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文檔簡介
1、電動汽車輪轂電機系統(tǒng)研究進展作者:王成 張立軍 繆維佳 余卓平 來源:清潔汽車技術創(chuàng)新發(fā)展論壇 時間:2008/01/081 引言全世界的汽車保有量和使用量巨大,而且增長迅速。21世紀,人類將面臨嚴峻的能源和環(huán)境挑戰(zhàn),研究開發(fā)節(jié)能、環(huán)保和安全的汽車是實現(xiàn)交通可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中,電動汽車以其在使用過程超低排放/零排放、能源利用多元化和高效化、便于實現(xiàn)智能化控制等方面的技術優(yōu)勢備受重視,呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢。在電動汽車諸多電力驅動系統(tǒng)型式中,采用輪轂電機系統(tǒng)的動力系統(tǒng)結構型式正日益成為發(fā)展方向,而輪轂電機系統(tǒng)作為關鍵總成成為電動汽車領域的研究重點和研究熱點。本文在綜合大量文獻的基礎上,針對輪轂
2、電機系統(tǒng)的研究進展進行了綜合分析。論文闡述了輪轂電機系統(tǒng)的概念,回顧了輪轂電機及其在電動汽車上研究和應用歷史,對比分析輪轂電機的結構型式、電機應用類型以及性能特點,在剖析輪轂電機驅動系統(tǒng)結構型式對整車性能的積極和消極影響的基礎上總結出輪轂電機系統(tǒng)的設計開發(fā)的關鍵技術問題。2 輪轂電機系統(tǒng)的概念與應用領域輪轂電機系統(tǒng)是本文提出的概念。通常,人們稱其為輪轂電機,也有的研究者稱其為輪式電機、車輪電機或者電動輪,英文名稱以“in-wheel motor”居多,也有稱“wheel motor”和“wheel direct drive motors”的。實際上,以上稱謂嚴格來說都是不準確的。“輪轂電機、輪
3、式電機和車輪電機”都側重于電機,而“電動輪”側重于車輪。若從系統(tǒng)觀點出發(fā),我們所指確切應為驅動電機和車輪緊密集成而形成的一體化的多功能系統(tǒng),即為“integrated motor and wheel system”。為了方便起見,本文對已經(jīng)被工程界廣泛應用的“輪轂電機”和“in-wheel motor”稍作修改,以“輪轂電機系統(tǒng)”和“in-wheel motor system”作為中英文稱謂。輪轂電機系統(tǒng)在各種交通工具中都有應用,如圖1所示。不同的應用場合對輪轂電機的結構型式和技術性能等都提出了不同的要求,相應的產(chǎn)生了各種輪轂電機系統(tǒng)及其特色技術。本文的主要研究對象是汽車用輪轂電機系統(tǒng)。 圖1
4、 輪轂電機系統(tǒng)的應用領域3 輪轂電機系統(tǒng)的發(fā)展歷史輪轂電機系統(tǒng)的誕生可以一直追溯到電動汽車誕生的初期,而輪轂電機在電動汽車上的廣泛應用主要集中在近幾年的概念車上。最早見諸于文獻的有關輪轂電機及其應用來自于著名汽車公司保時捷的創(chuàng)始人保時捷(f. porsche)。1900年,保時捷研制了兩個前輪裝備輪轂電機的前輪驅動雙座電動汽車,并在電動汽車比賽中取得了最好的成績。圖2所示為保時捷研制的輪轂電機驅動電動汽車。值得引起注意的是,保時捷在1902年就研制出了采用發(fā)動機和輪轂電機的混合動力汽車,取得山地汽車拉力賽的好成績。1910年,保時捷研制了軍用陸地列車,最前面的機車裝備發(fā)動機和發(fā)電機,后面的10
