维普资讯 http://www.cqvip.com …． 整宴 …２…００７量筻 ……………………………………． 一 履带装甲车辆电传动用电机系统比较研究 廖自力，马晓军，臧克茂，颜南明 （装甲兵工程学院，北京１０００７２） 摘要：阐述了履带装甲车辆电传动概念及其优点，分析了电传动系统对电机提出的特殊要求及电传动驱动电 机调速系统发展趋势。通过对某型履带装甲车辆电传动系统用两种电机的磁场计算以及电机使用环境和特性分 析，对永磁同步电动机调速系统及异步电动机调速系统在履带装甲车辆电传动系统中的应用情况及发展趋势进行 了对比分析和综合评价。 关键词：永磁同步电动机；异步电动机；履带车辆；电传动 中图分类号：ＴＭ３４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—７０１８（２００７）０４—００１１－０３ Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｃｋｅｄ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ ＬＩＡＯ Ｚｉ—ｌｉ，ＭＡ Ｘｉａｏ—ｊｕｎ，ＺＡＮＧ Ｋｅ—ｍａｏ， ⅣＮａｎ—ｍｉｎｇ （Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ｏｆ ｔｒａｃｋｅｄ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｌｅｃｔｉｃ ｄｒｒｉｖｅ ｗｅｒｅ ｓｔａｔｅｄ．Ｓｐｅｃｉ￣ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ ｅｌｅｃ— ｔｒｉｃ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｔｉｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｄｒｉｖｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎａ— ｌｙｚｉｎｇ ｏｎ ｔｗｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒｓ ｆｏｒ ａ ｔｒａｃｋｅｄ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｎｄ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｍｏｔｏｒ，ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ ｔｉｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｔｉｍｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ；ｔｒａｃｋｅｄ ａｒｍｏｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｅｌｅｃｔｉｃ ｄｒｒｉｖｅ １引 言 面对新军事变革，各国的武器装备发展面临新 的挑战。履带装甲车辆发展也面临高机动性、高越 ２电传动系统对电机及控制技术提出的要求 电传动履带装甲车辆自身的特点，对驱动电机 提出了较高的要求，比如： （１）由于安装空间和自重限制，要求电机体积 野性、轻型化、信息化等问题。在这种情况下，一种 具有创新思想的全电战斗车辆概念被提出，电传动 小，重量轻，有较高的功率密度。为此，许多牵引用 系统则是全电战斗车辆的基础 。厣 帚 【ｐ．／、奄奄Ｗ． ０ ０＿ 电动机在设计时要求具有高速工作的能力。功率密 ．ｎｏ 履带装甲车辆电传动系统是指借助现有的电力 度的提高需要解决好散热问题。 电子技术和控制技术，用发动机、发电机和电动机等 组成一个新系统代替传统的机械传动系统来驱动履 带装甲车辆。