兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂电机

分类：机电一体化论文发表 时间：2015-01-07 14:13 关注：(1)

　　论文摘要：通过对汽车各种运行工况的特性分析，得出电动汽车对其驱动电机的理想要求：需同时兼有电动、发电回馈和电磁制动三项功能。利用对变磁阻双凸极电机的结构原理分析，为兼顾并提高电机的该多功能要求，提出了对电机改进的原理和一系列措施。对所设计的两种轮毂电机的具体结构，以及分别运行于驱动车轮、发电回馈和电磁制动三种功能时的原理和过程进行了描述。应用该类电机可极大简化电动汽车的机械结构，提高其性价比，对当今推广电动汽车和节能减排起到极好效果。

　　论文关键词：发电回馈,电磁制动,轮毂电机,凸极齿宽

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　　电动汽车作为节能减排的交通工具，已得到世界各国的广泛重视，并被公认为节能、环保的未来汽车。电动汽车主要分为燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类。而这三类电动汽车都要用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶。因此发明创造一种能同时满足车辆行驶过程中各项性能要求，并具有坚固耐用、造价低、效能高等特点的电机显得尤其重要。

　　据有关资料技术分析可知，汽车用电动机驱动与由发动机驱动相比，有两大点技术优势：第一对于发动机由于能高效产生转矩时的转速被限制在一个很窄的范围内，为此需通过庞大而复杂的变速机构来适应这一特性。而电动机可以在相当宽广的速度范围内高效地产生转矩，电机现代控制理论已使直接转矩控制技术得到越来越多的应用，数控机床伺服驱动早已对此作了验证，并其调速性能指标远高于汽车行驶要求。第二电动机在实现转矩的快速响应性指标要比发动机高出2个数量级，即为10倍。因此如何设法充分发挥电动机驱动的应有技术优势来改变提高汽车的各项性能是电动汽车研发中的重要课题。

　　节能环保的电动汽车未能及时推广的主要原因是其性价比。现所研发的电动汽车由于受传统汽车设计思路所束缚，其结构仅在传统汽车基础上改装而成，未能充分发挥电机驱动应有的各种技术优势，以致使性价比也难有突破性提高。通过对各种电动汽车动力传动机构的分析比较，采用轮毂式电机驱动方式是最能充分发挥其电机驱动的技术优势。再根据汽车在各种运行工况的特性分析，得出电动汽车对其驱动电机在起步、加速、减速、制动等状况时的各种特性要求。提出了兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂式电机（简称多功能轮毂电机），其相关发明专利经实质性审查已被授予国家发明专利，并荣获国家知识产权局主办的中国国际专利与名牌博览会特金奖。

　　它在电动汽车上应用不仅可实现小马拉大车，提高电机驱动效率，还大大减化机械传动机构，减轻整车自重，减小其传动和附加损耗，即降低成本，也节能减噪。并且如同高档轿车采用4WD四轮驱动，可进一步提高车轮控制的动态响应性，通过微机控制更易实现在传统轿车上较难实施的各种性能优化措施，从而改善操控性和安全性。以此即可全面提高节源环保型电动微轿车的各项性能指标和性价比，使其达到普及型商品化要求。对当今推广电动汽车和节能减排起到极好的效果。本文就为该类轮毂式电机如何为满足汽车运行的各种特性要求，从原理结构上进行改进设计等进行论述。

　　一、电动汽车对驱动电机的特性要求

　　通过对车辆起步、加速、爬坡、下坡、高速、低速、滑行、降速、制动和停车等各种行驶工况特性的全面分析，总结出电动汽车对驱动电机的六项性能要求：

　　1.有较大的启动扭矩和相当的短时过载能力以满足汽车起步、加速和上坡时要求；

　　2.改善电机的启动特性，避免过大的启动峰值电流损坏蓄电池；

　　3.有较宽调速范围和理想调速特性以满足汽车高、低速各工况行驶要求；

　　4.要求电机正反转以简化汽车倒车机构；

　　5.需电机能方便有效实现发电回馈，将汽车在降速制动和下坡时的动能自动回馈蓄电池，以节能和提高续驶里程；

　　6.设法利用电磁吸力使电机的定、转子相互吸住来实现电磁制动，避免机械制动存在的热衰退和水衰退，并改进电磁制动功能以缩短制动时间，提高汽车在频繁起、停运行中的制动效能及其恒定性。

