【文章內容簡介】 研究和研發(fā)表明，開關磁阻電機的這些不足可以通過采用合理的控制技術和制造技術得到很好地改進，這使其在電動汽車上面已經得到了應用。 電動汽車對驅動系統(tǒng)的要求電動汽車的整車性能主要與電機驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)有關，其中最關鍵的是電機驅動系統(tǒng)。作為“心臟”部件，電機驅動系統(tǒng)產生電動汽車行駛時所需的動力，所以電機驅動系統(tǒng)技術的研發(fā)對電動汽車的發(fā)展至關重要。電動汽車驅動系統(tǒng)在負載要求、性能要求及運行環(huán)境方面與傳統(tǒng)汽車驅動系統(tǒng)有許多不同之處，因此電動汽車對其驅動系統(tǒng)的要求也很特殊。電動汽車的驅動系統(tǒng)有如下要求：要求電動汽車整個系統(tǒng)的價格不能高于內燃機系統(tǒng)；有較強的過載能力和較大的起動轉矩，并要求其加速性能好；能量利用率高，即在重量最輕時,具有最高的電氣和機械效率；驅動系統(tǒng)的效率要高，以提高電池的續(xù)駛里程；制動時要能很好的將制動能量轉換為電能；其質量和尺寸應便于安裝在各種車輛上。 開關磁阻電機控制系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢開關磁阻電機系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: 電動機運行速度高、部件少、成本低； 效率高、功耗??； 起動轉矩高、起動電流低，最高時起動轉矩可達到額定值的150%；而起動電流為額定工作電流的 30%，可控參數多,系統(tǒng)控制靈活。開通角、關斷角、電壓等都可以作為電機的控制參數，并可根據運行要求和電動機的情況，采用不同的控制方法，使電動機在最佳狀態(tài)運行，也可以使電動機滿足不同要求的轉矩—速度特性曲線。其中表1為不同類型驅動電機的基本性能。 不同類型驅動電動機的基本性能 項目最高效率/%最高轉速/(r/min)單位輸出功率的相對成本電動機的質量電機尺寸控制系統(tǒng)成本交流感應電機94～9512000～15000 ～重中高永磁無刷電機90～974000～100001～輕小高開關磁阻電機9015000～輕小一般從表 及前述可以得出，開關磁阻電機具有質量輕、控制靈活、制造成本低的特點，這些優(yōu)點若在電動汽車動力驅動中得到應用，對于電動汽車更快發(fā)展具有很大意義的。 本章小結本章主要講述了電動汽車驅動系統(tǒng)的要求、各種類型電機的優(yōu)缺點，電動汽車在發(fā)展的歷程里，不同類型的電動機曾被采用，每種都有自己的特點。通過系統(tǒng)地分析和比較后，因開關磁阻電動機綜合性能較強，可以作為電動汽車的驅動電機，因而本文主要對開關磁阻電動機及其組成的驅動系統(tǒng)進行研究和討論。雖然開關磁阻電機系統(tǒng)有著其他類型電機無法具有的優(yōu)點，使其更能夠適應電動汽車的要求。但它也有缺點：開關磁阻電動機的控制系統(tǒng)比其他電動機的控制系統(tǒng)更復雜，而且不可避免的存在轉矩波動，導致噪音及振動。這些開關磁阻電機的缺點，可以通過采用合理的設計、制造和控制技術很好的解決。金陵科技學院學士學位論文 三、電動汽車驅動系統(tǒng)的設計 電動汽車驅動系統(tǒng)的設計 開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的研究現狀1838年，蘇格蘭學者Davidson用兩個U型電磁鐵制造了一臺驅動電機，并應用于機車上，其工作原理與SR電機很相像；英國Leeds大學和Nottinghan大學在20世紀70年代共同研制出了能用于電動汽車上的SR電機控制系統(tǒng)，其單位輸出功率和效率均優(yōu)于同類的異步電機驅動系統(tǒng)；1980年，Lawrenson等人系統(tǒng)的論述了SR電機的原理及其設計特點，從而奠定了現代SR電機在國際上的地位[5]。我國對開關磁阻電機的研究起步較晚，但開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的研究備受關注，先后被列入我國中、小型電機多個五年科研規(guī)劃項目中，在充分吸收國外研究成果的基礎上，我國的開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的研究進展很快。目前國內有很多高校和公司在從事SR電機的研究工作，其中華中科技大學研究成果頗為突出，在“九五”期間，該校研制出具有完全自主知識產權的純電動轎車用SR驅動系統(tǒng)，“十五”期間，城市混合動力公交車已開始使用SR驅動系統(tǒng)，并取得了比較好的運行效果；2010年10月，北京中紡銳力機電公司研發(fā)出新一代SR電機系統(tǒng)，經測試，其各項性能都非常優(yōu)越。 