教学课件：《车用电机原理及应用》.ppt

1、绪论电能的利用“电磁转动”他将导线放置于内嵌磁铁的汞池之中，利用化学电池在导线中通入持续电流，此时导线绕着磁铁旋转。“法拉第盘”1831年，法拉第利用电磁感应现象，发明了法拉第圆盘发电机。法拉第盘的主体是一导电圆盘，当该导电圆盘在垂直于磁场的平面内旋转时，其半径切割磁场的磁力线，在圆心与圆周之间产生感应电动势。电机的发展电能机械能机械能电能俄籍物理学家楞次（1804-1865）英国物理学家、化学家法拉第（1791-1867）电动机与发电机的可逆性美籍物理学家特斯拉（1856-1943）电池十九世纪八十年代，特斯拉发明了交流电以克服直流发电不适用于远距离传输的问题，交流输电开始逐步被接受。188

2、8年，俄国电工科学家多利沃-多布罗沃利斯基制成了一台功率为 2.2千瓦的交流发电机，这是世界上第一台可实用化的三相交流异步电机电机的发展直流电机电动模型车（1935）能量密度 成本 输电效率高压交流电机80%*（60%*电能利用=电机消耗）=交流异步电消耗机交流输电电网电机的发展交流电动机交流发电机50/60Hz 供电频率 供电相角电力电子技术（变频技术）电机变频器电源电机在交通系统中的应用转矩输出（牵引负载）汽车驱动转向助力高铁电力航母转速控制（流体负载）CPU风扇发动机油泵，水泵电机的用途位置控制（位能负载）电梯机器人手臂数控机床B.Sarlioglu,C.T.Morris,D.Han,a

3、nd S.Li,Driving Toward Accessibility:A Review of Technological Improvements for Electric Machines,Power Electronics,and Batteries for Electric and Hybrid Vehicles,IEEE Industry Applications Magazine,vol.23,pp.14-25,2017.三峡电机额定功率 700MW700MW额定电压 20kV20kV额定电流 22.5kA22.5kA大电机与小电机电机的特点：从毫瓦级到百万瓦级；是内燃机和汽轮机

4、的10倍以上；可以被设计成各种形式：蝶形、筒形、直线形等；无排放污染，振动噪声小；可以实现扭矩（力）和转速（速度）大小方向的灵活控制；效率特性均匀，空载和待机模式下损耗小；根据电源性质直流电机交流电机_交流同步电机|_交流异步电机根据能量传递转换的功能发电机电动机电机分类根据运动的形式旋转电机直线电机Taslainduction motor电动汽车与混合动力汽车直流电机异步感应电机永磁同步电机开关磁阻电机功率密度2.54.553.5效率2.54.553.5可控性554.53可靠性3545技术成熟度554.54成本444.54PruisPMSM motorPruisPMSM motor起动机起动

5、机其他车用电机48V系统系统电子节气门电子节气门发电机发电机电控喷嘴电控喷嘴电动助力转向（电动助力转向（EPS）电电驱驱动动悬悬架架本课程的主要内容电力电子PWM技术原理（第5章）电力电子电路的实现（6.2-6.3）整流与逆变电路（6.4）电力电子电路的散热设计（6.5）直流电机直流电机的工作原理（第2章）直流电机的建模（3.1-3.2）直流电机的控制（3.3-3.4）交流电机交流电机的工作原理及分类（第7章）永磁同步电机的建模（第9章）永磁同步电机矢量控制（10.1）三相交流逆变电路的原理及应用（10.3-10.4）永磁同步电机的效率特性与外特性（8.4）感应电机的原理与矢量控制（第11章）

6、直流电机原理电磁感应定律感应电动势的大小与其交链的磁通的变化率成正比电磁学复习motional EMF 导体切割磁力线导体切割磁力线 transformer EMF有磁场变化引起有磁场变化引起.dBdsuBlvdtdt 洛伦兹力磁场对运动电荷的作用力电磁学复习电路中的宏观描述电路中的宏观描述 FBqvFBlI电能 机械能ePeimPTeI lB=FvBl电机的基本原理定子stator转子rotor直流电机的结构换向器commutator电枢绕组Armaturewinding发动机起动机定子stator转子rotor电枢绕组Armaturewinding换向器commutator励磁绕组Exci

