第二节
电动汽车用直流电机

一、直流电机的工作原理和基本构造

1.直流电机的工作原理

通电导线在磁场中会受到磁场力的作用，由左手定则，把左手放入磁场中，让磁力线垂直穿入手心，磁力线从N极出发进入S极，四指指向电流所指方向，则大拇指的方向就是导体受力的方向。

电源的直流电加于电刷A（正极）和B（负极）上，则线圈abcd中流过电流：在导体ab中，电流由a指向b；在导体cd中，电流由c指向d。用左手定则可知导体ab所受到的磁场力从右向左，导体cd所受到的磁场力从左向右，这样形成的转矩 M 为逆时针方向。在该转矩作用下电枢将逆时针方向旋转，如图2-6a所示。

当电枢转过了180°，直流电仍由电刷A流入、从电刷B流出，电流在电枢内的流向改变为d到c、b到a，由左手定则可知导体cd所受到的磁场力从右向左，ab所受磁场力从左向右，转矩 M 方向仍为逆时针，则可保持电枢持续逆时针转动，如图2-6b所示。

2.直流电机的基本构造

直流电机主要由定子（固定部分）和电枢（旋转部分）两大部分组成，定子和转子之间的间隙称为空气隙。图2-7所示为直流电机的结构图。直流电机是基于载流导体与磁场之间的相互作用而制成的。电机的磁极和电枢之间必须有相对运动。下面就一些主要的部件分别予以介绍。

（1）定子 定子的作用是产生磁场和作为电机机械支承部件。它由主磁极、换向磁极、电刷装置、机座、端盖等组成。

1）主磁极。主磁极的作用是产生主磁场，主磁极的结构如图2-8所示。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁，而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场的。主磁极装在机座的内壁，它由主磁极铁心和励磁绕组组成。主磁极铁心包括极芯和极掌两部分。极芯上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。

主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按N、S极交替出现的规律进行。汽车起动机一般采用4个磁极，功率较大的也有采用6个磁极的。

2）换向磁极。在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极，它的构造与主磁极相似，由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向磁极的励磁绕组与电枢串联。

主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值，于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。

用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。

换向磁极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向磁极的。

3）电刷装置。电刷装置是把外电路的电动势、电流引入电枢绕组或把电枢绕组中的电动势、电流引到外电路。电刷装置主要由用石墨和铜混合制成导电块的电刷、压力弹簧和刷盒、电刷架等组成。

固定在机座上（小容量电动机装在端盖上）不动的电刷架上电刷盒中的电刷，借助于压力弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。

各同极性的电刷经软线汇集在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。

4）机座。机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。

5）端盖。端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定、转子连为一体，同时端盖对电机内部还起防护作用。

（2）转子 直流电机的转动部分称为转子，也称为电枢。它主要由电枢铁心、换向器及电枢绕组等组成，如图2-9所示。

1）电枢铁心。电枢铁心由硅钢片冲制叠压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作为电机磁路的一部分。

2）换向器。换向器装在电枢转轴的一端，它是由许多互相绝缘的铜质换向片叠成的圆环。电枢绕组每个线圈的两端分别接至两个换向片上。在直流电动机中，换向器将电源的直流电转换为线圈中的交流电，以获得方向不变的电磁转矩。如图2-10所示，换向器由许多梯形铜片组成，片间用云母片绝缘，外表呈圆柱形。换向片和云母片组成的圆筒两端用V形云母套筒和V形金属压圈压紧，以使其成为一个整体并保证其绝缘性能，这样就构成了一个换向器。

3）电枢绕组。电枢绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用玻璃钢无纬带或镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。

二、直流电机的励磁方式

由直流电机的工作原理和结构可知，由主磁极的励磁磁动势单独建立的磁场是电机的主磁场，有时也称之为励磁磁场。励磁方式是指励磁绕组的供电、产生励磁磁动势而建立主磁场的方式。根据励磁方式的不同，直流电机可以分为他励和自励两类。

1.他励

他励电机的励磁绕组与转子电枢的电源分开。能够通过分别控制励磁电流 I _f 和电枢电流 I _a ，来实现对他励直流电机的控制。他励直流电机具有线性特性和稳定输出特性，可以扩大其调速范围，能够实现在减速和制动时的再生制动，回收一部分能量。他励直流电机的励磁电路如图2-11a所示。

