【正文】 制的用于艦艇的橫向磁場(chǎng)電機(jī)，功率達(dá)10MW，轉(zhuǎn)速為180r/min。（TransverseFluxPMMachine－TFM）的設(shè)想，該設(shè)想一反傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)的磁負(fù)荷和電負(fù)荷不再相互制約，特別適合高功率密度、大轉(zhuǎn)矩、低速和直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。有些并聯(lián)供磁的電機(jī)，磁負(fù)荷甚至可高達(dá)1特斯拉以上。 　　(5) 高功率密度的需求 　　艦船、車輛受體積所限，要求電動(dòng)機(jī)要有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度。若仍用異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，隨著極數(shù)增加，其功率因數(shù)明顯降低，在輕載和空載時(shí)，功率因數(shù)將更低，因此在Y型系列電機(jī)中，10極電機(jī)已不多見(jiàn)。多極電機(jī)還顯著減小了定子端部長(zhǎng)度，減小定子銅耗、從而減少發(fā)熱、提高了效率。這是船舶驅(qū)動(dòng)技術(shù)的又一發(fā)展，國(guó)外自上世紀(jì)九十年代已成功用于豪華郵輪、專用油輪等[7]。如用于電梯拖動(dòng)的永磁同步曳引機(jī)，轉(zhuǎn)矩提高了十幾倍，取消了龐大的齒輪箱，通過(guò)曳引輪直接拖動(dòng)轎廂，明顯減小了振動(dòng)和噪聲。例如為油田抽油機(jī)設(shè)計(jì)的具有異步起動(dòng)能力的永磁同步電動(dòng)機(jī)，效率可達(dá)94％，既滿足了負(fù)載動(dòng)態(tài)時(shí)大轉(zhuǎn)矩的要求，還具有很高的節(jié)能效果[6]。2．4永磁同步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)永磁同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，具有以下特點(diǎn)：(1) 更高的綜合節(jié)能效果 　　永磁同步電動(dòng)機(jī)由永磁體激磁，無(wú)需勵(lì)磁電流，故可顯著提高功率因數(shù)（可達(dá)1甚至容性）；定子電流小，定子銅耗顯著減小；轉(zhuǎn)子無(wú)銅耗（三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組損耗約占總損耗的20～30％），因而發(fā)熱低，可以取消風(fēng)扇或減小風(fēng)扇，從而無(wú)風(fēng)摩耗或減少風(fēng)摩耗，故永磁同步電動(dòng)機(jī)一般比同規(guī)格異步電動(dòng)機(jī)效率可提高2～8％，并且在很寬的負(fù)載變動(dòng)范圍內(nèi)始終保持高的效率和功率因數(shù)，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)節(jié)能效果更顯著。但是，因?yàn)樗嬖谑Р絾?wèn)題，所以它不適合用于重載下運(yùn)行。它的靜態(tài)誤差為零；在負(fù)載擾動(dòng)下，只是功率角θ變化，而不引起轉(zhuǎn)速變化，它的響應(yīng)時(shí)間是實(shí)時(shí)的。由此可見(jiàn)：同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，要么轉(zhuǎn)速與頻率嚴(yán)格成比例旋轉(zhuǎn)，否則就失步停轉(zhuǎn)。這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與已充磁的磁極作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)并使定、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)軸線對(duì)齊。三相正弦波電壓在定子三相繞組中產(chǎn)生對(duì)稱三相正弦波電流，并在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子上粘有釹鐵硼（NdFeB）磁鋼[5]。 當(dāng)定子繞組接通電源后，電動(dòng)機(jī)以異步電動(dòng)機(jī)原理起動(dòng)動(dòng)轉(zhuǎn)，加速運(yùn)轉(zhuǎn)至同步轉(zhuǎn)速時(shí)，由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)和定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的同步電磁轉(zhuǎn)矩（由轉(zhuǎn)子永磁磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩合成）將轉(zhuǎn)子牽入同步，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入同步運(yùn)行。2．3永磁同步電動(dòng)機(jī)的工作原理永磁同步電動(dòng)機(jī)屬于異步啟動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，其磁場(chǎng)系統(tǒng)由一個(gè)或多個(gè)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。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。定子與普通感應(yīng)電動(dòng)機(jī)基本相同，采用疊片結(jié)構(gòu)以減小電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的鐵耗。 本課題所涉及電動(dòng)機(jī)為徑向磁場(chǎng)、內(nèi)轉(zhuǎn)子式的異步起動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)，采用正弦波供電電流。因而它是近年來(lái)研究比較多并在各個(gè)領(lǐng)域中得到原來(lái)越廣泛應(yīng)用的一種電機(jī)。鐵心的冷卻方式采用水冷或者風(fēng)冷，本設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷方式，由固定在轉(zhuǎn)子軸上的風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)，所實(shí)現(xiàn)的冷卻較為可靠。 電動(dòng)汽車主電動(dòng)機(jī)的特征是：機(jī)殼由機(jī)座內(nèi)襯和機(jī)座外套組成，新型體積小、重量輕，對(duì)電機(jī)的冷卻及時(shí)可靠。