輪轂電機(jī)的國內(nèi)外研究與應(yīng)用

0輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢20世紀(jì)50年代初，美國人羅伯特發(fā)明了一種將機(jī)槍、齒輪和制動器融為一體的驅(qū)動器。該輪轂于1968年被通用電氣公司應(yīng)用在大型的礦用自卸車上。近年來,隨著電動汽車的興起,輪轂電機(jī)重新引起了重視。輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的布置非常靈活,可以使電動汽車成為兩個前輪驅(qū)動、兩個后輪驅(qū)動或四輪驅(qū)動。與內(nèi)燃機(jī)汽車和單電機(jī)集中驅(qū)動電動汽車相比,使用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的汽車具有以下幾方面優(yōu)勢:(1)動力控制由硬連接改為軟連接型式。通過電子線控技術(shù),實現(xiàn)各電動輪從零到最大速度的無級變速和各電動輪間的差速要求,從而省略了傳統(tǒng)汽車所需的機(jī)械式操縱換檔裝置、離合器、變速器、傳動軸和機(jī)械差速器等,使驅(qū)動系統(tǒng)和整車結(jié)構(gòu)簡潔,有效可利用空間大,傳動效率提高。(2)各電動輪的驅(qū)動力直接獨立可控,使其動力學(xué)控制更為靈活、方便;能合理控制各電動輪的驅(qū)動力,從而提高惡劣路面條件下的行駛性能。(3)容易實現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機(jī)電復(fù)合制動和制動能量回饋。(4)底架結(jié)構(gòu)大為簡化,使整車總布置和車身造型設(shè)計的自由度增加。若能將底架承載功能與車身功能分離,則可實現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化,從而縮短新車型的開發(fā)周期,降低開發(fā)成本。(5)若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS),實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化,可有效減小轉(zhuǎn)向半徑,甚至實現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑,大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。1驅(qū)動程序系統(tǒng)1.1齒輪轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)速輪轂電機(jī)的驅(qū)動方式可以分為減速驅(qū)動和直接驅(qū)動兩大類。在減速驅(qū)動方式下(見圖1),電機(jī)一般在高速下運行,而且對電機(jī)的其他性能沒有特殊要求,因此可選用普通的內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)。減速機(jī)構(gòu)放置在電機(jī)和車輪之間,起減速和增加轉(zhuǎn)矩的作用。減速驅(qū)動的優(yōu)點是:電機(jī)運行在高轉(zhuǎn)速下,具有較高的比功率和效率;體積小、重量輕,通過齒輪增力后,扭矩大、爬坡性能好;能保證在汽車低速運行時獲得較大的平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩。不足之處是:難以實現(xiàn)液態(tài)潤滑,齒輪磨損較快、使用壽命短,不易散熱,噪聲偏大。減速驅(qū)動方式適用于丘陵或山區(qū),以及要求過載能力較大、旅游健身等場合。在直接驅(qū)動方式下(見圖2),電機(jī)多采用外轉(zhuǎn)子(即直接將轉(zhuǎn)子安裝在輪輞上)。為了使汽車能順利起步,要求電機(jī)在低速時能提供大的轉(zhuǎn)矩。此外,為了使汽車能夠有較好的動力性,電機(jī)需具有較寬的調(diào)速范圍。直接驅(qū)動的優(yōu)點有:不需要減速機(jī)構(gòu),不但使得整個驅(qū)動輪結(jié)構(gòu)更加簡單、緊湊,軸向尺寸也減小,而且效率進(jìn)一步提高,響應(yīng)速度也變快。其缺點是:起步、頂風(fēng)或爬坡等承載大扭矩時需大電流,易損壞電池和永磁體;電機(jī)效率峰值區(qū)域很小,負(fù)載電流超過一定值后效率急劇下降。此方式適用于平路或負(fù)載較輕的場合。1.2動態(tài)制動特性要使電動汽車有較好的使用性能,驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有較寬的調(diào)速范圍、較高的轉(zhuǎn)速、足夠大的起動扭矩,以及體積小、重量輕、效率高,并具有強(qiáng)動態(tài)制動和能量回饋等特性。目前,電動汽車用電動機(jī)主要有異步電動機(jī)(IM)、永磁無刷電動機(jī)(PMBLM)和開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)、橫向磁場電機(jī)(TFPM)等四類。