电动汽车电机系统原理与测试技术

本书对国内外日益发展的新能源汽车电机系统的结构和控制技术做了基本阐述，分析了测量误差理论、试验系统的设计及其特性，介绍了信号测试与处理技术，并在此基础上，详细论述专用实验测试设备的工作原理和应用方法，介绍了电机机电参数，如转速、转矩、电压、电流、温度、电感、惯量等性能参数的动静态测试方法，论述了科学试验的设计方法和试验后处理技术，并对涉及电机系统产业化发展的温度、湿度、防水防尘、振动噪声、电磁兼容等方面的试验参数和方法进行了分析。本书后，介绍了现代试验新技术及其在电机测试中的应用。

目录前言上篇基础篇章概述3节电动汽车发展特点、分类及基本特征3一、电动汽车特点3二、电动汽车分类及基本特征3第二节电动汽车电传动系统典型结构5一、电动汽车的系统结构5二、电动汽车电机传动系统典型结构6三、新型机电耦合结构7第三节电动汽车用驱动电机系统工作特性9一、电机系统的工作特性要求9二、电机系统的主要技术特性11第二章车用驱动电机类型和控制12节车用驱动电机类型及特点12一、直流驱动电机13二、异步驱动电机13三、永磁同步驱动电机14四、开关磁阻驱动电机14第二节电力电子功率器件15一、常用电力电子功率器件15二、IGBT的原理及物理模型15三、软开关变换技术（Soft-Switching Conversion)18第三节车用电机控制技术简介18一、VVVF控制技术18二、矢量控制技术18三、直接转矩控制技术19第三章测量误差理论20节概述20一、测量的定义20二、测量方法的分类21第二节测量误差的概念和分类23一、测量误差概念23二、测量误差分类24第三节测量不确定度分析25第四节测量误差分析处理27第五节数值修约及容差29一、数值修约规则及其在电机试验计算中的应用29二、电机性能指标考核标准容差的一般性规定32第四章试验测试系统特性分析35节基本概念35第二节试验测试系统的静态特性36第三节试验测试系统的动态特性38第四节试验测试系统的动态响应39第五节试验测试系统特性的测量41一、测试系统静态特性的测定41二、测试系统动态特性的测定42第六节试验测试系统的负载耦合特性44第七节不失真测量49第五章试验设计理论51电动汽车电机系统原理与测试技术目录节基本概念51一、试验研究的基本要求51二、与试验有关的术语52第二节多因子试验设计52一、因子设计的概念52二、2k因子设计54第三节正交试验设计57一、正交表57二、正交设计的基本方法59三、混合水平正交设计62第四节均匀试验设计65第六章信号测试与处理技术70节基本概念70一、信号的分类与描述70二、采样定理及频率混叠74第二节信号分析75一、信号的时域分析75二、信号的频域分析82第三节信号调理与传输88一、信号调理88二、信号传输93第四节滤波技术97一、概述97二、滤波器的一般特性98三、滤波器应用类型100第五节数据采集系统设计102一、系统设计的基本原则102二、数据采集系统的基本结构102三、数据采集系统的主要性能指标104四、数据采集系统标定的概念106第六节试验数据的插值及图形表示107一、试验数据的插值表示107二、试验数据的图形表示109第七节试验数据的回归处理111一、线性回归处理111二、非线性回归处理117第八节异常数据的处理117一、拉依达（Layard）准则118二、肖维纳（Chauvenet）准则118三、格拉布斯（Grubbs）准则119四、三种取舍准则的讨论119下篇测试篇第七章主要试验仪器和设备123节概述123一、 测试用仪器仪表123二、 仪器仪表的主要性能指标124三、 仪器仪表板面标记说明125四、仪器仪表的选用126五、测量准确度和精密度126第二节指示式仪表127第三节数字式仪表128一、数字化测量技术的发展128二、数字式仪表的结构129三、数字式仪表的特点129四、数字式仪表的分类130第四节转速转矩测量仪130一、相位差式转速转矩仪130二、应变片式转速转矩仪132第五节电功率分析仪133第六节测功机135一、磁粉测功机135二、水力测功机136三、电涡流测功机137四、直流电力测功机139五、交流电力测功机139第七节直流电源141第八节环境适应性试验设备143一、环境适应性设备的选择原则143二、高低温试验设备144三、盐雾试验设备145四、防水试验设备147五、防尘试验设备149第九节振动噪声试验设备151一、振动试验设备151二、噪声测量设备156