d e s i g na n d s i m u l a t i o no fs w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r f o re l e c t r i cv e h i c l e m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e rd r i v e r n a m e ：s l l ix i u m e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h e n gs h o u s e n a bs t r a c t e n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na r et w os e r i o u si s s u e si nt h ew o r l dt o d a y f o rt r a f f i ch a sc o n s u m e sm o r et h a nh a l fo ft h eo v e r a l lc o n s u m p t i o no fo i l , i na d d i t i o n , a u t o m o b i le x h a u s ti st h em a i na t m o s p h e r i cp u l l u t i o ns o u r c e s ，t h u s ，t h et r a d i t i o n a l a u t oi n d u s t r yi su n d e ra t t a c ka n df a c i n gc h a l l e n g e s a n dt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e ( e v ) h a sb e c o m ea nh i s t o r i c a lo p p o r t u n i t yf o ra u t oi n d u s t r y t h et e c h n o l o g yo fd r i v i n gs y s t e mi so n eo ft h et h r e ep a r t se s s e n t i a lt e c h n o l o g yf o re v , a n dw h a tt y p eo fm o t o rt oc h o o s ef o re vd e c i d e st h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c et oag r e a t e x t e n t s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) i san e wt y p eo fm o t o r st h a tl e a p sf o r w a r d s i n c e19 8 0 s s r mh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss o l i da n ds i m p l es t r u c t u r e ，f l e x i b l e c o n t r o l , h i g he f f i c i e n c y , e x c e l l e n t i n p e r f o r m a n c ew h e ns t a r t e d , f o u r - q u a d r a n t o p e r a t i n g ，i n s t i n c t i v er e g e n e r a t eb r a k i n ga b i l i t y s ow ec h o o s es r m f o re vd r i v i n g s y s t e m t h em o t o rw ed e s i g ni sat h r e ep h r a s e s12 8p o l e ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r t h e d e s i g n , a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ni sb a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo fs r m a n dt h ep r o c e s s e st os e t u paf e am o d e lo fs r mw a s p r e s e n t e d n e x t ，t h ef o u n d a m e n t a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sw a sc a l c u l a t e di na c c o r d a n c e w i t he l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r yo fm a c h i n e w i t ht h e s ep a r a m e t e r s ，t h ei n i t i a l m o d e lo fs r mw a sd e s i g n e db ys o f t w a r ea n s o f tw h i c hi se s p e c i a l l yf o rt h es t r u c t u r e d e s i g nf o rm a c h i n e t h ei n i t i a lm o d e lw a st r a n s m i t e di n t os o f t w a r ea n s o f tm a x w e l l 2 da n dc o n s t r u c t e dt h ef e a m o d e l n e x t ，s t a r t u po p e r a t i o na n ds t e a d y - s t a t eo p e r a t i o n w e r es i m u l a t e db a s e do nt h ef e am o d e l f i n a l l y , t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r sw h i c h a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fm a c h i n ew e r er e s e a r c h e di n t e n s i v e l y k e yw o r d s ：e l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) ，s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ( s