（农业机械化工程专业论文）履带式磁悬浮电动车新型履带结构研究.pdf

河南农业火学硕 ：学位论文摘受 摘要 汽车工业是世界经济和各国经济发展的支柱产业，随着我国经济的迅速发展，汽下的保 有量在飞速的增长，按照当前的石油开采量，世界石油已勘查的储藏量只能使用七十多年。 加之汽车尾气排放造成的污染严重影响着人类的生活质量，威胁着人们的健康。冈此，当今 时代追在眉睫的需要之一：开发一种替代性的清洁、智能、环保的城市交通系统。电动车是 一种好的解决方法，能提高空气质量，降低对矿物能源的依赖，并能提高能源效率。而且， 装有人工智能、智能导航、高级控制、通讯和定位系统的电动车可以提高交通安全和道路的 使用。 本文设计种新型的直线电机驱动的履带式电动车履带系统。履带板作为次级，与车 体同定在一起的电磁线圈作为初级，构成直线电机，支重轮和张紧轮均与车体吲定在一起。 通过支重轮的定位作用，使直线电机初级与次级保持一定的间隙。利用直线电机作为履带式 电动车辆的动力源，电磁推力推动履带向前平铺，从而实现电动车辆向前行驶。驾驶室内安 放前进倒车复位三联拉杆、左右转向拉杆、变速踏板、制动踏板、停l ：按钮等，这些揲 乍手 杆和按钮与基了二可编程逻辑控制器和变频器的控制系统相连。 本文在阐述履带式电动汽车实现原理的基础上，着重阐述电动汽车的履带系统研究及 两种次级结构履带的性能对比。论文通过对直线感应电动机驱动力大小的计算，分析试验的 可行性。本实验的一个亮点是改变传统的次级结构在第一代履带复合次级板上加上电磁线 圈来增大驱动力；履带结构采用三层橡胶制成，底层采用空心，中间加入间隔条的结构，相 比第一代履带，大大减小了它的转弯半径。 根据课题需要设计应用于样车的新型履带系统，并通过实验验证了这种方案的可行性， 关键词：履带式电动汽车；磁悬浮；直线电机；驱动系统；次级材料；可变程序控制器( p l c ) ； 英文摘要 s t u d yo f an e wt r a c k l a y e rs t r u c t u r ef o rt h ee l e c t r o m a g n e t i c s u s p e n d i n gv e c h i c l e s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i uc u n x i a n g m a s t e rc a n d i d a t e ：h u oz h i j u n a b s t r a c t ：a u t o m o t i v ei n d u s t r yi so n eo fp i l l a r i n d u s t r i e sf o rm ew o r l d e c o n o m ya n dt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t 赴t h ec h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dt h e r a p i dg r o w t ho fv e h i c l eh o l d i n g s ，a c c o r d i n gt oc u r r e n to i lp r o d u c t i o n ， e x p l o r a t i o no ft h ew o r l d 8o i lr e s e r v c sh a sb e e no n l y7 0y e a r s i na d d i t i o n t h e p o l l u t i o no fv e h i c l ee m i s s i o n ss e r i o u s l yi m p a c t st h e q u a l i t yo fh u m a nl i f e a n d t h r e a t e n s p e o p l e s h e a l t h t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n g a na l t e r n a t i v e c l e a n ，s m a r t ， e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l yu r b a nt r a n s p o r ts y s t e mi so n eo ft h ec u r r e n tu r g e n tn e e d s e l e c t r i cv e h i c l ei sag o o ds o l u t i o nt oi m p r o v ea i rq u a l i t y ，r e d u c ed e p e n d e n c eo nf o s s i l e n e r g ya n de n h a n c et h ee n e r g ye f f i c i e n c y i na d d i t i o n ，t h et r a f f i cs a f e t ya n dr o a du s e c a nb eb e t t e r e db yt h ee l e c t r i cv e h i c l e e q u i p p e dw i t ha