新能源电动汽车驱动电机的结构及工作原理

一、直流电机的结构

电机的结构应由定子和转子两大部分组成。

运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。

无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器组成。

如图所示，无刷直流电机基本结构图。

无刷直流电机基本结构图

1-电机定子 2-电机转子 3-位置传感器 4-轴承

主转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部件，它由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。

永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。无刷直流电机常采用的永磁材料有下列几种：铝镍钴、铁氧体、钕铁硼及高磁能积的稀土钴永磁材料等。

导磁材料一般用硅钢、电工纯铁或1J50坡莫合金等。如图(a)和(b)所示。第一种结构是转子铁心外表面粘贴瓦片形磁钢，称为凸极式；第二种结构是磁钢插入转子铁心的沟槽中，称为内嵌式或隐极式。

转子结构

1-永磁体2-转子铁芯3-转子转轴

定子是电机本体的静止部分，由导磁的定子铁心、导电的电枢绕组及固定铁心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。

定子是无刷直流电动机的电枢。

某电机拆解后定子铁芯如图所示。

某电机拆解后定子铁芯

定子铁心一般由硅钢片叠成，取用硅钢片的目的是为了减少主定子的铁耗。

硅钢片冲成带有齿槽的环形冲片，在槽内嵌放电枢绕组，槽数视绕组的相数和极对数而定。

为减少铁心的涡流损耗，冲片表面涂绝缘漆或磷化处理。

为了减少噪声和寄生转矩，定子铁心采用斜槽。

在叠装后的铁心槽内放置槽绝缘和电枢线圈，然后整形、浸漆，最后把主定子铁心压人机壳内。

有时为了增加绝缘和机械强度，还需要采用环氧树脂进行灌封。

定子铁中安放着对称的多相绕组，可接成星形或封闭形（角形），各相绕组分别与电子开关线路中的相应晶体管相连接。

电子开关线路有桥式和非桥式两种。

如图所示：表示常用的几种电枢绕组连接方式，其中图(a)、(b)是非桥式开关电路，其它是桥式开关电路。

电枢绕组连接方式

无刷直流电机一般采用霍尔元件作为位置传感器，由于无刷直流电动机的转子是永磁的，就可以很方便地利用霍尔元件的“霍尔效应”检测转子的位置。

四相霍尔无刷直流电动机原理图

四相霍尔无刷直流电动机原理图

如图所示：两个霍尔元件H1和H以间隔90°电角度粘于电机定子绕组A和B的轴线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。

当电机转子旋转时磁钢N极和S极轮流通过霍尔元件H1和H，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率晶体管导通，使四个定子绕组轮流切换电流。

霍尔无刷直流电动机结构简单，体积小，但安置和定位不便，元件片薄易碎，对环境及工作温度有定要求，耐震差。

二、直流电机的工作原理

无刷直流电机的工作原理：如图所示，直流电源给开关线路（驱动器）供电，驱动器根据位置传感器反馈的转子极性和转速信号，控制驱动器内的晶体管开关，给电机定子三相绕组提供方波电源，从而驱动转子运转。

无刷直流电机定子的三相绕组有星形联结方式和三角联结方式，如图所示为定子绕组联结方式，后面将以常用的三相星形联结作为模型，说明其工作原理。

如图所示显示了定子绕组联结方式，三个极绕组通过中心的连接点以”Y”型的方式被联结在一起。

整个电机就引出三根线通电时，有6种情況，分别是AB、AC、BC、BA、CA、CB的顺序。

其中第二、三阶段原理与第一阶段相同，可以类推，转子永磁体的状态如图所示：

每个过程转子旋转60°，6个过程即完成了完整转动，其中6次换相。

对于多级的无刷直流电机工作原理与上述单级原理类似，相当于每转换相次数增加，通电频率提高。

三、无刷直流电机的特点

无刷直流电机的特点

具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

体积小、重量轻、出力大，适合中小功率电机；

控制较为简单，无级调速，调速范围广，过载能力较强；

效率较高，可靠性较高，维修与保养简单，成本较低低；

有一定噪音和振动。

1. 交流感应异步电机的结构

三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成。

一般交流感应电机外形如图1所示，图2为交流感应电机内部结构图。

图1 交流感应电机外形图 图2 交流感应电机内部结构图

定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。

定子铁心一般由0.3~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。

三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、对称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。

机座作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。

端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。

转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.3~0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。

定子铁芯的槽内嵌放着定子绕组，即三相交流绕组，接入三相交流电源就可产生旋转磁场，图1 为电机定子结构图，图2 为转子结构图，图3 显示了转子铁芯和定子铁芯有硅钢片叠成。

图1 定子结构图 图2 转子结构图 图3 转子铁芯和定子铁芯有硅钢片叠成

转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。

图所示是鼠笼型异步电动机转子（铜条）鼠笼型异步电动机转子（铸铝）。

鼠笼型异步电动机转子（铜条）鼠笼型异步电动机转子（铸铝）

鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。

绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

绕组式转子结构如图所示：

绕组式转子结构

2. 交流感应异步电机的工作原理

交流感应电机工作原理如图所示：三相对称绕组通三相交流电产生旋转磁场。

交流感应电机工作原理

由于旋转磁场不断切割转子中的闭合导体，产生感应电动势和感应电流。

再由转子中的感应电流和旋转磁场的相互作用产生电磁转矩，使得转子随着旋转磁场的方向同向运转，电机基本工作过程如图所示。

电机基本工作过程

由于当转子转速逐渐接近旋转磁场转速n时，感应电流逐渐减小，

所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态

时，转子转速小于同步转速。

为了描述转子转速ns与同步转速n之间的差别，引入转差率，转

差率S计算方法如下：

S-转差率ns-转子转速n-旋转磁场转速

3. 交流感应电机的特点

交流感应电机的特点

结构简单、成本较低，可承受较高温度，可靠性高，

调速范围宽，可运用于高转速场合，但控制较永磁同步电机复杂。

噪音小，运转平顺。

因转子有感应电流，产生损耗，效率比永磁同步电机低。