輪轂電機(jī)學(xué)習(xí)報(bào)告

雖然早在上個(gè)世紀(jì)五六十年代關(guān)于輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的研究早有出現(xiàn)，且近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外參與的研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者也有不少，但是從其發(fā)展的進(jìn)程來(lái)看并不迅速也并不順利。制約其進(jìn)步的因素有很多，關(guān)于技術(shù)上的研究有很多地方有待提高，這也主要取決于電機(jī)技術(shù)、電子控制技術(shù)、新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的進(jìn)步。作為輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)，正是由于它的結(jié)構(gòu)與普通汽車(chē)有了很大區(qū)別，簡(jiǎn)化了很多，部件大多集中于驅(qū)動(dòng)輪輞內(nèi)，使得對(duì)于輪輞內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求很高。一、輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)作為一種新型的汽車(chē)，與傳統(tǒng)的汽車(chē)及普通的電動(dòng)汽車(chē)相比有著許多優(yōu)勢(shì)。首先，由于采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)車(chē)輪，因此省去了傳統(tǒng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，取消了變速器、離合器等部件，為汽車(chē)節(jié)省了空間。其次，輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的很多部件集中于車(chē)輪，使得汽車(chē)底盤(pán)外的車(chē)身受設(shè)計(jì)限制很小，車(chē)身設(shè)計(jì)可以更加多樣靈活。第三，節(jié)省了傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輪轂驅(qū)動(dòng)形式，在機(jī)械傳動(dòng)效率方面也更高，同時(shí)由于沒(méi)有了這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，汽車(chē)運(yùn)行的聲音也會(huì)比較小。第四，在制動(dòng)方面，輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)可以采用電子控制直接對(duì)驅(qū)動(dòng)輪制動(dòng)，同時(shí)與機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合，而且能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回收等。第五，在車(chē)身重量方面，省去的普通傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減小了不少車(chē)重，使得汽車(chē)更加輕便靈活。第六，可以對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)控制，在車(chē)輛的動(dòng)力性方面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，有益于提高汽車(chē)的動(dòng)力性。第七，在車(chē)輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，對(duì)各驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行電子差速控制，特別是四輪驅(qū)動(dòng)的情況，可以有效的減小車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑。第八，與傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)相比，輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)有更大的利用空間布置電池和電子控制系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)的性能提供了有利條件。輪轂電機(jī)的發(fā)熱主要來(lái)自于電機(jī)內(nèi)部的繞組在工作過(guò)程中的損失，此外鐵心也會(huì)產(chǎn)生熱量，散熱效果的好壞影響了電機(jī)的功能工作能力。熱量通過(guò)傳導(dǎo)作用從銅線穿過(guò)絕緣傳到鐵心，再由鐵心傳到電樞表面，然后借對(duì)流和輻射利用將熱量傳到周?chē)臍怏w中去。所以，要降低繞組表面的溫升，既要提高輪轂電機(jī)內(nèi)的導(dǎo)熱強(qiáng)度，又要加大部件表面的散熱能力。輪轂式電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪內(nèi)部集中設(shè)計(jì)了多個(gè)部件，對(duì)于電機(jī)的冷卻方式，綜合空間布局不易采用結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的水冷方式，應(yīng)該選用風(fēng)冷散熱的方案。二、電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)選用要求：電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵系統(tǒng)，它將來(lái)自于電池或別的能量源的電能轉(zhuǎn)化為汽車(chē)的機(jī)械能。電動(dòng)汽車(chē)選擇合適的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛的動(dòng)力輸出裝置，影響著整車(chē)的性能，是影響汽車(chē)設(shè)計(jì)成敗的重要因素。電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于電機(jī)具有以下基本技術(shù)要求:電機(jī)需要具有較寬的調(diào)速范圍和比較大的啟動(dòng)扭矩，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性能要求，包括啟動(dòng)的快慢以及加速的時(shí)間等。能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)，有效的實(shí)行制動(dòng)能量回收，在汽車(chē)需要制動(dòng)時(shí)，回收制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)低能耗、高效率。良好的耐熱及耐潮能力。在比較惡劣或特殊的工作環(huán)境下，保證電機(jī)的正常運(yùn)行。輕量化。選用合適的材料作為電機(jī)的機(jī)殼，以及合適的控制器及散熱設(shè)備的材料輕量化。高電平。