r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，i n t e l l i g e n t n a v i g a t i o n ，a d v a n c e dc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n d p o s i t i o n i n gs y s t e m t h i sa r t i c l ed e s c r i b e san e w t y p eo fl i n e a rm o t o r - d r i v e ne l e c t r i cv e h i c l ec r a w l e r t r a c ks y s t e md e s i g n , t r a c k l a y e ra sas u b - b o a r df i x e dt o g e t h e rw i t ht h eb o d ya s a p r i m a r ye l e c t r o m a g n e t i cc o i l ，t h e nc o n s t i t u t el i n e a r m o t o r , s u p p o r t i n gw h e e l s ， t e n s i o n i n gw h e e la n dt h eb o d ya r ef i x e dt o g e t h e r t h r o u g ht h ep o s i t i o n i n gr o l eo f s u p p o r t i n gw h e e l ，ac e r t a i ng a pi sm a i n t a i n e db e t w e e nt h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yo f l i n e a rm o t o r t h ee l e c t r i cv e h i c l ew i t ht h ec r a w l e r t y p el i n e a rm o t o ra sp o w e r s o u r c e r e a l i z e st h em o v e m e n tw h e ne l e c t r o m a g n e t i cp r o p e l st h et r a c kf o r w a r d t h et r i p l e r e v e r s er e s e tr o d ，s p e e dp e d a l ，b r a k ep e d ma n ds t o pb u t t o n sa r ep l a c e di nt h ed r i v i n g r o o m 魁l t h eb u t t o n sa n do p e r a t i n gr o d sa r ec o n n e c t e dw i t ht h ec o n t r o ls y s t e mw h i c h i sb a s e do nt h ep r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e ra n dt h ej n v e r t e r 。 t h i sp a p e re m p h a s i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h et r a c ks y s t e ma n dt h e p e r f o r m a n c e c o m p a r i s o no ft w os u b s t r u c t u r et y p et r a c k l a y e rb a s e do nt h er e a l i z a t i o np r i n c i p l e i n t r o d u c t i o no fe l e c t r i c t r a c k l a y e r t h em a i nc o n t e n to ft h i st h e s i sa r et h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sf o rt h el i n e rm o t o r ，c a l c u l a t i o no fd r i v i n gf o r c ea n dt h ef e a s i b i l i t vo f t h i ss t u d y ab r i g h ts p o ti nt h i se x p e r i m e n ti st oc h a n g et h et r a d i t i o n a ls u b s t r u c t u r e i nt h ef i r s tg e n e r a t i o nt r a c k l a y e r ，e l e c t r o m a g n e t i cc o i lw a sa d d e d o nt h ec o m p o s i t e s u b - t r