具有啟動(dòng)繞組的單相開(kāi)關(guān)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(dòng)汽車(chē)上應用的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于受其結構體積限制，對汽車(chē)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(kāi)關(guān)磁阻電機恰具有該特點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是沒(méi)有自啟動(dòng)功能，通過(guò)對各類(lèi)電機啟動(dòng)機理的分析比較，提出了利用直流電機原理啟動(dòng)，按變磁阻原理運行，并具有更好的電磁制動(dòng)等三功能的組合式創(chuàng )新電機，使該電機所具有的結構簡(jiǎn)單、堅固可靠、廉價(jià)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,電磁制動(dòng),單位體積功率,直流啟動(dòng)繞組
一、充分發(fā)揮輪轂電機應用于電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)優(yōu)勢
隨著(zhù)節能減排工作的深入，用電動(dòng)汽車(chē)取代傳統汽車(chē)將成必然趨勢。而電動(dòng)汽車(chē)所包含的燃料電池汽車(chē)FCV、混合動(dòng)力汽車(chē)HEV和純電動(dòng)汽車(chē)EV三大類(lèi)汽車(chē)都要用電動(dòng)機作為執行機構來(lái)驅動(dòng)車(chē)輪行駛。充分發(fā)揮電機所具有的快速響應性、寬廣的調速性能、相當的短時(shí)過(guò)載能力等諸多優(yōu)勢來(lái)提高電動(dòng)汽車(chē)性?xún)r(jià)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(dòng)車(chē)輪是最能發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，通過(guò)歸納總結，輪轂電機在電動(dòng)汽車(chē)上應用具有如下8項特點(diǎn)：
1）簡(jiǎn)化機械傳動(dòng)機構及降低車(chē)載自重采用輪轂電機直接驅動(dòng)車(chē)輪，大大縮短了機械傳動(dòng)鏈，實(shí)現“零傳動(dòng)”將使汽車(chē)結構發(fā)生脫胎換骨的變化，對純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)不僅去掉了發(fā)動(dòng)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(wàn)向傳動(dòng)部件及驅動(dòng)橋等機械傳動(dòng)裝置，這不僅節省了大量機械部件成本，還減輕了汽車(chē)自重，有利于提高整車(chē)的驅動(dòng)效率，對節能、減噪都有益。
2）有利于汽車(chē)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(chē)總體布局，使所增加的蓄電池可經(jīng)適當分散作為配重物按盡可能降低車(chē)輛質(zhì)心高度等車(chē)輛動(dòng)力學(xué)要求來(lái)進(jìn)行結構布局。
3）提高汽車(chē)越野通過(guò)等性能采用輪轂電機驅動(dòng)即可方便地實(shí)現高檔轎車(chē)的4WD前后四輪驅動(dòng)模式，按車(chē)輛動(dòng)力學(xué)分析只有四輪驅動(dòng)才能充分利用車(chē)輪對地面的附著(zhù)力，從而極大地改善車(chē)輛的越野通過(guò)、防滑制動(dòng)、快速轉向等性能。
4）提高了對車(chē)輪控制的快速響應性按控制理論分析整個(gè)閉環(huán)系統各環(huán)節的動(dòng)態(tài)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(gè)數量級，就驅動(dòng)調速系統來(lái)說(shuō)，傳統汽車(chē)需從控制節氣門(mén)，經(jīng)發(fā)動(dòng)機的燃爆過(guò)程，到各個(gè)機械傳動(dòng)機構等眾多環(huán)節傳遞后的響應時(shí)間，與采用輪轂電機直接驅動(dòng)車(chē)輪相比，其整體的動(dòng)態(tài)響應指標要相差數百倍。從而即可容易地實(shí)現傳統高檔轎車(chē)較難實(shí)施的各種高性能控制功能，以極大地改善汽車(chē)行駛的安全性、操控性和穩定性。
5）提高車(chē)輪的動(dòng)能能量回收率眾所周知只有驅動(dòng)輪才能實(shí)現制動(dòng)能量的回收，采用輪轂電機直接驅動(dòng)省去了機械傳動(dòng)損耗，對車(chē)輪動(dòng)能的回收更直接，所以采用四臺兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋、電磁制動(dòng)多功能輪轂電機進(jìn)行驅動(dòng)，在汽車(chē)滑行、降速制動(dòng)和下坡過(guò)程中通過(guò)發(fā)電回饋，其回收的電能將比現有電動(dòng)汽車(chē)的一般方式至少提高1倍多。
