具有啟動繞組的單相開關(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)是沒有自啟動功能，通過對各類電機(jī)啟動機(jī)理的分析比較，提出了利用直流電機(jī)原理啟動，按變磁阻原理運(yùn)行，并具有更好的電磁制動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)簡單、堅固可靠、廉價而高效等優(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,單位體積功率,直流啟動繞組
一、充分發(fā)揮輪轂電機(jī)應(yīng)用于電動汽車的技術(shù)優(yōu)勢
隨著節(jié)能減排工作的深入，用電動汽車取代傳統(tǒng)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(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)來驅(qū)動車輪行駛。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過載能力等諸多優(yōu)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(jī)直接驅(qū)動車輪是最能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，通過歸納總結(jié)，輪轂電機(jī)在電動汽車上應(yīng)用具有如下8項特點(diǎn)：
1）簡化機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)及降低車載自重采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動車輪，大大縮短了機(jī)械傳動鏈，實現(xiàn)“零傳動”將使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生脫胎換骨的變化，對純電動汽車來說不僅去掉了發(fā)動機(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、萬向傳動部件及驅(qū)動橋等機(jī)械傳動裝置，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)動效率，對節(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)心高度等車輛動力學(xué)要求來進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局。
3）提高汽車越野通過等性能采用輪轂電機(jī)驅(qū)動即可方便地實現(xiàn)高檔轎車的4WD前后四輪驅(qū)動模式，按車輛動力學(xué)分析只有四輪驅(qū)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(zhuǎn)向等性能。
4）提高了對車輪控制的快速響應(yīng)性按控制理論分析整個閉環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(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個數(shù)量級，就驅(qū)動調(diào)速系統(tǒng)來說，傳統(tǒng)汽車需從控制節(jié)氣門，經(jīng)發(fā)動機(jī)的燃爆過程，到各個機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)等眾多環(huán)節(jié)傳遞后的響應(yīng)時間，與采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動車輪相比，其整體的動態(tài)響應(yīng)指標(biāo)要相差數(shù)百倍。從而即可容易地實現(xiàn)傳統(tǒng)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(wěn)定性。
5）提高車輪的動能能量回收率眾所周知只有驅(qū)動輪才能實現(xiàn)制動能量的回收，采用輪轂電機(jī)直接驅(qū)動省去了機(jī)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(fā)電回饋、電磁制動多功能輪轂電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，在汽車滑行、降速制動和下坡過程中通過發(fā)電回饋，其回收的電能將比現(xiàn)有電動汽車的一般方式至少提高1倍多。
6）要求實行機(jī)電一體化控制模式采用兩臺或四臺輪轂電機(jī)實現(xiàn)雙前輪驅(qū)動、雙后輪驅(qū)動或4WD前后四輪驅(qū)動幾種模式，通過分散驅(qū)動可實現(xiàn)小馬拉大車。各臺電機(jī)的驅(qū)動控制模塊可集成在車輪內(nèi)，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(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，特別是對于采用輪轂電機(jī)進(jìn)行4WD前后四輪驅(qū)動控制模式，更需要運(yùn)用總線控制技術(shù)，來簡化電動汽車內(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(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)動經(jīng)電子差速控制，易于實現(xiàn)四輪轉(zhuǎn)向來全面改善汽車轉(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，省去了由外部動力驅(qū)動所需的驅(qū)動橋、差速器等傳遞機(jī)構(gòu)，從而即可對汽車轉(zhuǎn)向系機(jī)構(gòu)進(jìn)行極大的改進(jìn)和簡化，可使車輪做到±180旋轉(zhuǎn)，以實現(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)在電動汽車上應(yīng)用的諸多優(yōu)勢，但由于輪轂電機(jī)受其結(jié)構(gòu)體積限制，對一般電動汽車要求驅(qū)動功率均較大，所以對電機(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)簡單、堅固可靠、制造成本低、且驅(qū)動控制器成本也最低、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)是沒有自啟動功能，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)。由此使該廉價而高效的電機(jī)難以進(jìn)入實用化。
通過對各類電機(jī)啟動機(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的直流繞組，即利用直流電機(jī)原理啟動，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、發(fā)電回饋和電磁制動多功能輪轂電機(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(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轉(zhuǎn)矩波動，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力矩，但對驅(qū)動旋轉(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的.直流電樞繞組，按直流電機(jī)工作原理，啟動繞組的電流方向應(yīng)與內(nèi)定子勵磁繞組所形成磁場的磁力線呈相切關(guān)系，所啟動繞組如圖示在凸極上按徑向分布，通過內(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。
