中职《新能源汽车概论》教案第5课认识驱动电机.docx

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1、课题认识驱动电机课时2课时(90min)教学目标知识目标：（1）掌握三相异步电机的结构、工作原理和性能特点（2）熟悉永磁同步电机的结构、性能特点和驱动特性技能目标：能够识别各类驱动电机素质目标：（1）坚定民族自豪感和文化自信心（2）强化历史使命感和社会责任感（3）养成坚持不懈、刻苦钻研的工作作风教学重难点教学重点：掌握三相异步电机的基本结构、工作原理和性能特点，掌握永磁同步电机的结构、性能特点和驱动特性教学难点：能够识别各类驱动电机教学方法任务引入法、问答法、讨论法、实践操作法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：课前任务T考勤（2min）任务引入（5min）传授新知（33m

2、in）课堂讨论（5min）第2节课：传授黯口（3Omin）T课堂讨论（Iomin）T课堂小结（3min）一作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务,和学生负责人取得联系，组织学生下载“任务工单认识驱动电机”，并根据任务工单迸行组内分工，同时提醒同学通过APP或其他学习软件，收集纯电动汽车驱动电机的相关资料，并进行了解【学生】提前上网观看相关资料，熟悉教材通过课前的预热，让学生了解所学课程的大概内容，激发学生的学习欲望考勤(2min)【教师】使用APP进行签到【学生】按照老师要求签到培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况任务引入（5min）【教

3、师】讲述驱动电机的相关背景知识【学生】聆听、思考通过讲解任务相关背景知识，让学生带着相关背景去探索新知识传授新知（33min）【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解三相异步电机的结构、工作原理及应用3.1.1三相异步电机通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解三相异步电机的结 构、工作原理及 应用交流电机可分为同步电机和异步电机两大类。异步电机又称感应电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现电能转换为机械能的一种交流电机。异步电机的种类很多，常按转子结构和定子绕组相数进行分类。按转子结构的不同，异步电机可分为笼型异步电机和绕线型异步电机；按定子绕组相数的

4、不同，异步电机可分为单相异步电机、三相异步电机和多相异步电机。其中，三相笼型异步电机具有结构简单、制造成本低、结构坚固、维修方便等特点，曾广泛用于纯电动汽车中。1 .三相异步电机的结构虽然三相异步电机的种类很多，但结构基本相同，都是由定子和转子两大部分组成，定子和转子之间有气隙。如图所示为三相异步电机的基本结构。接线盒定子铁芯定子绕组风扇机座转子绕组风罩2 )定子定子部分包含机座、定子铁芯、定子绕组等，主要用来产生旋转磁场。机座的主要作用是固定定子铁芯和定子绕组。定子铁芯一般由0350.5mm厚的硅钢片叠压而成,装在机座内，是三相异步电机的磁路部分。定子铁芯的内圆上冲有均匀分布的槽口，用于嵌放

5、定子绕组，如图所示。(a)铁芯(b)铁芯硅钢片定子绕组是三相异步电机的电路部分。定子绕组嵌放在铁芯槽内，当通入三相对称电流时，就会产生三相异步电机旋转磁场。定子绕组的线圈由绝缘洞导线或者绝缘铝导线绕制而成，中小型三相异步电机的定子绕组一般采用圆漆包线，大中型三相异步电机的定子绕组则采用较大横截面积的漆包扁铜线或绝缘包扁铜线。三相异步电机的三相定子绕组是相互独立的，各相绕组之间的空间电角度为120。，其结构完全对称，一般有六个出线端，即UI、U2、VI、V2、Wl、W2,出线端均接在接线盒内。如图所示，三相异步电机的定子绕组可以接成星形（Y）或三角形（）。（a）星形连接（b）三角形连接2）转子转