1.2.1發(fā)展優(yōu)勢電機(jī)異步電機(jī)在四類電機(jī)中發(fā)展歷史最為長久,其設(shè)計、制造以及控制技術(shù)都相對成熟,且具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、低費用、高可靠性等優(yōu)點,受到歐美國家的青睞。但此類電機(jī)也存在一些缺點:效率不高(特別是在低速時),功率密度一般;是一個強(qiáng)偶合、多變量、非線性的系統(tǒng),需采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩等控制手段,控制成本較高。1.2.2電動汽車領(lǐng)域的優(yōu)勢與其他電機(jī)相比,永磁無刷電機(jī)具有功率密度高、效率高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸出轉(zhuǎn)矩大、可控性好、可靠性高、噪聲低等一系列優(yōu)點,在電動汽車領(lǐng)域頗受青睞。日本絕大多數(shù)電動汽車采用永磁無刷電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。其缺點是:因受永磁材料的限制,目前最大電機(jī)功率也只有幾十千瓦;其次,永磁轉(zhuǎn)子的勵磁無法調(diào)節(jié),導(dǎo)致電機(jī)調(diào)速困難,調(diào)速范圍不寬。1.2.3可靠性和成本開關(guān)磁阻電機(jī)是近20年才發(fā)展起來的一種新型調(diào)速電機(jī),具有簡單可靠、可在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運行、可四象限運行、響應(yīng)速度快和成本較低等優(yōu)點。但其缺點也很多:轉(zhuǎn)矩存在較大波動,振動大,噪聲大;系統(tǒng)非線性,建模困難,控制成本高;功率密度低等。1.2.4電機(jī)綜合指標(biāo)的選擇橫向磁場電機(jī)最早是由德國著名電機(jī)專家H.Weh于上世紀(jì)80年代末提出,并將之使用到電力艦船、電動汽車上。與其他電機(jī)相比,橫向磁場電機(jī)的優(yōu)點十分突出:實現(xiàn)了電路和磁路解耦,設(shè)計自由度大大提高;高轉(zhuǎn)矩密度,大約是標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)用異步電機(jī)的5～10倍,且特別適合應(yīng)用于要求低速、大轉(zhuǎn)矩等場合;繞組形式簡單,不存在傳統(tǒng)電機(jī)的端部,繞組利用率高;各相間相互獨立;效率高;控制電路與永磁無刷電動機(jī)相同,可控性好等。目前,國外已成功開發(fā)了很多電動汽車用橫向磁場電機(jī),國內(nèi)也正在積極開展相關(guān)研究。但其也存在不少缺點:永磁體數(shù)目多,用量大;結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,工藝要求高,電機(jī)成本高;漏磁嚴(yán)重;功率因素低;自定位轉(zhuǎn)矩較大等。各類電機(jī)的綜合指標(biāo)比較見表1。由表1可見,永磁無刷電機(jī)將是電動汽車的最佳選擇,而橫向磁場電機(jī)則因其能量密度高、適合低速大轉(zhuǎn)矩場合等特點,將成為直接驅(qū)動式電動汽車的首選部件。2應(yīng)用和研究現(xiàn)狀2.1電磁懸架在輪轂電機(jī)方面的應(yīng)用電動汽車最早于1834年問世,但因一次充電續(xù)駛里程不能滿足人們的要求而于20世紀(jì)30年代退出歷史舞臺。20世紀(jì)70年代,由于環(huán)境和能源問題的凸顯,電動汽車又成為各國研究的重點。國外有很多研究所和公司都對輪轂電機(jī)進(jìn)行了專項研究,并已經(jīng)開始將其應(yīng)用到實際產(chǎn)品中。美國通用汽車高級技術(shù)研發(fā)中心成功地將研制的輪轂電機(jī)應(yīng)用到雪弗蘭s-10皮卡車中。該電機(jī)給車輪增加的重量只有約15kg,卻可產(chǎn)生約25kW的功率,產(chǎn)生的扭矩比普通的雪弗蘭s-10四缸皮卡車高出60%,加速性能也有所提高。日本對輪轂電機(jī)研究起步早,其技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動汽車研究小組在過去的十幾年中,研制的IZA、ECO、KAZ等電動汽車均采用輪轂電機(jī)驅(qū)動技術(shù)。其中后輪驅(qū)動電動汽車ECO采用的永磁無刷直流電機(jī),額定功率6.8kW,峰值功率可達(dá)20kW。日本的各大公司也在2003年東京汽車展上紛紛推出自己的輪轂驅(qū)動產(chǎn)品,如普利司通公司的動力阻尼型車輪內(nèi)裝式電機(jī)系統(tǒng)、豐田公司的燃料電池概念車FINE-N等。