二、帶啟動繞組單相SR多功能電機(jī)的各種運(yùn)行過程
現(xiàn)對該電機(jī)在啟動、驅(qū)動旋轉(zhuǎn)、發(fā)電回饋、電磁制動各運(yùn)行狀態(tài)下的工作過程具體描述如下：
1.電機(jī)啟動工作過程
電機(jī)啟動前通常處于平衡位置，即定、轉(zhuǎn)子凸極齒處于對齊位置，這可按轉(zhuǎn)子位置角檢測信號判斷得到。此時對電機(jī)定子繞組通入直流勵磁電流，電機(jī)即產(chǎn)生閉合磁場。根據(jù)磁場方向及所要求的轉(zhuǎn)向，對轉(zhuǎn)子繞組通入相應(yīng)方向的電流后，電動機(jī)根據(jù)通電導(dǎo)體在磁場中產(chǎn)生電磁力的直流電機(jī)原理按左手定則所確定方向啟動，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過較小平衡角度，即在轉(zhuǎn)子凸極趨近于定子凸極時，即刻切斷轉(zhuǎn)子電流，使定子繞組按變磁阻電機(jī)的“磁阻最小原理”運(yùn)轉(zhuǎn)。倘若帶負(fù)載啟動情況下，負(fù)載力矩較大一時難以啟動時，可采用多次利用轉(zhuǎn)子繞組通電方式啟動，即根據(jù)轉(zhuǎn)子位置角檢測信號，在電機(jī)轉(zhuǎn)到定、轉(zhuǎn)子的凸極即將對齊時，再給轉(zhuǎn)子繞組通入電流，使電機(jī)又按直流電機(jī)原理運(yùn)轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)到定、轉(zhuǎn)子凸極趨向接近時，再使轉(zhuǎn)子斷電，由定子繞組按變磁阻電機(jī)原理轉(zhuǎn)動，如此周而復(fù)始，直至電機(jī)完全啟動。由于轉(zhuǎn)子通電運(yùn)行的整個過程中電流總是單方向，其電刷不會存在如同直流電機(jī)的換相火花等弊端，所電刷壽命可相當(dāng)長。
2.驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作過程
電機(jī)啟動后就按變磁阻原理運(yùn)轉(zhuǎn)，即每當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極趨向定子凸極時，給定子繞組通電勵磁，所產(chǎn)生的磁場力力求使磁路磁阻減少，即磁力線力圖通過磁阻最小途徑，轉(zhuǎn)子受到磁阻轉(zhuǎn)矩作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度后，即刻使繞組斷電以避免轉(zhuǎn)子凸極與定子凸極相重合對齊產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子靠慣性旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)子凸極趨向下一個定子凸極時再通電，即通過轉(zhuǎn)角檢測控制繞組以脈沖形式通斷電，使電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。如當(dāng)負(fù)載較大時也可采用直流電動與變磁阻電動相結(jié)合的方式，即按轉(zhuǎn)子角檢測信號，在電機(jī)轉(zhuǎn)到定、轉(zhuǎn)子凸極趨向接近時使轉(zhuǎn)子斷電,由定子繞組按變磁阻電機(jī)原理轉(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)到定、轉(zhuǎn)子的凸極即將對齊時,給轉(zhuǎn)子繞組通入電流，使電機(jī)按直流電機(jī)原理運(yùn)轉(zhuǎn)。同樣為滿足電動汽車行駛時調(diào)速要求，在低速時需采用電流斬波控制方式以得到恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性；高速時采用角度位置控制方式以實現(xiàn)恒功率調(diào)速特性。
3.發(fā)電回饋工作過程
當(dāng)電動汽車需降速制動或下坡運(yùn)行時，即可利用其動能慣性實現(xiàn)發(fā)電回饋。根據(jù)轉(zhuǎn)子角檢測信號當(dāng)外轉(zhuǎn)子凹槽即將趨向于定子凸極時，即刻接通定子繞組，從而對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動力矩，并將轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在磁場中，而當(dāng)轉(zhuǎn)子凸極即將趨向定子凸極時，就切斷定子繞組電路，此時通過續(xù)流二極管將儲存在磁場中的磁能轉(zhuǎn)化成電能回饋給蓄電池。如此反復(fù)就以脈沖形式向蓄電池充電。
4.電磁制動工作過程
當(dāng)電機(jī)經(jīng)上述發(fā)電回饋降速后需制動停止時，就對定子繞組持續(xù)通電，所產(chǎn)生磁場即可使定、轉(zhuǎn)子各對凸極齒被電磁力相互吸住，并且制動力也按電機(jī)圓周各凸極齒的分布而繞圓周均勻?qū)ΨQ。由于采用了單相電機(jī)，在電機(jī)凸極距與凹槽距相等時，即可使定、轉(zhuǎn)子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達(dá)到180度，若適當(dāng)增大電機(jī)凸極距與凹槽距的比例，如比例定為6:5可使電磁制動時，其定、轉(zhuǎn)子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達(dá)到196.36(360×6/11)度。如當(dāng)電機(jī)動能慣性較大時，還需根據(jù)轉(zhuǎn)角位置檢測信號，采用與發(fā)電回饋制動相結(jié)合方法反復(fù)進(jìn)行，直至轉(zhuǎn)角位置檢測無變化即停止為止。該電磁制動-發(fā)電回饋反復(fù)進(jìn)行的制動過程，類似現(xiàn)代轎車的防抱死制動系統(tǒng)ABS或驅(qū)動防滑轉(zhuǎn)控制ASR的制動過程，可提高車輛行駛穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱性。
具有啟動繞組的單相磁阻式多功能電機(jī)與兼有電動、發(fā)電回饋和電磁制動多功能的電動汽車輪轂電機(jī)所介紹的二相8/12及三相12/8兩種變磁阻電機(jī)相比，具有單位體積功率高、堅固可靠、結(jié)構(gòu)更簡單、電機(jī)制造及其驅(qū)動控制器成本更低等特點(diǎn)，在實現(xiàn)電磁制動時，其制動效果也遠(yuǎn)高于二相8/12及三相12/8兩種電機(jī)，并在驅(qū)動運(yùn)行時采用直流電動與變磁阻電動的組合方式，可更充分提高電機(jī)單位體積功效。這種用直流電機(jī)原理啟動，按變磁阻原理運(yùn)行的組合式創(chuàng)新電機(jī)將極大地提高電動汽車的性價比。良好的電磁制動可較大地降低原有的機(jī)械制動器使用頻度。為此有望對原有機(jī)械制動器改型或外移，僅用于汽車緊急制動和駐車制動。使得車輪輪轂內(nèi)能有更多的空間供電機(jī)布局用。
參考文獻(xiàn)
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