电动汽车的轮毂电机设计与其弱磁控制

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢............................................................................................................................59-VI-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题的研究背景及研究意义能源短缺和环境污染问题已经成为近来世界关注的主要问题，而开发超低排放的电动汽车是解决此问题的重要途径之一。目前，已经有很多电动汽车问世并投入运行。然而，现有电动汽车大部分是在传统内燃机汽车的基础上

2、改装而成，即用一个集中电机代替原来的发动机，动力通过电机、变速器、传动轴、差速器和半轴等传到车轮来驱动车辆前进。近年来，随着电机及其控制器的发展以及大功率电子器件的应用，也出现了一些全新设计的电动汽车，其中，采用轮毂电机的多轮分布式驱动电动汽车非常具有发展潜力。这就是第二[1]代电动汽车——电动轮汽车。传统的燃油汽车的驱动系统包含发动机、减速器和差速器等机械部件。这是由于内燃机的速度可变范围窄，必须用减速器来扩大速度的调节范围。同时，在转向过程中应用差速器以重新分配力矩，减少轮胎磨损。减速器和差速器为一系列传动齿轮，在汽车运行中消耗一部分机械能，从而使车

3、轮得到的功[2]率不到发动机功率的2/3，大大降低了汽车的效率。与传统的燃油汽车相比，电动轮汽车省略减速器、差速器，直接将电动机安装于车轮上，采用电动轮驱动。图1-1电动轮汽车的结构形式（M电动机FC固定比减速装置）Fig.1-1Thestructureofmotorized-wheelstruck（MmotorFCtheFixeddecelerationdevice）-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文与普通电动汽车相比，电动轮汽车(见图1-1)采用分布式驱动结构，可以省去复杂笨重的变速箱、传动轴以及差速器等传动系统，显著降低整车质量且分布更加均衡，高

4、传动效率，节约能源，同时便于实现低底板汽车的设计，方便乘客乘坐，并且可以利用电机再生制动同时回收各车轮的制动能量，提高电[3]动汽车的续驶里程。更显著的优点是电机控制比发动机控制更为简单准确，响应及时迅速，因此可以实现多个车轮单独控制，比传统车辆更容易实现[4]ABS/TCS/ESP等复杂的车辆动力学控制。本课题以新颖的轮式驱动电动汽车的工程项目为背景，立足于其轮毂电机的优化设计与弱磁控制，深入系统地研究了基于有限元的电动汽车的轮毂电机设计，对其弱磁控制进行了探讨，并且对加工出的样机进行了弱磁扩速验证。本项目面向社会与新技术的发展需求，涉及车辆、电机、控

5、制理论、有限元等众多学科与工程技术领域，对于进一步研究开发电动汽车新技术，具有现实的学术和工程意义。本文研究的是用于电动汽车的轮毂电机，与传统的电机相比，其速度高、[5]控制性能好、功率密度高。电机尺寸增大后可应用到军用车辆领域，便于军用战斗车辆的合理布置，具有重要的国防意义。所以轮式驱动电动汽车技术的实现对于电动汽车学来说具有划时代的意义。1.2轮毂电机概述1.2.1轮毂电机简介轮毂电机是将电动机和车轮结合在一起的电机，他是伴随着永磁电机和现代控制技术的发展出现的。轮毂电机驱动系统是电动车辆的先进驱动方式，这项技术20世纪50年代初由美国人罗伯特发明，

6、1968年首次被通用电气公司[6](GE)应用于大型矿用自卸车。轮毂电机外形基本一致，大都为扁平型，但电机类型、结构形式、驱动方式差别较大，分类方法也不一致。按电机类型分，目前应用于电动轮毂的电机主要有四大类，即永磁电机(PM)、异步电机(IM)、开关磁阻电机(SRM)和横向[7]磁通电机(TFM)。其中永磁电机最为常见。按结构形式分，轮毂电机分很多类。从主磁通行经路径分，它有径向磁场、轴向磁场、横向磁通三种基本形式。按运动方式分，有内转子、外传子、双转子三类。按驱动形式的不同，轮毂电机可分为减速驱动和直接驱动两大类。以下是几种应用比较广泛的轮毂电-2-

7、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文机性能及其技术状况比较表。从表1-1中可以看出，永磁同步电机是比较合适的选择。表1-1轮毂电机比较表Table1-1Thecomparisontableofthein-wheel-motor轮毂电机类型体积成本寿命效率控制性技术成熟度维修性直流电机大低短0.7~0.8易成熟难交流电机最小低长0.7~0.8难成熟易永磁同步电机较小高长0.8~0.9易成熟易开关磁阻电机较小高长0.7~0.8较难成熟易1.2.2轮毂电机的驱动方式轮毂电机的驱动方式可以分为减速驱动和直接驱动两种基本形式。直接驱动方式见图1-2，采用低速外转子电动机

8、，轮毂电机与车轮组成一个完整部件总成，电机布置在车轮内部，直接驱动车轮带动汽车行