開關(guān)磁阻電機(jī)制動性能及能量回收的研究--王旭

1、開關(guān)磁阻電機(jī)制動性能及能量回收的研究商高高 王 旭 何仁 羅石（江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212013）摘要：分析了開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性，以及城市中低速工況下的制動特性和ECE法規(guī)要求。分析開關(guān)磁阻電機(jī)作為電磁制動器運(yùn)用于制動系統(tǒng)中的可行性；通過仿真實驗驗證了開關(guān)磁阻電機(jī)在城市中低速制動工況下的制動性能，并與法規(guī)要求進(jìn)行比較。最后進(jìn)行制動能量回收仿真實驗，對其結(jié)果進(jìn)行了分析。【關(guān)鍵詞】：制動 開關(guān)磁阻電機(jī) ECE工況 能量回收 A Study on Breaking Performance and Regenerative of Switched Reluctance Motors

2、 Shanggaogao1，Wangxu2，Heren3, Luoshi4Jiangsu university Automobile and traffic engineering School Zhenjiang 212013Abstract： The article analyzes the characteristic of SRM, and request of ECE in low speed at city. Analyzing the feasibility of SRM in breaking system, which is used as a electrical brea

3、k. Thought the stimulation and test, the article validates the breaking capability of SRM in low speed running status, and compares with ECE request. Last, do the test of regenerative, and analyze the result.Keywords： Braking SRM ECE-Running status Regenerative0. 前言9開關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，

4、簡稱SRM）由于其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，控制靈活，運(yùn)行效率高，其調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drives，簡稱SRD)具有交、直流傳動系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn)，在電動車上得到應(yīng)用。目前，國內(nèi)外對SRM在電動車或混合動力車上應(yīng)用的研究主要集中在SRM用于驅(qū)動。本文著重研究SRM用于汽車制動能量再生，結(jié)合汽車制動性能分析和SRM的制動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩特性， 用SRM制動部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩擦制動，分析了SRM提供的制動力是否能夠滿足制動性能要求，并對其制動能量回收性能進(jìn)行了分析。1.制動的特性分析1.1 SRM轉(zhuǎn)矩特性分析SRM的轉(zhuǎn)矩為： （1） 式中： 轉(zhuǎn)子位置角，； 繞組電流，。 SRM相

5、繞組電感與轉(zhuǎn)子位置關(guān)系如圖1所示。在電感下降區(qū)域內(nèi)，因旋轉(zhuǎn)電動勢為負(fù)，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，SRM運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)。由式（1）可知，此時。因此在適當(dāng)?shù)臅r候給SRM供電，就可以得到需要的電磁轉(zhuǎn)矩。而SRM轉(zhuǎn)矩的控制主要是通過控制主開關(guān)器件導(dǎo)通角，即起始開通角和關(guān)斷角實現(xiàn)的。在制動能量回收系統(tǒng)中，需要SRM運(yùn)行在制動狀態(tài)下，控制和在電感下降區(qū)域即可。SRM在制動時的轉(zhuǎn)矩為： （2）式中：外加電壓，； 最大相電感，H； 最小相電感。均為常數(shù)，所以，調(diào)節(jié)和是調(diào)整電流波形和峰值的主要手段。由此，可以通過調(diào)節(jié)和可調(diào)整制動轉(zhuǎn)矩。圖1 角度位置控制方式典型相電流波形1.2 SRM制動特性分析前置前驅(qū)動轎車，前軸可以進(jìn)行

6、SRM制動和摩擦制動，SRM獨(dú)立控制，后軸僅能進(jìn)行摩擦制動。SRM制動原理是由SRM提供制動力矩。由ECE制動法規(guī)， M1類（8座以內(nèi)乘用車）車輛制動強(qiáng)度=0.10.61之間。且實際制動時的關(guān)系。實際制動中，要求制動力線不能落在該線所確定的曲線下方。則當(dāng)制動強(qiáng)度：（1）.時：判斷為緩慢制動，由SRM提供純電制動，制動力即為： （3）因為只有SRM進(jìn)行制動，所以整車所需的制動力即為SRM制動力，制動力要求如式（10） （4）所以當(dāng)： （5）即可認(rèn)為緩慢制動下，SRM可以提供足夠制動力。（2）：判斷為中等強(qiáng)度制動時，混合制動模式，則前軸為電磁制動，后軸為摩擦制動力。 (6）前軸制動力： （7）后軸

7、制動力： （8） 式中：摩擦制動器制動力，N附著系數(shù)。 前軸制動力，N后軸制動力, N ，前后軸法向反作用力，N汽車總質(zhì)量，kg 質(zhì)心高度，m軸距，m式（7）為SRM制動，式（8）為SRM所在的前軸所需的理論制動力，所以，只要： （9）即可認(rèn)為中等強(qiáng)度制動下，SRM可以提供足夠制動力。式（8）為后軸摩擦制動器提供制動力，本處不作討論。（3）： 判斷為高強(qiáng)度制動，前后軸均為摩擦制動。SRM不參與制動，制動能量回收系統(tǒng)不運(yùn)行。在此狀態(tài)下，車輛制動系和傳統(tǒng)制動系一樣。本文不作討論。1. SRM在能量回收系統(tǒng)中的研究 SRM在制動狀態(tài)下，具有發(fā)電功能，其發(fā)出的電流為 （10）式中，其余各量含義與上文相

