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具有启动绕组的单相开关磁阻式多功能轮毂电机_单位体积功率-论文网

时间:2014-11-08  作者:王贵明,王金懿

论文摘要:鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点,但由于受其结构体积限制,对汽车轮毂电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。而单相开关磁阻电机恰具有该特点,但其缺点是没有自启动功能,通过对各类电机启动机理的分析比较,提出了利用直流电机原理启动,按变磁阻原理运行,并具有更好的电磁制动等三功能的组合式创新电机,使该电机所具有的结构简单、坚固可靠、廉价而高效等优点得到充分发挥。
论文关键词:轮毂电机,电磁制动,单位体积功率,直流启动绕组

一、充分发挥轮毂电机应用于电动汽车的技术优势

随着节能减排工作的深入,用电动汽车取代传统汽车将成必然趋势。而电动汽车所包含的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类汽车都要用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶。充分发挥电机所具有的快速响应性、宽广的调速性能、相当的短时过载能力等诸多优势来提高电动汽车性价比,使其尽快能普及商品化显得尤其重要。而采用轮毂电机直接驱动车轮是最能发挥其技术优势,通过归纳总结,轮毂电机在电动汽车上应用具有如下8项特点:

1)简化机械传动机构及降低车载自重采用轮毂电机直接驱动车轮,大大缩短了机械传动链,实现“零传动”将使汽车结构发生脱胎换骨的变化,对纯电动汽车来说不仅去掉了发动机、冷却水系统、排气消音系统和油箱等相应的辅助装置,还省去了变速箱、万向传动部件及驱动桥等机械传动装置,这不仅节省了大量机械部件成本,还减轻了汽车自重,有利于提高整车的驱动效率,对节能、减噪都有益。

2)有利于汽车结构布局由于省去了大量机械装置,即能腾出许多有效空间便于汽车总体布局,使所增加的蓄电池可经适当分散作为配重物按尽可能降低车辆质心高度等车辆动力学要求来进行结构布局。

3)提高汽车越野通过等性能采用轮毂电机驱动即可方便地实现高档轿车的4WD前后四轮驱动模式,按车辆动力学分析只有四轮驱动才能充分利用车轮对地面的附着力,从而极大地改善车辆的越野通过、防滑制动、快速转向等性能。

4)提高了对车轮控制的快速响应性按控制理论分析整个闭环系统各环节的动态响应是制约其性能的重要因素。通常电气响应速度要远比带有摩擦阻尼的机械机构高1~2个数量级,就驱动调速系统来说,传统汽车需从控制节气门,经发动机的燃爆过程,到各个机械传动机构等众多环节传递后的响应时间,与采用轮毂电机直接驱动车轮相比,其整体的动态响应指标要相差数百倍。从而即可容易地实现传统高档轿车较难实施的各种高性能控制功能,以极大地改善汽车行驶的安全性、操控性和稳定性。

5)提高车轮的动能能量回收率众所周知只有驱动轮才能实现制动能量的回收,采用轮毂电机直接驱动省去了机械传动损耗,对车轮动能的回收更直接,所以采用四台兼有电动、发电回馈、电磁制动多功能轮毂电机进行驱动,在汽车滑行、降速制动和下坡过程中通过发电回馈,其回收的电能将比现有电动汽车的一般方式至少提高1倍多。

6)要求实行机电一体化控制模式采用两台或四台轮毂电机实现双前轮驱动、双后轮驱动或4WD前后四轮驱动几种模式,通过分散驱动可实现小马拉大车。各台电机的驱动控制模块可集成在车轮内,为减少电动汽车各控制部件之间的硬件连线,提高可靠性,现代汽车控制系统已较多地采用了微机多CPU总线控制方式,特别是对于采用轮毂电机进行4WD前后四轮驱动控制模式,更需要运用总线控制技术,来简化电动汽车内部线路的布局,提高其可靠性,也便于故障诊断和维修。实施该类机电一体化控制的模块化结构,虽将增加其研发难度和初投资,但一旦技术成熟其成本也将随批量的增加而大幅下降。

7)可降低汽车质心与车身高度采用轮毂电机即需实现电子差速转向,取消了机械差速器和贯串于车轴的左右半轴,即可从整体上降低车身高度,设计成低车地板形式即便于乘用人上下车,更主要是可降低车辆重心高度来提高汽车行驶稳定性。

8)可极大地改善汽车转向性能用四轮毂电机驱动经电子差速控制,易于实现四轮转向来全面改善汽车转向性能,即减小低速转弯半径,也增加高速转向稳定性。并由于车轮由本身毂内电机驱动,省去了由外部动力驱动所需的驱动桥、差速器等传递机构,从而即可对汽车转向系机构进行极大的改进和简化,可使车轮做到±180º旋转,以实现所谓的横向行驶或任意旋转行驶。

鉴于上述轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优势,但由于轮毂电机受其结构体积限制,对一般电动汽车要求驱动功率均较大,所以对电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。而单相开关磁阻式电机恰具有单位体积功率高,即磁路利用率高的特点,并又有结构简单、坚固可靠、制造成本低、且驱动控制器成本也最低、效率高等优点。但单相开关磁阻式电机的最大缺点是没有自启动功能,虽有采用永磁材料或在转子极间嵌入铝块及铜块利用涡流反应转矩作辅助启动等结构,但该类方法均使电机的单位体积功率降低,效果都不理想,并且电机也只能单方向运转。由此使该廉价而高效的电机难以进入实用化。

通过对各类电机启动机理的分析比较,为此提出在其电机转子上增加专用于启动的直流绕组,即利用直流电机原理启动,而按变磁阻原理运行的组合式创新电机。并按兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机改进思路的分析结论,为兼顾其三功能的较好发挥,要求电机相数越少越好,所以单相开关磁阻式电机将具有更好的多功能效果。开关磁阻(SR,SwitchedReluctance)电机也简称SR电机,它的结构原理已有不少专著有详尽介绍,需要时可参考之。

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