法國的TM4公司設(shè)計的一體化電動輪,采用外轉(zhuǎn)子式永磁無刷直流電機(jī),額定功率為18.5kW,額定轉(zhuǎn)速為950r/min,額定工況下的平均效率可以達(dá)到96.3%;峰值功率可達(dá)80kW,峰值扭矩為670N·m,最高轉(zhuǎn)速為1385r/min。國內(nèi)的輪轂電機(jī)技術(shù)雖然起步較晚,但近幾年隨著國家“八六三”計劃電動汽車重大課題研究的深入,各高校對該技術(shù)的研究也有所加強(qiáng)。同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院在2002年、2003年獨立研制的“春暉一號”和“春暉二號”就采用4個低速永磁直流無刷輪轂電機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)。中國科學(xué)院北京三環(huán)通用電氣公司開發(fā)出了電動汽車專用的7.5kW輪轂電機(jī)。哈工大-愛英斯電動汽車研究所開發(fā)的EV96-I型電動汽車采用了多態(tài)輪轂電機(jī)的輪轂驅(qū)動系統(tǒng)(見圖3)。該輪轂電機(jī)采用雙邊混合式磁路結(jié)構(gòu),兼有同步電動機(jī)和異步電動機(jī)的雙重特性,驅(qū)動輪額定功率6.8kW,最大功率15kW,最大轉(zhuǎn)矩25N·m。2.2“部分”企業(yè)目前,國內(nèi)外絕大部分電動自行車都采用輪轂電機(jī)驅(qū)動方式。廠家無需對車型作較大的改變即可裝配,且沒有傳動機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)十分簡單。日本電動自行車業(yè)十分發(fā)達(dá)。2003年日本國內(nèi)電動自行車銷量為21.1萬輛。日本很多大公司都推出了各自的品牌:雅馬哈公司的“YAMAHAPASS”、松下的“VIVI”、豐田的“LACDIS”、三洋的“ENAKURU”等。在我國,電動自行車發(fā)展迅速,近5年的銷售量增長率均超過20%。2002年起銷售規(guī)模突破100萬臺;2003年銷售量已突破400萬臺的規(guī)模;目前,年銷量早已突破500萬臺。電動自行車的生產(chǎn)廠家已多達(dá)幾百家,年產(chǎn)量超萬輛的就有近50家,如:北京新日、金華綠源、蘇州小羚羊、上海千鶴等。國內(nèi)電動自行車均采用輪轂驅(qū)動方式,驅(qū)動電機(jī)均采用永磁電機(jī),常見的有:有刷高速、有刷低速、無刷高速和無刷低速等4種。電機(jī)功率多為135～350W,電壓為36V或48V,時速為18～40km/h,整車效率可達(dá)75%～85%。2.3其他領(lǐng)域輪轂電機(jī)還廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域,如電動摩托車、電動輪椅車、電動滑板車、高爾夫球車、大型礦用自卸車等。3車輪電機(jī)的設(shè)計展望雖然輪轂電機(jī)早在20世紀(jì)50年代就已發(fā)明,而且相比其他驅(qū)動方式有很大的優(yōu)勢,然而人們真正研究輪轂電機(jī)技術(shù)的時間還是很短,加上輪轂電機(jī)的設(shè)計與車輛的車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計緊密相關(guān),所以還有很多問題需要解決。下面以電動汽車用外轉(zhuǎn)子式永磁無刷直流輪轂電機(jī)為例,探討一下輪轂電機(jī)研究的難點和熱點。3.1無位置傳感器的位置信號檢測技術(shù)傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)都需要一套位置傳感器來確定轉(zhuǎn)子位置,這給電機(jī)帶來了一系列的問題:首先,傳感器不但增加了電機(jī)的成本,而且占用了電機(jī)的內(nèi)部空間;其次,傳感器信號線較多,容易引入干擾;此外,傳感器的可靠性與靈敏度易受環(huán)境的影響。所以,無位置傳感器的位置信號檢測技術(shù)是發(fā)展的必然趨勢。目前常用的無位置傳感器位置信號檢測方法有以下幾種:(1)反電動勢法。該方法是迄今為止最成熟、最有效、最常見的方法。其基本原理是將檢測到的斷開相反電動勢過零信號延時30°電角度來得到功率管的開關(guān)信號。由于電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時,反電動勢信號沒有或較弱,因此反電動勢法一般與“三段式”起動技術(shù)配套使用。(2)電感法。該方法通過檢測繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置的改變而發(fā)生的變化,再通過一定的計算,可得到轉(zhuǎn)子位置信號。(3)狀態(tài)觀測器法。該方法將電機(jī)的三相電壓、電流作坐標(biāo)變換,在派克方程的基礎(chǔ)上估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子位置。由于坐標(biāo)變換只考慮基波分量,該方法主要用于正弦波反電動勢的永磁無刷直流電機(jī)。