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1、電電 動動 機機壹壹貳貳叁叁肆肆伍伍電機的分類電機的分類汽車常用電動機的結構及原理汽車常用電動機的結構及原理常用電機比較常用電機比較電動汽車電機設計電動汽車電機設計常見電動車電機案例及統(tǒng)計常見電動車電機案例及統(tǒng)計電動機的分類按劃分：可分為和。 直流電動機按結構及工作原理可劃分：和。 有刷直流電動機可劃分：和。 電磁直流電動機劃分：、和。 其中交流電機還可分：和。電動機的分類按劃分：可分為、。 同步電動機可劃分：、和。 異步電動機可劃分：和。 感應電動機可劃分：、和等。電動機的分類汽車常用電動機的結構及原理汽車常用電動機的結構及原理 直流電動機直流電動機 永磁同步電機永磁同步電機 交流三相感應電
2、動機交流三相感應電動機 永磁無刷直流電動機永磁無刷直流電動機 開關磁阻電動機開關磁阻電動機 外轉子雙凸極永磁電動機外轉子雙凸極永磁電動機直流電動機結構直流電動機元件的作用 電動機是由轉子和定子兩部分組成。電動機是由轉子和定子兩部分組成。 轉子轉子：電動機中的旋轉部件，轉子是用來實現機械能與電能的轉換裝置。 定子定子：定子是電動機靜止不動的部分。定子由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成。定子的主要作用是產生旋轉磁場。直流電動機 主磁極：主磁極：作用是建立主磁場，由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。 換向極：換向極：換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況
3、，使電機運行時不產生有害的火花。 電刷裝置：電刷裝置：電樞電路的引入裝置 電樞鐵心：電樞鐵心：是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分； 電樞繞組：電樞繞組：由一定數目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電動機的電路部分，產生電磁轉矩進行機電能量轉換的部分 勵磁：勵磁：為電機等“利用電磁感應原理工作的電氣設備”提供工作磁場叫勵磁。直流電動機工作原理直流電動機參數 額定功率額定功率 PN：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率。 額定電壓額定電壓 UN： 指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓。 額定電流額定電流 IN： 指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值。額定轉速額定轉速 nN：
4、指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速。 額定勵磁電流額定勵磁電流 If： 指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 電動機中還有效率效率N存在,即 PNUNINN 直流電動機的效率與損耗 機械損耗pm：機械摩擦與通風損耗，主要與轉速有關 鐵心損耗pFe：電樞鐵心中磁場交變，產生渦流損耗和磁滯損耗。與磁密的平方及轉速的1.21.5次方成正比。 勵磁損耗pf： pf = Uf If = If2Rf pm+pFe+pf 統(tǒng)稱為空載損耗(不變損耗)。 負載損耗：電樞回路電阻損耗pa=Ia2Ra; 電刷接觸壓降損耗 Pb=2Us Ia（可變損耗） 雜散損耗p: 齒槽引起磁場脈動引起的鐵耗，一些機械部件切割磁通產生的鐵耗
