新能源汽车交流异步电动机课程教学设计.doc

新能源汽车交流异步电动机课程教学设计一、任务引入 （时间： 5分钟）【知识回顾】 永磁同步电动机分类、结构及原理和特性。 【任务分析】本次课学习内容包括交流异步电动机的结构原理及特性。【目标要求】1.掌握交流异步电动机机构与工作原理2.了解交流异步电动机的控制【教学活动设计】教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。二、知识准备 （时间：40分钟）【相关知识】1.导入新课 交流异步电动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，从而实现电能量转换为机械能量的一种电动机。交流异步电动机具有机构简单、造价便宜、坚固以及维护容易等优点。下面我们一起进入交流异步电动机的学习。2.讲授新知识一、异步电动机的结构与特点1异步电动机的结构异步电动机主要由静止的定子和旋转的转子两大部分组成，定子和转子之间存在气隙，此外，还有端盖、轴承、机座和风扇等部件。（1）定子异步电动机的定子由定子铁心、定子绕组和机座构成。定子铁心一般由0.350.5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。定子铁心槽型有以下几种：半闭口型槽：电动机的效率和功率因数较高，但绕组嵌线和绝缘都较困难。一般用于小型低压电机中。半开口型槽：可嵌放成型绕组，一般用于大型、中型低压电机。所谓成型绕组即绕组可事先经过绝缘处理后再放入槽内。开口型槽：用以嵌放成型绕组，绝缘方法方便，主要用在高压电机中。定子绕组A.作用：是电动机的电路部分，通入三相交流电，产生旋转磁场。B.构造：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。C.定子绕组的主要绝缘项目有以下三种：（保证绕组的各导电部分与铁心间的可靠绝缘以及绕组本身间的可靠绝缘）。对地绝缘：定子绕组整体与定子铁心间的绝缘。相间绝缘：各相定子绕组间的绝缘。匝间绝缘：每相定子绕组各线匝间的绝缘。机座A.作用：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。B.构造：机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。（2）转子异步电动机的转子由转子铁芯、转子绕组、转轴组成。转子铁心：A.作用：作为电机磁路的一部分以及在铁心槽内放置转子绕组。B.构造：所用材料与定子一样，由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。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子绕组A.作用：切割定子旋转磁场产生感应电动势及电流，并形成电磁转矩而使电动机旋转。B.构造：分为鼠笼式转子和绕线式转子。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。特点：结构较复杂，故绕线式电动机的应用不如鼠笼式电动机广泛。但通过集流环和电刷在转子绕组回路中串入附加电阻等元件，用以改善异步电动机的起、制动性能及调速性能，故在要求一定范围内进行平滑调速的设备，如吊车、电梯、空气压缩机等上面采用。（3）气隙气隙是电机定转子之间的空隙。定子不转，转子需要转动，所以气隙是必须的，根据电机不同，气隙大小也不同。一般来讲，异步电机气隙小，同步电机气隙大。2异步电动机的特点（1）异步电动机的基本特点是，转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其它电动机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。（2）异步电动机的局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率，因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合，不如直流电动机经济、方便。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合不如用同步电动机合理。二、异步电动机的工作原理与运行特性1. 异步电动机的工作原理 当异步电动机的三相定子绕组通入三相交流电后，将产生一个旋转磁场，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，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，转子中便有电流产生，电流方向与电动势方向相同，而载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机旋转方向与旋转磁场方向相同。 2. 异步电动机的运行特性异步电动机的运行特性包括工作特性和机械特性。（1）异步电动机的工作特性是指电动机在保持额度电压和额定频率不变的情况下，电动机的转速、电磁转矩、定子电流、效率和功率因数随输出功率变化的特性。一般通过负载试验来测取。（2）异步电动机的机械特性分为自然机械特性和人为机械特性。在电源电压和电源频率恒定且定、转子回路不接入任何附加设备时的机械特性称为自然机械特性。