电传动本身具有无级变速、中心转向、 加速性好、布置灵活等优点。另外，未来战斗系统平 台中需要大量的电能来支撑车辆中众多的电气电子 系统，例如火控系统、炮控系统、电子防护及主动悬 （２）要求高效率，包括电动机、控制器以及相应 的机械传动等方面的综合效率。同时考虑在滑行或 下坡时的制动动能再生利用，要求宽功率变化范围 屠 内都有较高效率。 黄 （３）电机处于频繁起动、加减速、变速范围宽和 莆 挂，尤其是电能武器如电磁炮、电热化学炮等，它们 制动回馈的工况下，要求有良好的控制性能。 嘉 （４）电机和控制系统能承受大电流冲击以提高 是 起动和加速转矩；有较长时间过载能力。 动 （５）考虑环境承受能力，在抗振、防水、防潮、防 尘、防霉、通风散热等方面都要充分注意。 需要极大的电脉冲功率，电传动能够提供这些电功 率。因此，近年来，各国加大了履带装甲车辆电传动 技术的研究 ｊ。履带装甲车辆质量重、体积小、车 内空间尤其狭小，对驱动系统要求苛刻，因此，其电 当前技术条件下，应用于战斗车辆电传动的电 簦 动机主要有异步电动机和永磁同步电动机。 较 传动系统的核心技术是电机及其控制技术。 ３驱动电机在电传动系统应用中的发展趋势 ；九 驱动电机是整个电传动方案部件中最关键的部 收稿日期：２００６—０６—０５ 堑 分，直接为车辆主动轮提供能量，对整个方案的牵引ｉｌｌ 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com …蔓壁宴 …２…００７ 目．７ ……………………………………一 …ｊ 枷 ㈣ 啪 ㈣ 伽 瑚 ０ １０００ ２０００ ３０００ ４０００ ５０００ ６０００ ７０００ ８０００ ｖ／ｒ．ｍｉｎ。Ｉ 图３异步电动机效率图 表３异步电动机性能参数 短时峰值功率ＰＰＫ／ｋＷ １５Ｏ 短时峰值转矩ＴｐＫ／Ｎ・ｍ １ ２００ 持续功率ＰｃｏＮ／ｋＷ １２Ｏ 持续转矩ｒ，ｃ０ ／Ｎ・ｍ ４００ 电机总重 。． ｌ／ｋｇ ３１Ｏ 有效部分重量／ｋｇ １７０ 功率重量密度 ／ｋＷ．ｋｇＩ１ Ｏ．３９ 有效部分功率重量密度 ｋｗ・ｋｇ Ｏ．７１ 电机最大外径Ｄ． ／ｍｍ ４１０ 电机最大轴向长度Ｌｔｏｔ／ｍｍ ４６０ 定子电阻／ｎ ０．０４４１７ 定子漏抗／［１ Ｏ．５５８９ 转子电阻／［１ ０．０３０８２ 转子漏抗／ｎ ，０．４６３５ 电机极数２ｐ 帚 【ｐ．，／《《Ｗ．８ ０ 电机定子绕组槽数Ｑ。 ５４ 滑差 ０．０２０９ 电机转子绕组槽数Ｑ： ５８ ５对比分析及综合评价 在驱动电机的选择方面，很多汽车研发中心也 曾对电动汽车用不同电机的特点和性能进行了比 较 ，表４就是美国通用汽车公司对两种电机作 为电驱动执行部件的评价。 表４美国通用汽车公司对两类电机的评价 评价指标 永磁同步电动机 异步电动机 最高效率／％ ９５～９７ ９１～９４ １０％负载时的效率／％ ７３～８２ ９３～９４ 最高转速／ｒ・ｍｉｎ ４ ０００～１０ ０００ ９ ０００～１５ ０００ 单位轴功率 ／美元．ｋＷ—ｌ ５～２０ ２．７５～５ 配套控制器的相对成本 ３．７～６ Ｏ ２．５～３．Ｏ 电机的牢固性 较好 优 履带装甲车辆电传动系统的使用环境和要求与 电动汽车有相似的地方，但又有区别。由于装甲车 辆重量大，工作路面复杂，因此其电传动方案对驱动 电机的要求除了需要体积小、功率大之外，还需要具 备大扭矩和宽调速范围。事实上，高速异步电动机 控制上比较复杂，效率也不如永磁同步电动机，虽然 其本身的制造技术和控制技术都很成熟，不存在技 术风险，但永磁同步电动机体积小、重量轻、效率和 功率体积比等特性明显高于异步电动机，而且在使 用异步电动机时，为减小电机体积，只有尽可能提高 电机转速。２０世纪８０年代，美国通用电气公司采 用的高速异步电动机转速已经远远超过１０ ０００ ｒ／ ｍｉｎ，而在我国，要生产１０ ０００ ｒ／ｍｉｎ以上的大型轴 承可能还有困难，而采用永磁同步电动机方案，不需 将转速进一步提高，就能将电机的技术指标提高到 ０．５ ｋｇ／ｋＷ。 