（电力电子与电力传动专业论文）基于开关磁阻电机系统的电动车辆驱动及相关技术研究与实践.pdf

a b s t r a c t i nr e s p o n s et oc o n c e r n sa b o u te n e r g yc o s t ，e n e r g yd e p e n d e n c e ，a n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n ，ar e k i n d l i n go f i n t e r e s ti ne l e c t r i cv e h i c l e sh a sb e e no b v i o u s p mb r u s h l e s sd c m o t o r sa n di n d u c t i o nm o t o r sa r ee x t e n s i v e l yu s e di ne l e c t r i cv e h i c l e s h o w e v e r , v a r i o u s e v a l u a t i o nt e s t sc o n f i r m e dt h a ts w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) s e e m st ob et h eb e s t s o l u t i o no fe l e c t r i cv e h i c l e si nt e r m so fi t sf l e x i b l ec o n t r o l m e t h o d ，c o m p a c t n e s s ， r o b u s m e s s ，a n dg o o de l e c t r i cc h a r a c t e r i s t i c s s r m s y s t e mi san e w 虹n d o f v a r i a b l e s p e e dd r i v e s w h i c hi sc o m p o s e do f d o u b l e s a l i e n tr e l u c t a n c em o t o r , p o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r , r o t o rp o s i t i o ns e n s o ra n dc o n t r o l l e r s r m s y s t e mh a db e e n s t u d i e db y m a n y r e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a d h o w e v e rt h eb a s i c t h e o r i e so f s r m ，s u c ha s ，t h et h e o r yo fg e n e r a t i n g ，t h ea n a l y s i so fc o n t r o ls t r a t e g y , a n dt h e d e s i g n o fs r ma r es t i l li n m r a t u r ea n d i m p e r f e c t h t h i s d i s s e r t a t i o n , m e t h o d s o f c a l c u l a t i n gp a r a m e t e r s ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n gt h e o r y , n e wc o n c e p to fd e s i g np r o c e d u r eo f s r m ，a n di t sc o n t r o ls t r a t e g ya r ed i s c u s s e d a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n ，a p p l i c a t i o n so f s r m s y s t e mi ne l e c t r i cm o t o r c y c l ea n ds o m er e l a t e dt e c h n i q u e sa n dt e s t sa r ep r e s e n t e d t h ed i s s e r t a t i o ni so r g a n i z e da sf o l l o w ： c h a p t e r lr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e si nt h ew o r l d t h ec u r r e n t s t a t u so f m u l t i d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g