永磁轮毂电机（精选4篇）
永磁轮毂电机 篇1
1 概述
轮毂电机驱动系统是一种全新的电动汽车驱动形式,在正常运动控制、整车结构布置方面具有非常明显的优势,使得轮毂电机驱动系统的开发成为电动汽车研发的一个重要方向。轮毂电机驱动的电动汽车由于两侧的驱动轮之间没有刚性连接轴,所以取消了传动汽车的机械差速器,在车辆行驶转弯时,可以通过分别调节两侧驱动轮的转速,实现差速功能。
目前,电动汽车轮毂电机驱动技术在国内的研发处于起始阶段,与国外相比有一定的差距。轮毂电机的应用改变了汽车传统的驱动方式,更有利于实现机电一体化的现代化控制技术,必将在电动汽车上得到广泛的应用。
电动汽车轮毂电机驱动系统具有如下优点:
(1)动力传动的硬件连接改为软连接形式,省略了传统汽车所需的机械操纵换档装置、离合器、变速器、传动轴和机械差速器等,汽车结构大为简化,可以使整车总布置和车身造型设计的自由度大大增加;
(2)各电动轮的驱动力直接独立可控,使其动力学控制更为灵活、方便;
(3)容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈,节省能量;
(4)两个独立的电动轮将做协调配合,减小传动中机械磨损与损耗,提高了传动效率。
2 轮毂电机的驱动形式
轮毂式电动汽车的驱动轮有两种基本形式:直接驱动式电动轮和带轮边减速器电动轮。形式的不同主要取决于采用的是低速外转子还是高速内转子电动机。两种结构形式的轮毂电机,如图1所示。
轮边式电动轮,电机一般在高速下运行,通常选用普通的内转子电机。减速机构放置在电机和车轮之间,起减速和增加转矩的作用。轮边式电动轮优点:电机高速运行,具有较高的比功率和效率,通过齿轮增力后,扭矩大,爬坡性能好。不足之处是:难以实现液态润滑,齿轮磨损较快,使用寿命短,不易散热,噪声偏大,系统结构复杂。此方式适用于丘陵或山区,过载能力较大场合。
直接驱动式,电机多采用外转子,具备低速大扭矩外特性。直接驱动的优点有:不需要减速机构,不仅使驱动系统结构简单、紧凑,轴向尺寸也减小,而且效率进一步提高,响应速度也变快。缺点:起动,爬坡等承载大扭矩时需大电流,易损坏电池盒永磁体;电机效率峰值区域小。此方式适合城市工况场合。
基于整车布置空间限制、动态响应、系统复杂程度等,以直接驱动式外转子作为研究对象。
3 电机本体设计
3.1 绕组设计
绕组可分为多相绕组和分数槽绕组[2]。从理论上说,绕组相数越多,越接近直流电机换向,电机的绕组利用率也越高,但控制线路、策略复杂,成本越高,目前车用动力电机以三相为主。
电机的每极每相槽数定义:q=Z/(2mp),Z为槽数,m为相数,p为极对数。当q不为整数的绕组称为分数槽绕组。采用分数槽绕组特点如下:
(1)同相中各线圈分布在不同的极下和槽下;
(2)每相下的槽相对错开;
(3)相对于整数槽,每极每相槽数少,少的大槽替代多的小槽;
(4)线圈节距=1;
(5)增加了绕组的端距和分布效应;
(6)集中式绕组;
(7)槽满率高、端部短。
分数槽相对于整数槽的主要优势如下:
(1)提高反电动势波形的正弦度;
(2)降低齿槽转矩;
(3)减小槽绝缘,提高槽利用率,简化嵌线工艺和接线;
(4)缩短绕组端部,减少用铜量,非重叠式绕组,不必设相间绝缘;
(5)改善发电动势波形的正弦度;
(6)便于机器绕制绕组,提高工效;
(7)降低铜耗,提高效率,降低时间常数,增加功率密度等。
