法律法规要求。由于人们早期致力于内燃机技术的进一步改进及电动汽车对工作环境、性能要求特别是设计制造技术的要求大大超过了那个时代的生产水平使得传统汽车制约着早在19世纪末就以诞生的电动汽车的发展和应用。直到现在，关于电动汽车的一些问题依旧存在。

1.1 国内电动汽车用驱动电机发展现状

尽管国内电动汽车用驱动电机有了长足的发展，但是还有一些不足，一方面，电动汽车尚处于产业化初期阶段；另一方面，交通能源与环境问题和存在于同国外传统内燃汽车领域的过大差距使得我国将更多的目光放在差距相对较小的电动汽车领域方面，我国对电动汽车的研发工作早于上世纪80年代展开，国内一些各大汽车企业先后通过与高校采取相结合方式共同承担了多项电动汽车项目，拉开了国内电动汽车的研发序幕。2001年，新能源汽车研究项目经国家科技部提出，被列入“十五”期间的“863”重大科技课题；2006-2007年，我国在新能源汽车取得重大发展的同时，自主研发的电动汽车实现批量出口；2008年后，国内各大汽车生产企业对电动汽车的研究成全面出击之势。国内汽车企业就电动汽车的关键技术[4-5]展开深入研究，如电机及控制技术、整车控制、整车轻量化技术，并取得一系列成果。国内部分企业车用驱动电机数据如表1所示。

表1 国内部分企业电动汽车用驱动电机数据

产品或企业额定转矩/Nm额定功率/kW峰值转矩/Nm峰值功率/kW百千米能耗/kw·h

奇瑞M1EV294010

长安奔奔201605010

比亚迪E6450902 010

吉利熊猫EK-11004221080

长城哈弗M315055

在肯定我国电动汽车取得一定成绩的同时，更应将目光放眼于国外，敢于同电动汽车领域先进汽车企业的技术进行对比，正视自身不足，实现我国电动汽车技术进入世界先进行列。

1.2 国外电动汽车用驱动电机研究现状

在“环保节能竞技场”上，国外政府和汽车企业对电动汽车的研发早于中国，特别是美国、日本、德国对电动汽车的研发一直走在世界研发的前列，由政府引导带动，企业纷纷制定相应的电动汽车研发计划，并取得了重大突破。

能源短缺迫使日本相比于其他国家更加重视电动汽车的研发。在政府的积极扶持下，如丰田、本田等日本主要车企均提出相应的电动汽车战略，使得日本的电动汽车产业化成果做到全球最好，预计到2015年年底累计销量将达到500万辆。2012年后，日本宣布将批量生产电动汽车，投放至日本和欧洲市场；日本相应汽车企业如三菱也积极相应政府号召，推进电动汽车商业化。日本相关研究室通过研究推出新型结构电机，经测试试验显示，新型结构电机的数据优于现有永磁同步

欧美各国虽均早期就着手对电动汽车展开研发，但由于各国发展水平及发展侧重点的差异使得对于电动汽车电机的选择各执己见，19世纪中期，美国、德国就已经开展对电动汽车等新能源汽车的研究，英、法等国偏重于永磁无刷直流电机。随着电机技术的发展，以比功率大、效率高、过载能力强著称的永磁同步电机的开始在电动汽车领域占有优势，并得到广泛应用。日本丰田普锐斯采用交流永磁同步电机，最高输出功率高达55 kW，极限转速13 500 rpm。[8]丰田普锐斯采用的交流永磁同步发电机，将最大功率输出转速从6 500r/min提高到10 000r/min。[9]

2 新型电力活塞式电动机的提出

在促进社会发展的同时，传统内燃机因其高排放、污染大等问题使得当今的人们越来越关注在确保内燃机使用性能提高的同时如何实现节能减排。[10-11]在此背景下，各国政府和汽车企业纷纷提出各种新型动力装置，如燃料电池、混合动力汽车及新型燃料汽车（气体燃料、生物燃料、氢燃料等）[12-18]。现代新型内燃机电控技术的发展使得EPFP（自由活塞式内燃机发电耦合系统）在沉默近半个世纪后，再次回到人们的视线中[19-20]，江苏大学的王谦教授[21-22]、南京理工大学常思勤教授[23-24]、同济大学王哲等均对EPFP进行了进一步的研究。

ECPE（单缸轴向电力约束活塞发动机）的概念首次在国际上被青岛大学提出。[25-26]青岛大学基于传统的内燃机一发电机组合，设计并生产了一种新型热-电转换装置——单缸电力约束活塞发动机，通过活塞往复运动直接实现燃料的热能向电能的转换并输出。克服了传统热电转换装置转换传递效率低的缺点，充分地运用了传统直线发电机原理。[27]

目前传统的电磁驱动系统主要应用于开关（继电器），起重机，电铃，电话，包括音响的喇叭，在汽车发动机中的应用上，美国密歇根大学[28]、南京理工大学[29-30]动力机械及车辆工程研究所等所研究的电磁驱动气门机构，根据汽车发动机在工作时的换气要求，通过控制电磁阀通断电来精确控制气门的开启和关闭。