i e s i ne l e c t r i cv e h i c l e si s p r e s e n t e d a n d t h e c o m p a r i s o no fa p p l i c a t i o n sa m o n g t h r e et y p e s p r o p u l s i o ns y s t e m ：p mb m s h l e s s d em o t o r s ， i n d u c t i o nm o t o r s ，s r mi sm a d e i n c h a p t e r 2 c h a r a c t e r i s t i e so fs r ma r ed e s c r i b e d t h ef i m d a m e n t a l o p e r a t i n g p r i n c i p l e so fm o t o r i n gm o d ea n dr e g e n e r a t i v eb r a k i n gm o d eb a s e do n8 6s t r u c t u r es r m a r ed i s c u s s e di nd e t a i l i nt h e s ed i s c u s s i o n s ，l i n e a ra n a l y s i sa n dn o n l i n e a rs i m u l a t i o n m e t h o d sa r eu s e d i nc h a p t e r3 ，t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fs r m s u c ha s ，p o l e a r c h f a c t o ln u m b e ro ft u r n sp e rp h a s e ，r o t o ra n ds t a t o rp o l eh e i g h t s ，a n da i rg a pb e t w e e nr o t o r a n ds t a t o r a n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so fs r ma r ea n a l y z e d an e wc o n e tt h a tc a nb eu s e dt o d e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i co fp h a s ei n d u c t a n c ep r o f i l eo fs r mi s p r o p o s e d a n da n e n g i n e e r i n gd e s i g n m e t h o do f s r mi sp r e s e n t e d f r o mc h a p t e r4t oc h a p t e r6 ，a p p l i c a t i o n so fs r mi ne l e c t r i cm o t o r c y c l e ( e m ) a r e o v e r v i e w e d i no r d e rt oi m p r o v er a n g ep e rc h a r g eo ft h ee m ，am u l t i v a r i a b l es e l f - t u n i n g c o n t r o ls t r a t e g yo f m o t o r i n gm o d e o fs r mi sp r o p o s e d i nm o t o r i n gm o d e ，d u t yc y c l eo f p w mi su s e dt or e g u l a t et u r n o na n g l ea n dn e g a t i v et o r q u et h a ti si ni n s t a n t a n e o u st o r q u e w i l lb er e d u c e d s ot h ee f f i c i e n c yo ft h es r mw i l lb e i m p r o v e d a sam a i na d v a n t a g eo f s r m ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n gi su s e di ne ma p p l i c a t i o n a n dd e a c c e l e r a t o r m a i nb r a k e c o n t r o ls t r a t e g yc a nb eu s e dt os a t i s 母b o t hr e g e n e r a t i v ee n e r g ya n ds a