第八章电机参数的测试方法161节电机的转动惯量和时间常数161一、电机转子转动惯量的测定161二、电机时间常数的测量165第二节电机系统杂散损耗测试方法166一、测功机法167二、回馈法167三、反转法168第三节直流电机参数的测试方法170一、电刷中性线位置的测定170二、无火花换向区域的测定170三、整流电源供电时电机的电压、电流纹波因数及电流波形因数的测定171四、电枢绕组电感的测量172五、主磁路时间常数的测定174六、励磁绕组电感的测定175七、电机的轴电压测定176第四节异步电机参数的测试方法176一、空载试验177二、短路（堵转）试验178第五节永磁同步电机参数的测试方法180一、直接负载法——稳态参数的测定180二、电压积分法——稳态参数的测定181三、直流衰减法——稳态和瞬态参数的测定183第九章车用电机系统电量的测量185节电量测量传感器及其特性185一、霍尔式电压电流传感器185二、霍尔传感器的工作原理185三、霍尔传感器/变换器的连接方式186第二节电压与电流的测量188一、指示式仪表188二、示波器188三、电压、电流变换器190第三节电功率的测量190一、直流电机电功率的测量190二、单相交流电机电功率测量191三、三相交流电机电功率的测量192第四节频率和相位的测量194一、频率测量194二、相位的测量196第五节电阻的测量199一、电阻的测量方法199二、提高测量范围和精度的方法204第六节非正弦电量的测量204一、谐波分析204二、非正弦电压与电流的测量206三、功率与功率因数的测量209四、谐波的测量210第七节耐电压试验方法212一、耐电压试验设备212二、工频耐电压试验213三、冲击耐电压试验215第八节绝缘电阻的测量216第十章车用电机系统非电量的测量219节转速测量原理及实现219一、转速表测速219二、光电数字测速221三、闪频法测速222四、基于霍尔传感器的速度测量224五、转差率的测量224六、瞬时转速的测量225第二节转矩测量原理及实现226一、测量转矩的方法226二、常用转矩测量装置的类型和工作原理228第三节电机温度及工作温升的测量方法237一、电阻法237二、检温计法238三、温度计法239四、叠加法240第四节电机磁场的测量方法241一、探测线圈法242二、霍尔效应法243三、磁通计法245第五节电机振动试验247一、电机振动的测定方法及限值247二、车用电机系统的扫频振动和随机振动试验方法248第六节电机噪声的测量方法248一、电机噪声的物理量度249二、电机噪声的测定方法及限值251第十一章车用电机系统台架试验255节试验台架结构255第二节关键参数的台架试验方法258一、驱动电机及控制器效率的测量258二、转速/转矩工作测试点的选取259三、测量参数的选择260四、参数测量过程中的注意事项260五、关键参数的台架试验和验证261六、电机系统的馈电性能测试264第三节基于整车行驶工况的测试技术264第四节可靠性耐久性试验简介266一、可靠性数量特征266二、常见的寿命分布类型267三、电机系统的失效模式268四、电机系统的可靠性串联模型270五、电机系统的可靠性影响因素270六、加速寿命试验基本理论271第十二章车用电机系统的现代试验测试技术276节多通道数字信号测试技术276一、与单片DSP构成的时分多通道模式277二、与多片DSP构成的时分多通道模式277三、多片AD与单片DSP构成的时分多通道模式277四、多片AD与多片DSP构成的时分多通道模式278第二节智能仪表278一、定义279二、组成279三、功能特点279四、常用的智能仪表280五、智能仪表的设计282六、智能仪表的发展283第三节接口技术及现场总线发展简介283一、接口技术283二、总线技术发展简介286第四节PLC及其在电机测试中的应用288一、PLC概述288二、PLC工作原理290三、PLC在电机测试中的应用291第五节自动测试技术293一、自动测试系统硬件拓扑结构293二、自动测试系统中的数据采集系统294三、电机运行状态与自动控制297四、计算机控制输出通道298五、电机自动测试系统软件299第六节硬件在环仿真试验技术302一、硬件在环仿真概述302二、硬件在环仿真的关键技术304三、常用硬件在环仿真系统简介305第七节虚拟仪器技术309一、虚拟仪器定义309二、虚拟仪器的特点310三、虚拟仪器的构成方式310四、虚拟仪器的软件结构311五、虚拟仪器未来的发展311参考文献313

