轮毂电机（共8篇）
轮毂电机 篇1
一、电动汽车轮毂电机驱动技术的优点
资源和环境是当今社会和谐发展的永恒主题。电动汽车作为“绿色交通”的主要载体, 在资源与环境可持续发展中发挥着重要作用。
轮毂电机驱动技术是电动汽车的先进方式。这项技术早在20世纪50年代, 由美国人罗伯特发明。早在1900年, 保时捷就首先制造出了前轮装备轮毂电机的电动汽车, 在20世纪70年代, 这一技术在矿山运输车等领域得到应用。而对于乘用车所用的轮毂电机, 日系厂商对于此项技术研发开展较早, 目前处于领先地位, 包括通用、丰田在内的国际汽车巨头也都对该技术有所涉足。
目前国内也有自主品牌汽车厂商开始研发此项技术, 在2011年上海车展展出的麒麟X1增程电动车就采用了轮毂电机技术, (见图1) 。
(一) 简化了机械传动机构降低了车载自重
采用轮毂电机直接驱动车轮, 大大缩短了机械传动链, 可实现“零传动”方式, 使电动汽车的结构发生了脱胎换骨的变化, 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, 还省去了变速器万向传动部件及驱动桥等机械传动装置, 这不仅节省了大量的机械部件成本, 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, (见图2)
(二) 有利于汽车结构布局
由于省去了大量机械装置, 腾出了许多有效空间便于汽车总体布局, 使所增加的蓄电池可按车辆动力学要求适当分散, 作为配重物按尽可能降低车辆质心高度等要求来进行结构布局, (参见图3)
(三) 提高了对车轮控制的动态响应
按控制理论来说, 整个控制系统中各个环节的动态响应时间常数, 是制约其控制性能好坏的重要因素。通常电气系统的响应速度比机械系统要高出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, 经发动机的爆燃过程, 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的动态响应速度相比, 其整体的快速响应指标要差数百甚至上千倍。从而即可较容易地实现传统高档轿车较难以实现的一些高性能控制功能, 如驱动防滑转控制ASR、车辆动态控制系统VDC、安全测距防撞控制系统、四轮电子差速转向控制系统, 若导入四轮转向技术 (4WS) 减小转弯半径, 还可实现零半径转弯。传动效率提高10% (理论值) , 同时提高了行驶于操纵稳定性、安全性。
(四) 有利于对制动能量的回收
采用轮毂电机驱动, 在汽车滑行、降速制动和下坡过程中实现电磁制动和发电, 其回收的电能比其他方式提高至少一倍多。
(五) 可实现多种复杂的驱动方式
由于轮毂电机具备单个车轮独立驱动的特性, 因此无论是前驱、后驱还是四驱或多驱形式, 他都可以比较轻松地实现, 全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易。同时轮毂电机可以通过左右车轮的不同转速甚至反转实现类似履带式车辆的差动转向, 大大减小车辆的转弯半径, 在特殊情况下几乎可以实现原地转向 (不过此时对车辆转向机构和轮胎的磨损较大) , 对于特种车辆很有价值。
(六) 便于采用多种新能源汽车技术
新能源车型不少都采用电驱动, 因此轮毂电机驱动也就派上了大用场。无论是纯电动还是燃料电池电动车, 抑或是增程电动车, 都可以用轮毂电机作为主要驱动力;即便是对于混合动力车型, 也可以采用轮毂电机作为起步或者急加速时的助力, 可谓是一机多用。同时, 新能源车的很多技术, 比如制动能量回收 (即再生制动) 也可以很轻松地在轮毂电机驱动车型上得以实现, (参见图4) 。
二、电动汽车轮毂电机驱动技术的缺点
(一) 增大簧下质量和轮毂的转动惯量, 对车辆的操控有所影响
对于普通民用车辆来说, 常常用一些相对轻质的材料, 比如铝合金来制作悬挂的部件, 以减轻簧下质量, 提升悬挂的响应速度。可是轮毂电机恰好较大幅度地增大了簧下质量, 同时也增加了轮毂的转动惯量, 这对于车辆的操控性能是不利的。不过考虑到电动车型大多限于代步而非追求动力性能, 这一点尚不是最大缺陷。
(二) 电制动性能有限, 维持制动系统运行需要消耗不少电能
现在的传统动力商用车已经有不少装备了利用涡流制动原理 (也即电阻制动) 的辅助减速设备, 比如很多卡车所用的电动缓速器。而由于能源的关系, 电动车采用电制动也是首选, 不过对于轮毂电机驱动的车辆, 由于轮毂电机系统的电制动容量较小, 不能满足整车制动性能的要求, 都需要附加机械制动系统, 但是对于普通电动乘用车, 没有了传统内燃机带动的真空泵, 就需要电动真空泵来提供制动助力, 但也就意味着更大的能量消耗, 即便是再生制动能回收一些能量, 如果要确保制动系统的效能, 制动系统消耗的能量也是影响电动车续航里程的重要因素之一。此外, 轮毂电机工作的环境恶劣, 面临水、灰尘等多方面影响, 在密封方面也有较高要求, 同时在设计上也需要为轮毂电机单独考虑散热问题, (参见图7~10) 。
三、电动汽车轮毂机的结构类型
轮毂电机驱动系统根据电机的转子型式主要分成2种结构型式:内转子式和外转子式。其中外转子式采用低速外转子电机, 电机的最高转速在1000~1500r/min, 无减速装置, 车轮的转速与电机相同;而内转子式则采用高速内转子电机, 配备固定传动比的减速器, 为获得较高的功率密度, 电机的转速可高达10000r/min。随着更为紧凑的行星齿轮减速器的出现, 内转子式轮毂电机在功率密度方面比低速外转子式更具竞争力, 参见图11~13) 。
轮毂电机 篇2
安全要求
一、受限空间内作业的人员要求
（一）风力发电机组总体空间均不大，严格来讲应归属于受限空间，其中，最狭小的受限空间是轮毂。在受限空间内作业，的人员必须经过高空作业培训，经考试合格，取得高空作业证件，并在有效期内。
（二）受限空间内作业人员必须参加过高空逃生，紧急救援培训并考核合格。
（三）受限空间内作业人员须具备必要的机械、电气知识和业务技能，掌握风力发电机组检修规程的相关要求，并考试合格。
（四）从事受限空间内作业的人员还必须经过相应的岗前安全生产教育和岗位技能培训，并经考试合格，方可正式上岗。只有经过培训的专业受限空间内作业人员，才可以进入受限空间内作业。新员工在取得对应上岗证件后，还应经过至少3个月的实习期，实习期内不得独立工作。实习人员、临时参加人员，必须经过安全教育考核，考试合格取得对应上岗证件后方可参加作业，并做好考核记录，单不得单独工作。
（五）受限空间内作业人员应熟悉风力发电机组的工作原理及基本结构，理解和掌握风力发电机组说明书的技术要求、技术条件，掌握判断一般故障的产生原因及处理方法，掌握计算机监控系统的使用方法，并经过严格培训的专业人员，方可进行风力发电机组受限空间的维护、检修测试等工作。
（六）凡患有高血压、心脏病、癫痫病、精神病和其他不适合高空作业的人，禁止登高作业，不得从事受限空间内作业，过于肥胖的人员禁止进入轮毂作业。
（七）仅允许年满18周岁且55周岁以下人员在风里发电机组上从事受限空间内作业。
（八）受限空间内作业人员进行风力发电机组轮毂内维护、检修作业时，须精神状态良好、情绪良好，如身体不适则应及时向工作负责人提出，严禁带病工作、严禁酒后参与受限空间内作业。
（九）受限空间内作业人员进入现在即须正确佩戴安全帽，且下到塔底前不得摘下。佩戴风电专用防坠全身式安全带、耐磨防滑防冲击安全工作鞋，佩戴防冲击护目镜、防滑防切割手套，以及选择佩戴或不佩戴耳部防护器具。能正确、熟练使用风力发电机组受限空间部位的对应检修工作、安全工器具。