8、同。均為已知常量，所以轉(zhuǎn)子位移角影響電流的大小。所發(fā)出的電流可以儲存起來。所以，SRM在再生制動中回收能量的大小，主要由其發(fā)出電量大小決定。3.仿真實驗驗證3.1 制動力仿真本實驗采用某國產(chǎn)車為載體，加裝SRM制動器，其主要參數(shù)如表1：表1 試驗車主要尺寸參數(shù)載荷汽車總質(zhì)量W/車輪半徑r/m質(zhì)心高度質(zhì)心到前軸線距離質(zhì)心到后軸線距離空載20740.373014511749本實驗采用四相開關(guān)磁阻電機(jī)參數(shù)如表2所示：表2 四相（8/6）SRM電機(jī)參數(shù)表最大相電感/mH最小相電感/mH外加電壓/V°°30.33380-1010由式（3），（6）用simulink對SRM制動力進(jìn)行仿

9、真，其結(jié)果如如圖2，3，4所示：圖2 Z=0.1 SRM制動力仿真曲線圖3 Z=0.2 SRM制動力仿真曲線圖4 Z=0.3 SRM制動力仿真曲線3.2 SRM制動能量回收仿真由式（10）及表1和表2的參數(shù)：當(dāng)車速在40Km/h狀態(tài)下制動，當(dāng)Z=0.1，Z=0.2，Z=0.3時，用simulink對回收的電流進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖5，6，7所示。圖5 Z=0.1 角速度電流曲線圖6 Z=0.2 角速度電流曲線圖7 Z=0.3 角速度電流曲線4.仿真結(jié)果及分析 4.1 SRM制動力曲線分析 由圖2，3，4可知，在車速較高時，SRM所提供的制動力在很短的時間內(nèi)就能趨于穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)速很低的情況下開始急劇

10、下降。由ECE法規(guī)要求，在緩慢制動情況下，由式（5），的值和呈線性關(guān)系，所以當(dāng)=0.2時，取最大值。所以=6504.26N。在中等強(qiáng)度制動下， 由表1參數(shù)得到11128.28N，由式（8），與呈二次關(guān)系，在=0.3時，達(dá)到最大值5717.29N。由圖2，3，4：在0.1制動強(qiáng)度下，SRM可以產(chǎn)生14000N的力，可以完全滿足制動力的需求；在0.2的制動強(qiáng)度下，只有5000N的力，不能滿足制動力需求；而在0.3的制動強(qiáng)度下，只有3000N的制動力，遠(yuǎn)小于要求的制動力。為了能使制動力滿足需求，所以要對其進(jìn)行變速。由： （11）由圖5，6，7，電流值較穩(wěn)定，電壓一定，由： （12）功率也為穩(wěn)定值。所

11、以，在角速度減小的時候輸出轉(zhuǎn)矩，則力矩增大倍，即輸出制動力增大倍。所以由仿真結(jié)果最小值為3.4.2 制動能量回收仿真分析由圖5，6，7可知，在任一制動強(qiáng)度下，制動開始后，產(chǎn)生的電流在很短的時間內(nèi)就趨于穩(wěn)定的值，隨后，隨著車速下降到一定值后，產(chǎn)生的電流開始急劇減小。綜合比較3個制動強(qiáng)度下的角速度電流曲線，可以明顯的看到，在0.1左右的低強(qiáng)度制動狀態(tài)下，產(chǎn)生電流是最大的，而隨著制動強(qiáng)度的升高，產(chǎn)生的電流有所下降。產(chǎn)生電流大則對應(yīng)的回收的能量就多，反之亦然。 本仿真結(jié)果說明，在低強(qiáng)度下的緩慢制動可以較多的回收制動能量；而制動強(qiáng)度變大，則回收的能量變少。5.結(jié)論 SRM以其簡單的結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的性能，在電

12、動汽車及混合動力汽車上占有了一席之地。本文討論了其制動的性能，仿真實驗分析了SRM制動中在不同的制動強(qiáng)度下所提供的制動力的大小，并提出了變速以改變輸出力矩的方案。同時實現(xiàn)制動能量的回收。這給將來對SRM在制動能量回收系統(tǒng)上的應(yīng)用的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)?；痦椖浚航K省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項目（05KJA58007）項目名稱：汽車制動能量再生理論與方法基金項目：江蘇省汽車工程重點(diǎn)實驗室開放基金項目（QC2006-06）項目名稱：電儲能形式汽車再生制動系統(tǒng)的實驗研究基金項目：江蘇省自然科學(xué)基金項目（BK2007093）項目名稱：汽車制動再生系統(tǒng)與綜合控制算法研究參考文獻(xiàn)1 Chan C C1,

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15、f the Variable-speed Switched-reluctance Motor Drive6 吳建華 開關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用M 機(jī)械工業(yè)出版社 20017 Ge Baoming1, Ahibal T.de Almeida23; “Supercapacitor-based Optimum Switched Reluctance Drive for Advanced Electric Vehicles. IEEE8 Hongwei Gao1, Yimin Gao2, Mehrdad Ehsani3 A Neural Network Based SRM Drive Control Strategy for Regene