7、ting winding直流电机的励磁形式直流电机的基本原理电枢绕组Armaturewinding换向器commutator直流电机的基本原理ITBSsinTBSI起动问题？起动问题？转矩波动？转矩波动？直流电机的转矩波动直流电机的控制直流电机模型=aaaaaediLui Rkdt=TfTT Kik i=efee Kk TLdJk iTdt转矩控制PI转矩控制速度/位置梯级控制梯级PI控制器设计 *ss LsTs *ss LsTs状态反馈控制直流电机建模什么是模型？自动控制原理建模复习描述系统输入输出关系的数学表达式模型的表达形式？时域与频域状态变量的连续性对时间的微分或积分表达模型的求解数值

8、方法（转化为差分方程，离散求解）直流电机的等效电路反电势方程转矩方程=efe K 电能 机械能=Tf aT KieKTK=aaaaadiui RLedt电压方程若考虑传动轴阻尼与转速成正比则以上运动方程变为：问题：当以上运动方程的含义电机的运动方程假设传动轴为刚性轴 根据牛顿第二定律：其中：eLdJTTdttotmLJJJ0ddttotvdJTKdtLvTK在空载情况下，0秒时施加200V直流电压，其多少秒后转速稳定，稳定的转速是多少？若该电机转子与负载总转动惯量为习题一台直流电机，额定功率8kW，额定转速1750rpm，其他参数如右框内所示。求其在额定点工作时所施加的直流电压及输出的转矩。0

9、.571.20.00431.17RhotLHVNmKorrad sA20.0881Jkgm大作业说明文档建议提纲：1.仿真目标2.仿真条件3.仿真原理4.主要程序概述5.仿真结果及分析*6.结论与展望评分标准：详见pdf文档重点：一周内提交 +5分大作业雷同两人同时0分大作业参考其他同学-10分大作业合作完成两人各-5分关于大作业的要求提交形式：文件夹打包发送至邮箱：e_文件夹命名：“学号_姓名_PRJ1”如：15101405_name_PRJ1文件夹内容包括：1.源程序2.大作业说明文档提交时间：2017.11.26日晚24:00前微分方程的求解复习（大作业用到）欧拉法 =dx tf x t

10、dt 00=xx 1kkdx tx tx tdtt 1kkx tt f x tx t 1kkkx tt f x tx t 11kkkx tt f x tx t 取左端点（向前）取右端点（向后）0,1,kn在tk,tk+1区间内多取几个点，将他们的导数加权平均，构造出精度更高的计算公式。龙格库塔法关于大作业编程提示：EnjoyEnjoy！车用直流电机实例永磁起动机建模aaaeeuRikkLeT aTTk iaoaauui R2mea aa aPTu iR i串励起动机建模串励直流电机运行特性1aasasuRk ik2Les aTTk iaoaauui R2mea aa aPTu iR ieTs

11、akkk i电子节气门建模电压方程机械运动方程 aaaeaeaaadiRukidtLLL1mT amLdk iTdtJtrmGttddt mLsptftdTTTTt电子节气门建模弹簧预紧力阻尼特性阻尼函数特性函数关系 0000maxminLHsptLHTkTTk 0000stfttstTTT电子节气门建模脉冲宽度调制（PWM）技术原理调制的需求Tesla电机灯泡恒定电源变化需求调制如何将倒啤酒的过程用数学的方式表达出来？用同样的思路表达倒饮料的过程？生活中的PWMPAM（pulse amplitude modulation）数字信号模拟信号PAM（pulse amplitude modulat

