混合动力汽车技术基础知识(三)

◆文/山东 刘春晖 张学忠 魏东坡

(接2019年第3期)

(3)串联式电机

如图28所示，串联式电机中的励磁线圈和电枢绕组以串联的形式连接。必须尽量降低励磁线圈的内阻。以交流电压为例，在每一个半波下励磁场和电枢电流的方向都会改变，因此电机也可以在交流电压下使用。为了避免出现涡流，定子的铁芯必须由一个叠板制成。串联式电机的转速主要取决于其负荷的大小(串联特性曲线)。

图28 串联式电机的电路图

因此仅允许串联式电机使用基本负荷，否则随着输出扭矩的下降其转速将会大幅升高。没有基本负荷可能导致转速的进一步升高，电机会因为过大的离心力而损坏。

串联式电机的优点是起动扭矩较高，缺点是负荷扭矩主要取决于转速。转速升高时负荷扭矩则会降低。

(4)并联式电机

如图29所示，并联式电机的主要优点是“转速恒定性”，即负荷出现变化时转速基本保持不变。但它也有一定的局限性，当其内部电枢电压发生变化时，场激励则会保持不变。场效应采用的设计可以在发动机处于静止时(电枢电压为0)使激励装置长时间保持接通状态。

图29 并联式电机的电路图

3.三相电机

(1)概述

三相电机是一种电动机械式转换器，可以作为电机或发电机使用。作为电机使用时可以通过三相电流产生旋转电磁场，作为发电机使用时则可以产生三相电流。三相电流是一种带有三个相位的交流电流(电流的主要导体)，名称源自其产生方式。从图30可以看出三个相位在时轴上都由对应的时间点，因此可以确定各个位置上的三个交流电压之和为零。

图30 三相交流电压的曲线

如图31所示，为了能够产生旋转磁场，需要三个针对其中心轴旋转120°的线圈。通常这三个线圈被安装在三相交流电机的定子上，通过这三个线圈提供相位差为120°的交流电压。线圈以星形电路或三角形电路连接，根据需要可以选择使用这两种电路，重要的是三个内部有电流流动的绕组相之间的相位差为120°，旋转磁场可以使三相交流电机的结构更为简单。

图31 定子的结构

如图32所示，在星形电路中U2、V2和W2支路在星形交叉点N处相互连接在一起。每个支路的起始点U1、V1和W1与星形电路的外部导体连接，在三角电路中每个线圈的支路起始点都与另一个线圈的支路相连，原则上将所有线圈依次连接，外部导体L1、L2和L3从连接部位与用电器相连。通过线圈的相互连接在布线时三个相位L1、L2和L3仅需三根导线，第二种类型的三相交流电机与采用了三支路三相电流绕组定子基本相同的结构，只是定子结构稍有不同，可通过定子结构来区分同步和异步电机。

图32 绕组相的星形和三角形电路

(2)同步电机

①同步电机的结构

同步电机的结构如图33所示，三相电流同步电机是一种电动机械式转换器，可作为由三相电流驱动的电机或产生三相电流的发电机使用。在发电站中同步电机主要作为可以产生电能的发电机使用。在车辆中同步电机也可作为发电机为电子用电器提供电能和为蓄电池充电。如今在中等功率范围内很少使用同步电机，但是这一现象即将改变，因为将会在混合动力车辆上大量使用同步电机。

图33 同步电机的结构

如图34所示，通过永久磁铁(小型电机)或电磁铁(大型电机)在同步电机的转子中产生磁场。第二种情况需要安装滑动触点，相对较小的电流只有通过该触点才能流入。与直流电机不同，同步电机无需集电环。如图35所示，汽车上的交流发电机属于同步电机

同步电机通常采用内极电机的设计。此外还有另外一种型号的电机，这种电机的定子绕组安装在电机内部，而带有永久磁铁的转子则安装在电机外部。这种设计被称为带有外部转子的电机。

图34 带有永久磁铁的同步电机的结构

图35 车上的交流发电机属于同步电机

②同步电机的工作原理

永磁同步电机的工作范围如图36所示，如果在定子的绕组上施加一个三相电流，就会产生相应的旋转磁场。转子的磁极随着该旋转磁场的方向进行相应的转动。这样就可以使转子转动。转子转动的速度与旋转磁场的转速相同。该转速也被称为同步转速。同步电机也因此得名。通过三相电流的频率和极点数量精确的规定了同步电机的转速。