r m ) ，t h r e ep h r a s e s 12 8p o l e ss w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ，a n s o f t v 論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究 工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：也鳥協(xié) 日期： 汐扣年芻月日 學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留 學(xué)位論文并向國家主管部門或其指定機構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學(xué) 位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進入學(xué)校圖書館、院系資料室被查 閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用復(fù)印、縮印或其 舫篡黧蝴橡翩虢物黼 學(xué)位論文作者簽名：也駕樗導(dǎo)師簽名：么孑天 日期： 砂知年6 月；日日期：m 睥多月弓 日 知識產(chǎn)權(quán)保護聲明 本人鄭重聲明：我所提交答辯的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的成果， 該成果屬于中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，受國家知識產(chǎn)權(quán)法保護。在學(xué)期 間與畢業(yè)后以任何形式公開發(fā)表論文或申請專利，均須由導(dǎo)師作為通訊聯(lián)系人， 未經(jīng)導(dǎo)師的書面許可，本人不得以任何方式，以任何其它單位做全部和局部署名 公布學(xué)位論文成果。本人完全意識到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名： 乏虜悔 日期：7 , o o 年- 占月弓日 第一章引言 1 1 論文研究背景及意義 自2 0 世紀(jì)9 0 年代以來，汽車的節(jié)能性和環(huán)保性能已引起了世界范圍內(nèi)的廣 泛重視，特別是對人口眾多、交通擁擠的大城市而言，汽車運行以及頻繁啟停所 造成的內(nèi)燃機變工況運行成為造成尾氣排放量大、耗油率高的主要原因。雖然現(xiàn) 代電控技術(shù)和代用燃料技術(shù)的應(yīng)用能夠在一定程度上改善汽車的排放性能和經(jīng) 濟性能，但是傳統(tǒng)內(nèi)燃機技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)遇到了瓶頸，無法滿足能源安全和環(huán)境 保護的需求。 2 0 0 9 年1 1 月世界石油勘察綜合情況顯示，全世界石油平均開采年限為3 5 年，石油儲量最為豐富的中東也僅為9 0 年左右，中國約3 5 年。截止2 0 0 9 年末， 中國機動車保有量達到1 8 億( 包括汽車和摩托車) 。2 0 0 8 年全球在交通領(lǐng)域消 耗的石油占石油總消耗量的5 7 ，預(yù)計2 0 2 0 年交通耗油將占6 2 以上【n 。 隨著汽車保有量不斷攀升，車用石油消耗所引起的環(huán)境污染和溫室氣體排放 也越來越嚴(yán)重，已經(jīng)成為大中城市空氣污染的主要來源。城市大氣中8 2 的一氧 化碳、5 8 的碳?xì)浠铩? 8 的氮氧化物和8 的微粒均來自于汽車尾氣。另外， 全球汽車排放二氧化碳約占二氧化碳總排放量的2 0 t 2 1 ，中國作為汽車消費大 國，同時也成為二氧化碳排放大國，由此引發(fā)的國際政治和經(jīng)濟爭端也愈演愈烈， 嚴(yán)格限制汽車尾氣的排放已經(jīng)刻不容緩。 世界各國汽車企業(yè)都在積極尋求解決方案，如節(jié)能減排技術(shù)、新能源技術(shù)等 等。早在2 0 世紀(jì)9 0 年代，美國、日本、歐洲等主要汽車生產(chǎn)地就開始實施政府 計劃，鼓勵和支持新能源汽車的發(fā)展。歷經(jīng)十幾年的發(fā)展和積淀，以汽車電動化 為最終解決方案的技術(shù)路線已基本形成，汽車工業(yè)正在孕育著一次重大的技術(shù)革 命【3 1 0 電動汽車與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機車相比，有著突出的優(yōu)點【4 】： ( 1 ) 能源多樣化、效率高 電動汽車的應(yīng)用可以有效降低對石油資源的依賴。為蓄電池充電的電力能源 可以由水力、風(fēng)力、核能、太陽能、潮汐等能源轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了能源來源的多樣化。 此外，可以在夜間向蓄電池充電，避開用電高峰，實現(xiàn)電網(wǎng)均衡負(fù)載。 ( 2 ) 噪聲低，污染小 電動汽車采用蓄電池提供能源，不會產(chǎn)生內(nèi)燃機車行駛時的尾氣排放污染。 雖然使用電動汽車并非絕對實現(xiàn)零污染，如蓄電池充電時會產(chǎn)生酸性氣體、廢棄 電池也會對環(huán)境產(chǎn)生污染，但相比于內(nèi)燃機車的尾氣，這些污染小得多，而且采 取相應(yīng)措施就可以得到有效控制。 ( 3 ) 結(jié)構(gòu)簡單，操縱便捷 電動汽車結(jié)構(gòu)簡單，傳動、運轉(zhuǎn)部件少，維護保養(yǎng)工作量小，與內(nèi)燃機車相 比，電動汽車操縱便捷，運行平穩(wěn)。 電動汽車( e v ，e l e c t r i cv e h i c l e ) 具有節(jié)能、高效、低排放甚至零排放等顯 著特點，在節(jié)能環(huán)保方面具有不可比擬的優(yōu)勢，成為解決汽車業(yè)發(fā)展瓶頸的最有 效途徑【5 1 。世界各大汽車集團在電動汽車的研究中投入了大量的資金，至今已研 制出多款電動汽車以及概念車，如f o r d 的t h i n kc i t y ，t o y o t a 的黜4 、h o n d a 的e v p l u s 、g m 的e v l 、p r i u s 的f c e v 、i n s i g h t 的f c x v 3 等等【6 】。與汽車工 業(yè)強國相比，我國在傳統(tǒng)汽車工業(yè)中的發(fā)展始終處于劣勢，面臨新一輪的汽車業(yè) 革命，我國能否取得主動，是決定未來我國汽車工業(yè)在國際中競爭力的關(guān)鍵。 1 2 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù) 電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括車身設(shè)計技術(shù)、驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)、能源系統(tǒng)技術(shù)、能 量管理技術(shù)及系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)。