刷端盖 5.电 刷架安装板 6.电刷 7.电枢 8。磁场 9.电动机外 壳 10.驱动端盖 ，11.挡圈 12.动力输出轴

图3—20 电动车辆驱动用直流电动机的结构

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磁场由磁场铁心(磁极)、磁场绕组(线圈)、电 动机的外壳等组成，它的作用是形成磁场。图3— 21为直流电动机的磁场外形图。磁场铁心通常制成 马鞍状，将磁场线圈通电后产生的磁场展成所需的 形状，直流电动机有两极(—对磁极),四极(两对磁 极)、六极(三对磁极)等。磁场绕组绕制在磁场铁心 上，通电后形成N极或S极。

图3—2直流电动机 的磁场外形图

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电枢由电枢绕组(线圈)、电枢铁心、换向器、 电枢轴等组成，它的作用是通电后在磁场中受力产 生电磁转矩。图3—22为直流电动机的电枢外形图。 电枢的铁心由圆形硅钢片叠成圆柱体，构成电动机 的闭合磁路，并减小涡流损失。其圆柱表面开有纵 向槽，用于放置电枢线圈。通电后位于磁场中的电 枢线圈产生电磁力，作用在电枢上形成转矩。换向 器的换向片与电枢绕组的首尾端连接，与电刷配合， 将电流送入和引出电枢绕组。电枢轴用于输出电磁 转矩。 图3—22 直流电动机的电枢外形图

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电刷与电枢的换向器配合，实现电枢绕组的电 流换向，将蓄电池的直流电变换成电枢内部的交变 电流。电刷架用于放置电刷，见图3-23。

图3—23 电刷和刷架

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3.2.2.2 直流电动机的工作原理直流电动机是利用通电导体在磁场中受力这一基本原 理制成的。按照左手定则，知道磁场的方向和通电导体电 流的方向，就可以判定电磁力的方向。电磁力(用f表示)的 大小与磁场强度(B)通电导体中的电流(I)有关，可表示为： f=B· l· I·sinа 式中 а ——导体电流方向与磁场方向的夹角； l--通电导体的有效长度。 电枢导体受到的力作用在电枢轴心上，形成电磁转矩， 用T表示： T=Kt· ·a Ф I 式中 Kt--电动机常数； Ф ——磁场的磁通密度； I --电枢电流

的强度。

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图3-24为通电导体在磁场 中受力的情况

图3-25为直流电动机模型

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按照直流电动机的磁场与电枢绕组的联结关系 不同，电动机的励磁方式可分为串励、并励和复励 等。电动车辆用直流电动机通常为串励式。励磁方 式不同，电动机的机械特性(电动机输出转矩T和转 速n的关系)也不同。 图3-26为直流电动机的机械特性。

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对于串励直流电动机，由于电枢电流与磁场电 流相等，在磁路未饱和时，磁场绕组的电流与产生 的磁通量成正比，所以，直流电动机的转速n和转 矩T的关系可表示为： n=U/(Ke· )-T· R/(Ke· t· 2) Ф Σ K Φ 式中 U——电动机两端施加的电压； Ke--电动机反电磁电动势常数； Σ R—电动机的内阻。 直流电动机具有启动牵引力大，调速控制简单的优 点。 励式直流电动机具有“软”机械特性，适用于车辆 驱动的要求。

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但直流电动机因电枢电流由电刷和换向器引入， 换向时有电火花，易造成换向器的烧蚀，电刷与换 向器的相对运动使电刷易磨损，同时带来噪声、无 线电干扰及寿命短等致命弱点。电刷与换向器成为 直流电动机工作可靠性的薄弱环节，同时也限制了 电动机工作转速，使直流电动机的功率/质量比较 小。

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3.2.3交流电动机 因为直流电动机存在整流器、电刷等部件，转动惯量 大，速度响应慢，最高工作转速受到限制，维修保养工作 最大。在电力电子技术及计算机技术有了很大发展的今天， 逆变技术进入实用阶段，采用交流异步电动机，用变频器 控制，使电动车辆具有以下特点：一是直接用变频器控制电动机，实现无级调速，使车辆的操纵 控制自动化，可以取消机械变速器，使传动系统效率提高； 二是采用交流异步电动机，由于无直流电动机那样的换向器和 电刷，并且可以采用鼠笼式转子，使驱动部件的结构简单、无需维 护、可靠性高，电动机的转动惯量小，速度响应好。 三是交流异步电动机与直流电动机相比，电动机的控制更加完 善，正反转(前进与倒车)可轻易实现，制动能量的回收利用更加简 单。已经成为电动车辆驱动与控制技术的发展方向。