5、等p=(0.51)%P2。 功率及效率方程 功率：功率：P1=PM+pa+pb= P2+pm+pFe+p+pa+pb+pf=P2+p效率：效率：=P2 / P1=（1-p）/P1 直流電動機的工作特性1、轉速特性、轉速特性 ：n=f(P2) U = Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa) / (Ce)電流增大，電壓恒定時意味著P2增大，n=f(P2)是一條較平的下降曲線（硬特性）。直流電動機的工作特性2、轉矩特性：、轉矩特性：T = f (P2) T=T2+T0=P2/(2n/60)+T0 他勵直流電動機在負載變化時，轉速變化很小，可以近似認為T0=常數。 如果不考慮轉速的變
6、化，則T=f (P2)為一條直線，考慮到轉速略有下降，所以T=f (P2)為一條略微上翹的曲線。 3、效率特性：、效率特性：在0.8PN左右達到最大，之后逐漸下降交流電動機 異步電動機：異步電動機：轉子轉速總是略低于旋轉磁場的同步轉速。 同步電動機：同步電動機：轉子轉速與負載大小無關而始終保持為同步轉速 。 感應電動機：異步電動機的一種，由于在異步電動機中感應電機占90%以上，所以有時他們也作同義詞。交流電機對稱三相電流的產生對稱三相電流的產生：對稱三相電流的產生：電網提供的三相電壓，作用于復阻抗相等的對稱三相負載，產生對稱三相電流。 對稱三相電流的函數式表示為：對稱三相電流的函數式表示為：對
7、稱三相電流的波形表示為：對稱三相電流的波形表示為：240sin120sinsintIitIitIimCmBmAAiBiCimIt交流電機旋轉磁場的產生 當三相對稱電流通入三相對稱繞組，必然會產生一個大小不變，且在空間以一定的轉速不斷旋轉的旋轉磁場。 旋轉磁場的旋轉方向是由通入三相繞組中的電流的相序決定的。 旋轉磁場的旋轉速度為旋轉磁場的旋轉速度為分轉秒轉/60/111pfpfn同步動電機結構同步電動機工作原理 同步電動機工作時，定子的三相繞組中通入三相對稱電流，轉子的勵磁繞組通入直流電流。同步電動機參數 額定功率PN：指電機輸出功率的保證值。電動機的額定容量一般用kW數表示 額定電壓 UN：指
8、額定運行時定子輸出端的線電壓。 額定電流IN：指額定運行時定子的線電流。 ：額定運行時電動機的功率因數。 額定頻率額定頻率fN：額定運行時電動機電樞端電能的頻率，我國標準工業(yè)頻率規(guī)定為50Hz。 額定轉速額定轉速nN ：額定運行時電動機的轉速，即同步轉速。 除上述額定值外，同步電機銘牌上還常列出一些其它的運行數據，例如額定負載時的溫升tN、勵磁容量PfN和勵磁電壓UfN等。 同步電動機功率及效率 機械損耗pm：機械摩擦與通風損耗，主要與轉速有關 鐵心損耗pFe：電樞鐵心中磁場交變，產生渦流損耗和磁滯損耗。與磁密的平方及轉速的1.21.5次方成正比。 勵磁損耗勵磁損耗pf： 電動電動機由外界直流
9、勵磁時機由外界直流勵磁時，產生的損耗產生的損耗 pm+pFe+pf 統(tǒng)稱為空載損耗(不變損耗)。 負載損耗pa：電樞回路電阻損耗a; 電刷接觸壓降損耗電刷接觸壓降損耗pb。 pa+pb（可變損耗）。 雜散損耗p: 齒槽引起磁場脈動引起的鐵耗，一些機械部件切割磁通產生的鐵耗等。 損耗類型與直流電動機類似，但由于采用交流電計算方法不同。功率及效率方程 功率：功率：P1=PM+pa+pb= P2+pm+pFe+p+pa+pb+pf=P2+p效率：效率：=P2 / P1=（1-p）/P1 同步電動機工作特性永磁同步電機效率圖 內置式永磁電機效率圖永磁同步電機效率圖 表貼式永磁電機效率圖Prius電機性
10、能曲線感應電動機 感應電動機：即轉子置于旋轉磁場中，在旋轉磁場的作用下，獲得一個轉動力矩，因而轉子轉動。轉子是可轉動的導體，通常多呈鼠籠狀。定子是電動機中不轉動的部分，主要任務是產生一個旋轉磁場。旋轉磁場并不是用機械方法來實現。而是以交流電通于數對電磁鐵中，使其磁極性質循環(huán)改變，故相當于一個旋轉的磁場。感應電動機結構 異步電機與同步電機結構上的的根本區(qū)別是旋轉的轉子沒有通入直流電流勵磁感應電機工作原理 當定子接通三相電源后，即在定、轉子之間的氣隙內建立了一同步速為n1的旋轉磁場。磁場旋轉時將切割轉子導體，根據電磁感應定律可知，在轉子導體中將產生感應電勢，其方向可由右手定則確定。磁場逆時針方向旋