3.2合金電機(jī)產(chǎn)生的扭矩永磁無刷直流電動機(jī)在理想情況下運行時應(yīng)滿足:三相繞組完全對稱,氣隙磁場為方波,定子電流為方波;反電動勢為梯形波,且在每半個周期內(nèi),方波電流持續(xù)時間為120°電角度,梯形波反電勢平頂部分也為120°電角度,兩者嚴(yán)格同步。此時,電機(jī)將產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。但在實際運行中,電機(jī)總存在轉(zhuǎn)矩脈動。產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動的原因和抑制方法有以下幾種:(1)電磁因素產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動。該類型的轉(zhuǎn)矩脈動是由定子電流和轉(zhuǎn)子磁場的相互作用而產(chǎn)生的。抑制的方法有:電機(jī)優(yōu)化設(shè)計法、最佳開通角法、諧波消去法和轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制法等。(2)電流換向引起的轉(zhuǎn)矩脈動。該類型的轉(zhuǎn)矩脈動是由于電機(jī)繞組電感阻礙了電流的瞬時變化引起的,因而在電樞電流從某一相切換到另一相時就會引起轉(zhuǎn)矩脈動。抑制方法有:電流反饋法、重疊換向法和PWM斬波法等。(3)齒槽引起的轉(zhuǎn)矩脈動。該類型的轉(zhuǎn)矩是由永磁體磁場和定子鐵心的齒槽作用在圓周方向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,又可稱為定位轉(zhuǎn)矩或磁阻轉(zhuǎn)矩。抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的方法有:磁性槽楔法和閉口槽法,輔助槽法、輔助齒法和分?jǐn)?shù)槽法,斜槽法和斜極法等。3.3電機(jī)旋轉(zhuǎn)反電勢控制由于永磁體的勵磁恒定不變,電機(jī)在基速以下采用PWM調(diào)制實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速,此時電機(jī)的反電勢同轉(zhuǎn)速、氣隙磁通成正比。基速及基速以上運行時,端電壓已調(diào)至最大,隨著轉(zhuǎn)速的升高,電機(jī)反電勢增大,電樞電流減小。當(dāng)反電勢等于端電壓時,電樞電流為零,無法產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,電機(jī)將停轉(zhuǎn)。為了在基速以上端電壓不變的條件下保持一定的電樞電流以產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩,要實行弱磁控制。而對方波無刷直流電機(jī)而言,傳統(tǒng)的弱磁控制不能直接使用,需要新的控制策略。文獻(xiàn)提出可通過提前開通功率器件,使得繞組的變壓器反電勢抵消一部分的旋轉(zhuǎn)反電勢,從而滿足電壓平衡關(guān)系,實現(xiàn)等效的弱磁控制。目前恒功率弱磁調(diào)速范圍為基速的2.8倍左右。3.4電機(jī)主體的設(shè)計(1)機(jī)的擺動利用率具體又可分為多相繞組和分?jǐn)?shù)槽繞組。從理論上說,繞組相數(shù)越多,越接近直流電機(jī)換向,電機(jī)的繞組利用率也越高,但此時控制線路、策略也越復(fù)雜,成本越高,所以目前一般都以三相、四相為主。采用分?jǐn)?shù)槽繞組能顯著地縮短電樞繞組的端部長度、節(jié)省銅材,減小電樞漏抗,增加電機(jī)出力,提高靈敏度和效率,也有利于電子換向,同時也減少了沖片的齒槽數(shù),方便制造。(2)最佳裂比的確定當(dāng)以最大轉(zhuǎn)矩密度為優(yōu)化目標(biāo)時,最佳裂比的變化規(guī)律如下:氣隙磁密越大,最佳裂比應(yīng)越小;對于相同的氣隙磁密時,槽數(shù)、極數(shù)越多,最佳裂比也越大;鐵心磁密越大,最佳裂比也越大。對齒槽數(shù)的研究最主要還是為了減小轉(zhuǎn)矩脈動,這里就不再重復(fù)。(3)永磁電機(jī)的參數(shù)永磁無刷直流電機(jī)是由轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生磁場的,因此磁鋼的設(shè)計將影響電機(jī)的各項性能。此外,磁鋼對永磁電機(jī)的成本影響也很大。為了能在達(dá)到額定性能指標(biāo)的前提下,降低成本,提高電機(jī)的利用率,科學(xué)合理地設(shè)計磁鋼尺寸是尤其重要的。3.5電機(jī)的電流和溫度控制由于永磁材料工藝的影響和限制,使得永磁無刷直流電機(jī)的功率較小,最大功率僅幾十千瓦。目前,國產(chǎn)化的釹鐵硼最大剩磁為1.42T,最大內(nèi)稟矯頑力為2388kA/m,最大磁能積為400kJ/m3,最高工作溫度為200℃。此外,永磁材料在高溫、振動