电子与通信工程职称论文浅析多功能轮毂电机

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摘要：摘要：鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点，但由于受其结构体积限制，对汽车轮毂电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。而单相开关磁阻电机恰具有该特点，但其缺点是没有自启动功能，通过对各类电机启动机理的分析比较，提出了利用直流电机原理启动

　　摘要：鉴于轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优点，但由于受其结构体积限制，对汽车轮毂电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。而单相开关磁阻电机恰具有该特点，但其缺点是没有自启动功能，通过对各类电机启动机理的分析比较，提出了利用直流电机原理启动，按变磁阻原理运行，并具有更好的电磁制动等三功能的组合式创新电机，使该电机所具有的结构简单、坚固可靠、廉价而高效等优点得到充分发挥。

　　关键词：轮毂电机,电磁制动,单位体积功率,直流启动绕组

　　一、充分发挥轮毂电机应用于电动汽车的技术优势

　　随着节能减排工作的深入，用电动汽车取代传统汽车将成必然趋势。而电动汽车所包含的燃料电池汽车FCV、混合动力汽车HEV和纯电动汽车EV三大类汽车都要用电动机作为执行机构来驱动车轮行驶。充分发挥电机所具有的快速响应性、宽广的调速性能、相当的短时过载能力等诸多优势来提高电动汽车性价比，使其尽快能普及商品化显得尤其重要。而采用轮毂电机直接驱动车轮是最能发挥其技术优势，通过归纳总结，轮毂电机在电动汽车上应用具有如下8项特点：

　　1)简化机械传动机构及降低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，实现“零传动”将使汽车结构发生脱胎换骨的变化，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，还省去了变速箱、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。

　　2)有利于汽车结构布局由于省去了大量机械装置，即能腾出许多有效空间便于汽车总体布局，使所增加的蓄电池可经适当分散作为配重物按尽可能降低车辆质心高度等车辆动力学要求来进行结构布局。

　　3)提高汽车越野通过等性能采用轮毂电机驱动即可方便地实现高档轿车的4WD前后四轮驱动模式，按车辆动力学分析只有四轮驱动才能充分利用车轮对地面的附着力，从而极大地改善车辆的越野通过、防滑制动、快速转向等性能。

　　4)提高了对车轮控制的快速响应性按控制理论分析整个闭环系统各环节的动态响应是制约其性能的重要因素。通常电气响应速度要远比带有摩擦阻尼的机械机构高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，经发动机的燃爆过程，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相比，其整体的动态响应指标要相差数百倍。从而即可容易地实现传统高档轿车较难实施的各种高性能控制功能，以极大地改善汽车行驶的安全性、操控性和稳定性。

　　5)提高车轮的动能能量回收率众所周知只有驱动轮才能实现制动能量的回收，采用轮毂电机直接驱动省去了机械传动损耗，对车轮动能的回收更直接，所以采用四台兼有电动、发电回馈、电磁制动多功能轮毂电机进行驱动，在汽车滑行、降速制动和下坡过程中通过发电回馈，其回收的电能将比现有电动汽车的一般方式至少提高1倍多。

　　6)要求实行机电一体化控制模式采用两台或四台轮毂电机实现双前轮驱动、双后轮驱动或4WD前后四轮驱动几种模式，通过分散驱动可实现小马拉大车。各台电机的驱动控制模块可集成在车轮内，为减少电动汽车各控制部件之间的硬件连线，提高可靠性，现代汽车控制系统已较多地采用了微机多CPU总线控制方式，特别是对于采用轮毂电机进行4WD前后四轮驱动控制模式，更需要运用总线控制技术，来简化电动汽车内部线路的布局，提高其可靠性，也便于故障诊断和维修。实施该类机电一体化控制的模块化结构，虽将增加其研发难度和初投资，但一旦技术成熟其成本也将随批量的增加而大幅下降。

　　7)可降低汽车质心与车身高度采用轮毂电机即需实现电子差速转向，取消了机械差速器和贯串于车轴的左右半轴，即可从整体上降低车身高度，设计成低车地板形式即便于乘用人上下车，更主要是可降低车辆重心高度来提高汽车行驶稳定性。