（十）由于受限空间狭小，作业前必须先做好安全措施。作业时，必须设专人监护人，作业人员和监护人之间的通信联络必须畅通，信号统一。监护人不得擅离岗位，并应掌握受限空间作业人员的人数和身份，对人员和工器具进行清点和登记。受限空间内作业人员必须了解可能存在的危险、危险的后果、预防措施以及紧急情况的应对措施。
（十一）受限空间内作业人员必须熟悉轮毂内部结构。进轮毂前必须通过控制柜的控制系统锁紧风轮、拍下急停按钮。
（十二）受限空间内作业人员必须能熟练，正确地使用风力发电机组逃生装臵，紧急救援系统。
（十三）受限空间内作业人员不得携带与作业无关的物品进入受限空间，作业中不得抛扔材料、工器具等物品。
（十四）进入受限空间内作业时，工作服须贴身，袖口、裤口需扎紧，工作服纽扣全部扣齐。女性或长发作业人员必须把头发扎进工作帽中，不得有长发留于帽外。现场作业人员不允许佩戴耳环、项链、围巾等有可能导致事故发生的任何违规装束。
（十五）在进行难度大、劳动强度高、作业时间长的受限空间内作业时，作业人员应采取轮换作业方法，避免受限空间内作业人员遭受过大的工作压力和精神负担，以确保安全生产。
二、受限空间内作业的设备要求
（一）在停机操作后，应将底部（或机舱内）控制柜的“远程就地”开关打到“就地”状态，断开遥控操作功能。当离开风机时，切记将“远程就地”开关打到“远控”状态。
（二）在进入轮毂内作业前，必须启动风轮锁定系统。风机停机后，进入“维护”模式，激活急停按钮（制动器），确保风机叶片都变桨至90°位臵，并将浆叶锁定，如液压变桨风机，须将液压系统泄压，关闭球阀。
（三）需在轮毂内目测防雨罩有无脱落、导流罩体有无裂纹，定期检查期间，必须紧固支架上、罩体上的螺栓，目测支架焊接处有无裂纹等。
三、受限空间内作业的环境要求
（一）当10min内平均风速≥10ms时，严禁进入轮毂作业。
（二）当环境温度超过37℃时，严禁进行受限空间作业。
（三）在轮毂内作业，必须清除和擦拭干净轮毂内、桨叶根部油污，并对废油壶进行清理。
（四）严禁低于—40℃条件下对桨叶进行螺栓力矩检查。
四、受限空间内作业的管理要求
（一）在塔内攀爬时的作业安全及安全防护依据塔内高处作业要求办理。
（二）受限空间内作业人员有权不让闲杂人员在风力发电设备里面或外面逗留。
（三）基于安全考虑，必须规定工作人员至少2人一组才能进入风力发电设备。
（四）受限空间内进行维修或操控作业时，不得妨碍风力发电设备的逃生路线。
（五）任何车辆、人员不得在风机半径足够安全距离的范围内和机舱内吊车口下边停留。
（六）仅允许接受过相关培训并经考试合格的受限空间内作业人员进入轮毂内工作。
（七)凡进入轮毂内作业的人员必须保持与外部的通信畅通。
风力发电机轮毂加工工艺研究 篇3
关键词：风力发电机,轮毂,数控加工,工艺方案
1引言
风能是巨大的可再生、无污染、前景广阔的潜在新能源, 面对日益严重的温室效应, 风能这种低碳环保的清洁能源符合我国能源发展长期的战略选择。国内目前正在大力提高风电设备国产化的装备能力。随着国内风电装备的迅速发展, 单机容量和风电场规模大幅增大之后, 风电的制造工艺方面存在高难度的技术瓶颈, 作为风电的主要部件———轮毂即体现了这一特性。其工艺加工精度直接关系到风电机组的各项技术参数指标。
本文介绍的风电轮毂是由大连重工·起重集团委托笔者公司试加工工件, 该轮毂材质为球墨铸铁, 其密度为7823kg/m3, 高2514mm, 周向均布3个风扇叶把合孔, 其结构特殊, 要求各面分度精确且加工精度高。
2技术难度
如图1所示, 风电轮毂上3个圆孔为叶片安装孔, 以120°角均布于球面, 3个叶片安装孔的轴心线与基准轴线相交于同一点, 此中心点是风电机组转子及叶片的旋转中心, 加工后能否保证同心将直接影响机组的安全运行及使用寿命。因此, 图纸中精加工后尺寸要求和相对应的技术要求中都提出了较高的精度要求。同时轮毂结构复杂, 加工面较多, 需要钻攻多个同轴阶梯孔和螺纹把合孔且尺寸位置分散, 加工完成后还要求工件不能有任何尖锐的表面存在。由此研究出一套行之有效的加工工艺方法, 确保加工完成后3个叶片把合孔的加工精度, 最终达到3个风叶把合孔与基准圆的中心相交于一点就是关键中的关键。此外, 加工完成后, 由于轮毂直径较大, 单件体积庞大且质量较重, 无法轻易翻身和旋转, 所以普通的检测方法无法满足检测需要, 此为又一技术难题。
3加工方法
轮毂来料为球形铸铁结构, 各部位没有加工面, 划线没有基准面。首先在划线平台上测量基准圆面至上端面的总高度, 计算出加工余量, 暂定上下端面的加工余量, 划出上下端面中心线, 在球形内壁做出标记。分别以3个风扇叶把合平面为基准, 做中心线向球形内壁延伸, 划检出相交偏差后, 进行调整, 以初步确定风扇叶把合面的加工余量。如3个风扇叶把合面加工余量偏差较大时, 通过调整上下端面的加工量及平、圆线的方法, 进行加工余量均匀分配。划出中心线并引申至风扇叶把合面。
如图2, 立车加工时, 以划线划出的平、圆线为基准找正, 车上下端面及外圆。
立车加工合格后, 以加工面为基准找平, 以划线分度面找正, 在数控镗床编程校验划线偏差, 调整加工余量后铣削加工风扇叶把合面。在3个风扇叶把合面都单边留有0.30mm余量时, 经过综合比对和反复测试实验, 采用激光跟踪仪作为测量设备, 在基准端面和3个叶片安装孔端面上采点建立平面1、2、3、4, 在基准圆柱面和3个叶片安装孔圆柱面上采点建立圆1、2、3、4, 并找出各自的圆心;分别过圆心作面1、面2、面3、面4的垂线, 产生线1、线2、线3、线4。计算出各圆直径, 判断是否达到技术要求;分别作线2、线3、线4在基准端面 (面1) 上的投影, 计算其相互之间夹角, 并判断所得结果是否满足图纸的120°要求[1];以此方法依次计算各加工面是否满足图纸要求。合格后进行精车加工。
以风扇叶把合面为基准, 加工把合螺纹等各部位 (如图3、图4) 。
4结语
轮毂精加工完成后, 重新采用激光跟踪仪对轮毂进行了测量及计算, 各部均满足图纸要求, 至此圆满完成了轮毂的整个加工工艺过程。
风电轮毂是风电产品结构中重要部件, 加工后的3个叶片安装孔的质量将直接影响机组安装完成后运行的安全性及可靠性, 因此要求精度极其严格。通过对轮毂结构特点的分析, 利用先进的检验设备配合数控机床进行加工, 弥补机床加工的盲点, 通过复杂的核算, 根据公司现有设备情况, 采用适合加工设备, 经过反复讨论和试加工, 制定了合理可行的加工工艺路线, 最终优化了加工工艺方案, 使得该工艺流程实施数字化控制, 确保了风电机轮毂的加工精度, 达到了图纸的各项技术要求。圆满完成了此类工件的试加工, 为以后批量投产打下了坚实的基础。
参考文献
轮毂电机 篇4
电动汽车相比传统汽车主要的不同在于动力驱动系统, 电动汽车轮毂电机驱动技术将汽车的动力装置、传动装置和制动装置都整体布置到轮毂内, 得以将电动车辆的动力总成机械部分大为简化, 使得轮毂电机驱动方式成为最能充分发挥电动汽车电机驱动的优势技术0。
常见乘用车的前悬架系统多使用结构简单, 性能可靠, 节省空间的麦弗逊悬架。轮毂驱动技术应用于麦弗逊悬架将会是轮毂电机驱动电动车驱动方式的主流方向。文献0已经研究提出了改进的适合轮毂电机驱动的麦弗逊悬架。
轮毂电机驱动的电动车的动力系统从簧载质量转移到轮边, 传统汽车的驱动扭矩的反作用扭矩也从车身转移到转向节, 受力如简图1。由图可以看出, 轮毂电机驱动的电动车轮边驱动扭矩Mt的反作用扭矩Mt’是作用在转向节上的。此反作用力使得轮毂电机驱动的麦弗逊悬架转向节受力情况不同于传统的转向节。
麦弗逊悬架系统受力计算常见的方法是将悬架簧下质量部分看作整体, 通过平面力系平衡关系求解得到减振器侧向力0-0。此方法无法计算轮毂电机驱动情况下, 作用在转向节上的电机的反作用扭矩对转向节受力情况的影响, 因此不能满足要求。
