鹿麟祥 趙景波 貝紹軼 倪彰

摘 要：交通能源與環(huán)境問題的日益突出使得電動(dòng)汽車代替?zhèn)鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車成為現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)的關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹；基于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車電機(jī)和磁懸浮提出一種采用電磁轉(zhuǎn)換和磁極間相互作用驅(qū)動(dòng)永磁體活塞做功的新型電動(dòng)汽車電力活塞式電動(dòng)機(jī)，重點(diǎn)介紹了電力活塞式電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)和工作原理；最后，闡述了電力活塞式電動(dòng)機(jī)研究中的關(guān)鍵問題。對(duì)下一步電力活塞式電動(dòng)機(jī)的研究分析具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電力活塞式電動(dòng)機(jī)；工作機(jī)理；電磁轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：U464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-7394（2015）04-0016-06

0 引言

當(dāng)代汽車動(dòng)力結(jié)構(gòu)基本上是以汽油為燃料，通過內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)化成機(jī)械能、電能等使用。全球交通能源與環(huán)境問題的日益突出使得人們就自身生存環(huán)境的改善進(jìn)行反思，各國政要和主要車企就汽車產(chǎn)業(yè)未來技術(shù)的發(fā)展方向達(dá)成一致，即節(jié)能與減排。電動(dòng)汽車當(dāng)之無愧的成為解決上述問題的首選。[1]

1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車[2-3]主要由電力驅(qū)動(dòng)模塊、輔助模塊、車載電池模塊3大部分構(gòu)成，在滿足人們對(duì)汽車能源效率高、零排放、噪音小等要求的同時(shí)，也達(dá)到相關(guān)道路安全法律法規(guī)要求。由于人們早期致力于內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)及電動(dòng)汽車對(duì)工作環(huán)境、性能要求特別是設(shè)計(jì)制造技術(shù)的要求大大超過了那個(gè)時(shí)代的生產(chǎn)水平使得傳統(tǒng)汽車制約著早在19世紀(jì)末就以誕生的電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)用。直到現(xiàn)在，關(guān)于電動(dòng)汽車的一些問題依舊存在。

1.1 國內(nèi)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

盡管國內(nèi)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)有了長足的發(fā)展，但是還有一些不足，一方面，電動(dòng)汽車尚處于產(chǎn)業(yè)化初期階段；另一方面，交通能源與環(huán)境問題和存在于同國外傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車領(lǐng)域的過大差距使得我國將更多的目光放在差距相對(duì)較小的電動(dòng)汽車領(lǐng)域方面，我國對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)工作早于上世紀(jì)80年代展開，國內(nèi)一些各大汽車企業(yè)先后通過與高校采取相結(jié)合方式共同承擔(dān)了多項(xiàng)電動(dòng)汽車項(xiàng)目，拉開了國內(nèi)電動(dòng)汽車的研發(fā)序幕。2001年，新能源汽車研究項(xiàng)目經(jīng)國家科技部提出，被列入“十五”期間的“863”重大科技課題；2006-2007年，我國在新能源汽車取得重大發(fā)展的同時(shí)，自主研發(fā)的電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)批量出口；2008年后，國內(nèi)各大汽車生產(chǎn)企業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車的研究成全面出擊之勢。國內(nèi)汽車企業(yè)就電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)[4-5]展開深入研究，如電機(jī)及控制技術(shù)、整車控制、整車輕量化技術(shù)，并取得一系列成果。國內(nèi)部分企業(yè)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 國內(nèi)部分企業(yè)電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)數(shù)據(jù)

產(chǎn)品或企業(yè)額定轉(zhuǎn)矩/Nm額定功率/kW峰值轉(zhuǎn)矩/Nm峰值功率/kW百千米能耗/kw·h

奇瑞M1EV294010

長安奔奔201605010

比亞迪E6450902 010

吉利熊貓EK-11004221080

長城哈弗M315055

在肯定我國電動(dòng)汽車取得一定成績的同時(shí)，更應(yīng)將目光放眼于國外，敢于同電動(dòng)汽車領(lǐng)域先進(jìn)汽車企業(yè)的技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，正視自身不足，實(shí)現(xiàn)我國電動(dòng)汽車技術(shù)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

