电动汽车用轮式驱动电机的研究

1、电动汽车用轮式驱动电机的研究1.引言电驱动系统与燃汕驱动系统相比具有更好的控制性能，而伦式驱动系统从控制性能来 讲可以充分发挥电动汽车的特点，提高其性能是电动汽车驱动系统理想的选择。但由于其 先进性与创新性更强，也存在更多的问题挑战。电动汽车驱动系统可以按照机械功率的传 递过程粗略的分为两类。一类是市传统的内燃机汽车演变而來，即电机取代发动机或者电机 辅助发动机产牛骡动车辆的机械功率，然后通过相应的机械传动装登传递到车轮，与传统的 内燃机汽车相比，这种方式的机械传动系统儿乎没有a大的变化。另一类是轮式驱动，即电 机产生的机械功率直接传递到车轮，很少或者不需要传统的机械传动装置，电机的位置可以

2、在车轮内（可称作轮毅电机），也可以在底盘上通过传动轴为车轮相连（可称作轮边电机） 电动汽车驱动系统可以按照机械功率的传递过程粗略的分为两类。一类是山传统的内燃机汽 车演变而來，即电机取代发动机或者电机辅助发动机产牛驱动车辆的机械功率，然后通过相 应的机械传动装置传递到车伦，与传统的内燃机汽车相比，这种方式的机械传动系统几乎 没冇太大的变化。另一类是轮式驱动，即电机产生的机械功率直接传递到车轮，很少或者 不需要传统的机械传动装置，电机的位置可以在车轮内（可称作轮毅电机），也可以在底 盘上通过传动轴与车轮相连（可称作轮边电机）。轮式驱动是一种先进的驱动方式，它主耍有以下优势与特点（1）动力控制通过

3、电缆实现，不需要机械装置。省去了传统的机械换档、离合器、变 速器、传动轴和差速器等装置，传动效率得到了提高，同时也减少了制动能量回馈时的损 耗；（2）车辆空间增大，整车布局和车身造型设计的自由度大大增加；（3）使用轮式驱动系统，可以快速，精确的控制各车轮的驱动力，便于实现高级的车辆运动控制, 提高车辆的平稳性、舒适性。比如车辆稳定性控制（vsc）驱动力控制系统（tcs）防抱死煞车系统（abs） 等图3迫动助力转向和零半径转向71可见轮式驱动可以充分发挥电动汽车的特点捉高电动汽车的性能因此众多汽车厂商都非帘关注轮式驱动电动汽车图4给出了一些轮式驱动电动汽车可以预测在电动汽车能源系统取得突破轮式驱

4、动的理论与技术日益成熟的前提下它成为电动汽车的主流報动方式是很有可能的图4轮式驱动电动汽车直接驱动与减速驱动伦式电机驱动系统的比鮫轮式电机的驱动方式可以分为两种玄接驱动利减速驱动这两种方式在目前轮式驱动电动 汽车上都有应用对于直接報动电机为外转子式转子在电机的外侧与车轮直接相连电机的 特点是低速大转矩如图1 （a）:而对于减速驱动电机为普通内转子式通过减速器与车轮相 连电机的转速较高如图5 图5减速菠动轮式电机 直接驱动轮式电机机械结构简单可靠性高传动效率高容易女装vh s但是直接驱动轮式电机的铜损占总损耗的比例很大当电机输出大转矩时效率会下降较多5 9而且路而带來的振动和冲击只经过轮胎这-级

5、缓冲电机的结构部件和轴承都需要进行特别的考虑减速驱动轮式电机更易丁-采用普通内转子电机的理论-与技术减速齿轮可以作为电机与午轮 之间的缓冲而且减速齿轮可以集成在转子内提高径向磁通电机转子铁心的利用率21 但是正是由于减速齿轮的存在会降低传动的效率带來额外的噪声増加额外的固定和冷却装置2 5另外齿轮系统在低转速下的功率传递功能较差这样会使车辆在低速下的加速性能不 太好12从上述情况可以发现直接驱动和减速驱动轮式电机孰优孰劣还难有定论但是文献（13认为减速器的等效转炬密度大丁-电机这就是说如果一台sok g的电机最大输出转矩为30 0 n m给它增加一个3150比的减速齿轮以片整个系统能够输出的峰