f e t yo f d r i v i n g a n e w c o n c e p to fi n t e l l i g e n tb a t t e r yb a s e do na n a l y s i so f l e a d a c i db a t t e r yc h a r a c t e r i s t i c si s p r e s e n t e d i tw i l lb eag o o ds o l u t i o no fi n f r a s t r u c t u r eo fs w a pb a t t e r ys t a t i o ns y s t e m f i n a l l y , o v e r v i e wo f d e t a i ld e s i g no fe mi sg i v e n t h ep o w e rc o n v e r t e rt o p o l o g ya n di t s v a r i a b l e s p e e d c o n t r o l p a t t e r n si ne l e c t r i cm o t o r c y c l ea p p l i c a t i o na r ei n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , e l e c t r i cv e h i c l e ，m o t o rd e s i g n ，c o n t r o ls t r a t e g y , i n t e l l i g e n tb a t t e r y , r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，s i m u l a t i o n 一 塑塞塾至塾丕奎堂堕主笙茎 第一章绪论 1 1 引言 世界上第一辆电动汽车诞生于1 8 3 5 年，是由美国的汤姆斯发明的。5 0 年后， 他的同胞佛勒德克姆保尔首次使电动汽车成为商品，此后，电动汽车曾一度辉煌 1 2 1 9 。二十世纪初有三种汽车一一电动汽车、蒸汽汽车和内燃机汽车展开了 激烈的竞争。随着技术的发展及人们对汽车速度和强大动力的追求，再加上1 9 世纪 末2 0 世纪初发现了大量油田，所以内燃机汽车逐渐占据了主要地位，并称霸世界近 百年的时间。 表卜l世界先进电动汽车技术对比 g i i 冲击4尼桑f e vb l f 【we 1 e 2u 2 0 0 l 车体重量( k g ) 1 3 4 89 0 09 1 51 9 7 3 风阻系数o 1 8 5o 1 9o 3 20 3 4 滚阻系数0 0 0 4 80 0 0 50 0 0 80 0 0 4 4 最高时速( k m h )1 2 81 3 01 2 0 ( e 1 )1 1 0 加速性能( k m h ，s )0 9 6 8 50 4 0 。3 60 5 0 ，6 ( e 1 )o 4 8 6 3 连续行驶里程 ( k m k m h )1 9 3 8 91 6 0 7 21 5 5 8 0 ( e 1 )1 7 6 8 8 电池种类铅酸镍铬钠硫镍铬 电池重量( k g ) 3 9 52 0 02 6 57 9 2 电压( v ) 3 1 22 8 01 8 02 6 4 电池容量( k w h )1 6 8 1 1 62 8 83 7 电机类型交流感应双交流感应永磁无刷永磁无刷 减速器传动形式行星齿轮行星齿轮行星齿轮行星齿轮 变换器 i g b ti g b tm o s f e t i g b ti g b t 进入2 0 世纪7 0 年代，两次石油危机和中东战争以及世界汽车保有量的进一步 增加使得欧洲各国和美、日等石油进口国纷纷寻找替代和节省石油的办法。另外， 苎王堑羞磁阻电机系统的电动车辆驱动及相关技术研究与实践 大量汽车尾气所带来的环境污染问题也目益受到人们的强烈关注。有资料表明，汽 车已经成为了主要的污染气体排放源。其中，4 3 的非甲烷有机气体( n m o g ) 、5 7 的氧化氮气体( n o 。) 、8 2 的一氧化碳气体( c o ) 来自各种汽车尾气。 为解决上述问题，人们又重新求助于电动汽车 1 卜 8 1 9 ，使这种古老的交 通工具又焕发了青春。特别是1 9 9 0 年，美国加利福尼亚州空气资源局制定了汽车废 气排放法律，规定到1 9 9 8 年，在j j j l l 销售的汽车中的2 必须是“零排放”汽车( z e v ) ， 到2 0 0 3 年，这一比例将达到1 0 。随后其它国家和地区也纷纷制定相应的法律和 政策，并不断增加对电动汽车研究的投入。表卜1 列出了当前世界上一些较先进的 电动汽车的技术数据 1 。我国也是一个石油资源短缺的国家，随着汽车保有量的 增加，环境污染问题也日益严重，电动汽车的开发应用已引起广泛重视 8 2 0 卜 f 2 2 。 1 2 电动车辆的组成特点与发展现状 现代电动车辆是融合电力电子、机械、控制技术、材料科学以及化工技术甚至 航天技术等各种高技术的综合产品，其发展的总体目标是生产出在性能和价格上都 能与燃油车辆相媲美的适合于各种用途的电动车辆。 