單相開關(guān)磁阻式多功能輪轂電機(jī)論文

　　論文摘要：鑒于輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于受其結(jié)構(gòu)體積限制，對(duì)汽車輪轂電機(jī)的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關(guān)磁阻電機(jī)恰具有該特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是沒(méi)有自啟動(dòng)功能，通過(guò)對(duì)各類電機(jī)啟動(dòng)機(jī)理的分析比較，提出了利用直流電機(jī)原理啟動(dòng)，按變磁阻原理運(yùn)行，并具有更好的電磁制動(dòng)等三功能的組合式創(chuàng)新電機(jī)，使該電機(jī)所具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、廉價(jià)而高效等優(yōu)點(diǎn)得到充分發(fā)揮。

　　論文關(guān)鍵詞：輪轂電機(jī),電磁制動(dòng),單位體積功率,直流啟動(dòng)繞組

　　一、充分發(fā)揮輪轂電機(jī)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　隨著節(jié)能減排工作的深入，用電動(dòng)汽車取代傳統(tǒng)汽車將成必然趨勢(shì)。而電動(dòng)汽車所包含的燃料電池汽車FCV、混合動(dòng)力汽車HEV和純電動(dòng)汽車EV三大類汽車都要用電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)驅(qū)動(dòng)車輪行駛。充分發(fā)揮電機(jī)所具有的快速響應(yīng)性、寬廣的調(diào)速性能、相當(dāng)?shù)亩虝r(shí)過(guò)載能力等諸多優(yōu)勢(shì)來(lái)提高電動(dòng)汽車性價(jià)比，使其盡快能普及商品化顯得尤其重要。而采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪是最能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)歸納總結(jié)，輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用具有如下8項(xiàng)特點(diǎn)：

　　1）簡(jiǎn)化機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及降低車載自重采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪，大大縮短了機(jī)械傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)“零傳動(dòng)”將使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生脫胎換骨的變化，對(duì)純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)不僅去掉了發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻水系統(tǒng)、排氣消音系統(tǒng)和油箱等相應(yīng)的輔助裝置，還省去了變速箱、萬(wàn)向傳動(dòng)部件及驅(qū)動(dòng)橋等機(jī)械傳動(dòng)裝置，這不僅節(jié)省了大量機(jī)械部件成本，還減輕了汽車自重，有利于提高整車的驅(qū)動(dòng)效率，對(duì)節(jié)能、減噪都有益。

　　2）有利于汽車結(jié)構(gòu)布局由于省去了大量機(jī)械裝置，即能騰出許多有效空間便于汽車總體布局，使所增加的蓄電池可經(jīng)適當(dāng)分散作為配重物按盡可能降低車輛質(zhì)心高度等車輛動(dòng)力學(xué)要求來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局。

　　3）提高汽車越野通過(guò)等性能采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)即可方便地實(shí)現(xiàn)高檔轎車的4WD前后四輪驅(qū)動(dòng)模式，按車輛動(dòng)力學(xué)分析只有四輪驅(qū)動(dòng)才能充分利用車輪對(duì)地面的附著力，從而極大地改善車輛的越野通過(guò)、防滑制動(dòng)、快速轉(zhuǎn)向等性能。

　　4）提高了對(duì)車輪控制的快速響應(yīng)性按控制理論分析整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是制約其性能的重要因素。通常電氣響應(yīng)速度要遠(yuǎn)比帶有摩擦阻尼的機(jī)械機(jī)構(gòu)高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，就驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)汽車需從控制節(jié)氣門，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃爆過(guò)程，到各個(gè)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等眾多環(huán)節(jié)傳遞后的響應(yīng)時(shí)間，與采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車輪相比，其整體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)要相差數(shù)百倍。從而即可容易地實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)高檔轎車較難實(shí)施的各種高性能控制功能，以極大地改善汽車行駛的安全性、操控性和穩(wěn)定性。

　　5）提高車輪的動(dòng)能能量回收率眾所周知只有驅(qū)動(dòng)輪才能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收，采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)省去了機(jī)械傳動(dòng)損耗，對(duì)車輪動(dòng)能的回收更直接，所以采用四臺(tái)兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋、電磁制動(dòng)多功能輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在汽車滑行、降速制動(dòng)和下坡過(guò)程中通過(guò)發(fā)電回饋，其回收的電能將比現(xiàn)有電動(dòng)汽車的一般方式至少提高1倍多。

　　6）要求實(shí)行機(jī)電一體化控制模式采用兩臺(tái)或四臺(tái)輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)雙前輪驅(qū)動(dòng)、雙后輪驅(qū)動(dòng)或4WD前后四輪驅(qū)動(dòng)幾種模式，通過(guò)分散驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)小馬拉大車。各臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模塊可集成在車輪內(nèi)，為減少電動(dòng)汽車各控制部件之間的硬件連線，提高可靠性，現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)已較多地采用了微機(jī)多CPU總線控制方式，特別是對(duì)于采用輪轂電機(jī)進(jìn)行4WD前后四輪驅(qū)動(dòng)控制模式，更需要運(yùn)用總線控制技術(shù)，來(lái)簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車內(nèi)部線路的布局，提高其可靠性，也便于故障診斷和維修。實(shí)施該類機(jī)電一體化控制的模塊化結(jié)構(gòu)，雖將增加其研發(fā)難度和初投資，但一旦技術(shù)成熟其成本也將隨批量的增加而大幅下降。

