高密度電機(jī)(汽車(chē))

1、高密度電機(jī)的研究綜述報(bào)告人：嚴(yán)雅霜單 位：北京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院提綱n高密度電機(jī)概述n高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)n低速大轉(zhuǎn)矩密度電機(jī)的研究現(xiàn)轉(zhuǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)n高速電機(jī)的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)n大推力密度直線電機(jī)的研究現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)n我們的研究方向及研究課題高密度電機(jī)概述-應(yīng)用概述 由于高密度電機(jī)體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、輸由于高密度電機(jī)體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、輸出功率或力矩大等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛：出功率或力矩大等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛：n航空航空 ：航空高密度電機(jī)是各種先進(jìn)飛機(jī)必備的重要部件，如預(yù)警機(jī)的螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)，燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，雷達(dá)、天線的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。多電飛機(jī)和全電飛機(jī)

2、是未來(lái)飛機(jī)的重要發(fā)展方向，多電飛機(jī)和全電飛機(jī)在歐美等國(guó)家和地區(qū)己經(jīng)開(kāi)始研制 。n航天：航天：航天領(lǐng)域的電機(jī)對(duì)功率密度要求更高，控制特性更好，在線檢測(cè)信息更豐富，如衛(wèi)星天線展開(kāi)機(jī)構(gòu)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)，導(dǎo)彈舵機(jī)電驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。n航海：航海：高密度電機(jī)在航海領(lǐng)域也有巨大的應(yīng)用前景，如電動(dòng)魚(yú)雷，不僅需要足夠的驅(qū)動(dòng)力，而且體積要小。n工業(yè)：工業(yè)：高功率密度電機(jī)是電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)之一，也是其它工業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究技術(shù)，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化生產(chǎn)線、機(jī)器人、壓縮機(jī)、試驗(yàn)機(jī)等領(lǐng)域 。高密度的含義高密度的含義（一）功率密度大（一）功率密度大 在一定體積下輸出更大的功率，為了

3、實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，一般采用兩種方法： （1）提高電機(jī)的速度，把電機(jī)設(shè)計(jì)成高速電機(jī)，根據(jù)(P/V)=Kn,在體積不變時(shí)，電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。（2）在不適于提高電機(jī)速度時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)電機(jī)，從根本上解決相同電機(jī)輸出功率大。（二）轉(zhuǎn)矩、推力密度大（二）轉(zhuǎn)矩、推力密度大 在一定體積下輸出大的轉(zhuǎn)矩（旋轉(zhuǎn)電機(jī)）或推力（直線電機(jī)），這種電機(jī)一般速度比較低，輸出總功率不一定大。高密度電機(jī)概述-含義概述高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)、低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)、高速電機(jī)、大推力直線電機(jī)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)、低速大轉(zhuǎn)矩電機(jī)、高速電機(jī)、大推力直線電機(jī)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀 以電動(dòng)車(chē)輛用驅(qū)動(dòng)電機(jī)最為典型，永磁同步電機(jī)憑借其高

4、轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度、高效率、高可靠性的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，致使電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)已從多個(gè)機(jī)種并行發(fā)展到目前基本統(tǒng)一到以發(fā)展永磁同步電機(jī)系統(tǒng)為主體的局面。 根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪方式： 集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-只有一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這種形式中電機(jī)裝在車(chē)體內(nèi)，電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩通過(guò)差速器、傳動(dòng)軸，傳遞至驅(qū)動(dòng)輪，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛 。 輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-將電動(dòng)機(jī)分別安裝在驅(qū)動(dòng)輪上，驅(qū)動(dòng)輪由各自的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，這種電機(jī)統(tǒng)稱為輪轂電機(jī)。輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的布置非常靈活，它可以布置在電動(dòng)車(chē)的2個(gè)前輪、2個(gè)后輪或所有車(chē)輪的輪轂中，使電動(dòng)汽車(chē)成為前輪驅(qū)動(dòng)、后輪驅(qū)動(dòng)或多輪驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。 集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)

