电动汽车用轮式驱动电机的研究

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1、(2)只使用一级减速，驱动力可以达到整车质量的三分之一，足够静止加速所需要的功率。(3)具备容错能力。(4)功率变换器的尺寸和成本下降。(5)可以使用更小更轻的装置与车轮连接。(6)燃油消耗减小2．3％。但是，使用这样的减速方式，有如下缺点：(1)增加了机械复杂程度。减小了传动的效率。(2)齿轮切换时，有可能引起功率扰动，需要一定的解决措施。(3)齿轮的切换，需要额外的机电执行器和控制器。需要注意的是，文献[13]得出的结论，与一般的观点是不太相同的。一般情况下，认为固定速比减速更具优势，因为固定速比减速器的成本，体积，质量小，效

2、率和可靠性高。它在电动汽车中的应用，也是主流【17]。文献[13]从整个驱动系统的角度得出的结论，是否对径向磁通轮式电机具有普遍意义，仍需探讨。可见，对于直接驱动和减速驱动两种轮式驱动方式，减速器的研究是关键。2轮式驱动的相关问题轮式电机存在涉水能力不强，密封复杂，抗振能力要求高，疲劳寿命要求高等问题[18】。但是，轮式电机最大的缺点，还是它引起的簧下质量问题【l21119]，针对这一问题，各国学者进行了大量的研究。另一方面，由于轮式电机可以实现车轮驱动力控制的精确性与快速性，基于轮式电机驱动系统的车辆运动控制无疑成为了一个研究热

3、点。2．1轮式电机引起的簧下质量问题普通车辆的簧下质量包括轮胎，轮辋，制动器与连接部件的质量。而轮式电机驱动的电动汽车，增加了轮式电机系统，电缆与固定部件的质量。研究表明【18】【l91，簧下质量的增加会引起车轮系统共振频率的降低，可能在特定区间，引起车轮跳动和底盘共振等问题。按照汽车理论，汽车的簧下质量最好小于簧上质量一个级数以上，才能保证汽车运行的平滑与稳定。解决轮式电机簧下质量问题，主要有两种方法：一种是优化轮式电机的转矩密度，使电机的质量减小；另一种是优化设计汽车悬架系统的弹性元件和阻尼元件【7】[18]。8轮驱动电动汽车

4、KAZ通过前后悬架系统(TandemWheelSuspension)将质量分配到各车轮[201，减小了轮胎尺寸，进而减小了簧下质量占总车重的比例。文献【21J将电机的定子和转子分别安装，定子固定在汽车底盘上，转子通过半轴与车轮相连，如图7。这样，只有电机转子的质量增加在车轮上。但是，这种结构定子与转子对心困难，车轮的振动会引起转子的跳动，从而带来电机转矩波动，需要采取一定的控制策略来进行补偿【22j【23】。而且转子与车轮连接还需一根短半轴，增加额外的质量【1引。图8为普利斯通公司的动态缓冲轮式驱动系统(Dynamic．Dampi

5、ngIn—wheelMotorDriveSystem)。该．17．一叫萎f∥援冲器甲>!j阡一鞋动轴H-L．一／车轮／图7轮式电机定子、转子分离结构磁通电机仍处于实验室研究阶段，在舰船和电动汽车中的应用已有所报道，但距离大量实用化还有一段距离。然而，横向磁通电机改变了传统电机中电负荷与磁负荷相互制约的状况，给电机理论带来了新的变化。而且它的转矩密度很高，适合轮式驱动这样的低转速高转矩场合。因此，对于横向磁通轮驱电机的研究，不仅可以丰富横向磁通电机的理论，而且会为轮驱电机提供新选择。传统电机定子齿槽在同一截面上，电负荷和磁负荷相互制

6、约，除了增大电机体积，无法使电负荷和磁负荷同时增大，这样就制约了电机转矩密度的提高。而横向磁通电机的出现，从理论上较好的解决了这～问题【41

7、。r．-荔1·和吩，(1)式中：乃一电机转矩密度；6厂定子齿宽；卜定子齿距；墨一槽面积：曰，一定子齿磁密；产电流密度。公式(1)给出了电机转矩密度的表达式⋯。可以知道，在一定条件下，电机电流密度和定子齿磁密基本为常数，只有通过增加齿宽和槽而积来实现转矩密度的提高。但是，传统电机定子槽截面与齿截面在同一剖面上，不可能

8、一时增大。而横向磁通电机则不然，如图17。横向磁通电机绕组截面的配置与磁路结

9、构不在同一平面内，不存在相互制约关系，可以独立选取，这样转矩密度的提高成为了可能【42l。图17横向磁通电机14副因此，横向磁通电机最突出的特点就是：许多设计参数独立，转矩密度高Ⅲ】【45

10、，每相绕组独立，不存在耦合【4制。但是，横向磁通电机的缺点也很明显，结构设计和装配复杂，功率因数低，计算分析手段不完善[411。文献【47】指出，横向磁通电机的功率凶数大于0．7后才有望实现市场化。横向磁通电机高转矩密度的特点很适合轮式电机的要求，目前已经开始有针对横向磁通轮式电机的研究，但只是刚刚起步，还有很多问题尚待解决。文献[481N装甲

11、车设计的聚磁式横向磁通轮式电机，如图18。该电机气隙磁密较大，电流较图18聚磁式横向磁通轮式电机．22—小，减少了铜损，减少了永磁体的用量，进而减轻了电机的质量。但是，该电机设计峰值转矩为3500Nm，没有相同条件下设计的外转子永磁同步电机大(60