【文章內(nèi)容簡介】 研究和研發(fā)表明，開關(guān)磁阻電機(jī)的這些不足可以通過采用合理的控制技術(shù)和制造技術(shù)得到很好地改進(jìn)，這使其在電動汽車上面已經(jīng)得到了應(yīng)用。 電動汽車對驅(qū)動系統(tǒng)的要求電動汽車的整車性能主要與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及電源系統(tǒng)有關(guān)，其中最關(guān)鍵的是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。作為“心臟”部件，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生電動汽車行駛時所需的動力，所以電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)的研發(fā)對電動汽車的發(fā)展至關(guān)重要。電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)在負(fù)載要求、性能要求及運行環(huán)境方面與傳統(tǒng)汽車驅(qū)動系統(tǒng)有許多不同之處，因此電動汽車對其驅(qū)動系統(tǒng)的要求也很特殊。電動汽車的驅(qū)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(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)；有較強(qiáng)的過載能力和較大的起動轉(zhuǎn)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(jī)械效率；驅(qū)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(zhuǎn)換為電能；其質(zhì)量和尺寸應(yīng)便于安裝在各種車輛上。 開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點: 電動機(jī)運行速度高、部件少、成本低； 效率高、功耗?。?起動轉(zhuǎn)矩高、起動電流低，最高時起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定值的150%；而起動電流為額定工作電流的 30%，可控參數(shù)多,系統(tǒng)控制靈活。開通角、關(guān)斷角、電壓等都可以作為電機(jī)的控制參數(shù)，并可根據(jù)運行要求和電動機(jī)的情況，采用不同的控制方法，使電動機(jī)在最佳狀態(tài)運行，也可以使電動機(jī)滿足不同要求的轉(zhuǎn)矩—速度特性曲線。其中表1為不同類型驅(qū)動電機(jī)的基本性能。 不同類型驅(qū)動電動機(jī)的基本性能 項目最高效率/%最高轉(zhuǎn)速/(r/min)單位輸出功率的相對成本電動機(jī)的質(zhì)量電機(jī)尺寸控制系統(tǒng)成本交流感應(yīng)電機(jī)94～9512000～15000 ～重中高永磁無刷電機(jī)90～974000～100001～輕小高開關(guān)磁阻電機(jī)9015000～輕小一般從表 及前述可以得出，開關(guān)磁阻電機(jī)具有質(zhì)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(qū)動中得到應(yīng)用，對于電動汽車更快發(fā)展具有很大意義的。 本章小結(jié)本章主要講述了電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的要求、各種類型電機(jī)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(jī)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(guān)磁阻電動機(jī)綜合性能較強(qiáng)，可以作為電動汽車的驅(qū)動電機(jī)，因而本文主要對開關(guān)磁阻電動機(jī)及其組成的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行研究和討論。雖然開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)有著其他類型電機(jī)無法具有的優(yōu)點，使其更能夠適應(yīng)電動汽車的要求。但它也有缺點：開關(guān)磁阻電動機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動機(jī)的控制系統(tǒng)更復(fù)雜，而且不可避免的存在轉(zhuǎn)矩波動，導(dǎo)致噪音及振動。這些開關(guān)磁阻電機(jī)的缺點，可以通過采用合理的設(shè)計、制造和控制技術(shù)很好的解決。金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 三、電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀1838年，蘇格蘭學(xué)者Davidson用兩個U型電磁鐵制造了一臺驅(qū)動電機(jī)，并應(yīng)用于機(jī)車上，其工作原理與SR電機(jī)很相像；英國Leeds大學(xué)和Nottinghan大學(xué)在20世紀(jì)70年代共同研制出了能用于電動汽車上的SR電機(jī)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)；1980年，Lawrenson等人系統(tǒng)的論述了SR電機(jī)的原理及其設(shè)計特點，從而奠定了現(xiàn)代SR電機(jī)在國際上的地位[5]。我國對開關(guān)磁阻電機(jī)的研究起步較晚，但開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究備受關(guān)注，先后被列入我國中、小型電機(jī)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(chǔ)上，我國的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究進(jìn)展很快。目前國內(nèi)有很多高校和公司在從事SR電機(jī)的研究工作，其中華中科技大學(xué)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(chǎn)權(quán)的純電動轎車用SR驅(qū)動系統(tǒng)，“十五”期間，城市混合動力公交車已開始使用SR驅(qū)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(jī)電公司研發(fā)出新一代SR電機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)測試，其各項性能都非常優(yōu)越。 