通过对某型履带装甲车辆电传动系统用永磁电 动机与异步电动机的设计与分析，综合考虑装甲车 辆电传动系统对电机及控制系统的特殊要求，结合 其使用目的和环境的特点，对两种类型的电机在装 甲车辆电传动系统中应用情况进行打分与评价，其 综合情况如表５所示。 表５两种类型的电机在装甲车辆 电传动系统中应用打分情况表 体重积量 效率 成本 控性制能 翟 壁 散效热果 结霖 设计构 辐噪射声 总评 权重 １４ １２ １１ １１ １Ｏ ９ ９ ８ ８ ８ １ｏｏ 异步 ６５・ ７５ ９８ ８２ ９０ ８８ ８８ ９５ ９５ ９５ ８５．７６ 电动机 ９．１ ９ １１ ９．０２ ９ ７．９２ ７．９２ ７．６ ７．６ ７．６ 永磁同步 ９５ ９５ ８２ ９０ ８０ ８５ ９５ ９０ ９０ ９０ ８９．４２ 电动机 １３．３ １１．４ ９．０２ ９．９ ８ ７．６５ ８．５５ ７．２ ７．２ ７．２ 口．ｎ０ 通过以上分析研究可知，永磁同步电动机比异 步电动机在装甲车辆电传动系统中的应用更具优 势，我国应该加大永磁同步电动机在装甲车辆电传 动系统中的应用研究，进一步加快装甲车辆全电化 的发展进程。 参考文献 ［１］ 臧克茂，刘德刚，常天庆等．全电战斗车辆发展研究［Ｃ］．全电 战斗车辆发展趋势及关键技术研讨会论文集，军事科学出版 社，２００５：１～１２ ［２］ 严纠．电传动车辆的研究与发展［Ｊ］．国外坦克，２００５，（１２）：４７～４９ ［３］ Ｋｅｎｊｉ Ｙａｍａｄａ．Ｋａｔｓｕｙｕｋｉ Ｗａｔａｎａｂｅ．Ｔａｋａｓｈｉ Ｋｏｄａｍａ．Ａｎ Ｅｆｉｆ－ ｃｉｅｎｃｙ Ｍａｘｉｍｉｚｉｎｇ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｄｒｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ［Ｍ／ＣＤ］．ＥＶＳ一１３ ＣＤ：５５～５６ ［４］ Ｙａｓｕｙｕｋｉ ＳＵＧｊｉ．Ｍａｓａｙｕｋｉ Ｙａｄａ．Ｓｏｉｃｈｉ Ｋｏｇａ．Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ＶａｒｉｏｕｓＭｏｔｏｒｓｔｏ ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅｓ［Ｍ／ＣＤ］．ＥＶＳ一１３ ＣＤ．１１２～１１４ ［５］ Ｋａｚｕｔｏｓｈｉ Ｎａｇａｙａｍａ，Ｍａｓａｔｏ ｍｏｒｉ．Ｔａｋａｙｕｋｉ Ｍｉｚｕｎｏ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ Ｓｔｕｄ— Ｙ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ ａｎｄ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ／ＣＤ］．ＥＶＳ一１３ ＣＤ：２４１～２５１ （下转第４２页） ０ 维普资讯 http://www.cqvip.com 驱 雄 ……………………………………………………………………触持电棚………………２ｏｏ７年第４期 ……………～ 节。需说明的是，在软件和硬件电路上预留了角度 为０．９７ Ａ。图７显示了在典型电压ＰＷＭ控制方式 位置控制和电流斩波控制方式，其中角度位置控制 通过增加子程序实现，电流斩波只需将限幅电路中 的 ， 端的比较器另一端接为从ＤＳＰ的Ｉ／Ｏ １３经 Ｄ／Ａ转换引入的控制信号。 采用的调速方法是使用ＤＳＰ的一路Ａ／Ｄ端口， 下的双相运行时两相绕组的电流波形。 电位器模拟电压信号经Ａ／Ｄ输入转变为给定的数 字速度信号，通过调节电位器的电压值即可调节电 机转速。 图７双相运行电流波形 但仅仅用以上方法显然不能得到较好的调速性 能，模糊控制作为以模糊理论为基础的反馈控制方 法，无需数学模型，结构简单，易于实现，成本低廉， ４结语 本文结合一台５．５ ｋＷ的四相ＳＲＭ展开驱动控 制系统的设计。功率变换器采用当前四相电机性价 比最高的最少主开关器件主电路形式，较之先前常 用的双极性电源型和不对称半桥型，无论在主开关 器件容量的有效利用，还是降低成本方面，均取得进 步。