电源电压、电源频率、电动机极对数、定子或转子回路接入其它附属设备，其中任意一项改变得到的机械特性称为人为机械特性。由于电源频率不变，所以同步转速点不变，电磁转矩与电源电压的平方成比例变化，但各条曲线的最大转矩点对应的转差率基本保持不变。三、异步电动机的控制目前对异步电动机的调速控制主要有恒压频比开环控制、转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。恒压频比开环控制实际上只控制了电动机磁通而没有控制电动机的转矩，采用这样的控制系统对异步电动机来讲根本谈不上控制性能，通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。转差控制是根据异步电动机电磁转矩和转差频率的关系来直接控制电动机的转矩的，可以在一定的转差频率范围内、一定程度上通过调节转差来控制电动机的电磁转矩，从而改善调速系统的控制性能，但其控制理论是建立在异步电动机的稳态数学模型基础上的，它适合于电动机转速变化缓慢或者对动态性能要求不高的场合。1异步电动机的矢量控制矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电动机内部的电磁过程，是建立在交流电动机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电动机的控制技术，将交流电动机的定子电流解耦成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电动机的磁链控制和转矩控制的完全解耦，从而达到理想的动态性能。（1）异步电动机矢量控制方式的选择。异步电动机矢量控制是基于磁场定向的方法，其调速控制系统的方式比较复杂，常用的控制策略有以下4种。转子磁场定向矢量控制原理；转差率矢量控制原理；气隙磁场定向矢量控制原理；定子磁场定向矢量控制原理。转子磁场定向矢量控制原理转差率矢量控制原理气隙磁场定向矢量控制原理定子磁场定向矢量控制原理（2）异步电动机矢量控制的特点。矢量控制变频器可以分别对异步电动机的磁通和转矩电流进行检测和控制，自动改变电压和频率，使指令值和检测实际值达到一致，从而实现了变频调速，大大提高了电动机控制静态精度和动态品质。转速精度约等于0.5%，转速响应也较快。采用矢量变频器异步电动机变频调速是可以达到控制结构简单，可靠性高的效果。其主要表现在：可以从零转速起进行速度控制，因此调速范围很宽广；可以对转矩实行较为精确控制；系统的动态响应速度很快；电动机的加速度特性很好。2. 异步电动机直接转矩控制直接转矩控制是将电动机输出转矩作为直接控制对象，通过控制定子磁场向量控制电动机转速。它不需要复杂的坐标变换，也不需要依赖转子数学模型，只是通过控制PWM型逆变器的导通和切换方式，控制电动机的瞬时输入电压，改变磁链的旋转速度来控制瞬时转矩，使系统性能对转子参数呈现鲁棒性。并且这种方法被推广到弱磁调速范围。逆变器的PWM采用电压空间向量控制方式，性能优越。但同时不可避免地产生转矩脉动，调速性能降低的问题。该方法对逆变器开关频率提高的限制较大，定子电阻对电动机低速性能也有较大影响，如在低速区，定子电阻变化引起的定子电流和磁链的畸变，以及转矩脉动、死区效应和开关频率等问题。（1）异步电动机直接转矩控制系统的结构与原理。异步电动机直接转矩控制系统的结构它主要包括磁链调节器、转矩调节器、磁链和转矩观测器、转速调节器等。其中磁链观测器对磁链的观测是否准确对整个控制系统的稳定性有着举足轻重的作用，而开关策略和磁链、转矩调节是先进控制算法的核心部分。异步电动机直接转矩控制系统的原理磁链观测器磁链调节器转矩观测器转矩调节器转速调节器（2）直接转矩控制的特点 直接转矩控制所需要的信号处理工作特别简单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判断。直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。直接转矩控制并非极力获得理想的正弦波波形，也不专门强调磁链完全理想圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制既直接又简化。【教学活动设计】教师活动：讲授知识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。三、任务实施 （时间： 40分钟）新能源汽车用交流异步电动机的拆装与检测1.基本设备一台电动汽车用交流异步电动机及相关拆装检测设备。2.操作步骤拆装并检测电动汽车用交流异步电动机。3.具体操作【步骤一】示范操作 【步骤二】学生操作训练或课堂实践4.适任评估对任务效果进行检验评价。1.评估要素 结合能力要求2.评估标准 操作准确、熟练（100满分）；操作准确、较为熟练（80满分）；熟练程度一般、能完成操作（60满分）；【教学活动设计】教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。四、项目拓展 （时间：20分钟）我国电动汽车驱动电动机的应用。五、课堂总结 （时间：5分钟）【任务总结】本次课学习内容包括交流异步电动机的结构原理及特性。【教学活动设计】教师活动：知识归纳；学生活动评价.；学生活动：提问；分享交流. 六、课后实践 （时间：20 分钟）【自主学习】1.布置作业课后习题2.课外任务3.知识链接