2.自励

自励直流电机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与电枢绕组的连接关系，又可以分为并励、串励和复励三种。

（1）并励 并励直流电机的电路如图2-11b所示，励磁绕组与电枢绕组并联，励磁绕组与转子电枢的端电压相同，为 U ，励磁电流为 I _f 。

（2）串励 串励直流电机的电路如图2-11c所示，励磁绕组与电枢绕组串联，串励直流电机的励磁电流和电枢电流相等，能获得每单位电流的最高转矩，具有起动转矩大、有较好的起动特性以及较宽的恒功率调速范围等特点，这种励磁方式采用较少。

（3）复励 复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，称为并励绕组；另一个与电枢绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组产生的磁动势若方向相同，称为积复励，否则称为差复励，两种连接方式如图2-11d、e所示。励磁绕组所消耗的功率虽然仅占直流电机额定功率的1%～3%，但是直流电机的性能随着励磁方式的不同将产生很大差别。

三、直流电机的特点及性能参数

1.直流电机的特点

直流电机的优点是具有优良的电磁转矩控制特性，起动转矩、制动转矩大，易于快速起动、停车；调速比较方便，调速范围宽，易于平滑调节；控制装置简单、价廉。直流电机的磁场和电枢可以分别控制，因此控制起来比较容易，而且控制性能较好。直流电机的容量范围很广，可以根据所需的转矩和最高转速来选用所需要的容量。市场上有各种不同结构的直流电机供选用，直流电机的制造技术和控制技术都较成熟，驱动系统价格较便宜。

直流电机的缺点是效率较低、质量大、结构较复杂、体积大且价格贵。直流电机上有电刷、换向器等接触零件，它们容易磨损，在高速旋转时电刷与换向器之间会产生火花，严重时形成“环火”，限制了直流电机转速的提高。

在早期开发的电动汽车上多采用直流电机，但在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电机了。

2.直流电机的性能参数

根据国家标准，直流电机的额定数据有额定容量 P _e （kW）、额定电压 U _e （V）、额定电流 I _e （A）、额定转速 n _e （r/min）、励磁方式、额定励磁电流 I _fe （A）及额定励磁电压 U _fe （V）等。额定容量是指其轴上输出的机械功率，等于额定电压与额定电流之积再乘以机械效率。直流电机的额定效率 η _e ，是直流电机在额定状态下运行时输出机械功率与输入电功率之比。

四、直流电机的工作特性

电动汽车所用电机的机械特性（指电机的电磁转矩和转速间的关系）是非常重要的，电机的种类不同，其机械特性也不同。此处仅以常见的他励电机和自励中的串励电机为例说明。

1.他励电机

在表示转速 n 和转矩 T 的关系时，通常以 n 为纵坐标， T 为横坐标。考虑到汽车发动机表示 n 和 T 关系的习惯，在本书中以 T 为纵坐标、 n 为横坐标表示 n 和 T 的关系。

由他励电机的基本原理可以得到转速 n 和转矩 T 的关系（图2-12）。图2-12中 T _e 和 n _e 分别为额定电磁转矩和转速。 n ₀ 为理想空载转速（即 T =0时的转速，实际工作时，由于有空载损耗，电机的 T 不会为0）。在电机运行时，电磁转矩（驱动转矩）、外加负载转矩和空载损耗转矩之间必须平衡。当负载转矩发生变化时，通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡，当 T 偏离 T _N 时，转速将增大或减少。但由于电机的电枢电阻很小，所以在负载变化时，转速 n 的变化不大，即他励电机的特性属硬机械特性。

2.串励电机

串励电机的转速 n 和转矩 T 的关系如图2-13所示。串励电机的特点是励磁绕组的电流和电枢绕组的电流相同。在理想情况下， n =∞时， T =0，但实际上负载转矩不会工作在 T =0的状态（因为电机有空载损耗转矩存在），但空载时 T 很小， n 很高，因此串励电机不允许空载。随转矩的增大，串励电机 n 下降很快，这种特性属软机械特性。