控制器以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０为核心主控单元，提高 系统稳定性和抗干扰能力强。具体说，当改变电位 器电压值后，相应改变了程序中的速度设定值，根据 测出的真实速度值与设定值之差Ｅ，以及当前实时 速度的变化方向（实为前后两次实测速度差ＥＣ）， 运用模糊控制方法。由于本系统目前采用电压 ＰＷＭ方式，则模糊控制输出为ＤＳＰ比较寄存器的 比较值，比较寄存器的比较值变化，从而改变ＰＷＭ 占空比，改变速度。 了控制精度及反应速度。由于ＳＲＭ精确的非线性 数学模型实难建立，而在调速控制方法上采用模糊 智能技术，这样无需电机的精确数学模型也能达到 理想的控制效果。由于电压ＰＷＭ控制方式适用于 电机的低、高速运行，采用这种方式避免了调速方式 切换可能带来的一些问题；但本文基于ＣＣＣ和ＡＰＣ 控制方式的优势，预留了变换调速方式的软硬件条 件，如电流限幅电路可通过引入一路ＤＳＰ的Ｄ／Ａ控 ２．５调速软件 本调速软件采用Ｃ语言编程，实行模块化设 计，增加了程序的可读性和移植性。软件程序主要 组成模块有：主程序、起动子程序、中断服务程序、测 速子程序、运行子程序、相判断子程序、模糊调速子 制信号而变为ＡＰＣ方式的主电路。最后在此软硬 件条件下，实现了电机的双相绕组同时通电的稳定 运行和良好调速。 参考文献 ［１］ 王宏华．开关型磁阻电动机调速控制技术［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，１９９５ 程序、角度控制子程序等。 ３实验结果 实验电机参数为：功率５．５ ｋＷ，额定转速１ ５００ ｒ／ｍｉｎ，额定电压直流２６０ Ｖ，调速范围５０～２ ０００ ｒ／ ｍｉｎ。试验结果表明，本电机驱动控制系统有良好的 ［２］ 胡崇岳．现代交流调速系统［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８ ［３］章云．ＤＳＰ控制器及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００１ 调速性能，调速范围满足要求，由于采用了模糊控制 技术，电机运行稳定性和抗干扰性亦明显增强。 由于ＳＲＭ的特点，当电机在单相运行时，绕组 电流、转矩脉动较大。以前相关的一些实验是采用 双相起动，以利于减小单绕组起动电流并加大起动 ［４］ 章卫国．模糊控制理论与应用［Ｍ］．西安：西北工业大学出版 社．１９９９ 作者简介：孙冠群（１９７４一），男，硕士研究生，研究方向为电力 电子及电力传动。 为进一步提高本刊的编辑质量，请您对此文在读 转矩，起动后转入单相运行。本文通过合理的双相 电流投入切换，并加入ＰＷＭ调理电路，成功实现了 电机的双相起动、双相稳定运行，大大减小了转矩脉 动与绕组电流，空载条件下额定相绕组电流有效值 （上接第１３页） ［６］Ｈｅｎｎｅｂｅｒｇｅｒｌ Ｇ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ Ｍｏｔｏｒ Ｔｙｐｅｓ ｆｏｒ Ｅ－ ｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ ｔｈｅ １２ｔｈ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅ－ ｌｅｅｔｒｉｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，１９９４：６１５～６２４ 者服务卡上圈上数字代码： 有价篷，请圈 墨｛没有价值 请圈２８。 。 ［８］臧克茂．装甲车辆电传动总体技术研究总结报告［Ｒ］．北京 装甲兵工程学院，２００５：２２ 为进一步提商本刊的编辑质量 请您对此交在读 者服务卡上圈上数字代码： 宥 值。请圈７；毁有 值，请圈８。 ［７］ 颜南明．装甲车辆电传动仿真技术研究［Ｄ］．北京：装甲兵工 程学院，２００４