　　8)可极大地改善汽车转向性能用四轮毂电机驱动经电子差速控制，易于实现四轮转向来全面改善汽车转向性能，即减小低速转弯半径，也增加高速转向稳定性。并由于车轮由本身毂内电机驱动，省去了由外部动力驱动所需的驱动桥、差速器等传递机构，从而即可对汽车转向系机构进行极大的改进和简化，可使车轮做到±180º旋转，以实现所谓的横向行驶或任意旋转行驶。

　　鉴于上述轮毂电机在电动汽车上应用的诸多优势，但由于轮毂电机受其结构体积限制，对一般电动汽车要求驱动功率均较大，所以对电机的单位体积功率提出了特殊的较高要求。而单相开关磁阻式电机恰具有单位体积功率高，即磁路利用率高的特点，并又有结构简单、坚固可靠、制造成本低、且驱动控制器成本也最低、效率高等优点。但单相开关磁阻式电机的最大缺点是没有自启动功能，虽有采用永磁材料或在转子极间嵌入铝块及铜块利用涡流反应转矩作辅助启动等结构，但该类方法均使电机的单位体积功率降低，效果都不理想，并且电机也只能单方向运转。由此使该廉价而高效的电机难以进入实用化。

　　通过对各类电机启动机理的分析比较，为此提出在其电机转子上增加专用于启动的直流绕组，即利用直流电机原理启动，而按变磁阻原理运行的组合式创新电机。并按兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能轮毂电机改进思路的分析结论，为兼顾其三功能的较好发挥，要求电机相数越少越好，所以单相开关磁阻式电机将具有更好的多功能效果。开关磁阻(SR,SwitchedReluctance)电机也简称SR电机，它的结构原理已有不少专著有详尽介绍，需要时可参考之。

　　二、带启动绕组的单相SR多功能电机结构

　　图1为带启动绕组的单相磁阻式多功能轮毂电机结构原理图。单相结构的定、转子极数均相同，图所示为6极，极数增加有利于减小低速时转矩波动，但在相同频率下电机转速也相应降低。定、转子的凸极齿距及槽距也可相等，凸极齿距增大即使槽距减小，这有利于增大电磁制动力矩，但对驱动旋转功效有所影响。内定子绕组为环形线圈绕制在定子铁芯外圆槽内，绕组通电形成轴向和径向混合磁通，能提高同体积的电机功效。外转子分上、下两部分以构成环形闭合磁路，上、下外转子均布有专用于启动的直流电枢绕组，按直流电机工作原理，启动绕组的电流方向应与内定子励磁绕组所形成磁场的磁力线呈相切关系，所启动绕组如图示在凸极上按径向分布，通过内、外环连线引出，并上、下外转子引出线的极性正好相反，即上外转子的内、外环连线分别与下外转子的外、内环连线相连接。由于绕组在转子上，电源的输入需通过电刷，但由于只在启动时用，电刷所固有的弊端影响也就很小。

　　三、带启动绕组单相SR多功能电机的各种运行过程

　　现对该电机在启动、驱动旋转、发电回馈、电磁制动各运行状态下的工作过程具体描述如下：

　　1.电机启动工作过程

　　电机启动前通常处于平衡位置，即定、转子凸极齿处于对齐位置，这可按转子位置角检测信号判断得到。此时对电机定子绕组通入直流励磁电流，电机即产生闭合磁场。根据磁场方向及所要求的转向，对转子绕组通入相应方向的电流后，电动机根据通电导体在磁场中产生电磁力的直流电机原理按左手定则所确定方向启动，当电机转过较小平衡角度，即在转子凸极趋近于定子凸极时，即刻切断转子电流，使定子绕组按变磁阻电机的“磁阻最小原理”运转。倘若带负载启动情况下，负载力矩较大一时难以启动时，可采用多次利用转子绕组通电方式启动，即根据转子位置角检测信号，在电机转到定、转子的凸极即将对齐时，再给转子绕组通入电流，使电机又按直流电机原理运转，而转到定、转子凸极趋向接近时，再使转子断电，由定子绕组按变磁阻电机原理转动，如此周而复始，直至电机完全启动。由于转子通电运行的整个过程中电流总是单方向，其电刷不会存在如同直流电机的换相火花等弊端，所电刷寿命可相当长。