　　根据上述分析得出电动汽车对其轮毂式电机除了有较好的调速性能，还要求同时兼有电动、发电回馈和电磁制动三项功能。通过对直流、交流、永磁无刷、变磁阻等各类调速电机的结构原理和特性分析比较，由于变磁阻双凸极电机具有结构简单、坚固可靠、制造成本低、调速性能好、效率高等优点，能运行于正、反转电动及发电四个象限，为一种新兴的典型机电一体化装置。并具有高起动转矩、低起动电流，即特别适于汽车起步和蓄电池驱动的特性要求。为使电动、发电、制动三功能同时较好地有效发挥，首先确定了采用变磁阻双凸极电机作为其基本结构形式。

　　为满足电机的多功能要求，利用制作电机模型，反复模拟运行和改进设计，最终通过巧妙合理安排电机双凸极齿与槽的相对宽度和其绕组的空间布局等一系列改进措施，提高和兼顾了电动、发电和制动三功能的较好发挥。为说明对电机改进的思路和基本原理，需先对现有变磁阻双凸极电机的结构原理作必要说明。

　　二、有关变磁阻双凸极电机的介绍与其结构原理分析

　　变磁阻双凸极电机主要指开关磁阻SRM电机和双凸极永磁DSPM电机。有关变磁阻双凸极电机的结构原理已有不少专著有详尽介绍，在此限于篇幅不再重复，但需借助所推导的理论公式及其结论来进一步分析并提出其改进思路。图1为典型的三相6/4开关磁阻电机结构原理图，如以图中定、转子所处位置为启点，依次给A→C→B→A相绕组顺序通电，则转子在其磁阻转矩的作用下将顺时针转动；反之，若按B→C→A→B顺序通电，则转子就逆时针转动。通过分析可得到其SRM电机产生电磁转矩的基本表达式：

　　（1-1）

　　它表明SRM电机所产生的瞬时电磁转矩T正比于电感L对其转角θ的导数和电流i的平方。

　　而且若电感L是随转角θ的增加而增加时，绕组通入电流所产生的电磁转矩为正，即电磁转矩为驱动性，电机运行于电动机状态；若电感L是随转角θ的增加而减少时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性，电机运行于发电机状态。

　　如不考虑磁路饱和，绕组电感L是随转角θ呈线性变化。如图2所示（图中β为转子齿宽度，β为定子齿宽度，a为转子槽宽度，通常β＞β，a＞β）。当转子极处于定子两极之间，定子极弧与转子极弧无重合，气隙磁导最小，电感为最小值L。当转子位置角θ增大时，转子极弧与定子极弧开始重合，绕组电感随之增大，当整个定子极弧与转子极弧相重合时，电感达到最大值L,并在β-β内保持不变。当θ继续增大时，定、转子极弧的重叠部分将线性减小，故电感随之线性下降。由图可知，其线性电感可表示如下（1-2）式，式中θ为转子极距角，系数K为:K=(L-L)/(θ-θ)。

　　利用上述电机的电磁转矩公式（1-1）和绕组电感L随转角θ变化的表达式(1-2)，即可较好地说明如何实现电动、发电回馈和电磁制动三种不同的控制方式。通常电机的可控变量为绕组电压±U、开通角θ和关断角θ三个参数。在电动机运行状态时，要求以电感增大区作为电路导通区，即如图2所示的转子角θ和θ为开通角θ和关断角θ的参考点。而在发电机运行状态时，则以电感减小区作为电路导通区，即以转子角θ和θ作为开通角θ和关断角θ的参考点。并且在电感最大区β-β保持电流，即使该相绕组持续通电就可实现电磁制动。

　　三、改进电机的基本思路

　　根据上述电磁转矩公式（1-1）可知电感L对其转角θ的导数，即磁导（电感）变化率越大，其电磁转矩T就越大。反映在电机结构上也就是电机极弧槽距（Δθ）的减小有利于提高输出电磁转矩T。即从结构上来说，可适当减小槽距，从而即增大凸极齿宽，并且凸极齿宽的增大也正好使电机在制动时能增大其电磁制动力矩。为充分发挥电机的电磁制动效能，要求在电磁制动使绕组持续通电时，能使定、转子圆周上的凸极以电磁相吸而重合的极弧边距尽可能大。为此可通过减少绕组相数和减小凹槽相对宽度两个途径来设法增大了凸极齿宽（突破了此类电机的凸极齿宽一般小于其槽宽的形式）。并且绕组相数的减少，也可减少驱动控制器的功率开关元器件数，即有利于降低其成本。同时又考虑到为减小电机低速时的转矩波动而引起的噪声和振动，需设法通过增加极数来减小转子极距角θ，并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反,各极上的绕组以串联形式连接。

　　总之，为了兼顾电动、制动两项功能的发挥，电机的设计原则为：通过减少相数和减小凹槽相对宽度来增大凸极齿宽以利提高其电磁制动力矩；通过增加极数来减小电动时的转矩波动，即减小步距角。另外，也可采用改变运行拍数或如同步进电机采用细分驱动电路的方式来设法减小步距角。