以驅(qū)動系統(tǒng)為核心的整車整合是電動汽車技術(shù)的關(guān) 鍵【7 1 。 1 、車身設(shè)計 改裝和專門設(shè)計制造是生產(chǎn)電動汽車的兩種基本方法。改裝的電動汽車是將 燃油機車中發(fā)動機及相關(guān)組件由電機、功率變換器、控制器和蓄電池取代。對于 小批量生產(chǎn)來說，改裝經(jīng)濟性較高。但是，大部分改裝車均有自重大、重心位置 高和質(zhì)量分配不合理的缺點，改裝法已逐漸被淘汰【引。目前，大部分電動汽車都 是專門設(shè)計制造的，這就允許工程師靈活并合理地設(shè)計和整合各子系統(tǒng)，使電動 2 汽車的性能最優(yōu)。 2 、驅(qū)動系統(tǒng) 電動汽車用驅(qū)動電機應(yīng)具有以下性能：足夠大的起動轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速和寬的調(diào) 速范圍；同時還要具有效率高、重量輕、體積小以及良好的能量回饋性能。目前 可選用的電機有：交流異步電機、直流無刷電機、開關(guān)磁阻電機和永磁同步電機。 對電動汽車用電機驅(qū)動系統(tǒng)的具體要求如下【9 】： ( 1 ) 在汽車起動和爬坡時具有低速一高轉(zhuǎn)矩的輸出特性，在汽車巡航時具有 高速一低轉(zhuǎn)矩的特性； ( 2 ) 高功率密度和恒功率輸出； ( 3 ) 在轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性的較寬范圍內(nèi)具有高的效率； ( 4 ) 具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍足以覆蓋恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)； ( 5 ) 快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性； ( 6 ) 再生制動的能量回收率高； ( 7 ) 成本低； ( 8 ) 堅固，能在各種工作條件下可靠工作。 要滿足這些特定要求，驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速特性和額定功率都應(yīng)在系統(tǒng)仿 真和駕駛模式的基礎(chǔ)上進行確定。 3 、能源系統(tǒng) 目前電動汽車推廣的主要障礙是初始價格高和續(xù)駛里程短，而電動汽車的能 源系統(tǒng)是解決這兩個問題的關(guān)鍵。 鉛酸電池具有成本低和比功率高的優(yōu)點，但它的比能量低且使用壽命短；鎳 氫電池的比能量高但價格也高?？偟膩碚f，鋰基電池如鋰離子電池和鋰聚合物電 池在電動汽車中有很好的應(yīng)用前景；超級電容器和超高速飛輪因具有高的比功率 也有望用于電動汽車；燃料電池能夠從根本上解決電動汽車?yán)m(xù)駛里程短這一突出 問題，被認(rèn)為是電動汽車最優(yōu)良的能源之一，但有待通過改進技術(shù)降低其初始成 本【10 1 。 4 、能量管理系統(tǒng) 電動汽車的車載能量有限，其續(xù)駛里程遠遠達不到內(nèi)燃機車的水平，能量管 理系統(tǒng)的作用就是要最大限度的利用有限的車載能量，獲得足夠長的續(xù)駛里程 【1 1 】。智能化能量管理系統(tǒng)從各個子系統(tǒng)采集傳感器信息( 如充放電電流和電壓傳、 速度、電機電流和電壓、車外環(huán)境和氣候以及車內(nèi)氣溫等) ，快速處理數(shù)據(jù)，并 及時給出調(diào)整信息。 5 、系統(tǒng)優(yōu)化 電動汽車系統(tǒng)是涉及多學(xué)科技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)構(gòu)成， 并通過電氣、機械、控制等方式連接在一起，需在混合信號的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)進行 優(yōu)化仿真，改善電動汽車的性能和降低成本。不同的子系統(tǒng)之間有諸多協(xié)定，首 選數(shù)字迭代法做為系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)【1 2 】。 總之，電動汽車的設(shè)計以驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計為核心，利用有限的車載能量，最大 化的增加續(xù)駛里程，以滿足用戶使用需求。 1 3 電動汽車用主流電機的比較 電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)包括電機、功率變換器和控制器三個部分，它們是電動 汽車的核心【1 3 】。電機驅(qū)動及控制技術(shù)是電動汽車研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，而合理選擇 和設(shè)計電機是其中最重要的環(huán)節(jié)【1 4 】。 直流電機具有交流電機所無法比擬的優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，直到2 0 世 紀(jì)9 0 年代，仍是電動汽車用電機的主要選擇【l5 1 。但直流電機也有著顯著的缺點： 用電刷和換向器換向時會產(chǎn)生電火花，無法適應(yīng)高速、大容量的應(yīng)用場合；價格 高，是同功率交流電機的2 3 倍，體積大，笨重，維護頻繁，不適合潮濕、多塵、 易燃工作環(huán)境，供電電壓也有一定限制【1 6 】。 交流異步電機有三相定子繞組，電機的電磁轉(zhuǎn)矩是定轉(zhuǎn)子電流的復(fù)雜函數(shù)， 且與轉(zhuǎn)子的位置角有關(guān)，實際運行時可以直接控制的只有定子頻率、定子電壓( 電 流) ，與電磁轉(zhuǎn)矩之間不存在像直流電機那樣簡單明確的函數(shù)關(guān)系，所以在動態(tài) 運行中，交流電機電磁轉(zhuǎn)矩的有效、準(zhǔn)確控制成為一個難題。9 0 年代以后，隨 著變結(jié)構(gòu)控制、多變量解耦控制、模型參考自適應(yīng)控制等現(xiàn)代控制理論和性能優(yōu) 良的大功率全控型開關(guān)器件的應(yīng)用，交流調(diào)速系統(tǒng)逐漸取代了直流調(diào)速系統(tǒng)的主 導(dǎo)地位。但交流調(diào)速系統(tǒng)的耗電量大，轉(zhuǎn)子易發(fā)熱；控制系統(tǒng)成本高，需采用變 頻裝置。 