a c kt oe n h a n c et h ed r i v i n gf o r c e t h et r a c k l a y e ru s i n g t h r e e t i e rs t r u c t u r er u b b e l 4 7 h o l l o wb o t t o ml a y e ra n da d d e di n t e r v a lr o d sw a si l l u s t r a t e di nt h i sp a p e r ，t h et u r n i n g r a d i u si sg r e a t l yr e d u c e dc o m p a r e dt ot h ef i r s tg e n e r a t i o nt r a c k ， n e wt r a c k l a y e rt y p es y s t e mf o rt h es a m p l ec a rw a sd e s i g n e db a s e do nt h en e e d o ft h i ss t u d ya n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp r o g r a mw a sa l s ov e r i f i e d k e yw o r d s ：t r a c k l a y e re l e c t r i cv e h i c l e ；e l e c t r o m a g n e t i cs u s p e n d i n g ；l i n e rm o t o r ： d r i v i n gs y s t e m ；s u bm a t e r i a l ；p l c 河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 学位 文题目履带式磁悬浮电动车新型履带结构研究硕士学位 级别 堂 学生科导师 姓名 霍治军农业机械化工程刘存祥 专姓名 业 学位论文 是否保密 年 月同 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 特此声明。 研究生签名：铷擘 导师签名：支1 和雨妒 日 期：秒净多月锣日 日 期：c ，；年石月i 矿e t 学位论文使用授权及知识产权归属承诺 本人完全了解河南农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印 刷本和电子版本，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。本人同意河南农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 本人完全了解河南农业大学知识产权保护办法的有关规定，在毕业离 开河南农业大学后，就在校期间从事的科研工作发表的所有论文，第一署名单 位为河南农业大学，试验材料、原始数据、申报的专利等知识产权均归河南农 业大学所有，否则，承担相应的法律责任。 户一w i 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。! 昌籴l 研究生签名：霍粥晕 导师签名：毒胡存i 勺学院领导签名； 弹m - y 小s ：+ - , j ：f 日期：2 0 0 9 年月侈日日期：2 0 0 9 年6 月i 譬日日期：2 0 0 9 牵翮r 致谢 光阴似箭，不知不觉三年的硕士生涯就要结束了，在此论文即将完成之时， 我想对所有给予过我关心和帮助的老师、同学、亲人表示衷心的感谢和诚挚的敬 意。 首先要感谢我的导师刘存祥副教授给与我的悉心指导和帮助。他对我的课题 方向做了严格周密的规划，并且及时周到的提供了本课题需要的硬件条件和大量 的资料。刘老师对本学位论文从题目的确立、课题的进展、论文的修改到完成都 作了精心的指导。硕士期间，刘老师创造的自由和谐的学术气氛极大的激发了我 的创新意识和开拓进取精神；刘老师严谨求实的治学作风帮助我树立了认真求实 的科学研究态度。不仅如此，刘老师无微不至的关怀让我感到家庭般的温暖，他 对工作的热情以及治学的严谨无时无刻不在影响着我。所有这些，都将启迪并指 引我一生。 感谢导师组的余泳昌教授、李保谦教授、刘军教授、王万章教授、李冠锋教 授、胡建东教授、史景钊副教授和李云东副教授、姚新胜副教授等老师对我论文 工作的悉心指导以及对我学习过程中的严格要求和无私帮助。 感谢研究生处和机电学院的各位老师三年来对我思想、生活、工作上的指导 和关心，感谢师兄赵汉雨、师弟邵海泉、罗飞和同窗好友胡丰收、王晓雷、王旭 然、宋中界、李喜朋、王威力、吕金龙、卢汇洋、栗文雁、李洲和安晓东对我学 习和生活上的帮助与鼓励。 感谢审阅本论文和参加答辩的所有专家、领导。 谨以此文献给为我的成长倾注大量心血的父母，感谢他们在我求学期间对我 无微不至的关心和全力的支持! 霍治军 2 0 0 9 年6 月 于河南农业大学 河南农业人学硕i ：学位论文履带式磁悬浮l 毡动布新型疆带结构研究 1 文献综述 1 1 课题的研究背景 交通能源与环境问题是2 l 世纪全球面临的重大挑战。国际能源机构( i e a ) 的统计数据表 明，2 0 0 1 年全球5 7 的石油消费在交通领域( 其中美国一i 6 7 ) ，预计至t j 2 0 2 0 年全球汽车保有 量将达n 1 2 亿辆。