在驅(qū)動(dòng)汽車時(shí)有時(shí)使用12或24塊電池，有時(shí)則需要更多。圖15電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理框圖圖15燃料電池工作原理示意圖電動(dòng)車不在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒汽油。通過(guò)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。一般電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速而變化。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)需注意使其負(fù)載的特性與電機(jī)的特性相匹配，避免出現(xiàn)飛車或停轉(zhuǎn)。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(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)漸趨成熟，設(shè)備價(jià)格日益降低，已開(kāi)始得到應(yīng)用。在要求寬范圍調(diào)速的場(chǎng)合多用直流電動(dòng)機(jī)[4]。同步電動(dòng)機(jī)不但功率因數(shù)高，而且其轉(zhuǎn)速與負(fù)載大小無(wú)關(guān)，只決定于電網(wǎng)頻率。它使用方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)牢固，但功率因數(shù)較低，調(diào)速也較困難。由于它的一系列優(yōu)點(diǎn)，所以在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)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。電動(dòng)機(jī)能提供的功率范圍很大，從毫瓦級(jí)到萬(wàn)千瓦級(jí)。三菱公司的SUW 77kW直噴汽油機(jī)，與12kW電動(dòng)機(jī)組合一起，并配以鋰離子蓄電池。比較接近電動(dòng)車，所以燃油經(jīng)濟(jì)性較好?；旌蟿?dòng)力轎車中發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)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)。由于混合動(dòng)力汽車是介于內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車之間的一種形式，成本比電動(dòng)汽車要低得多(見(jiàn)表3)，雖然比發(fā)動(dòng)機(jī)汽車還是高，但技術(shù)上比電動(dòng)汽車要容易實(shí)現(xiàn)得多。正常行駛時(shí)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)需要充電或車輛需要瞬間大功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)即投入運(yùn)轉(zhuǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車是兼顧降低燃油消耗和減少排放污染兩種意義而研制的，也就是說(shuō)，是向零排放過(guò)渡的一種形式。估計(jì)到2010年，世界燃料電池汽車的年產(chǎn)量可達(dá)100萬(wàn)輛，占世界汽車總產(chǎn)量的1％左右。各大公司都已建立了電動(dòng)汽車批量生產(chǎn)的總裝配生產(chǎn)線。但是從資源的角度和現(xiàn)在發(fā)展?fàn)顩r看，電動(dòng)汽車是最具生命力的。 現(xiàn)在開(kāi)發(fā)出來(lái)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(shí)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。2000年10月，通用公司在北京展出了號(hào)稱“氫動(dòng)一號(hào)”的燃料電池汽車，應(yīng)用液態(tài)氫驅(qū)動(dòng)燃料電池組，總體積與一臺(tái)普通汽油機(jī)相當(dāng)，功率為80—120kW，整車質(zhì)量為1575kg，0—100km/h加速時(shí)間僅為12秒，這些指標(biāo)與相應(yīng)的汽油機(jī)汽車基本相當(dāng)。1999年，在日本東京國(guó)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(jí)燃料電池汽車，車內(nèi)空間與內(nèi)燃機(jī)車型相同。1996年，北京舉辦的國(guó)際電動(dòng)汽車及代用燃料汽車展覽會(huì)上，參展的電動(dòng)汽車有福特的Ranger電動(dòng)輕卡車，通用的EV1型車，豐田的RAV4L型車，PSA集團(tuán)的SAXO型車，菲亞特的ZIC等車型，充分展示了電動(dòng)汽車的發(fā)展水平。 燃料電池汽車(Fuel Cell—Powered E1ectric Vehicles)實(shí)際上是一種使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軓亩?qū)動(dòng)車輛的汽車，排放物只是沒(méi)有污染并可再利用的水。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。要想發(fā)展電動(dòng)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(fèi)等各種難題。 電動(dòng)汽車是以電為動(dòng)力的汽車，電動(dòng)機(jī)是其主要?jiǎng)恿?lái)源。各大公司在政府的支持下，也制定了發(fā)展電動(dòng)汽車的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃[1]，調(diào)動(dòng)社會(huì)上各種力量參與電動(dòng)汽車的研制。第1章 引 言汽車尾氣的排放對(duì)人類健康和人們生活構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，再綜合能源問(wèn)題的考慮，于是，具有零排放污染的電動(dòng)汽車重新被重視起來(lái)，各國(guó)都制定了相關(guān)的鼓勵(lì)政策。