5、形式-日本日本n1996年, 豐田汽車(chē)公司的純電動(dòng)車(chē)RAV4 EV就采用了東京電機(jī)公司的插入式永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，最大功率為50 kW 。n1998年1月, 尼桑公司研發(fā)的新一代電動(dòng)小客車(chē)在美國(guó)加利福尼亞州投入使用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用了釹鐵硼永磁體, 最大功率為62 kW, 最高轉(zhuǎn)速13100r/min，最大效率達(dá)95%，電機(jī)重量39kg，功率密度達(dá)到1.59kW/ kg 。n日立制作所為純電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的一種內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其中的永磁體采用了高性能的錢(qián)鐵硼永磁材料，其最大輸出功率為62 kW，最高轉(zhuǎn)速為16000 r/min，功率質(zhì)量比為1.667 kW/ kg，

6、最高效率達(dá)到了96% 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-日本日本n2007年，豐田年，豐田camary電動(dòng)車(chē)也采用了種內(nèi)置式電動(dòng)車(chē)也采用了種內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)，最大功率永磁同步電動(dòng)機(jī)，最大功率105kW，最高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速14000rpm。 集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-日本日本n著名的豐田著名的豐田“普銳斯普銳斯”混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀1997年豐田“普銳斯”汽車(chē)進(jìn)入汽車(chē)市場(chǎng)，它成功的混合動(dòng)力技術(shù)極大地吸引了世界各大汽車(chē)制造商和科研人員的眼球 。行星齒輪發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子定子連接齒輪減速

7、齒輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子定子齒圈行星架行星輪太陽(yáng)輪豐田“普銳斯”混合動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-日本日本n著名的豐田著名的豐田“普銳斯普銳斯”混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 2003款“普銳斯”驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用“一”字內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最大功率33kW。2004款采用采用“V”型內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增大了磁阻轉(zhuǎn)矩型內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，增大了磁阻轉(zhuǎn)矩，電池電壓通過(guò)泵升電路由200V升高到500V，在電機(jī)體積基本不變的情況下，電機(jī)最大功率增大到50kW 2003款（左）與2004款（右）豐田“普銳斯”驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集

8、中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-日本日本n著名的豐田著名的豐田“普銳斯普銳斯”混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē) 到2010款驅(qū)動(dòng)電機(jī)，泵升電壓進(jìn)一步升高到650V，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速上升至電機(jī)最大轉(zhuǎn)速上升至13500rpm，電機(jī)體積幾乎不變的情況下，電機(jī)最大功率達(dá)到60kW 2010款豐田“普銳斯”驅(qū)動(dòng)電機(jī)定轉(zhuǎn)子 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-歐美國(guó)家歐美國(guó)家n在法國(guó)VEDEL IC電動(dòng)車(chē)計(jì)劃中, PSA電動(dòng)車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)商Moteurs Leroy - Somer選擇的新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)即為3相永磁同步電機(jī)，電機(jī)的最大功率為30 kW，電機(jī)重量60kg，功率密度僅為

9、0.5kW/ kg，系統(tǒng)效率大于87% 。n德國(guó)第三代奧迪混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)也采用的永磁同步電機(jī)，最大功率32 kW，最高轉(zhuǎn)速為12500 r/min，電機(jī)最高效率達(dá)90%以上。n瑞典技術(shù)學(xué)院研制的表面插入式永磁電動(dòng)機(jī)最大功率可達(dá)100 kW，最高轉(zhuǎn)速為12000 r/min，最高效率96%，功率密度達(dá)1.61kW/ kg。n美國(guó)電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)以感應(yīng)電機(jī)為主，但也進(jìn)行了永磁同步電機(jī)的研究，SatCon 公司James H. Goldie等人研制的永磁同步電機(jī)采用定子雙套繞組技術(shù), 既擴(kuò)大了電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍, 又有效利用了逆變器的電壓, 繞組電流低, 電機(jī)效率可達(dá)99% 。高功率密度電驅(qū)