根据空间力与力矩系的平衡关系, 建立了轮毂电机反作用扭矩下麦弗逊悬架系统转向节受力计算模型, 提出了不同的驱动扭矩下减振器侧向力计算与分析方法和各个相关悬架结构参数对转向节受力的影响, 为以轮毂电机为动力系统的车辆悬架系统设计优化提供了方法。
1、计算模型
1.1 模型假设
麦弗逊悬架系统和车身连接部分为具有不同刚度的衬套, 为简化计算, 现将其连接点简化为铰链连接, 下A臂和转向节之间简化成球铰连接, 转向拉杆和转向节的链接方式简化成球铰连接;悬架摆臂, 转向拉杆, 减振器弹簧总成的质量相对较小计算中忽略不计。
1.2 建立模型
以轮毂轴承中心平面与前轴轴线交点为坐标原点建立如图所示的局部坐标系;麦弗逊悬架的受力示意图如图2:
根据刚体上力的平移定理可以将垂直支撑力N和转向节重力mg移动到轮胎中心作用点, 同时附加两个力偶mg·δY和N·δy如图3 所示:
以转向节为研究对象, 根据空间力系平衡方程可得如下方程组:
以减振器活塞杆为研究对象0, 沿局部坐标系X’Y’Z’对O点取距, 并定义系数可得:
由于图2 中所示的各个力均为空间力 (减振器侧向力在局部坐标系X’Y’Z’中与三个坐标系平行, 但是在坐标系XYZ中为空间力) , 需先将各个受力在坐标系XYZ中分解为三个分力。分解方法如下:
(1) 转向节所受各个力的作用点位置与方向角按照顺序分别设为 (xi, yi, zi) 和 (αi, βi, γi) , i=1、2、3、4、5、6。
(2) 由于上部侧向力、下部侧向力和阻尼力的作用点均在减振器轴线上, 由几何关系可知:
(3) 假设有任意空间力F且F在XZ平面中的投影与X轴夹角为α, F在YZ平面上的投影与Y轴夹角为β, F与F在XZ平面上的夹角为γ, 在模型中定义 (α, β, γ) 为方向角, 如图5 所示:
则有如下关系式:
(4) 将减振器放入悬架系统坐标系时, 由于存在主销内倾角σ和主销后倾角τ, 坐标系X’Y’Z’中的力Fulx、Fuly、Fllx、Flly需要旋转一定的角度, 如图6 所示:
(5) 工程中常用的减少减振器侧向力的措施为使弹簧的作用线想轮胎一侧偏移距离0, 现在假设弹簧力作用线与轮胎轴线的交点到转向主销与轮胎轴线交点之间的距离为s, 减振器阻尼力作用线与轮胎轴线的交点到转向主销与轮胎轴线交点之间的距离为d, 如图7 所示:
则可以得到如下方程:
将图2 中的所有力按照坐标系XYZ的方向分解后带入方程 (1) 可得方程 (1) 的矩阵形式:
矩阵表达式中的Ci (i=1、2、3、4、5、6、7、8、9) 表示如下:
联立求解上述方程组 (1) (2) (3) (4) (5) 中即可得到Fucax, Fucaz, Ftr, Fs, Fulx, Fuly。代入方程 (2) 可求得Fllx, Flly。至此模型建立完毕。
1.3模型求解
为求得减振器侧向力和轮毂电机反作用扭矩Mt’的关系并研究对侧向力有影响的其他因素, 将某乘用车的前麦弗逊悬挂系统数据输入建立的模型中, 求解模型。输入数据如表1 所示:
在MATLAB中求解线性方程组 (1) 即可求解出各个力的数值。减振器套筒和活塞杆之间的侧向力和减振器套筒和活塞之间的侧向力分别为:
设减振器内壁和活塞、活塞杆之间的摩擦系数为μ, 那么由于减振器侧向力存在而引起的附加阻尼力为:
2、数据分析
根据上述的计算模型和计算数据可以得到减振器上部侧向力Ful和减振器下部作用力Fll与轮毂电机驱动反作用扭矩的关系, 如图8 所示:
由图8 可明显看出, 随着轮毂电机驱动扭矩Mt的增大, 减振器侧向力Ful和Fll几乎线性增大。
由计算模型可知, 代表减振器结构的参数K也会对减振器侧向力产生很大的影响, 图9 计算了不同的减振器系数下减振器侧向力随着反作用扭矩的变化关系:
由图9 分析可知减振器结构尺寸中越大, 减振器的侧向力就越大。因此设计人员可以根据需要选择合适的减振器来减少减振器的侧向力。
3、总结
论文根据空间力系平衡原理, 以转向节为研究对象, 分析了在轮毂电机驱动力Mt作用下, 麦弗逊悬架系统的受力情况, 建立了空间力平衡方程, 可以根据悬架系统的结构参数、 减振器的尺寸与性能参数和整车参数快速求出轮毂电机作用在转向节上的反作用力矩对减振器侧向力的影响。根据文中使用的模型计算数据可以得到减振器上部和下部作用的侧向力随着驱动扭矩的变化曲线以及减振器机构参数K对侧向力的影响。这种计算方法可以使设计人员方便地调整相关设计参数, 确定最优悬架系统参数方案。
参考文献
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轮毂电机的转矩脉动抑制方法研究 篇5
关键词：轮毂电机,转矩脉动,转子位置
以轮毂电机为动力的四轮独立驱动电动车,取消了传统的机械传动系统,以集成车轮上的电机为动力源,减轻了底盘质量,方便布置,并可以依靠精确的电子控制来实现性能更加的牵引力控制,防抱死控制及车辆的电子稳定性控制,从而改善车辆的行驶性能,是电动车未来的发展方向之一[1]。
轮毂电机属于外转子直流无刷电机,具有良好的控制驱动特性,较高的电机能量密度与系统效率,较高的功率体积和功率重量比[2]。不过相比于永磁同步电机,直流无刷电机转矩波动较大。这不但会产生噪声和振动等问题,而且影响整个系统的性能,从而降低电机的使用寿命和驱动系统的可靠性。对永磁直流无刷电机而言,换向转矩脉动是电机转矩脉动的主要原因[3]。
目前直流无刷电机的控制方式主要是通过电机上电角度相差呈120°的霍尔传感器来获取转子位置信息,并通过两两导通方式控制逆变桥完成正常换相。这种控制方式相对简单,却存在较大的的换相转矩脉动问题[2,3]。
针对两两导通控制方式存在的问题,本文提出对现有的控制方式进行改进。利用霍尔传感器的获得的低精度位置信息对转子位置进行精确估算。并利用获得的位置信息进行正弦调制的方式控制轮毂电机。达到降低转矩脉动的效果。这对于轮毂电机的精确转矩控制具有重要意义。
1目前控制方式存在的问题
图1是本实验室搭建的线控全向电动车辆,可以实现零半径转向、大转角斜行转向和横向移动。驱动系统由四台4 kW轮毂电机组成。整车控制器计算各车轮所需输出转矩,并将计算值分配到每台轮毂电机独立的电机控制器中,由其对电机进行转矩控制。
轮毂电机在全桥驱动方式下采用最常用的两两导通方式工作。根据霍尔传感器信号在一个电周期内换相六次。这六个工作状态每个的周期为60°电角度。每次只有两相绕组工作,另一相绕组悬空。正常运行时,无刷直流电机在两相导通状态和换相过程间不断切换。
如图2所示,在每60°电角度即是电机的换相点。换相过程中一相绕组电流关断,另一相绕组电流导通。由于电枢绕组电感的存在,使绕组电流从一相切换到另一相时产生换相延时,从而形成电机换相过程中的较大的转矩脉动。
对永磁直流无刷电机而言,换向转矩脉动是电机转矩脉动的主要原因[2]。如果能有效的抑制电枢的换向转矩脉动,将可以控制电机得到更加平滑的转矩曲线。
2控制算法改进
根据之前提到的换向脉动产生的原因,由于电枢电感造成换相过程中相绕组无法快速的建立起相应的电流。本文提出将采用方波两两导通的控制方式改为正弦调制的方式来控制。通过消除换向过程中相绕组电流急剧变化的过程来减小电机的换向转矩脉动。
如果采用正弦调制的方式来控制,需要获得更详细的转角位置信息。本文首先对转角位置进行估算。转角估算的基本思路是基于霍尔传感器获得的六个低精度的位置信息对转子角度进行估算。利用低精度位置信息θi+n获取转子的平均角速度ωi+n和平均加速度ai+n,利用这两个信息量可以求取转子的瞬时速度ωn,利用瞬时速度ωn可以获取高精度的角度信息θn。这其中平均加速度的引入可以有效的提高在电机转速变化时估算的转子位置信息精度[4,5]。