隨著高性能永磁材料技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機也開始被采用，它們具有體 4 積小、重量輕、響應(yīng)快、慣性低、功率密度高、效率高的優(yōu)點，在電動汽車業(yè)有 i 著良好的應(yīng)用前景【1 7 1 。但永磁材料在震動、高溫或過載時，可能發(fā)生導(dǎo)磁性能 下降甚至退磁現(xiàn)象，從而影響永磁同步電機的可靠性，嚴(yán)重時可能損壞電機。 開關(guān)磁阻電機( s w i t c h e dr e l u c t a n c em a c h i n e ，在本文中簡稱s r m ) 是在8 0 年代出現(xiàn)的一種新型電機，結(jié)構(gòu)簡單，效率高，沒有電流沖擊，起動性能好。s r m 所構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)兼具直流電機調(diào)速寬和交流異步電機變頻調(diào)速的優(yōu)點，其經(jīng)濟 指標(biāo)和運行性能比直流電機和交流異步電機都好。另外，現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā) 展也為開關(guān)磁阻驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，s r m 被認(rèn)為是一種極具潛 力的電動汽車驅(qū)動電機1 8 】。本文選用s r m 作為電動汽車驅(qū)動用電機。 由這四種電機所組成的驅(qū)動系統(tǒng)的總體性能比較如表1 1 所示。 表1 1 常用電動汽車驅(qū)動電機性能比較 直流電機交流異步電機永磁同步電機開關(guān)磁阻電機 功率密度低 中 高較高 峰值效率( ) 8 5 8 99 0 9 5 9 5 9 79 0 9 5 轉(zhuǎn)速范n l ( r m i n ) 4 0 0 0 6 0 0 09 0 0 0 - 1 5 0 0 04 0 0 0 1 5 0 0 0 1 5 0 0 0 可靠性差好一般好 結(jié)構(gòu)的堅固性差好一般優(yōu) 尺寸及質(zhì)量 大，重 一般，一般 小，輕 小，輕 電機成本高低高低于感應(yīng)電機 控制器成本 低 高高一般 綜合性能差一般最好好 1 4 開關(guān)磁阻電機的發(fā)展?fàn)顩r s r m 誕生于1 9 7 0 年，英國l e e d s 大學(xué)步進電機小組首創(chuàng)了s r m 的雛形。 1 9 7 5 年，研制出5 0 k w 的電動汽車用s r m 。1 9 8 3 年s r dl t d 推出s r m 系列產(chǎn) 品o u l t o n ，該公司還研制出用于有軌電車的s r m 驅(qū)動系統(tǒng)。 自此，s r m 在電氣傳動界引起了巨大反響，美國、歐洲、日本、德國等國 家也都開始開展s r m 的研制工作，美國為空間技術(shù)已采用高速大功率s r m ，福 特公司也研制出用于電動車輛的s r m 。許多世界著名的汽車公司如n i s s a n 、 b m w 已將s r m 用于電動車驅(qū)動系統(tǒng)作為研究重點，并已進入裝機試驗階段。 我國從1 9 8 5 年才開始對s r m 進行研究，該課題先后被列入我國中、小型 電機“八五 、“九五 和“十五 科研規(guī)劃項目。其中，華中科技大學(xué)開關(guān)磁阻 電機課題組在“九五 項目中研制出用于純電動汽車的s r m ，在“十五項目 中成功將s r m 應(yīng)用于混合動力公交車，均實現(xiàn)了良好的運行效果。北京紡織機 械研究所將s r m 應(yīng)用于毛巾印花機、卷布機等，取得了顯著的經(jīng)濟效益。 s r m 應(yīng)用于電動汽車在我國尚處于研究階段，待技術(shù)成熟后，其優(yōu)越的調(diào) 速性能和抗惡劣環(huán)境工作的特點將贏得廣闊的應(yīng)用前景。 1 、s r m 具有以下顯著的優(yōu)點【1 9 】： ( 1 ) 電機結(jié)構(gòu)簡單、堅固，工作可靠，可適應(yīng)高速、高溫及強震動環(huán)境； ( 2 ) 損耗主要產(chǎn)生于定子，電機易于冷卻，不會出現(xiàn)永磁體高溫退磁現(xiàn)象； ( 3 ) 轉(zhuǎn)矩方向和電流方向無關(guān)，功率變換器可適當(dāng)簡化，且不會出現(xiàn)直通 情況； ( 4 ) 起動轉(zhuǎn)矩大，起動電流小，不會出現(xiàn)感應(yīng)電機啟動時的沖擊電流現(xiàn)象； ( 5 ) 調(diào)速范圍寬廣，控制靈活，可實現(xiàn)多種控制方式聯(lián)合運用； ( 6 ) 可實現(xiàn)四象限運行，具有較強的再生制動能力，效率高； ( 7 ) 有良好的容錯能力，可缺相運行。 2 、s r m 的關(guān)鍵技術(shù) 針對s r m 的特點，國內(nèi)外研究機構(gòu)和學(xué)者正在進行以下方面的深入研究 【2 0 】 o ( 1 ) 功率變換器 功率變換器在很大程度上決定s r m 的性能和成本，設(shè)計功率變化器意義重 大，目前研究的重點集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計和開關(guān)器件的選用方面。理想的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)應(yīng)該i 能夠獨立、快速而又精確地對s r m 各相相電流進行控制；磁場儲能轉(zhuǎn) 換為機械能的效率高，向電源回饋時應(yīng)快速、高效；驅(qū)動相同功率的s r m ，具 有最小的伏安容量：每相主開關(guān)器件最少。開關(guān)器件目前常用m o s f e t 和i g b t 。 ( 2 ) 智能化多目標(biāo)優(yōu)化控制 s r m 控制參數(shù)多，在參數(shù)優(yōu)化控制方面，可根據(jù)系統(tǒng)不同的要求，選取不 同的控制目標(biāo)，如效率最高，平均轉(zhuǎn)矩最大，轉(zhuǎn)矩脈動最小等等。s r m 有三種 控制方式：電流斬波控制( c c c ) 、角度位置控制( a p c ) 和脈寬調(diào)制控制( p w m ) 。 以上三種控制方式，分別有著獨立的控制理論，但如果僅用其中一種控制方式， 難以獲得理想的輸出特性。因而在對s r m 控制時，可在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)采用不 同的控制方式，并實現(xiàn)平滑切換。早期的控制策略主要采用傳統(tǒng)的p i 控制，以 6 斬波電流限位控制變量，實現(xiàn)s r m 的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制。隨著大型計算軟件的采用， 以非線性模型為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論和方法也獲得了應(yīng)用，如模糊控制、滑膜控 制、自適應(yīng)控制等。