6）要求實(shí)行機電一體化控制模式采用兩臺或四臺輪轂電機實(shí)現雙前輪驅動(dòng)、雙后輪驅動(dòng)或4WD前后四輪驅動(dòng)幾種模式，通過(guò)分散驅動(dòng)可實(shí)現小馬拉大車(chē)。各臺電機的驅動(dòng)控制模塊可集成在車(chē)輪內，為減少電動(dòng)汽車(chē)各控制部件之間的硬件連線(xiàn)，提高可靠性，現代汽車(chē)控制系統已較多地采用了微機多CPU總線(xiàn)控制方式，特別是對于采用輪轂電機進(jìn)行4WD前后四輪驅動(dòng)控制模式，更需要運用總線(xiàn)控制技術(shù)，來(lái)簡(jiǎn)化電動(dòng)汽車(chē)內部線(xiàn)路的布局，提高其可靠性，也便于故障診斷和維修。實(shí)施該類(lèi)機電一體化控制的模塊化結構，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(chē)質(zhì)心與車(chē)身高度采用輪轂電機即需實(shí)現電子差速轉向，取消了機械差速器和貫串于車(chē)軸的左右半軸，即可從整體上降低車(chē)身高度，設計成低車(chē)地板形式即便于乘用人上下車(chē)，更主要是可降低車(chē)輛重心高度來(lái)提高汽車(chē)行駛穩定性。
8）可極大地改善汽車(chē)轉向性能用四輪轂電機驅動(dòng)經(jīng)電子差速控制，易于實(shí)現四輪轉向來(lái)全面改善汽車(chē)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(chē)輪由本身轂內電機驅動(dòng)，省去了由外部動(dòng)力驅動(dòng)所需的驅動(dòng)橋、差速器等傳遞機構，從而即可對汽車(chē)轉向系機構進(jìn)行極大的改進(jìn)和簡(jiǎn)化，可使車(chē)輪做到±180旋轉，以實(shí)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(dòng)汽車(chē)上應用的諸多優(yōu)勢，但由于輪轂電機受其結構體積限制，對一般電動(dòng)汽車(chē)要求驅動(dòng)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(kāi)關(guān)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(diǎn)，并又有結構簡(jiǎn)單、堅固可靠、制造成本低、且驅動(dòng)控制器成本也最低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但單相開(kāi)關(guān)磁阻式電機的最大缺點(diǎn)是沒(méi)有自啟動(dòng)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(dòng)等結構，但該類(lèi)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(jià)而高效的電機難以進(jìn)入實(shí)用化。
通過(guò)對各類(lèi)電機啟動(dòng)機理的分析比較，為此提出在其電機轉子上增加專(zhuān)用于啟動(dòng)的直流繞組，即利用直流電機原理啟動(dòng)，而按變磁阻原理運行的組合式創(chuàng )新電機。并按兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)多功能輪轂電機改進(jìn)思路的分析結論，為兼顧其三功能的較好發(fā)揮，要求電機相數越少越好，所以單相開(kāi)關(guān)磁阻式電機將具有更好的多功能效果。開(kāi)關(guān)磁阻(SR,SwitchedReluctance)電機也簡(jiǎn)稱(chēng)SR電機，它的結構原理已有不少專(zhuān)著(zhù)有詳盡介紹，需要時(shí)可參考之。圖1為帶啟動(dòng)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(shí)轉矩波動(dòng)，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(dòng)力矩，但對驅動(dòng)旋轉功效有所影響。內定子繞組為環(huán)形線(xiàn)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(huán)形閉合磁路，上、下外轉子均布有專(zhuān)用于啟動(dòng)的.直流電樞繞組，按直流電機工作原理，啟動(dòng)繞組的電流方向應與內定子勵磁繞組所形成磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)呈相切關(guān)系，所啟動(dòng)繞組如圖示在凸極上按徑向分布，通過(guò)內、外環(huán)連線(xiàn)引出，并上、下外轉子引出線(xiàn)的極性正好相反，即上外轉子的內、外環(huán)連線(xiàn)分別與下外轉子的外、內環(huán)連線(xiàn)相連接。由于繞組在轉子上，電源的輸入需通過(guò)電刷，但由于只在啟動(dòng)時(shí)用，電刷所固有的弊端影響也就很小。
二、帶啟動(dòng)繞組單相SR多功能電機的各種運行過(guò)程
現對該電機在啟動(dòng)、驅動(dòng)旋轉、發(fā)電回饋、電磁制動(dòng)各運行狀態(tài)下的工作過(guò)程具體描述如下：
1.電機啟動(dòng)工作過(guò)程