12、ion）PWM（pulse width modulation）从PAM到PWM脉冲宽度调制技术简称脉宽调制，是将模拟信号转换为脉冲波的一种技术。一般脉冲持续时间是根据模拟信号的幅值来决定的。00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8100.511.522.533.544.55x 105-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.810.2150.220.2250.230.2350.240.2450.250.2550.26-4-3-2-1012340.2150.220.2250.230.2350.240

13、.2450.250.2550.26-4-3-2-1012340.2150.220.2250.230.2350.240.2450.250.2550.26-4-3-2-1012340.2150.220.2250.230.2350.240.2450.250.2550.26-4-3-2-10123424pulse240pulse24pulse240pulse周期（频率）:周期性重复的脉冲序周期性重复的脉冲序列中，两个相邻的脉列中，两个相邻的脉冲之间的时间间隔冲之间的时间间隔占空比:周期电信号中有电信周期电信号中有电信号输出的时间与整个号输出的时间与整个信号周期之比，即：信号周期之比，即：占空比占空比=

14、TD/T即电信号不为即电信号不为“0”的的时间时间PWM的描述方法D=A*/A00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-0.500.511.5举例：正弦PWM的发生0123456-1-0.500.510123456-1-0.500.51离散化数字化问题：尝试利用以下模块在SIMULINK软件中产生正弦PWM波，并通过滤波验证PWM的控制效果：举例：正弦PWM的发生Buck电路基本原理throwpolePWM应用举例LED调光LED调光电路调光电路PWMPWM应用举例应用举例车载充电器车载充电器电力电子技术电力电子技术概述电能变换的控制是通过电力电子变换器实现的实现弱电信号对强

15、电功率流动的控制常见的电力电子技术电力电子技术在混合动力中的应用Pruis的电力电子二极管二极管典型的电力电子器件MOSFET典型的电力电子器件典型的电力电子器件IGBT单极双掷开关的实现单极双掷开关的实现整流电路不控全桥整流电路 2sinACuUt 不控全桥整流电路 012 22 sin0.9DCuUdUU 在整流电路输出端并联电容DCLCDCDCduPPCudt 221222CDCECUUULLEPt 222LDCPtCU UU 21cosUUt逆变电路单相全桥逆变电路(直流电机的四象限控制)电力电子器件的损耗电力电子器件的散热的计算交流电机概述直流电机最大的问题？直流电机最大的问题？从直

16、流电机到无刷直流电机电枢绕组为什么要在转子上？电枢绕组为什么要在转子上？电力电子的最基本结构单元是什么？电力电子的最基本结构单元是什么？换向器（电刷）换向器（电刷）利用转子旋转实现电流换向利用转子旋转实现电流换向单级双掷开关单级双掷开关是否可以考虑利用电力电子实现电流换向？是否可以考虑利用电力电子实现电流换向？无刷直流电机无刷直流电机无刷直流电机的原理霍尔传感器检测转子位置霍尔传感器检测转子位置电力电子电路通过传感器电力电子电路通过传感器位置编码计算各桥臂的导位置编码计算各桥臂的导通管段状态，驱动开关动通管段状态，驱动开关动作，在电枢绕组上施加高作，在电枢绕组上施加高低电平电压低电平电压电压产

17、生电流，驱动永磁电压产生电流，驱动永磁转子旋转转子旋转无刷直流电机的应用PIC18Fxx31没有换向器没有换向器对比无刷直流电机与直流电机不同点不同点需要位置传感器需要位置传感器功率密度高功率密度高一般励磁都为永磁一般励磁都为永磁无刷直流电机无刷直流电机无法直接驱动无法直接驱动转矩波动较大转矩波动较大相同点相同点系统成本低系统成本低可靠性提升可靠性提升寿命延长寿命延长交流电枢绕组的磁动势磁动势的表示方法磁动势的表示方法XA+A0单位：安匝单位：安匝Magnetomotive force(MMF)or magnetomotance(SI Unit:Ampere)is any physical d

