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直流电机是将直流电能转换成机械能的电机，是电机的主要类型之一，具有结构简单、技术成熟、控制容易等特点，在早期的电动汽车或希望获得更简单结构的电动汽车中应用，特别是场地用电动车辆和低速电动汽车。一、直流电机的类型直流电机分为绕组励磁式直流电机和永磁式直流电机。在电动汽车所采用的直流电机中，小功率电机采用的是永磁式直流电机，大功率电机采用的是绕组励磁式直流电机。绕组励磁式直流电机根据励磁方式的不同，可分为他励式、并励式、串励式和复励式4种类型。（1）他励式直流电机他励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。永磁式直流电机也可看作属于他励式直流电机。他励式直流电机在运行过程中励磁磁场稳定而且容易控制，容易实现电动汽车的再生制动要求。但当采用永磁激励时，虽然电机效率高，重量和体积较小，但由于励磁磁场固定，电机的机械特性不理想，驱动电机产生不了足够大的输出转矩来满足电动汽车启动和加速时的大转矩要求。（2）并励式直流电机并励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，共用同一电源，性能与他励式直流电机基本相同。并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过它的励磁电流较小。（3）串励式直流电机串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。这种电机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以串励式直流电机通常用较粗的导线绕成，它的匝数较少。串励式直流电机在低速运行时，能给电动汽车提供足够大的转矩，而在高速运行时，电机电枢中的反电动势增大，与电枢串联的励磁绕组中的励磁电流减小，电机高速运行时的弱磁调速功能易于实现，因此串励式直流电机驱动系统能较好地符合电动汽车的特性要求。但串励式直流电机由低速到高速运行时弱磁调速特性不理想，随着电动汽车行驶速度的提高，驱动电机输出转矩快速减小，不能满足电动汽车高速行驶时由于风阻大而需要输出较大转矩的要求。串励式直流电机运行效率低；在实现电动汽车的再生制动时，由于没有稳定的励磁磁场，再生制动的稳定性差；另外由于再生制动需要加接触器切换，使得驱动电机控制系统的故障率较高，可靠性较差。另外，串励式直流电机的励磁绕组损耗大，体积和重量也较大。（4）复励式直流电机复励式直流电机有并励和串励两个励磁绕组，电机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同，称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。复励式直流电机的永磁励磁部分采用高磁性材料钕铁硼，运行效率高。由于电机永磁励磁部分有稳定的磁场，因此用该类电机构成驱动系统时易实现再生制动功能。同时由于电机增加了增磁绕组，通过控制励磁绕组的励磁电流或励磁磁场的大小，能克服纯永磁他励式直流电机不能产生足够的输出转矩来满足电动汽车低速或爬坡时的大转矩要求，而电机的重量或体积比串励式直流电机的小。各种励磁方式直流电机的电路如图1-71所示。图中，Ia为电枢电流，If为励磁电流，U为电源电压，Uf为励磁电压；I为负载电流。图1-71　各种励磁方式直流电机的电路电动汽车所使用的直流电机主要是他励式直流电机（包括永磁式直流电机）、串励式直流电机和复励式直流电机3种类型。小功率（W～10kW）的直流电机采用的是小型高效的永磁式直流电机，可以应用在小型、低速的搬运设备上，如电动自行车、休闲用电动汽车、高尔夫球车、电动叉车等。中等功率（10～kW）的直流电机采用他励、复励或串励式，可以用于结构简单、转矩要求较大的电动货车上。大功率（kW）的直流电机采用串励式，可用在要求低速、大转矩的专用电动车上，如矿石搬运电动车、玻璃电动搬运车等。二、直流电机的结构直流电机由定子与转子两大部分构成，定子和转子之间的间隙称为气隙，如图1-72所示。图1-72　直流电机的结构（1）定子部分直流电机定子主要由主磁极、机座、换向极和电刷装置等组成。主磁极的作用是建立主磁场，它由主极铁芯和套装在铁芯上的励磁绕组构成。主极铁芯一般由1～1.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成，是主磁路的一部分。励磁绕组用扁铜线或圆铜线绕制而成，产生励磁磁动势。机座用铸钢或厚钢板焊接而成，它既是主磁路的一部分，又是电机的结构框架。换向极的作用是改善直流电机的换向情况，使直流电机运行时不产生有害的火花。它由换向极铁芯和套装在铁芯上的换向极绕组构成。电刷装置由电刷、刷握、刷杆、汇流排等组成，用于电枢电路的引入或引出。（2）转子部分转子部分包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器等。电枢铁芯既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组的支撑部分，电枢绕组嵌放在电枢铁芯的槽内。电枢铁芯一般用0.55mm硅钢冲片叠压而成。