典型的例子如美國(guó)，1993年9月，美國(guó)政府提出了10年完成的“新一代汽車合作計(jì)劃”(PNGV)，由政府牽頭，組織幾十個(gè)公司和機(jī)構(gòu)，完成提高燃料經(jīng)濟(jì)性和開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車的規(guī)定目標(biāo)。電動(dòng)汽車經(jīng)歷了關(guān)鍵性技術(shù)的突破，樣機(jī)、樣車的研制，區(qū)域性試用以及小批量實(shí)際應(yīng)用等探索階段，現(xiàn)在已接近商業(yè)化生產(chǎn)。目前的電動(dòng)汽車分類主要有以下兩種：1） 燃料電池電動(dòng)汽車 初期的電動(dòng)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(diǎn)，無(wú)法與技術(shù)已經(jīng)成熟的內(nèi)燃機(jī)汽車相比。到了20世紀(jì)90年代，電動(dòng)汽車技術(shù)有了顯著的進(jìn)步。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(dòng)汽車發(fā)展的希望[2]。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(wèn)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。此外，還有很多混合動(dòng)力汽車展出。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。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(shí)速150km，續(xù)駛里程250km。另外，還有正在研究階段的太陽(yáng)能汽車，以及在設(shè)想中的核能汽車等新能源汽車。隨著社會(huì)的發(fā)展，氫燃料電池的氫的提取、氫的儲(chǔ)存、氫的社會(huì)供應(yīng)等技術(shù)難題會(huì)逐漸解決。據(jù)說(shuō)，戴姆勒—克萊斯勒、通用、福持、豐田、本田的電動(dòng)車路試工作已結(jié)束，2002年將投入商業(yè)化生產(chǎn)。圖11 氫燃料電池車基本工作原理2）混合動(dòng)力汽車 混合動(dòng)力汽車也稱為復(fù)合動(dòng)力汽車(Hybrid Vehicle)。一般這種車的動(dòng)力是由一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)和一臺(tái)電動(dòng)機(jī)兩套系統(tǒng)組成的，任何一個(gè)系統(tǒng)都可以單獨(dú)使用，也可以邊走邊充電。也就是說(shuō)，可將發(fā)動(dòng)機(jī)限定在高效率及排放清潔的范圍內(nèi)運(yùn)行。由于各國(guó)、各地區(qū)的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，目前已有很多國(guó)家實(shí)際使用了混合動(dòng)力汽車，各大汽車公司都生產(chǎn)和銷售這種車型。在并聯(lián)形式中，電動(dòng)機(jī)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。 4缸發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)級(jí)變速電動(dòng)機(jī)和理離子蓄電池，采用并聯(lián)方式聯(lián)接。圖12混合動(dòng)力汽車工作原理圖1．3常見(jiàn)電機(jī)簡(jiǎn)介通常電動(dòng)機(jī)的作功部分作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)；也有作直線運(yùn)動(dòng)的，稱為直線電動(dòng)機(jī)[3]。電動(dòng)機(jī)的使用和控制非常方便，具有自起動(dòng)、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、掣住等能力，能滿足各種運(yùn)行要求；電動(dòng)機(jī)的工作效率較高，又沒(méi)有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。圖13感應(yīng)電動(dòng)機(jī)磁感線分布示意圖圖14感應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組模型各種電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣的是交流異步電動(dòng)機(jī)（又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）。大容量低轉(zhuǎn)速的動(dòng)力機(jī)常用同步電動(dòng)機(jī)（見(jiàn)同步電機(jī)）。工作較穩(wěn)定。但它有換向器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，維護(hù)困難，不適于惡劣環(huán)境。電動(dòng)機(jī)在規(guī)定工作制式（連續(xù)式、短時(shí)運(yùn)行制、斷續(xù)周期運(yùn)行制）下所能承擔(dān)而不至引起電機(jī)過(guò)熱的最大輸出機(jī)械功率稱為它的額定功率，使用時(shí)需注意銘牌上的規(guī)定。電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法很多，能適應(yīng)不同生產(chǎn)機(jī)械速度變化的要求。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。②控制電動(dòng)機(jī)輸入功率以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。它使用存儲(chǔ)在電池中的電來(lái)發(fā)動(dòng)。正如遠(yuǎn)距離控制的模擬電動(dòng)汽車一樣，電動(dòng)車配有用來(lái)旋轉(zhuǎn)車輪的電發(fā)動(dòng)機(jī)以及使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的電池。 電動(dòng)汽車主電動(dòng)機(jī)，包括端蓋、定子鐵心、轉(zhuǎn)子、定子繞組，其特征在于：機(jī)殼由機(jī)座內(nèi)襯和機(jī)座外套組成，機(jī)座內(nèi)襯的內(nèi)側(cè)固定定子鐵心。第2章 永磁同步電動(dòng)機(jī)概述永磁同步電機(jī)的運(yùn)行原理與電勵(lì)磁同步電機(jī)相同，但它以永磁體提供的磁通替代后者的勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，使電機(jī)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，降低了加工和裝