5、輛列車利用輪轂電機驅動(圖3)。可以說,保時捷是基于輪轂電機的電動汽車和混合動力汽車之父。 圖2 保時捷研制的輪轂電機純電動汽車 圖3 保時捷研制的輪轂電機混合動力電動汽車 20世紀50年代,美國人羅伯特發(fā)明了電動汽車輪轂,并申請了專利。1968年這種輪轂被通用電器公司應用在大型礦用自卸車上。采用輪轂電機的電動汽車具有一個明顯的優(yōu)點,就是可以采用采用扁平的車架結構,因此在需要頻繁上下車的城市公共交通客車上大量應用。圖所示為許多汽車公司研制的低車架和低地板公交車上應用的輪轂電機結構。輪轂電機系統(tǒng)驅動作為電動汽車的一種重要驅動形式,得到了各大汽車廠商和組織的重視。自90年代起,日本就推出了一系列輪
6、轂電機系統(tǒng)驅動的電動汽車,如tepco的iza,nies的eco,luciole等等,最近又有三菱的colt、lancer evolut miev,本田的fcx concept等新車型。通用自2002年開始推出的概念車autonomy(自主魔力)、squel采用的都是輪轂電機系統(tǒng)驅動。與此同時,各大廠商加大了對輪轂電機系統(tǒng)的研發(fā)力度,高性能的新型輪轂電機系統(tǒng)不斷涌現(xiàn),輪轂電機的門類不斷豐富,性能不斷提高,著名的輪轂電機廠商有加拿大的tm4、美國的wavecrest等。4 輪轂電機的結構型式、電機應用類型及特點分析4.1輪轂電機的結構形式輪轂電機動力系統(tǒng)通常由電動機、減速機構、制動器與散熱系統(tǒng)等
7、組成。輪轂電機動力系統(tǒng)根據(jù)電機的轉子型式主要分成兩種結構型式:內(nèi)轉子型和外轉子型。圖4所示為兩種型式輪轂電機的結構簡圖。通常,外轉子型采用低速外傳子電機,電機的最高轉速在10001500r/min左右,無任何減速裝置,電機的外傳子與車輪的輪輞固定或者集成在一起,車輪的轉速與電機相同。內(nèi)轉子型則采用高速內(nèi)轉子電機,同時裝備固定傳動比的減速器。為了獲得較高的功率密度,電機的轉速通常高達10000r/min。減速結構通常采用傳動比在10:1左右的行星齒輪減速裝置,車輪的轉速在在1000r/min左右。 圖4 輪轂電機的結構形式高速內(nèi)轉子的輪轂電機具有較高的比功率,質(zhì)量輕,體積小,效率高,噪聲小,成本
8、低;缺點是必須采用減速裝置,使效率降低,非簧載質(zhì)量增大,電機的最高轉速受線圈損耗、摩擦損耗以及變速機構的承受能力等因素的限制。低速外轉子電機結構簡單、軸向尺寸小,比功率高,能在很寬的速度范圍內(nèi)控制轉矩,且響應速度快,外轉子直接和車輪相連,沒有減速機構,因此效率高;缺點是如要獲得較大的轉矩,必須增大發(fā)動機體積和質(zhì)量,因而成本高,加速時效率低,噪聲大。圖所示為兩種結構形式的輪轂電機。這兩種結構在目前的電動車中都有應用,但是隨著緊湊的行星齒輪變速機構的出現(xiàn),高速內(nèi)轉子式驅動系統(tǒng)在功率密度方面比低速外轉子式更具競爭力。輪轂電機動力系統(tǒng)由于電機電制動容量較小,不能滿足整車制動效能的要求,通常需要附加機械
9、制動系統(tǒng)。輪轂電機系統(tǒng)中的制動器可以根據(jù)結構采用鼓式或者盤式制動器。由于電動機電制動容量的存在,往往可以使制動器的設計容量可以適當減小。大多數(shù)的輪轂電機系統(tǒng)采用風冷方式進行冷卻,也有采用水冷和油冷的方式對電機、制動器等的發(fā)熱部件進行散熱降溫,但結構比較復雜。4.2電機應用類型與特點分析輪轂電機系統(tǒng)的驅動電機按照電機磁場的類型分為徑向磁場和軸向磁場兩種類型。對比如下:(1)軸向磁通電機的結構更利于熱量散發(fā),并且它的定子可以不需要鐵心;(2)徑向磁通電機定轉子之間受力比較均衡,磁路由硅鋼片疊壓得到,技術更簡單成熟。輪轂電機的電機類型分為永磁、感應、開關磁阻式。其特點如下:(1)感應(異步)電機結構