电机绕组层数常采用单层双层绕组和双层绕组两种形式。单层绕组,每槽只放一个线圈边,三相电机最大限度6个线圈,其槽数必定是6的倍数;双层绕组,每槽放置2个线圈边,其槽数是3的倍数即可。
双层绕组相比单层的特点:第一,双层绕组的发电动势波形更优异;第二单层绕组比双层绕组有较大的电感,对高速电机运行不利;第三,与双层相比,单层绕组的端部伸出约大一倍,总用铜量增加,总电机稍大;综上,一般推荐采用双层集中绕组。
综上所述,轮毂直驱式电机,因其结构长径比较小、低速大扭矩特性。采用分数槽绕组形式优势明显。
3.2 槽极数配合
假设:Z与p最大公约数为t,即Z/p=Z0/po,这样称Z0和p0组成的电机为单元电机,原电机由t个单元电机组成,分数槽绕组槽极数组合约束条件为:(1)Z0/m=整数;(2)p0/m≠整数;(3)若Z0为偶数,p0必为奇数;(4)若Z0为奇数,p0可为偶数也可是奇数。推荐的组合如表1,参考文献[3]。
从表1可知,Z0/p0=3/1和Z0/p0=3/2的绕组短距系数为0.866,处于每个Z列中间位置的配合有较大的绕组系数,是推荐值。绕组系数见表2。
3.3 磁钢设计
永磁电机是由磁钢产生磁场,电磁耦合产生电磁力矩,因此磁钢的设计将影响电机各项性能。通常需要永磁材料具有高剩磁、高内禀矫顽力和高磁能积。在现有材料体系下,通过磁钢的设计,避免磁钢在高温、振动及电流过载下出现退磁,而使电机的性能降低,参考文献[1]。
4 转矩脉动的抑制
永磁同步电机在交流伺服系统中得到越来越广泛的应用,平稳的电磁转矩和低噪声振动是车载电机系统的重要性能目标。但是电机中存在的纹波转矩、齿槽转矩严重影响了电机的控制性能,为提高电机的控制性能,本文主要针对降低纹波转矩和齿槽转矩进行优化设计。
转矩波动主要来源于纹波转矩、齿槽转矩和磁阻转矩。纹波转矩是定子磁势谐波与转子磁场谐波相互作用产生的。对于不同q的分数槽电机来说,负载下,q=1/2电机纹波转矩较大,1/4次之,q在1/3附近(即基本组合)有较低的纹波转矩。相同q的组合中,大多数情况下,槽数越多(即单元t越大),纹波转矩越低。因此通过提高定子、转子磁场正弦度和槽极数配合来抑制纹波转矩。
永磁同步电机有效转矩主要由永磁转矩和磁阻转矩组成。磁阻转矩是因磁路磁阻不平均衡而产生的。通常,在结构上,交直轴磁路不平衡,通过分配交直轴电流获取有用的磁阻转矩。轮毂电机的负载转动惯量较大,可以允许一定的转矩脉动,因此可以利用磁阻转矩提高输出扭矩值。齿槽转矩是由于齿槽分布气隙磁导变化产生的,会加大启动扭矩和谐波噪声。
5 降低齿槽转矩设计措施
永磁电机的齿槽转矩是定子齿槽与转子永磁体相互作用而产生的磁阻转矩。当转子磁极与定子齿槽的相对位置不同时,主磁路的磁导发生了改变,即使绕组不通电时,电机转子也有停止在圆周上若干个稳定的趋势。其危害包括:(1)引起速度波动、电机振动和噪声;(2)变速驱动时,齿槽转矩频率接近系统固有频率,可能产生谐振;(3)增加了最初的起动转矩。
一个电机总的齿槽转矩可以理解为多个单元齿槽转矩的叠加。图2槽口-极间单元模型表示单元齿槽转矩。以槽口中心为零点,当磁极极间中心线处于零点位置时,产生的齿槽转矩为零,当转子移开,磁极极间中心线偏移零点位置,由于磁阻变化产生了磁阻转矩。总齿槽转矩由Z个单元槽转矩叠加而成。这样,降低齿槽转矩各种设计措施的基本思路可归纳为:
(1)调整槽-极间单元模型,降低单元齿槽转矩幅值,调整峰值点位置;
(2)调整这些单元齿槽转矩在叠加时所处的相位关系,使之相互抵消或部分补偿,从而使总齿槽转矩得到削弱。