前言发展电动汽车技术有利于汽车行业发展和社会进步，十几年来，电动汽车技术获得了各个国家的大力支持，国内外所有汽车厂商都为此倾注了大量的时间、人力、物力和财力、作为电动汽车三大核心部件之一的驱动电机系统，是电动汽车的心脏，对于电动汽车整车行驶的动力性、经济性、安全性、操纵稳定性等性能具有重大影响。至今，我国已自主开发了永磁同步电机、交流异步电机和开关磁阻电机等满足各类电动汽车需求的驱动电机系统产品，基本形成了具有核心竞争力的批量生产和配套能力。 电动汽车用驱动电机系统的控制方式、性能评价体系和试验方法完全不同于传统工业用电机系统，传统工业用电机系统的性能试验测试方法也无法照搬应用于电动汽车驱动电机系统的测试。虽然新修订的国家标准GB/T 18488.1—2015《电动汽车用驱动电机系统第1部分：技术条件》和GB/T 18488.2—2015《电动汽车用驱动电机系统第2部分：试验方法》为车用驱动电机系统提出了数十项专用的性能指标和试验方法，但是在试验测试理论和试验设备工作原理及应用方面还需要做出必要的技术补充，因此，需要总结国内外的行业知识，编著专门著作论述电动汽车用驱动电机系统的试验测试技术，以便于为读者提供一个具有较高理论基础的、系统的车用驱动电机系统性能试验测试体系。 在结构上，本书分为上下两篇。 上篇为基础篇，专注于试验设计和测试技术基本理论知识。章和第二章主要介绍电动汽车电传动系统的结构特点、工作特性和控制技术，使读者可以对电动汽车电传动系统有一个全面的认识。第三章介绍试验误差理论，涉及误差基本概念、不确定度误差分析和数值修约方法。第四章介绍了试验系统的动态特性、静态特性和负载耦合特性，分析了系统特性的参数指标和表达形式。第五章介绍了多因子试验、正交试验和均匀试验的试验设计方法。第六章介绍了试验信号的滤波、调理、传输、采集和试验数据的外理技术。 下篇为测试篇，专注于车用驱动电机系统试验设备及关键参数的测试方法。第七章介绍了测量仪表、转速转矩测量仪、电功率分析仪、测功机、直流电源、高低温和盐雾试验设备、振动试验设备等主要试验设备的工作原理。第八章介绍电机本体参数的测量方法。第九～十一章分别介绍了车用驱动电机系统电量参数（如电压、电流、电功率、绝缘、耐压等）、非电量参数（如转速、转矩、机械功率、温升、磁场、振动、噪声等）的测量，以及基于台架的输入输出特性试验方法。第十二章介绍了车用电机驱动系统的试验测试和仿真技术。 本书专门针对电动汽车驱动电机系统的工作特点和性能要求，从试验测试理论分析逐渐引导至试验设备及测试方法的应用，使读者在理论上和实际中能够受益。书中采用了大量的图表和曲线，便于读者对知识的理解和对试验测试技术的掌握。书中介绍的相关试验和数据分析方法，在技术实施上具有可行性和先进性，可以有效指导试验设计，便于读者使用。本书注重国内外新技术的应用，书中所介绍的内容均为国内外现阶段的技术，与实际结合紧密，并充分体现了国内外的技术发展趋势，为读者对相关知识的进一步学习奠定了基础，便于读者进一步的综合应用。 本书在编写过程中得到了北京理工大学电动车辆国家工程实验室以及北京市电动车辆协同创新中心的支持，并获得了“国家国际科技合作专项（2014DFG70840）”和“国家自然科学基金（51575041）”的资助。其中，宋强编写了本书上篇的章、第二章、第三章、第四章、第六章，以及下篇的第七章、第八章、第九章、第十一章、第十二章，河北师范大学王再宙编写了本书上篇的第五章，北京理工大学王志福编写了本书下篇的第十章。北京理工大学翟丽、郭汾、李军求、董玉刚、王红、曾普、罗淋、吴小同、史渊芳、杨凯丽、翟继亮、靳建波、王文俊、吕晨光、高朋、叶山顶、贾超、赵凭、隋平阳、万海桐、李松等人员也参与了该书的编写和文字整理工作，对以上人员的辛勤工作表示感谢。同时，也感谢孙逢春教授和张承宁教授一直以来对我的指导和帮助。 电动汽车电机系统原理与测试技术前言书后列出了主要的参考文献，限于篇幅，难免著录不全，在此，对本书涉及内容的参考文献作者表示诚挚的谢意。 本书可作为高等院校机械工程、车辆工程、交通运输等专业本科生和研究生的教材及参考书，也适合相关科研机构和汽车行业的技术人员以及对电动汽车驱动电机系统感兴趣的读者参考。 由于编者水平有限，书中不当之处在所难免，殷切希望使用本书的师生和广大读者对其中的疏漏之处予以批评指正，并将意见和建议反馈给我们，以便及时修订完善。 编者