這些控制技術(shù)的應(yīng)用解決了s r m 的非線性、多變量、強耦 合等問題，但離實際應(yīng)用還有定距離。 ( 3 ) 降低轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲 轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲是s r m 的突出問題，受到諸多因素的影響，如電機的結(jié)構(gòu)、 材料、幾何尺寸、繞組匝數(shù)、繞組方式、轉(zhuǎn)速及控制參數(shù)等。s r m 的雙凸極結(jié) 構(gòu)，電磁特性和開關(guān)的非線性導(dǎo)致輸出的合成轉(zhuǎn)矩不是恒定轉(zhuǎn)矩，因而導(dǎo)致了較 大的轉(zhuǎn)矩脈動，限制了s r m 的應(yīng)用。研究有效減小轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲的方法具有 十分重要的意義。 ( 4 ) 無轉(zhuǎn)子位置檢測器 位置檢測器是s r m 精確運行的基礎(chǔ)，s r m 的先進控制理論的應(yīng)用都以高精 確度的位置檢測器為首要條件。目前主要采用光電器件、霍爾元件或電磁線圈組 成的位置檢測器。這樣不僅增加了驅(qū)動系統(tǒng)的體積和成本，而且增加了結(jié)構(gòu)和控 制的復(fù)雜性。另外，由于傳感器分辨率的限制，降低了s r m 高速運行的性能。 因此，無位置傳感器的位置檢測方法成為研究熱點。 1 5 論文研究內(nèi)容 s r m 具有很多顯著的優(yōu)點，在電動汽車用驅(qū)動電機中占據(jù)重要地位。本文 以三相1 2 8 極s r m 作為樣機，基于有限元分析軟件a n s o t t 設(shè)計s r m 電機，并 對電機的性能進行了仿真分析。主要完成了以下研究工作： 1 、詳細(xì)介紹了電動汽車及其驅(qū)動系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀； 2 、講述了s r m 的發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理、基本方程、數(shù)學(xué)模型以及控制方 式，對s r m 的基本理論知識進行了全面的介紹。 3 、基于電磁場基本理論，完成電機的初步設(shè)計；并借助電機設(shè)計專業(yè)軟件 r m x p r t 對三相1 2 8 極s r m 進行設(shè)計分析；根據(jù)初步設(shè)計及r m x p r t 分析結(jié)果， 在有限元分析軟件a n s o f tm a x w e l l2 d 中完成了樣機的設(shè)計。 4 、分析了電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，如定子勵磁繞組匝數(shù)、氣隙寬度和定轉(zhuǎn)子極弧系 數(shù)和繞組連接方式對于電機性能的影響，并進行了多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，合理確定電 7 機的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 5 、基于有限元分析法，在m a x w e l l2 d 中對所設(shè)計樣機模型進行起動及穩(wěn)態(tài) 運行仿真，設(shè)置電機運行不同工況，并與理論分析及實驗結(jié)果對比，所設(shè)計電機 性能達到了設(shè)計目標(biāo)，滿足電動汽車運行的需求，對于實際電機設(shè)計及制造具有 指導(dǎo)意義。 8 第二章開關(guān)磁阻電機的基本理論 2 1 開關(guān)磁阻電機的工作原理 s r m 是一種特種無級調(diào)速電機，電機定子和轉(zhuǎn)子由硅鋼疊片組成，采用“雙 凸極 結(jié)構(gòu)，定子和轉(zhuǎn)子極數(shù)不相等。轉(zhuǎn)予上沒有繞組、滑環(huán)和永磁體，只在定 子上安裝勵磁繞組，勵磁繞組的端部較短，沒有相間跨接線，磁通量集中于磁極 區(qū)，通過定子電流勵磁。轉(zhuǎn)子依靠磁力運行，各相磁路的磁阻隨轉(zhuǎn)子位置的不同 而變化【2 1 1 。 徑向相對的兩個繞組串聯(lián)構(gòu)成一個兩極磁體，成為“一相 。根據(jù)定轉(zhuǎn)子極 數(shù)的不同，有多種電機結(jié)構(gòu)，最常見的是三相6 4 結(jié)構(gòu)和四相8 6 結(jié)構(gòu)。本論文 采用三相1 2 8 極電機，電機結(jié)構(gòu)如圖2 - 1 所示，電機為外定子內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。圖 2 2 是三相1 2 8 極s r m 局部放大圖，圖中，盆為電機轉(zhuǎn)子極弧，a 為電機定子 極弧，甜為轉(zhuǎn)子極距。 圖2 - i 三相1 2 8 極s r m 結(jié)構(gòu)圖圖2 - 2 三相1 2 8 極s r m 局部放大圖 s r m 的工作原理與傳統(tǒng)的交、直流電機存在著根本的差別，它不是像傳統(tǒng) 電機那樣靠定轉(zhuǎn)子繞組電流或者永磁體產(chǎn)生的電磁場間的作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和 轉(zhuǎn)速。s r m 的運轉(zhuǎn)遵循“磁阻最小原理，即磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合。 當(dāng)定子某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場因為磁力線扭曲而產(chǎn)生切向的磁拉力，試 圖讓相近的轉(zhuǎn)子極旋轉(zhuǎn)到其中心軸線與該定子極中心軸線重合位置，也就是磁阻 最小位置。 圖2 - 3 表示該電機一相電路連接的示意圖，其中，d l 、d 2 是二極管，s l 、 9 s 2 是開關(guān)，e 是直流電源。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，定子極和轉(zhuǎn)子極的中心軸線的相 對位置周期性的變化，電機磁阻也隨之變化。由于電感與磁阻成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)子極 和定子極中心軸線重合時，磁阻最小，繞組電感最大；當(dāng)轉(zhuǎn)子槽中心軸線與定子 極中心軸線重合時，磁阻最大，繞組電感最小。 圖2 - 3 三相1 2 8 極s r m 一相繞組連接圖 以a 相為例，當(dāng)定子極軸線o a 與轉(zhuǎn)子極軸線o a 不重合時，閉合開關(guān)s 1 和s 2 ，a 相通電，電機內(nèi)部形成以o a 為軸線的徑向磁場，磁通通過定子極、 定子軛、氣隙、轉(zhuǎn)子軛、轉(zhuǎn)子極閉合。