6、值转矩要大于6 0 on m文献（12的数据也证明了这一点文中电机的质暈为2 2 kg最人输出转矩10 n m.减速比为卜45 8.驱动系统质量i k g （包括制动器）这样减速器（包括制动器）的质量为412 = 19 k g电机的转矩密度为1 0 0/ 2 =4 .s n耐k g减速器（包括制动器）的等效转矩密度为（4 5 8810 ）/19 -1 8 gn 耐k g整个系统的为1 5 554/ 1 = 1 12n 耐k g .如果据此认为减速驱动具有优势还不是特别行说服力因为如果把减速器占用的质量和空间拿来优化设讣电机和冷却结构再加上性能好质量轻材料的使用直接驱动电机的转矩密度还是可以很高

7、的可能会超过减速器带来的转矩密度提升作用表1给出了一些直接驱动电机的转矩密度.以说明这一点, ,z： )6 2农i部分克接驱动电机的转矩密度电机峰值转矩对应的转矩密度(n “ kg1z a驱动电机图6名级减速电机此外多级减速方式也成为了一种选择文献【13为了找到电机质屋与减速比的最伐平衡针对整车要求的指标进行了一-系列计算.发现两种方案最为可行：(小使用固定减速比20 ：1的减 速器和一台大尺寸大转矩的电机.(b)使用多级减速器和一台小尺寸小转矩的电机这时驱动系统在一般状态下只使用一级减速.2 75 ： 1如果需要可以再增加一级.2 75 : 1的减速如图6对比固定速比方案文献131认为多级减

8、速更具优势因为()1两级减速很少同时使用只有临的时间只使用(2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23%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(1 3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率和町靠性高它在电动汽车中的应用也是主流-7)

9、文献13从整个张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利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i“ 但是.轮式电机最大的缺点还是它引起的赞下质量问题【 2 1) 9针对这一问题各国学者进行了大量的研究另一方面由丁轮式电机可以实现车轮驱动力控制的将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点1轮式电机引起的费下质量问题普通车辆的费下质量包括轮胎轮網制动器与连接部件的质最而轮式电机驱动的电动汽车.増加了轮式电机系统电缆与固定部件的质量研究表明t

10、，8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屋问题主要冇两种方法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71-.8轮驱动电动汽车k a z通过前后悬架系统(ta nd em w h e 1 s us p ne si no )将质量分配到各车轮20 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12，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.只有电机转子的质最增

11、加在车轮上但是这种结构定了与转了对心闲难车轮的振动会引起转了的跳动从而带來电机传矩波动需要采取一定的控制策略来进行补偿2 23.而h转子与车轮连接还需一根短半轴増加额外的质量图8为普利斯通公司的动态缓冲轮式驱动系统(dynamici) a ju p in g in -w h e 0 1 m 0 t 0 r d r i vesy stein )该图7轮式电机定子转子分离结构系统通过弹簧和缓冲器将无轴电机悬浮起來直接将电机排除在了簧下质最之外而且电机与 轮辆通过导向器进行柔性连接导向器可以补偿电机的位移从而使电机与路而给轮胎带来的振 动分离提高了车辆的抓地能力和行驶性能但是这一系统需耍特殊的电机和

12、弹性缓冲元件系统复杂成本高儿可见在开发高转矩密度轮式电机系统的基础上.再结合汽车的底盘与悬架技术轮式电机系统带來的簧下质量应能限制在允许的范围内22基于轮式电机驱动系统的车辆运动控制通过轮式电机系统可以快速梢确的对车辆驱动力和制动力进行控制实现车辆稳定性控制(v s c )驱动力控制系统(tc s).防滑煞车系统(a b s)等功能从而可以大大改善车辆的行驶动力学性能如果使用线控转向技术还可以提高车辆转向行驶性能并有效减小转向半径共至零转向半径大大増加转向灵便性“例如传统的a b s使用液压控制由于液压阀的死区时间和液流线路的滞后时间制动缸的压力响应一般要滞后10m s以上但是为了有效防止刹年