　　2.驱动旋转工作过程

　　电机启动后就按变磁阻原理运转，即每当转子凸极趋向定子凸极时，给定子绕组通电励磁，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，转子受到磁阻转矩作用，使转子转过相应角度后，即刻使绕组断电以避免转子凸极与定子凸极相重合对齐产生制动转矩，转子靠惯性旋转到转子凸极趋向下一个定子凸极时再通电，即通过转角检测控制绕组以脉冲形式通断电，使电机连续旋转。如当负载较大时也可采用直流电动与变磁阻电动相结合的方式，即按转子角检测信号，在电机转到定、转子凸极趋向接近时使转子断电,由定子绕组按变磁阻电机原理转动，而转到定、转子的凸极即将对齐时,给转子绕组通入电流，使电机按直流电机原理运转。同样为满足电动汽车行驶时调速要求，在低速时需采用电流斩波控制方式以得到恒转矩调速特性;高速时采用角度位置控制方式以实现恒功率调速特性。

　　3.发电回馈工作过程

　　当电动汽车需降速制动或下坡运行时，即可利用其动能惯性实现发电回馈。根据转子角检测信号当外转子凹槽即将趋向于定子凸极时，即刻接通定子绕组，从而对转子产生制动力矩，并将转子动能转化为磁能储存在磁场中，而当转子凸极即将趋向定子凸极时，就切断定子绕组电路，此时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。如此反复就以脉冲形式向蓄电池充电。

　　4.电磁制动工作过程

　　当电机经上述发电回馈降速后需制动停止时，就对定子绕组持续通电，所产生磁场即可使定、转子各对凸极齿被电磁力相互吸住，并且制动力也按电机圆周各凸极齿的分布而绕圆周均匀对称。由于采用了单相电机，在电机凸极距与凹槽距相等时，即可使定、转子凸极以电磁相吸而重合的总极弧边距达到180度，若适当增大电机凸极距与凹槽距的比例，如比例定为6:5可使电磁制动时，其定、转子凸极以电磁相吸而重合的总极弧边距达到196.36(360×6/11)度。如当电机动能惯性较大时，还需根据转角位置检测信号，采用与发电回馈制动相结合方法反复进行，直至转角位置检测无变化即停止为止。该电磁制动-发电回馈反复进行的制动过程，类似现代轿车的防抱死制动系统ABS或驱动防滑转控制ASR的制动过程，可提高车辆行驶稳定性和转向操纵性。

　　具有启动绕组的单相磁阻式多功能电机与兼有电动、发电回馈和电磁制动多功能的电动汽车轮毂电机所介绍的二相8/12及三相12/8两种变磁阻电机相比，具有单位体积功率高、坚固可靠、结构更简单、电机制造及其驱动控制器成本更低等特点，在实现电磁制动时，其制动效果也远高于二相8/12及三相12/8两种电机，并在驱动运行时采用直流电动与变磁阻电动的组合方式，可更充分提高电机单位体积功效。这种用直流电机原理启动，按变磁阻原理运行的组合式创新电机将极大地提高电动汽车的性价比。良好的电磁制动可较大地降低原有的机械制动器使用频度。为此有望对原有机械制动器改型或外移，仅用于汽车紧急制动和驻车制动。使得车轮轮毂内能有更多的空间供电机布局用。

　　参考文献

　　1 余志生主编.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2006.5第四版

　　2 王贵明、王金懿.兼有电动、发电回馈和电磁制动功能的可调速旋转电机[P].中国发明专利.ZL200810062784.5

　　3 孙建忠、白凤仙编著.特种电机及其控制[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

　　4 王贵明、王金懿编著.电动汽车及其性能优化[M].北京:机械工业出版社,2010

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