單相開關磁阻式多功能輪轂電機論文

　　論文摘要：鑒于輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優點，但由于受其結構體積限制，對汽車輪轂電機的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關磁阻電機恰具有該特點，但其缺點是沒有自啟動功能，通過對各類電機啟動機理的分析比較，提出了利用直流電機原理啟動，按變磁阻原理運行，并具有更好的電磁制動等三功能的組合式創新電機，使該電機所具有的結構簡單、堅固可靠、廉價而高效等優點得到充分發揮。

　　論文關鍵詞：輪轂電機,電磁制動,單位體積功率,直流啟動繞組

　　一、充分發揮輪轂電機應用于電動汽車的技術優勢

　　隨著節能減排工作的深入，用電動汽車取代傳統汽車將成必然趨勢。而電動汽車所包含的燃料電池汽車FCV、混合動力汽車HEV和純電動汽車EV三大類汽車都要用電動機作為執行機構來驅動車輪行駛。充分發揮電機所具有的快速響應性、寬廣的調速性能、相當的短時過載能力等諸多優勢來提高電動汽車性價比，使其盡快能普及商品化顯得尤其重要。而采用輪轂電機直接驅動車輪是最能發揮其技術優勢，通過歸納總結，輪轂電機在電動汽車上應用具有如下8項特點：

　　1）簡化機械傳動機構及降低車載自重采用輪轂電機直接驅動車輪，大大縮短了機械傳動鏈，實現“零傳動”將使汽車結構發生脫胎換骨的變化，對純電動汽車來說不僅去掉了發動機、冷卻水系統、排氣消音系統和油箱等相應的輔助裝置，還省去了變速箱、萬向傳動部件及驅動橋等機械傳動裝置，這不僅節省了大量機械部件成本，還減輕了汽車自重，有利于提高整車的驅動效率，對節能、減噪都有益。

　　2）有利于汽車結構布局由于省去了大量機械裝置，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適當分散作為配重物按盡可能降低車輛質心高度等車輛動力學要求來進行結構布局。

　　3）提高汽車越野通過等性能采用輪轂電機驅動即可方便地實現高檔轎車的4WD前后四輪驅動模式，按車輛動力學分析只有四輪驅動才能充分利用車輪對地面的附著力，從而極大地改善車輛的越野通過、防滑制動、快速轉向等性能。

　　4）提高了對車輪控制的快速響應性按控制理論分析整個閉環系統各環節的動態響應是制約其性能的重要因素。通常電氣響應速度要遠比帶有摩擦阻尼的機械機構高1～2個數量級，就驅動調速系統來說，傳統汽車需從控制節氣門，經發動機的燃爆過程，到各個機械傳動機構等眾多環節傳遞后的響應時間，與采用輪轂電機直接驅動車輪相比，其整體的動態響應指標要相差數百倍。從而即可容易地實現傳統高檔轎車較難實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、操控性和穩定性。

　　5）提高車輪的動能能量回收率眾所周知只有驅動輪才能實現制動能量的回收，采用輪轂電機直接驅動省去了機械傳動損耗，對車輪動能的回收更直接，所以采用四臺兼有電動、發電回饋、電磁制動多功能輪轂電機進行驅動，在汽車滑行、降速制動和下坡過程中通過發電回饋，其回收的電能將比現有電動汽車的一般方式至少提高1倍多。

　　6）要求實行機電一體化控制模式采用兩臺或四臺輪轂電機實現雙前輪驅動、雙后輪驅動或4WD前后四輪驅動幾種模式，通過分散驅動可實現小馬拉大車。各臺電機的驅動控制模塊可集成在車輪內，為減少電動汽車各控制部件之間的硬件連線，提高可靠性，現代汽車控制系統已較多地采用了微機多CPU總線控制方式，特別是對于采用輪轂電機進行4WD前后四輪驅動控制模式，更需要運用總線控制技術，來簡化電動汽車內部線路的布局，提高其可靠性，也便于故障診斷和維修。實施該類機電一體化控制的模塊化結構，雖將增加其研發難度和初投資，但一旦技術成熟其成本也將隨批量的增加而大幅下降。

　　7）可降低汽車質心與車身高度采用輪轂電機即需實現電子差速轉向，取消了機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，設計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提高汽車行駛穩定性。

　　8）可極大地改善汽車轉向性能用四輪轂電機驅動經電子差速控制，易于實現四輪轉向來全面改善汽車轉向性能，即減小低速轉彎半徑，也增加高速轉向穩定性。并由于車輪由本身轂內電機驅動，省去了由外部動力驅動所需的驅動橋、差速器等傳遞機構，從而即可對汽車轉向系機構進行極大的改進和簡化，可使車輪做到±180旋轉，以實現所謂的橫向行駛或任意旋轉行駛。

　　鑒于上述輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優勢，但由于輪轂電機受其結構體積限制，對一般電動汽車要求驅動功率均較大，所以對電機的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關磁阻式電機恰具有單位體積功率高，即磁路利用率高的特點，并又有結構簡單、堅固可靠、制造成本低、且驅動控制器成本也最低、效率高等優點。但單相開關磁阻式電機的最大缺點是沒有自啟動功能，雖有采用永磁材料或在轉子極間嵌入鋁塊及銅塊利用渦流反應轉矩作輔助啟動等結構，但該類方法均使電機的單位體積功率降低，效果都不理想，并且電機也只能單方向運轉。由此使該廉價而高效的`電機難以進入實用化。

　　通過對各類電機啟動機理的分析比較，為此提出在其電機轉子上增加專用于啟動的直流繞組，即利用直流電機原理啟動，而按變磁阻原理運行的組合式創新電機。并按兼有電動、發電回饋和電磁制動多功能輪轂電機改進思路的分析結論，為兼顧其三功能的較好發揮，要求電機相數越少越好，所以單相開關磁阻式電機將具有更好的多功能效果。開關磁阻(SR,SwitchedReluctance)電機也簡稱SR電機，它的結構原理已有不少專著有詳盡介紹，需要時可參考之。圖1為帶啟動繞組的單相磁阻式多功能輪轂電機結構原理圖。單相結構的定、轉子極數均相同，圖所示為6極，極數增加有利于減小低速時轉矩波動，但在相同頻率下電機轉速也相應降低。定、轉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力矩，但對驅動旋轉功效有所影響。內定子繞組為環形線圈繞制在定子鐵芯外圓槽內，繞組通電形成軸向和徑向混合磁通，能提高同體積的電機功效。外轉子分上、下兩部分以構成環形閉合磁路，上、下外轉子均布有專用于啟動的直流電樞繞組，按直流電機工作原理，啟動繞組的電流方向應與內定子勵磁繞組所形成磁場的磁力線呈相切關系，所啟動繞組如圖示在凸極上按徑向分布，通過內、外環連線引出，并上、下外轉子引出線的極性正好相反，即上外轉子的內、外環連線分別與下外轉子的外、內環連線相連接。由于繞組在轉子上，電源的輸入需通過電刷，但由于只在啟動時用，電刷所固有的弊端影響也就很小。