五、直流电机的控制

由图2-12和图2-13可知，普通直流电机的机械特性无法满足汽车对驱动动力的要求。因此，车用电机多具有复杂的控制系统。一般而言，直流电机的控制可以通过两种方法实现，即电枢控制和励磁控制。当直流电机电枢电压减小时，电枢电流和电机转矩就会降低，由此引起电机转速降低。反之，当电枢电压增加时，电机转矩就会增加，由此也会引起电机转速增加。由于电枢的最大允许电流不变，且磁场是固定的，所以通过电枢电压的控制可在任何转速下保持最大转矩不变。然而，由于电枢电压不能超过其额定值，这种控制方法只适于直流电机的工作转速低于额定转速（基速）的场合。另外，当电枢电压值恒定，直流电机的励磁电压减弱时，电机的感应电动势就会降低。由于电枢电阻很小，电枢电流增大的程度比磁场减弱的程度要大，因此，电机转矩增加，电机转速也随之增大。由于电枢的最大允许电流是常数，当电枢电压保持不变时，无论转速多大，感应电动势都是恒定的。因此，电机所允许的最大功率恒定，允许的最大转矩随电机转速的变化而逆向变化。

为使电动汽车的直流电机有较宽的转速控制范围，电枢控制必须和励磁控制相结合。当电机转速在零与额定转速之间时，励磁电流保持在额定值，采用电枢控制。当电机转速超过额定转速时，电枢电压保持在额定值，采用励磁控制。采用电枢控制和励磁控制后电机的转矩和功率随转速的变化如图2-14所示。但对于不同的汽车驱动系统而言，实际电机的机械特性曲线形状可以是不同的，如图2-15所示为他励和串励直流电机机械特性实例。串励直流电机几乎没有等功率部分，他励直流电机的等功率部分也非常相近。

汽车运行工况与电机的转矩和转速有关，汽车运行工况不同时电机效率不同。从汽车的运行经济性考虑，应尽量使电机运行在最高效率区域。随着电机种类的不同，电机高效率运行工况区是变化的。如图2-16所示为一个他励直流电机的等效率特性曲线，在较小转矩和中、高转速工况区域内经济性较高。可见，对于汽车这种运行工况多变的交通工具，从提高经济性的角度考虑，应尽量把驱动电机控制在高效率范围之内运转。

六、直流电机的起动、调速和反转

1.直流电机的起动

将静止不动的电机的电路与电源接通，使电机的转动部分旋转起来，最后达到正常运转，叫做电机的起动。若不用任何起动设备而是将电机直接往电源上连接，这种起动方法叫做直接起动，其起动电流很大。当电机刚与电源接通时电枢还没有旋转，反电动势等于零，这时通过电枢的电流（即起动电流）应为

式中 U ——电动机端电压；

E _f ——电源电动势；

R _s ——电动机内电阻；

I _q ——电动机起动电流。

因为电枢内电阻很小，外加电压又是额定值，所以电动机在直接起动时的电枢电流将比额定电流大十几倍，甚至几百倍。这样大的电流会使得换向器上产生强烈的火花，可能把换向器烧坏。所以，起动时必须在电枢电路中串联一个起动变阻器来减小起动电流，如图2-17所示。为了获得较大的起动转矩而又不至于使换向器受到损伤，一般把起动电流限制为电枢额定电流的1.5～2.5倍，即

利用式（2-2），可计算出所需起动电阻 R _q 的数值。在起动过程中，随着电动机转速的增加，电枢电流逐渐减小，起动电阻也应慢慢减小。待电动机转速达到额定值时，起动电阻应减小到零。

另外，在起动时，还应把励磁电路中的磁场变阻器 R _s 放在电阻最小的位置，以使磁通最大，这样，就可使电动机产生足够大的起动转矩，并使得反电动势增加较快，以缩短起动过程。

2.直流电机的调速

由并励直流电机的转速公式可知，电机的转速包括以下三种调节方法。

（1）改变供电线路的电压 U 这种方法的调速范围很广泛，但必须具有专用的直流电源。采用发电机—电动机组以及可控硅整流电路均能得到可调节的电压。

（2）改变电枢线路的电压降 在电枢电路中串联一个调速变阻器 R _q 可减小加在电枢上的电压，如图2-18所示。如果把 R _q 增大，则电阻电压降增大，转速 n 下降。这种方法因电枢电流较大，使得调速变阻器本身要消耗大量的功率，因此不经济。

