电动汽车驱动电机及控制系统——《直流电机》

传统汽车的动力来源于发动机， 电动汽车以电机驱动系统代替了发动机作为动力来源，电动汽车中的燃料电池电动汽车、混合动力电动汽车和纯电动汽车都需要使用电机来驱动车轮行驶。选择合适的电机是提高各类电动汽车性价比的重要途径， 因此研发或完善能同时满足车辆行驶过程中的各项性能要求， 并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的驱动电机显得极其重要。这也是提高电动汽车性价比而使其尽快普及应用、搞好节能减排工作的有效途径。电动汽车的动力性能取决于它的电机驱动系统的性能。

5.2 直流电机

直流电机因为具有调速性能好、过载能力强、控制简单等优势，曾经在调速电机领域中独占鳌头，可以说在 20 世纪 70 年代以前，大部分对调速性能要求较高的场合使用的都是直流电机。直流电机也是电动车辆中应用最早且较广泛的电机。由于直流电机存在换向火花、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，直交流调速电机后来者居上。但目前直流电机仍在较多场合被使用，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，特别是对于由蓄电池提供电源的车辆，可直接利用直流电。

5. 2. 1 直流电机的结构

直流电机是 1883 年英国人发明的，后来经过不断的发展，形成如今的将电能转化成机械能的一种成熟装置，在日常生活和工程技术等领域获得广泛的应用。

直流电机主要由机座、电枢、主磁极、换向磁极、换向器、刷架、端盖、风扇、出线盒等组成，如图5-2所示。其构造简图如图5-3所示，其中静止部分叫作定子，转动部分叫作电枢或转子。

1. 定子

定子是由机座、主磁极、励磁绕组、端盖和电刷装置组成。

1)机座。机座是用来固定主磁极电刷架和端盖等部件的， 起支撑、保护作用， 与主磁极铁心、磁轭、电枢铁心一起构成电动机的磁路， 磁通通过整个磁路的情形如图5-4中的虚线所示。

它是用铸铁、铸钢或钢板制成的。

2)主磁极。主磁极的作用是产生气隙磁场。主磁极由主磁极铁心和励磁绕组两部分组成。铁心一般用0.5 ~ 1. 5mm厚的硅钢板冲片叠压珋紧而成， 分为极身和极掌两部分， 上面套励磁绕组的部分称为极身， 下面扩宽的部分称为极掌。极掌宽于极身， 既可以调整气隙中磁场的分布， 又便于固定励磁绕组。励磁绕组用绝缘铜线绕制而成， 套在主磁极铁心上。整个主磁极用螺钉固定在机座上， 如图5-5所示。

3)电刷装置。电刷装置用来引入或引出直流电压和直流电流， 它由刷握、电刷、压紧弹簧和铜丝辫等组成， 如图5-6所示。电刷放在刷握内， 用弹簧压紧， 以使电刷与换向器之间有良好的滑动接触。电刷盒固定在刷杆上， 刷杆装在圆环形的刷杆座上， 相互之间必须绝缘。常常把若干个电刷盒装在同一个绝缘的刷杆上。在电路连接上， 把同一个绝缘刷杆上的电刷盒并联起来， 称为一组电刷。一般的直流电机中， 电刷组的数目可以用电刷杆数表示，电刷杆数与电机的主磁极数相等。

各电刷杆在换向器外表面上沿圆周方向均匀分布， 正常运行时， 电刷杆相对于换向器表面有一个正确的位置， 如果电刷杆的位置放得不合理， 将直接影响电机的性能。刷杆座装在端盖或轴承内盖上， 圆周位置可以调整， 调好以后加以固定。电刷架总成如图5-7所示。

2. 转子

直流电机的转子（电枢）主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，其结构如图5-8所示。

1)电枢铁心。电枢铁心的作用有两个：一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。由千电枢铁心和主磁场之间的相对运动会在铁心中引起涡流损耗和磁滞损耗（这两部分损耗合在一起称为铁心损耗， 简称 “铁耗＂ ），为了减少铁耗， 电枢铁心通常用 0.5mm厚的涂有绝缘漆的硅钢片的冲片叠压而成， 并固定在转轴上。电枢铁心沿圆周有均匀分布的槽， 里面可嵌入电枢绕组， 如图5-9所示。