通過氣隙部分的磁力線是彎曲的，轉(zhuǎn)子將 受到彎曲的磁力線所產(chǎn)生切向磁拉力，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子沿逆時針方向轉(zhuǎn)動， 轉(zhuǎn)子極中心軸線o a 逐漸和定子極中心軸線o a 重合，此時轉(zhuǎn)子到達平衡位置。 斷開a 相開關(guān)s 1 和s 2 ，閉合b 相開關(guān)，電機內(nèi)部形成以b 相定子極為軸 線的電磁場，電機內(nèi)的磁場沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)3 0 0 ，轉(zhuǎn)子在磁拉力的作用下沿 著逆時針方向旋轉(zhuǎn)1 5 0 。依次導(dǎo)通a 、b 、c 相，轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)一個轉(zhuǎn) 子極距4 5 0 ( 轉(zhuǎn)子極距儼2 刪r ，對三相1 2 8 極s r m ，口- = 3 6 0 0 8 = 4 5 0 ) 。定子極 產(chǎn)生的磁場中心軸線沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)了3 x 3 0 0 = 9 0 0 。 依次按照a b c a 的順序?qū)ǜ飨喽ㄗ永@組，電機轉(zhuǎn)子沿著逆時針方向旋 轉(zhuǎn)；如果按照a c b a 的順序?qū)ǜ飨喽ㄗ永@組，轉(zhuǎn)子則沿著順時針方向旋轉(zhuǎn)。 2 2 開關(guān)磁阻電機的基本方程 從本質(zhì)看，s r m 驅(qū)動系統(tǒng)作為電磁式機電裝置，其整個機電系統(tǒng)的動態(tài)過 程微分方程可由電路方程、機械方程和機電聯(lián)系方程組成口2 1 。 2 2 1 電路方程 l o 假設(shè)三相1 2 8 極s r m 各相結(jié)構(gòu)和電磁參數(shù)對稱，則由電路基本定律可寫出 包括各相回路在內(nèi)的電氣主回路電壓平衡方程式，電機第k 相( k = l ，2 ，3 ) 的電壓 平衡方程式如式2 1 所示。 u k = - r k t + 等 ( 2 - 1 ) 其中，u k 為第k 相繞組的電壓；r 為第k 相繞組的電阻；t 為第k 相繞組 的電流；也為第k 相繞組的磁鏈。 s r m 各相之間的相間互感相對自感來說很小，在s r m 的計算過程中一般忽 略相問互感，由此可以得到磁鏈可表示為電感和電流的乘積，如式2 - 2 示。 0 = 甲( ；吼) = l ( o k ，t ) ( 2 - 2 ) 將式2 - 2 代入式2 1 可得到： u t 瑚+ 魯魯+ 等警咄州“o 吼l k ) d 講i k i ko 吼l kd 講o 協(xié)3 ， 式2 3 表明，電源電壓和電路中的三部分電壓降相平衡，等式右端第一項為 電阻壓降，第二項為電流變化引起磁鏈變化所感應(yīng)的電動勢，稱為變壓器電動勢， 第三項為轉(zhuǎn)子位置變化引起磁鏈變化所感應(yīng)的電動勢，稱為運動電動勢。 2 2 2 機械方程 田刀罕疋俘日j 且袋夕u 出s r m 電慨轉(zhuǎn)矩利貝或轉(zhuǎn)矩天同作用卜轉(zhuǎn)i f - 陰硼l 械還 動方程如式2 4 示。 乏= ，警+ 。百d o + 瓦 ( 2 - 4 ) 其中，j 為s r m 傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，d 為粘性摩擦系數(shù)，彩為轉(zhuǎn)子角速 度，乃為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。將緲：罌代入式2 4 得： “dt t = ，窘+ d c o + t l ( 2 5 ) 2 2 3 機電聯(lián)系方程 機電聯(lián)系方程即系統(tǒng)中反映機電能量轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)矩表達式。由機電能量轉(zhuǎn)換原 理可知，通常電磁轉(zhuǎn)矩可表示成磁共能對轉(zhuǎn)子位置變化的速率，如式2 - 6 所示。 疋= 可a w ( i k , o ) ( 2 6 ) 其中，w ( t ，d 為第k 相通電時繞組的磁共能。 三相1 2 8 極s r m 的合成轉(zhuǎn)矩由各相轉(zhuǎn)矩疊加而成，如式2 7 所示。 疋= 喜瓦= 喜掣 7 ， 式2 3 、2 5 和2 7 構(gòu)成三相1 2 8 極s r m 的數(shù)學(xué)模型，該模型從理論上準(zhǔn)確、 完整的描述了三相1 2 8 極s r m 中的電磁和力學(xué)關(guān)系。 2 3 開關(guān)磁阻電機的數(shù)學(xué)模型 s r m 內(nèi)部的渦流、磁路飽和和磁滯效應(yīng)等所產(chǎn)生的嚴(yán)重非線性，加上系統(tǒng) 運行時的受控性和開關(guān)性，使得電機內(nèi)部的電磁關(guān)系非常復(fù)雜，精確的數(shù)學(xué)模型 難以建立。目前，對于s r m 的數(shù)學(xué)建模，通常采用線性模型、分段線性模型和 非線性模型三種形式，本文采用線性模型。建立線性模型需作如下假設(shè)【博】： ( 1 ) 忽略磁通的邊緣效應(yīng)和磁路非線性，從而繞組電感l(wèi) 是轉(zhuǎn)子位置0 的 分段函數(shù)； ( 2 ) 功率開關(guān)管是理想開關(guān)，開關(guān)動作瞬間完成； ( 3 ) 主電路的直流電源不隨時間改變； ( 4 ) 在一個電流脈動周期中，電機以恒速運轉(zhuǎn)。 2 3 1 電感特性 在三相1 2 8 極s r m 線性模型中，相電感是轉(zhuǎn)子位置的線性函數(shù)，以4 5 0 為 周期變化。定義每相定子極中心軸線和轉(zhuǎn)子槽中心軸線的夾角為轉(zhuǎn)子位置角伊， 定子極中心軸線和轉(zhuǎn)子槽中心軸線重合時口= 0 。，此時繞組電感為最小值k ； 當(dāng)定子極中心軸線和轉(zhuǎn)子極中心軸線重合時則為0 = 2 2 5 0 ，此時繞組電感達到最 1 2 大值k 。 相電感的曲線如圖2 4 所示。通常在設(shè)計中，轉(zhuǎn)子槽弧寬度通常大于定子極 弧寬度，因而出現(xiàn)平頂段幽，即電感最小區(qū)域o l - 島；同樣，轉(zhuǎn)子極弧寬度大 于定子極弧寬度，因而出現(xiàn)平項段k ，即電感最大區(qū)域島幺。轉(zhuǎn)子極前沿和 定子極后沿在幺處相遇，該位置為相電感的轉(zhuǎn)折點，電感在此開始線性上升。 直到電感上升至仗位置，轉(zhuǎn)子極后沿和定子極后沿相遇，直至轉(zhuǎn)子極和定子極 完全重合，即到達幺位置。從以位置，相電感開始線性下降，到達轉(zhuǎn)子極后沿 與定子極前沿重合處紋。順次導(dǎo)通繞組各相，電感周期性的往復(fù)變化。 