（3）改变磁极磁通 在励磁电路中串接一个磁场变阻器可以调节电机转速，如图2-19所示。如果把磁场变阻器的阻值增加，则励磁电流减小，磁通也随之而减小，电机的转速便升高。一般励磁电路中的电流很小，在调速过程中磁场变阻器的能量损失也较小，比较经济，因此这种调速方法在电力拖动中应用甚广。

若串励电机也采用改变磁通的方法来调节转速，则磁场变阻器必须和串励绕组并联，如图2-20所示。当把磁场变阻器的阻值减小时，通过变阻器的电流增大，而通过串励绕组的电流减小，其所产生的磁通也随之减少，转速 n 升高，见式（2-1）。

3.直流电机的反转

电机的旋转方向是由电枢绕组的导体在磁场中的受力方向决定的。改变电枢电流的方向或改变磁场电流的方向，即可使直流电机反转。具体方法是将连接在电源上的电枢两端反接，或者将励磁绕组两端反接。如图2-21所示，若同时改变两电流的方向，则旋转方向仍旧不变。

七、直流电机在电动汽车上的应用

直流电机体积和质量大，存在换向火花、电刷磨损以及电机本身结构复杂等问题，随着交流变频调速技术的发展，交流调速电机在电动汽车上的应用发展迅速。但是直流电机的控制方法和结构简单、起动和加速转矩大、电磁转矩控制特性良好、调速比较方便、不需检测磁极位置、技术成熟、成本低，现在仍在很多场合使用，如城市中的无轨电车和电动叉车较多地采用直流驱动系统，很多电动观光车和电动巡逻车上也使用直流电机。 +a7SEXjbPfGJn4/E8nF6y3gDe1yVknlh8g7G2pZ4j3Glih1xTQyMMJ5Us9mTgrXR

第三节
电动汽车用三相异步感应电机

一、三相异步感应电机的特点、结构、原理与性能

1.三相异步电机的特点

交流电机可分为同步电机和异步电机两大种类。

如果电机转子的转速 n 与定子旋转磁场的转速 n ₁ 相等，转子与定子旋转磁场在空间同步旋转，这种电机就称为同步电机。如果 n 不等于 n ₁ ，转子与定子旋转磁场在空间旋转时不同步，这种电机就称为异步电机。

异步电机具有结构简单、价格便宜、运行可靠、维护方便和效率较高等优点，因此得到广泛应用。

异步电机的缺点是功率因数低，运行时必须从电网吸收无功电流来建立磁场，故其功率因数小于1。大量的异步电机在电网中运行，使电网的功率因数降低，所以必须用其他的办法进行补偿。

2.三相异步电机的结构

三相异步电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、使用维护方便、可在恶劣环境下使用等优点。图2-22所示为小型普通三相异步电机的结构分解图。

三相异步电机主要由定子（固定部分）和转子（旋转部分）两个基本部分组成。定子和转子之间有0.25～2mm的气隙。

（1）定子 三相异步电机的定子部分包括机座、装在机座内的圆筒形定子铁心以及其中的三相定子绕组。

1）定子铁心。交流电机定子铁心是电机磁路的一部分，并用来安放定子绕组。为了减少定子铁心中的损耗，铁心一般用厚度为0.35～0.5mm、表面有绝缘层的硅钢片冲片叠装而成，铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以安放定子绕组，如图2-23所示。

2）定子绕组。定子绕组的作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。

小型电机定子绕组常用高强度漆包线绕成线圈后再嵌入定子铁心槽内。三相定子绕组六个出线端引到电机机座的接线盒内，标有U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 、U ₂ 、V ₂ 、W ₂ 。其中，U ₁ 、U ₂ 是第一相绕组的两端，V ₁ 、V ₂ 是第二相绕组的两端，W ₁ 、W ₂ 是第三相绕组的两端。如果U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 分别为三相绕组的始端（头），则U ₂ 、V ₂ 、W ₂ 是相应的末端（尾），三相绕组可以按照需要接成星形（）或三角形（△），具体连接方式如图2-24所示。