如图3所示,θn为转子估算转角。可以设定通过霍尔传感器获取的低精度位置信息为θi+n,Ti+n为转子转过两次相邻低精度角度间的时间。ωi-1为转子在位置θi和θi-1间的平均速度。ωi-2为转子在位置θi-1和θi-2间的平均速度。
根据ωi-1,ωi-2可以获得时间段 Ti-1,Ti-2的平均加速度ai-1。
ωθi为转子在θi位置的转子瞬时速度,ωθ n 为转子在θn位置的转子瞬时速度。
其中Tn为转子从位置θi到θn的时间。
则当前转子位置θn为
通过这种方式来计算转子位置转角,能减小电机转速在急剧变化时对转角估算精度造成的影响。同时这种方式能利用霍尔传感器获得的低精度位置信息对估算转角每60°电角度校正一次,消除累计误差造成的影响。
根据前面计算出的高精度转角位置信息。通过控制PWM占空比在电机三个端线施加相位差120°的正弦电压信号,使三相绕组产生如图4同相位的正弦相电压。Ua,Ub,Uc分别为电机A、B、C相的相电压。
通过控制电机相电压幅值和相位来控制相绕组中产生的正弦电流幅值及相位。与方波二二导通的控制方式相比,正弦调制方式相电流为正弦,变化连续,消除了换相电流突变。
3仿真结果及分析
本文对前面提出的转角估算和正弦调制改进方法利用在MATLAB/SIMULINK中搭建的电机控制模型进行验证。
图5是通过仿真获得的二二导通控制方式下的低精度转子位置信息和估算的角度位置信息。
如图5(b)所示,估算的转子位置波形前一段发生畸变,无法使用。这是由于转角估算方法引入了采用了平均速度和平均加速度来估算转角。考虑这种情况,在后面的正弦调制控制方式中,本文在电机启动的前半圈采用二二导通的方式来控制。使电机正常启动。再跳过这段转角估算畸变段后,电机控制切换到正弦调制控制方式。
为检验转子位置估算算法在速度变化情况下的有效性,本文采集了电机每分钟转速从1 500转上升到3 000转情况下估算的转子位置信息。如图6所示。
从图6可以看出,电机启动后在速度变化情况下估算的转子位置信息没有明显畸变情况出现。这证明了转子位置估算方法的有效性。
我们再利用估算的转角信息对永磁直流无刷电机进行正弦调制方式控制。图7是在二二导通控制方式下获得的相电流波形,每个波形上都能看到明显的换相尖峰。图8是利用估算转角在正弦调制方式下获得的相电流波形。波形呈正弦形式,换相尖峰得到了很好的抑制。
最后,为了验证改进的控制方法的有效性。本文在同工况下测定二二导通控制方式的电机输出转矩和正弦调制控制方式下的电机输出转矩。输出转矩波形分别如图9和图10。
对比图9和图10可以看出,电机在正弦调制控制方式下输出转矩的波动相比二二导通控制方式的减小到了了50%左右。这说明本文提到的估算转角并采用正弦调制控制方式在抑制换相转矩脉动中起到了很好的作用。
4结论
本文针对两两导通控制方式存在较大转矩脉动问题,利用霍尔传感器的位置信息对转子位置进行精确估算。并利用获得的位置信息进行正弦调制的方式控制轮毂电机。达到降低转矩脉动的效果。根据仿真试验的结果来看,电机角度估算方法在变速度下估算出电机转角波形没有畸变。利用估算的转角信息对轮毂电机进行正弦调制方式控制能有效的降低电机的换向转矩脉动。
参考文献
[1]宋佑川,金国栋.电动轮的类型与特点.城市公共交通,2004;(4):16—18
[2]刘刚,王志强,房建成.永磁无刷直流电机控制技术与应用.北京:机械工业出版社,2008
[3]夏长亮.无刷直流电机控制系统.北京:科学出版社,2009
[4] Bu J,Xu L,Sebastan T.Near-Zero speed performance enhancementof PM synchronous machines assisted by low cost hall effect sensors.IEEE,1998;68—74
轮毂电机在电动汽车上的应用研究 篇6
当今, 发展新能源产业和低碳经济有利于社会的可持续发展, 传统汽车工业逐步向电动汽车产业转型势在必行, 纯电驱动化是汽车的未来发展趋势。作为电动汽车三大关键核心技术之一, 驱动电机技术及其应用水平的提升, 将在电动汽车的发展过程中发挥重要作用[1]。
相对于常见的中央布置式驱动电机, 轮毂电机设计安装在车轮的轮辋内, 输出扭矩直接传输到车轮, 是一种全新的电动汽车驱动形式。与传统电机相比, 轮毂电机具有以下优点[2]:
(1) 轮毂电机安装在车轮内部, 直接驱动车轮, 省略了传统的变/减速器、差速器、传动轴等机械传动部件, 提高了传动效率, 降低了机械噪声;
(2) 采用轮毂电机使得汽车整体结构大为简化, 提高了车内空间的利用率, 在不影响乘员乘坐空间的情况下, 释放更多的空间用于布置动力电池, 以增加电动汽车的续驶里程;
(3) 安装轮毂电机的各驱动轮的驱动力独立可控, 使得整车的动力学控制更为灵活, 方便地实现底盘系统的电子化和智能化, 如差速、防滑、电制动及辅助转向等功能;
(4) 安装轮毂电机只需对悬架安装部分稍作改动, 而不需对整车结构进行大改, 甚至不需改变原车的动力总成系统, 即可方便地实现原车的电动化。
可见, 轮毂电机的应用改变了汽车传统的驱动方式, 具有不可替代的特点与优势, 必将在电动汽车上得到广泛应用。
1 轮毂电机在电动汽车上的应用研究
2010年12月广州车展上, 广汽集团首次展出了轮毂电机驱动的纯电动传祺轿车。该车为后轮驱动, 采用了世界领先水平的新型轮毂电机, 具有结构紧凑、集成度高、重量轻、扭矩大等特点。整车动力强劲, 实现零排放, 续驶里程长, 并保持了传祺轿车宽敞的驾乘空间与行李箱容积。2012年6月, 笔者所在单位在原有展车的基础上进行了设计改进, 开展了第二代纯电传祺轿车的开发工作。
本文结合单位开展的采用新型轮毂电机的纯电动轿车的开发和试验工作, 对轮毂电机在电动汽车上的应用进行研究。
1.1 轮毂电机的结构
纯电传祺轿车所采用的轮毂电机的驱动方式为外转子直接驱动, 电机定子、转子以及逆变器集成为一体, 由8个逻辑上的子电机组成, 使用共同的转子, 并通过算法实现各子电机的独立、协同控制。这种“分布式”的结构可降低对每个子电机的功率要求, 因此可以采用小体积、低成本的功率电子器件, 使得整个电机可以集成得非常紧凑;而通过对8个子电机进行合理的协同控制, 可将各子电机输出的功率、扭矩进行叠加, 实现整个电机强劲的驱动力;同时, 若其中1个子电机发生故障, 其他的电机仍可以继续正常工作, 而不会导致汽车直接抛锚。
该轮毂电机的结构如图1所示, 由转子、轴承、定子、功率与控制电子模块以及密封背板等部分组成。
(1) 转子:转子内圈镶嵌有永磁体, 共64极。
(2) 轴承:轴承内端与定子以及车辆悬架轴节连接, 外端与转子以及轮辋连接。轴承可直接采用与原车匹配的轴承, 仅需对转子及定子上与轴承配合的安装孔的位置稍作修改即可, 电机的主体结构完全不变。这使得该轮毂电机可以方便地实现模块化与通用化, 降低生产成本。另一方面, 由于采用了原车的轴承, 悬挂轴节也几乎不需做任何改动即可安装, 降低了汽车电动化的难度。
(3) 定子:定子本体为环形中空结构, 铸造一次成型, 线圈绕组安装在定子本体的外圈;定子本体中空部分为电机的冷却水道, 为绕组以及功率电子模块散热。
(4) 功率与控制电子模块:此部分为整个轮毂电机的核心, 负责各个子电机的逆变功能以及协同控制。得益于“分布式”子电机结构, 功率电子模块可以做得非常紧凑, 整个模块封装在一个环形盒中, 安装在定子本体内侧。
(5) 密封后盖:在外圈与转子连接, 随转子一起旋转。后盖内圈装有环形密封胶圈, 防止外界的水和杂物进入定子与转子之间的缝隙。
该轮毂电机的主要技术参数如表1所示。
1.2 机械制动器的集成
轮毂电机安装在驱动轮的轮毂内, 占据了原来布置机械制动卡钳与制动盘的空间, 导致无法沿用原有的机械制动器。若仅靠轮毂电机的电回馈制动, 存在制动力不足、电池SOC高时无法实现电回馈制动、制动可靠性较低等问题。汽车的制动能力是关系到人车安全的重要问题, 因此必须在轮毂电机上集成比较成熟的机械制动器。