1.2 國外電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)研究現(xiàn)狀

在“環(huán)保節(jié)能競技場”上，國外政府和汽車企業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)早于中國，特別是美國、日本、德國對(duì)電動(dòng)汽車的研發(fā)一直走在世界研發(fā)的前列，由政府引導(dǎo)帶動(dòng)，企業(yè)紛紛制定相應(yīng)的電動(dòng)汽車研發(fā)計(jì)劃，并取得了重大突破。

能源短缺迫使日本相比于其他國家更加重視電動(dòng)汽車的研發(fā)。在政府的積極扶持下，如豐田、本田等日本主要車企均提出相應(yīng)的電動(dòng)汽車戰(zhàn)略，使得日本的電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化成果做到全球最好，預(yù)計(jì)到2015年年底累計(jì)銷量將達(dá)到500萬輛。2012年后，日本宣布將批量生產(chǎn)電動(dòng)汽車，投放至日本和歐洲市場；日本相應(yīng)汽車企業(yè)如三菱也積極相應(yīng)政府號(hào)召，推進(jìn)電動(dòng)汽車商業(yè)化。日本相關(guān)研究室通過研究推出新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，經(jīng)測試試驗(yàn)顯示，新型結(jié)構(gòu)電機(jī)的數(shù)據(jù)優(yōu)于現(xiàn)有永磁同步

歐美各國雖均早期就著手對(duì)電動(dòng)汽車展開研發(fā)，但由于各國發(fā)展水平及發(fā)展側(cè)重點(diǎn)的差異使得對(duì)于電動(dòng)汽車電機(jī)的選擇各執(zhí)己見，19世紀(jì)中期，美國、德國就已經(jīng)開展對(duì)電動(dòng)汽車等新能源汽車的研究，英、法等國偏重于永磁無刷直流電機(jī)。隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以比功率大、效率高、過載能力強(qiáng)著稱的永磁同步電機(jī)的開始在電動(dòng)汽車領(lǐng)域占有優(yōu)勢，并得到廣泛應(yīng)用。日本豐田普銳斯采用交流永磁同步電機(jī)，最高輸出功率高達(dá)55 kW，極限轉(zhuǎn)速13 500 rpm。[8]豐田普銳斯采用的交流永磁同步發(fā)電機(jī)，將最大功率輸出轉(zhuǎn)速從6 500r/min提高到10 000r/min。[9]

2 新型電力活塞式電動(dòng)機(jī)的提出

在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)因其高排放、污染大等問題使得當(dāng)今的人們越來越關(guān)注在確保內(nèi)燃機(jī)使用性能提高的同時(shí)如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。[10-11]在此背景下，各國政府和汽車企業(yè)紛紛提出各種新型動(dòng)力裝置，如燃料電池、混合動(dòng)力汽車及新型燃料汽車（氣體燃料、生物燃料、氫燃料等）[12-18]?，F(xiàn)代新型內(nèi)燃機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展使得EPFP（自由活塞式內(nèi)燃機(jī)發(fā)電耦合系統(tǒng)）在沉默近半個(gè)世紀(jì)后，再次回到人們的視線中[19-20]，江蘇大學(xué)的王謙教授[21-22]、南京理工大學(xué)常思勤教授[23-24]、同濟(jì)大學(xué)王哲等均對(duì)EPFP進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

ECPE（單缸軸向電力約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)）的概念首次在國際上被青島大學(xué)提出。[25-26]青島大學(xué)基于傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)一發(fā)電機(jī)組合，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了一種新型熱-電轉(zhuǎn)換裝置——單缸電力約束活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，通過活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)直接實(shí)現(xiàn)燃料的熱能向電能的轉(zhuǎn)換并輸出?？朔藗鹘y(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換傳遞效率低的缺點(diǎn)，充分地運(yùn)用了傳統(tǒng)直線發(fā)電機(jī)原理。[27]

目前傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要應(yīng)用于開關(guān)（繼電器），起重機(jī)，電鈴，電話，包括音響的喇叭，在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用上，美國密歇根大學(xué)[28]、南京理工大學(xué)[29-30]動(dòng)力機(jī)械及車輛工程研究所等所研究的電磁驅(qū)動(dòng)氣門機(jī)構(gòu)，根據(jù)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)的換氣要求，通過控制電磁閥通斷電來精確控制氣門的開啟和關(guān)閉。

