电动汽车驱动电机及控制系统——《交流感应电机》

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千它的电机驱动系统的性能。

5.3 交流感应电机

交流感应电机又称异步电机。交流电机有同步和异步两类：同步电机，电机转子的转速与定子旋转磁场的转速相等，转子与定子旋转磁场在空间同步运转；异步电机，电机转子的转速与定子旋转磁场的转速不相等，转子与定子旋转磁场在空间不是同步运转。

与直流电机相比交流感应电机结构简单。从技术水平来看，感应电机驱动系统是电动汽 车用电机驱动系统的理想选择，尤其是驱动系统功率需求较大的大型电动客车。

5. 3.1 感应电机的结构

三相异步电机的种类很多，但各类三相异步电机的基本结构是相同的。三相异步电机主要由定子和转子两大基本部分组成。定子和转子之间有气隙，为了减小励磁电流，提高功率因数，气隙应做得尽可能小。按转子结构不同，异步电机分为笼型异步电机和绕线转子异步电机两种，这两种电机的定子结构完全一样，仅转子结构不同。图5-19所示为封闭式三相笼型异步电机结构图。

1、定子的结构

异步电机定子由定子铁心、定子绕组和机座等组成。定子铁心是电机磁路的一部分，由厚为0. 35 -0. 5mm表面涂有绝缘漆的硅钢片冲槽叠装而成。采用硅钢片的目的是为了减少铁损，片间绝缘可减少铁心的涡流损耗。定子铁心的内圆上开有均匀分布的定子槽，用来嵌放定子绕组。定子绕组是电机的电路部分，三相电机有三组空间互相间隔120° 的三相绕组，每相绕组由若干线圈连接组成，按一定规律嵌入定子铁心线槽内。三相绕组的首、尾共有六个出线端， 若将首尾相连引出三个接线端为三角形连接方式；若将三个尾端并接在一起， 由首端同样引出三个接线端为星形联结方式。电机的接线盒可由三根线引出。但一般引出为六根线， 因而可由用户根据需要连接成星形或三角形。机座的作用主要是固定定子铁心和支撑转子轴， 要求有足够的强度和良好的通风散热条件， 它的外壳表面通常铸有散热片， 以扩大散热面积， 其他还包括前后端盖、轴承盖、风罩、接线盒和吊环等。

2. 转子的结构

异步电机转子主要由转子铁心、转子绕组和转轴组成。转子铁心也是磁路的一部分， 同样由厚为0.35 ~0.5mm, 表面涂有绝缘漆的硅钢片冲槽叠装而成， 铁心与转轴必须可靠地固定， 以便传递机械功率。转子绕组分为绕线型和笼型两种， 如图5-20所示。转子绕组常连接成星形， 将其三条引出线分别接到装在同一轴上的三个集电环上， 并由压在其上的三个电刷将电路引出， 即可在转子电路中串入外接可变电阻器， 以改变转子的阻抗来调节电动机的运行状态和特性， 如图5-21所示。笼型转子绕组由槽内的导条和端环构成多相对称闭合绕组，有铸铝转子和铜排转子两种结构。铸铝式转子把导条、端环和风扇叶一起铸出，结构简单、制造方便，常用于中、小型电动机。 铜排式转子把所有的铜条与端环焊接在一起，形成短路绕组。如果把笼型转子的铁心去掉单看绕组部分，其形似鼠笼，因此称为笼型转子，图5-21a所示为铸铝转子，图5-21b所示为铜排转子。

3. 其他部分

其他部分包括轴承、风扇等。风扇是用来通风冷却电机的。三相异步电机的定子与转子之间的空气隙，一般仅为 0. 2 -1. 5mm。气隙不能太大，气隙大时产生的气隙转矩小，会使电机运行时的功率因数降低；但也不能太小，气隙太小时会引起装配困难，如果内有异物或转轴有径向移动时容易卡堵，运行不可靠，高次谐波磁场增强，引起附加损耗，使起动性能变差。