6、子主要由转子铁芯和转子绕组构成，是电机的旋转部件。转子铁芯一般由03505mm厚的硅钢片叠压而成，是三相异步电机的磁路部分，其外圆上也均匀分布着槽孔，用来安放转子绕组。一股小型异步电机的转子铁芯直接套压在转轴上，大、中型异步电机的转子铁芯先套压在转子支架上，然后再套装在转轴上。转子绕组可以切割定子旋转磁场产生感应电动势及感应电流，并形成电磁转矩，从而使电机旋转。根据绕组形式的不同，转子绕组可分为笼型转子绕组和绕线型转子绕组两种，三相笼型异步电机和三相绕线型异步电机的命名便由此而来。3 .三相异步电机的工作原理如图所示为三相异步电机的工作原理。三相异步电机的三相定子绕组通入三相交流电后将产生一个

7、旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组从而在转子绕组中产生感应电动势，感应电动势的方向由右手定则来确定。由于转子绕组是闭合通路，因此转子中有感应电流产生，感应电流的方向与感应电动势的方向相同，而载流的转子绕组在定子旋转磁场的作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动转子旋转，并且转子旋转的方向与旋转磁场的方向相同。三相异步电机的转子转速不等于旋转磁场的转速（同步转速），这是三相异步电机的主要特点.如果转子轴上带有机械负载，则负载将被拖动旋转。当负载发生变化时，转子的转速也随之发生变化，使转子绕组中的感应电动势、感应电流和电磁转矩发生相应变化，以适应负载的需要。因此，

8、三相异步电机的转速是随负载的变化而变化的。三相异步电机转子的转速与定子磁场的同步转速之间存在转速差，它的大小决定着转子的感应电动势及其频率的大小，直接影响三相异步电机的工作状态。通常将转速差与同步转速的比值用转差率S表示，即H1-n5=-4式中：m定子旋转磁场的同步转速;n转子转速。转差率是三相异步电机运行时的一个重要物理量.三相异步电机转差率的取值范围为0s1小于，在额定运行条件下一般为OOl006.3.纯电动汽车用三相异步电机的性能特点纯电动汽车用三相异步电机主要具有以下特点。(I)小型轻量化。(2)易实现转速超过1000r/min的高速旋转。(3)高速低转矩时运转效率高。(4)低速时有高

9、转矩，并有宽泛的速度控制范围。(5)可靠性高(结构坚固).(6)制造成本低。(7)控制装置简单。三相异步电机成本低且可靠性高，即使纯电动汽车的逆变器损坏而产生短路，三相异步电机的定子绕组也不会产生反向电动势，不会使车辆出现急速停车的现象。因此，三相异步电机曾广泛应用于大型高速纯电动汽车中。三相异步电机可以采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高，对环境的适应性好，并且能够实现制动能量回收。与同样功率的直流电机相比，三相异步电机效率较高，且质量仅为直流电机的一半。【课堂讨论】随机挑选学生回答问题三相异步电机曾广泛应用于大型高速纯电动汽车中原因是什么？【学生】聆听、思考、讨论问题【教师】总结学生的

10、回答【学生】聆听、思考、理解、记忆课堂讨论(5min)【教师】组织学生以小组为单位讨论以下问题：简述三相异步电机的工作原理？【学生】聆听、思考、小组讨论，由小组代表发表讨论结果【教师】与学生一起评价各组的发言通过课堂讨论，激发学生的学习兴趣，加深学生对所学知识的理解第二节课传授新知(30min)【教师】通过大家的发言，引入新知，讲解永磁同步电机的结构、性能特点、驱动特性3.1.3永磁同步电机通过讲解、图片展示、课堂互动等教学方法，让学生了解永磁【多媒体演示】组织学生扫码观看“永磁同步电机”视频，帮助学生了解永磁 同步电机在各类驱动电机中，永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、良 好的转

11、矩平稳性、较低的振动噪声等特点。通过合理设计永磁磁路结构，可使永 磁同步电机获得较高的弱磁性能，在纯电动汽车驱动方面具有较高的应用价值。因此，永磁同步电机得到了各大汽车企业的高度重视。永磁同步电机可分为 单相永磁同步电机、三相永磁同步电机等类型，目前国内纯电动汽车市场普遍采 用三相永磁同步电机。1.永磁同步电机的结构下面以三相永磁同步电机为例进行介绍。三相永磁同步电机具有三相分布的 定子绕组和永磁转子，在磁路结构和绕组分布上保证反电动势波形为正弦波。为 了对磁场进行定向控制，输入到定子绕组的电压和电流也应为正弦波。根据永磁 体在转子上位置的不同，永磁同步电机可分为内置式永磁同步电机和外置式永磁