降低齿槽转矩主要措施有:(1)采用无齿槽结构;采用闭口槽、槽口加磁性槽楔;(2)降低气隙磁密、降低铁芯饱和程度,特别是避免齿尖饱和;(3)优化磁极极弧宽度和槽口宽度;(4)采用分数槽绕组;选择合适的Z/p组合;(5)不等气隙;(6)斜极、斜槽或磁极分段错位;(7)磁极偏移,齿顶开辅助凹槽。
目前应用普遍的措施是磁极分段错位和选择合适Z/p组合。Z/p组合与齿槽转矩关系可通过基波齿槽转矩次数γ体现,γ=LCM(Z,2p),LCM-最小公倍数。
通常认为,齿槽转矩基波次数越大,其幅值就越小,所以,宜选择最小公倍数较大的Z/2p组合。鉴于制造工艺和成本因素,本文案例主要采用Z/p组合和优化磁极极弧宽度措施来减弱齿槽转矩。
6 不平衡径向磁拉力
偏置的相绕组产生偏置的定子电枢反应磁场,它和在气隙中永磁转子产生的磁场合成为不平衡磁场,产生不平衡的径向磁拉力,成为不平衡径向磁拉力(Unbalanced-magnetic-pull),随着电机换相,这种磁拉力也是旋转的,没经过一个电气换相周期,不平衡径向磁拉力旋转一周,其频率为电机转子旋转频率的p倍,将引起电机高频振动和噪声,如果转子在机械上还存在偏心,振动和噪声将加剧。
解决措施有如下:优化设计参数,降低UMP;改用Z为偶数的槽极配合;规避Z为奇数的某些配合,选择多个单元电机组合和非基本组合的其他组合。
固定的轮毂尺寸,分数槽电机可选择槽极数组合较少,仿真案例采用Z为奇数的槽,存在着一定的不平衡磁拉力,但采用8个单元电机组合,能有效抑制不平衡磁拉力。
7 样机仿真
轮毂型号:6.5jx16;电机类型:永磁外转子分数槽;极数:64;定子槽数:72;参考电压:320V;额定扭矩:450N⋅m;峰值扭矩:700N⋅m;额定功率35k W;峰值功率70k W;最高转速1400r/min。
仿真结果如图3、4所示,磁密分布在0.5~1.2T之间;相反动势波形正弦度高,谐波含量在8%之内,主要是三次和五次谐波量,见图5;对于Y绕组,因其空间相位的对称性使线反电动势消除了三谐波,总谐波含量将低于5%;无输入电流情况下,静态磁场下的齿槽转矩±2N⋅m,如图6所示。磁槽转矩相对于几百牛米的输出力矩,几乎可以忽略不计,这和反电动势的正弦度高是一致的;给定电压激励源或电流激励源,仿真出的转接和电流值如图7和8所示,图示输出扭矩为675N⋅m,动态扭矩波动在±15N⋅m之内,与Rxrpmt计算结果接近。
8 结语
轮毂电机驱动系统是一种全新的驱动形式,具有明显优势,已成为电动交通工具的一个重要方向。以集成度高的外转子式永磁轮毂电机为发展趋势。采用分数槽绕组形式,选取合适的Z/p组合,可以而提高反电动势正弦度和降低齿槽转矩,能大大减弱动态转矩脉动和谐波噪声。借助于仿真软件分析,缩短了开发周期和节约开发成本,同时给理论研究提供参考。案例只是初步的设计分析,有待优化改善。
摘要：阐述了轮毂电机在电动汽车上的优势,其有两种不同的结构形式,其中结构紧凑的直驱式外转子是目前研究热点。以外转子直驱式永磁电机为研究对象,介绍了绕组设计、槽极数组合选择和磁钢设计,并提出了降低齿槽转矩和不平衡磁拉力的措施等。最后以一台外转子轮毂电机为模型,对其性能进行了仿真分析,效果明显。
关键词：外转子,轮毂电机,齿槽转矩,槽极数组合
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机[M].北京:机械工业出版社,1997.
