【正文】 第1章 引 言汽車尾氣的排放對人類健康和人們生活構(gòu)成了嚴重威脅，再綜合能源問題的考慮，于是，具有零排放污染的電動汽車重新被重視起來，各國都制定了相關(guān)的鼓勵政策。典型的例子如美國，1993年9月，美國政府提出了10年完成的“新一代汽車合作計劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個公司和機構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟性和開發(fā)電動汽車的規(guī)定目標(biāo)。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動汽車的長遠規(guī)劃[1]，調(diào)動社會上各種力量參與電動汽車的研制。電動汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實際應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。 電動汽車是以電為動力的汽車，電動機是其主要動力來源。目前的電動汽車分類主要有以下兩種：1） 燃料電池電動汽車 初期的電動汽車因電池組體積大、續(xù)駛里程短、使用不方便、成本高等缺點，無法與技術(shù)已經(jīng)成熟的內(nèi)燃機汽車相比。要想發(fā)展電動汽車必須在技術(shù)上解決比能量、比功率、壽命、成本以及研發(fā)經(jīng)費等各種難題。到了20世紀(jì)90年代，電動汽車技術(shù)有了顯著的進步。如燃料電池的比功率從1997年的0．16kW/kg，提高到2000年的0．47kw/kg，提高了近3倍。燃料電池，尤其是以氫為原料的質(zhì)子交換膜燃科電池(PEMFC)，成了電動汽車發(fā)展的希望[2]。 燃料電池汽車(Fuel Cell—Powered E1ectric Vehicles)實際上是一種使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軓亩?qū)動車輛的汽車，排放物只是沒有污染并可再利用的水。燃料電池的發(fā)展還有些關(guān)鍵性技術(shù)難題，如催化劑、質(zhì)子交換膜、極板等，這些問題都在研究攻關(guān)階段，但不管如何，“氫能”必將引起汽車工業(yè)的革命。1996年，北京舉辦的國際電動汽車及代用燃料汽車展覽會上，參展的電動汽車有福特的Ranger電動輕卡車，通用的EV1型車，豐田的RAV4L型車，PSA集團的SAXO型車，菲亞特的ZIC等車型，充分展示了電動汽車的發(fā)展水平。此外，還有很多混合動力汽車展出。1999年，在日本東京國際車展上，展出的燃料電池汽車有豐田公司功率為75kW的燃料電池汽車；奔馳公司A級燃料電池汽車，車內(nèi)空間與內(nèi)燃機車型相同。功率為50kW，最高速度為150km/h；三菱公司功率為40kW的燃料電池汽車；福特、本田等公司也都展示了自己公司燃料電池汽車的成果。2000年10月，通用公司在北京展出了號稱“氫動一號”的燃料電池汽車，應(yīng)用液態(tài)氫驅(qū)動燃料電池組，總體積與一臺普通汽油機相當(dāng)，功率為80—120kW，整車質(zhì)量為1575kg，0—100km/h加速時間僅為12秒，這些指標(biāo)與相應(yīng)的汽油機汽車基本相當(dāng)。豐田公司最新一輪燃料電池汽車FCHV—4，輸出功率為90kW，最高時速150km，續(xù)駛里程250km。 現(xiàn)在開發(fā)出來的汽車代用燃料還有壓縮天然氣(CNG)、液化石油氣(LPG)、甲醇和乙醇等等，這些代用燃料汽車都已投入實際使用，尤其是壓縮天然氣和液化石油氣汽車使用得更廣泛一些。另外，還有正在研究階段的太陽能汽車，以及在設(shè)想中的核能汽車等新能源汽車。但是從資源的角度和現(xiàn)在發(fā)展?fàn)顩r看，電動汽車是最具生命力的。隨著社會的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲存、氫的社會供應(yīng)等技術(shù)難題會逐漸解決。各大公司都已建立了電動汽車批量生產(chǎn)的總裝配生產(chǎn)線。據(jù)說，戴姆勒—克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動車路試工作已結(jié)束，2002年將投入商業(yè)化生產(chǎn)。估計到2010年，世界燃料電池汽車的年產(chǎn)量可達100萬輛，占世界汽車總產(chǎn)量的1％左右。圖11 氫燃料電池車基本工作原理2）混合動力汽車 混合動力汽車也稱為復(fù)合動力汽車(Hybrid Vehicle)?；旌蟿恿ζ囀羌骖櫧档腿加拖暮蜏p少排放污染兩種意義而研制的，也就是說，是向零排放過渡的一種形式。一般這種車的動力是由一臺發(fā)動機和一臺電動機兩套系統(tǒng)組成的，任何一個系統(tǒng)都可以單獨使用，也可以邊走邊充電。正常行駛時用電動機驅(qū)動，當(dāng)需要充電或車輛需要瞬間大功率時，發(fā)動機即投入運轉(zhuǎn)。