M Morishita和T Azukizawa[31]为实现低能耗控制，设计并生产了以一种永磁混合悬浮装置，应用在地铁上磁悬浮系统、电磁永磁混合悬浮系统的控制特性分析[32]，例如上海磁悬浮示范线采用的是德国的Traapid磁悬浮系统，电磁式系统上使用的电磁永磁混合悬浮系统控制研究已日趋成熟[33]，南京航空航天大学对永磁式、电励磁式、混合励磁式磁通切换电机进行了电机本体设计及相关实验并对励磁分块转子磁通切换电机电磁特性分析[34-35]，刘尚合，刘卫等国内外专家针对日益复杂的电磁环境及高度集成的电子设备和系统对电磁兼容[36-39]与电磁防护[40-41]研究提出了更高要求，即发展快速、准确、智能化的电磁干扰溯源技术，建立更大规模、更复杂系统在宽带范围内的电磁兼容预测模型，研究电磁能量主要耦合途径的分析确定方法和电磁环境效应的多物理场联合建模技术，推进电磁防护新技术、新材料、新器件的开发和工程化应用等已成为该领域的研究热点。

基于此，根据机械学、电磁学及动力学等理论，结合传统发动机和电机的工作原理，提出一种基于电磁转换和磁极相互作用来驱动永磁体活塞往复运动的电力活塞式电动机。电力活塞式电动机的典型结构及工作原理如图1（a）所示。在传统发动机的基础上，电力活塞式电动机彻底摒弃了传统内燃发动机中的内配气机构、供给系统、点火系统等，以车载蓄电池为动力源，利用电磁驱动系统的电磁转换和同极相斥原理，将电能转换成电磁能驱动永磁体活塞做功输出转矩。电能转换为电磁能转换工作在电磁驱动系统中完成，实现电能向机械能的转换。电磁驱动系统结构图如图1（b）位于活塞正上方，主要由软磁磁轭和绕组线圈组成。

电力活塞式电动机的工作流程图如图1（c）所示。工作时，首先采用相应的启动系统驱动飞轮使曲轴转动，通过曲轴连杆机构带动活塞运动，当活塞运行到上止点时，上止点位置检测传感器检测到活塞到达后，将信号传送到电控单元，电控单元控制电磁驱动系统通电产生磁场力，该磁场力与永磁体活塞相排斥，驱动活塞做功，实现电磁能向直线机械能的转变，通过曲柄连杆装置的运动加以约束，保证活塞连续往复运动，将直线机械能转换为旋转机械能输出；当活塞在运行至下止点时，电控单元控制电磁驱动系统断电，活塞依靠飞轮的转动惯量，通过曲柄连杆机构往复运动，如此循环，当活塞运行稳定后，启动系统停止工作。

图1 电力活塞式电动机典型结构及基本运行原理

3 电力活塞式电动机关键问题

3.1 电磁驱动系统的非线性数学模型

对于电力活塞式电动机而言，电磁驱动系统是其运行的基础，也是设计的核心，电磁驱动系统对永磁体做功，本质是磁场之间的相互作用。以电磁场的基本方程和定律为突破口，展开对电磁驱动系统磁场的分析，结合电磁学、力学，对电磁驱动非线性数学模型进行研究。非线性数学模型的建立，是电磁驱动系统研究的关键，为下面电磁驱动系统输出的分析优化打下基础。

3.2 电磁驱动系统的基本参数设计和分析

设计电力活塞式电动机中电磁驱动系统的结构形式、结构参数，分析电磁驱动系统的工作原理，基于电磁学、动力学等理论，导出电磁驱动系统的电学和力学方程，在Matlab/Simulink环境下建立电磁驱动系统的非线性数学模型，代入结构参数进行仿真、调试，通过对仿真结果的分析，掌握电磁驱动系统通断电产生电磁力、磁场的变化规律。并对电磁驱动系统的各个设计参数进行研究，揭示电磁铁驱动系统线圈匝数、电流大小、铁心尺寸、磁芯自身参数等主要参数的变化特性。在确定电磁驱动系统相关结构参数、功能参数的基础上，进一步研究发动机在工作循环中电磁力对活塞行程的运动产生的作用效果。

3.3 电磁驱动系统与永磁体活塞的响应机理研究

建立电磁驱动系统—永磁体活塞的动力学模型，基于Matlab/Simulink进行其运动学、动力学分析，计算出活塞在任意时刻任意位置的运动特性（位移、速度、加速度等），得到电磁驱动系统工作过程中作用在活塞上的动态载荷随位移和电流发展的变化规律，运用有限元分析软件等对活塞进行应力、变形分析，从而得到活塞在整个工作行程中的响应，并给出动态仿真过程。从而可以找到电磁驱动系统与活塞工作时的危险部位，为电力活塞式电动机的优化提供借鉴。

3.4 电动机主要性能指标计算方法研究

电动机的性能是通过其性能指标来反映的，在设计、分析电力活塞式电动机的基础上，深入了解电动机的运行性能，根据上述已确定的电磁驱动系统的设计参数，研究电磁驱动系统主要性能指标如动力性指标有效转矩、输入（电）功率、有效输出（机械）功率、损耗和经济性指标如效率的计算方法等。

4 结论

（1）主要介绍了国内外电动汽车驱动电机的国内外发展现状，列举分析了国内外新型发动机及电磁装置在汽车或大型磁悬浮技术中的应用，为电动汽车用电力活塞式电动机的提出奠定基础。

（2）提出了一种通过对电磁驱动系统通电后产生磁场，进行电磁转换，基于磁极间相互作用原理来产生排斥力驱动永磁体活塞往复运动将电能转换成机械能的电力活塞式电动机。电磁驱动系统所需要的能量来自于电动汽车内的车载电池组，实现了“零油耗、零排放”，具有环保、节能、安全等特性。

（3）针对电力活塞式电动机的关键性问题进行了分析讨论，分析了电磁驱动系统的性能要求及设计特点，研究了电磁驱动系统的工作原理，为进一步探讨电磁驱动系统的建模和求解方法研究奠定基础，为现有的电动机能量转换方式提供了一种新的驱动方式。

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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

责任编辑 祁秀春