0 28 3 2 2 5 。0 4色4 5 。0 圖2 4 相電感曲線圖 s r m 電感與轉(zhuǎn)子位置角0 之間的關(guān)系如式2 - 8 所示。 三( 口) = k k ( o 一島) + k k 三懈一k ( o 0 4 ) 肌k = 特 2 3 2 磁鏈特性 o l50 島 島0 0 3 0 3 0 幺 0 4 0 島 ( 2 8 ) 由式2 - 1 可得到一相繞組的電壓平衡方程式，如式2 - 9 所示。 u 。：氓+ 坐 ( 2 9 ) 5 出 由于電阻壓降氓相對掣很小，所以可忽略繞組壓降不計，從而式2 - 9 簡化 講 式2 1 0 。 u 。：坐= 坐塑：坐功( 2 1 0 一)= = = 功l z - 1 ) 。d t d od t d 由此得到磁鏈的表達式如式2 1l 。 押：絲d 鄉(xiāng) 緲 值。 ( 2 11 ) 其中，彩為轉(zhuǎn)子的角速度。對位置角p 積分即可得到不同轉(zhuǎn)子位置處磁鏈的 2 3 3 轉(zhuǎn)矩特性 如果不考慮電路中轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機械損耗、電阻損耗和鐵芯損耗，根據(jù)能量守 恒定律，輸入繞組的電能應(yīng)等于輸出機械能和結(jié)構(gòu)中磁儲能之和，如式2 1 2 所 示。 d 嘸= d + d 既 ( 2 - 12 ) 輸入繞組的電能d 形可由端電壓、端電流計算得出d 吸= u i d t ，其中 甜= a w d t ，從而d 嘸= i d w ；由電磁轉(zhuǎn)矩丁和轉(zhuǎn)子位置角鄉(xiāng)計算得出機械能 d = t d t g ；根據(jù)式2 - 1 2 得d ( 甲，秒) - i d w t d o ，對于無損耗系統(tǒng)，磁場儲 能是由獨立變量甲和夕決定的。假定甲恒定，得到一般轉(zhuǎn)矩表達式如式2 1 3 所 爾o ，a 形r ( 甲，p ) r = 一l 二二二 8 9 ( 2 13 ) 考慮轉(zhuǎn)子處于任意位置的電磁轉(zhuǎn)矩時，假定轉(zhuǎn)子無機械轉(zhuǎn)動，即d = 0 ，則 嘶= d 嘸= 胛，由此得出磁儲能吩= 弘柙。假定磁路中無磁滯損耗，且磁 0 路為線性磁路，則磁鏈甲= l i 。得磁場儲能的表達式如式2 1 4 所示。 ?。簂 l i 2( 2 1 4 ) 2 將式2 1 4 代入式2 1 3 ，得轉(zhuǎn)矩表達式如式2 15 示。 1 4 ?。喝齠 z 絲 2a 秒 ( 2 1 5 ) 根據(jù)以上推論可知： ( 1 ) s r m 的電磁轉(zhuǎn)矩是由轉(zhuǎn)予轉(zhuǎn)動時的氣隙磁導(dǎo)變化產(chǎn)生的，磁導(dǎo)對轉(zhuǎn)子 位置角的變化率大時，轉(zhuǎn)矩也大； ( 2 ) 電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流的平方成正比，當(dāng)電流增大到受磁芯飽和的影響 時，轉(zhuǎn)矩不再與電流平方成正比，但仍隨電流的增加而增大。因此可以通過增大 電流獲得較大的轉(zhuǎn)矩，并且可以通過控制繞組電流獲得恒轉(zhuǎn)矩輸出； ( 3 ) 電磁轉(zhuǎn)矩的正負(fù)由相電感的變化率囂決定：囂卜0 ，則產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩， s r m 工作在電動狀態(tài)：蘭 _ 0 ，產(chǎn)生電動轉(zhuǎn)矩，電源提 供的電能部分轉(zhuǎn)化為機械能輸出，另一部分以磁能的形式儲存在繞組中；若通 電繞組在此區(qū)域內(nèi)斷電，儲存的磁能一部分轉(zhuǎn)化為機械能，一部分回饋給電源。 此時，電機所產(chǎn)生的仍是電動轉(zhuǎn)矩。在電感達到最大值的恒定區(qū)域內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電動 勢為零，若繼續(xù)通電流，繞組中的磁能僅回饋給電源，電機不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩：最 后若在電感下降區(qū)域內(nèi)還在通電流，a l l a o 0 ，則電機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。因此， 為了獲得最大的電動轉(zhuǎn)矩，應(yīng)盡量使s r m 在繞組電感上升區(qū)域流過較大的電流。 在控制策略方面，s r m 起動過程可采用轉(zhuǎn)速開環(huán)控制方式。s r m 起動運行 時，其轉(zhuǎn)速范圍寬，磁鏈及電流峰值很大，相電流周期長，采用電流斬波控制方 式( c c c ) ，以限制電流峰值，同時保證有較大的起動轉(zhuǎn)矩，從而使電機可靠起 動。 與異步電機和直流電機相比，s r m 具有優(yōu)良的起動性能，起動電流小，起 動轉(zhuǎn)矩大，使電機實現(xiàn)可靠起動h 0 1 。s r m 起動方式有一相起動、兩相起動和多 相起動，不同結(jié)構(gòu)的電機起動方式也不同。 5 1 3 穩(wěn)定運行方式 s r m 穩(wěn)定運行時控制方式包括電流斬波控制方式( c c c ) 和角度位置控制 方式( a p c ) 。轉(zhuǎn)速低于基速時，采用電流斬波控制方式，通過開關(guān)管的導(dǎo)通和 關(guān)斷將電流限制在一個合理的范圍內(nèi)，避免產(chǎn)生過高的電流損壞開關(guān)器件，同時 獲得恒轉(zhuǎn)矩機械特性。通常，提高斬波頻率可以使電流穩(wěn)定在更精準(zhǔn)的范圍內(nèi)， 減小s r m 的轉(zhuǎn)矩脈動，但同時增加了開關(guān)損耗，縮短了開關(guān)管的壽命。轉(zhuǎn)速高 于基速后，改為角度位置控制方式，通過調(diào)整導(dǎo)通角和關(guān)斷角的大小來改變繞組 電流，進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，獲得恒功率的機械特性。轉(zhuǎn)速高時，應(yīng)提前導(dǎo)通開關(guān)管， 延長供電時間，使電流足夠大，滿足系統(tǒng)對于轉(zhuǎn)矩的需求。 5 2 電機起動運行仿真 研究表明，三相及三相以上的s r m 可以在任意轉(zhuǎn)子位置處實現(xiàn)正反方向起 動。本論文所采用的三相1 2 8 極s r m 起動簡便，無需額外的輔助設(shè)備，采用單 相、兩相混合起動的方式。與單相起動方式相比，兩相同時起動方式最小起動轉(zhuǎn) 矩大大增加，帶動負(fù)載能力顯著增強，另外最大起動轉(zhuǎn)矩和最小起動轉(zhuǎn)矩的差值 減小，從而轉(zhuǎn)矩脈動減小，起動比較平穩(wěn)。此外，當(dāng)負(fù)載一定時，兩相起動所需 要的起動電流幅值將會明顯小于一相起動所需要的電流幅值【4 1 1 。 