轮毂电机集成机械制动器的解决方案如图2所示。与传统制动器内制动盘外卡钳式的结构不同, 外转子式轮毂电机中间的定子部分不随车轮转动, 无法安装传统的制动盘, 因此采用了内卡钳外环式制动盘的结构。机械制动器主要由连接环、环形制动盘、制动卡钳及支架等几部分组成。环形制动盘通过连接环与电机转子固定, 连接环除了起连接作用外, 还对环形制动盘起到隔热的作用, 避免所产生的制动热量过多地影响电机本体。制动卡钳分为行车制动卡钳与驻车卡钳两个, 通过支架固定在电机定子上, 所用的制动油管和驻车拉索结构与原车完全一致, 只需根据情况对长度稍作修改。
通过仿真及试验, 表明该制动器可提供达1 000 N·m的机械制动力矩, 同时环形制动盘的温升保持在合理的范围内。
1.3 轮毂电机在车上的安装
由于轮毂电机直接采用了原车所用的第三代轮毂轴承, 因此轮毂电机可以与原车悬架轴节直接配合安装而不需要对原车的悬架结构进行改动, 只需将轴节上原来用于安装传统机械制动器的羊角通过机加工切除即可。轴节与轮毂电机的固定如图3所示, 安装完成的轮毂电机与原车悬架的关系如图4所示。
1.4 纯电动传祺整车的开发
采用轮毂电机驱动的纯电动传祺轿车在广汽自主品牌“传祺”轿车平台上进行开发, 拆除了发动机、变速箱、燃油箱、排气管等传统动力系统零部件, 安装了动力电池、轮毂电机、DC/DC、车载充电机以及小三电 (电动空调、电动转向、电动真空泵) 等电动化零部件。整车动力系统架构拓扑关系如图5所示。
得益于轮毂电机不需占用发动机舱的优势, 纯电传祺在发动机舱布置了动力电池包, 加上原车燃油箱位置的电池包以及后备箱电池包, 三个电池包总能量达31 k Wh, 保证了单次充电的续航里程。三箱电池的布置情况如图6所示。
纯电传祺的整车主要参数如表2所示。可以看出, 装载轮毂电机的纯电传祺轿车的动力性能十分优越, 0~100 km/h的加速时间少于10 s;单次充电最大续驶里程超过200 km, 优于绝大多数同类电动车型, 完全可以满足日常用车的要求。
2 轮毂电机的应用仍存在的问题
与传统的中央布置式驱动电机相比, 轮毂电机有其不可比拟的优势。然而, 现阶段轮毂电机在电动汽车上的应用仍存在一些技术问题。
(1) 结构复杂。轮毂电机具有结构紧凑, 集成度高的优点, 但同时却带来了结构复杂、可靠性差、维修难度大等问题, 使用的维保成本较高。
(2) 工作环境恶劣。轮毂电机安装在汽车轮辋内部, 在汽车行驶过程中, 将直接受到地面的振动冲击, 以及路面的泥水砂石的飞溅, 工作环境十分恶劣, 如何提高电机的抗冲击能力以及密封性能, 需要经过长期的试验验证以及不断的技术改进。
(3) 机械制动的集成。目前轮毂电机已有了机械制动的集成方案, 但该方案并不成熟, 所采用的环形制动盘制制动力臂大, 摩擦片制动面积小, 存在易变形、抖动大、发热量大等问题, 其制动能力及可靠性仍有待验证。
(4) 簧下质量的增加。轮毂电机安装在汽车轮毂内部, 导致了汽车簧下质量的大幅增加, 这将影响整车的平顺性以及操稳性, 需要对汽车的悬挂系统参数进行针对性的改动。
3 总结
与传统电机相比, 轮毂电机具有结构紧凑、集成度高、性能优异等优点, 在电动汽车上的应用是一种全新驱动方式的应用, 使得整车性能更为优异, 空间更为充裕、布置更为自由、控制更为自由。但其应用仍存在若干亟需解决的关键技术问题, 若能取得突破, 将拥有广阔的应用前景。
参考文献
[1]韦萍.轮毂电机技术在新能源汽车上的应用分析[J].汽车零部件, 2012 (6) :105-107.
轮毂电机 篇7
轮毂电机技术也称为车轮内装电机技术,其最大特点是将动力装置、传动装置和制动装置整合到轮毂内,从而使电动车的机械部分大为简化。然而,轮毂电机由于自身系统的紧凑性带来了一系列的散热问题,尤其是电机仅靠来流风冷散热时,其散热问题更加突出。电机温升过高时,其整体性能会受到很大的影响,主要体现在[1,2]:①永磁体退磁较为严重,电机的负载转矩减小;②加速绝缘材料氧化,导致其失去绝缘性能;③润滑油黏度降低,油膜厚度减小,导致润滑效果恶化;④电机各部件热膨胀,产生较大的热应力,导致几何变形。因此,电机的温升应被控制在相应的绝缘等级范围内,这样才能保证电机具备良好的负载性能,从而使得电动车稳定安全地运行。
文献[3]应用集中参数的热网络法对全封闭风扇冷却的感应电机进行了单电机的热分析研究,研究结果显示,在全负荷加载过程中,定子绕组具有最大的温升,热网络模型和实验值最大误差为13℃,并通过参数敏感性研究发现:定子绕组的温升对电机外表面的对流系数和电机轴的热导率最敏感。文献[4]利用CFD对某内转子单电机进行了热分析,所得结果与试验值误差在±5℃之内,说明采用CFD分析电机散热性能具有一定的准确性。文献[5]利用CFD对无刷直流内转子单电机进行了散热分析,结果表明,在电机外壳加散热翅片可使电机的最高温升下降15%。文献[6]利用CFD对某款内转子电机进行了单电机的热性能分析,分析结果显示,电机外壳增加散热槽可使电机外壳的温度极值减小4.8℃。综合文献调研,CFD计算可对电机的温升做出比较准确的预测,并且能够有效改善电机的散热性能,减少电机散热性能前期设计和后期优化的研发时间和成本。
目前国内外利用CFD研究外转子轮毂电机散热问题的文献较少,而且也仅停留在单电机的研究平台上,并没有结合电动车整车的环境和工况进行相应的分析和研究。一方面是由于目前国内外对轮毂电机电动车还处于前期的研究和测试阶段,很难有公开的样车实物模型或整车数值模型供试验或计算参考;另一方面由于轮毂电机本身结构复杂,加上整车的底盘系统后,其CFD的数值模型将更加精细和繁杂,这将给CFD建模的几何处理、网格划分、计算时间以及计算的不确定性等带来挑战。单电机散热性能的研究并不能准确有效地再现电机周围复杂的热流场结构,尤其是复杂流场中电机表面的对流散热系数、重复制动工况下高温制动盘的热辐射对电机温升的影响等问题都无法在单电机的试验或计算中取得前瞻性的预测。
基于上述原因,本文从电动车前期设计的角度利用CFD计算分析整车条件下电机的散热性能,预测电机温升限值的临界工况,同时分析汽车来流速度和电机轴的热导率对电机温升的影响,为整车环境下轮毂电机散热性能的改进以及电动车的前期设计提供数据支持和方向指导。
1 CFD数值计算方法
1.1 数值方法
利用基于MRF(multiple reference frame)[7,8]和Moving Wall方法的CFD计算模拟轮毂电机电动车在流场中的运行状态,该方法一般应用于固定坐标系的Navier-Stokes方程[9,10]中。根据文献[9]可得
式中,u、v、w为速度矢量u在x、y和z方向的分量,ui、uj为速度分量;xi、xj为坐标分量;i和j指标取值范围是1,2,3;p为流体微元体上的压力;ρ为流体密度;μ为流体的动力黏度;gi为重力加速度在第i方向的分量;β为热膨胀系数;T为热力学温度;T0为初始热力学温度;t为时间;Cp为流体比热;q为热流密度;“-”表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反;λ为热导率;dT/dx为温度在x方向上的导数。
考虑到计算机计算能力的限制,NavierStokes湍流方程很难被直接求解,因此CFD计算引入了相应的湍流模型。式(1)和式(2)中引入速度随着时间产生的脉动变化量u′,因此方程中的速度将由两部分组成,即平均速度和脉动速度部分,于是产生了雷诺应力项,其与平均速度梯度的关系如下:
式中,u′、v′和w′为速度分量u、v和w的脉动量;μt为湍动黏度,是空间坐标的函数,取决于流动状态,而不是物性参数;δij为Kronecker delta符号(当i=j时,δij=1;当i≠j时,δij=0);k为湍动能。
