2.2　他励直流电机

他励直流电机的励磁绕组和转子电枢绕组要分别单独供电，因此需要两个电源。他励直流电机定子线圈是励磁绕组，用来建立磁场，其单独供电的电源电压和电流是可调的。

2.2.1　他励直流电机驱动汽车的结构

他励直流电机驱动汽车主要由动力电池组、底盘、车身、驱动电机及控制器等组成。除承载型车身和底盘件外，电气部分是主要的组成部分，分为电源系统、动力驱动系统、空调暖风系统、仪表信息显示和灯光信号系统及制动和转向助力系统等。

（1）电源系统

① 充电机　在接入220V交流电时将交流电转变为60V直流电充入动力电池，同时根据其检测到的动力电池的温度控制调节充入动力电池电流的大小。在充电状态时指示灯呈红色并闪烁，达到设定的充满状态时，指示灯呈绿色并停止闪烁。在充电状态时禁止该车移动和行车。

② 动力电池　由10块200A·h单体组成60V电源系统。

③ 总开关　 安装在驾驶座椅侧，控制全车动力电池的全部输出。

④ DC/DC转换器　将60V高压电转换成12V的低压电，供电给全车除动力电机、空调之外的低压系统用电设备，同时给辅助电池充电。

⑤ 辅助电池　电压为12V，容量为20A·h，与DC/DC并联，协助或单独对低压12V电气系统供电。

⑥ SA1上电开关　相当于燃油汽车的点火开关。

（2）动力驱动系统

① 电机控制器　接受加速器和挡位器的信号，控制驱动电机前进、加速、后退等运行方式，同时通过串行通信或CAN总线通信向仪表提供信号。

② 动力电机　将电能转换为驱动车辆行驶的机械能，与控制器配合，可采用他励、串励、永磁等电机。

（3）空调暖风系统

① 空调控制器　接受A/C空调开关信号和蒸发器、环境温度信号，控制压缩机、冷凝风扇工作。

② 风机　即鼓风机，有四个挡位，可以独立工作进行室内外通风。

③ PTC　为1.2kW加热器，可以除霜、采暖，替代燃油汽车的冷却水循环器，当打开暖风开关时通过J3继电器同时打开风机进行低速运转。

（4）仪表信息显示和灯光信号系统　原理、功能与传统燃油汽车完全相同。

（5）制动和转向助力系统

① 制动助力装置　由制动助力控制器、真空泵M2和真空罐组成，行车时产生真空辅助制动总泵进行工作，以减小制动踏板力。

② 转向助力装置　由转向助力控制器、电机和传感器组成，在低速转向时起到减小转向盘扭转力矩的作用。

2.2.2　他励直流电机的工作原理

（1）启动　电机的启动是指电机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。

启动瞬间，启动电流和启动转矩分别为

IS=≫IN　　（2-1）

TS=CtΦNIS≫TN　　（2-2）

式中　IS——启动瞬时电流，A；

　　  UN——电机端电压，V；

　　  Ra——电机电枢回路电阻，Ω；

　　    IN——电机额定电流，A；

　　  TS——启动瞬时转矩，N·m；

　　   Ct——转矩常数，取决于电机的结构；

　  　ΦN——磁极磁通，Wb；

　 　 TN——电机额定转矩，N·m。

可以看出，电机启动时的瞬时电流远大于额定电流，同时启动的瞬时转矩也远大于额定转矩。过大的启动电流将引起电源电压下降，影响电源上其他用电设备的正常使用；同时过大的启动瞬时冲击转矩会损坏传动机构。除微型电机外，一般直流电机不允许直接启动。

电动汽车用他励直流电机采用的是降压启动的方法，即采用通过控制器来降低电枢电压的方法启动，如图2-5所示。降压启动使电机启动平稳，启动过程能量损耗小，因此在纯电动汽车他励直流电机启动控制中广泛应用。

（2）调速　电动汽车的调速方法有两种：一种是机械调速，通过改变传动机构速比来进行调速的方法；另一种是电气调速，通过改变电机的电气输入参数进行调速的方法。这两种方法在电动汽车上均可使用，改变电机的输出齿轮速比就是人为地改变电机的机械特性，使工作点发生变化，从而使转速发生变化。调速前后，电机工作在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。电动汽车驱动电机工作时，对电机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽、过程平滑、方法简单、经济。

