新能源汽车驱动电机与控制技术模块二电机学基础知识课件.ppt

2023/3/10,新能源汽车驱动电机与控制技术,2023/3/10,新能源汽车概述,电机学基础知识,新能源汽车驱动电机构造原理与检修,新能源汽车驱动电机与控制技术,新能源汽车其他类型电机结构原理检修,模块一,模块二,模块三,模块四,模块五,模块二 电机学基础知识,新能源汽车对驱动电机的性能要求,新能源汽车常用电机驱动系统,电机基本电磁定律,电机的磁路,磁路和磁化,1,2,3,4,5,6,电磁感应定律和电磁力定律,7,电机的制造材料,.时间要求:建议 8学时.知识目标：掌握电机基本电磁定律；熟悉电机的主要作用；了解电机的分类；了解电机的制造材料。.技能目标：电机基本电磁定律、左手定则和右手定则的运用。,学习目标,新能源汽车驱动电机在需要充分满足汽车运行功能的同时，还应满足行驶的舒适性、环境适应性等性能以及对车辆依次充电续驶里程的要求。新能源汽车驱动电机具有比普通工业电机更为严格的技术规范和标准要求，其主要性能要求如下。,一、新能源汽车对驱动电机的性能要求,（一）体积小、质量轻（二）全速段高效运行（三）低速大转矩及宽范围的恒功率特性（四）高可靠性（五）高电压（六）安全性能（七）高转速（八）使用寿命长,我国车用电机在全球资源条件下发展潜力较大。国内车用驱动电机行业现状：电机业中的小行业、但制造门槛高，电机驱动系统还存在较多差距与不足，但国内政策扶持将加快产业步伐。,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（一）驱动电机系统简介,二、新能源汽车常用电机驱动系统,驱动电机及其控制系统,电动机驱动系统的基本组成框图,二、新能源汽车常用电机驱动系统,电机的分类(按原理),二、新能源汽车常用电机驱动系统,（二）电动汽车电机的基本要求,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（1）电机结构紧凑、尺寸小，封装尺寸有限，必须根据具体产品进行特殊设计。（2）质量轻，以减轻车辆的整体质量，应尽量采用铝合金外壳，同时转速要高，以减轻整车的质量，增加电机与车体的适配性，扩大车体可利用空间，从而提高乘坐的舒适性。（3）可靠性高、失效模式可控，以保证乘车者的安全。（4）提供精确的力矩控制，动态性能较好。（5）效率高，功率密度较高。要保证在较宽的转速和转矩范围内都有很高的效率，以降低功率损耗，提高一次充电的续驶里程。（6）成本低，以降低车辆生产的整体费用。（7）调速范围宽，应包括恒转矩区和恒功率区，低速运行输出的恒定转矩大，以满足汽车快速启动、加速、负荷爬坡等要求；高速运行输出恒定功率，有较大的调速范围，以满足平坦的路面、超车等高速行驶的要求。,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（8）瞬时功率大，过载能力强，要保证汽车具有45倍的过载能力，以满足短时内加速行驶与最大爬坡的要求。（9）环境适应性好，要适应汽车本身行驶的不同区域环境，即使在较恶劣的环境中也能够正常工作，具有良好的耐高温、耐潮湿性能。（10）制动再生效率高，在汽车减速时，能够实现反馈制动，将能量回收并反馈回电池，使得电动汽车具有最佳能量利用率。（11）其他：结构简单，价格低廉，适合大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便。（12）与一般工业用电机不同，用于汽车的驱动电机应具有调速范围宽、起动转矩大、后备功率高、效率高的特性，此外，还要求可靠性高、耐高温及耐潮、结构简单、成本低、维护简单、适合大规模生产等。未来我国电动汽车用驱动电机系统将朝着永磁化、数字化和集成化方向发展。,（三）异步电动机(感应电动机)在新能源汽车中的应用,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（1）异步电动机介绍（2）异步电动机的特点（3）异步电动机的控制系统（4）异步电动机的应用现状,（四）永磁无刷电动机在新能源汽车中的应用,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（1）永磁同步电动机简介（2）永磁同步电动机的特点（3）永磁电机作为驱动电机的优越性（4）永磁同步电机的控制系统（5）永磁电机应用现状,（五）开关磁阻电动机在新能源汽车中的应用,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（1）开关磁阻电动机简介（2）开关磁阻电机特点（3）开关磁阻电动机的控制系统（4）控制器（5）位置检测器,（六）直流电动机在新能源汽车中的应用,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（1）直流电动机简介（2）直流电动机的特点（3）直流电机的控制系统,（七）各种电机的比较,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（七）各种电机的比较,二、新能源汽车常用电机驱动系统,各种电机在我国的发展现状：（1）交流异步电机驱动系统我国已建立了具有自主知识产权异步电机驱动系统的开发平台，形成了小批量生产的开发、制造、试验及服务体系；产品性能基本满足整车需求，大功率异步电机系统已广泛应用于各类电动客车；通过示范运行和小规模市场化应用，产品可靠性得到了初步验证。