为了能够对同步电机的转速进行无级调节，必须使用变频器。通过机械装置或利用变频器使同步电机在额定转速下运行并使其保持同步。

图36 永磁同步电机的工作范围

同步电机在混合车辆中已广泛使用，因为借助永久磁铁转子不必使用其他外部能量就可以产生磁场，因此这种电机具有非常高的功率密度和效率(＞90%)。永磁同步电机的优点是惯量较小，维修费用低廉，转速不受负荷影响。同步电机的缺点是磁铁材料的采购成本较高，调节成本较高，无法自动运行。

(3)异步电机

异步电机的结构如图37所示，三相电流异步电机可以作为电机或发电机使用。异步电机的特点是不为转子直接提供电流，而是通过与定子旋转磁场的磁场感应产生转子磁场。因为转子使用了定子旋转磁场产生的感应电流，所以通常异步电机也被称为感应式电机。转子通常采用带有后端短路导体棒的圆形罐笼。

图37 异步电机的结构

通过定子绕组的旋转磁场对定子导体回线内的磁流变化产生影响，这样就会和短路导体棒内的电流产生一个感应电压，该电流同样可以产生磁场。楞次定律指出，感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的原因，因此产生的扭矩可以使转子按照定子旋转磁场的方向进行转动。定子和转子旋转磁场之间的相对速度是引起感应的原因，转子的转速不允许达到定子旋转磁场的转速，因为这样会使导体回线内的磁流变化为零，从而无法产生感应电压。定子旋转磁场转速和转子转速之间的差被称为异步转速。异步转速的大小取决于负荷，定子旋转磁场和转子以不同的转速旋转，也就是说没有同步转动，因此这种电机被称为异步电机，异步电机与直流电机相比其优点是结构简单且坚固耐用，这里的主要优点是不再需要集电环和电刷。由于结构简单因此价格便宜且所需维护较少，所以异步电机通常被作为电机使用。

从电气角度来看，异步电机就像一个变压器。定子绕组为初级，短路的导体棒为次级。自调节电流取决于转速。异步电机的替代电路图如图38所示，怠速运行时异步电机的替代电路图主要由Rs和Xs构成，因此电机接收的几乎都是无功功率。只要转子没有转动，变压器的次级侧始终处于短路状态，因此需要提供一个较高的电流和一个较强的磁场，在该启动动范围内电机的效率较差并且会产生很高的温度，只要电枢开始转动且已适应周围的旋转磁场，那么电流就会变小且效率也会得到提高。通过供电电子装置和可以提高或降低频率的变频器实现异步电机的转速控制。

图38 异步电机的替代电路图

异步电机具有使用寿命较长、可以简便地安装和拆除电刷，维护费用较低、制造成本相对较低、可以自动运行、短时间内可以承受较强的过载、设计坚固等优点。

异步电机的缺点是与永磁同步电机相比，在高扭矩利用率方面的效率较低，未使用带有启动控制的变频器时启动扭矩较小。

五、供电电子装置

供电电子装置是电工学范围内的一种装置，但也是一种可以进行连接、控制和电能转换的电子元件，供电电子装置的元件和电路由可控硅二极管和晶闸管构成。这种元件可以在非常高的电压和电流下进行连接(最高可达4 500V和1 500A)。

在较低功率范围内也可使用可控硅二极管和晶闸管，晶闸管是一种开关元件，可以通过控制电极和门上的控制电压对其接通时间进行调节。可以反方向同时接通且可以共同控制的带有两个晶闸管的部件被称为三端双向可控硅开关，可以进行电能转化的变压器和旋转设备都不能算作供电电子装置。供电电子装置主要是可以以电压的形式转化电能，电压和电流的大小与频率相同。

图39 Diac的电路符号

1.供电电子装置的重要元件

(1)两端交流开关元件

如图39所示，两端交流开关元件是一种电子部件，如果在其两个接口处施加超过一定限制的电压时，它将具备传导交流电压的特性，该电压被称为击穿电压。两端交流开关元件也被称为“双向二极管”和“交流电流二极管”，因此也可称为Diac。Diac，是英文Diode for Alternating Current(交流电流二极管)的缩写。