下面，設(shè)定三相1 2 8 極s r m 不同工況下的參數(shù)，在c c c 方式下，對電機 轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速相應(yīng)進行分析，完成s r m 系統(tǒng)起動瞬態(tài)性能仿真。 設(shè)定電流的斬波上限i o o a ，下限9 9 a 。對于圖3 一1 6 所示外電路中電流斬波 開關(guān)c c s a 、c c s b 和c c s c ，分別設(shè)置開關(guān)參數(shù)如下：導(dǎo)通電阻氣= o 0 0 1q ， 關(guān)斷電阻= 1 0 0 0 0 0 0 q ，電流斬波上限k = i o o a ，下限= 9 9 a 。 起動時，電機轉(zhuǎn)速v = o r p m ，主動慣量m o m e n to f i n e r t i a l = 0 0 8 0 8 4 9 3 k g m 2 ( 取 第三章中采用r m x p r t 對電機進行初步設(shè)計時所計算出的主動慣量) ，阻尼系數(shù) d = o 0 0 0 3 0 7 9 n m s e e r a d ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩瓦= 一1 n m 。 采用r m x p r t 對電機進行初步設(shè)計，計算出參考速度為1 5 5 3 5 8 r p m 時，電機 的摩擦損耗和風(fēng)磨損耗之和為4 9 0 8 2 w ，相應(yīng)的阻尼系數(shù)如式5 1 所示。 d ：蘭：2 q ! 蘭= ：一 ( 2 n n | 6 0 ) 2( 2 萬 4 9 0 8 2 1 5 5 3 5 8 6 0 ) 2 = o 0 0 0 3 0 9 7( 5 1 ) 當(dāng)開通角為0 0 ，關(guān)斷角為1 0 0 ，即導(dǎo)通角為1 0 0 ，每相導(dǎo)通小于1 3 周期時， 此時電機是單相導(dǎo)通；固定開通角為0 0 ，當(dāng)關(guān)斷角為1 5 0 ，即導(dǎo)通角為1 5 0 ，每 相導(dǎo)通1 3 周期時，電機的a 相電流響應(yīng)如圖5 2 所示，此時電機也是單相導(dǎo)通， 電流在1 0 0 a 處開始斬波，并存在反向電流；關(guān)斷角為2 0 0 ，即導(dǎo)通角為2 0 0 ，每 相導(dǎo)通大于1 3 周期小于1 2 周期時，此時電機是單相和兩相混合導(dǎo)通。 圖5 - 2 導(dǎo)通角為1 5 0 時電流曲線圖 5 2 1 起動仿真的轉(zhuǎn)矩響應(yīng) 圖5 3 、5 4 和5 5 分別為導(dǎo)通角為1 0 0 、1 5 0 和2 0 0 時的電磁轉(zhuǎn)矩曲線圖，設(shè) 定仿真時間長度為1 0 m s ，步長為0 1 m s 。當(dāng)導(dǎo)通角為1 0 0 時，產(chǎn)生正向和反向轉(zhuǎn) 矩，轉(zhuǎn)矩脈動非常大，最大轉(zhuǎn)矩和最小轉(zhuǎn)矩的差值幾乎達到1 0 0 n m ，無法起動。 4 9 當(dāng)導(dǎo)通角為1 5 。時，在1 0 m s 內(nèi)僅產(chǎn)生一個峰值為6 0n m 的脈沖轉(zhuǎn)矩，且僅保持 2 m s 左右，也無法起動。當(dāng)導(dǎo)通角為2 0 。時，轉(zhuǎn)矩在啟動后2 m s 內(nèi)平滑增大至4 0 n m 左右，響應(yīng)快：且在剩余8 m s 內(nèi)保持在3 0 4 0n m ，轉(zhuǎn)矩脈動較小，可實現(xiàn) 圖5 3 導(dǎo)通角為l o o 時的起動轉(zhuǎn)矩曲線圖 圖5 - 4 導(dǎo)通角為1 5 0 時的起動轉(zhuǎn)矩曲線圖 圖5 5 導(dǎo)通角為2 0 0 時的起動轉(zhuǎn)矩曲線圖 5 2 2 起動仿真的轉(zhuǎn)速響應(yīng) 圖5 - 6 、5 - 7 和5 8 所示分別為導(dǎo)通角為1 0 0 、1 5 0 和2 0 0 時的起動轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖。 當(dāng)導(dǎo)通角為1 0 0 時，由于產(chǎn)生正、負(fù)轉(zhuǎn)矩，且轉(zhuǎn)矩脈動非常大，無法起動，僅在 初始2 m s 內(nèi)產(chǎn)生極小的轉(zhuǎn)速脈沖，約為o 0 0 2 r p m 。當(dāng)導(dǎo)通角為1 5 0 時，由于僅有 一個維持時間較短的轉(zhuǎn)矩脈沖，所以只產(chǎn)生了一個曲折上升的較小的轉(zhuǎn)速，約為 5r p m ，且響應(yīng)慢，遠遠不能達到電動汽車起動需求。當(dāng)導(dǎo)通角為2 0 0 時，由于電 機響應(yīng)快，起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩脈動小，轉(zhuǎn)速平滑快速上升，可實現(xiàn)電動汽車的平 穩(wěn)起動。 圖5 - 6 導(dǎo)通角為1 0 0 時的起動轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖 圖5 7 導(dǎo)通角為1 5 0 時的起動轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖 圖5 - 8 導(dǎo)通角為2 0 0 時的起動轉(zhuǎn)速響應(yīng)圖 由此可知，若要實現(xiàn)樣機三相1 2 8 極s r m 的可靠起動，要保證電機單相和 兩相混合起動，才能使電機快速響應(yīng)，起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩脈動小，從而快速平穩(wěn) 起動。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)導(dǎo)通角的大小，從而調(diào)節(jié)起動時間，以及 完成起動后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等等。 5 3 電機穩(wěn)定運行仿真 采用電流斬波同時調(diào)角度的控制方式，固定開通角，改變關(guān)斷角，設(shè)定電機 初始速度為額定轉(zhuǎn)速1 5 5 3 5 8 r p m ，電機主動慣量m o m e n to f i n e r t i a l = 0 0 8 0 8 4 9 3 k g ， 阻尼系數(shù)d - - 0 0 0 0 3 0 7 9 n _ r ns e c k a d 。 5 3 1 穩(wěn)態(tài)運行的電流響應(yīng) 固定5 0 。，圖5 - 9 、5 1 0 和5 1 1 分別是e o g = 1 0 。，1 5 。和2 0 。時的a 相電 流曲線圖，由圖可知，隨著關(guān)斷角的增大，a 相產(chǎn)生正向電流的時間增加，產(chǎn)生 反向電流時間減短，并且在電流超過1 0 0 a