第1章
緒論

1.1 研究背景與意義

各類機電系統普遍存在機電耦合現象，一般的機電系統都是由機械系統、電氣系統和聯系二者的耦合磁場三部分組成，如圖1-1所示。機電耦合系統的機械耦合參數包括位移、角度、力、力矩、速度和加速度，電磁耦合參數包括電壓、電流、磁場強度與氣隙磁導等[1]。機電耦合系統中多種物理過程同時存在，融合了所有的動態過程，其實質是通過耦合磁場將機械系統與電氣系統聯系在一起，從而達到能量傳遞的目的。可以說，“耦合”已成為機電系統的一個重要特征，一方面決定了系統的功能生成，是系統賴以實現其功能目標的形式；另一方面，決定著系統的運行性能[2]。因此需要探索機電耦合對傳動系統構件運動的約束機制，分析機電耦合參數與傳動系統功能及性能的相關耦合機理，進行奇異工況的預測和故障預控。

圖1-1 機電耦合系統組成簡圖

機電復合傳動系統是一種典型的機電系統，在民用與軍用車輛中應用廣泛。在民用汽車領域，電動汽車是解決日益嚴重的環境污染問題和石油資源危機的有效途徑[3]，各國都大力發展電動汽車技術，并推出多款電動汽車，其中豐田公司的Prius是一款經典的混合動力汽車，如圖1-2所示。在軍用汽車領域，采用機電復合驅動系統能夠提高車輛機動性和平臺電氣化水平，為新型電能武器提供應用條件等[4]，例如美軍新一代油電混合動力車輛Bravo，該車采用分布式機電混合驅動技術，如圖1-3所示；瑞典阿爾維斯·赫格隆茨公司制造的6×6混合驅動輪式裝甲車輛由安裝在輪轂上的帶雙速減速齒輪的永磁驅動電機驅動，如圖1-4所示。

圖1-2 Prius及其采用的永磁同步電機

圖1-3 美軍新一代油電混合動力車輛Bravo

圖1-4 瑞典6×6混合驅動輪式裝甲車輛

目前，機電復合驅動系統主要采用感應電機（IM）和永磁同步電機（PMSM）兩種類型的電機，前者結構簡單、容易維護、堅固耐用，但缺點是功率因數低、轉子參數對溫度影響較敏感、低速時調速特性較差；后者轉矩/慣量比大、功率密度高、效率高、體積小、響應快、運行可靠，由于永磁材料性能不斷提高，以及PMSM控制技術的不斷成熟，永磁同步電機在電動汽車上的應用越來越普及，并且向著高功率和高轉速的方向發展[5-7]，例如美國的國家橡樹嶺實驗室研制的車用高速無刷混合勵磁永磁同步電機，最高轉速可達16000r/min，其內部結構如圖1-5所示[8]。

圖1-5 橡樹嶺實驗室16000r/min車用永磁同步電機內部結構

機電系統表征系統運行特征各參量之間的相互影響，改變其中某個特征參量會引起其它部分或全部參量發生變化，各個子系統之間存在復雜的耦合關系。隨著車用永磁電機功率和轉速的提升，其機電傳動系統的耦合問題變得更加突出。但是，目前機電傳動系統的研究與設計中，大多仍將機械系統和電氣系統分開，這樣不利于機電傳動系統中某些交叉領域問題的解決。

在工程實際中，機電耦合效應使機電傳動系統表現出十分復雜的動力學特性，而且車用電機及其機械傳動部件各種機械振動的頻率相互疊加，給傳動系統的振源定位與減振設計帶來諸多困難。車用電機動力性能的變化會直接導致機電系統運行不穩定，特別是當電機轉速與機械機構的臨界轉速相等或接近時容易引起共振現象，由于車用電機具有轉速范圍寬的特點，更容易出現失穩和共振現象。因此，需要將機、電、磁之間的耦合關系綜合考慮，系統地研究機電傳動系統轉子軸系的振動問題，分析轉子在一定邊界條件與運行工況下機械和電磁耦合作用的振動特性，揭示機、電、磁參數的耦合機理，研究影響機電耦合作用下轉子軸動力特性的諸多因素，進而為機電系統設計、安全運行和故障診斷奠定理論基礎。