（2）开关磁阻电机驱动系统已形成优化设计和自主研发能力，通过合理设计电机结构、改进控制技术，产品性能基本满足整车需求；部分公司已具备年产2000套的生产能力，能满足小批量配套需求，目前部分产品已配套整车示范运行，效果良好。,二、新能源汽车常用电机驱动系统,（3）无刷直流电机驱动系统国内企业通过合理设计及改进控制技术，有效提高了无刷直流电机产品性能，基本满足电动汽车需求；已初步具有机电一体化设计能力。（4）永磁同步电机驱动系统已形成了一定的研发和生产能力，开发了不同系列产品，可应用于各类电动汽车；产品部分技术指标接近国际先进水平，但总体水平与国外仍有一定差距；基本具备永磁同步电机集成化设计能力；多数公司仍处于小规模试制生产，少数公司已投资建立车用驱动电机系统专用生产线。（5）永磁电机的主要材料有钕铁硼磁钢、硅钢等。部分公司掌握了电机转子磁体先装配后充磁的整体充磁技术。国内研制的钕铁硼永磁体最高工作温度可280，但技术水平仍与德国和日本有较大差距。硅钢是制造电机铁芯的重要磁性材料，其成本占电机本体的20%左右，其厚度对铁耗有较大影响，日本已生产出0.27mm硅钢片用于车用电机，我国仅开发出0.35mm硅钢片。,（八）新能源汽车驱动电机未来展望,二、新能源汽车常用电机驱动系统,新能源汽车驱动电机目前的发展方向有以下几方面：小型轻量化；高效性；更出色的转矩特性；使用寿命长，可靠性高；噪声低；价格低廉。随着时间的推移，新能源驱动电机的发展呈现了下面的趋势：（1）电机本体永磁化：永磁电机具有高转矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性等优点。我国具有世界最为丰富的稀土资源，因此高性能永磁电机是我国车用驱动电机的重要发展方向。（2）电机控制数字化：专用芯片及数字信号处理器的出现，促进了电机控制器的数字化，提高了电机系统的控制精度，有效减小了系统体积。（3）电机系统集成化：通过机电集成(电机与发动机集成或电机与变速箱集成)和控制器集成，有利于减小驱动系统的重量和体积，可有效降低系统制造成本。,二、新能源汽车常用电机驱动系统,未来的电机发展：(1)混合励磁电机(2)双定子永磁电机(3)记忆电机(4)磁性齿轮永磁无刷复合电机(5)非晶电机,三、电机基本电磁定律,（一）全电流定律,右手螺旋定则,三、电机基本电磁定律,全电流定律示意图,三、电机基本电磁定律,（二）电磁感应定律（1）变压器电动势,单相变压器原理图,三、电机基本电磁定律,（2）旋转电动势 旋转电动势也称为速率电动势。磁通本身不随时间变化，而线圈与磁场之间有相对运动，从而使线圈中的磁链发生变化。这种情况通常发生在旋转电机中，故称为旋转电动势。（3）电磁力定律 载流导体在磁场中会受到力的作用，这种力是磁场与电流相互作用而产生的，在电机学中通常将这种力称为电磁力。,三、电机基本电磁定律,（4）铁磁材料特性 a.铁磁材料的磁导率,铁磁材料的磁化曲线,三、电机基本电磁定律,b.铁磁材料的磁导率,铁磁材料的磁滞回线,三、电机基本电磁定律,硅钢片中的涡流,四、电机的磁路,（一）磁场 磁体的周围存在着磁场，磁体间的相互作用就是通过它们各自的磁场而发生的。磁场的基本性质是它对放入其中的磁体发生磁力的作用。在磁场的某一点，小磁针静止时北极所指的方向规定为该点的磁场方向。,四、电机的磁路,（二）磁感线 磁感线是在磁场中画出一些有方向的曲线，使曲线上每一点的切线方向都跟这点的磁场的方向一致。,闭合电路磁通量变化,四、电机的磁路,（三）安培定则1.通电直导体产生的磁场 一根直导体通入电流后，导体周围将产生磁场，其磁感线是以导体为圆心的同心圆，方向与电流的方向有关，可用右手定则判断：右手握住直导体，用大拇指指向电流方向，则其余四指弯曲的方向就是磁场的方向。,右手定则,四、电机的磁路,2.通电线圈产生的磁场 把导体绕成螺旋状并且通入电流，也能产生磁场，通电线圈相当于一块条形永久磁铁的磁场；通电导体的磁场强弱不仅与电流的大小有关，而且与线圈匝数有关；通电线圈磁场方向也可以用右手定则确定：右手握住线圈，用弯曲的四指指向电流方向，则拇指所指的方向就是产生磁场N极的方向。