10、動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-中國(guó)中國(guó)n天津大學(xué)、天津清源公司研制的XL純電動(dòng)汽車(chē)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)有感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)兩種型號(hào)，其中永磁同步電機(jī)及其控制系統(tǒng)的峰值功率45 kW，最大轉(zhuǎn)矩99.5Nm，系統(tǒng)最高效率95%，功率質(zhì)量比為功率密度為1.08 kW/ kg。n上海御能動(dòng)力科技有限公司為東風(fēng)EQ7200HEV混合動(dòng)力轎車(chē)于2003年開(kāi)發(fā)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為永磁磁阻電機(jī)，水冷，峰值功率28 kW，最大轉(zhuǎn)矩151Nm，系統(tǒng)最高效率為92%。n清華大學(xué)2003年研制的混合電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)功率為15 kW，電壓為110V，電流為52A，轉(zhuǎn)速3000 r

11、/min。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-中國(guó)中國(guó)n沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)2003年開(kāi)發(fā)了一臺(tái)并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)，額定功率18.5 kW，額定轉(zhuǎn)速2000 r/min，最高轉(zhuǎn)速4000 r/min，效率為91%，功率密度為1.014 kW/ kg，采用機(jī)殼水冷方式 。n上海大學(xué)黃蘇融等研制的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)用內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，最大功率為21kW，效率大于85%的工作區(qū)占整個(gè)運(yùn)行區(qū)間的50%以上，采用水冷方式來(lái)提高電機(jī)功率密度，功率密度為1.2 kW/ kg。n大部分研究單位都試圖通過(guò)增大電機(jī)磁阻轉(zhuǎn)矩、提高電機(jī)轉(zhuǎn)速或者采用液體冷卻方式來(lái)盡可能增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)

12、的功率密度，然而單定子單轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)，限制了功率密度進(jìn)一步提高 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-電機(jī)結(jié)構(gòu)的突破電機(jī)結(jié)構(gòu)的突破為了進(jìn)一步提高電機(jī)的功率密度，一些科研人員提出把兩臺(tái)電機(jī)高度集成在一起的思想雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙轉(zhuǎn)子單定子軸徑向軸徑向-徑向磁通徑向磁通4QT 樣機(jī)樣機(jī)3D示意圖示意圖 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)徑向徑向-徑向磁通徑向磁通4QT樣機(jī)主要部件圖樣機(jī)主要部件圖4QT三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)n瑞典皇家工學(xué)院瑞典皇家工學(xué)院Chandur教授等1998年最早提

13、出了”四象限能量轉(zhuǎn)換器”，共提出三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并申請(qǐng)了世界專利。n對(duì)其中的徑向磁通結(jié)構(gòu)和軸徑向-徑向磁通結(jié)構(gòu)方案開(kāi)展了理論分析和樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)軸向磁通結(jié)構(gòu)方案未開(kāi)展研究工作。兩臺(tái)樣機(jī)定子采用水冷，內(nèi)轉(zhuǎn)子采用風(fēng)冷，根據(jù)其現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩種電機(jī)的功率密度都可達(dá)2 kW/ kg。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)n哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授提出了更多復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)電機(jī)（CS-PMSM）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，已研制兩種結(jié)構(gòu)功率密度也能達(dá)到2kW/kg。軸徑向-軸向磁通軸徑向-軸徑向磁通軸徑向-徑向磁通軸向-徑向磁通軸向-軸向磁通徑