交通用油占全球石油总消耗的6 2 以上。美国能源部预测，2 0 2 0 年以后， 全球石油需求与常规石油供给之间将出现净缺口，2 0 5 0 年的供需缺口几乎相当于2 0 0 0 年t 廿= 界 石油总产量的2 倍。与此同时，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体摊放的 主要来源之一。交通能源问题已不可避免地摆在世界各国面前。近年来，我国汽车产业发 展迅猛，预计2 0 2 0 年前我国将成为世界上最大的汽车制造国和主要的汽车出口国之。我国 目前的人均汽车保有量还很低，是世界上汽车市场潜力最火的国家，预计2 0 2 0 年汽车保有量 将达到l3 1 5 亿辆。但是，当我国刚刚到达汽车社会“门槛儿”，车用石浊消费在瓢浊总 消费中的比例还人大低于世界平均水平时，我们已经感受到了石油供应的日益紧张。2 0 0 0 年以来，汽车( 包括农用车) 汽油、柴油年消费量约! i 我国汽油、柴油消费总餐的1 2 ，彳i 油 消费的1 3 左右。这一数据说明：车用汽油、柴油消费总量与石油消费总鬣同步快速增欧。 由于汽车市场的持续升温，石油安全风险不断增大。再有，根据国际平均水平和我国现状分 析，我国车用汽油、柴油消费占石油总消费比例还将大幅增长。此外，我国目前车用燃油消 费总量与汽车保有鼙之比偏高，即汽车的油耗量偏大。同时，车用石油消耗所产生的空气污 染和c 0 排放也正在变成愈来愈严重的问题。这充分表明，我国所面临的石油安全与交通能 源问题将会愈来愈严峻担1 。 对于我国汽车能源面临的危机和严峻挑战，我们应采取综合性措施。一方面，发展节 能汽车以解决现阶段产业发展、能源紧张和：肖能环保问题：另一方面，开展新能源汽车研究， 实现车用能源多元化，保障汽车能源的可持续供应1 。 电动车是一种好的解决方法，能提高空气质量，降低对矿物能源的依赖，并能提高能源 效率。而且，装有入工智能、智能导航、高级控制、通讯和定位系统的电动车可以提高交通 安全和道路的使用。西方国家在开发内燃发动机方面已有百年经验，中国短时阃很难赶上迅 速发展的内燃机技术。但是，现代电动车的研究各国起跑线人致相同，我国在这方面加人新 技术开发力度，有可能与西方竞争。根据现状及未来3 0 年的趋势，总结过去3 0 年米在发展 电动车方面所取得的成果。提出电动车的今后发展目标，对于我国电动车的成功发展至芙重 要脚1 。 1 2 电动汽车的发展现状及特点 1 2 1 国内外电动汽车的发展现状 世界各国著名的汽车厂商都在加紧研制各类电动汽车，并且取得了一定程度的进展和 突破。 w 南& n 学 位论z履带式m e * 自动年* 型日带结构m 究 第一，日本。首辆磁悬浮汽车是日本开发研制的。日本埃克奥科技开笈公司垃计并制 作了一个眭5 2 c m ，宽2 3 c m ，高i c m 、重4 0 0 0 9 的微型醚悬浮汽乍模型，并在2 6 m 长的直线 距离上成功地进行了一移：行驶试验，时速达2 5 k m 。该汽下所有乖轮的中间都安装r 旋转发 动机；在车轮的外侧，安装了两个磁铁。试验在2 0 帅厚铝板铺成的路面上进行。当发动机 使车轮旋转时，路面锅板上的磁场发生变化，产生感生电流路面磁场与车轮上的融铁相互 作用产生浮力和推动力。当时速超过l o 千米时，汽车模型悬浮距路面6 至7 毫米，而且儿 乎投有摇晃地向前行驶。见图卜i ，这和磁悬浮列车韵原理有近似的地方。研究人员将以此 为开端着手研究实用的磁悬浮汽车。 圈1 1 日本发明的第一辆自自a $ 一直以来，出于对能源危机和环境保护的关注及占领未来世界汽车市场的考虑，日本十 分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日本是电动汽市技术发 展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混台动力汽车的产品发展方面，日本居_ | = 界壤先 地位。目前世界上能够批量产销混合动力汽午的企业，只有日本的半田和本口两家汽下公 司。1 9 9 7 年1 2 片丰田汽午公司首先在日本市场上推出了世界上第一款批量生产的混台动力 轿车p r i u s 。该轿车于2 0 0 0 年7 月开始出口北美，同年9 月开始出口欧洲，现在已经在全世界 2 0 多个国家上市销售。目前推出的产品已经是多次改进后的第二代产品，其生产工艺更为成 熟，根据丰田汽车公司的测试，p i i u s 轿车在城市丁况下比同等排量的花冠轿车廿油4 44 ； 在市郊节油2 97 ，综合节油4 05 。有黄统计数据显示丰田汽车公司已占有全球混合动 力汽车市场9 0 的份额，2 0 0 4 年9 月1 5 日，一汽集团与日本丰田汽车公司在北京举行了混合 动力汽车舍作项目签字仪式，宣布敢方在2 0 0 5 年内共同生产丰田p r i u s 混合动力轿车。p r z u s 混合动力轿车将在同年进人中国市场。 继p r i u s 混台动力轿车之后，车田汽车公司还推出了e s r l i 姒混合动力汽车和描载软泄 台动力系统的c r o w n 轿车。丰田汽车公司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶 性能方面已经走在了世界的前列。