11、轉，導體相對磁極為順時針方向切斷磁力線。異步電動機原理轉子上半邊導體感應電勢的方向為進去的，用表示；下半邊導體感應電勢的方向為出來的，用 表示。因轉子繞組是閉合的，導體中有電流，電流方向與電勢相同。載流導體在磁場中要受到電磁力，其方向由左手定則確定。這樣，在轉子導條上形成一個逆時針方向的電磁轉矩。于是轉子就跟著旋轉磁場逆時針方向轉動。 60tAXYCBZSN1n60 180tXBZ1nAYCA 120tXYCBZ1n感應電機額定參數（與同步電機相同） 主要額定值如下（三相時）： 額定電壓: UN(V)，額定運行時，規(guī)定加在定子繞組上的線電壓； 額定電流：IN(A),額定運行時，規(guī)定加在定子繞組
12、上的線電流； 額定功率: PN額定運行時，電動機的輸出功率； 額定轉速: nN,額定運行時，電動機的轉子轉速； 額定頻率: fN(Hz)，規(guī)定的電源頻率(我國用工頻 50Hz)； 額定效率N，額定功率因數: cosN 等。 額定功率： PN = 3 UNp INp cosNN= P1NNsqrt(3)UNINcosNN 感應電動機效率輸入功率: P1= m1 U1 I1 cos1定子銅耗: pCu1= m1 I12 R1鐵耗：定子鐵心與旋轉磁場相對轉速為n1 較大，鐵耗主要為定子鐵耗: pFe= m1 Im2 Rm轉子鐵心與旋轉磁場相對轉速為sn1較小，故轉子鐵耗可以忽略不計。電磁功率: PM
13、= P1- pCu1- pFe= m1 E2 I2 cos2轉子銅耗轉子銅耗: pCu2= m1 I22 R2總機械功率: P=m1 I22 R2 (1-s) / s機械損耗和附加損耗:p+p 式中： p= (0.5-3)% PN 感應電動機功率 故異步電動機的功率平衡方程式為故異步電動機的功率平衡方程式為: P2=P1 -pCu1-pFe-pCu2-p-p=P1-p =P2/P1 = (P1-p) / P1 感應電機工作特性感應電機的工作特性 一.轉差率特性 s=f(P2) s =(m1R2I2)/(1CM1cos2) 隨著負載功率的增加，轉子電流增大，故轉差率隨著負載功率的增加，轉子電流增
14、大，故轉差率隨輸出功率增大而增大。隨輸出功率增大而增大。 二.轉矩特性T2=f(P2) T 2=P 2/ 轉矩曲線為一個微微上翹的曲線。轉矩曲線為一個微微上翹的曲線。 感應電機工作特性 三.電流特性I1= f(P2) I1 = - I2 + Im 空載時電流很小，隨著負載電流增大，電機的輸入電流增大（微微上翹）。 四.效率特性 = f(P2) =P2/(P2+pCu1+pFe+pCu2+p+p) 其中銅耗隨著負載的變化而變化（與負載電流的平方正比）；鐵耗和機械損耗近似不變； 效率曲線有最大值，可變損耗等于不變損耗時，電機達到最大效率。 異步電動機額定效率在（74-94）%之間；最大效率發(fā)生在(
15、0.7-1.0)倍額定效率處。 感應電機的工作特性五.功率因數特性 cos1= f(P2) 空載時，定子電流基本上用來產生主磁通，有功功率很小，功率因數也很低； 隨著負載電流增大，輸入電流中的有功分量也增大，功率因數逐漸升高； 在額定功率附近，功率因數達到最大值。 如果負載繼續(xù)增大，則導致轉子漏電抗增大（漏電抗與頻率成正比），從而引起功率因數下降。 感應電機效率圖同步/感應電動機效率曲線直流無刷電機結構 結構上，無刷電機和有刷電機有相似之處，也有轉子和定子，只不過和有刷電機的結構相反；無刷電機的轉子是永磁磁鋼，連同外殼一起和輸出軸相連，定子是繞組線圈，去掉了有刷電機用來交替變換電磁場的換向電刷
16、，故稱之為無刷電機（Brushless motor）直流無刷電機工作原理傳感器感知轉子位置電子換向器打開和關閉相對應開關通過特定的線圈通電使電動機運轉 開關磁阻電機結構 開關磁阻電機結構開關磁阻電動機原理開關磁阻電機特性曲線外轉子雙凸極永磁電動機結構其基本構成與開關磁阻電機基本相同, 即定、轉子均為凸極結構,定子齒上裝有集中繞組, 與徑向相對的齒上的繞組相串聯(lián)構成一相,轉上既沒有繞組也沒有永磁體,適合高速運行。外轉子雙凸極永磁電動機原理奧爾森咨詢電機比較結果華南理工大學電機比較結果直流電動機現狀：現狀：基本上被淘汰缺點：缺點：但是直流電機效率低下, 其換向器和電刷需要經常性的周期維護, 運行成