14、向-徑向磁通徑向徑向-徑向磁通徑向磁通CS-PMSM實(shí)物圖實(shí)物圖 軸向軸向-軸向磁通軸向磁通CS-PMSM實(shí)物圖實(shí)物圖 橫截面示意圖橫截面示意圖 外轉(zhuǎn)子統(tǒng)一永磁體場(chǎng)圖外轉(zhuǎn)子統(tǒng)一永磁體場(chǎng)圖DPM樣機(jī)樣機(jī) 美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)徐隆亞教授2005年提出雙機(jī)械端口電機(jī)（DPM） ，后來(lái)中科院與其合作進(jìn)行進(jìn)一步研究，制作了樣機(jī)，采用水冷 。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)n哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授提出了更多復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)電機(jī)（CS-PMS

15、M）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，已研制兩種結(jié)構(gòu)軸徑向-軸向磁通軸徑向-軸徑向磁通軸徑向-徑向磁通軸向-徑向磁通軸向-軸向磁通徑向-徑向磁通徑向徑向-徑向磁通徑向磁通CS-PMSM實(shí)物圖實(shí)物圖 軸向軸向-軸向磁通軸向磁通CS-PMSM實(shí)物圖實(shí)物圖 油冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖油冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 國(guó)內(nèi)外研究國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 油箱入孔油箱散熱器輸入軸左通路支架入孔左端蓋通路油泵輸入軸右通路輸出軸通孔支架出孔支架通路定子機(jī)座通路國(guó)內(nèi)外研究國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心、上海大學(xué)和上海安乃達(dá)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司合作研發(fā)了雙轉(zhuǎn)軸混合磁路能量變換器 ，結(jié)構(gòu)與瑞典四象限能量轉(zhuǎn)換器類似，油冷卻系統(tǒng)來(lái)冷卻整臺(tái)電機(jī)。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電

16、機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)廣州汽車(chē)技術(shù)中心和華南理工大學(xué)共同研發(fā)電磁耦合無(wú)級(jí)變速器，與前面復(fù)合結(jié)構(gòu)電機(jī)不同之處定子中潛嵌有直流勵(lì)磁線圈，利用混合勵(lì)磁特性實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主磁通可調(diào)的功能高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙軸雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 n哈爾濱工業(yè)大學(xué)為提高混合電動(dòng)車(chē)的一體化啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的性能，研制了一種新型的雙定子永磁一體化啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，這種電機(jī)高度集成在一起的兩臺(tái)永磁電機(jī)共用一個(gè)轉(zhuǎn)子部件。他們針對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其電磁力矩、定位力矩的影響作了大量研究，探求雙定子電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電磁參數(shù)的合理匹

17、配，指出這種電機(jī)比傳統(tǒng)電機(jī)具有更高的轉(zhuǎn)矩密度和功率密度。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 n香港大學(xué)也針對(duì)對(duì)這種雙定子一體化啟動(dòng)發(fā)電永磁機(jī)結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案，并進(jìn)行了深入理論與實(shí)驗(yàn)研究 n由一個(gè)定子和內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)子組成。定子電樞繞組通入對(duì)稱三相交流電時(shí)，外轉(zhuǎn)子和定子外層電樞、內(nèi)轉(zhuǎn)子和定子內(nèi)層電樞分別相當(dāng)于一臺(tái)外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)和一臺(tái)普通同步電機(jī)同時(shí)工作，但定子對(duì)轉(zhuǎn)子上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩方向一致，因此，轉(zhuǎn)軸上輸出的是等效的內(nèi)外兩電機(jī)的和力矩，電機(jī)功率密度很高，具有廣泛的應(yīng)用前景和深入的研究?jī)r(jià)值。n我們欲對(duì)此類電機(jī)進(jìn)行深入

18、研究。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式-單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 永磁體軸前端蓋定子轉(zhuǎn)子軛n永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有較高的功率密度和效率, 因此國(guó)內(nèi)外輪式電機(jī)多采用徑向磁通永磁輪轂電機(jī)和軸向磁通永磁輪轂電機(jī)。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀輪轂電機(jī)輪轂電機(jī) 徑向磁通永磁輪轂電機(jī)軸向磁通永磁輪轂電機(jī)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀n2001年日本東京大學(xué)開(kāi)發(fā)的UOTMarch II電動(dòng)汽車(chē)采用4輪全驅(qū)形式，電機(jī)采用徑向磁通內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最大輸出功率為36kW，最高轉(zhuǎn)速為8700rpm民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本 UOT March