4． 三相异步电机的铭牌数据

每台异步电机的机座上都有一块铭牌，铭牌上标明生产厂家为用户规定的该电机正常运行时的各种额定数据。主要数据如下：

1)额定功率Pe :指电动机额定运行时轴端输出的机械功率，单位为W或kW。

2) 额定电压Ue :指电动机额定运行时定子绕组应接入的电源线电压，单位为V。

3) 额定电流le :指电动机在额定电压下，输出额定功率时，定子绕组的线电流，单位为A。

4)额定频率fe: 按规定，标准工业用电的频率（工频）为50Hz。

5)额定转速Ne：指电动机在额定电压、额定功率及额定频率下的转速，单位为r/min。

除此之外，铭牌上还标有定子绕组相数、连接方法、绝缘等级、功率因数、效率、温升和重量等。对绕线转子异步电机还标有转子额定电压（指定子绕组加额定电压，转子开路时集电环之间的线电压）和转子额定电流。

5. 3. 2 感应电机的工作原理

交流感应电机是根据电磁感应原理制成的，当U形磁铁以转速m旋转，线圈中的导线将切割磁力线，从而产生感应电动势e,且有e =Blv 式中，B为磁感应强度(T); l为导体长度(m); V 为线圈的切割速度(m/s)。

感应电动势方向满足右手定则，如图5-22 中箭头所示，因为线圈是闭合的导体，所以产生感应电流， 电流方向如箭头所示。带电的导体在磁场中将受电磁场的F作用， 且有F= Bil, 方向满足左手定则， 如图5-22所示。在电磁力F的作用下，线圈也将逆时针方向旋转， 与磁场旋转方向相同， 转速为n, 且n <n1。

交流感应电机的旋转磁场是由通入定子绕组的三相对称交流电产生的， 设流入三相定子绕组的电流方程为

波形如图5-23所示。

不同时刻三相合成旋转磁场的位置如图5-24所示， 当wt =0时， AX线圈中没有电流通入， BY线圈中的电流是从B端流出， Y端流入；CZ线圈中的电流是从Z端流出，C端流入。根据右手螺旋法则， 合成磁场的位置即N极和S极的位置如图5-24a所示。同理， 叫为60°、120°、180°时， 合成磁场的位置分别如图5-24b、图5-24c和图5-24d所示。

在定子绕组上加上三相交流电源后产生顺时针方向旋转的磁场，这个磁场使定子铁心中产生磁通， 转子绕组由于切割这个磁场而感应出电动势， 在闭合的转子绕组中将有感应电流流动。当改变相序时， 电动机转向将相反， 这个旋转磁场的转速也叫作同步转速，其值为

式中，f8 为通入定子电流频率(Hz); Pn 为电机的极对数。

在交流感应电机中有一个非常重要的物理量叫转差率， 其定义为旋转磁场的同步转速(ns ）与转子转速(n)之差， 用S来表示， 其值为

5. 3. 3 感应电机的控制

在主磁极励磁磁通保待恒定的条件下， 直流电机的电磁转矩与电枢电流呈线性关系， 通过电枢电流的控制就可以实现准确的转矩控制。交流感应电机的定子电流与电磁转矩之间具有复杂的非线性关系， 因此它不可能像直流电机一样通过简单的调节电枢电流来控制电磁转矩。并且直流电机的励磁电流和电枢电流是各自分开独立控制的， 而交流感应电机只能对定 子进行控制， 使控制难度加大。交流感应电机的常用控制方法分为变压变频控制、转差频率 控制、矢量控制和直接转矩控制等几种， 其中矢量控制技术能使交流感应电机得到和直流电 机一样的调速特性， 目前已经成为较理想的高性能交流感应电机的控制方法。