此外，本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽车也 已投放市场，供不应求。2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司在美国市场上投放i c i v i c 混台动力汽车。 河南农业人学硕 二学位论文履带炎磁悬浮 乜动车颞型履带结构娥究 日产汽车公司近日宣布，将予2 0 0 6 年向美国市场销售a h i m a 牌混合动力汽车，这是其t 2 0 0 2 年与丰田汽车公司签署联合生产混合动力汽车协议的第一个产品。 第二，美国。美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比来自日本的同行逊色不少，三 大汽车公司仅仅小批量生产、销售过纯电动汽车，而混合动力和燃料电池电动汽车目前还朱 能实现产业化，来自日本的混和动力电动汽车在美国市场上占据了土导地位。 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车开发合同，其中通刚汽 车公司投入1 4 8 亿美元，福特汽车公司投入1 - 3 8 亿美元，克莱斯勒汽车公司投入84 8 0 万美 元，进行为期5 年的研制开发工作，并于1 9 9 8 年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础上， 现已推出三款混合动力概念车础p r e c e p t 、f o r dp r o d i g y 、d a i m l e r c h r y s l e rd o d g e 酷x 3 。 2 0 0 4 年1 2 月1 4 日，通用汽车公司与戴姆勒一克莱斯勒汽车公司对外宣布，双方将在开发混合 动力电动汽车的技术领域携手，共同推进此项技术的发展。 与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荣的进行着。“十五”期 间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车t 业竞争力、实现我国汽车j r 业的 跨越式发展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项”，通过组织企业、高等院校和 科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。为此，从 2 0 0 1 年l o 月起，国家共计拨款8 8 亿元作为这一重大科技专项的经费。 我国电动汽车重大科技专项实施4 年来，经过2 0 0 多家企业、高校和科研院所的20 0 0 多 名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，燃料电 池轿车累计运行4 0 0 0 k m ，燃料电池客车累计运行8 0 0 0 k m ；混合动力客车已往武汉等地公交线 路上试验运行超过1 4 万k m ；纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。 燃料电池汽车。均采用电一电混合驱动方案，在整车操控性能、行驶性能、安全性能、 燃料利用率等方面均已得到较大提高。2 0 0 4 年5 月在北京召开的世界氢能大会上，我国自主 研发的燃料电池轿车和客车样车与世界领先的奔驰公司样车同堂展示，引起了世界的惊赞。 在1 0 月举行的必比登世界清洁汽车挑战赛上，我国自主研发的燃料电池轿车在7 个单项奖中 获得5 个a ( 在高速蛇行障碍赛、噪音、排放、能耗、温室气体减排5 个单项指标方面的最高 等级) 的好成绩，燃料电池城市客车也以较高的技术性能和可靠性在挑战赛中取得了良好的 成绩。 混合动力汽车。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司对此都投入了较大的人力、物力。 各车型均已完成功能样车开发。2 0 0 3 年1 1 月8 日，湖北省启动武汉电动汽车试验示范运行工 作。先后投入6 辆由东风电动车辆股份有限公司研制的混合动力客车，已累计运行1 4 万k m ， 载客1 5 万人次：混合动力轿车按e c e 城市工况与基本车犁进行的对比试验显示，其燃料经济 性提高4 0 左右，达到了节油的目的。长安汽车公司采用同轴i s g 轻度混合方案，成功开发 了第二轮功能样车和第三轮性能样车，并在国内率先开展了混合动力专用发动机开发。经过 国家检测机构测试，动力性能接近参考车的水平，综合油耗降低接近1 7 ，排放达到欧n i 标 3 溜南农业大学颐。l ：学位论文 履带式磁悬浮 毡动乍新型霍带结构研究 准。 纯电动汽车。目前纯电动轿车和纯电动客车均己通过国家质检中心的型式认证试验，各 项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯 电动轿车，其整车的动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标己超过法国雪铁龙公司赠送的 纯电动轿车和箱式货车，初步形成了关键技术的研发能力。北京理工大学等单位初步完成了 北京理工科凌电动车辆股份有限公司密云电动车辆产业化生产基地的建设，并于2 0 0 3 年1 2 月3 0 日顺利通过北京市公共交通总公司组织的示范运行车组验收。