2)电枢绕组。电枢绕组由许多按一定规律排列和连接的线圈组成， 它是直流电机的 主要电路部分， 是通过电流和感应产生电动 势以实现机电能量转换的关键性部件。

线圈用包有绝缘的圆形和矩形截面导线绕制而成， 亦被称为 元件”，每个元件有两个出线端。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中， 每个元件的两个出线端以一定规律与换向器的换向片相连， 构成电枢绕组。

3)换向器。换向器也是直流电机的重要部件。在直流电机中， 它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上， 与转轴过盈配合， 主要由许多换向片组成， 片与片之间用云母绝缘， 换向片数与元件数相等， 如图5-10所示。

3. 气隙

气隙并不是结构部件， 只是定子的磁极与转子的电枢之间自然形成的缝隙。但是气隙是主磁路的一部分， 气隙中的磁场是电机进行机电能量转换的媒介。因此， 气隙的大小对电机的运行性能有很大的影响。通常， 小容量直流电机的气隙约为1 -3mm, 大容量直流电机的气隙更大。

5.2. 2 直流电机的基本原理

从理论上说， 一台直流电机既可作电动机使用， 也可作为发电机来用，其原理分别建立在电磁力和电磁感应的基础上。图5-11所示为直流电机的物理模型， 是直流发电机的工作原理示意图。

(1)电磁转矩的产生 普通直流电机为有刷直流电机，其工作原理如图5-11所示。

电源的直流电通过电刷和换向片引入可转动的电枢绕组，电枢绕组的两匝边受到磁场力F的作用而形成电磁转矩M, 如图5-lla所示。在M的作用下， 电枢绕组转动， 当ab匝边转到下半平面、cd匝边转到上半平面时，a端换向片与d端换向片交换所接触的电刷，使电枢绕组的电流换向， 而电枢绕组两匝边受磁场力F作用所形成的电磁转矩的方向保持不变，如图5-llb所示。在方向不变的电磁转矩M的作用下， 电枢便可持续转动。

实际的直流电机为产生足够大且稳定的电磁转矩，其电枢由多匝绕组串联而成，并由多个换向片组成换向器。根据安培定律， 可以推导出直流电机通电后所产生的电磁转矩M与磁极的磁通量中和电枢电流 Ia 之间的关系， 即

式(5-1)中， cm 为电机的结构常数， 与电动机磁核对数p、电枢绕组导线总根数z及电枢绕组电路的支路对数a有关。

(2)直流电机的工作过程

1)直流电机工作时的电压平衡方程式。通电的直流电机的电枢在电磁转矩M的作用下转动起来时，电枢绕组就会因切割磁力线而产生旋转电动势，此电动势与电枢电流L的方向相反，故也被称为反电动势 Ef。Ef与磁极的磁通量和电枢的转速n成正比，即

Ce也是电机的结构常数，因此，电枢回路的电压平衡方程式为

式(5-3)中，凡 为电枢回路的电阻，它包括电枢绕组的电阻和电刷与换向器的接触电阻。

2)直流电机通电后的工作过程。在直流电机刚接通电源的瞬间，其电枢转速n为0。电枢反电动势Ef也为 0。这时，电枢绕组通过最大电流 (Imax=U／Ra），并产生最大的电磁转矩 Mmax, 如果最大的电磁转矩大于电机的阻力矩 Mz , 则电枢就开始加速转动起来。随着电枢转速的上升，电枢反电动势Ef增大，电枢电流Ia 便开始下降，电磁转矩M也随之减小。当M降至与电机的阻力矩Mz相平衡） 时，电枢就在此转速下稳定运转。

从直流电机的工作过程可知，直流电机的起动转矩大，在用作电动汽车的驱动电机时，电动汽车的起步和加速性较好。

5. 2. 3 直流电机的励磁方式

从直流电机工作原理和结构可知，主磁极的励磁方式有永磁式和电励磁式两种。电励磁式是给励磁绕组供电，产生励磁磁动势而建立主磁场的方式。根据供电方式的不同，它又可分为他励和自励两类，而自励又被分为串励、并励和复励三种。汽车上常用的有并励直流电机和串励直流电机。