　　四、电机结构上的改进措施

　　根据上述改进电机的基本思路，本发明电机采用了绕组相数尽可能少的两种结构，即为二相和三相，在此以外转子内定子的轮毂式电机结构形式分别描述如下：

　　二相磁阻电机的改进结构如图3所示，其特点是转子凸极齿宽大于槽宽，同时定子极数小于转子极数。定子极数为4的整倍数，而转子极数为6的相同整倍数，图3所示电机的倍数为2，即为二相8/12极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，可通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。为使电机在正、反方向均有自起动能力，要求外转子凸极为永磁体，并以异向极性间隔排列，采用永磁体也有利于提高电机功效，由于永磁体在外转子上，运行转动时可利用车轮轮幅自然散热，避免永磁体在高温下出现退磁现象。同时也要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反,各极上的绕组以串联形式连接。图3中电机各极距的设计参考值为：外转子永磁体凸极的齿距为20度，槽距为10度；其内定子的凸极齿距为22度，槽距为23度。

　　三相磁阻电机的改进结构如图4所示，其特点是定、转子凸极齿宽均大于槽宽，同时定子极数大于转子极数。定子极数为6的整倍数，而转子极数为4的相同整倍数，图4所示电机的倍数为2，即为三相12/8极磁阻电机。为减小电动时的转矩波动，可通过增加极数来减小步距角，其倍数可增大为3、4、5。并且要求同相绕组在其相邻凸极上的绕向相反，即通电后所产生的磁场极性相反,各极上的绕组以串联形式连接。图4中电机各极距的设计参考值为：外转子凸极齿距为26度，槽距为19度；内定子的凸极齿距为18度，槽距为12度。

　　由于该类电机运行时，需要根据汽车运行的实际工况，随时改变电机的运行方式，使其运行于电动、发电回馈或电磁制动任一种状态下。为此，根据变磁阻电机运行原理，需配备转角θ位置检测装置，可采用接近开关式、磁敏式、光电式等各种形式。在此为提高抗干扰能力，可用光电式：即按外转子凸极的分布位置做一透光码盘，与外转子同轴连接，而在内定子相应位置上安装有若干对光电耦合开关,透光码盘与光电耦合开关配合即可检测转角θ的相对位置。

　　当然也可利用电机绕组电感随转子位置变化的这一特性，通过测量非导通绕组电感来推断转子的位置。转角θ位置检测装置通过对时间t的微分运算也可兼作车轮转速检测用。

　　五、电机实现电动、发电回馈和电磁制动三种功能的运行原理和过程

　　1.电机运行在电动驱动功能时的原理和过程：

　　为便于说明首先采用图4所示的三相12/8极磁阻电机最简单的单三拍运行方式来描述其工作过程：当某相绕组通电励磁时，所产生的磁场力力求使磁路磁阻减少，即磁力线力图通过磁阻最小途径，转子将受到磁阻转矩作用，使得转子的凸极齿与该相定子磁极上的齿相重合。当这一过程接近完成时，适时切断原励磁相电流，并以相同方式给定子下一相励磁，则将开始第二个完全相似的作用过程。为此电机需通过转角θ位置检测装置检测定、转子的相对位置。若以图4中定、转子所处位置为起始点，依次轮流按A→B→C→A顺序通电，外转子就会不断地按逆时针方向转动；若按A→C→B→A的顺序通电，电动机就会顺时针方向转动。该电机也可采用双三拍或六拍方式运行。双三拍的通电方式为：AB→BC→CA→AB；而六拍的通电方式为：A→AB→B→BC→C→CA→A。每一循环周期转子均转过45度，即三拍的步距角为45/3=15度，而六拍的步距角为45/6=7.5度，所以步距角六拍比三拍少一半。

　　对于图3中二相8/12极磁阻电机可采用其最简单的单四拍运行方式来描述其工作过程：当电机通过转角θ位置检测装置检测到定、转子的相对位置时，若以图3中定、转子所处位置为起始点，对A相绕组通入正向电流，内定子A相凸极按右手螺旋定律所产生的磁场方向正好同图3所示一致，按同性相斥（推力）、异性相吸（拉力）原理或在磁阻转矩作用下，外转子向顺时针转过60/4=15度，即转子永磁体凸极的中心与励磁A相定子凸极中心重合。当这一过程接近完成时，适时切断原励磁A相电流，对B相绕组通入反向电流，B相凸极所产生的磁场极性与图3中所示方向相反(即N极与S极互为对换)，同理在磁阻转矩作用下，外转子向顺时针继续转过15度，即转子永磁体凸极的中心与励磁B相定子凸极中心重合。同理依次以A→（-B）→（-A）→B→A方式通电，外转子顺时针旋转；反之，若以（-A）→（-B）→A→B→（-A）方式通电，则外转子逆时针旋转。该电机也可采用双四拍或八拍方式运行。双四拍的通电方式为：AB→A(-B）→（-A）（-B）→（-A）B→AB→。而八拍的通电方式为：A→AB→B→B（-A）→（-A）→（-A）（-B）→（-B）→（-B）A→A→。其八拍运行时步距角减小一半，即为60/8=7.5度。