18、riving(motive)force that produces magnetic flux.单绕组磁动势的空间分布XA+A0KKKK1(),22 21 3(),222ffN iffN i 傅里叶级数分解Jean Baptiste Joseph Fourier用傅里叶级数分解磁动势矩形波关于纵轴和横轴都对称，所以分解后只有奇数次的余弦项。矩形波关于纵轴和横轴都对称，所以分解后只有奇数次的余弦项。XA+A0用傅里叶级数分解磁动势K1K3K51,3,5,()cosffffc2K0141()cosdsin2cff 基波磁动势：基波磁动势：三次谐波磁动势：三次谐波磁动势：五次谐波磁动势：五次谐波磁动

19、势：K1K4cosffK3K1 4cos33 ff K5K1 4cos55 ff 电流交变时的磁动势f222300t2232i0tf222300t2232i4t2 cosiItKKK1212cos2fN iN It电流交变时的基波磁动势其中：其中：K1KK142coscos 2coscosfN ItFtK1KK420.9 2FN IN If222300t2232i0tf222300t2232i4tK5K5coscos5fFtK3K3coscos3fFt三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组空间上互差三相绕组空间上互差120120 电角度电角度三相电流时间上互差三相电流时间上互差120120电角度

20、电角度A2 cosiItB2 cos(120)iItC2 cos(240)iIt三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组基波磁动势：三相绕组基波磁动势：A1K1coscosfFtB1K1cos(120)cos(120)fFtC1K1cos(240)cos(240)fFt解析法解析法1A1B1C1K113cos()cos()2ffffFtFt三次谐波磁动势三相绕组基波磁动势：三相绕组基波磁动势：A1K3coscos3fFt B1K3cos(120)cos3(120)fFt C3K3cos(240)cos3(240)fFt 脉振磁动势的分解K1K1K1K1K1K1coscos11cos()cos()2

21、2fFtFtFtff正向旋转分量正向旋转分量幅值幅值andand角速度？角速度？K1K11cos()2fFt 脉振磁动势的分解K1K1K1K1K1K1coscos11cos()cos()22fFtFtFtff负向旋转分量负向旋转分量幅值幅值andand角速度？角速度？K1K11cos()2fFt f222300t2232i0tf222300t2232i4tI2I2121KF121KF脉振磁动势的分解f222300t2232i0tf222300t2232i4t121KF121KF1KF1KF基波磁动势的分解用空间矢量解释三相单层集中整距绕组的磁动势三相绕组空间上互差三相绕组空间上互差120120

22、 电角度电角度三相电流时间上互差三相电流时间上互差120120电角度电角度A2 cosiItB2 cos(120)iItC2 cos(240)iIt异步电机同步电机同步电机同步电机常见交流电机的分类异步电机异步电机励磁形式励磁形式外部电励磁外部电励磁永磁永磁外部电励磁外部电励磁磁场感应磁场感应常见应用常见应用交流发电机交流发电机伺服、牵引等伺服、牵引等风力发电风力发电风机、水泵等风机、水泵等外特性与效率特性直流电机的外特性拐点功率：If R is small电气限制：电压限制：速度限制电流限制：转矩限制励磁限制：最大转矩点：转速拐点：oVoIoooTKIccocoocooePTK Ie IKc

23、ooPV I2ooocooooVVRIRTKKK恒转矩区直流电机的外特性外特性（第一象限）：电机损耗电机损耗的来源可能有哪些？电能磁场能机械能直流电机的损耗机械损耗电机损耗铜耗：a)电枢绕组b)励磁绕组铁耗2_CuaaaPi R2_CufffPi R2ironPefwP_totlossbrushCuaCufironfwPPPPPP涡流损耗磁滞现象磁性物质都具有保留其磁性的倾向，磁感应强度B的变化总是滞后于磁场强度H的变化的，这种现象就是磁滞现象。电机损耗2ironPe设有一环形铁芯，周长为L，截面积为A，在其上缠绕N匝线圈，求当线圈中通入交流电流I时，由磁滞效应引起的铁芯中的损耗。电机损耗理论