17、本高, 運用場合有很大的局限性, 可靠性差。再加上該種電機成本高、體積大、質量大, 所以隨著高性能的交流調速系統(tǒng)的出現直流電機驅動已基本上被淘汰。永磁同步電機 現狀：現狀：目前在小型電動車及混合動力車中應用較多的電機大型車中也有部分應用 案例：案例：豐田的Prius、福田 BJ6123EVCA8 優(yōu)點：優(yōu)點：因此永磁同步電動機具有高的功率/質量比, 比其他類型的電動機有更高的效率,更大的輸出轉矩, 電動機的極限轉速和制動性能等優(yōu)于其他類型的電動機。結構更加簡單, 性能更加可靠、體積更小, 質量更輕。 缺點：缺點：永磁同步電動機的功率范圍較小, 最大功率僅為幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過
18、載電流作用時, 其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現象, 將嚴重降低永磁同步電動機的性能, 甚至損壞電動機。大功率永磁同步電機驅動、控制系統(tǒng)復雜，造價較高交流三相感應電動機 現狀：現狀：在大型純電動汽車中應用較多、歐美小型純電動車中有一定應用 案例：案例：宇通公司ZK6100EGAAEV、申沃 SWB6121EV5、BWM 的MINI E 優(yōu)點：優(yōu)點：結構簡單, 運行可靠, 經久耐用。交流三相感應電動機的功率容量覆蓋面很寬廣, 轉速高于永磁電機, 冷卻自由度高, 對環(huán)境的適應性好。價格便宜, 維修簡單方便。 缺點：缺點：耗電量較大, 轉子容易發(fā)熱, 在高速運轉時需保證對交流三相感應電動機的冷卻。功
19、率因素較低, 變頻變壓裝置的輸入功率因素也較低, 需要采用大容量的變頻變壓裝置，另外就電機調速性能而言交流機較差。交流三相感應電動機控制系統(tǒng)的造價遠遠高于交流三相感應電動機本身, 增加了電動汽車的成本。直流永磁無刷電動機 現狀：現狀：在電動車中有一定應用。 案例：案例：如BWM EI 優(yōu)點：優(yōu)點：沒有勵磁損耗、散熱容易，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。永磁無刷直流電動機與其它電動機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率。 缺點：缺點：驅動控制系統(tǒng)復雜, 造價高。而且永磁電動機受到永磁材料工藝的影響和限制,使得永磁電動機的功率范圍較小，電動機本身價格較
20、高，可靠地控制器價格也較高。開關磁阻電動機 現狀：現狀：在國內電動車市場有少量應用 案例：案例：華中科技大學的 EQ7200HEV 混合動力客車 優(yōu)點：優(yōu)點：開關磁阻電動機是一種較新型電動機, 首先它的結構簡單而堅固, 結構上的簡單是其它任何電機所不能比的;能夠在惡劣環(huán)境下工作, 幾乎不需要維護; 功率范圍很寬廣, 可達到的轉速高; 轉子慣量小, 系統(tǒng)動態(tài)響應快; 電機轉矩與電流方向無關, 功率開關器件數量可以減少; 起動轉矩高而無起動沖擊電流; 理想的四象限運行特性非常適合于電動汽車驅動; 轉矩/轉速特性與電動汽車的運行特性相吻合; 發(fā)熱集中在定子上, 散熱能力強; 效率可達85%93%,
21、而且在很寬廣的范圍內保持高效率; 電機控制方面也靈活簡單, 電機制造成本也很低。開關磁阻電動機 缺點：缺點：開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)比其他電動機的控制系統(tǒng)復雜一些，位置檢測器是開關磁阻電動機的關鍵器件，其性能對開關磁阻電動機的控制操作有重要影響。存在轉矩波動，噪聲（主要）。另外，由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。外轉子雙凸極永磁電動機 現狀：現狀：目前為很多學者的主要研究方向，應用很少。 優(yōu)點：優(yōu)點：高轉矩密度和高的效率（85%93%）；簡單、堅固的結構，適合于高速運行；作電動運行時，功率變換器的伏安容量比較小；慣
