2.2　他勵直流電機

他勵直流電機的勵磁繞組和轉子電樞繞組要分別單獨供電，因此需要兩個電源。他勵直流電機定子線圈是勵磁繞組，用來建立磁場，其單獨供電的電源電壓和電流是可調的。

2.2.1　他勵直流電機驅動汽車的結構

他勵直流電機驅動汽車主要由動力電池組、底盤、車身、驅動電機及控制器等組成。除承載型車身和底盤件外，電氣部分是主要的組成部分，分為電源系統、動力驅動系統、空調暖風系統、儀表信息顯示和燈光信號系統及制動和轉向助力系統等。

（1）電源系統

① 充電機　在接入220V交流電時將交流電轉變為60V直流電充入動力電池，同時根據其檢測到的動力電池的溫度控制調節充入動力電池電流的大小。在充電狀態時指示燈呈紅色并閃爍，達到設定的充滿狀態時，指示燈呈綠色并停止閃爍。在充電狀態時禁止該車移動和行車。

② 動力電池　由10塊200A·h單體組成60V電源系統。

③ 總開關　 安裝在駕駛座椅側，控制全車動力電池的全部輸出。

④ DC/DC轉換器　將60V高壓電轉換成12V的低壓電，供電給全車除動力電機、空調之外的低壓系統用電設備，同時給輔助電池充電。

⑤ 輔助電池　電壓為12V，容量為20A·h，與DC/DC并聯，協助或單獨對低壓12V電氣系統供電。

⑥ SA1上電開關　相當于燃油汽車的點火開關。

（2）動力驅動系統

① 電機控制器　接受加速器和擋位器的信號，控制驅動電機前進、加速、后退等運行方式，同時通過串行通信或CAN總線通信向儀表提供信號。

② 動力電機　將電能轉換為驅動車輛行駛的機械能，與控制器配合，可采用他勵、串勵、永磁等電機。

（3）空調暖風系統

① 空調控制器　接受A/C空調開關信號和蒸發器、環境溫度信號，控制壓縮機、冷凝風扇工作。

② 風機　即鼓風機，有四個擋位，可以獨立工作進行室內外通風。

③ PTC　為1.2kW加熱器，可以除霜、采暖，替代燃油汽車的冷卻水循環器，當打開暖風開關時通過J3繼電器同時打開風機進行低速運轉。

（4）儀表信息顯示和燈光信號系統　原理、功能與傳統燃油汽車完全相同。

（5）制動和轉向助力系統

① 制動助力裝置　由制動助力控制器、真空泵M2和真空罐組成，行車時產生真空輔助制動總泵進行工作，以減小制動踏板力。

② 轉向助力裝置　由轉向助力控制器、電機和傳感器組成，在低速轉向時起到減小轉向盤扭轉力矩的作用。

2.2.2　他勵直流電機的工作原理

（1）啟動　電機的啟動是指電機接通電源后，由靜止狀態加速到穩定運行狀態的過程。

啟動瞬間，啟動電流和啟動轉矩分別為

IS=?IN　　（2-1）

TS=CtΦNIS?TN　　（2-2）

式中　IS——啟動瞬時電流，A；

　　  UN——電機端電壓，V；

　　  Ra——電機電樞回路電阻，Ω；

　　    IN——電機額定電流，A；

　　  TS——啟動瞬時轉矩，N·m；

　　   Ct——轉矩常數，取決于電機的結構；

　  　ΦN——磁極磁通，Wb；

　 　 TN——電機額定轉矩，N·m。

可以看出，電機啟動時的瞬時電流遠大于額定電流，同時啟動的瞬時轉矩也遠大于額定轉矩。過大的啟動電流將引起電源電壓下降，影響電源上其他用電設備的正常使用；同時過大的啟動瞬時沖擊轉矩會損壞傳動機構。除微型電機外，一般直流電機不允許直接啟動。

電動汽車用他勵直流電機采用的是降壓啟動的方法，即采用通過控制器來降低電樞電壓的方法啟動，如圖2-5所示。降壓啟動使電機啟動平穩，啟動過程能量損耗小，因此在純電動汽車他勵直流電機啟動控制中廣泛應用。

（2）調速　電動汽車的調速方法有兩種：一種是機械調速，通過改變傳動機構速比來進行調速的方法；另一種是電氣調速，通過改變電機的電氣輸入參數進行調速的方法。這兩種方法在電動汽車上均可使用，改變電機的輸出齒輪速比就是人為地改變電機的機械特性，使工作點發生變化，從而使轉速發生變化。調速前后，電機工作在不同的機械特性上。如果機械特性不變，因負載變化而引起轉速的變化，則不能稱為調速。電動汽車驅動電機工作時，對電機的轉速不僅要能調節，而且要求調節的范圍寬、過程平滑、方法簡單、經濟。