24、基础麦克斯韦方程组：安培环路定理 麦克斯韦方程组：电磁感应定理 电功率的计算：在交流磁场的作用下，由于导磁物质的磁滞现象会引起磁场能量的损耗，称为磁滞损耗。=NiHL BE dldst=dBeNAdtHLiN0tWeidt机械损耗电机损耗铜耗：a)电枢绕组b)励磁绕组铁耗2_CuaaaPi R2_CufffPi R2ironPefwP_totlossbrushCuaCufironfwPPPPPPPM machine电机效率输入功率：totinoutlossPPP100%outmtotoutlossPPP2100%100%meieeii Rv效率特性电机效率铜耗分布：铁耗分布：面向控制的永磁同步

25、电机建模电机模型的组成你认为最重要的方程是？回顾直流电机模型1.电压方程2.转矩方程3.机械运动方程4.反电动势方程输入？输出？自然坐标系下永磁同步电机电压方程永磁同步电机电压方程自然坐标系下的绕组模型asasasasbsbsbsbscscscscsuRiduRidtuRi直流电机电压方程=aaa aaefdiuR iLKdt cos=fiaa aidtdR idtdt自然坐标系下永磁同步电机定子磁链方程,cos2cos34cos3rasas asbs ascs asasbsas bsbs bscs bsbsrfcsas csbs cscs cscsrLLLiLLLiLLLi自然坐标系下空间矢

26、量的定义自然坐标系下的绕组模型243323jjabcabcffefef,abcfffabcfabc相变量空间矢量静止正交坐标系定子坐标系和正交坐标系adsdqsabcbqscffMfff 111222333022dqsabcM 克拉克变换：定子坐标系-静止正交坐标系正交坐标系下的定子电压磁链方程sdqsdqsdqsdsdsdsabcabcabcdqssdqsdqsdqsdqsdqsqsqsqssRuidMRMMuidtR dqsdqsdqssdsdsdsdqsdqsdqssqsqsqsRuidRuidtcos1cos2dqsdqsrdsdsdqssfdqsdqsqsqsriLi dqsdqsd

27、ddqdqssdqsdqsqdqqLLLLL 定子磁链方程定子电压方程问题？能进一步简化么?旋转坐标系变换旋转坐标系变换静止坐标系和旋转坐标系 cossinsincosdqrdqsM 24coscoscos332324sinsinsin33dqrabcM 派克变换旋转坐标系下的定子电压和磁链方程定子电压方程0110dsdsdsdssqsqsqsqssuiRduiRdt 定子磁链方程dsdsdqrdqrffqsqsiLMi旋转坐标系下的电机模型转矩方程 32 2rrref qsdqds qspTiLLi i rrrrdsddss dsrqsdiLuR idt rqsrrrqqss qsrdsdi

28、LuR idt电压方程永磁同步电机矢量控制直流电机控制回顾直流电机控制变量：电枢电压交流电机控制变量？电压矢量交流电机电机控制电枢电压幅值交流电机控制变量电枢电压相角电压矢量abc分量电压矢量分量电压矢量dq分量矢量控制直流电机电枢电流扭矩控制=aaaa aediLuR ikdt交流电机电枢电流 rrrrdsddss dsqsrdiLuR idt rqsrrrqqss qsdsrdiLuR idt直流电机扭矩交流电机扭矩 32 2rrref qsdqds qspTiLLi ieT aTk i永磁同步电机磁场的控制旋转坐标系下的定子磁链rrdsd dsfL irrqsq qsL i 矢量控制SVPWM三相逆变电路实现开关组合与电压矢量(0,0,0)(1,1,1)(1,0,0)(1,1,0)(0,1,0)(0,1,1)(0,0,1)(1,0,1)电压矢量合成原理 *siiu Tu DT *1 12 20 0su Tu tu tu tSVPWM的直流电压利用率SVPWM的软件实现1.计算、轴的归一化目标电压2.计算非零电压矢量的作用时间3.判断扇区并确定a,b,c相的占空比