在允許的條件下，盡量選用高電平，以此減小電動(dòng)機(jī)的尺寸及導(dǎo)線的大小，同時(shí)可以有效降低功率變換器的成本。對(duì)于控制系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其設(shè)計(jì)必須達(dá)到國(guó)家對(duì)于車(chē)輛安全性的規(guī)定和要求。通常來(lái)說(shuō)，在電動(dòng)汽車(chē)初始階段，鑒于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩——速度特性較好，滿(mǎn)足牽引電機(jī)的要求，且具備速度的控制較為簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因而被率先采用。但是直流電機(jī)的效率很低，而且維護(hù)起來(lái)比較麻煩，在運(yùn)行的過(guò)程中，由電刷產(chǎn)生的火花給別的設(shè)備帶來(lái)了電磁干擾。交流三相感應(yīng)電機(jī)式運(yùn)用比較多的電機(jī)類(lèi)型其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功率覆蓋面積比較廣，與相同功率的直流電機(jī)比較起來(lái)，它的成本更低、質(zhì)量更輕。但是交流三相感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子更容易發(fā)熱，功率因數(shù)也比較低，引入變頻變壓裝置后會(huì)大大提升電機(jī)的成本。永磁無(wú)刷直流電機(jī)具有較為特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，沒(méi)有換向器的電機(jī)卻具有直流電機(jī)的外特性。由于采用的是永磁體轉(zhuǎn)子，電機(jī)沒(méi)有勵(lì)磁損失。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是較為新型的電機(jī)，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，效率更高，調(diào)速范圍更為寬廣且控制方法靈活多變。據(jù)有關(guān)研究表明，采用合理的設(shè)計(jì)制造的開(kāi)關(guān)磁阻式電機(jī)的噪聲可以實(shí)現(xiàn)頗為有效的抑制。三、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)是一種新開(kāi)發(fā)的機(jī)電一體化電機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及電力電子器件的發(fā)展，一直以來(lái)備受重視。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要由四部分組成:開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器和檢測(cè)器。圖2開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)框圖開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，效率相對(duì)較高的優(yōu)勢(shì)。另外，損耗主要產(chǎn)生在定子邊，所以冷卻問(wèn)題較容易。沒(méi)有繞組的轉(zhuǎn)子特點(diǎn)為其成為高速電機(jī)提供了可能。但開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)聲音較大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性不是特別好。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)綜合了感應(yīng)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)和直流電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的合理選擇之一。總結(jié)來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)有如下優(yōu)勢(shì)：電機(jī)本體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定子上繞組集中簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組，因此工作穩(wěn)定，制造簡(jiǎn)潔，成本低廉。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，每次電流換向時(shí)能夠靈活控制相匝扭矩的方向和大小，所以使系統(tǒng)有著良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響比較小，因而更容易制成高速的電機(jī)，滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性要求。其轉(zhuǎn)矩與電流極性無(wú)關(guān)，只需單向的電流激勵(lì)。從理論上說(shuō)，功率變換電路中每相可以只用一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，與電機(jī)繞組串聯(lián)。因此，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SRD線路簡(jiǎn)單且運(yùn)行平穩(wěn)，與PWM調(diào)速系統(tǒng)相比更加節(jié)約成本。SRD系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)電流的導(dǎo)通、斷開(kāi)和對(duì)幅值的控制，得到滿(mǎn)足不同負(fù)載要求的機(jī)械特性，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和四象限運(yùn)行功能，控制更加靈活。又由于SRD系統(tǒng)是自同步系統(tǒng)運(yùn)行，不會(huì)像變頻供電的感應(yīng)電機(jī)那樣在低頻時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定和振蕩問(wèn)題。由于SR開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)采用了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的控制技巧，其單位功率可以向感應(yīng)電機(jī)看齊。SRD系統(tǒng)的效率和功率密度在寬廣的速度和負(fù)載范圍內(nèi)都有著良好的性能表現(xiàn)。同時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)也有著一些技術(shù)上的缺點(diǎn):首先，電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲與振動(dòng)比一般電機(jī)大。其次，由轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。從工作原理上可知，SR開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是由一系列脈沖