[2]张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京:机械工业出版社,1998.
[3]谭建成.三相无刷直流电动机分数槽集中绕组槽极数组合规律的研究[J].微电机,2008,41(1):52-55.
永磁轮毂电机 篇2
能源与环境污染的日益严重, 致使电动汽车成为了目前的重要发展趋势。电机驱动系统是电动汽车的重要组成部分, 它的驱动方式分为集中电机驱动和轮毂电机驱动[1], 其中, 轮毂电机驱动将动力、传动和制动装置都集整在轮毂内, 略去许多笨重的机械部件, 精简了车辆的结构, 成为电动汽车驱动方式的重要发展方向。但是, 采用轮毂电机驱动方式, 必然会增加车辆的非簧载质量, 进而会使车辆行驶的平稳性与操控性变差, 因此, 研制集成度高、体积小、重量轻的高效率、高转矩密度轮毂电机驱动系统十分重要。
本文提出的电动车用Halbach永磁轮毂电机, 基于磁齿轮的磁场调制原理[2], 采用低速外转子型结构, 使得电机结构简单、无减速机构及齿轮的磨损问题, 再利用Halbach阵列的自屏蔽效应[3], 提高了轮毂驱动电机的运行效率与转矩密度。
1 Halbach永磁轮毂电机结构
本文提出的电动车用Halbach永磁轮毂电机结构如图1所示, 从图中可以看出, 该电机外转子与定子之间只有一层气隙, 电机的外转子可以直接与轮胎轮辋相粘合, 采用Halbach阵列充磁方式的钕铁硼永磁体嵌入在电机外转子的轭部, 每极由三个永磁块组成。
图2 (a) 中展示了具体的永磁块的充磁方向, 为了对比电机的性能, 相应设计了径向充磁方式的永磁轮毂电机, 如图2 (b) 所示。
该Halbach永磁轮毂电机基于磁齿轮的磁场调制原理, 直接利用定子齿的端部来调制定子电枢绕组产生的高速旋转磁场和外转子上永磁体产生的低速旋转磁场。与磁齿轮或其他磁场调制型单气隙永磁电机相似[4,5], 本电机满足:
其中, zs是定子齿数, pr是外转子永磁体极对数, ps是定子电枢绕组极对数。相应的, 电机的变速比Gr为:
设计该电机时, 选取m=1, k=-1, 因为此时能产生最大的磁场调制。定子槽中绕有三相对称电枢绕组, 因此zs应该为3的倍数, 综合考虑电机的制作工艺、电机的高性能、低转矩波动以及高转矩传输能力, 将外转子极对数和电枢绕组极对数分别设计成23和4, 根据公式 (1) 、 (2) , 分别得到zs=27, Gr=–5.75, 也就是说电枢绕组产生的高速旋转磁场经磁场调制的作用, 带动外转子低速旋转, 转速只有电枢绕组旋转磁场的4/23, 具有直驱能力, 无需配备减速齿轮箱。
2 Halbach永磁轮毂电机设计
2.1 Halbach阵列
Halbach阵列通常可以通过将不同磁化方向的永磁块按规律组合而成。每极永磁块的个数不同, halbach阵列形式也就不同。每极永磁块的个数越多, 得到的气隙磁密分布就越正弦, 这可以帮助减小齿槽转矩。然而, 每极永磁的块数越多, 加工维护费用也越高。此外, 不同的每极永磁体块数和磁化方向也会带来不同的磁场密度。