10、簡單、堅固耐用、成本低廉、運行可靠,轉矩脈動小,噪聲低,不需要位置傳感器,轉速極限高;缺點是驅動電路復雜,成本高,相對永磁電機而言,異步電機效率和功率密度偏低;(2)無刷永磁同步電機可采用圓柱形徑向磁場結構或盤式軸向磁場結構,具有較高的功率密度和效率以及寬廣的調(diào)速范圍,發(fā)展前景十分廣闊,已在國內(nèi)外多種電動車輛中獲得應用;(3)開關磁阻式電機具有結構簡單,制造成本低廉,轉速/轉矩特性好等特點,適用于電動汽車驅動;缺點是設計和控制非常困難和精細,運行噪聲大。5 國內(nèi)外典型輪轂電機驅動系統(tǒng)日本慶應義塾大學環(huán)境信息學部清水浩教授領導的電動汽車研究小組在過去的十幾年中,一直以基于輪轂電機的全輪驅動電動汽
11、車為研究對象,至今已試制了五種不同型式的樣車。其中,1991年與東京電力公司共同開發(fā)的電動汽車iza,采用ni-cd電池為動力源,采用四個額定功率為6.8kw,峰值功率達到25kw的外轉子式永磁同步輪轂電機驅動,最高時速可達176km/h。1996年,該小組聯(lián)合日本國家環(huán)境研究所研制了采用輪轂電機驅動的后輪驅動電動汽車eco,輪轂電機驅動系統(tǒng)選用永磁直流無刷電動機,額定功率為6.8kw,峰值功率為20kw,并配速比為1:5的行星齒輪減速機構。輪轂電機采用機械制動與電機再生制動相結合的方式,機械制動力矩由鼓式制動器提供,制動力分配規(guī)律的基本原則是不損害制動效能的前提下,盡可能多的回收制動能量,有
12、效延長了續(xù)駛里程。2001年,最新推出了以鋰電池為動力源,采用8個大功率交流同步輪轂電機獨立驅動的電動大轎車kaz,最高時速達到311km/h。kaz的輪轂電機系統(tǒng)中采用高轉速的高性能內(nèi)轉子型電動機,其峰值功率可達55kw,提高了kaz的極限加速能力,使其0-100km/h加速時間僅8秒。為了使電動機輸出轉速符合車輪的實際轉速要求,kaz的輪轂電機系統(tǒng)匹配了一個傳動比為4.588的行星齒輪減速機構。kaz的前后輪沒有采用相同型式的制動器,而是前輪采用盤式制動器,后輪采用鼓式制動器。圖5為kaz的前、后輪轂電機系統(tǒng)的結構圖。2003年日本豐田汽車公司在東京車展上推出的燃料電池概念車fine-n也
13、采用了輪轂電機驅動技術。 圖5 kaz一體化輪轂電機系統(tǒng)法國tm4公司設計制造的一體化輪轂電機結構如圖6所示。它采用外轉子式永磁電動機,將電動機轉子外殼直接與輪輞相固結,將電動機外殼作為車輪輪輞的組成部分,而且電動機轉子與鼓式制動器的制動鼓集成在一起,實現(xiàn)電機轉子、輪輞以及制動器三個回轉運動物體的集成,大大減輕一體化輪轂電機系統(tǒng)質(zhì)量,集成化程度相當高。該一體化輪轂電機系統(tǒng)的永磁無刷直流電動機的額定功率為18.5kw,峰值功率可達到80kw,峰值扭矩為670nm,額定轉速為950rpm,最高轉速為1385rpm,而且額定工況下的平均效率可達到96.3%。哈爾濱工業(yè)大學愛英斯電動汽車研究所研制開發(fā)