電機啟動(dòng)前通常處于平衡位置，即定、轉子凸極齒處于對齊位置，這可按轉子位置角檢測信號判斷得到。此時(shí)對電機定子繞組通入直流勵磁電流，電機即產(chǎn)生閉合磁場(chǎng)。根據磁場(chǎng)方向及所要求的轉向，對轉子繞組通入相應方向的電流后，電動(dòng)機根據通電導體在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力的直流電機原理按左手定則所確定方向啟動(dòng)，當電機轉過(guò)較小平衡角度，即在轉子凸極趨近于定子凸極時(shí)，即刻切斷轉子電流，使定子繞組按變磁阻電機的“磁阻最小原理”運轉。倘若帶負載啟動(dòng)情況下，負載力矩較大一時(shí)難以啟動(dòng)時(shí)，可采用多次利用轉子繞組通電方式啟動(dòng)，即根據轉子位置角檢測信號，在電機轉到定、轉子的凸極即將對齊時(shí)，再給轉子繞組通入電流，使電機又按直流電機原理運轉，而轉到定、轉子凸極趨向接近時(shí)，再使轉子斷電，由定子繞組按變磁阻電機原理轉動(dòng)，如此周而復始，直至電機完全啟動(dòng)。由于轉子通電運行的整個(gè)過(guò)程中電流總是單方向，其電刷不會(huì )存在如同直流電機的換相火花等弊端，所電刷壽命可相當長(cháng)。
2.驅動(dòng)旋轉工作過(guò)程
電機啟動(dòng)后就按變磁阻原理運轉，即每當轉子凸極趨向定子凸極時(shí)，給定子繞組通電勵磁，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)力力求使磁路磁阻減少，即磁力線(xiàn)力圖通過(guò)磁阻最小途徑，轉子受到磁阻轉矩作用，使轉子轉過(guò)相應角度后，即刻使繞組斷電以避免轉子凸極與定子凸極相重合對齊產(chǎn)生制動(dòng)轉矩，轉子靠慣性旋轉到轉子凸極趨向下一個(gè)定子凸極時(shí)再通電，即通過(guò)轉角檢測控制繞組以脈沖形式通斷電，使電機連續旋轉。如當負載較大時(shí)也可采用直流電動(dòng)與變磁阻電動(dòng)相結合的方式，即按轉子角檢測信號，在電機轉到定、轉子凸極趨向接近時(shí)使轉子斷電,由定子繞組按變磁阻電機原理轉動(dòng)，而轉到定、轉子的凸極即將對齊時(shí),給轉子繞組通入電流，使電機按直流電機原理運轉。同樣為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)調速要求，在低速時(shí)需采用電流斬波控制方式以得到恒轉矩調速特性；高速時(shí)采用角度位置控制方式以實(shí)現恒功率調速特性。
3.發(fā)電回饋工作過(guò)程
當電動(dòng)汽車(chē)需降速制動(dòng)或下坡運行時(shí)，即可利用其動(dòng)能慣性實(shí)現發(fā)電回饋。根據轉子角檢測信號當外轉子凹槽即將趨向于定子凸極時(shí)，即刻接通定子繞組，從而對轉子產(chǎn)生制動(dòng)力矩，并將轉子動(dòng)能轉化為磁能儲存在磁場(chǎng)中，而當轉子凸極即將趨向定子凸極時(shí)，就切斷定子繞組電路，此時(shí)通過(guò)續流二極管將儲存在磁場(chǎng)中的磁能轉化成電能回饋給蓄電池。如此反復就以脈沖形式向蓄電池充電。
4.電磁制動(dòng)工作過(guò)程
當電機經(jīng)上述發(fā)電回饋降速后需制動(dòng)停止時(shí)，就對定子繞組持續通電，所產(chǎn)生磁場(chǎng)即可使定、轉子各對凸極齒被電磁力相互吸住，并且制動(dòng)力也按電機圓周各凸極齒的分布而繞圓周均勻對稱(chēng)。由于采用了單相電機，在電機凸極距與凹槽距相等時(shí)，即可使定、轉子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達到180度，若適當增大電機凸極距與凹槽距的比例，如比例定為6:5可使電磁制動(dòng)時(shí)，其定、轉子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達到196.36(360×6/11)度。如當電機動(dòng)能慣性較大時(shí)，還需根據轉角位置檢測信號，采用與發(fā)電回饋制動(dòng)相結合方法反復進(jìn)行，直至轉角位置檢測無(wú)變化即停止為止。該電磁制動(dòng)-發(fā)電回饋反復進(jìn)行的制動(dòng)過(guò)程，類(lèi)似現代轎車(chē)的防抱死制動(dòng)系統ABS或驅動(dòng)防滑轉控制ASR的制動(dòng)過(guò)程，可提高車(chē)輛行駛穩定性和轉向操縱性。
具有啟動(dòng)繞組的單相磁阻式多功能電機與兼有電動(dòng)、發(fā)電回饋和電磁制動(dòng)多功能的電動(dòng)汽車(chē)輪轂電機所介紹的二相8/12及三相12/8兩種變磁阻電機相比，具有單位體積功率高、堅固可靠、結構更簡(jiǎn)單、電機制造及其驅動(dòng)控制器成本更低等特點(diǎn)，在實(shí)現電磁制動(dòng)時(shí)，其制動(dòng)效果也遠高于二相8/12及三相12/8兩種電機，并在驅動(dòng)運行時(shí)采用直流電動(dòng)與變磁阻電動(dòng)的組合方式，可更充分提高電機單位體積功效。這種用直流電機原理啟動(dòng)，按變磁阻原理運行的組合式創(chuàng )新電機將極大地提高電動(dòng)汽車(chē)的性?xún)r(jià)比。良好的電磁制動(dòng)可較大地降低原有的機械制動(dòng)器使用頻度。為此有望對原有機械制動(dòng)器改型或外移，僅用于汽車(chē)緊急制動(dòng)和駐車(chē)制動(dòng)。使得車(chē)輪輪轂內能有更多的空間供電機布局用。
參考文獻
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