也就是說，可將發(fā)動機限定在高效率及排放清潔的范圍內(nèi)運行。由于混合動力汽車是介于內(nèi)燃機汽車和電動汽車之間的一種形式，成本比電動汽車要低得多(見表3)，雖然比發(fā)動機汽車還是高，但技術(shù)上比電動汽車要容易實現(xiàn)得多。由于各國、各地區(qū)的排放法規(guī)日益嚴格，目前已有很多國家實際使用了混合動力汽車，各大汽車公司都生產(chǎn)和銷售這種車型?；旌蟿恿I車中發(fā)動機與電動機的聯(lián)接基本上有兩種形式——并聯(lián)和混聯(lián)(串聯(lián)與并聯(lián)混合)。在并聯(lián)形式中，電動機與蓄電池都控制在最小范圍內(nèi)，有利于控制成本和質(zhì)量；而混聯(lián)的形式。比較接近電動車，所以燃油經(jīng)濟性較好。 4缸發(fā)動機，無級變速電動機和理離子蓄電池，采用并聯(lián)方式聯(lián)接。三菱公司的SUW 77kW直噴汽油機，與12kW電動機組合一起，并配以鋰離子蓄電池。圖12混合動力汽車工作原理圖1．3常見電機簡介通常電動機的作功部分作旋轉(zhuǎn)運動，這種電動機稱為旋轉(zhuǎn)電動機；也有作直線運動的，稱為直線電動機[3]。電動機能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級。電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運行要求；電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。由于它的一系列優(yōu)點，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、商業(yè)及家用電器、醫(yī)療電器設(shè)備等各方面廣泛應(yīng)用。圖13感應(yīng)電動機磁感線分布示意圖圖14感應(yīng)電動機繞組模型各種電動機中應(yīng)用最廣的是交流異步電動機（又稱感應(yīng)電動機）。它使用方便、運行可靠、價格低廉、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。大容量低轉(zhuǎn)速的動力機常用同步電動機（見同步電機）。同步電動機不但功率因數(shù)高，而且其轉(zhuǎn)速與負載大小無關(guān)，只決定于電網(wǎng)頻率。工作較穩(wěn)定。在要求寬范圍調(diào)速的場合多用直流電動機[4]。但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，維護困難，不適于惡劣環(huán)境。20世紀(jì)70年代以后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流電動機的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價格日益降低，已開始得到應(yīng)用。電動機在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時運行制、斷續(xù)周期運行制）下所能承擔(dān)而不至引起電機過熱的最大輸出機械功率稱為它的額定功率，使用時需注意銘牌上的規(guī)定。電動機運行時需注意使其負載的特性與電機的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。電動機的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機械速度變化的要求。一般電動機調(diào)速時其輸出功率會隨轉(zhuǎn)速而變化。從能量消耗的角度看，調(diào)速大致可分兩種：①保持輸入功率不變。通過改變調(diào)速裝置的能量消耗，調(diào)節(jié)輸出功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。②控制電動機輸入功率以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。圖15電動機轉(zhuǎn)速控制原理框圖圖15燃料電池工作原理示意圖電動車不在發(fā)動機內(nèi)燃燒汽油。它使用存儲在電池中的電來發(fā)動。在驅(qū)動汽車時有時使用12或24塊電池，有時則需要更多。正如遠距離控制的模擬電動汽車一樣，電動車配有用來旋轉(zhuǎn)車輪的電發(fā)動機以及使發(fā)動機運轉(zhuǎn)的電池。 電動汽車主電動機的特征是：機殼由機座內(nèi)襯和機座外套組成，新型體積小、重量輕，對電機的冷卻及時可靠。 電動汽車主電動機，包括端蓋、定子鐵心、轉(zhuǎn)子、定子繞組，其特征在于：機殼由機座內(nèi)襯和機座外套組成，機座內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)固定定子鐵心。鐵心的冷卻方式采用水冷或者風(fēng)冷，本設(shè)計采用風(fēng)冷方式，由固定在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇實現(xiàn)，所實現(xiàn)的冷卻較為可靠。