開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)制動(dòng)性能及能量回收的研究--王旭

1、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)制動(dòng)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(kāi)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(dòng)特性和ECE法規(guī)要求。分析開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)作為電磁制動(dòng)器運(yùn)用于制動(dòng)系統(tǒng)中的可行性；通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)在城市中低速制動(dòng)工況下的制動(dòng)性能，并與法規(guī)要求進(jìn)行比較。最后進(jìn)行制動(dòng)能量回收仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了分析。【關(guān)鍵詞】：制動(dòng) 開(kāi)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. 前言開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)（Switched Reluctance Motor，簡(jiǎn)

4、稱SRM）由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiǎn)稱SRD)具有交、直流傳動(dòng)系統(tǒng)所沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車上得到應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)SRM在電動(dòng)車或混合動(dòng)力車上應(yīng)用的研究主要集中在SRM用于驅(qū)動(dòng)。本文著重研究SRM用于汽車制動(dòng)能量再生，結(jié)合汽車制動(dòng)性能分析和SRM的制動(dòng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)矩特性， 用SRM制動(dòng)部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)的摩擦制動(dòng)，分析了SRM提供的制動(dòng)力是否能夠滿足制動(dòng)性能要求，并對(duì)其制動(dòng)能量回收性能進(jìn)行了分析。1.制動(dòng)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相繞

5、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(dòng)勢(shì)為負(fù)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，SRM運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)。由式（1）可知，此時(shí)。因此在適當(dāng)?shù)臅r(shí)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(guò)控制主開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通角，即起始開(kāi)通角和關(guān)斷角實(shí)現(xiàn)的。在制動(dòng)能量回收系統(tǒng)中，需要SRM運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)下，控制和在電感下降區(qū)域即可。SRM在制動(dòng)時(shí)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(guò)調(diào)節(jié)和可調(diào)整制動(dòng)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(dòng)特性分析前置前驅(qū)動(dòng)轎車，前軸可以進(jìn)行S

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

7、動(dòng)力： （8） 式中：摩擦制動(dòng)器制動(dòng)力，N附著系數(shù)。 前軸制動(dòng)力，N后軸制動(dòng)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(dòng)，式（8）為SRM所在的前軸所需的理論制動(dòng)力，所以，只要： （9）即可認(rèn)為中等強(qiáng)度制動(dòng)下，SRM可以提供足夠制動(dòng)力。式（8）為后軸摩擦制動(dòng)器提供制動(dòng)力，本處不作討論。（3）： 判斷為高強(qiáng)度制動(dòng)，前后軸均為摩擦制動(dòng)。SRM不參與制動(dòng)，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)不運(yùn)行。在此狀態(tài)下，車輛制動(dòng)系和傳統(tǒng)制動(dòng)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(dòng)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同

8、。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(chǔ)存起來(lái)。所以，SRM在再生制動(dòng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1 制動(dòng)力仿真本實(shí)驗(yàn)采用某國(guó)產(chǎn)車為載體，加裝SRM制動(dòng)器，其主要參數(shù)如表1：表1 試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)采用四相開(kāi)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(duì)SRM制動(dòng)力進(jìn)行仿真

9、，其結(jié)果如如圖2，3，4所示：圖2 Z=0.1 SRM制動(dòng)力仿真曲線圖3 Z=0.2 SRM制動(dòng)力仿真曲線圖4 Z=0.3 SRM制動(dòng)力仿真曲線3.2 SRM制動(dòng)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(dòng)，當(dāng)Z=0.1，Z=0.2，Z=0.3時(shí)，用simulink對(duì)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(dòng)力曲線分析 由圖2，3，4可知，在車速較高時(shí)，SRM所提供的制動(dòng)力在很短的時(shí)間內(nèi)就能趨于穩(wěn)定。在轉(zhuǎn)速很低的情況下開(kāi)始急劇下

10、降。由ECE法規(guī)要求，在緩慢制動(dòng)情況下，由式（5），的值和呈線性關(guān)系，所以當(dāng)=0.2時(shí)，取最大值。所以=6504.26N。在中等強(qiáng)度制動(dòng)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(shí)，達(dá)到最大值5717.29N。由圖2，3，4：在0.1制動(dòng)強(qiáng)度下，SRM可以產(chǎn)生14000N的力，可以完全滿足制動(dòng)力的需求；在0.2的制動(dòng)強(qiáng)度下，只有5000N的力，不能滿足制動(dòng)力需求；而在0.3的制動(dòng)強(qiáng)度下，只有3000N的制動(dòng)力，遠(yuǎn)小于要求的制動(dòng)力。為了能使制動(dòng)力滿足需求，所以要對(duì)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。所以

11、，在角速度減小的時(shí)候輸出轉(zhuǎn)矩變大。所以，為了滿足制動(dòng)強(qiáng)度0.1到0.3的情況下都能滿足制動(dòng)力的需求，對(duì)其進(jìn)行減速。減速比根據(jù)SRM電機(jī)安裝的位置不同可以進(jìn)行調(diào)整。若減速比為，則力矩增大倍，即輸出制動(dòng)力增大倍。所以由仿真結(jié)果最小值為3.4.2 制動(dòng)能量回收仿真分析由圖5，6，7可知，在任一制動(dòng)強(qiáng)度下，制動(dòng)開(kāi)始后，產(chǎn)生的電流在很短的時(shí)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(kāi)始急劇減小。綜合比較3個(gè)制動(dòng)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(dòng)狀態(tài)下，產(chǎn)生電流是最大的，而隨著制動(dòng)強(qiáng)度的升高，產(chǎn)生的電流有所下降。產(chǎn)生電流大則對(duì)應(yīng)的回收的能量就多，反之亦然。

12、本仿真結(jié)果說(shuō)明，在低強(qiáng)度下的緩慢制動(dòng)可以較多的回收制動(dòng)能量；而制動(dòng)強(qiáng)度變大，則回收的能量變少。5.結(jié)論 SRM以其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，優(yōu)越的性能，在電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車上占有了一席之地。本文討論了其制動(dòng)的性能，仿真實(shí)驗(yàn)分析了SRM制動(dòng)中在不同的制動(dòng)強(qiáng)度下所提供的制動(dòng)力的大小，并提出了變速以改變輸出力矩的方案。同時(shí)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收。這給將來(lái)對(duì)SRM在制動(dòng)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)。基金項(xiàng)目：江蘇省高校自然科學(xué)重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（05KJA58007）項(xiàng)目名稱：汽車制動(dòng)能量再生理論與方法基金項(xiàng)目：江蘇省汽車工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（QC2006-06）項(xiàng)目名稱：電儲(chǔ)能形式汽車再生制動(dòng)系

13、統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究基金項(xiàng)目：江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（BK2007093）項(xiàng)目名稱：汽車制動(dòng)再生系統(tǒng)與綜合控制算法研究參考文獻(xiàn)1 Chan C C1, Chau K T2. An overview of power electronics in electric vehicles. IEEE Trans Ind Appl,1997,44(1):3132 Ehsani M1, Rahman K M2, Toliyat H A3. Propulsion system design of electric and hybrid vehicles. IEEE Trans Ind Appl,1997,44(1)

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15、d Intell. Motion:1115 Materu P N1, Krishnan R2. Steady-state Analysis of the Variable-speed Switched-reluctance Motor Drive. IEEE Trans.Ind.Electron.1989,36:5235296 吳建華 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M 機(jī)械工業(yè)出版社 20017 Ge Baoming1, Ahibal T.de Almeida2, Fernando J.T.E.Ferreira3; “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