3）机座。机座的作用是固定定子铁心，并通过两个端盖支撑转子，同时保护整个电机的电磁部分和散发电机运行时产生的热量。

（2）转子 转子是电机的旋转部分，由转子铁心、转子绕组及转轴等组成。

1）转子铁心。转子铁心是圆柱状的，用0.5mm的硅钢片冲制叠压而成，表面冲有分布均匀的槽孔，用来放置转子绕组。

2）转子绕组。转子绕组的作用是与定子相互切割磁场，产生感应电动势和电流，并在旋转磁场的作用下产生电磁转矩而使转子转动。

转子绕组根据构造的不同可分为笼型和绕线转子两种。

①笼型转子绕组。笼型转子绕组的铁心是圆柱状的，在转子铁心的槽内放置铜条，其两端用端环相接，呈笼状，所以称为笼型转子绕组。也可以在转子铁心的槽内浇注铝液，铸成一个笼，如图2-25所示。这样便可以用铝代替铜，既经济又便于生产。

目前，中、小型笼型异步电机几乎都采用铸铝转子。

②绕线转子绕组。图2-26所示为绕线转子绕组的接线图，绕线转子绕组同定子绕组一样，也是三相的，连接成星形。每相绕组的始端连接在三个彼此绝缘的铜制集电环上，集电环固定在转轴上。环与转轴之间都是互相绝缘的。集电环上压着碳质电刷，电刷上又连接着三根外接线。起动电阻和调速电阻是借助于电刷与集电环和绕线转子绕组连接的。

③转轴。转轴的作用是传递转矩及支撑转子。

（3）气隙 定、转子之间的间隙称为气隙。气隙很小，通常为0.2～1mm。尽管气隙只是定子与转子之间的间隙，但它对电机的性能影响很大，气隙不均匀会造成电机运转不平稳，运行性能变差。

3.三相异步电机的工作原理

（1）转子转动原理 图2-27是转子转动原理示意图。当手摇磁极旋转时，转子也跟着旋转。因为磁极旋转时，磁极与转子发生相对运动，转子导体切割磁力线，产生感应电动势和感应电流（其方向可用右手定则确定）。转子导体中的感应电流受到电磁转矩的作用（其方向可根据左手定则确定），于是转子顺着磁铁的转向旋转。

（2）旋转磁场的产生 当定子绕组接通三相正弦交流电后，三相正弦交流电在三相绕组中都产生磁场。由于三相定子绕组按一定规律嵌放，所以它们的合成磁场是随电流的交变在空间不断旋转，因此称作旋转磁场。

以两极三相异步电机为例，说明旋转磁场的形成。图2-28a是形联结的三相两极定子绕组排列图。

当三相绕组的首端U ₁ 、V ₁ 、W ₁ 分别接到三相对称电源上时，三相绕组中便有三相对称电流通过。设三相电流的相序为U—V—W，U相的初相位为零，各相电流互差120°的相位角，如图2-28b所示。

三相绕组通过三相正弦交流电时，各自产生按正弦规律变化的磁场，三个磁场在定子中形成合成磁场。下面讨论合成磁场的变化规律。在图2-28b中，分别取 ωt =0、π/2、π、3π/2、2π等几个时刻，并规定：当电流为正时，电流从绕组的始端流进末端流出；当电流为负时，电流从绕组的末端流进始端流出。

1）当 ωt =0时： i _U 为0， i _V 为负值， i _W 为正值。此时，绕组U ₁ —U ₂ 中无电流通过，不产生磁场；绕组V ₁ —V ₂ 中的电流是由V ₂ 端流进，V ₁ 端流出；绕组W ₁ —W ₂ 中的电流是由W ₁ 端流进，W ₂ 端流出。运用安培右手螺旋定则可以确定该瞬间的合成磁场为一对磁极，其方向是自上而下。

2）当 ωt =π/2时： i _U 为正的最大值， i _V 、 i _W 均为负值。此时绕组U ₁ —U ₂ 中的电流是由U ₁ 端流进，U ₂ 端流出；绕组V ₁ —V ₂ 中的电流是由V ₂ 端流进，V ₁ 端流出；绕组W ₁ —W ₂ 中的电流是由W ₂ 端流进，W ₁ 端流出。此时电流所产生的合成磁场已在空间按顺时针方向转过90°，且极数不变。

3）当 ωt =π时用上述方法可推出：合成磁场的方向已从 ωt =0°时的位置沿顺时针方向转过180°；同理，当 ωt =3π/2时，合成磁场转过270°；当 ωt =2π时，合成磁场转过360°（即一周）。以上各磁场的方向分别如图2-28c所示。

（3）旋转磁场的方向 旋转磁场的方向决定着电机的转向，而旋转磁场的转向由三相交流电的相序确定。因此，只要对调任意二相绕组与电源的连接，就可改变合成磁场的转向，实现电机反转。