M Morishita和T Azukizawa[31]為實(shí)現(xiàn)低能耗控制，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了以一種永磁混合懸浮裝置，應(yīng)用在地鐵上磁懸浮系統(tǒng)、電磁永磁混合懸浮系統(tǒng)的控制特性分析[32]，例如上海磁懸浮示范線采用的是德國的Transrapid磁懸浮系統(tǒng)，電磁式系統(tǒng)上使用的電磁永磁混合懸浮系統(tǒng)控制研究已日趨成熟[33]，南京航空航天大學(xué)對(duì)永磁式、電勵(lì)磁式、混合勵(lì)磁式磁通切換電機(jī)進(jìn)行了電機(jī)本體設(shè)計(jì)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)并對(duì)勵(lì)磁分塊轉(zhuǎn)子磁通切換電機(jī)電磁特性分析[34-35]，劉尚合，劉衛(wèi)等國內(nèi)外專家針對(duì)日益復(fù)雜的電磁環(huán)境及高度集成的電子設(shè)備和系統(tǒng)對(duì)電磁兼容[36-39]與電磁防護(hù)[40-41]研究提出了更高要求，即發(fā)展快速、準(zhǔn)確、智能化的電磁干擾溯源技術(shù)，建立更大規(guī)模、更復(fù)雜系統(tǒng)在寬帶范圍內(nèi)的電磁兼容預(yù)測模型，研究電磁能量主要耦合途徑的分析確定方法和電磁環(huán)境效應(yīng)的多物理場聯(lián)合建模技術(shù)，推進(jìn)電磁防護(hù)新技術(shù)、新材料、新器件的開發(fā)和工程化應(yīng)用等已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

基于此，根據(jù)機(jī)械學(xué)、電磁學(xué)及動(dòng)力學(xué)等理論，結(jié)合傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的工作原理，提出一種基于電磁轉(zhuǎn)換和磁極相互作用來驅(qū)動(dòng)永磁體活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力活塞式電動(dòng)機(jī)。電力活塞式電動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)及工作原理如圖1（a）所示。在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，電力活塞式電動(dòng)機(jī)徹底摒棄了傳統(tǒng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)中的內(nèi)配氣機(jī)構(gòu)、供給系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)等，以車載蓄電池為動(dòng)力源，利用電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)換和同極相斥原理，將電能轉(zhuǎn)換成電磁能驅(qū)動(dòng)永磁體活塞做功輸出轉(zhuǎn)矩。電能轉(zhuǎn)換為電磁能轉(zhuǎn)換工作在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中完成，實(shí)現(xiàn)電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1（b）位于活塞正上方，主要由軟磁磁軛和繞組線圈組成。

電力活塞式電動(dòng)機(jī)的工作流程圖如圖1（c）所示。工作時(shí)，首先采用相應(yīng)的啟動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)飛輪使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過曲軸連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞運(yùn)行到上止點(diǎn)時(shí)，上止點(diǎn)位置檢測傳感器檢測到活塞到達(dá)后，將信號(hào)傳送到電控單元，電控單元控制電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通電產(chǎn)生磁場力，該磁場力與永磁體活塞相排斥，驅(qū)動(dòng)活塞做功，實(shí)現(xiàn)電磁能向直線機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，通過曲柄連桿裝置的運(yùn)動(dòng)加以約束，保證活塞連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將直線機(jī)械能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能輸出；當(dāng)活塞在運(yùn)行至下止點(diǎn)時(shí)，電控單元控制電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)斷電，活塞依靠飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如此循環(huán)，當(dāng)活塞運(yùn)行穩(wěn)定后，啟動(dòng)系統(tǒng)停止工作。

圖1 電力活塞式電動(dòng)機(jī)典型結(jié)構(gòu)及基本運(yùn)行原理

3 電力活塞式電動(dòng)機(jī)關(guān)鍵問題

3.1 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型

對(duì)于電力活塞式電動(dòng)機(jī)而言，電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是其運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)的核心，電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)永磁體做功，本質(zhì)是磁場之間的相互作用。以電磁場的基本方程和定律為突破口，展開對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)磁場的分析，結(jié)合電磁學(xué)、力學(xué)，對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)非線性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。非線性數(shù)學(xué)模型的建立，是電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵，為下面電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的分析優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