開關磁阻電機的結構和原理 開關磁阻電機基本結構開關磁阻電機作為電動汽車驅動系統(tǒng)的動力元件，在結構和工作原理方面，它與傳統(tǒng)交流驅動電機和直流驅動電機存在著本質的區(qū)別。圖 為四相 8/6 極 SR 電機結構示意圖，它由雙凸極定子和轉子組成，定子和轉子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成，轉子既無繞組也無永磁體，定子上有集中繞組，徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構成一個兩極磁極，稱為“一相”[5]。根據定子和轉子極數搭配的不同，SR電機可以被設計成三相、四相等不同的相數。雖然增多相數能夠減小轉矩脈動，降低震動和噪聲，但這將會使其結構變得復雜、主開關器件增多。目前，三相 6/4 極結構和四相 8/6 極結構使用的較為廣泛。 四相8/6 極 SR 電機結構示意圖 開關磁阻電機的基本原理SR 電機是根據磁場力原理工作的，遵循“磁阻最小原理”。即磁通總要沿著磁阻最小的路徑閉合，而具有一定形狀的鐵心在移動到最小磁阻位置時，必使自己的主軸線與磁場的軸線重合[5]。以A相為例，通過命令單獨給A相繞組通電時，電動機內將在定子凸極軸線上建立磁場，此時在磁場作用下產生轉矩，使轉子形成逆時針運動狀態(tài)，當轉子極與定子極軸線重合，即達到磁阻最小的位置，此刻A相繞組的電感將達到最大，轉子達到平衡狀態(tài)。若在重合時將 A 相繞組切斷，給 B 相繞組單獨通電，這時 B 相繞組磁場產生的磁力則迫使轉子極與定子極軸線重合，這樣就迫使電機繼續(xù)轉動。由此可得，如果把圖中的相對位置作為開始位置，按照ABCD的順序給相繞組依次通電，轉子旋轉的方向則是逆時針。相反，如果依次給ADCB通電，轉子就會按照順時針的方向連續(xù)轉動，與電流的方向無關。 開關磁阻電機的基本方程式SRM的動態(tài)過程方程由電路方程、運動方程和機電方程三個方程組成。電機定子繞組的磁鏈、電流等參數隨著轉子位置變化而變化，而且是非線性的，一般很難用簡單的解析表達式來表示。為了使SR電機的基本物理特性得以體現，依據 SR 電機運行理論，對于m相SR電機，在忽略磁滯、渦流及繞組間互感時，可將其按一對電端口和一對機械端口的兩端口裝置來處理，并建立磁鏈方程、電磁方程和機械方程,為簡化分析，在建立方程之前，設 m 相 SR 電機的各相結構和參數一樣，且第 p (p=1,......,m)相的磁鏈為、繞組端電壓為U、相電流為、相電感為、轉矩為繞組電阻為R、轉子位置角為、電機的實時轉速為。1 電路方程：由電磁感應定律和能量守恒定律可知，每個定子繞組端的電壓等于電阻電壓降加上因磁鏈變化而產生的感應電勢，即p相繞組電動勢平衡方程： （31）每相繞組磁鏈可用電流與自感、其余各相電流和互感與轉子位置角的函數表示： (32)在忽略SRM各相之間的自感及互感影響時，磁鏈方程可近似為： (33)1. 運動方程：根據動力學定律，可得在電機電磁轉矩和負載轉矩下的轉子運動方程為： (34)其中D和J分別為粘滯系數和轉動慣量。3．機電聯(lián)系方程由機電能量轉換原理知，SRM的電磁轉矩可以用磁場轉矩使轉子位置增加的速率來表示，即： （35）其中，只有p相供電時的繞組的磁共能可用下式表示： （36）電機的合成轉矩由各相轉矩相加之和： （37）上各式即組成了開關磁阻電機的基本平衡方程組。 開關磁阻電機的線性模型為了在不陷入繁雜的數學推導情況下搞清楚SRM內部的基本電磁作用和特性，假設：１）在不計磁通邊緣效應和磁路非線性的影響下，且磁導率，因此繞組電感L可表示為轉子位置的分段函數；２）忽略功率損耗的誤差；３）功率管開關動作瞬時完成；４）在一個電流脈動周期內，電機按照恒定轉速運轉。本論文采用SRM的理想線性模型，對理想相電感進行研究?；诶硐刖€性的假設，可以近似看作相電感線性的變化隨轉子轉動作周期性變化。 繞組電感L與轉子位置角θ的關系圖中的橫坐標是轉子位置角，縱坐標為電感，轉子凹槽與定子凸極中心重合位置定義為原點位置，此時電感最小；θ1和θ5是定子凸極前沿與轉子凸極后沿重合的位置；在θ1~θ2內，由于定子凸極和轉子凸極不存在重合部分，所以相電感一直處于最小值Lmin狀態(tài)，此時磁阻最大。θ2為定子凸極后沿和轉子凸極前沿相遇的位置，這點稱為突變點，此后相電感開始呈線性上升，一直到θ3位置，此時定子凸極和轉子凸極剛好完全重合；到θ4位置，轉子凸極后沿和定子凸極后沿相遇，在θ3~θ4區(qū)域磁阻為最小值，而此時相電感為最大值Lmax；但經過后相電感便開始呈線性下降，直到再