1、感应电机的矢量控制 

失扯控制理论是在 1971 年最先由德国学者 F. Blachke 提出的。直流电机之所以具有良好的控制特性， 其根本原因是被控参量只有磁极磁场和电枢电流， 且这两个量互相独立。此外， 电磁转矩与磁通和电枢电流之间均为线性关系。如果能够模拟直流电机， 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， 就会使交流电机具有与直流电机近似的控制特性。为此， 必须将三相交变量（矢量） 转换为与之等效的直流械（标量）， 建立起交流电机的等效模型． 然后按直流电机的控制方法对其进行控制。

定子电流与转子电流和励磁电流之间的关系为

相位角0为

在对E/f进行控制的基础上，通过检测电机的实际转速nn 对应的频率儿并按照希望得到的转矩来对输出的频率进行控制。调节相位角0对定子电流的相位进行控制，称为电机的矢量控制方法。矢量控制可以消除转差频率控制在转矩电流过渡过程中的波动，提高电机控制的品质。

图5-25为感应电机的等效电路图和电流矢量图，如果需要将电机的I1改变为I2 时， 只有改变I1的相位角从01 变为02 ,也就是要对定子的电流进行矢量变换控制来实现控制转子电流 12 的幅值， 以保证转矩电流平稳的变化，对定子的电流进行矢量变换控制来实现控制转子电流 12的幅值的控制方法，称为转差频率控制方法。 

2. 感应电机的矢量控制系统

图5-26为感应电机的矢量控制系统， 由变换器输入直流电源输送到电压型晶体管逆变器中，经过逆变器转换的三相交流电来驱动三相感应电动机(IM )。感应电机的矢量控制的逆变器系统，用DSP系统和控制回路控制，电流传感器将三相交流电信号传送到A/D变换器，经转差频率控制器分解为磁场电流id和转矩电流iq,在转矩电流与磁场电流的相互垂直的坐标系d-q中d轴超前q轴90° ,然后数据传送到电流控制器中。  编码器将感应电机的相位变化和速度变化的信息传递到速度控制器，与发出的速度指令比较，产生新的磁场电流id和转矩电流iq，然后数据经电流控制器，输送到DSP系统的处 理后， 向脉冲宽度调制电压型晶体管逆变器(PWM)发出控制指令，对输入电动机的电压、电流、频率和相位按新的速度指令进行调控，就可以改变电动机的转速和转矩，如图5-26所示。

5. 3. 4 感应电机的特点

就像前面所述的直流电机的情况，对于电动汽车的驱动电机，人们所期望的优点如下：

1) 小型轻量化。

2) 易实现转速超过 l0000r/min 的高速旋转。

3)低速时有高转矩，以及有宽泛的速度控制范围。

4)高可靠性（坚固）。

5)制造成本低。

6)控制装置的简单化。

对于电动汽车专用的驱动电机，要求最好满足以上这些条件。

异步电机在一定程度上满足了这些条件。异步电机成本低且可靠性高，逆变器即便是损坏而产生短路也不会产生反向电动势，没有出现紧急制动的可能性。因此，它在大型高速的 电动汽车中使用得很多。

为了满足以上各项要求，各大公司均对其进行了研究开发，制造了各具特色的多种异步 电机。一般情况下，作为电动汽车专用的电机，由于安装条件受限制，而且要求小型轻量 化，因而电机在 lOOOOr/min 以上的高速运转时，大多采用一级齿轮减速器实现减速。此外，振动使工作环境变得非常恶劣，低转速状态下需要在较宽的速度范围内的恒输出功率，因而 电动汽车用异步电机与一般工业用的电动机不同，在设计上采用了各种新的方法。

首先，出于对工作环境的考虑，大多采用全封闭式结构，为了电动机框架、托座等的轻 量化，采用压铸铝的方式制造，也有采用将定子铁心裸露在外表面的无框架结构，而且为了实现小型轻量化，大多采用了通过水冷却定子框架的水冷式电机。此外，无框架结构中，在定子铁心内部安装冷却管道的结构也被提出。

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。