（4）旋转磁场的极数 旋转磁场的极数与三相绕组的排列有关。如果各绕组互差120°电角度，则产生两极旋转磁场（ p =1）。如果每相绕组有两个线圈串联，各相绕组互差60°电角度，则产生四极旋转磁场（ p =2）。因此，只要将三相绕组按一定规律排列，就可得到所需的磁极。旋转磁场的极数也就是异步电动机的极数。

（5）旋转磁场的转速 旋转磁场的转速由磁极数决定。当 p =1时，交流电每变化一周，磁场也旋转一周（360°）。设交流电的频率为 f ，则旋转磁场的转速 n ₀ =60 f ，转速的单位为转/分（r/min）。当 p =2时，交流电交变一周，磁场在空间旋转1/2周（180°），即 n ₀ =60 f /2。同理，当 p =3时，则 n ₀ =60 f /3。由此可知

n ₀ =60 f/p （2-3）

式中 n ₀ ——旋转磁场的转速（r/min）；

f ——三相交流电的频率（Hz）；

p ——旋转磁场的磁极对数。

可见，旋转磁场的转速由电流的频率 f 和磁极的对数 p 决定。由于电动机的 f 和 p 是定值，所以磁场转速是个常数。

（6）转差率 异步电机转子与磁场的旋转方向相同，如果转子转速 n 等于旋转磁场的转速 n ₀ ，转子与磁场间就不存在相对运动，转子也不会产生感应电流和电磁转矩，转子就不可能继续以转速 n 旋转。所以，转子转速必须小于旋转磁场的转速。这就是异步电机名称的由来。异步电机转速和旋转磁场转速间的转速差与旋转磁场转速（同步转速）的比值，称为转差率 s （常用百分数表示），即

式中 s ——转差率；

n ₀ ——旋转磁场的转速（r/min）；

n ——转子转速（r/min）。

一般异步电机在额定工作状态下的转差率为1%～3%。

4.三相异步电机的性能

三相异步笼型电机的功率容量覆盖面很广，从零点几瓦到几千千瓦，它可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现再生制动。与同样功率的直流电机相比较，效率较高，质量约为1/2。

三相异步电机能够大批量生产，有各种不同型号规格的系列产品可选用，其主要性能指标有额定功率、电压、电流和频率等。

额定功率 P _e ：电机在额定工况下运行时，轴上输出的机械功率，单位为kW。

额定电压 U _e ：电机在额定工况下运行时，加在定子绕组上的线电压，单位为V。

额定电流：指电机工作在额定电压和额定频率下输出额定功率时，定子绕组中的电流，单位为A。

额定频率 f _e ：指电机所接的交流电源的频率，单位为Hz。

额定转速 n _e ：指电机工作在额定电压、额定频率和额定输出功率时，电机的转速，单位为r/min。

三相异步电机的额定转速决定于交流电源的频率、电机的磁极对数和转差率。三相异步电机的最高转速能达到10000～12000r/min。

二、三相异步电机的控制

三相异步电机的控制大体分为两种：矢量控制（FOC）和直接转矩控制（DTC）。

1.矢量控制

矢量控制的思想是模拟直流电机，求出交流电机电磁转矩与之对应的磁场和电枢电流，并分别加以控制。其特点如下：

①可以从零转速开始进行控制，调速范围很宽。

②转速控制响应速度快，且调速精度较高。

③可以对转矩实行较为精确的控制，电机的加速特性也很好。

④系统受电机参数变化的影响较大，且计算复杂，控制相对繁琐。

目前矢量控制理论已很完善和成熟，可满足电动汽车的动力性要求。

2.直接转矩控制

在定子坐标下，通过检测电机定子电压和电流计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。不受转子参数随转速变化而变化的影响，简化了控制结构，动态响应快，因此受到广泛关注。其特点如下：

①调速精度较高，响应速度快。

②计算简单，而且控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接。

③信号处理的物理概念明确，动静态性能均佳。

④调速范围较窄，低速特性有脉动现象。

在技术实现上，直接转矩控制往往很难体现出优越性，调速范围不及矢量控制宽，其根源主要在于其低速时，转矩脉动的存在以及负载能力的下降，这些问题制约了直接转矩控制进入实用化的进程。