小批量研发生产的4 种车 型、近4 0 辆公交车即将投入北京市奥运电动示范车队的示范运行【7 1 。 1 2 2 电动汽车的优点 方便电动车结构简单，毋需要换机油、油泵、汽化器以及消声装置等等。毋需添加冷 却水，保养工作极少。 无污染电动车不会产生废气排放，毋需冷却剂、机油等污染物。即使将发电厂的污染 都考虑在内，电动车也可以比燃油车减少绝大部分的空气污染。实际上，电动车并不是简单 地将空气污染从市区搬到发电厂。因为电力来源是多样的，许多能源。像水能、太阿i 能、潮 汐能、核能都可以高效率地转化为电能。 高效率在城市行车时，为了等候交通灯，必须不断地停车和启动，这既造成了人量的 能趟消费，又增加了业已十分严重的空气污染。而使用电动车，减速停车时，可以将车辆的 行驶驱动能“再生”地转化为电能并储存在蓄电池中。在停车时，可以不必让电机空转，这 可以大大提高能源的使用效率，减少空气污染。 无噪声与燃油车不同的是，电动车的运行基本上是宁静的，雨在大城市，汽车噪声也 已成为一种严重的污染。 经久耐用由于电动车结构简单，基本上毋需日常保养，除了定期更换蓄电池之外，它 的使用寿命比常规的燃油车长婚1 。 现代电动车是配合电力、电子、机械、控制技术、材料科学以及化工技术，其至航天技 术等各种高新技术的综合产品。电动车发展的总目标是生产出在性能和价格上都能媲美丁燃 油车的适合于各种用途的交通工具，也就是说电动车必须能提供现有燃油车所具有的行驶里 程、性能、安全性和无故障行驶，而且价格要又竞争性。在这一点上，开发高性能、低成本、 安全可靠的蓄电池或其它蓄能装置就显得非常重要。尽管目前电池储能技术还没有得到相应 的发展，但是材料科学和制造技术的进步为电动车的蓄能系统提供了乐观的前景。目前现有 的电动车的价格大约是燃油车价格的1 r5 倍到3 倍，但是电动车的日常维修费用火约是燃油车 的一半。在香港地区，电动车年行驶l 万公里和1 5 万公里的燃料费用分别是燃油汽车的0 4 和0 3 倍，这意味着电动车的行驶增加，其单位燃料成本将下降，由此可见，尽管电动车的 初期投资大于燃油车，但是由于它的运行成本远低于燃油车，在总体价格上，电动车还是有 一定竞争力的。 4 河南农业大学硕1 ：学位论文 履带式磁悬t t - t g 动屯瓤型履带结构研究 1 2 3 电动汽车用驱动系统的国内外研究现状 电动汽车驱动系统是电动车的核心技术。是提高电动汽车的驱动性能、行驶里程以及行 驶方便性、可靠性的保证，电动汽车的电机及其控制与传统的电机及其控制相比，其特点如 下： ( 1 ) 电动机处于频繁的起动、加减速。交速范围宽和制动同馈的t 况下，要求有良好的 控制性能。低速( 恒转矩区) 运行应能够提供大转矩，以满足起动、爬坡等要求；能够提供 高转速，以满足汽车高速行驶及超车的要求。 ( 2 ) 在整个运行范围内要求高效率，包括电动机，控制器及相应传动方面的综合效率， 目的是增加电动汽车一次充电的行驶距离。同时考虑在滑行或下坡时的制动动能再生利用， 而且在宽功率变化范围内部都有较高效率。 ( 3 ) 有较强的过载能力、快速的动态响应及良好的加速性能。目的是适应路面变化及频 繁启动和刹车等复杂运行工况。 ( 4 ) 电动机和控制系统能承受火电流冲击以提高启动和加速转矩，有较长时间过载能力。 ( 5 ) 有安装空间及自重限制，要求电动机体积小，重麓轻，有较高的功率密度。 ( 6 ) 电动机机构上要考虑电动汽车的传动和悬挂问题。 ( 7 ) 考虑环境承受能力，在抗震、防水、防潮、防尘、防雾、通风散热给与充分注意。 目前电动汽车用电动机正在向大功率、高转速、高效率和小型化方向发展，电驱动系统 研究的重点是各种类型的驱动电动机及其控制系统，所用电机包括有刷直流电动机、感应电 动机、开关磁阻电动机、无刷直流电动机及永磁同步电动机。 有刷直流电动机优点是控制比较简单、技术成熟。缺点是带有换刷和换向器，容易产生 换向问题，而且重量较大，效率较低。目前，在电动汽车上的应用已经非常少见。但仍有一 些电动汽车采用有刷直流电动机驱动系统，如日本东京入学u o t 电动汽车，意大利菲旺特公 司的9 0 0 e e 2 电动汽车。 开关磁阻电机的优点是结构简单，功率半导体器件不会发生“直通”的现象。缺点是技 术不成熟、转矩波动大，容易引起噪声和共振：在高频和高峰值电流时易产生电磁兼容性问 题。所以，在电动车方面应用较少。 感应电动机一般采用鼠笼型结构的三相感应电动机，电动机控制器采h j 欠量控制的变频 调速方式。近年来，随着感应电动机变频技术的进步，大功率誓导体器件和微处理器速度的 大幅提高，使感应电动机驱动系统与直流电机驱动系统相比，具有效率高、体积小、质量小、 机构简单、控制技术比较成熟、免维护、易于冷却和寿命长等优点，该系统调速范匍宽，而 且能实现低速恒转矩，高速恒功率运转，很女f 地满足了汽车实际行驶所需要的转速特性。目 前仍大量应用与电动汽车中，尤其是在美国和欧洲国家，如美国通用汽车公司生产的i m p a c t 和e v i 电动汽车，f o r d 公司生产的r a n g e r 电动汽车，在国内有胜利s l 6 7 0 0 d d 电动客车，郑州 华联z k 6 8 2 0 h g 一1 电动轻型客车。 5 河南农业大学硕l j 学位论文履带式磁悬浮电动乍新型履带结构研究 无刷直流电动机( b d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) 具有转矩、功率密度大，位置 检测和控制方法简单、效率高的优点，其不足是转矩波动，控制精度稍低，但对应与有减速 系统和车速要求不高的电动汽车驱动是不成问题的，冈此b d c m 在各国电动汽车驱动中都有戍 用。