,右手定则,四、电机的磁路,3.电流磁场强度 电流磁场的强度与通入电流的大小及线圈的匝数有关:线圈匝数一定时，通入的电流越大，电流磁场的强度越强。通入电流大小一定时，外形相同的线圈，匝数越多，电流磁场的强度越强。,四、电机的磁路,4.磁路基本概念 磁路可理解为磁通所经过的路径，与电路是电流所通过的路径的概念相类似。,磁路示意图,四、电机的磁路,（四）磁路欧姆定律,磁路示意图,四、电机的磁路,（五）磁路基尔霍夫第一定律,有分支磁路示意图,四、电机的磁路,（六）磁路基尔霍夫第二定律（七）磁路与电路的类比,五、磁路和磁化,电和磁是紧密相关的，电流能产生磁场，而变动的磁场或导体切割磁力线又会产生电动势。初学电工者往往只注意电而不重视磁。其实在很多情况下没有磁路知识是不可能学懂电路的，例如电机、变压器、互感器、接触器和磁放大器等的工作原理都与磁密切相关。,五、磁路和磁化,（一）磁感应强度,环形线圈,五、磁路和磁化,（二）磁通,五、磁路和磁化,（三）感应电流产生条件 产生感应电流的条件与磁场的变化有关系，也就是说，与磁感应强度和闭合导体回路包围的面积有关系。只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化，闭合导体回路中就会有感应电流产生。,五、磁路和磁化,（四）感应电流的方向与大小,环形线圈,五、磁路和磁化,右手定则,五、磁路和磁化,闭合回路切割磁感线电流大小变化图,五、磁路和磁化,（五）感应电动势（六）磁场强度（七）磁势（八）磁阻（九）铁磁物质的磁化（十）起始磁化曲线（十一）磁滞回线（十二）平均磁化曲线,五、磁路和磁化,（十三）直流导磁率（十四）交流导磁率（十五）软磁材料,六、电磁感应定律和电磁力定律,（一）直线导体中的感应电势（二）线圈中的感应电势（三）自感电势（四）自感系数（五）电磁力定律（六）RL电路的励磁过程,七、电机的制造材料,（一）常用材料种类：1、导磁材料硅钢片 2、导电材料漆包线、铜圆线、铜扁线、纯铝、引接线、端子 3、其他材料支架用：钢板、锌合金、铝合金、含油轴承、滚珠轴承、弹片、主轴、钼尼龙、塑料、绝缘材料等,七、电机的制造材料,（二）导磁材料：1、导磁概念：（1）无论直流或交流电机都是在磁场和电流的共同作用下工作的；（2）直流电机中，磁场是恒定不变的；交流电机中，磁场是交变的，不固定的；（3）在电机中，磁场的形成有二种基本形式：永久磁铁形成的恒定磁场和电磁铁 形成的非交变或交变的磁场；（4）当导体中有电流通过时，在导体周围就有磁场产生，当导体中电流方向改变 时，其磁场也相应改变，通电导体所产生的磁场称为感应磁场，这种现象 称为电磁感应现象。（5）通电导体产生磁场的强弱直接与通过导体的电流强度有关，还与通电导体 周围的导磁介质有关,七、电机的制造材料,（6）为了使铁磁物质获得更强的感应磁场，可将导线绕成螺旋管线圈，并将线 圈套在铁磁物质制成的铁芯上，当线圈通电时，在铁芯内部就可获得很强 的磁场。（7）铁磁物质分类；（8）由于人们日常生活工作中，电能绝大部分是采用220V及以下的交流电源，所以微型电机基本上均在这种电源内工作，由于交流电动机的磁场是交变 的，所以适合于这种交变磁场的铁芯是软磁材料制成的铁芯，由于硅钢片 的导磁性能好，制造工艺简单，产量大，所以电动机的磁路采用硅钢片制 成，其原因就在于此。,七、电机的制造材料,2、硅钢片（1）冷轧硅钢片（2）无取向冷轧硅钢片（3）晶粒取向（4）全工艺型冷轧无取向硅钢片3、硅钢片的性能及特点,七、电机的制造材料,4、对冲片的技术要求：（1）电磁性能方面（2）机械方面的要求,七、电机的制造材料,（三）导电材料：1、电磁线2、笼型绕组3、引接线4、其他材料,模块小结,本模块简要介绍了电机的基本定义、发展情况、主要作用、分类情况及电机制造材料，还介绍了有关磁场、磁路的基本概念及电机中常用的基本电磁定律。1、电机主要应用在电能的生产、传输和分配，用来驱动各种生产机械和装备，用作自动控制系统中的控制元件。电机的出现已近200年，至今仍在持续发展中。2、电机是指依靠电磁感应作用而运行的电气设备，用来进行电能生产、传输、使用和电能特性变换的机电装置。电机的类型可按能量转换功能和用途来分，也可按原理与运动方式来分。3、电机的制造材料有构成电路的导电材料、构成磁路的导磁材料、导体与机壳及铁芯之间，各导体之间的绝缘材料和将电、磁两部分融合在一起的结构材料。4、基本电磁定律：全电流定律,模块小结,4、基本电磁定律：全电流定律：电磁感应定律：电磁力定律：F=Bli,模块小结,5、电机中的铁磁材料主要为硅钢片、钢板和铸钢。铁磁材料的磁导率比真空中的磁导率大几百倍到几千倍。铁磁材料存在磁滞现象，因此有磁滞损耗；当铁芯中磁通发生交变时，铁芯中会产生涡流，从而产生涡流损耗。6、电机中磁场在空间的分布十分复杂，工程上可采用磁路的方法来分析求解。,