三、三相异步电机在电动汽车中的应用

交流异步电机是一种应用广泛的电机，它运行可靠，转速高，成本低。从技术水平看，交流异步电机驱动系统是电动汽车用驱动系统的理想选择，但是，在高速运行时转子容易发热，需要对电机进行冷却，且其提速性能较差。因此，交流异步电机适合大功率、低速车辆，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车，如国内主流客车企业生产的广汽GZ6120EV1、金龙XMQ6126YE、申沃SWB6121EV2等电动客车均采用三相交流异步电机系统。 q2O5lcAGmYjb/WwyIXbThwp8IewNZvMlEfNzNYNBa17sOU6qrRueSsO+bI6GPFtu

第四节
电动汽车用永磁电机

一、永磁电机的种类及特点

永磁驱动电机有多种分类方法，根据输入电机接线端的电流种类可分为永磁直流电机和永磁交流电机。由于永磁交流驱动电机没有电刷、换向器或集电环，因此也可称为永磁无刷电机。根据输入电机接线端的交流波形，永磁无刷电机可分为永磁同步电机和永磁无刷直流电机。输入永磁同步电机的是交流正弦或近似正弦波，采用连续转子位置反馈信号来控制换向；而输入永磁无刷直流电机的是交流方波，采用离散转子位置反馈信号控制换向。

由于方波磁场与方波电流之间相互作用而产生的转矩比正弦波大，所以，永磁无刷直流电机的功率密度大，但是由功率器件的换向电流引起的转矩脉动也大。而正弦波产生的转矩基本是恒转矩或平稳转矩，与电磁式同步电机相同。

电动汽车驱动用的永磁无刷电机还有一种新型的永磁混合式电机。这种电机的特点是既有永磁体又有励磁绕组，永磁体通常嵌入转子之中，励磁绕组固定于定子上。这种驱动电机没有采用任何特殊的控制策略，通过调节直流励磁电流来控制气隙磁通，就可获得比其他永磁电机宽的转速范围，特别是在高速区，弱磁控制能很好地满足电动汽车恒功率运行的要求。由于这种电机的结构和磁路与其他电机不同，它可归为另一类永磁无刷电机。

已有的永磁电机可分为永磁直流电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机及混合式电机四类，后三类由于没有传统直流电机的电刷和换向器，故统称为永磁无刷电机。永磁材料是制约永磁电机性能的一个关键因素。材料按照磁导率的值分为反磁材料、顺磁材料和铁磁材料三类。

二、永磁同步电机

永磁同步电机的定子与传统的同步电机一样，转子采用径向永久磁铁做成的磁极（图2-29）。与电磁式同步电机类似，永磁同步电机的转子与旋转磁场同步旋转，旋转磁场的转速取决于电源频率，与多相交流电机的同步电机和感应电机类似，永磁同步电机可以产生理想的恒转矩，也称平稳转矩。

根据永磁体在转子上安装位置的不同，永磁同步电机可分为表面式和内置式。表面式同步电机的优点是结构简单，有较大的有效气隙，电枢反应大大降低。与表面式同步电机相比，内置式同步电机有较高的磁显性，可产生额外的磁阻转矩分量，这在恒功率运行时是很有用的。将永磁体嵌入转子，可保持高速运行时的机械完整性。

永磁同步电机的原理如图2-30所示。图2-30a为两相式。当定子A、B相电流的方向改变时，定子A、B相的磁场方向改变，因此永久磁铁就可旋转。图2-30b为三相式， n ₀ 、 T 和 θ 分别为同步转速、转矩和功率角。电机的转子是个永久磁铁，N、S极沿圆周方向交替排列，定子可以看作是一个以速度 n ₀ 旋转的磁场。电机运行时，定子中存在着旋转磁动势，转子像磁针在旋转磁场中旋转一样，随着定子的旋转磁场同步旋转。

永磁电机因应用永磁体，所以不用励磁，从而省去了励磁功率。永磁同步电机同步运转时，转子既无能耗，又无铁耗，因此效率提高，耗损降低，无功功率很小，其主要特点可归纳为如下4个方面。

①高效节能、功率因数高。永磁同步电机与其他电机效率的比较如图2-31所示。一般效率达到95%以上，比Y系列异步电机提高10%～15%。因永磁同步电机没有励磁功率，无功损耗很小，功率因数为0.95～0.99，接近于1，系统综合节电明显。