在国内，如清华e v 6 5 8 0 电动汽车，深圳明华复合电动中巴都采用b d c m 。 与无刷直流电动机( b d c m ) 相比，永磁同步电动机( p m s m ) 结构简单，运行可靠：重鼙 轻，损耗小，功率因数高，控制技术比较成熟，但永磁材料成本较高。只在小功率的电动汽 车中得到一定的应用。但通过合理设计永磁磁路结构能获得较高的弱磁性能，在电动汽车驱 动方面具有很高的使用价值，已经受到国内外电动汽车界的高度重视，并已在日本得到了普 遍应用，是电动汽车的首选阻。 1 3 直线电机在磁悬浮列车上的应用 很早以前，人们就希望列车能与轨道脱离接触，以解除轮轨车辆的振动与磨损带来的烦 恼。早在1 8 6 4 年，法国就开展了气垫车的研制t 作，通过压缩空气使车体与地面脱离接触。 1 8 6 9 年法国巴黎试验了世界上第一个气垫车。2 0 世纪6 0 年代，这种研究形成高潮，世界上 出现了三个载人的气垫车实验系统。随着技术的进展，特别是固体电子学的出现，使原来十分 庞大的控制设备变得十分轻巧，这就给磁悬浮列车技术提供了实现的可能。1 9 6 9 年，德国牵 引机车公司( l o c o m o t i v ec o m p a n y ) 的马法伊( k r a u s sm a f f e i ) 研制出小型磁浮列车系统模 型，以后命名为t r 0 1 型。1 9 7 2 年又研制成t r 0 2 型，该车在i k m 轨道上时速达1 6 5 k i n ，这是磁 悬浮列车发展的第一个里程碑。1 9 7 3 年，马法伊还研制成气垫车( 命名为t r 0 3 ) 。与磁浮列 车相比，气垫车的技术要复杂得多。此后德国放弃了发展气垫车的计划，而着眼发展磁悬浮列 车( 以下简称磁浮列车) 。 磁浮列车从原理上可分为两种。一种是电磁型( e m s ，e l e c tr om a g n e t i cs y s t e m ) ，也称 吸力型、常导型。另一种是电动型( e d s ，e l e c tr o d y n a m i cs y s 2 t e m ) ，也称斥力型、超导型。 电磁型列车在车体内装有电磁铁，路轨为一导磁体。电磁铁绕组中电流的大小根据间隙传感 器的信号进行调节，使车体与路轨间保持一定距离。悬浮力的大小与车速无关，任何车速时均 能保持稳定的悬浮力。悬浮气隙较小，约i c m 。出于安全考虑，设有应急备用车轮。车身前进 的动力由直线感应电机或直线同步电机提供( 也可用喷气推进) 。它的悬浮和推进系统消耗 的功率很小，一般为l k w t 。结构、材料简单，但车体较重。 电动型列车在车体内安装有超导线圈，轨道上分布有按一定规则排列的短路铝环。当超 导线圈内通电时就产生强磁场，在列车以一定速度前进时，该强磁场就在路轨的铝环内产生 感应电流，两者相互排斥而产生上浮力。速度愈大这个排斥力就愈犬，当速度超过一定值( 时 速8 0 k m 以上) 时，列车就脱离路轨表面，最大距离可达数十厘米以上。其悬浮是臼稳定的， 无须加任何主动控制：由于采用大气隙悬浮，即使车体有稍许不平衡，或车体与轨道有些许对 不准，或轨道上有冰雪之类杂物，均不会影响列车运行的安全性。采用超导线圈虽可减轻线圈 结构的重量，但却要增设超导所需的致冷系统，致冷电源也增加了功耗。这种结构的磁场若不 6 河南农业人学硕j ：学位论文履带式磁悬浮电动车额型履带结构研究 加屏蔽，会增加环境的电磁污染。在低速行驶时，列车还需轮轨系统支撑，侧向稳定也要另加 控制设备。除电磁型、电动型之外，还有永磁式半悬浮型、推力与悬浮结合型的磁浮歹n 车。 磁浮列车的驱动方式主要有直线感应电机( l i m ) ，直线同步电机( l s m ) ，以及直线磁阻电机 ( l r m ) 和z 宇型单极直线同步电机。后两者很少采用。 直线感应电机也称短定子直线感应电机，主要用在日本的h s s t 系列。它的初级绕组装在 车体上，定子由硅钢片选成，横向开有许多齿槽，用于安放电机绕组。次级采用低碳钢实心结 构，架设在轨枕上，其上附设一层次级导体( 5 m m 厚的铝板) 。当初级绕组加上三相交流电之后， 在气隙空间形成一个平移磁场，该磁场切割次级导体，在导体中产生感应电流。该感应电流 形成的磁场与初级绕组形成的平移磁场方向相反，从而在路轨与车体之间产生电磁推力。这 种电机的速度低于同步速度，一般用于中速( 1 0 0 2 0 0 k m h ) 磁浮列车。直线同步电机也称k 定子直线感应电机，主要用在德国的t r 系列和日本的m l u 系列。其初级绕组沿轨道铺没，故 称长定子，定子线构与短定子类似。次级安装在车体上，为永磁体或直流绕组，在气隙空间建 立起一个恒定的直流磁场。当初级绕组加上三相交流电后，与次级的直流磁场间产生电磁推 力。这种电机的速度等于同步速度，一般用于高速( 4 0 0 5 0 0 k m h ) 磁浮系统。这种电机需沿 轨道铺设人量导电线圈，并沿线建立许多变电站，用丁二区间供电1 1 2 。1 引。 1 4 磁浮列车技术在中国的发展前景 中国幅员辽阔，人口众多，经济正处起飞阶段，交通问题十分紧迫。就陆路交通而言，中国 可耕地面积仅占国土面积的1 7 ，可耕地十分宝贵，因此不宜大量发展占地面积人的交通设 施。