1 2 1 电动汽车总体结构 电动汽车总体结构的开发主要有改装和全新设计两种方式。改装虽然可以加快 开发进度节省经费，但是原型车是为内燃机设计的，车身重、风阻系数一般较大， 缺乏安装电池和电气设备的合理空间，加之传动系统与电机特性不匹配，改装电动 汽车的性能将受到极大影响。所以纵观世界各大汽车公司所开发的电动汽车无一不 是专门设计的。 新的制造技术对提高电动汽车的性能也有重要作用。例如日本的e c o 汽车采用 了一种电池与结构融合技术( b b f ) 9 ，汽车底盘被设计成中空结构，电池安装在 结构里面与之融合成一体。首先，这种中空结构设计使电气连接和导线安装完全在 b b f 当中，提高了电气安全性；其次，这种设计降低了风阻系数，提高了行驶里程； 再者，这种设计减轻了车体重量，降低了重心，所以增加了电动汽车的稳定性和安 全性。 1 2 2 电动汽车驱动系统 1 2 2 1 混合动力系统 为解决电动汽车一次充电行驶里程过短的问题，混合动力汽车将是一个很好的 2 南京航空航天大学博士论文 选择。它是一种将电力与其它动力( 如低污染排放的代用燃料发动机) 进行组合来 实现高效率驱动的汽车。根据发动机与电机组合方式不同大致可分为三种：并联混 合动力电动汽车( p h v ) 、串联混合动力电动汽车( s h v ) 、串并联混合动力电动汽 车( p s h v ) 。混合动力电动汽车很好地解决了纯电动汽车电池容量不足的问题。由 于发动机在相对稳定的状态下工作，因此效率较高，排放的污染气体的含量大大降 低，在市区行驶时可以仅由电动机工作以达到零排放标准。我国煤炭资源丰富而石 油资源不足，混合动力电动汽车可以使用多种燃料并对多种能源进行综合利用。混 合动力电动汽车在电机驱动的基础上又增加了发动机发电机组，车辆的一次成 本提高了1 5 2 0 。尽管混合动力电动汽车性能较优越，但它只是公路交通工具 由内燃机车辆向电动车辆发展的中间暂时过渡产品。随着新材料新技术的不断发展， 特别是电池比能量和能量密度的提高，混合动力电动汽车终将会被纯电动汽车所代 替。 1 2 2 2 驱动配置 电动汽车的驱动方式主要有四种，见图卜1 ，其中( a ) 为普通式：( b ) 为无变速 器式；( c ) 为无差速器式；( d ) 为轮式电机式 1 0 。 图i - i 电动汽车的驱动方式 内燃机汽车的驱动机构是由离合器、变速器、差速器等组成的，因此，机械传 动系统消耗的能量约占总有效能量的1 0 4 。电动机的外特性与内燃机不同，其 转速从零到最高转速范围内可任意调节，而且象开关磁阻电机和永磁无刷电机等在 低转速区转矩较大。电机还具有体积小，效率高等特点，而且可利用大减速比的行 星齿轮减速器使较高的电机最大设计转速与电动汽车要求相适应，从而减小电机的 薹于开关磁阻电机系统的电动车辆驱动及相关技术研究与实践 体积使之能够装入汽车轮毂。随着电机技术、功率变换技术和控制技术的进步发 展，减速器最终将被取消，使传动系统能量损耗降到最低 1 1 。 i 2 2 3 电机、变换器 电动汽车都以电池为电源，但是电动汽车可选用的驱动电机有多种类型，如直 流电机、交流感应电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机等多种电机 1 2 。早期电动 汽车驱动电机多采用直流电机，而且当前仍在一些电动汽车上使用，但目前应用最 广泛的为交流感应电机和永磁无刷电机，开关磁阻电机作为7 0 年代兴起的新型电机 在电动汽车应用方面也有着非常巨大的潜力。 交流感应电机以及所采用的变压变频技术( v v v f ) 最成熟，这种调速系统将变 压变频统一为一体，起动电流小，调速范围较宽，最高转速可达1 5 ，0 0 0 r p m ，电机 能够实现四象限运行，制动时可再生发电。为了适应电动汽车的要求，电机体积必 须做得小些，但这样使铁芯容易饱和。在电机饱和区域内很难实现对电机转矩进行 准确和稳定地控制，为此需要采取矢量控制 1 3 ；但矢量控制技术难度较大，控制 回路复杂，变换器开关元件容易产生直通现象，必须增加必要的保护电路，系统成 本较高；加上交流感应电机固有的缺点起动力矩较小，这些都将影响交流感应 电机在电动汽车上的应用。 永磁无刷电机通过转子位置检测器实现自整步控制，用电子开关进行换向，如 果采用双向导通开关进行换向，可以提高永磁无刷电机的转矩特性，并控制电机实 现四象限运行。永磁无刷电机最高转速可达1 0 ，0 0 0 r p m ，系统效率高，能量转换密 度大，起动力矩也较大，适合小型化发展。但是，永磁材料的使用使电机制造工艺 复杂，限制了电机的最大功率，价格也很昂贵；永磁材料受温度影响较大，在大过 载电流下，也可能导致永磁材料的磁性能下降，严重时会产生退磁以致大大影响电 机性能。另外，为实现四象限运行，变换器的开关元件较多，也会产生直通现象。 开关磁阻电机构造最简单，如图卜2 所示，定、转子均为凸极齿槽结构。其转 子上无任何绕组，因此转子上没有铜耗，且转子非常坚固，所以特别适合高速运行， 最高转速可达1 0 0 ，0 0 0 r p m 以上。