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3.2.3.1 交流电动机的结构

交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、价格便宜、 工作可靠、效率高、无需保养等特点，在工程，机械、车 辆等方面得到了广泛应用。 电动车辆驱动用交流电动机多为三相异步(感应)电动 机，它由定子(磁场)、转子和其他辅助装置等部分组成。 图3—27为三相异步电动机的结构图。

1.轴承盖 2。驱动端盖 3.接线盒 4.外壳 5.轴 承 6.转于 7.风扇 8.风扇罩

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电动机的定子由三相定子绕组、定子铁心和电 动机的外

壳等组成。定子绕组嵌放在定子铁心的内 圆周纵槽内，当通入相位差120度的三相交流电时， 产生旋转磁场。电动机的外壳用于安装定子铁心和 端盖、轴承等部件，并形成电动机的闭合磁路。图 3—28为交流电动机的定子结构图。 1.铁心 2.线圈 3.外壳 4.接线盒

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电动机的转子由转子绕组(线圈)、转子铁心等 组成。转子铁心用硅钢片叠成圆柱体，其外表面开 有纵槽，用于放置转子绕组。转子的绕组做成封闭 状，称为鼠笼式转子。鼠笼式转子由铜或铝导体焊 接或浇铸而成，其结构简图如图3—29(a)所示。如 果转子绕组有开口并通过电刷引出，称为绕线式转 子。它是为转子电路中串联电阻和反电磁电动势， 实现调速控制而设置的。绕线式转子的结构如图 3—29(b)所示。转子绕组的作用是在旋转磁场中产 生感应电动势，通过闭合的回路形成感应电流。 此外，电动机还装有端盖，用于实现电动机的 密封和安置轴承，支承转子。电动机轴的外侧常常 设有风扇，以利于电动机的散热。

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(a) 鼠笼式转子

(b) 绕线式转子 图3—10交流电动机的转子

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3.2.3.2 交流电动机的工作原理 在异步电动机中，定子绕组流过交流电时，产 生旋转磁场。该旋转磁场在转子绕组中产生感应电 流，感应电流的磁场与定子旋转磁场相互作用，便 产生电磁力推动转子旋转。 图3—30给出了一对磁极(P=1)交流电动机在三 相交流电作用下，定子上形成的旋转磁场。定子中 的旋转磁场转速称为同步转速，用nl表示： nl=60fl/p 式中 fl——定子绕组的供电频率； p--电动机的磁极对数。

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图3—30 定子的旋转磁场

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转子在旋转磁场中产生感应电动势，通过闭合 的回路形成转子电流，有电流流过的转子导体在磁 场中受到力F的作用，该力施加到转子导体上，形 成电磁转矩T,推动转子转动。如图3—31所示。T 与定子磁场强弱和转子电流的大小成正比。

图3—31 转子转动的原理

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由于转子中的电流是通过电磁感应产生的，转子的电 流磁场与旋转磁场相互作用才使得转子转动，所以这种电 动机称为感应式电动机。另外，转子中之所以产生感应电 动势，是由于转子导体切割了旋转磁场的磁力线，在图 3—31中可以看出，转子的旋转方向n与旋转磁场的方向nl 是相同的。 为了切割旋转磁场的磁力线，转子与磁场必须有相对 运动，即转子的转速低于磁场的转速才能产生感应电动势。 这样转子的转速与旋转磁场的转速不同步，故交流电动机 也称为异步电动机。将转子的转速(即电动机的转速)n与磁 场的转速差用转差率S表示： S=(nl—n)/nl 于是交流电动机的旋转速度n可用下式表示： n=60fl(1-s)/p

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可见，改变异步电动机的转速有三种方法，即 改变转差率、改变磁极对数和改变电源供电频率三 种调速方式。对于变极调速，当电动机的极数一定 时，电动机的转速已固定，所以它是有级的，且其 变速是有限的，因为极数增多会使电动机的结构复 杂，体积和质量增大。对于改变转差率调速，在低 速时转差率大，电动机损耗大，效率低.且其结构 复杂，成本高。对于变频调速，在均匀地改变定子 绕组的供电频率时，即可平滑地改变电动机的转速， 并且在调速过程中，从低速到高速都可保持较小的 转差率。因而具有效率高、调速范围宽、调速精度 高的优点。

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3.2.3.3 交流电动机的特性和特点 在电源电压一定，转子回路串接电阻为零时， 交流电动机的转速—转矩(n—T)特性，如图3-32(a) 所示。保持转子回路电阻一定，改变电动机定子三 相电压时，电动机的特性如图3—32(b)所示；保持 电动机定子三相电压不变，改变转子回路电阻时， 电动机的特性如图3-32( c ). 交流异步电动机具有结构简单、坚固耐用、价 格便宜、工作可靠、效率较高、无需保养等特点， 特别是采用鼠笼式转子时，交流电动机具有其他电 动机不可比拟的优点，正在成为电力驱动与控制的 发展方向。