他勵直流電機的轉速公式為

n==　　（2-3）

式中　 n——電機轉速，r/min；

　　　U——電機端電壓，V；

　  　Ra——電機電樞回路電阻，Ω；

　　　R——電機導體電阻（電機電樞與電樞端子間的電阻），Ω；

　    　Ia——電機電樞電流，A；

　　　E——電機反電動勢，V；

　  　Ce——電動勢常數，取決于電機的結構；

　    　Φ——磁極磁通，Wb。

由此可以得出他勵電機電氣的調速方法有以下三種：在電樞電路中串聯電阻調速；降低電機電壓調速；減弱勵磁的磁通量調速。

① 在電樞電路中串聯電阻調速，如圖2-6所示。帶恒轉矩負載時，串聯電阻越大，轉速越低。

優點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。

缺點：由于電阻只能分段調節，所以調速的平滑性差；低速時靜差率[注]大，所以轉速的相對穩定性差；輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般為D≤2；損耗大、效率低、不經濟，對恒轉矩負載，調速前后因磁通不變而使T和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯電阻消耗了。

② 降低電機電壓調速，如圖2-7所示。降低電機的電壓后，其轉矩、轉速迅速下降，但轉矩會很快恢復到電壓未降低前的轉矩數值。

優點：電源電壓能夠平滑調節，可實現無級調速；調速前后機械特性曲線的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩定性好；無論輕載還是額定負載，調速范圍相同，一般可達D=2.5～12；電能損耗較小；對恒轉矩負載，調速前后因磁通不變而使T和Ia不變。

缺點：需要一套電壓可連續調節的直流電源；固有機械特性處的轉速稱為基速，降電壓轉速只能下調。

③ 減弱勵磁的磁通量調速，如圖2-8所示。由圖中看出磁場越弱，轉速越高，電機運行時勵磁回路絕對不能開路。

優點：控制方便，能量損耗小，設備簡單，平滑性好；弱磁升速后電樞電流增大，電機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電機的效率基本不變，因此經濟性較好。

缺點：機械特性曲線的斜率變大，特性變軟；轉速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般不能超過1.2n0。

純電動汽車他勵驅動電機為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓調速。

（3）制動能量反饋　制動運行狀態：電機的旋轉方向與電磁轉矩方向相反，此時電機吸收機械能轉變為電能。此時電動車很快停車，或者由高速運行狀態很快進入低速運行狀態。

n=-T=0-βT　　（2-4）

電動狀態下運行的電機，在某種條件下會出現n>n0的情況，此時電動勢Ea>U，轉矩T反向，電樞電流Ia反向，由驅動變為拖（制）動。從能量方面看，電機處于發電狀態。

能量關系電磁功率Pem=EaIa<0，電機從軸上輸入機械功率轉變為電功率；輸入功率P1=UIa<0；回饋給電網的功率；電樞回路能量損耗為（Ra+R）。

結論：他勵驅動電機的電動汽車在車輛長距離拖動作業時，需將變速器置于空擋位置，以防止驅動電機運轉發電增加拖動阻力負荷；在電機+單級減速器（圖2-9）無空擋設置的驅動車輛中，長距離拖動時，需將變速桿置于前進D擋，并打開上電（點火）鑰匙開關，接通控制器構成回路，使其在拖動過程中產生的電能回饋給電源，以防止開路造成電壓過高，擊穿損毀電機絕緣。

（4）控制　他勵直流電機的控制，由控制器在接收到加速踏板等的信號后，分別控制輸入電機的電樞電流和磁場電流來控制電機的轉速和轉矩。他勵電機控制器主要是矢量控制模擬直流他勵電機的工作特性，由于他勵電機勵磁繞組與電樞繞組所產生的磁場在空間上是互相垂直的，在不考慮電機電樞反應的情況下，兩個磁場不會互相交鏈。直流電機調速時，通過保持磁場恒定，改變電樞電壓來線性地調節電機轉速。在達到最大限制電壓之后可以通過減弱磁場磁通來提高電機轉速。矢量控制精度高，擁有良好地動態性能，能夠很好地滿足電動汽車在不同工況下的穩定性要求。IPMC系列他勵電機控制器可以為電機提供平滑的無極調速控制和正反轉控制。他勵電機不僅擁有與串勵電機相媲美的低速大轉矩及高速性能，同時可以實現電機的能量回饋制動，使剎車能量高效回收，增加續駛里程，提高車輛的操控性能和安全性能。它采用高頻電力電子技術，并由高性能的微處理器進行控制，使電機具備了平滑、無噪聲、高效率的運行性能，同時減少了電池的損耗。通過手持式編程器或計算機（USB接口）可以直觀方便地對各種參數進行讀取和設置，以滿足不同地形對車輛操控性能的要求。例如在下坡行駛時，具有下坡限速功能，防止車輛超速，提高了安全性能；上坡行駛時，防倒滑功能提高了安全性能和車輛控制性能。具有全面的故障檢測和保護功能，并采用蜂鳴器提示各種故障，方便檢修、確定調節參數、測試和診斷。