其定子上只有集中绕组，制造工艺简单，易于冷却， 所以可以适当地提高电机的能量密度。 开关磁阻电机起动转矩大，低速时为恒转矩输出，而且低速时采用电流斩波控 制，起动电流小，高速时为恒功率输出。图卜3 所示为本文研制的l k w 电动摩托车 用开关磁阻电机的特性曲线。开关磁阻电机在广泛的转速范围内效率均较高，这个 特性非常适合电动车辆在各种工况条件下保持高效率以增加行程。由于开关磁阻电 机可达到很高转速，因此可通过设计使恒功率范围很宽，这样在满足电动汽车动力 性能要求的同时可以降低电机的额定功率 1 4 。 4 南京航空航天大学博士论文 a l 图i - 2 四相8 6 结构开关磁阻电机图卜3 开关磁阻电机机械特性 截面图( 1 k w 电动摩托车驱动电机) 由于开关磁阻电机可控参数多，控制非常灵活，采用角度控制开关损耗较小， 而且在不增加开关数量的前提下可方便地进行四象限运行。开关磁阻电机的变换器 结构简单，绕组与主开关是串联的，不会产生直通现象，因此可靠性较高。开关磁 阻电机也有较高的能量转换密度 1 5 1 6 ，可以做到与交流感应电机同机座同出力。 开关磁阻电机的振动和噪声相对比较大，但可望通过优化机械设计和采用先进的控 制方法加以解决 1 7 。 综上所述，开关磁阻电机成本、体积、可靠性方面均优于交流感应电机和永磁 无刷电机，在效率和单位体积提供的转矩方面至少与后两者相当或略优 1 4 1 6 ， 在未来的电动汽车研制过程中，开关磁阻电机一定会得到广泛的重视和应用。 i 2 3 储能系统 电动汽车的储能系统电池性能的高低决定着电动汽车性能的优劣。目前， 电池技术日新月异，电池种类繁多，但它仍然是制约电动汽车发展的瓶颈。这主要 是因为，电池的i i i i 量和能量密度均较低，次充电行驶里程短；而且电池的体积 和重量在电动汽车上所占比例相当大，严重地影响了电动汽车的整体性能；再者， 充电时间长，使用不方便。 1 2 3 1 飞轮储能装置 飞轮储能装置也称机械电池，它靠飞轮的高速旋转储存机械能。充电时，与飞 轮相连的电机使飞轮处于高速旋转状态；放电时，转换为发电状态将能量释放出来。 茎王茎茎壁堕皇塑丕笙塑皇塑主塑望垫墨塑萎垫查堑塞量塞堕 飞轮储能装置比能量和能量密度较高，使用寿命长，不含有毒物质。 1 2 3 2 燃料电池 图卜4p 2 0 0 0 燃料电池汽车动力系统 燃料电池是利用燃料( 氢气、甲醇等) 和空气的电化学反应，将燃料的化学能 直接转化为电能，只要连续不断地向电池供应燃料，燃料电池就能连续输出电能， 其反应产物为水蒸汽，不污染环境，能量转换效率高，不需充电。根据电解质种类 的不同，燃料电池可以分为碱性燃料电池( a f c ) 、离子交换膜燃料电池( p e m f c ) 、 磷酸型燃料电池( p a f c ) 和固体氧化物燃料电池( s o f c ) 等 1 8 。燃料电池的能量 转化率可以高达6 0 7 5 ( 是内燃机的2 3 倍) ，是电动汽车最理想的能源。德 国的奔驰公司及美国的福特公司分别投入4 亿美元给加拿大的巴拉德( b a l l a r d ) 公 司研制用于电动车辆的质子交换膜燃料电池。计划到2 0 0 5 年将年产2 0 万套燃料电 池组供两大汽车公司生产燃料电池电动汽车使用。除此之外，加拿大、法国、日本 一些公司如戴姆勒一克莱斯勒、福特、通用、尼桑、丰田公司也在积极研究燃料电 池和燃料电池电动汽车 2 3 。制约电动车辆发展的电池问题将会随着燃料电池的实 用化而得到解决。图卜4 为福特公司p 2 0 0 0 燃料电池电动汽车。 1 2 3 3 化学电池 化学电池种类繁多，目前适用于电动汽车的电池主要有：铅酸电池，镍镉电池， 镍氢电池，钠硫电池，锂电池和锌空气电池等。铅酸电池是目前电动汽车使用最广 泛的电池，尽管铅酸电池难以达到电动汽车长期目标要求，但铅酸电池技术较成熟， 寿命约8 0 0 1 0 0 0 次，成本低廉，缺点是比能低，快速充电技术还未成熟，在目前 6 南京航空航天大学博士论文 以及未来l o 年中仍是电动汽车的主力电池。即使先进电池获得突破性进展，铅酸电 池还会在些性能较低、价格要求便宜的电动汽车中应用。 值得一提的是锌空气电池，它基于活化锌与空气中的氧气在电解液中发生电化 学反应产生电能的原理。锌空气电池具有高能量密度，其比能量可达2 0 0 w h k g ，是 铅酸电池的5 6 倍。同时，锌空气电池容量不受放电强度和温度的影响，低温性能 好，允许深度放电，自放电极小，快速机械式充电可采用更换锌电极板方式补充电 能。更换一块2 0 k w h 的电池仅需1 分4 0 秒。 到目前为止，还没有一种电池能够在电动汽车市场中占有绝对主导地位。各种 不同的电池各有千秋，一种或几种全面适合于电动汽车使用的电池还有待于进一步 研制和开发 5 。 1 2 4 辅助系统 毫无选择，许多电动汽车的辅助系统必须依赖电动汽车的电池提供能量。环控 系统、转向助力器、灯具、音响、电动车窗等都必须依靠各种二次电源从电池向其 提供能量 1 。因此，如何提高辅助系统和二次电源的效率以节省有限的能量将成为 重要课题。 1 3 本文的研究背景、目的及主要研究内容 1 3 1 研究背景 近年来，随着现代城市的迅速发展，城市规模不断扩大。