14、的ev96-1型電動汽車也采用外轉子型輪轂電機驅動系統(tǒng),選用一種稱為“多態(tài)電動機”的永磁式電動機,兼有同步電動機和異步電動機的雙重特性,其額定功率為6.8kw,峰值功率為15kw,集成盤式制動器,風冷散熱。 圖6 tm4一體化輪轂電機系統(tǒng)同濟大學汽車學院在2002年、2003年和2004年分別推出了采用輪轂電機驅動系統(tǒng)的四輪驅動燃料電池微型電動汽車動力平臺“春暉一號”和“春暉二號”,兩者均采用四個低速永磁直流無刷輪轂電動機直接驅動,匹配相應的盤式制動器。輪轂電機為外轉子型輪轂電機,其外形結構主要考慮與雙橫臂懸架、輪輞及制動盤的連接方便。為了提高輪轂電機的外形通用性,考慮在一定功率范圍內(nèi)的輪轂電
15、機采用相同的外形結構。該輪轂電機既可安裝市售微型汽車制動盤,又能安裝不同規(guī)格摩托車制動盤。因此相同的底盤結構只需更換不同功率的輪轂電機,即可獲得不同的整車動力性能。輪轂電機額定功率0.8kw,峰值功率2.5kw;額定轉矩25nm,峰值轉矩155nm;額定轉速300rpm,最高轉速510rpm。其他電動車輛應用輪轂電機的情況見表1。表1 輪轂電機及其電動汽車應用車型年份來源動力類型電驅動形式iza1991日本tepco純電動輪轂電機四輪驅動eco1996日本nies純電動輪轂電機后輪驅動luciole1997日本nies純電動輪轂電機后輪驅動kaz2000日本純電動輪轂電機四輪驅動eliica2
16、000日本keio大學純電動輪轂電機八輪驅動autonomy2002通用燃料電池輪轂電機四輪驅動s-10 改裝2004雪弗萊混合動力輪轂電機后輪驅動quark2004標致燃料電池輪轂電機四輪驅動squel2005通用燃料電池輪轂電機后輪驅動中心電機前輪驅動colt2005三菱純電動輪轂電機后輪驅動lancer evolut miev2005三菱純電動輪轂電機四輪驅動fcx concept2005本田燃料電池輪轂電機后輪驅動中心電機前輪驅動cnr-t2/意大利混合動力輪轂電機后輪驅動ct-miev2006三菱混合動力輪轂電機四輪驅動6 輪轂電機系統(tǒng)特點分析通常,電動汽車采用集中電機驅動的動力系統(tǒng)
17、結構型式。這種結構型式具有以下優(yōu)點:(1)可以沿用內(nèi)燃機動力車的部分傳動裝置,布置在原發(fā)動機艙中,繼承性好;(2)可以采用電機和減速機構,乃至控制器的集成結構型式,結構緊湊,便于處理電機冷卻、振動隔振以及電磁干擾等問題;(3)整車總布置型式與內(nèi)燃機接近,前艙熱管理、隔聲處理以及碰撞安全性與原車接近或者容易處理。缺點是:(1)傳動鏈長,傳動效率低;(2)通常要求使用高轉速大功率電機,對電機性能要求高。分散電機驅動相對于集中電機驅動具有以下優(yōu)點:(1)以電子差速控制技術實現(xiàn)轉彎時內(nèi)外車輪不同轉速運動,而且精度更高;(2)取消機械差速裝置有利于動力系統(tǒng)減輕質(zhì)量,提高傳動效率,降低傳動噪聲;(3)有利
18、于整車總布置的優(yōu)化和整車動力學性能的匹配優(yōu)化;(4)降低對電機的性能指標要求,且具有冗余可靠性高的特點。但是,分散電機驅動方式具有以下缺點:(1)為滿足各輪運動協(xié)調(diào),對多個電機的同步協(xié)調(diào)控制要求高;(2)電機的分散安裝布置提出了結構布置、熱管理、電磁兼容以及振動控制等多方面的技術難題。分散電機驅動通常有輪轂電機和輪邊電機兩種方式。所謂輪邊電機方式是指每個驅動車輪由單獨的電機驅動,但是電機不是集成在車輪內(nèi),而是通過傳動裝置(例如傳動軸)連接到車輪。輪邊電機方式的驅動電機屬于簧載質(zhì)量范圍,懸架系統(tǒng)隔振性能好。但是,安裝在車身上的電機對整車總布置的影響很大,尤其是在后軸驅動的情況下。而且,由于車身和車輪之間存在很大的
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