3.2 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)設(shè)計(jì)和分析

設(shè)計(jì)電力活塞式電動(dòng)機(jī)中電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，基于電磁學(xué)、動(dòng)力學(xué)等理論，導(dǎo)出電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電學(xué)和力學(xué)方程，在Matlab/Simulink環(huán)境下建立電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型，代入結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真、調(diào)試，通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，掌握電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通斷電產(chǎn)生電磁力、磁場的變化規(guī)律。并對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究，揭示電磁鐵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)線圈匝數(shù)、電流大小、鐵心尺寸、磁芯自身參數(shù)等主要參數(shù)的變化特性。在確定電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)、功能參數(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究發(fā)動(dòng)機(jī)在工作循環(huán)中電磁力對(duì)活塞行程的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的作用效果。

3.3 電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與永磁體活塞的響應(yīng)機(jī)理研究

建立電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)—永磁體活塞的動(dòng)力學(xué)模型，基于Matlab/Simulink進(jìn)行其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算出活塞在任意時(shí)刻任意位置的運(yùn)動(dòng)特性（位移、速度、加速度等），得到電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作過程中作用在活塞上的動(dòng)態(tài)載荷隨位移和電流發(fā)展的變化規(guī)律，運(yùn)用有限元分析軟件等對(duì)活塞進(jìn)行應(yīng)力、變形分析，從而得到活塞在整個(gè)工作行程中的響應(yīng)，并給出動(dòng)態(tài)仿真過程。從而可以找到電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與活塞工作時(shí)的危險(xiǎn)部位，為電力活塞式電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化提供借鑒。

3.4 電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)計(jì)算方法研究

電動(dòng)機(jī)的性能是通過其性能指標(biāo)來反映的，在設(shè)計(jì)、分析電力活塞式電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，深入了解電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能，根據(jù)上述已確定的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，研究電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如動(dòng)力性指標(biāo)有效轉(zhuǎn)矩、輸入（電）功率、有效輸出（機(jī)械）功率、損耗和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)如效率的計(jì)算方法等。

4 結(jié)論

（1）主要介紹了國內(nèi)外電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，列舉分析了國內(nèi)外新型發(fā)動(dòng)機(jī)及電磁裝置在汽車或大型磁懸浮技術(shù)中的應(yīng)用，為電動(dòng)汽車用電力活塞式電動(dòng)機(jī)的提出奠定基礎(chǔ)。

（2）提出了一種通過對(duì)電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通電后產(chǎn)生磁場，進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換，基于磁極間相互作用原理來產(chǎn)生排斥力驅(qū)動(dòng)永磁體活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電力活塞式電動(dòng)機(jī)。電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所需要的能量來自于電動(dòng)汽車內(nèi)的車載電池組，實(shí)現(xiàn)了“零油耗、零排放”，具有環(huán)保、節(jié)能、安全等特性。

（3）針對(duì)電力活塞式電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了分析討論，分析了電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，研究了電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理，為進(jìn)一步探討電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模和求解方法研究奠定基礎(chǔ)，為現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)換方式提供了一種新的驅(qū)動(dòng)方式。

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Reviews on Working Mechanism and Key Issues in Electromagnetic Piston Motor of Electric Vehicles

LU Lin-xiang，ZHAO JING-bo，BEI Shao-yi，NI Zhang

（1.School of Automotive and Traffic Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China；2.Artificial Intelligence Key Laboratory of Sichuan Province，Zigong 643000，China）

Abstract：With the increasing prominence of the transportation energy and environment issue，electric vehicles had replaced the traditional internal combustion engine and become an inevitable choice of the modern auto industry.The paper introduced the application status and development of EV driven motor；a new EV electromagnetic piston motor that adopts electromagnetic conversion and magnetic interaction to drive magnetic piston based on the conventional engines，and EV driven motor and magnetic suspension.The typical structure and working principle of electromagnetic piston motor is emphatically discussed；at the end，the key problem in the study of electromagnetic piston motor is elaborated in detail，providing some important reference value for the future analysis of electromagnetic piston motor.

Key words：electric vehicles；electromagnetic piston motor；working mechanism；electromagnetic conversion

責(zé)任編輯 祁秀春