因此，城市交通问题 日益受到人们关注。尽管摩托车作为代步工具因其具有使用方便等优点在我国逐渐 普及，但是随着城市摩托车保有量的增加，环境污染问题和能源方面的问题也日益 严重，使得摩托车的发展在大中城市普遍受到限制，由此电动摩托车的推广应用和 技术开发日益受到重视。世界发达国家在研究开发新一代电动汽车的同时也在积极 开发电动摩托车和电动自行车。在我国，从人均收入和人民居住条件以及相关企业 的经济实力和技术条件来看，电动摩托车的研究与开发无疑是最具吸引力的发展方 向之一。 因此在现有电池技术条件下要提高电动摩托车性能必须努力发展电机技术，提 高所有用电设备的效率，以适应电动摩托车的要求。电动摩托车可以采用的电机有 直流电机、交流感应电机、永磁无刷电机、开关磁阻电机等多种电机。目前应用最 广泛的为直流电机。开关磁阻电机作为7 0 年代兴起的新型电机，其成本、体积、可 靠性和维护性方面均优于直流电机、交流感应电机和永磁无刷电机，在效率和单位 体积提供的转矩方面至少与后三者相当或优于它们。 基于开关磁阻电机系统的电动车辆驱动及相关技术研究与实践 1 3 2 国内外情况对比 日本是电动自行车商品化发展较早的国家之一，据统计目前有包括雅马哈、本 田、松下、三洋、小松等公司在内的十几家企业，他们的电动自行车产品全面广泛 地进入了日本、欧美市场，其年生产能力突破了4 0 万辆。日本电动自行车的特点是 以镍铬蓄电池为动力，装有p a s 装置( p o w e ra s s i s t a n c es y s t e m ) 。目前有迹象表明， 日本一些公司新近开发的电动自行车有向轻型电动摩托化方向发展的趋势。 欧美等西方国家生产销售电动自行车业较早，英、美、法、意、奥等国都有一 些公司推出电动自行车。欧美电动自行车的特点是以铅酸蓄电池为动力，要求骑行 距离较短。欧美国家注重电动汽车的开发，因此相比之下电动自行车的研制、生产 投入不是很大。 我国电动自行车发展虽然较早，但目前尚未实现真正产业化。目前许多单位的 着眼点都集中于电动自行车的研制，电动摩托车的开发还未引起厂商的重视，而且 电动自行车的驱动系统大多采用直流电机和无刷直流电机，以铅酸电池为动力。1 9 9 7 年4 月，国家技术监督局以“关于批准、发布机动车运行安全技术条件国家标 准的函”( 技监国标函 1 9 9 7 2 8 号) 的形式，批准发布了此项强制性安全技术标准。 标准号为g b 7 2 5 8 - - 1 9 9 7 ，自1 9 9 8 年1 月1 日起实旖。值得特别提出的是标准中明 确规定“各种靠机械动力装置驱动的所谓助力自行车都属于轻便摩托车”。 本电动摩托车的开发，采用了先进的开关磁阻电机作为驱动系统的核心，开发 了较为先进的微处理器控制系统，具有较高的科技含量。驾驶操作简单，乘坐舒适， 没有油污。加上使用维护方便，没有排放污染、噪声小，特别适用于城市工薪阶层 作为上下班的代步工具。 1 3 3 推广应用情况、效益分析 有调查表明约有1 0 的骑自行车者愿意更换价位在6 0 0 0 元左右的电动自行车 或电动摩托车。以上海为例，上海自行车拥有量为4 0 0 万辆，假如以l o 换算，上 海电动摩托车的销售市场就有4 0 万辆之多。如果考虑市场的动态平衡，也会有大约 3 0 万辆。全国五大城市调查结果基本接近，也就是说全国有6 0 0 余个城市，百万人 口以上的大中城市有1 0 0 余个，假如6 0 0 个中小城市平均生活水平低于大城市，只 有2 的自行车拥有者希望购买电动摩托车，那么从我国目前自行车拥有量为2 亿 余辆计算，至少有2 0 0 万辆的电动摩托车的销售市场。由此可见，我国电动摩托车 的潜在市场十分巨大，前景乐观。 1 3 4 本课题主要内容 南京航空航天大学开关磁阻电机课题组自1 9 8 6 年以来一直对开关磁阻电机进 行深入研究，并获得多项成果。其中，1 9 8 9 年就在技术和新产品开发上分别完成了 部和省的两项鉴定，并获部科技进步奖。1 9 9 4 年一1 9 9 5 年又先后研制开发了两种型 8 一堕塞堕皇塾丕查堂苎主笙奎 号的开关磁阻电机，并分别应用于微型汽车的改装，经过道路实验取得了较好的效 果。考虑到当前人民购买力和城市发展现状以及国家对环境污染治理的决心，在江 苏省教委科学基金( 项目编号为： 9 7 0 1 - - 3 0 3 ) 资助下于1 9 9 7 年1 0 月开始进行了 采用开关磁阻电机的电动摩托车的开发工作。在对开关磁阻电机的电动模式与再生 制动模式以及其它相关技术进行深入研究的基础上，于1 9 9 8 年4 月研制成功第一辆 试验样车，至1 1 月，完善了系统设计和改进工作，并完成了试验测试，基本性能参 见表1 2 。 表卜2 电动摩托车基本性能参数 1 4 本章小结 本章指出了本文研究的背景和意义，回顾了目前国内外电动车辆研究的动态和 发展方向。通过对现有技术的分析比较，认为开关磁阻电机在电动车辆应用领域将 具有巨大的发展潜力。最后对本课题进行了简要的介绍。 