　　7）可降低汽車質(zhì)心與車身高度采用輪轂電機(jī)即需實(shí)現(xiàn)電子差速轉(zhuǎn)向，取消了機(jī)械差速器和貫串于車軸的左右半軸，即可從整體上降低車身高度，設(shè)計(jì)成低車地板形式即便于乘用人上下車，更主要是可降低車輛重心高度來(lái)提高汽車行駛穩(wěn)定性。

　　8）可極大地改善汽車轉(zhuǎn)向性能用四輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)經(jīng)電子差速控制，易于實(shí)現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向來(lái)全面改善汽車轉(zhuǎn)向性能，即減小低速轉(zhuǎn)彎半徑，也增加高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性。并由于車輪由本身轂內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，省去了由外部動(dòng)力驅(qū)動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)橋、差速器等傳遞機(jī)構(gòu)，從而即可對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系機(jī)構(gòu)進(jìn)行極大的改進(jìn)和簡(jiǎn)化，可使車輪做到±180旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)所謂的橫向行駛或任意旋轉(zhuǎn)行駛。

　　鑒于上述輪轂電機(jī)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的諸多優(yōu)勢(shì)，但由于輪轂電機(jī)受其結(jié)構(gòu)體積限制，對(duì)一般電動(dòng)汽車要求驅(qū)動(dòng)功率均較大，所以對(duì)電機(jī)的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關(guān)磁阻式電機(jī)恰具有單位體積功率高，即磁路利用率高的特點(diǎn)，并又有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固可靠、制造成本低、且驅(qū)動(dòng)控制器成本也最低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但單相開關(guān)磁阻式電機(jī)的最大缺點(diǎn)是沒(méi)有自啟動(dòng)功能，雖有采用永磁材料或在轉(zhuǎn)子極間嵌入鋁塊及銅塊利用渦流反應(yīng)轉(zhuǎn)矩作輔助啟動(dòng)等結(jié)構(gòu)，但該類方法均使電機(jī)的單位體積功率降低，效果都不理想，并且電機(jī)也只能單方向運(yùn)轉(zhuǎn)。由此使該廉價(jià)而高效的`電機(jī)難以進(jìn)入實(shí)用化。

　　通過(guò)對(duì)各類電機(jī)啟動(dòng)機(jī)理的分析比較，為此提出在其電機(jī)轉(zhuǎn)子上增加專用于啟動(dòng)的直流繞組，即利用直流電機(jī)原理啟動(dòng)，而按變磁阻原理運(yùn)行的組合式創(chuàng)新電機(jī)。并按兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)多功能輪轂電機(jī)改進(jìn)思路的分析結(jié)論，為兼顧其三功能的較好發(fā)揮，要求電機(jī)相數(shù)越少越好，所以單相開關(guān)磁阻式電機(jī)將具有更好的多功能效果。開關(guān)磁阻(SR,SwitchedReluctance)電機(jī)也簡(jiǎn)稱SR電機(jī)，它的結(jié)構(gòu)原理已有不少專著有詳盡介紹，需要時(shí)可參考之。圖1為帶啟動(dòng)繞組的單相磁阻式多功能輪轂電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖。單相結(jié)構(gòu)的定、轉(zhuǎn)子極數(shù)均相同，圖所示為6極，極數(shù)增加有利于減小低速時(shí)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，但在相同頻率下電機(jī)轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低。定、轉(zhuǎn)子的凸極齒距及槽距也可相等，凸極齒距增大即使槽距減小，這有利于增大電磁制動(dòng)力矩，但對(duì)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)功效有所影響。內(nèi)定子繞組為環(huán)形線圈繞制在定子鐵芯外圓槽內(nèi)，繞組通電形成軸向和徑向混合磁通，能提高同體積的電機(jī)功效。外轉(zhuǎn)子分上、下兩部分以構(gòu)成環(huán)形閉合磁路，上、下外轉(zhuǎn)子均布有專用于啟動(dòng)的直流電樞繞組，按直流電機(jī)工作原理，啟動(dòng)繞組的電流方向應(yīng)與內(nèi)定子勵(lì)磁繞組所形成磁場(chǎng)的磁力線呈相切關(guān)系，所啟動(dòng)繞組如圖示在凸極上按徑向分布，通過(guò)內(nèi)、外環(huán)連線引出，并上、下外轉(zhuǎn)子引出線的極性正好相反，即上外轉(zhuǎn)子的內(nèi)、外環(huán)連線分別與下外轉(zhuǎn)子的外、內(nèi)環(huán)連線相連接。由于繞組在轉(zhuǎn)子上，電源的輸入需通過(guò)電刷，但由于只在啟動(dòng)時(shí)用，電刷所固有的弊端影響也就很小。