电枢绕组由扁铜线或圆铜线按一定规律绕制而成，它是直流电机的电路部分，也是产生电动势和电磁转矩进行机电能量转换的部分。换向器由冷拉梯形铜排和绝缘材料等构成，用于电枢电流的换向。三、直流电机的工作原理如图1-73所示为直流电机的工作原理示意图。图中，定子有一对N、S极，电枢绕组的末端分别接到两个换向片上，正、负电刷A和B分别与两个换向片接触。图1-73　直流电机的工作原理示意图如果给两个电刷加上直流电源，如图1-73（a）所示，则有直流电流从电刷A流入，经过线圈abcd，从电刷B流出。根据电磁力定律，载流导体ab和cd受到电磁力的作用，其方向可用左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。如果转子转到如图1-73（b）所示的位置，电刷A和换向片2接触，电刷B和换向片1接触，直流电流从电刷A流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷B流出。此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可用左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。这就是直流电机的工作原理。外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。四、直流电机的控制直流电机转速控制方法主要有电枢调压控制、磁场控制和电枢回路电阻控制。（1）电枢调压控制电枢调压控制是指通过改变电枢的端电压来控制电机的转速。这种控制只适合电机基速以下的转速控制，它可保持电机的负载转矩不变，电机转速近似与电枢端电压成比例变化，所以称为恒转矩调速。直流电机采用电枢调压控制可实现在宽广范围内的连续平滑的速度控制，调速比一般可达1:10，如果与磁场控制配合使用，调速比可达1:30。电枢调压控制需要专用的可控直流电源，过去常用电动-发电机组，现在大、中容量的可控直流电源广泛采用晶闸管可控整流电源，小容量则采用电力晶体管的PWM控制电源，电动汽车用的直流电机常用斩波控制器作为电枢调压控制电源。电枢调压控制的调速过程：当磁通保持不变时，减小电压，由于转速不立即发生变化，反电动势也暂时不变化，由于电枢电流减小，转矩也减小。如果阻转矩未变，则转速下降。随着转速的降低，反电动势减小，电枢电流和转矩就随着增大，直到转矩与阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来降低了。（2）磁场控制磁场控制是指通过调节直流电机的励磁电流改变每极的磁通量，从而调节电机的转速，这种控制只适合电机基数以上的控制。当电枢电流不变时，具有恒功率调速特性。磁场控制效率高，但调速范围小，一般不超过1:3，而且响应速度较慢。磁场控制可采用可变电阻器，也可采用可控整流电源作为励磁电源。磁场控制的调速过程：当电压保持恒定时，减小磁通，由于机械惯性，转速不立即发生变化，于是反电动势减小，电枢电流随之增加。由于电枢电流增加的影响超过磁通减小的影响，所以转矩也就增加。如果阻转矩未变，则转速上升。随着转速的升高，反电动势增大，电枢电流和转矩也随着减小，直到转矩和阻转矩再次平衡为止，但这时转速已经较原来升高了。（3）电枢回路电阻控制电枢回路电阻控制是指当电机的励磁电流不变时，通过改变电枢回路电阻来调节电机的转速。这种控制方法的机械特性较软，而且电机运行不稳定，一般很少应用。对于小型串励电机，常采用电枢回路电阻控制方式。第三节　无刷直流电机无刷直流电机是用电子换向装置代替了有刷直流电机的机械换向装置，保留了有刷直流电机宽阔而平滑的优良调速性能，克服了有刷直流电机机械换向带来的一系列缺点，体积小，重量轻，可做成各种体积形状，高效率，高转矩，高精度，数字式控制，是最理想的调速电机之一，在电动汽车上有着广泛的应用前景。一、无刷直流电机的类型无刷直流电机按照工作特性，可以分为具有直流电机特性的无刷直流电机和具有交流电机特性的无刷直流电机。具有直流电机特性的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形都是矩形波，所以又称为矩形波同步电机。这类电机由直流电源供电，借助位置传感器来检测主转子的位置，由所检测出的信号去触发相应的电子换向线路以实现无接触式换向。显然，这种无刷直流电机具有有刷直流电机的各种运行特性。具有交流电机特性的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形都是正弦波，所以又称为正弦波同步电机。这类电机也由直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动一般的同步电机。因此，它们具有同步电机的各种运行特性。下面介绍的无刷直流电机主要是指具有直流电机特性的无刷直流电机。二、无刷直流电机结构无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和转子位置传感器3部分组成，如图1-74所示。图1-74　无刷直流电机的结构（1）电机本体无刷直流电机的电机本体由定子和转子2部分组成。定子是电机本体的静止部分，它由导磁的定子铁芯、导电的电枢绕组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成，如机壳、绝缘片、槽楔、引出线及环氧树脂等。