苎三堑茎壁里皇塑墨竺塑皇垫圭塑塑垫墨塑差垫查里塑量壅垡 参考文献 1 c c c h a n ，a n dk t c h a u ，“a no v e r v i e wo fp o w e re l e c t r o n i c si ne l e c t r i c v e h i c l e s ”i e e et r a n s i n d a p p l v o l 4 4 ，n o 1 ，f e b 1 9 9 7 ，p p 3 - 1 3 2 王宏雁，刘刚。电动汽车的发展过程与现状分析。1 9 9 7 ，5 ：2 5 。 3 世界汽车编辑部。电动汽车一- - 2 1 世纪的汽车明星。1 9 9 8 ，1 ：1 。 4 翁存海。国外电动汽车驱动系统的研制概况。世界汽车，1 9 9 6 ，1 ：8 1 2 。 5 陈清泉。电动车技术发展及前景展望。电工技术杂志，1 9 9 6 ，1 】：2 8 。 6 鞠曙光，黄耀杰。电动摩托车的发展趋势。摩托车技术，1 9 9 6 ，3 ：8 1 2 。 7 詹宜巨，陈清泉。电动车技术发展及前景展望。电气传动，1 9 9 7 ，5 ：4 0 4 4 。 8 冬雷，刘迪吉。电动汽车技术发展方向与研究。汽车研究与开发，1 9 9 8 ，6 ：3 0 3 3 。 9 h s h i m i z u ，j h a r a d a ，c b l a n d ，k k a w a k a m i ，a n dl c h a n “a d v a n c e dc o n c e p t si n e l e c t r i cv e h i c l ed e s i g n ”i e e et r a n i d e 1 e c t r o n ，v 0 1 4 4 ，n o 1 ，f e b 1 9 9 7 ， p p 1 4 1 8 1 0 郑涵。日本电动汽车发展存在的问题及解决的办法。世界汽车1 9 9 6 ，1 ：2 7 2 9 。 1 1 m t e r a s h i m a ，t a s h i k a g a ，t m i z u n o ，k n a t o r i ，n f u j i w a r n ，a n dm y a d a ，“n o v e l m o t o r sa n dc o n t r o l l e r sf o rh i g h p e r f o r m a n c ee l e c t r i cv e h i c l ew i t hf o u r i n w h e e lm o t o r s ”i e e et r a n i d e 1 e c t r o n ，v 0 1 4 4 ，n o 1 ，f e b 1 9 9 7 ， p p 2 8 3 8 1 2 宋慧“电动汽车控制系统的进展”世界汽车1 9 9 7 ，8 。 1 3 王颍译“使用于电动汽车的转矩控制器”电动车辆研究与开发1 9 9 7 ，1 0 ：4 1 7 。 1 4 m e h s a n i ，k r a h m a n ，h a t o li y a t “p r o p u l s i o ns y s t e md e s i g no fe l e c t r i ca n d h y b r i dv e h i c l e s ”i e e et r a n i d e l e c t r o ，v 0 1 4 4 ，n o 1 ，f e b 1 9 9 7 ，p p 1 4 1 8 ： ( i s 刘迪吉“开关磁阻调速电动机”机械工业出版社，1 9 9 4 ，8 ： 1 6 t u e m a t s u ，a n dr g h o f t ，“r e s o n a n tp o w e re l e c t r o n i cc o n t r o lo fs w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o rf o re l e c t r i cv e h i c l ep r o p u l s i o n ”i e e e ，p e s c ，1 9 9 5 ，v 0 1 1 ， p p 2 6 4 2 6 9 ： 1 7 c p o l l o c k ，a n dc y w u ，“a c o u s t i c n o i s ec a n c e l l a t i o nt e c h n i q u e sf o r s w i t c h e dr e l u c t a n c ed r i v e s ”i e e et r a n a p p l o ni n d ，v 0 1 3 3 ，n o 2 ， m a r 1 9 9 7 1 8 葛正泽“燃料电池在电动汽车上的应用前景”电动车辆研究与开发。