因为不能给出极性，所以两个接口被称为正极1和正极2。由于Diac采用了双向结构，所以可以接通交流电压，只要在接口(A1和A2)上施加的电压超过规定门电压，就可以将其击穿并使p-n段具备导电功能。只有流过Diac的电流超过规定值时电阻才会增大，此时无法继续传导电流。为了能够产生一个下降沿较为倾斜的触发脉冲，两端交流开关元件主要被用于三端双向可控硅开关元件制成的触发开关中。

(2)晶闸管

晶闸管是一种半导体结构的元件，由四层或多层半导体层可变掺杂物质制成。Thyristor(晶闸管)名称是由英文Thyratron(闸流管)和Resistor(电阻)组合而来。

如图40、41所示，晶闸管包括一个负极、一个正极和一个控制电极(门)。初始状态下可晶闸管双向都不导通。流通方向始终处于禁用状态，直至门上的电流脉冲接通。通过门上的一个正极电流脉冲使其进入导通状体。负荷电路内通过切断电压或转换电压极性使晶闸管进入阻隔状态。与普通二极管一样对阻隔方向的电流进行阻挡。在交流电流的电路中经常会使用晶闸管。例如，晶闸管调节器可以作为软起设备对笼式异步电机开始工作时的启动电流和扭矩进行监控。晶闸管整流器也可用于直流电机的转速控制。

图40 晶闸管的结构

(3)三端双向可控硅开关

如图42所示，三端双向可控硅开关是一种采用半导体层结构的电子部件，原则上由两个反方向连接的晶闸管组成。因此三端双向可控硅开关可以进行电流的双向导通。

三端双向可控硅开关包括一个控制电极G(英文“gate”的缩写)和A1、A2两个正极。通过在控制电极上施加的控制电压三端双向可控硅开关可以进行双向导通。因此只需要一个控制接口就可以满足两个晶闸管的需要。三端双向可控硅开关安装了两个引爆装置，这样就可以使用正极和负极控制脉冲使其进入接通状态。三端双向可控硅开关并不适用于较大的电流。因此在供电电子装置范围内主要还是使用晶闸管。

图41 晶闸管的电路符号

图42 三端双向可控硅开关的电路符号

2.整流器和逆变器

(1)整流器概述

以电压形式或电压和电流大小进行电能转换的电路被称为整流器。根据其功能可以分为直流整流器、逆变器和变流器。整流器和电流调节器如图43所示，通过整流器可以将交流电压转换为直流电压。相反，也可以将直流电压转换为交流电压。为此需要使用逆变器。通过直流电流调节器可以将直流电压转换成较高或较低的直流电压。直流电流调节器也被称为DC/DC转换器。使用交流电流调节器可以将交流电压转换为另一种较高(振幅)的交流电压。如需改变交流电压的频率，则必须使用变频器。在混合动力车辆中，供电电子装置需要在直流电压和交流电压之间进行双向转换。此外，借助供电电子装置可以对电机的工作点进行灵活调节。

图43 整流器和电流调节器

(2)整流器

整流器的电路符号如图44所示，使用整流器可以将交流电压转换为直流电压，整流器由多个互联起来的二极管构成。二极管控制交流电压的各个半波进入一个共同的方向，这样就会产生间歇式的直流电压。为了获得纯直流电压，必须使用电容或扼流圈对经过整流器的电压进行平滑处理，可以通过无需控制的半导体二极或利用可控晶闸管实现整流，可控整流器需要固定的控制电压，通过该电压在特定的时间打开和关闭电子开关以起到整流作用。可控整流器通过电子开关如晶闸管和金属氧化物半导体场效应晶体管实现其功能。不可控整流器在进行交流电整流时没有附加的控制电子装置。

图44 整流器的电路符号

(3)带有二极管的整流器电路

如图45所示，单通道整流器只能对交流电压的半波进行整流。而另外半波则无法通过。这种电路的缺点是波纹大、效率低。为了能够使用这种经过整流的电压，必须进行平滑处理。波纹具有与输入电压相同的频率。

图45 单通道整流器