22、性小，響應快。 缺點：缺點：文中同時也指出該種電機的轉矩脈動比較大，在電動汽車行業(yè)應用較少，尚不成熟。電動車電機設計原則 1) 用最高車速確定電機額定功率; 2)以常規(guī)車速確定電機額定轉速; 3)以額定功率/轉速確定電機額定轉矩; 4)以最大爬坡度確定其短時工作線低速轉矩.電動車電機設計 以最高車速確定電機額定功率以最高車速確定電機額定功率 式中: PN電機額定功率, kW; T傳動系效率; m最大車重, kg; f滾動摩擦系數; Cd風阻系數; A車輛迎風面積, m2; Umax最高車速, km/h。電動車電機設計 以常規(guī)車速確定電機額定轉速以常規(guī)車速確定電機額定轉速 nN電機額定轉速, r
23、/min; ig傳動比; i0主減速比; uN常規(guī)車速, km/h; r滾動車輪半徑, m。電動車電機設計 以額定功率以額定功率/轉速確定電機額定轉矩轉速確定電機額定轉矩 式中: MN額定轉矩, Nm。 以最大爬坡度確定其短時工作線低速轉矩以最大爬坡度確定其短時工作線低速轉矩電動車電機設計 假定以勻速爬坡, 車輛所受阻力項中沒有加速阻力, 則所需電機驅動力為:Ft=Ff+Fw+Fi 式中: Ft電動汽車驅動力, 此時也即為車輛所受的阻力; Ff電動汽車行駛時的滾動阻力, Ff=mgfcos(為坡道角度值); Fw電動汽車行駛時的空氣阻力, Fi電動汽車行駛時的坡道阻力, Fi=mgsin。電動
24、客車電機案例及統(tǒng)計電動客車電機案例及統(tǒng)計品牌型號電機類型供應商整車長總質量額定功率峰值功率宇通ZK6100EGAA異步萬向1001016500132kw240kw;宇通ZK6129EGQA異步萬向1199018000132kw240kw;申沃SWB6121EV5異步萬向1198018000100kw200kw; 申沃SWB6121EV6異步萬向1198018000100kw200kw; 申沃SWB6121EV7異步萬向1198018000100kw200kw; 福田BJ6123EVCA8 永磁同步大洋11980 18000100kw150kw安凱HFF6110GS03EV永磁同步大洋11495
25、23000100kw150kw電動機混合動力轎車電機案例電動機的分類 異步電動機按劃分：、和。 按劃分：（舊標準稱為）和（舊標準稱為） 電動機的分類 按運轉速度運轉速度劃分：高速電動機高速電動機、低速電動機低速電動機、恒恒速電動機速電動機、調速電動機調速電動機。低速電動機又分為齒輪減速電動機、電磁減速電動機、力矩電動機和爪極同步電動機等。 調速電動機除可分為有級恒速電動機、無級恒速電動機、有級變速電動機和無級變速電動機外，還可分為電磁調速電動機、直流調速電動機、PWM變頻調速電動機和開關磁阻調速電動機。 同步電動機功率及效率 綜上所述，電機的總損耗功率 P表達式為： Ploss = PCu1
26、+ PCu2 + PFe + Pmec +Pstary =Pout/(Ploss+Pout) =Pout/(Pout+PCu1 + PCu2 + PFe + Pmec +Pstary感應電動機效率 幾個常用的關系式: PM=m1I22 R2 /s = pCu2 / s pCu2= s PM P= (1-s) PM 無刷電動機工作原理 每一次換向都會有一組繞組處于正向通電；第二組反相通電；第三組不通電。轉子永磁體的磁場和定子鋼片產生的磁場相互作用就產生了轉矩，理論上，當這兩個磁場夾角為90時會產生最大的轉矩，當這兩個磁場重合時轉矩變?yōu)?，為了使轉子不停的轉動，那么就需要按順序改變定子的磁場，就像轉子的磁場一直在追趕定子的磁場一樣。典型的“六步電流換向”順序圖展示了定子內繞組的通電次序。
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