为加强计算收敛的速度及稳定性,本文所用的涡黏模型为Realizable k-ε模型,壁面区采用标准壁面函数[10,11];由于制动工况下制动盘的温度较高,故采用DO辐射模型[10,11]计算制动盘热辐射对电机的影响,制动盘和电机表面的热辐射系数设为0.8[12],计算软件为FLUENT 12.0。
1.2 计算模型
本文研究的电动车模型如图1所示,整备质量1300kg,最高设计车速120km/h。每个车轮上装有绝缘等级为H级的轮毂电机,额定功率5.5kW,电机结构如图2所示。计算模型的网格由HyperMesh和T-grid软件生成,以整车的长宽高(14lv×10wv×5hv,lv、wv、hv分别为车的长度、宽度、高度)确定计算域,如图3所示,体网格数量为1600万。
1.3 计算工况与边界条件
整车计算工况包括:匀速工况、重复制动-再生制动工况和匀速爬坡工况。其中匀速工况代表电动车常见的高速和低速的巡航工况;重复制动-再生制动工况过程中由于制动盘温度较高,其热辐射可能对电机温升产生较大的影响,同时再生制动过程中,电机本身作为发电机也将产生相应的热损耗,此时电机在内外热源的共同作用下,其温升特性有待考察;匀速爬坡工况电机的负载较大,来流速度较低,因此电机的散热条件比较苛刻,其温升程度有待确定。
边界条件根据电动车的最高设计车速制定。参考GB 21670-2008《乘用车制动系统技术要求及试验方法》,制定出电动车的重复制动工况,如图4所示,共进行20个制动周期(900s),其边界条件通过自定义函数(UDF)[10,11]的二次开发进行编辑和定义。匀速爬坡(10%坡度)的设计车速为10km/h。地面的移动以及部件(散热器风扇、电机转子、车轮)的转动分别通过Moving Wall和MRF的功能实现[7,8,9],环境温度设为45℃。电机各工况下的热损耗均来自973计划项目平台的轮毂电机台架实验数据,材料的物性参数由电机厂家提供,此处略去具体数值。
2 不同工况的计算结果与分析
2.1 匀速工况电机的热分析
图5所示为100km/h匀速工况下电机中心横截面上的温度分布,电机的温度极值位于内部的定子绕组上,最高可达156.1℃,并且绕组的温度分布比较均匀,这是由于定子绕组的热导率较大,热阻较小,因此绕组内部的温度梯度较小。
图6为电机传热路径示意图,可以看出电机由铜损、铁损产生的热量通过相应的热阻引起一定的温度梯度,并最终通过电机的端盖、外壳以及电机轴传出,因此电机的温升可为
式中,Tmax为电机的温度极值;PFe为铁损;PCu为铜损;Rcp为电机各部件的热阻;Rcv为电机表面对流传热热阻。
图7所示为100km/h匀速工况下电机的传热分布,可以看出90%的热量是从电机表面(端盖1、端盖2、外壳)传出,剩余10%左右的热量从电机的轴传出,由此可以预见电机外表面的对流传热对电机的散热性能影响较大,电机轴自身的导热性能也将对电机温升产生一定的影响,其具体的影响程度将在第3部分中详细说明。
图8所示为不同巡航工况与电机温度极值的关系,可以看出电机的温度随着车速的增大而增大,在95km/h左右,电机的最高温度接近其性能参考温度145℃(表1)。在来流风冷散热条件下,电动车长时间以95km/h及以上的速度匀速行驶时,电机的温升将过大,这表明高速巡航工况是电机的一种高负荷工况,电机仅靠前端来流的风冷散热难以满足其冷却需求,一方面说明电动车的设计车速需考虑轮毂电机温升的制约,另一方面说明轮毂电机的散热优化设计是整车开发前期必不可少的环节。
2.2 重复制动工况电机的热分析
重复制动工况过程中,制动盘的温度较高,通常可达400℃以上[13,14,15,16],因此需要考虑制动盘的热辐射对电机温升的影响。
分别对重复制动-无再生制动和重复制动-50%再生制动这两种瞬态工况进行计算,得到在900s过程中轮毂电机和制动盘的温度随时间的变化情况,如图9所示。
由图9可知,在前300s制动盘的温度增长较快,随后温度增长速率开始逐渐下降直至盘面温度趋于稳定。轮毂电机的温升趋势基本与制动盘一致,其温度幅值远小于制动盘温度幅值。相对于无再生制动工况,50%再生制动工况制动盘的最高温度由405℃下降至247℃,而轮毂电机的最高温度由118℃上升至160℃。
1.无再生制动工况下制动盘最高温度2.50%再生制动工况下制动盘最高温度3.50%再生制动工况下电机最高温度4.无再生制动工况下电机最高温度
这是因为在50%的再生制动过程中,制动器50%的制动能量被转移到电机上,因此制动盘温升下降了近40%,而此时轮毂电机处于发电模式,发电时产生的铁损、铜损等热损耗将使电机的温度上升至160℃,这已超过了H级电机绕组的性能参考温度(表1)。因此,作为电机的另一种高负荷工况,再生制动策略在轮毂电机电动车上的运用,除了要考虑电机本身的制动效率以及整车制动性能等因素的影响外,还必须兼顾电机的温升特性。
图9的计算结果同时表明:重复制动-无再生制动工况下,制动盘的高温热辐射并没有使电机绕组的温度有较大的提升,这是由于整个过程中电机外表面吸收的热辐射能有限。如图10所示,在前400s,电机表面吸收的热辐射能较小,平均值为63W,后500s的平均值为107W,即整个重复制动过程电机吸收的辐射能较小,且时间较短。
2.3 匀速爬坡工况电机的热分析
本文设计的电动车其额定爬坡坡度为10%,爬坡车速为10km/h。通过瞬态的热流场计算,得到轮毂电机的瞬态峰值温度随时间的变化曲线如图11所示。
由图11可知,当时间t=352s时,电机的温度上升至H级电机的性能参考温度145℃(表1),此时汽车行驶的距离为978 m。根据JTG B01-2003《公路工程技术标准》,道路坡度为10%的纵坡坡长应不大于200m,由此说明电动车的爬坡性能满足大部分的道路条件,即电动车低速爬坡(10%)工况下,轮毂电机依靠来流风冷散热基本满足其散热冷却要求。本文电机的功率较小,因此前期定位的最大爬坡坡度较小,未来可对大功率电机高速爬坡工况的温升性能进行探索,以建立更完善的汽车爬坡坡度、爬坡速度与电机温升之间的关系。
综上可知,在高速行驶和重复制动-再生制动这两种高负荷运行工况下,电机仅依靠前端来流风冷散热是比较困难的,因此可通过研究给电机加装散热翅片,设计冷却风道、冷却水道或水套和优化电机结构尺寸等方式来达到对电机的散热冷却效果,使其满足高负荷的运行工况。
3 来流速度和电机轴热导率对电机温升的影响
3.1 电机散热性能与来流速度的关系
图12所示为电机周围的流场分布,可以看出部分前方来流由进气格栅进入汽车前舱,绕过制动钳、悬架和制动盘等部件后,冲向电机的端盖和外壳,以强制对流的方式带走电机的热量,因此从车轮外侧只有少量气流进入轮辋吹向电机。因此电机对流散热的性能基本决定于汽车前舱下方电机周围的流场分布,尤其是车轮内侧吹向电机的空气质量流。由图12可知,大部分气流由于受到制动钳和悬架的阻挡作用而产生分离,并形成旋涡,从而导致电机周围气流减弱,因此轮边气流的诱导是未来优化电机来流风冷散热一个非常重要的研究方向。
图13为电机热源固定时,不同来流速度与电机外表面平均对流传热系数以及电机温升的关系曲线,可以看出随着来流速度的增加,电机外表面的平均对流传热系数呈指数趋势增加,电机的温度极值呈指数趋势逐渐下降。
结合传热学中对流传热系数(h)的定义[12]分析如下:
式中,Re为雷诺数;Nu为努塞尔特数;L为传热面的几何特征长度,是垂直于传热面方向的尺度;Pr为普朗特数;λf为流体的热导率;C为比例系数;m和n分别为Re和Pr对应的指数;u为汽车前方来流速度;l为雷诺数的特征长度;ν为运动黏度。
由式(8)~式(10)可得
结合式(11)及图13拟合出电机外表面的平均对流传热系数haver与来流速度u的关系式:
由式(12)和式(11)可知电机表面对流传热的指数m=0.7;而文献[12]中圆柱体表面的指数m值满足0.618≤m≤0.805。由此表明电机在复杂的整车轮边热流场中,其表面的对流散热特征与圆柱体较为接近,从而间接说明本文电机的CFD计算结果在传热规律上的合理性。
从数据敏感角度分析,如图13所示,当来流速度u从50km/h增至120km/h时,传热系数h由39.60W/(m2·K)增至72.93W/(m2·K),即h增大了33.33W/(m2·K)(84.2%),电机的温度极值下降了24.9℃,由此表明来流速度对电机的温升影响较大。究其原因,一方面随着来流速度的增大,电机周围的气流速度逐渐增大(图14),即逐渐增强的空气质量流加速带走了电机外表面的热量;另一方面,来流速度的增大使得电机周围的湍动能逐渐增强(图15),其强烈的“混合搅拌”作用促进了电机表面与周围空气的能量交换。上述因素的综合作用直接减小了电机与空气之间的对流传热热阻,因此电机的散热性能得到了大幅的提升。
3.2 电机散热性能与电机轴热导率的关系
电机轴通常由钢材制造而成,其热导率在46.5W/(m·K)[12]左右,而其他金属材料,例如铝、铜等,其热导率远大于钢的热导率[12];另据文献[17,18],热管可在5K的温差条件下,传导20W的热量。据此,将电机轴设计加工成集成式热管轴或其他高导热材料轴,其等效热导率可达700W/(m·K)[12]以上。据此本文将电机轴的热导率λ设置成8个等级,计算得到不同λ对应的电机轴的导热量和电机的温升,如图16所示。
由图16可知,电机轴的传热量随着λ的增大而增加,电机的温度极值随λ的增大呈指数趋势减小。当λ由46.5 W/(m·K)增至700W/(m·K),即λ增大了653.5W/(m·K)时,电机的温度极值下降了27.3℃。当来流速度u从50km/h增至120km/h,即来流速度增加幅度为原车速的1.4倍时,电机的温度极值下降24.9℃;而当电机轴的热导率λ由46.5W/(m·K)增至700W/(m·K),即λ的增幅为原热导率的14.1倍,电机的温度极值仅下降27.3℃。另外在常温下一般金属材料的热导率λ很难达到700W/(m·K),查表[19]可知大多数金属的热导率在250W/(m·K)以下,而电动车车速很容易达到120km/h,因此,从数据敏感性的角度来看,相对于3.1节中来流速度对电机温升的影响,电机轴的热导率对电机温升的敏感性较差,然而当电机轴的结构材料得到较大的改善时,即λ的增幅较大时,电机的温升性能仍能有所改善。
4 结论
(1)在高速行驶、重复制动-再生制动等高负荷工况下,轮毂电机仅靠前端来流风冷散热比较困难,为此可通过给电机加装散热翅片,设计冷却风道、冷却水道或水套和优化电机结构尺寸等方式来达到对电机散热冷却的效果,使其满足高负荷的运行工况。
(2)重复制动-再生制动工况下制动能量的分配需要着重考虑其对电机温升的影响;重复制动过程中高温制动盘的热辐射对电机温升的影响较小;低速爬坡(10%)工况满足电机的散热需求。
轮毂电机 篇8
随着煤、石油、天然气等化石能源的不断消耗和环境状况的不断恶化,无污染,噪声低且不依赖化石能源的电动汽车逐渐成为汽车行业重要的发展趋势。近年来,世界各国纷纷将电动汽车作为科研攻关的热点。在电动汽车的各种驱动方式中,轮毂电机驱动方式因其传输效率高、控制灵活等独到的优点,逐渐受到业内人士的青睐,未来发展空间巨大[1,2]。
1 各种电动汽车驱动方式及特点
传统内燃机汽车的驱动系统由发动机-变速器-传动轴-差速器-车轮等部件构成。发动机体积庞大、笨重,噪声很大,消耗汽油、柴油、天然气等化石能源,加剧环境污染;复杂的机械传动系统导致能源利用效率降低,底盘结构复杂,减少了汽车的乘用空间[3]。
电动汽车按照驱动方式的不同,分为集中电机驱动、轮边电机驱动和轮毂电机驱动。其中集中电机驱动电动汽车由内燃机汽车直接演变而来,即用电动机直接取代或辅助内燃机,其他部件基本不变,在技术上相对简单。但是由于这种方式没有改变原有的机械传动系统,不必要的能源损耗依然非常可观,再加上现有的电池容量有限,汽车的续航里程将受到显著影响。另外,由于电动机不便带动液压泵等辅助装置,会给汽车的制动带来麻烦。综上原因,现在的电动汽车基本上不采用集中电机驱动,而采后两种驱动方式。
轮边电机驱动是指电动机与固定速比减速器制成一体安装在车架上,减速器的输出轴通过万向节与车轮半轴相连,从而驱动车轮。由于技术上比较简单,轮边电机驱动在目前的电动汽车中有广泛的应用,其中电动汽车领跑者Tesla的唯一一款在售车型Model S采用的就是轮边电机驱动方式。
轮毂电机(又叫电动轮)驱动方式是将动力、传动以及制动装置全部整合在轮毂内,这样就省去了离合器、变速器、传动轴、差速器等大量机械部件,使车辆结构大为简化,车辆噪声极低,整车质量减轻,不仅提高了能源利用效率,增加了汽车的乘用空间,也为实现底盘系统的电子化、智能化提供了保证。轮毂电机驱动系统布置非常灵活,在同样功率需求的情况下可采用多电动轮驱动的形式,将功率分配给多个电动机从而降低电气和机械传动部件的要求。轮毂电机驱动只需通过控制系统控制电机就可以完成对车轮驱动力的控制,电动机转矩响应快,使用全轮驱动和驱动轮单独控制的措施,可以最大限度的利用地面的附着能力,同时还可以提高车辆的离地间隙,从而提高越野车辆的通过性能。轮毂电机驱动便于采用线控四轮转向技术,有效减小转向半径,甚至实现零半径转向,提高转向性能。另外,轮毂电机驱动系统可实现再生制动功能,提高能源利用效率,有效提高汽车的续航里程。但轮毂电机的采用必将增加非簧载质量,进而影响车辆运行的平稳性和可操纵性,另外由于轮毂电机工作环境极其恶劣,需要经受震动、涉水、高温等极端工况的考验,所以对技术水平和生产工艺都提出了近乎严苛的要求。由于以上特点,轮毂电机被视为电动汽车的最终驱动方式,也是现阶段电动汽车研究的热点和难点之一[3]。
2 轮毂电机的驱动方式
轮毂电机按照驱动方式又可分为减速驱动和直接驱动两种方式。
减速驱动时,电机多采用内转子形式,一般运行在高速状态,减速装置放在电机和车轮之间,起到减速和提升转矩的作用。其中,减速装置可以是传统的行星齿轮机械减速方式,也可以是磁齿轮减速方式[4]。减速驱动的优点是:电机运行在高转速下,具有较高的比功率和效率;体积小,在低速运行状态下可以提供较大的平稳转矩,爬坡性能好。缺点是:对于机械齿轮减速方式,故障率高,齿轮磨损快,寿命短,不易散热,噪声较大;对于磁齿轮减速方式,目前由于技术尚不成熟,制造困难,运行可靠性较低。减速驱动方式适用于过载能力较大的场合。采用减速驱动方式的轮毂电机如图1(a)所示。
直接驱动时,电机多采用外转子形式。其优点主要有:不需要减速机构,动态响应快,效率进一步提高,轴向尺寸减小,整个驱动轮更加简单、紧凑,维护费用低。缺点是:体积和质量较大,成本高;高转矩下的大电流容易损坏电池和永磁体;电机效率峰值区域减小,负载电流超过一定值后效率急剧下降[5,6]。直接驱动方式适用于负载较轻,一般不会出现过载情况的场合下。采用直接驱动方式的轮毂电机如图1(b)所示。
3 不同种类轮毂电机的技术特点
为满足电动汽车的工作要求,驱动电机应具有以下特点:在恒转矩区具有高转矩、低转速,在恒功率区具有高转速、低转矩;具有较宽的调速范围,较高转矩密度,足够大的启动扭矩;体积小、重量轻;效率高,具有强动态制动及能量回馈特性等。常见的直流电机、异步电机、永磁无刷直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机、横向磁通电机都可以作为轮毂电机。各种电机具有不同的技术特点,下面分别介绍。
3.1 直流电机