　　据资料分析电机电流与其转速成反比，而磁阻电机的电磁转矩又正比于电流的2次方（对于交、直流电机等一般均为1次方），因而易获得低速大扭矩。但由于电动汽车由蓄电池供电，过大的峰值电流极易损坏蓄电池（对此也可设法通过改变蓄电池组的串并联方式来实现低电压大电流起动），因此电机低速启动时必须通过斩波限流控制。即为满足电动汽车对电机有较宽的调速要求，在电动驱动车轮运行状态下，低速时须采用电流斩波控制(CCC)以得到恒转矩调速控制；高速时采用角度位置控制(APC)或称单脉冲触发模式，以实现恒功率调速控制。

　　2.电机运行在发电回馈功能时的原理和过程：

　　当电动汽车需降速或下坡运行时，可利用其动能惯性来实现发电回馈制动。根据前述对电磁转矩基本表达式的分析可知，当电感L随着转角θ的增加而减少（即外转子的凹槽趋向绕组凸极）时，绕组内流过电流则产生负的电磁转矩，即电磁转矩为制动性的，电机运行于发电机状态。通过转角θ位置检测装置当检测到外转子的凹槽即将趋向于某一绕组凸极时，即刻接通该相绕组电路进行励磁，该相绕组产生的磁场将对转子产生反方向的阻力矩，而转子上的动能将转化成磁能储存于磁场中，直至转子的下一凸极接近该绕组凸极时，就切断该相绕组电路，此时将通过续流二极管，将储存在磁场中的磁能转化成电能回馈给蓄电池。如此反复即能以脉冲形式给蓄电池充电。据资料分析采用适当参数的脉冲充电法，还有利于极板恢复蓄电池原晶体结构和消除记忆效应。对于如图3所示结构的电机，如欲提高发电过程，可适当增大电机的凹槽宽度。不过如此也将减小凸极齿宽度，即减小了电磁制动效果。

　　3.电机运行在电磁制动功能时的原理和过程：

　　当电动汽车经降速后需制动停止时。对图3二相8/12极磁阻电机，可保持某相绕组持续通电，如图3中所示位置，即为B相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，由图3可知电机圆周的对称四边均有一对凸极被电磁力吸住，所吸合的各极弧相加后其总极弧边距可达80度，并且A相的凸极也部分被永磁体吸住；也可按转角θ所检测信号在某一位置时，同时保持两相绕组持续通电，使内定子的8个凸极齿均有部分与外转子凸极被电磁力所吸住，其所吸合的各极弧相加后总极弧边距可达108度。

　　对于图4三相12/8极磁阻电机来说，可保持某两相绕组持续通电，如图4中所示位置，即为A、C两相绕组持续通电后产生的电磁制动而保持的定转子相对位置，由图可知电机圆周的对称四边均有两对凸极齿被电磁力吸住，并且所吸合的各极弧相加后其总极弧边距可达116度；若按转角θ所检测信号在某一位置时，同时保持三相绕组持续通电，使内定子的12个凸极齿各有部分与外转子凸极被电磁力所吸住，其所吸合的各极弧相加后总极弧边距可达128度。

　　如当电机由于动能惯性较大时，需利用转角θ位置的检测，采用与发电回馈制动相结合的方法反复进行，直至转角θ的位置检测无变化即停止为止。而且这种发电回馈-电磁制动相结合反复进行的制动过程，类似于现代轿车中的防抱死制动系统(ABS)或驱动防滑转控制ASR的的制动过程，从而可提高车辆行驶的安全性、稳定性和转向操纵性。

　　为确保电机运行于各种控制方式的快速响应性，其驱动与控制电路须采用开关响应特性好的晶体管(非晶闸管)大功率开关管与高速数字信号处理器DSP相结合来进行。

　　通过对上述二相8/12极磁阻电机与三相12/8极磁阻电机的结构、运行过程及其驱动控制器的分析比较，可看出三相12/8极磁阻电机的性价比略高。并且二相8/12极磁阻电机在电机不通电的状态下，由于永磁体的磁力作用，电机有一定的自锁特点，这对于汽车停车时可起到一定的制动效果，但是若汽车发生故障需要其它车辆拖动时就会增加相应的阻力。

　　参考文献

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