1. 串励直流电机

这种电机的励磁绕组同电枢绕组串联，如图5-12所示，其励磁绕组称为串励绕组。为了减小其电压降及铜损失，串励绕组应具有较小的电阻。因此，它总是用截面积较大的导线绕成，且匝数较少。

2. 并励直流电机

这种电机的励磁绕组同电枢并联，如图5-13所示，其励磁绕组称为并励绕组。由于并励绕组承受着电枢两端的全部电压，其值较高，为了减小它的铜损失，并励绕组必须具有较大的电阻以减小励磁电流。因此，并励绕组的匝数较多，用较细的导线绕成。

3. 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，称为电机的起动。如果不用任何起动设备而是将电机直接连接至电源，这种起动方法称为直接起动，其起动电流很大。当电机刚与电源接通时电枢还没有旋转，因此反电动势等于零，此时通过电枢的电流（即起动电流）应为

式中，Iq为起动电流(A); U 为起动电压(V); Ef为反电动势(V)；Rs为电枢内阻。电枢内电阻很小，外加电压又是额定值，电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。这样大的电流会使换向器上产生强烈的火花，可能把换向器烧坏。因此，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5-14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，通常把起动电流限制为电枢额定电流的1. 5 ~ 2. 5倍。

在起动过程中，随着电机转速的增加，电枢电流逐渐减少，起动电阻也应逐步减小。待电机转速达到额定值时，起动电阻应减小到零。

此外，在起动时，还应把励磁电路中的磁场变阻器，放在电阻最小的位置，以使磁通最大，这样，就可使电机产生足够大的起动转矩，并使反电动势增加较快，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，电机的转速有三种调节方法：

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都能得到可调节的电压。

2)改变电枢线路的电压降。如图5-15所示，在电枢电路中串联一个调速变阻器Rq 可降低加在电枢上的电压。当把Rq 增大，则电阻电压降增大，转速下降。这种方法电枢电流较大，使得调速变阻器本身要消耗大最的功率，因而不经济。

3)改变磁极磁通。在励磁电路中串接一磁场变阻器可调节电机转速，如图5-16所示。如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。通常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，因而这种调速方法在电力系统中应用甚广。

如果串励电机也采用改变磁通的方法来调节转速，则磁场变阻器必须与串励绕组并联，如图5-17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着减小，转速升高。

(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者改变磁场电流的方向，便可使直流电机反转。具体方法是，将连接于电源上的电枢两端反接，或者将励磁绕组两端反接。如图5-18所示，如果同时改变两电流的方向，则旋转方向仍旧不变。

5.2. 4 直流电机的特点

直流电机中，影响转矩产生的电磁力可根据左手定则进行判断，因为直流电机的驱动装置很简单，所以在早期的电动汽车以及期望获得更简单的结构的电动汽车中都有应用。

在电动汽车中作驱动用的直流电机有如下特征：

1) 通过对电枢电流的控制，可以非常简单地实现对转矩的线性和高速控制。

2) 通过改变励磁绕组的电流，可以很容易实现弱磁，从而使高速运行也变得简单可行。

3) 串励电机在低速时可自动地获得大转矩。

但是，直流电机也存在一些问题，例如，由于存在电刷、换向器等易磨损器件，必须定期对其进行维护和更换，并且限千转子电枢的结构，直流电机不适合用千高速旋转的情况等，与其他类型的电机相比，直流电机一般体积比较大。因此，目前除了在小型汽车中广泛使用外，在其他汽车的使用中，交流电机正日益取代直流电机。

小功率(0. 1 ~ lOkW)的电机采用的是小型高效率的永磁无刷直流电机，可以应用在小型、低速的搬运设备上。例如，在动力辅助电动自行车、休闲用电动汽车、供步行困难者使用的电动三轮或四轮汽车、轮椅中使用的动力辅助装置、高尔夫球车、叉式升降机以及小型汽车等中都有实际应用。尤其是在以轻型化为目的的电动机中，采用了稀土类磁铁。

中等功率(10 ~ lOOkW)的直流电机中采用了他励、复励以及串励电机。此电机有在配送用的电动汽车等中实际应用的例子。

大功率的直流电机沿用以前的电车技术，采用了串励电机。例如，在要求低速、高转矩的矿石搬运电动车中，采用的是功率为278kW的串励电机。但在此场合利用发动机的发电机作为电源，就没有回收制动时所耗能量的功能。因为串励电机具有适合于电动汽车的转矩 特性，所以适用于要求简单且频繁加减速的运行和驱动。