12、 同步电机。1 ）内置式永磁同步电机按永磁体磁化方向的不同，内置式永磁同步电机可分为径向式、切向式和混 合式三种类型。在有阻尼绕组的情况下，内置式永磁同步电机的转子结构如图所 示。由于内置式永磁同步电机转子内部嵌入永磁体，因此转子具有凸极特性。同步电机的结 构、性能特点、 驱动特性（a）径向式（b）切向式（C）混合式2）外置式永磁同步电机根据永磁体是否嵌入转子铁芯中，外置式永磁同步电机可分为面贴式和嵌入 式两种类型，其转子结构如图所示。面贴式永磁同步电机的转子永磁体一般为瓦片形，通过合成胶黏附在转子铁芯表面。在功率稍大的面贴式永磁同步电机中，可以在永磁体与气隙之间通过无纬玻璃丝带对永磁体加以捆

13、绑保护，防止永磁体因转子高速转动而脱落。嵌入式永磁同步电机的永磁体嵌入转子铁芯中，两个永磁体之间的铁芯成为铁磁介质突出的部分。在面贴式永磁同步电机中，由于永磁体的相对磁导率接近真空磁导率(=1.0),等效气隙基本均匀，所以交、直轴电感基本相符，是一种隐极式同步电机。嵌入式永磁同步电机交轴方向上的气隙比直轴的小，交轴的电感也比直轴的大，是一种凸极式永磁同步电机。相对而言，由于永磁体的存在，面贴式永磁同步电机定子和转子之间的有效气隙较大，因此定子绕组的电感较小。【知识链接】拓展知识面【教师】讲述什么是凸极结构及其特征外置式永磁同步电机比内置式永磁同步电般构简单，且具有制造容易、成本低廉的优点，因此

14、在工业上应用较多。面贴式永磁同步电机转子结构最为简单，与嵌入式永磁同步电机相比，它提高了转子表面的平均磁通密度，可以得到更大的电磁转矩。【学生】聆听、思考2 .永磁同步电机的性能特点永磁同步电机的功率因数大、效率高、功率密度大，是一种比较理想的驱动电机。但由于电磁结构中转子励磁不能随意改变，难以实现弱磁控制，调速特性不如直流电机。目前，永磁同步电机的相关理论还不如直流电机和异步电机完善，还有许多问题需要进一步研究，这主要体现在以下两个方面。(1)低速效率。永磁同步电机低速运行时的效率较低，如何通过设计来减小低速运行时的定子电流，提升效率，是目前研究的主要方向之一。(2)弱磁能力。永磁同步电机的

15、转子采用永磁体励磁，随着转子转速的升高，定子绕组的输入电压会逐渐达到逆变器所能输出的电压极限，这时要想继续升高转速，只有靠调节定子电流的大小和相位、增加直轴去磁电流来等效弱磁控制.永磁同步电机的弱磁能力主要与直轴电抗和反电动势有关，但永磁体串联在直轴磁路中，所以直轴磁路的磁阻一般较大，弱磁能力较小，且当反电动势较大时，永磁同步电机的最高转速也会降低。由于永磁同步电机的转子上无绕组、无铜耗、磁通量小，在低负荷时铁损很小，因此，永磁同步电机具有较高的功率质量比，比其他类型的驱动电机有更大的输出转矩。转子电磁时间常数较小，因此，永磁同步电机的动态特性好，极限转速和制动性能等都优于其他类型的驱动电机。永磁同步电机的定子绕组是主要的发热源，其冷却系统相对比较简单。在纯电动汽车上，一般要求驱动电机的输出功率保持恒定，即驱动电机输出功率不随转速的增加而变化，这就要求在驱动电机转速增加时电压保持恒定。一般驱动电机可以通过调节励磁电流来控制，但永磁同步电机磁场的磁通量调节比较困难，因此需要采用磁场控制技术来实现。这