基于上述因数, 将该Halbach永磁轮毂电机的每极永磁体块数设计为3。每极中三块永磁体的磁化方向如图2 (a) 所示, 中间那块采用径向充磁, 旁边两块的充磁方向相互对称, 与中间的永磁块充磁方向成一角度θ。为了分析三块永磁体的宽度比 (用b/2a表示) 和磁化方向 (用θ表示) 这两个量对电机的性能的影响, 先将每极整个永磁体的宽度和厚度设定好。受永磁体加工工艺的限制, 将b/2a选定在0.3到0.55之间, 考虑到气隙磁场密度, 将θ选定在10°到80°之间。利用有限元仿真软件得出如图3所示的关系图, 可以看出, 在整个永磁体的宽度和厚度一定的情况下, θ在45°~50°之间时, 电机的输出转矩比较大;b/2a在0.48到0.55的范围内, 电机转矩变化幅度比较小, 且当b/2a为0.54时, 可以得到最大转矩。考虑到永磁块宽度过小后容易发生退磁, 最终将Halbach阵列充磁角度θ和宽度比b/2a分别设计为45°和0.48。
2.2 永磁体宽度
导致车辆动力系统振动和车辆内部噪音的主要原因之一就是轮毂电机的振动, 因此, 减小电机的转矩波动尤为重要。本文所提出的Halbach永磁轮毂电机中, 永磁体的宽度是影响电机转矩波动的一个重要参数。图4展示了电机转矩波动随永磁体 (磁化方向已优化) 的宽度的变化关系。其中, X轴代表每极转子轭部宽度与整个永磁体宽度的比值, 用图2 (a) 中的c/ (2a+b) 来表示。图4中可看出, 当c/ (2a+b) 取0.6时, 能获得最小转矩波动。
2.3 永磁体厚度
永磁体的厚度对电机运行性能的影响也很大。最佳永磁体厚度的选取可以得到最大转矩传输能力。图5展示了永磁体厚度对输出转矩的影响。从图中可以看出, 当永磁体厚度设计为3.8mm时, 能得到最大转矩。
3 Halbach永磁轮毂电机性能分析
在分析电机性能过程中, 将Halbach永磁轮毂电机与径向充磁的永磁轮毂电机 (如图2 (b) 所示) 一起对比分析, 两电机各个部分尺寸一模一样, 唯一的不同就是永磁体的充磁方向。采用有限元软件对电机建模, 并对其性能进行分析。图6 (a) 和 (b) 展示了两电机在初始位置时的空载磁场分布图。可以看出, (a) 中定子齿上的磁力线比 (b) 中要密集许多, 而 (a) 中外转子轭部磁力线比 (b) 中要稀疏很多。这也正体现出Halbach阵列的自屏蔽效应, 即能使磁体一边磁场显著曾强, 而是另一边磁场显著减弱。因此, Halbach永磁轮毂电机与径向永磁轮毂电机相比, 可以提供更高的气隙磁密和更少的转子轭部磁密, 进而可以减少铁芯损耗, 提高电机效率。此外, 通过减小转子轭部的厚度, 可以减小Halbach永磁轮毂电机的体积和重量, 这也有利于减小电动汽车驱动系统的非簧载质量, 提高轮毂驱动电机转矩密度。
图7展示的是电机在转速为800 rpm时的空载反电势波形图, 从图中可以看出, 空载反电势波形为正弦波, Halbach永磁轮毂电机的反电势波形幅值比径向充磁方式电机的高了17.57%。图8展示的一定负载下的电机转矩波形图, 从图中可以得出, Halbach充磁方式比径向充磁方式的永磁轮毂电机的转矩高了16.13%。相同质量或体积下, 驱动电机的转矩密度自然得到了提高。
4 总结
本文提出的Halbach永磁轮毂电机用于电动汽车, 可以提供低速大转矩的运行方式。与径向永磁轮毂电机相比, 它可以减小铁芯损耗、电机体积, 并能获得更高的转矩和电机效率。基于有限元分析法, 分析了该电机的磁密、空载反电势以及转矩等性能。结果显示该电机特别适用于电动汽车的直驱系统。
参考文献
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[2]王利利.磁场调制型永性齿轮与低速电机的研究[D].浙江:浙江大学, 2012.