电动汽车专用的直流电机的结构和一般的直流电机的结构没有显著的差别，同一般工业用的电机相比，有以下特点：

1) 电枢轴要延长，以便安装用于速度检测的脉冲发生器和推力轴接头。
2) 转子直径要设计得小些，轴长要设计得长些以适应高速旋转。
3) 为了便于散热，电枢槽要设计得多些。
4) 为了换向器、电刷等的定期检查和维护，检查口应制造得大些。
5) 由于振动，为了防止电刷的误动作，应提高电刷的预压紧力。6)和其他电动汽车用电机相同，短时功率（最大功率值）和额定功率应记录在铭牌上。电动汽车专用的直流电机和其他通用的电机相比，需要考虑的事项有耐高温性、抗振动性、低损耗性、抗负载波动性等。此外，还有小型轻量化、免维护性等技术上的难题需解决。 

1)抗振动性。直流电机与其他电动汽车用电机相比，因为拥有较重的电枢，所以在路面凹凸不平时的车辆振动(3~5g)会影响到其轴承所承受的机械应力，对于这个应力进行监控和采取相应的对策是很有必要的。同时，因为振动很容易影响到换向器和电刷的滑动接触，所以也采取了提高电刷弹簧的预压紧力等措施。

2)对环境的适应性。鉴于直流电机在电动汽车中使用时与在室外使用时的环境大体相同，要求在设计中就灰尘和水分入侵等问题给予考虑，而且也要充分考虑散热结构。

3)低损耗性。为了延长一次充电续驶里程以及抑制电机温度的上升，尽量保持低损耗和高效率成为直流电机的重要特性。近儿年，由于对稀土系列（钻、钦、绷等）的永久磁体的研究开发，永磁无刷直流电机中的高效率化是很显著的。

4)抗负载波动性。在市区和郊外行驶中，电机的负载条件多会有5倍左右的变动，因此有必要对额定条件的设定加以斟酌。在市区行驶中，由于交通信号以及其他状况，起动、加速工况很多，不可避免地要经常在瞬时功率（最大承受功率）情况下工作。此时，电刷的电火花和磨损非常剧烈，因此必须对换向极和补偿线圈的设计给予重点关注。

在郊外行驶时，对于电机来说，其输出转矩比较低，在高速旋转大输出功率的情况下，一般说来要以较高效率的额定条件运行。然而，在直流电机中，在其高速旋转的情况下，对换向器部分的机械应力和换向条件的要求会变得很严格。为了避免这种情况，在大型搬运用的电动汽车驱动系统中，大多设置变速器以达到提高起动转矩的目的。

5)小型轻量化。由于要释放被限制的车载空间以及减轻车身总重量，小型轻量化成为设计中的最大问题。而直流电机旋转部分中含有较大比例的铜，即电枢绕组和铜制的换向器，因此与其他类型的电机相比，直流电机的小型轻量化更难实现。可以通过采用高磁导率、低损耗的电磁钢板减少磁性负载，虽然这增加了成本，但可以实现轻量化。

6)免维护性。不管怎么说，对电刷的更换和对换向器片的维护是必需的。关于电刷，虽然有连续长时间使用达一万小时的报告，但由于负载情况和运动速度等使用条件的不同，更换时间和维修作业的次数也是不同的。解决的办法是，采用不损伤换向器片材质的电刷，以及将检查端口制造得大些，以便于检查、维修等。

除此之外，电动汽车用直流电机大多在较低的电压下驱动，同时是大电流电路，因此需要注意连接线的接触电阻。

本文摘编自《新能源汽车技术概论》，机械工业出版社出版，经出版方授权发布。

本书可作为汽车工程类应用型本科及高职高专院校的教材；也可作为汽车工程技术人员、新能源汽车培训教师参考用书；同时适合广大对新能源汽车技术关注的社会人士阅读。

本书由厦门大学嘉庚学院李艳菲、郑伟编著。在本书的编写过程中，编著者做了大量考察研究，参阅引用了一些参考文献中的内容，在此向相关资料的作者致以诚挚的谢意。