19、II輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元n2001年 ，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)環(huán)境信息學(xué)部清水浩教授領(lǐng)導(dǎo)的電動(dòng)汽車(chē)研究小組推出了性能更好的輪式電機(jī)驅(qū)動(dòng)的概念電動(dòng)車(chē)KAZ，該電動(dòng)車(chē)的電動(dòng)輪系統(tǒng)中采用高轉(zhuǎn)速、高性能的內(nèi)轉(zhuǎn)子型電動(dòng)機(jī)，其峰值功率可達(dá) 55 kW，電機(jī)重量為 22kg，其比功率相當(dāng)高。電機(jī)使用表面式磁鋼結(jié)構(gòu)，采用了集中繞組，以提高電機(jī)效率。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀概念電動(dòng)車(chē)KAZ 民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀n2005年，日本三菱公司推出了Colt EV，該車(chē)采用永磁同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)采用徑向磁通內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，最大輸出功率為20kW，最高轉(zhuǎn)速為9000r

20、pm，內(nèi)置減速比為6的行星齒輪。民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本Colt EV輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀n英國(guó)PML Flightlink 公司研制的外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)應(yīng)用于Volvo ReCharge C30混合動(dòng)力汽車(chē)以及Ford-150純電動(dòng)車(chē)上，其中前者采用的輪轂電機(jī)峰值功率120kW，最大轉(zhuǎn)矩750Nm，最高轉(zhuǎn)速2000rpm，母線電壓采用400V級(jí)，重量為25kg，電機(jī)冷卻系統(tǒng)為水冷形式。PML Flightlink研制的輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本n近年來(lái)，高速內(nèi)轉(zhuǎn)子式電機(jī)配以減速器的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，其中，日本在這方面的

21、研究最為深入。早在1996年，電動(dòng)汽車(chē)ECO中就采用2臺(tái)峰值功率為20kW、最大速度為8500rpm的無(wú)刷直流電機(jī)。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本n采用外轉(zhuǎn)子輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式也得到了廣泛研究與應(yīng)用。以日本為例，1991年研制的電動(dòng)汽車(chē)IZA，就是以4個(gè)額定功率為6.8KW、峰值功率為25kW的外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。2004年制造的4輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，采用外轉(zhuǎn)子表面嵌入式永磁同步電動(dòng)機(jī)，定子繞組為集中繞組，最大功率為75kW。2005年，三菱公司推出一款電動(dòng)汽車(chē)Lancer Evolution MIEV，該車(chē)采用4個(gè)外轉(zhuǎn)子永磁輪轂電機(jī)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩為

22、518Nm，最高轉(zhuǎn)速為1500rpm。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-日本日本n美國(guó)通用汽車(chē)公司 2001 年研制的全新線控四輪驅(qū)動(dòng)燃料電池概念車(chē) Autonomy，同樣也采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)型式，電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)靈活的控制與布置方式，使得該車(chē)能更好地實(shí)現(xiàn)其 drive-by-wire 控制。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-美國(guó)美國(guó)概念車(chē) Autonomy n通用公司研制的一款混合動(dòng)力車(chē)GMs S10采用軸向磁通輪轂電機(jī)，其最大轉(zhuǎn)矩為500Nm，最大功率為25kW，最高轉(zhuǎn)速為1200rpm。該電機(jī)為單定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用較大的電機(jī)直