開關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理 開關(guān)磁阻電機(jī)基本結(jié)構(gòu)開關(guān)磁阻電機(jī)作為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的動力元件，在結(jié)構(gòu)和工作原理方面，它與傳統(tǒng)交流驅(qū)動電機(jī)和直流驅(qū)動電機(jī)存在著本質(zhì)的區(qū)別。圖 為四相 8/6 極 SR 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，它由雙凸極定子和轉(zhuǎn)子組成，定子和轉(zhuǎn)子的凸極均由普通的硅鋼片疊壓而成，轉(zhuǎn)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(gòu)成一個兩極磁極，稱為“一相”[5]。根據(jù)定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)搭配的不同，SR電機(jī)可以被設(shè)計成三相、四相等不同的相數(shù)。雖然增多相數(shù)能夠減小轉(zhuǎn)矩脈動，降低震動和噪聲，但這將會使其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜、主開關(guān)器件增多。目前，三相 6/4 極結(jié)構(gòu)和四相 8/6 極結(jié)構(gòu)使用的較為廣泛。 四相8/6 極 SR 電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 開關(guān)磁阻電機(jī)的基本原理SR 電機(jī)是根據(jù)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(jī)內(nèi)將在定子凸極軸線上建立磁場，此時在磁場作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子形成逆時針運動狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)子極與定子極軸線重合，即達(dá)到磁阻最小的位置，此刻A相繞組的電感將達(dá)到最大，轉(zhuǎn)子達(dá)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(chǎn)生的磁力則迫使轉(zhuǎn)子極與定子極軸線重合，這樣就迫使電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向則是逆時針。相反，如果依次給ADCB通電，轉(zhuǎn)子就會按照順時針的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動，與電流的方向無關(guān)。 開關(guān)磁阻電機(jī)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(jī)電方程三個方程組成。電機(jī)定子繞組的磁鏈、電流等參數(shù)隨著轉(zhuǎn)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(dá)式來表示。為了使SR電機(jī)的基本物理特性得以體現(xiàn)，依據(jù) SR 電機(jī)運行理論，對于m相SR電機(jī)，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(jī)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(jī)械方程,為簡化分析，在建立方程之前，設(shè) m 相 SR 電機(jī)的各相結(jié)構(gòu)和參數(shù)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(zhuǎn)矩為繞組電阻為R、轉(zhuǎn)子位置角為、電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速為。1 電路方程：由電磁感應(yīng)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(chǎn)生的感應(yīng)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(zhuǎn)子位置角的函數(shù)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(jù)動力學(xué)定律，可得在電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)子運動方程為： (34)其中D和J分別為粘滯系數(shù)和轉(zhuǎn)動慣量。3．機(jī)電聯(lián)系方程由機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理知，SRM的電磁轉(zhuǎn)矩可以用磁場轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)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(jī)的合成轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩相加之和： （37）上各式即組成了開關(guān)磁阻電機(jī)的基本平衡方程組。 開關(guān)磁阻電機(jī)的線性模型為了在不陷入繁雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)情況下搞清楚SRM內(nèi)部的基本電磁作用和特性，假設(shè)：１）在不計磁通邊緣效應(yīng)和磁路非線性的影響下，且磁導(dǎo)率，因此繞組電感L可表示為轉(zhuǎn)子位置的分段函數(shù)；２）忽略功率損耗的誤差；３）功率管開關(guān)動作瞬時完成；４）在一個電流脈動周期內(nèi)，電機(jī)按照恒定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。本論文采用SRM的理想線性模型，對理想相電感進(jìn)行研究?；诶硐刖€性的假設(shè)，可以近似看作相電感線性的變化隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動作周期性變化。 繞組電感L與轉(zhuǎn)子位置角θ的關(guān)系圖中的橫坐標(biāo)是轉(zhuǎn)子位置角，縱坐標(biāo)為電感，轉(zhuǎn)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?。沪?和θ5是定子凸極前沿與轉(zhuǎn)子凸極后沿重合的位置；在θ1~θ2內(nèi)，由于定子凸極和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子凸極剛好完全重合；到θ4位置，轉(zhuǎn)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(jīng)過后相電感便開始呈線性下降，直到再