他励直流电机的转速公式为

n==　　（2-3）

式中　 n——电机转速，r/min；

　　　U——电机端电压，V；

　  　Ra——电机电枢回路电阻，Ω；

　　　R——电机导体电阻（电机电枢与电枢端子间的电阻），Ω；

　    　Ia——电机电枢电流，A；

　　　E——电机反电动势，V；

　  　Ce——电动势常数，取决于电机的结构；

　    　Φ——磁极磁通，Wb。

由此可以得出他励电机电气的调速方法有以下三种：在电枢电路中串联电阻调速；降低电机电压调速；减弱励磁的磁通量调速。

① 在电枢电路中串联电阻调速，如图2-6所示。带恒转矩负载时，串联电阻越大，转速越低。

优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。

缺点：由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；低速时静差率[注]大，所以转速的相对稳定性差；轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≤2；损耗大、效率低、不经济，对恒转矩负载，调速前后因磁通不变而使T和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。

② 降低电机电压调速，如图2-7所示。降低电机的电压后，其转矩、转速迅速下降，但转矩会很快恢复到电压未降低前的转矩数值。

优点：电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；调速前后机械特性曲线的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好；无论轻载还是额定负载，调速范围相同，一般可达D=2.5～12；电能损耗较小；对恒转矩负载，调速前后因磁通不变而使T和Ia不变。

缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源；固有机械特性处的转速称为基速，降电压转速只能下调。

③ 减弱励磁的磁通量调速，如图2-8所示。由图中看出磁场越弱，转速越高，电机运行时励磁回路绝对不能开路。

优点：控制方便，能量损耗小，设备简单，平滑性好；弱磁升速后电枢电流增大，电机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电机的效率基本不变，因此经济性较好。

缺点：机械特性曲线的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般不能超过1.2n0。

纯电动汽车他励驱动电机为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。

（3）制动能量反馈　制动运行状态：电机的旋转方向与电磁转矩方向相反，此时电机吸收机械能转变为电能。此时电动车很快停车，或者由高速运行状态很快进入低速运行状态。

n=-T=0-βT　　（2-4）

电动状态下运行的电机，在某种条件下会出现n>n0的情况，此时电动势Ea>U，转矩T反向，电枢电流Ia反向，由驱动变为拖（制）动。从能量方面看，电机处于发电状态。

能量关系电磁功率Pem=EaIa<0，电机从轴上输入机械功率转变为电功率；输入功率P1=UIa<0；回馈给电网的功率；电枢回路能量损耗为（Ra+R）。

结论：他励驱动电机的电动汽车在车辆长距离拖动作业时，需将变速器置于空挡位置，以防止驱动电机运转发电增加拖动阻力负荷；在电机+单级减速器（图2-9）无空挡设置的驱动车辆中，长距离拖动时，需将变速杆置于前进D挡，并打开上电（点火）钥匙开关，接通控制器构成回路，使其在拖动过程中产生的电能回馈给电源，以防止开路造成电压过高，击穿损毁电机绝缘。

（4）控制　他励直流电机的控制，由控制器在接收到加速踏板等的信号后，分别控制输入电机的电枢电流和磁场电流来控制电机的转速和转矩。他励电机控制器主要是矢量控制模拟直流他励电机的工作特性，由于他励电机励磁绕组与电枢绕组所产生的磁场在空间上是互相垂直的，在不考虑电机电枢反应的情况下，两个磁场不会互相交链。直流电机调速时，通过保持磁场恒定，改变电枢电压来线性地调节电机转速。在达到最大限制电压之后可以通过减弱磁场磁通来提高电机转速。矢量控制精度高，拥有良好地动态性能，能够很好地满足电动汽车在不同工况下的稳定性要求。IPMC系列他励电机控制器可以为电机提供平滑的无极调速控制和正反转控制。他励电机不仅拥有与串励电机相媲美的低速大转矩及高速性能，同时可以实现电机的能量回馈制动，使刹车能量高效回收，增加续驶里程，提高车辆的操控性能和安全性能。它采用高频电力电子技术，并由高性能的微处理器进行控制，使电机具备了平滑、无噪声、高效率的运行性能，同时减少了电池的损耗。通过手持式编程器或计算机（USB接口）可以直观方便地对各种参数进行读取和设置，以满足不同地形对车辆操控性能的要求。例如在下坡行驶时，具有下坡限速功能，防止车辆超速，提高了安全性能；上坡行驶时，防倒滑功能提高了安全性能和车辆控制性能。具有全面的故障检测和保护功能，并采用蜂鸣器提示各种故障，方便检修、确定调节参数、测试和诊断。