据统计，津塘高速公路每公里占地8 1 万m 2 ，而铁路每公里仅占地1 6 3 万m 2 ，普通路基 的磁浮列车占地与铁路相当，而高架的磁浮列车占地要少得多，即使是双轨的，占地面积也仅 为高速公路的5 。可耕地宝贵是中国一项重要的基本国情，由此出发，中国应优先发展铁路。 据1 9 8 9 年统计，中国铁路总长5 2 6 万k m ，人均铁路拥有量在世界上排在1 0 0 位之后，按国 土面积平均排在世界7 0 位之后，然而所完成的客货周转量却居世界第3 侥，几乎与美国总长3 0 万k m 的铁路所完成的相等。中国铁路主要干线的货运只能满足社会需求量的5 0 7 0 ，客车 超员高达5 0 1 0 0 。因此，中国再造1 0 倍以上的铁路也不为过。磁浮列车作为一种采用高技 术的铁路运输工具，其单位能耗不仅比飞机、汽车低，与其他铁路运输工具相比，也是最低的。 修建地下铁路，造价昂贵，按中国的国力，近期不可能大规模发展。修建中低速的高架磁 浮列车，造价要合理得多，而且噪声小，占地面积小，是解决城市交通问题的理想方案。 因此，磁浮列车技术的研究在中国也受到充分重视。8 8 0 年代初开始磁悬浮运行技术的 探讨和基础研究，其中包括悬浮控制技术研究、小型磁浮模型车和模型装置的研制和理论分 析，以及1 8 吨载人磁浮列车方案设计等。中国第一台磁浮列车原理模型诞生丁1 9 8 9 年，该车 属e m s 型，类似日本的h s s t 结构，车体重8 0 k g ，f h l i m 系统推进，运行速度可达l o m s ，曾在长沙、 北京展出多次。现在，磁浮列车技术的研究已列入国家八五科技攻关项目，重点发展e m s 型， 初步决定建立磁浮试验线路。在资金和价格合理的条件下，还考虑引进国外较为成熟的关键 7 河南农业大学硕一 j 学位论文履带式磁悬浮电动屯新型履带结构研究 技术，以促进磁浮列车技术在中国的发展。 磁浮列车的核心技术是悬浮与推进，并需要一套复杂的自动控制系统。它的实现需要运 用电子技术、电磁器件、直线电机、机械结构、计算机、材料以及系统分析等方面的高技术 成果，因而国际上把磁浮列车列为高技术产品。但对于比较成熟的e m s 型磁浮列车来说，它是 高技术产品，却并非高价产品。它所依据的基础技术均属已成熟的技术，也不需要等待菜一项 技术的突破或某种特殊材料与器件的出现，所有材料与器件都是国内市场上可买到的商品， 需要攻关的关键是组成系统的技术和实现： 程化。可以相信，磁悬浮列车在中国某地的交通 网络中出现，让人们实际体验到它的优越性，它在中国大地上的发展将是无可限量的瓠。 1 5 直线电机车辆与传统旋转电机车辆的性能对比分析 传统的旋转电机车辆是一种通过旋转电机驱动、依靠轮轨作用来传递牵引制动力的车 辆。其所采用的牵引驱动技术具有效率高、技术成熟等特点，目前仍代表着城市轨道交通车 辆发展的主流。而新型的直线电机车辆由于不需要轮轨作用来传递牵引制动力，冈而突破 了轮轨粘着对城市轨道车辆牵引制动性能的限制，具有爬坡能力强、振动和噪音小的特点， 代表了城市轨道交通车辆新的发展方向m 川。 1 5 1 牵引方式对比分析 传统的旋转电机车辆牵引方式是由电机旋转产生动力，通过一定的机械传动装置( 齿轮 和联轴节) 传到轮轴上，再借助轮轨间的粘着作用形成牵引制动力，牵引或制动车辆( 如 图1 - 2 所示) 。 一一气：、。 ， 蛾鞔 图卜2 传统旋转电机车辆牵引力原理示意图 但这种牵引方式受到轮轨之间粘着力的限制，一- 日轮轨间之的作用力超过轮轨允许的最 大粘着力( 其中为摩擦系数，p 为轮重) ，则会造成轮对空转和滑行，引起牵引力或制动力的 迅速下降，严重时甚至危及轮轨设备安全。所以，传统的旋转电机牵引方式是一种受到轮轨 粘着限制的牵引方式。 而直线电机车辆牵引方式与传统的旋转电机车辆有明显的不同，它不需要中间的机械传 动装置环节，而是利用直线电机的车载定子与地面感应极的直接电磁作用，产生牵引、制动 力，完全不需借助轮轨相互作用( 如图卜3 所示) 。直线电机车辆采用直线电机牵引。轮轨系 统支撑导向，可称为非粘着驱动系统。 8 河南农业大学硕上学位论文履带式磁悬浮电动车新型履带结构研究 图卜3 直线电机车辆牵弓l 力原理示意图 直线电机车辆与传统旋转电机车辆相比，由于车辆的运动是依靠直线电机所产生的电磁 力来推进，不再受粘着限制，因此其爬坡能力远大于传统旋转电机车辆，可达到6 0 8 0 ；此外，直线电机车辆可简化转向架的设计，方便采用自导或迫导型转向架。这样车辆可 通过半径较小的曲线( 最小半径为5 0 m ) ，这增加了车辆有效使用地面空间的能力，通过合理 布置车辆段设备，可有效地减少车辆段的规模，使得土地资源得到最大限度的利用。 表卜1 广州地铁传统旋转电机与直线电机车辆性能比较 同时，直线电机车辆不需要齿轮传动装置传递动力，从而减少了传动损耗，提高了效率 和降低了噪声；同时也减少了车辆的维修量。从表1 1 ) - 。州地铁传统旋转电机车辆与直线电 9 4 自女m 学颐l 学位论文腰* 矗融悬也车新型腰# 栅n 究 i 妒彝? 篱。 田1 4t 线自机与旋转电机 童田 直线电机虽然是由旋转电机演化而米，但由于直线电机不像旋转电机那样是闭台圆环结 构，而是长直的两端断开结构，存在纵向边端效应和横向边端效应因此，直线电机的性能 与特性较传统旋转电机相比，有请多的不同。 153 等效电路田分析 直线电机的稳态特性近似计算可参考旋转电机