直流电机控制简单,控制技术成熟,一般通过电枢控制和弱磁控制来控制转速,为满足电动汽车运行要求,通常在恒转矩区采用电枢控制以得到较大的平稳转矩,在恒功率区采用弱磁控制以得到较高转速。但直流电机利用电刷实现机械换向,电刷磨损很快,需要经常维护,换向火花的存在限制了电机的高速运行,且电机体积大,制造成本高[7]。所以新研制的轮毂电机大都不采用直流电机。
3.2 异步电机
异步电机结构简单,坚固耐用,成本低廉,运行可靠,转矩脉动小,噪声低,不需要位置传感器,转速极限高[15]。但是异步电机也存在诸多问题,比如转差率的存在使调速性能较差;驱动电路复杂,成本高;相对永磁机而言,效率和功率密度偏低。所以不太适用于电动汽车的轮毂电机。
3.3 永磁无刷直流电机
永磁无刷直流电动机利用电子换向器代替直流电机的机械换向器,通过电子换向装置产生正负交变的平顶波驱动电机旋转,调速性能和直流电机类似,运行可靠,维护方便,没有励磁损耗,效率和功率密度都较高[8,16]。因此,永磁无刷直流电机已经成为电动汽车轮毂电机的主流电机。
3.4 永磁同步电机
永磁同步电机在结构上与永磁无刷直流电机类似,只是它通过正弦波驱动。根据转子上永磁体安装方式的不同,一般可以分为表面式和内置式,其中表面式适用于低速电机,内置式适用于高速电机。相对于无刷直流电机,永磁同步电机具有低噪声,大功率密度,小转动惯量,高控制精度等优势,并且可以实现弱磁调速,提高恒功率运行的范围[9,10],特别适合作为电动汽车用轮毂电机。
永磁同步电机基于三相交流电供电工作,其数学模型比较复杂,控制方法也非常复杂。常用的控制方法有矢量控制和直接转矩控制[12,13,14,15,16]。
3.5 开关磁阻电机
开关磁阻电机近年来发展成为轮毂电机,其定子和转子均采用凸极结构。定转子极数不相同,主要有两种组合形式:定子6极,转子4极的三相开关磁阻电机和定子8极,转子6极的四相开关磁阻电机。开关磁阻电机的转子上既没有绕组也没有永磁体,只在定子上装有集中励磁绕组,由变频电源为定子集中励磁绕组提供交变电流使其工作在开关模式下。开关磁阻电机功率装换效率很高,功率密度大,启动电流小,结构简单,且调速范围宽,控制简单,在轮毂电机家族中具有很强的竞争力。但是由于电机运行在开关模式下,电流波动大,会产生较大的噪声和振动,为保证其正常工作需要安装电流检测器和位置检测器[11,12]。
3.6 横向磁通电机
横向磁通电机相对于其他种类的电机有许多突出的优势:实现了电路和磁路的解耦,设计自由度大大提高;效率和转矩密度特别高,适合运行在低转速、大转矩的场合下;绕组形式简单,不存在传统电机绕组的端部;各相之间相互独立;驱动电路和永磁无刷直流电机相同,可控性好。但其也存在许多缺点:永磁体数目多,用量大;结构复杂,工艺要求高,成本高;漏磁严重;功率因数低;自定位转矩较大等[13,14]。
4 国内外轮毂电机的发展现状
20世纪50年代,美国人罗伯特最早发明了集电动机、减速机构、制动机构于一体的轮毂装置,1968年通用电气公司将其推广应用到大型矿山运输车辆上。
目前,日本在轮毂电机领域占据领先地位:自1991年开始,日本庆应义塾大学的清水浩教授带领其研究团队陆续研制出了IZA、ECO、KAZ等电动汽车。其中,IZA电动汽车由4个外转子式永磁同步电机驱动,额定功率为6.8kW,峰值功率达到25kW,最高车速为176km/h。ECO电动汽车由两个永磁无刷直流轮毂电机后置驱动,并配以行星齿轮减速机构,额定功率为6.8kW,峰值功率为20kW。KAZ电动汽车采用8个大功率交流同步轮毂电机独立驱动,峰值功率达到55kW,最高车速达到惊人的311km/h,0～100km/h加速时间为8s。2003年,普利司通公司在东京车展上展示了独立开发的轮毂电机与专用地滚动阻力轮胎匹配的动态吸振型电动轮,轮内采用外转子永磁同步电机。2011年3月,清水浩教授组建的“SIM-DRIVE”公司对外宣布,该公司研发的轮毂电机电动汽车性能及功率已达到世界最高水平,1号试验车“SIM-LEI”一次充电的续航里程可达333km,0～100km/h加速时间为4.8s,最高时速可达150km/h[7]。丰田汽车推出的普锐斯混合动力汽车以及其他概念车多采用轮边电机驱动。
2003年,通用汽车将轮毂电机成功应用到雪佛兰S-10皮卡车上,该电机给车轮增加的重量约为15kg,电机功率约为25kW,产生的扭矩比普通雪佛兰S-10皮卡车高出60%。2005年通用汽车推出的燃料电池汽车后轮采用轮毂电机驱动,前轮则采用集中单电机驱动,电机总功率达110kW,续航里程达500km。有消息称,Tesla的下一代电动汽车也可能采用轮毂电机技术[17]。
法国TM4公司设计的轮毂电机采用外转子式永磁电动机,将电动机外壳集成为鼓式制动器的制动鼓作为车轮的组成部分,集成化设计程度非常高,额定功率为18.5kW,峰值功率达80kW,额定转速为950r/min,最高转速为1385r/min。额定工况下的平均效率可达96.3%。2008年巴黎车展上Venturi公司研发的概念版四轮驱动跑车“Venturi Volage”使用了米其林公司的轮毂电机(如图2所示)。除此之外,德国的西门子公司、舍弗勒公司都推出了自己的轮毂电机技术。
2009年法兰克福车展上,第一辆纯电能驱动的奥迪跑车e-tron与公众见面,这款车配备四个独立的轮毂电机实现四轮驱动,0～100km/h加速时间为4.8s,续航里程为248km[18]。宝马公司的MINI COOPER采用四个PML公司生产的轮毂电机,动力源为小排量汽油发动机加电池和超级电容器,最高时速150km/h。0～60km/h加速时间为4.5s。
英国的Protean Electrics公司是一家专门生产轮毂电机的厂商,被称为全球轮毂电机研发和商业化的领导者,其生产的ProteanDriveTM轮毂电机(如图3所示)功率和扭矩分别可达75kW和1000N*m,而重量仅为31kg,可安装在直径为18～24英寸的常规车轮中,并且还有杰出的再生制动功能,在刹车过程中可回收高达85%的可用动能。Protean Electrics公司已与多家整车制造厂商开展合作,比如基于奔驰E级改装的纯电动和混合动力汽车就采用了该公司的轮毂电机[19]。
我国对轮毂电机技术的研究起步较晚,但随着国家“863”计划电动汽车重大专项课题的推进,各科研单位对该技术的研究不断加强。同济大学汽车工程学院分别在2002年、2003年和2004年研制的三代“春晖”系列电动汽车均采用了低速永磁无刷直流轮毂电机。比亚迪公司在2004年车展上展出的“ET”概念车也采用了四个功率为25kW的轮毂电机,最高时速165km,续航里程为350km。另外,清华大学、吉林大学、华中科技大学等高校也积极开展轮毂电机技术的研究并取得了一定成果[20]。
目前轮毂电机技术除在大型矿山运输车上有广泛应用外,在汽车领域的应用尚处于研究、试验阶段,技术尚不成熟,生产成本依然很高,在大规模推广应用之前仍然有很长的一段路要走。
5 轮毂电机发展展望
下一阶段,轮毂电机的研发将致力于以下几个方面:一是提高调速范围和转矩的变化范围,适应汽车在不同工况下的运行需求;二是提高功率密度和能源利用效率,降低电机重量;三是解决电动机在密封、冷却和抗振方面的问题,提高运行可靠性。在基于不同电机类型的轮毂电机中,永磁电机由于其独特的优势将继续得到更大的发展[5]。大型客车应用轮毂电机技术日趋增多,其车轮直径较轿车更大,转速更低,轮毂电机内部布置更为方便。随着动力电池、电子控制系统和整车能源管理系统等相关技术的突破,轮毂电机技术必将在电动汽车上得到广泛应用。另外,像诸如苹果、谷歌、乐视等搅局者不断加入电动汽车领域,也正在给汽车领域和轮毂电机的发展注入新的活力。
6 结论
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