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车辆机电传动系统由永磁同步电机与机械传动构件组成，是一种典型的机电耦联系统。传动系统的动态特性不仅与机械结构参数有关，而且与电机的电磁参数、动态性能有关。可以说，“机电耦合”已成为车辆机电传动系统的一个基本特征，因此需要探索耦合对系统构件运动的约束机制，分析耦合参数针对系统功能生成及性能相关的耦合机理，进行奇异工况预控和系统优化设计。《车辆机电传动系统耦合动力学与控制》首先讲述了如何构建一种可以反映电磁转矩饱和与波动的解析模型，从机电耦合的角度揭示永磁同步电机电磁振动的频率特征；其次从机电耦合共振与稳定性的角度讲述机电参数对转子系统扭振的影响规律，以及机电耦合转子系统的分岔、混沌特性、稳定性运行边界条件；接着通过“负刚度”效应揭示机电耦合横向振动失稳机理，分析不同机电参数影响机电耦合横向振动的规律；*后考虑旋转耦合通道与横向运动耦合通道之间的交叉耦合讲述转子系统的多重机电耦合动力学特性，从参数设计与控制优化的角度探讨机电传动系统的机电耦合振动的减振措施与控制方法。《车辆机电传动系统耦合动力学与控制》对于从事电动汽车传动系统、多档变速器，以及集成式电驱动系统、混合动力系统、插电式混合动力系统开发的工程技术人员和研究人员均有重要的指导意义和参考价值，也可以用作高等院校和科研机构相关专业本科生和研究生的参考书。
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前 言第 1章 绪论 1 1.1 研究背景与意义 1 1.2 相关领域的研究概况 3 1.2.1 机电系统的机电耦合问题研究概况 3 1.2.2 永磁同步电机电磁力模型 5 1.2.3 非线性转子动力学及其分析方法概述 8 1.2.4 机电系统非线性机电耦合振动的研究概况 9 1.3 研究思路与主要研究内容 12第 2章 车用永磁同步电机机电耦合电磁振动特征 15 2.1 车用永磁同步电机电磁转矩及其频率特征 15 2.1.1 传统的永磁同步电机电磁转矩模型 16 2.1.2 磁场饱和产生的电磁转矩变化 16 2.1.3 电磁转矩频率特征 18 2.1.4 模型验证及分析 24 2.2 机械负载扰动引起的电磁振动特征 30 2.2.1 理论分析 30 2.2.2 试验验证 33 2.3 转子偏心引起的电磁振动特征 35 2.3.1 转子偏心 -电枢电流频率特征 35 2.3.2 试验验证 37 2.4 本章小结 39 第 3章 机电传动系统机械 -电磁耦合扭转振动特性 41 3.1 考虑扭转角的电磁转矩稳态模型 41 3.1.1 稳态运行相量图 41 3.1.2 电磁转矩模型 43 3.2 机电耦合扭转振动模型 45 3.2.1 转子扭振模型 45 3.2.2 固有频率分析 46 3.3 机电耦合扭转振动特性分析 48 3.3.1 共振分析 48 3.3.2 结果与分析 51 3.4 全局分岔与混沌预测 56 3.4.1 哈密顿系统平衡点分析 56 3.4.2 混沌阈值的确定 60 3.4.3 数值计算 62 3.5 机电耦合扭转振动试验 68 3.6 本章小结 70第 4章 永磁同步电机偏心转子机械 -电磁耦合横向振动特性 73 4.1 不平衡磁拉力解析模型与模型验证 73 4.1.1 不平衡磁拉力解析模型 73 4.1.2 有限元计算与分析 77 4.1.3 试验验证 81 4.2 机械 -电磁耦合横向振动机理分析 85 4.2.1 机械 -电磁耦合横向振动模型 85 4.2.2 固有频率分析 87 4.3 振动稳态响应求解 91 4.3.1 主共振响应 91 4.3.2 稳态运动的稳定性分析 93 4.3.3 结果与讨论 94 4.4 数值求解 97 4.5 本章小结 101第 5章 永磁同步电机转子系统多重机电耦合动力学特性 103 5.1 概述 103 5.2 非均匀气隙条件下的多重机电耦合模型 104 5.3 多重耦合动力学稳态特性与分析 108 5.3.1 多重耦合动力学稳态特性求解 108 5.3.2 多重耦合动力学稳定性分析 116 5.4 减振分析探索 119 5.5 本章小结 122总结与展望 123总结 123展望 126参考文献 127
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机电复合传动系统在车辆中的应用十分广泛。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，各国都在大力发展电动汽车技术，并已推出多款产品；在军用汽车领域，采用机电复合传动系统能够提高车辆机动性和车辆平台电气化水平，为新型电能武器提供应用条件等。车辆机电传动系统由驱动电机、发动机以及机械传动构件组成，是一种典型的机电耦合系统。在实际运行过程中，表征系统运行特征的各参量之间相互影响，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着复杂的耦合关系。在工程实际中，这种“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了诸多困难。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，所以更容易出现失稳和共振现象。因此，需要综合考虑机、电、磁之间的耦合关系，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。目前，针对车辆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，这样制约了传动系统中某些交叉领域问题的解决。一直以来，这个崭新的交叉领域缺乏针对性强的专业参考书，本书正是为解决这类车辆机电复合传动系统的机电耦合效应引起的动力学与控制的问题提供参考。全书共分 5章。第 1章作为绪论，主要介绍车辆机电传动系统机电耦合动力学及其控制研究的必要性、研究现状以及该领域的研究思路。第 2 章主要介绍机电传动系统中永磁同步电机机电耦合电磁振动特征，分别研究永磁同步电机运行时气隙磁场空间谐波与时间谐波对电磁振动的影响规律，揭示电磁振动产生的机理；基于机、电、磁的相互耦合关系，研究机械扰动与转子偏心影响电磁振动频率特征的规律。第 3 章主要介绍了机电传动系统机械 -电磁耦合转子扭转振动特性，建立了机、电、磁相互耦合的动力学方程，揭示机电耦合对扭转振动的耦合机理，分析其对转子轴固有特性的影响，研究机械 -电磁耦合转子扭转振动特性，后提出转子扭转的稳定运行条件。第 4章主要介绍非均匀气隙下机械 -电磁耦合转子横向动力学特性，揭示机电耦合机理，分析机电耦合对转子固有频率的影响，研究机电耦合动力学规律，提出转子横向运动稳定性条件与控制方法。第 5章基于拉格朗日 -麦克斯韦理论构建机电传动系统的多重耦合动力学模型，后通过非线性动力学理论分析多重机电耦合动力学规律，并提出了主动控制方法。本书在完成过程中得到了国家自然科学基金项目（项目编号： U1864210）、中国博士后科学基金特别资助项目（ 2019T120813）、中国博士后科学基金面上资助项目（ 2018M643420）、重庆市教委科学技术研究项目（ KJZD-K202101301）与机械传动国家重点实验室开放基金项目（ SKLMT-KFKT-201804）的资助。同时本书还采用了本书作者在北京理工大学读博期间相关研究成果，感谢北京理工大学特种车辆研究所苑士华教授与重庆文理学院罗天洪教授对本书的撰写提供的许多宝贵资料与建议。本书还要感谢重庆长安工业（集团）有限责任公司博士后工作站与重庆文理学院对学术专著出版的支持与资助。车辆机电复合传动系统机电耦合动力学与控制技术涉及知识面广，既涉及传统汽车的知识，又涉及机、电、磁、控制等方面的技术，由于作者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请广大读者批评指正。作 者
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