23、徑和較多的極對(duì)數(shù)來(lái)提高轉(zhuǎn)矩密度，繞組端部的長(zhǎng)度較小，可充分提高電機(jī)效率。為抑制齒槽轉(zhuǎn)矩采用了永磁體短距分布和磁性槽楔，為減小電機(jī)的質(zhì)量則從轉(zhuǎn)子軛部去掉了一部分質(zhì)量。此外，水冷鋁環(huán)和高熱導(dǎo)率的環(huán)氧一起用于定子外側(cè)，以直接散出繞組端部的熱量。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-美國(guó)美國(guó)n加拿大的TM4一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)采用外轉(zhuǎn)子式永磁電動(dòng)機(jī)，其輪轂電機(jī)不通過(guò)減速器，直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。它的集成化設(shè)計(jì)程度相當(dāng)高，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外殼直接與輪輞相連，電動(dòng)機(jī)外殼作為車(chē)輪的組成部分，省卻了制動(dòng)鼓的結(jié)構(gòu)，大大減輕了系統(tǒng)質(zhì)量。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-加

24、拿大加拿大TM4的一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)剖面圖n澳大利亞國(guó)立科學(xué)機(jī)構(gòu)CSIRO與悉尼科技大學(xué)共同開(kāi)發(fā)的一體化輪轂電機(jī)系統(tǒng)，應(yīng)用于三輪太陽(yáng)能電動(dòng)車(chē)Aurora。這里的輪轂電機(jī)采用的是盤(pán)式電機(jī)，其軸向尺寸相當(dāng)小，通過(guò)車(chē)輪輪輞和電機(jī)本體的一體化設(shè)計(jì)，降低了系統(tǒng)的總重，電動(dòng)車(chē)的最高車(chē)速達(dá)到72km/h。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-澳大利亞澳大利亞Aurora的一體化結(jié)構(gòu)n英國(guó)貝姆勒公司開(kāi)發(fā)的 4 輪輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車(chē)MINIQED，4 個(gè)車(chē)輪均采用貝姆勒開(kāi)發(fā)的永磁無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到 750Nm，可以實(shí)現(xiàn) 4 輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，0100km/h加速時(shí)間僅為 4.4s；車(chē)

25、上另備 2 缸發(fā)動(dòng)機(jī)，因此可以不需充電；制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)防滑和制動(dòng)防抱死功能，并且能夠回收大部分制動(dòng)回饋能量。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀民用工業(yè)輪轂電機(jī)民用工業(yè)輪轂電機(jī)-英國(guó)英國(guó)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀軍事工業(yè)輪轂電機(jī)軍事工業(yè)輪轂電機(jī)-德國(guó)德國(guó)MM輪轂電機(jī)n目前，世界上許多軍用混合動(dòng)力戰(zhàn)車(chē)都采用德國(guó)MM公司的電動(dòng)機(jī)，通用動(dòng)力公司地面系統(tǒng)分部和美國(guó)國(guó)家汽車(chē)中心研制的先進(jìn)混合電力驅(qū)動(dòng)88技術(shù)演示車(chē)就采用MM電機(jī) ，電機(jī)額定功率為110kW。MM電機(jī)的主要特點(diǎn)是：采用外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)配以減速器的結(jié)構(gòu)，內(nèi)定子采用集中繞組，冷卻系統(tǒng)為油冷方式，電機(jī)的母線電

26、壓為750V。這種電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度，與相同尺寸的傳統(tǒng)電機(jī)相比，該電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和功率是其410倍。n英國(guó)的QinetiQ公司制造的66型軍用混合電驅(qū)動(dòng)演示車(chē)中采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷電機(jī)，配以減速比為2的減速箱。電機(jī)外徑320mm，長(zhǎng)190mm，重45kg，最大轉(zhuǎn)矩355Nm，最大功率100kW，最高轉(zhuǎn)速9000rpm。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀Qineti Q永磁輪轂電機(jī)軍事工業(yè)輪轂電機(jī)軍事工業(yè)輪轂電機(jī)-英國(guó)英國(guó)n國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)的研究雖然起步較晚，但也取得了一系列的成就。同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院在2002年、2003年和2004年分別推出了采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力平臺(tái)“春暉一號(hào)”和“春