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永磁轮毂电机 篇3
外转子永磁无刷直流电机又称轮毂电机,其励磁磁场由永磁体提供。由于采用独特的外转子结构,轮毂电机可以非常方便地和车轮集成,从而省去传统汽车复杂的减速和传动机构,大大简化了电动汽车的结构,是电动汽车动力系统的重要发展方向。
应用于电动汽车的轮毂电机的永磁体通常紧密地排列在外转子的内表面,以产生足够大的转矩,所以永磁体排列的均匀性直接影响电机的运行性能。另一方面,由于电机的电枢反应、过热等原因,永磁体可能发生弱磁故障,并产生明显的转矩波动和周期性噪声。虽然傅里叶变换可以提取信号的特征频率,但是由于在变换过程中会丢失时间(或位置)信号,所以傅里叶变换不适用于非平稳动态系统的分析。本文讨论了一种新的基于小波分析的永磁体故障诊断方法,并采用两个实验验证了该方法的可行性。
1 基于小波的故障诊断
1.1 小波变换简介
令函数ψ(t)∈L2(R),其傅里叶变换F[ψ(t)](ω)满足可容许性条件:
其中,Cψ为容许值,称ψ(t)是一个母小波[1?2]。通过平移和伸缩ψ(t),可以得到一系列小波序列
式中,a、b分别为伸缩因子和平移因子。
给定函数f∈L2(R),其连续小波变换定义为
式中,为的共轭函数。
其小波逆变换为
在小波理论中,一个信号S被分解为两部分,近似部分A1和细节部分D1。A1代表信号的低频成分,D1代表高频成分。将A1分解到下一层的近似部分A2和细节部分D2,可分离出另一个高频成分,重复上述过程,可将一个信号分解成n层和的形式:
分解结果如图1所示。与傅里叶变换对比可知,小波变换是将一维时域函数映射到二维时间-尺度域上的一种变换分析方法。通过调整a和b,可获得一系列不同时间-频率宽度的小波族以匹配原始信号的任意位置,从而实现对信号的时间-频域局部化分析的目的。
1.2 永磁体排列的故障诊断
一般地,轮毂电机直接集成在电动汽车的轮胎内,因此不需要传统汽车的传动机构,电机的转速即是车轮的转速。由于
式中,T为电机的输出转矩,N·m;Pout为输出功率,W;n为转速,r/min。
则在给定电机输出功率的情况下,为获得足够的输出转矩,必须降低电机的转速,这个可通过增加转子的极对数实现。因此,应用于电动汽车的轮毂电机的极数通常大于40,以获得足够的输出转矩。
为方便粘贴,轮毂电机的永磁体通常紧密地排布在外转子的内表面上。相邻永磁体之间的间隙直接影响电机气隙磁通的分布,从而影响电机的性能。对于有双霍尔传感器的轮毂电机(一组霍尔备用),其相邻永磁体间隙信息可通过对比镶嵌在同一齿或槽的一对霍尔传感器信号的相位差获得。但是,直接对比两个信号的相位差是比较困难的,可通过对霍尔信号进行小波分解,捕捉霍尔信号的间断点,再计算细节部分的相邻极值点的距离,推导出两个永磁体之间的实际间隙宽度,其原理如图2所示。
令第k块永磁体为粘贴不合格的永磁体,其与相邻永磁体的间隙为楔形。通过对霍尔信号进行小波分解,可以获得信号的细节部分。每个采样间隔的实际宽度为
式中,r为永磁体表面到主轴的距离;s(t)为转子的转速;tm、tm+1分别为第m和m+1个采样时刻。
如果转子以恒速n旋转,式(1)可简化为
式中,fs为采样频率。
据此,相邻永磁体间隙可通过下式计算:
其中,x1、x2分别为霍尔信号A1和A2进行小波分解后的极值点。如果
式中,τ为给定容许值。
则可判定第k块和第k+1块永磁体之间的间隙合格,否则不合格。
1.3 永磁体弱磁检测
三相无刷直流电机的数学模型可表示为[3]
式中,Uk、ik、ek分别为第k相端电压、相电流和反电动势(k=a,b,c);R、L、M分别为每相等效电阻、电感和互感。
其等效电路如图3所示。
当考虑到电机的电枢反应、各相电感等因素,相电流的实际波形将发生畸变。如果一块或多块永磁体因高温或断路而发生弱磁故障,电机的气隙磁场分布将变得不对称,并在相电流波形中产生大量谐波分量。因永磁体弱磁而产生的相电流谐波频率可通过下式计算[4]:
式中,fe为相电流基波频率;P为转子极数;k为整数。
图4给出了一个有一对磁极发生弱磁的轮毂电机的相电流波形及其快速傅里叶变换(FFT)。虽然通过傅里叶变换可以获得信号的频谱从而得到因永磁体弱磁而产生的故障频率,但是由于在变换过程中丢失了位置(时间)信息,傅里叶变换无法处理动态情况。为解决上述问题,可通过对相电流波形进行小波变换以确定特征频率所在的尺度范围。最后,通过计算特征频率所占的信号能量比并与正常电机进行对比,来判断电机是否发生弱磁故障。
Ruiz等[5]指出,每个频率所占的信号能量比可通过下式计算:
式中,Cij为指数为j、尺度为i的小波变换系数;N为采样数;M为尺度数。
为简化计算,只需计及满足式(5)的频率所占的能量比。Riera-Guasp等[6]指出,信号的小波分解细节部分Di包含了满足下式的频率部分:
在小波分析中,通常采用二进策略,即s=2j,其中,j为整数。因此,只有满足
的尺度需要计算。为进一步确定需要计算的尺度,可采用下式确定:
其中,integer()为取整函数。如果电机发生永磁体弱磁故障,则满足式(5)的频率所占的能量比将大大高于正常电机在该频率所占的能量比。因此,Ei可作为判断电机在动态情况下是否发生弱磁故障的指标。
2 实验分析
为验证上述方法,分别进行了两个实验,所用的实验台如图5所示。利用MATLAB的小波工具箱对霍尔信号进行小波分解以获得信号的间断点的准确位置。第一个实验中,利用霍尔小波对霍尔信号进行小波分解以检测间断点。第二个实验中,利用db24小波对相电流信号进行小波变换,获得各频率段的小波系数。
2.1 永磁体排列间隙检测实验
图6给出了镶嵌在同一定子铁芯上的两个霍尔信号的第5层霍尔小波分解。测试电机的基本参数见表1。从图6可以明显看出,经过5层分解,可以精确地捕捉到霍尔信号的间断点。表2给出了间断点的位置(x1和x2)和测试电机的永磁体间隙距离。在工程应用中,当
式中,b为永磁体的切向宽度。
时,认为永磁体的间隙不合格。根据表1,当电机转速为n=400r/min时,相邻采样间隔的实际距离
且Δg|k=9=1.46>τ,故可得知第9和第10片永磁体之间的间隙不合格。
2.2 永磁体弱磁检测实验
实验所使用的轮毂电机有一对永磁体因高温而导致永久退磁,电机的基本参数见表3。电机运行在额定转速附近,转速波动为750~800r/min。同时对一台相同参数的电机进行了相同实验,以和有弱磁故障的实验电机做比较。根据式(6),测试电机的电流基波频率范围为
由于弱磁故障,实验电机在运行时将产生大量满足式(5)的谐波分量。表4给出了5个经过慎重选择的谐波分量及其对应的根据式(9)和式(10)计算得到的尺度,图7给出了表4中使用db24得到的各尺度的小波系数波形。虽然可以从图7中看出正常电机和弱磁电机的一些区别,但是仍需要进一步提取更有用的信息。图8给出了根据式(7)计算得到的各谐波分量的能量比分布。从图8中可以清楚地看出,有弱磁故障的电机的谐波分量能量比远远高于正常电机在该谐波频率的能量比,因此各谐波分量的能量比可以作为判断永磁电机是否发生弱磁故障的重要指标。
3 结语
本文讨论了两类轮毂电机的永磁体故障:永磁体排列均匀性和永磁体弱磁故障。利用小波分解检测霍尔信号的间断点,并对比霍尔信号的相位差以计算相邻永磁体的实际间隙。当间隙大于给定容许值时,则判定永磁体间隙不合格。对相电流进行连续小波变换,以获得因弱磁故障而产生的谐波分量的小波系数。实验数据表明,因弱磁故障而产生的谐波分量的能量比远远高于正常电机在该频率的能量比,因此可根据式(7)判定轮毂电机是否发生了弱磁故障。
参考文献
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电动汽车轮毂电机技术 篇4
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