②效率曲线平直。永磁同步电机效率曲线好，负载在1/4时，效率仍能达到92%以上。

③结构简单，便于维护。与一般异步电机相同，主要由定子、转子及机壳构成，无集电环、电刷，结构简单、寿命长、维护方便。

④调速精度高。永磁同步电机的转速与频率变化完全同步，不受电源电压和负载变化的影响。在任何情况下，永磁同步电机的转速与同步转速的误差都不大于0.25r/min，如果误差超过0.5r/min，就进入失步状态。

三、永磁无刷直流电机

1.永磁无刷直流电机的结构

永磁无刷直流电机在转子上装有永久磁铁。转子采用径向永久磁铁做成的磁极，磁铁被插入转子内部，或以瓦形固定在转子表面上，所以电机的转子磁路是各向均匀的。转子上无电刷和换向器，转子上不再用励磁绕组、集电环和电刷等来为转子输入励磁电流。电机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电机十分相似。永磁无刷直流电机在工作时，定子中输入电流的波形通常为方波。

2.永磁无刷直流电机的特点

永磁无刷直流电机因为没有电刷与换向器，所以没有维修与保养的需要；因为采用永磁，所以没有励磁损耗的问题。与其他电机相比，其特点如下：

①低频转矩大，低速可以达到理论转矩输出；起动转矩可以达到额定转矩的两倍或更高，并且过载容量高，负载转矩变动在200%以内输出转速不变。

②转速弹性大，转速范围为几十转到十万转；运转精度高，转速精度可达1/3000r/min，并且不受电压与负载变动的影响。

③结构简单牢固、免维护或少维护，运转费用更低，没有保养维修的烦恼。

④永磁无刷直流电机尺寸小、质量轻，具有很高的功率密度。

⑤综合效率高，明显高出有刷直流电机的效率及欧盟CEMED效率标准。

永磁无刷直流电机的主要不足是励磁不能控制，因此永磁电机不能得到类似于电磁式直流电机的工作特性，另外，控制系统较为复杂。

3.有刷直流电机与永磁无刷直流电机电动汽车的性能比较

采用永磁无刷直流电机的电动汽车与采用有刷直流电机的电动汽车相比，具有明显的优势。其主要优势见表2-2。

四、永磁混合电机

永磁混合电机的结构特点是其转子是混合式永磁型磁性转子。在永磁型磁性转子中嵌入附加励磁绕组来对磁通量进行控制，达到加宽转速范围及改变电机机械特性的目的。因此，控制励磁电流就成了控制这种电机的关键。一般在高速恒功率区运行时，对永磁体产生的气隙磁场进行弱磁控制。永磁混合式电机一般采用串联和并联结构。由于永磁体磁导率低，串联结构通常要求感应电动势较高，所以没有并联结构那么受人们青睐。

永磁混合电机的优点有4个方面：

①永磁体有励磁绕组，气隙磁通密度和功率密度高。

②通过采用磁通集中排列来安装永磁体，使其气隙磁通密度高于单独安装的永磁体。通过调节直流励磁电流的方向和大小，气隙磁通可以灵活调节，因此，转矩—转速特性能满足电动汽车驱动的特殊要求。

③调节励磁电流可减弱永磁体产生的气隙磁通，使恒功率运行的速度范围显著提高。

④适当调节电源电压和直流励磁电流，可以优化电机驱动范围的效率图，因此可以提高电动汽车驱动效率，如爬坡时低速高转矩和巡行时高速低转矩工作区的效率。这类电机的主要缺点是结构相对复杂。

五、永磁同步电机在电动汽车上的应用

与传统的电励磁电机相比，永磁同步电机特别是稀土永磁同步电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多变等显著优点，在电动汽车电驱动系统中具有很高的应用价值。现在很多电动乘用车均使用永磁同步电机，如日系车中的丰田2010普锐斯，本田INSIGHT和日产ALTIMA。在欧洲各国也大多采用永磁同步电机，如奥迪A8 Hybrid、宝马Active Hybrid7（图2-32），我国现阶段推广应用的主要车型比亚迪e6（图2-33）、北汽C30等也采用永磁同步电机。我国永磁材料资源储备丰富，永磁同步电机制造成本也将进一步降低，相对于其他种类的电机，其优势必将更加显著。