1 9 9 7 ，8 ： o 南京航空航天大学博士论文 2 5 ： 1 9 w d o n i t z ，a n dk e ，n o r e i k a t ，“b e v ，f c e v ，h e v 一t h e s a m ee l e c t r i cd r i v e t r a i n ? ”，e v s 一1 6p r o c e e d i n g s ，s e s s i o na 1 ，o c t 1 9 9 9 ； 2 0 z h a n gz h i w e n ，s h e nj i n s h e n ，“d e v e l o p m e n ts t r a t e g yo fe vp r o j e c ti nc h i n a ”， e v s 一1 6p r o c e e d i n g s ，s e s s i o na 1 ，o c t 1 9 9 9 ； 2 1 z h a n g k o n gw e n ，r u nl i ，j i n g l i nw a n g ，“t h ec r a d l eo fe l e c t r i cv e h i c l e s ”， e v s 一1 6p r o c e e d i n g s ，s e s s i o nd 3 ，o c t 1 9 9 9 ； 2 2 t i n g m a nw u ，s u n a ny e ，l i n g e nl i u ，“t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cb i c y c l e s i ns h a n g h a i ”，e v s 一1 6p r o c e e d i n g s ，s e s s i o na 6 ，o c t 1 9 9 9 ； 2 3 w o o n g y a n g ，l a r r yr b a r a n d e n b u r g ，b r d f o r db a t e s ，“f o r dp 2 0 0 0f u e l c e l l v e h i c l e ”，e v s 一1 6p r o c e e d i n g s ，s e s s i o na 3 ，o c t 1 9 9 9 ； 薹于梦关磁阻电机系统的电动车辆驱动及相关技术研究与实践 第二章开关磁阻电机系统基本原理及研究概况 2 1 开关磁阻电机国内外近期研究动向 开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r 简称s r m ) 是7 0 年代发 展起来的新型电机系统。开关磁阻电机具有结构简单坚固、控制性能好、效率高以 及成本低等优点，因此，开关磁阻电机系统已经成为交流变频调速、无刷直流电机 系统的有力竞争者。 ( 1 ) 模型的建立以及性能计算 由于开关磁阻电机的非线性特点，要进行性能计算首先要建立开关磁阻电机的 模型，以便获得电机的磁化曲线族。然后通过对电机进行路计算来得到电机的稳态 和动态性能。目前，为了对开关磁阻电机进行快速仿真，人们提出了各种函数来模 化o i 形式磁化曲线族 1 】- 6 】。除此之外，人们还对常用的有限元法进行了改进， 提出了f e m - - b i e m ( b o u n d a r yi n t e g r a le q u a t i o nm e t h o d ) 方法，用以改进开关磁阻 电机气隙的有限元网格的生成 7 】。l o n g y ax u 将开关磁阻电机的场和路的计算在仿 真过程中结合到了一起 8 】，也取得了一定成果。 ( 2 ) 控制策略 开关磁阻电机可控参数较多，控制灵活被认为是开关磁阻电机的一大显著特 点，而控制策略的选取直接影响着电机的性能。为了提高电机的效率，文献 9 1 0 将关断角固定于电磁功率最优的点，通过调节开通角或p w m 来调节电机的转矩或 转速。振动和噪音是开关磁阻电机的主要缺点之一，文献f 1 1 f 1 2 通过电机换向控制、 p w m 的电流波形控制，在电机的振动和噪声的抑制方面取得了较好的效果。在控 制算法上变参数的p i 控制、滑模控制、模糊控制、模糊自学习控制、f u z z y - - p i 控制等得到了广泛的应用 1 0 1 3 一 1 6 3 5 。 ( 3 ) 电机设计 有许多文章对开关磁阻电机的设计和控制等方面进行了阐述，所用的方法多为 有限元或分段线性化的方法，但没有明确提出电机几何尺寸的设计方法，一般只是 作为电机的初始设计 1 7 1 - - 1 9 。a r t h u rvr a d u n 提出了一种s r m 解析模型，以材 料参数和几何参数作为输入，通过非常复杂的解析公式得到电机的性能曲线 2 0 。 由于在建立模型的过程中作了一些简化，因此其精确程度很难满足设计要求，所以， 此方法也仅适用于开关磁阻电机的初始设计。 南京航空航天大学博士论文 ( 4 ) 变换器 随着电力电子技术的不断发展，开关磁阻电机的变换器的发展也十分迅速【3 6 。 其中c d u m p 变换器在减少电机主开关器件、提高电机性能方面取得了一定成果 2 t 2 2 。软开关技术也被应用于开关磁阻电机的变换器当中，它不但提高了主开关 的频率，而且降低了开关损耗，进而提高了整个系统的效率 2 3 。随着模块化、智 能化功率器件的不断涌现，变换器的设计也会更加简化、高效。 ( 5 ) 应用 开关磁阻电机作为一种新型调速系统在家用电器、一般工业、航空航天、电动 车辆等领域具有广泛的潜在市场。尤其在电动车辆方面，开关磁阻电机发展的最初 便主要应用于电力机车