27、暉二號(hào)”，兩者均采用四個(gè)低速永磁直流無(wú)刷輪轂電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，匹配相應(yīng)的盤(pán)式制動(dòng)器。輪轂電機(jī)額定功0.8kW，峰值功率2.5kW；額定轉(zhuǎn)矩25Nm，峰值轉(zhuǎn)矩155Nm；額定轉(zhuǎn)速300r/min，最高轉(zhuǎn)速510r/min。高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)的研究國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)的研究n哈工大愛(ài)英斯電動(dòng)汽車(chē)研究所開(kāi)發(fā)的 EV96-I 型電動(dòng)汽車(chē)采用了多態(tài)輪轂電機(jī)的輪轂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。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(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的雙重特性 , 驅(qū)動(dòng)輪額定功率 6.8 kW , 最大功率 15 kW , 最大轉(zhuǎn)矩 25 N m。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀多態(tài)輪轂電機(jī)示意圖 國(guó)

28、內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)的研究國(guó)內(nèi)對(duì)輪轂電機(jī)的研究n采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提高輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度，俄羅斯在此方面率先進(jìn)行了研究，該電機(jī)采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、分?jǐn)?shù)槽集中繞組形式，額定功率為2.5kW。采用該結(jié)構(gòu)電機(jī)可以降低銅的用量，同時(shí)采用膝點(diǎn)很高（1.969T）的硅鋼片等措施，減小了損耗并可以提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。由于電機(jī)自身冷卻可滿足散熱要求，因此該電機(jī)并未采用其他冷卻方式。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀輪轂電機(jī)新型電機(jī)結(jié)構(gòu)輪轂電機(jī)新型電機(jī)結(jié)構(gòu)n美國(guó)WaveCrest實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的Adaptive新型輪式雙氣隙電機(jī)中定子具有非常復(fù)雜的3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為便于加工并得到較高的尺寸精度，定子鐵心使用了新型軟磁復(fù)合材料SMC加

29、工，而不是傳統(tǒng)的疊片。此外，采用定子分段等先進(jìn)的嵌線工藝更容易實(shí)現(xiàn)高槽滿率。采用較高的槽滿率有利于提高電機(jī)鐵心利用率，降低鐵耗并增強(qiáng)散熱能力，可進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀輪轂電機(jī)新型材料與先進(jìn)加工技術(shù)輪轂電機(jī)新型材料與先進(jìn)加工技術(shù)WaveCrest實(shí)驗(yàn)室研制的輪轂電機(jī)n美國(guó)WaveCrest實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的Adaptive新型輪式雙氣隙電機(jī)中定子具有非常復(fù)雜的3D拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為便于加工并得到較高的尺寸精度，定子鐵心使用了新型軟磁復(fù)合材料SMC加工，而不是傳統(tǒng)的疊片。此外，采用定子分段等先進(jìn)的嵌線工藝更容易實(shí)現(xiàn)高槽滿率。采用較高的槽滿率有利于提高電機(jī)鐵心利用率，降低鐵耗并增強(qiáng)散熱能力，可進(jìn)一步提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度。 高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的研究現(xiàn)狀輪轂電機(jī)新型材料與先進(jìn)加工技術(shù)輪轂電機(jī)新型材料與先進(jìn)加工技術(shù)WaveCrest實(shí)驗(yàn)室研制的輪轂電機(jī)高功率密度電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)n高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)高轉(zhuǎn)矩密度、高功率密度電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 電動(dòng)車(chē)輛內(nèi)有限的空間對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提出了體積小重量輕的要求，目前，傳統(tǒng)的永磁電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)已較難滿足對(duì)電機(jī)高功率密度指標(biāo)的要求，電機(jī)新型定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、各電磁參數(shù)、電機(jī)