第2章 永磁同步電動機概述永磁同步電機的運行原理與電勵磁同步電機相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵磁繞組勵磁，使電機結(jié)構(gòu)較為簡單，降低了加工和裝配費用，且無需勵磁電流，省去了勵磁損耗，提高了電動機的效率和功率密度。因而它是近年來研究比較多并在各個領(lǐng)域中得到原來越廣泛應(yīng)用的一種電機。2．1永磁同步電機分類永磁同步電機分類方法主要有：l 按工作主磁場方向分為：徑向磁場式、軸向磁場式；l 按電樞繞組位置可分為：內(nèi)轉(zhuǎn)子式（常規(guī)式）、外轉(zhuǎn)子式；l 按轉(zhuǎn)子上有無啟動繞組可分為：無起動繞組電動機（用于變頻器供電場合，利用頻率的逐步升高啟動，并隨頻率的改變而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，常稱為調(diào)速永磁同步電動機）、有起動繞組電動機（既可用于調(diào)速運行又可在某一頻率和電壓下利用起動繞組所產(chǎn)生的異步轉(zhuǎn)矩起動，常稱為異步起動永磁同步電動機）；l 按供電電流可分為：矩形波永磁同步電動機、正弦波永磁同步電動機（簡稱永磁同步電動機）。 本課題所涉及電動機為徑向磁場、內(nèi)轉(zhuǎn)子式的異步起動永磁同步電動機，采用正弦波供電電流。2．2永磁同步電動機的總體結(jié)構(gòu) 永磁同步電動機由定子、轉(zhuǎn)子和端蓋等部件構(gòu)成。定子與普通感應(yīng)電動機基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動機運行時的鐵耗。轉(zhuǎn)子鐵心可做成實心或疊片疊壓而成。電樞繞組既有采用集中整距繞組的，也有采用分布短距繞組和非常規(guī)繞組的。一般來說，矩形波永磁同步電動機通常采用整距繞組，正弦波永磁同步電動機通常采用分布短距繞組。2．3永磁同步電動機的工作原理永磁同步電動機屬于異步啟動永磁同步電動機，其磁場系統(tǒng)由一個或多個永磁體組成，通常是在用鑄鋁或銅條焊接而成的籠型轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，按所需的極數(shù)裝鑲有永磁體的磁極。定子結(jié)構(gòu)與異步電動機類似。 當(dāng)定子繞組接通電源后，電動機以異步電動機原理起動動轉(zhuǎn)，加速運轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時，由轉(zhuǎn)子永磁磁場和定子磁場產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩（由轉(zhuǎn)子永磁磁場產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩合成）將轉(zhuǎn)子牽入同步，電動機進入同步運行。永磁同步電機的定子為三相對稱繞組，與三相異步電動機結(jié)構(gòu)相同。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（NdFeB）磁鋼[5]。驅(qū)動器為交直交電壓型逆變器，通過正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）輸出頻率、電壓可變的三相正弦波電壓。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。旋轉(zhuǎn)磁場的角速度,其中為電動機對數(shù)。這個旋轉(zhuǎn)磁場與已充磁的磁極作用，帶動轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn)并使定、轉(zhuǎn)子磁場軸線對齊。當(dāng)外加負載轉(zhuǎn)矩以后，轉(zhuǎn)子磁場軸線將落后定子磁場軸線一個θ功率角，負載愈大，θ也愈大，直到一個極限角度θm，電動機失步為止。由此可見：同步電動機在運行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失步停轉(zhuǎn)。所以，它的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)磁場同步。它的靜態(tài)誤差為零；在負載擾動下，只是功率角θ變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時間是實時的。這是其它調(diào)速系統(tǒng)做不到的。但是，因為它存在失步問題，所以它不適合用于重載下運行。又由于它只能在頻率漸升情況下才能啟動，所以也不適于快速啟動。2．4永磁同步電動機的特點永磁同步電動機應(yīng)用廣泛，具有以下特點：(1) 更高的綜合節(jié)能效果 　　永磁同步電動機由永磁體激磁，無需勵磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達1甚至容性