第1章
绪论

1.1 研究背景与意义

各类机电系统普遍存在机电耦合现象，一般的机电系统都是由机械系统、电气系统和联系二者的耦合磁场三部分组成，如图1-1所示。机电耦合系统的机械耦合参数包括位移、角度、力、力矩、速度和加速度，电磁耦合参数包括电压、电流、磁场强度与气隙磁导等[1]。机电耦合系统中多种物理过程同时存在，融合了所有的动态过程，其实质是通过耦合磁场将机械系统与电气系统联系在一起，从而达到能量传递的目的。可以说，“耦合”已成为机电系统的一个重要特征，一方面决定了系统的功能生成，是系统赖以实现其功能目标的形式；另一方面，决定着系统的运行性能[2]。因此需要探索机电耦合对传动系统构件运动的约束机制，分析机电耦合参数与传动系统功能及性能的相关耦合机理，进行奇异工况的预测和故障预控。

图1-1 机电耦合系统组成简图

机电复合传动系统是一种典型的机电系统，在民用与军用车辆中应用广泛。在民用汽车领域，电动汽车是解决日益严重的环境污染问题和石油资源危机的有效途径[3]，各国都大力发展电动汽车技术，并推出多款电动汽车，其中丰田公司的Prius是一款经典的混合动力汽车，如图1-2所示。在军用汽车领域，采用机电复合驱动系统能够提高车辆机动性和平台电气化水平，为新型电能武器提供应用条件等[4]，例如美军新一代油电混合动力车辆Bravo，该车采用分布式机电混合驱动技术，如图1-3所示；瑞典阿尔维斯·赫格隆茨公司制造的6×6混合驱动轮式装甲车辆由安装在轮毂上的带双速减速齿轮的永磁驱动电机驱动，如图1-4所示。

图1-2 Prius及其采用的永磁同步电机

图1-3 美军新一代油电混合动力车辆Bravo

图1-4 瑞典6×6混合驱动轮式装甲车辆

目前，机电复合驱动系统主要采用感应电机（IM）和永磁同步电机（PMSM）两种类型的电机，前者结构简单、容易维护、坚固耐用，但缺点是功率因数低、转子参数对温度影响较敏感、低速时调速特性较差；后者转矩/惯量比大、功率密度高、效率高、体积小、响应快、运行可靠，由于永磁材料性能不断提高，以及PMSM控制技术的不断成熟，永磁同步电机在电动汽车上的应用越来越普及，并且向着高功率和高转速的方向发展[5-7]，例如美国的国家橡树岭实验室研制的车用高速无刷混合励磁永磁同步电机，最高转速可达16000r/min，其内部结构如图1-5所示[8]。

图1-5 橡树岭实验室16000r/min车用永磁同步电机内部结构

机电系统表征系统运行特征各参量之间的相互影响，改变其中某个特征参量会引起其它部分或全部参量发生变化，各个子系统之间存在复杂的耦合关系。随着车用永磁电机功率和转速的提升，其机电传动系统的耦合问题变得更加突出。但是，目前机电传动系统的研究与设计中，大多仍将机械系统和电气系统分开，这样不利于机电传动系统中某些交叉领域问题的解决。

在工程实际中，机电耦合效应使机电传动系统表现出十分复杂的动力学特性，而且车用电机及其机械传动部件各种机械振动的频率相互叠加，给传动系统的振源定位与减振设计带来诸多困难。车用电机动力性能的变化会直接导致机电系统运行不稳定，特别是当电机转速与机械机构的临界转速相等或接近时容易引起共振现象，由于车用电机具有转速范围宽的特点，更容易出现失稳和共振现象。因此，需要将机、电、磁之间的耦合关系综合考虑，系统地研究机电传动系统转子轴系的振动问题，分析转子在一定边界条件与运行工况下机械和电磁耦合作用的振动特性，揭示机、电、磁参数的耦合机理，研究影响机电耦合作用下转子轴动力特性的诸多因素，进而为机电系统设计、安全运行和故障诊断奠定理论基础。