转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部件，由永磁体、导磁体和支撑零部件组成。（2）电子换向器电子换向器由功率变换电路和控制电路构成，主要用来控制定子各绕组通电的顺序和时间。无刷直流电机本质上是自控同步电机，电机转子跟随定子旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使其产生旋转的定子磁场。无刷直流电机的三相绕组中通过的电流是°电角度的方波，绕组在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换向期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能保持“同步”。无刷直流电机由于采用了自控式逆变器即电子换向器，电机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生震荡和失步，这也是无刷直流电机的优点之一。一般来说，对电子换向器的基本要求是结构简单，运行稳定可靠，体积小，重量轻，功耗小，能按照位置传感器的信号进行正确换向，并能控制电机的正反转，应能长期满足不同环境条件的要求。（3）转子位置传感器转子位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，为功率开关电路提供正确的换向信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换向。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步，因而位置传感器与功率开关一起，起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长等优点，但其体积比较大，信噪比较低且输出为交流信号，需整流滤波后才能使用。光电式位置传感器性能比较稳定、体积小、重量轻，但对环境要求较高。磁敏式位置传感器的基本原理为霍尔效应和磁阻效用，它对环境适应性很强，成本低廉，但精度不高。如图1-75所示为无刷直流电机实物图。图1-75　无刷直流电机实物图三、无刷直流电机的工作原理如图1-76所示为无刷直流电机的工作原理图。图1-76　无刷直流电机的工作原理图无刷直流电机的工作原理与有刷直流电机的工作原理基本相同。它是利用电机转子位置传感器输出信号控制电子换向线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，拖动电机转子旋转。同时，随着电机转子的转动，转子位置传感器又不断送出位置信号，以不断地改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向保持不变，这样电机就旋转起来。四、无刷直流电机的控制按照获取转子位置信息的方法划分，无刷直流电机的控制方法可以分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。有位置传感器控制方法是指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子旋转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换向电路提供正确的换向信息，以此控制电子换向电路中的功率开关管的开关状态，保证电机各相按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。无刷直流电机的无位置传感器控制，无需安装传感器，使用场合广，相对于有位置传感器方法有较大的优势，因此，无刷直流电机的无位置传感器控制近年来已成为研究的热点。无刷直流电机的无位置传感器控制中，不直接使用转子位置传感器，但在电机运转过程中，仍然需要转子位置信号，以控制电机换向。因此，如何通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号，成为无刷直流电机无位置传感器控制的关键。为此，国内外的研究人员在这方面做了大量的研究工作，提出了多种转子位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量实现转子位置的估算。归纳起来，可以分为反电动势法、电感法、状态观测器法、电机方程计算法、人工神经网络法等。五、无刷直流电机的应用实例如图1-77所示是搭载无刷直流电机的纯电动桶装垃圾运输车，适用于城市道路、居民小区、公园、车站等带有垃圾桶收集垃圾的场所垃圾收集作业，垃圾收集入垃圾桶后，通过本产品对垃圾桶进行置换与转运作业。该车搭载了大容量磷酸铁锂电池、无刷直流电机，电机额定电压为72V，额定功率为7kW；电池组容量为A·h；最高车速为50km/h，最大爬坡度为15％，满载续驶里程大于km。图1-77　搭载无刷直流电机的纯电动桶装垃圾运输车新能源电动四轮汽车成人油电两用家用轿车瓶接孩子代步小型可上牌标准版60V京东￥购买已下架

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