13、时的滑动现象滞后时间需耍小于sm s现有的液压a b s难以做到而电机系统的滞后时间非常小一般小于1id s同时a b s控制需耍测量车轮速度和底盘速度来计算打滑率.而轮式驱动系统可以不通过测量底盘速度直 接测出车轮的打滑率率从而提高a b s控制的准确性25文献【4认为采用轮式驱动系统町以帯来三个好处()1电机可以快速准确的产生转矩电机转和响应时间短比传统的内燃机和液压制动系统快1010倍这样就可以方便的实现反馈控制比如二自由度控制系统(wt odge re of ere do m)防抱死制动系统(anti lo e k b r a k e s y s te m )和驱动力控制系统(to.1

14、? e t io n c o n tr o 1 s ystem)(2 )电机安装车轮内车轮的驱动力可以分别控制实现诸如左侧车轮与右侧车轮驱动力相反的控制同时可以增強车辆稳定性控制(ve hi cel st ba ili yt c on otr )1直接横摆控制(diec t ya * c o n tr of )等控制方式的能力(3)电机的转矩很容易测最这样可以设讣出简单的驱动力观测器从而实现慕于道路状况估计的新型运动控制策略同时该文献还按照以下儿个部分较为全面的分析和研究了轮式电机的运动控制问题如图9(1 )轮胎和道路平而的附着控制包括:模型跟踪控制(modelfol lowingcontro

15、l)打滑率制(sl iprati ocontrol)接横摆控制(d ir e <? t yu w e o n t r o 1 )和车轮打滑率的直接检测.高性能(2制动控制 包括实现完全的电了再生制动和实现每个轮胎的直接驱动力控制(3 )实现二维控制包括横摆率(物w r a te )和打滑角(b 6 d y s 1 ip a n g 1 e )的解祸控制和根据道路情况动态控制分配驱动力(4 )路血情况估计包括佔计道路的摩擦系数和估计轮胎打滑率并进行优化(5) 提高驾驶员与车辆的信息交换的能力(6 )实现电动助力转向(e 1 ectri epowers teering)可见慕于轮式电机驱动系

16、统的车辆运动控制研究会促进电动汽车理论的完善与进步该领域的研究在未來一段时间內应该是热点3不同结构轮式电机驱动系统的比较各国学者针对轮式驱动系统展开了大量研究具体到轮式驱动电机可以按照电机内主磁通路径分为三类.分别是径向磁通轴向磁通和横向磁通轮式驱动电机总结目前对这三类电机的研究情况可以发现针对径向磁通和轴向磁通轮驱电机的研究较多横向磁通轮驱电机的研究 刚刚起步31径向磁通轮式电机径向磁通轮式电机的技术成熟便于生产制造目前可找到轮式驱动电机资料的电动汽车.大都采用了径向磁通结构直接驱动和减速驱动都有并且采用了一些新的设计：()1多相电机这样可以减小波动转矩的幅值减小相电流减小直流侧的谐波提高可

17、靠性-227(2) 较大的气隙文献1927 1中电机的气隙都为1sm m这样主要还是为了避免弔轮振动对电机带来的不利影响(3) 为了减小电机绕组的端部长度多采用非重聲的集中绕组16 20(4) 采用一些新材料文献【28 就采用0lm m厚的铁心聲片來降低铁损(5) 优化电机最高转速与基速的比值文献2 9通过加速时的驱动功率公式推导出了电机转速比x (最高转速与基速的比值)与驱动功率的关系.日本在1 9 91年就开发出了一种高性能的四轮驱动轮式电机电动车zt a其个別性能己经可以与当时的燃汕汽车相比拟1-0如图10所示zl a上的轮式电机为外转子永磁同步电机该电机要求的过载能力是8倍选用了smc

18、 o永磁体防止退磁 设计中在综合考虑制造工艺性和减小齿槽转矩的基础图10 iza二的轮式电机 上优化了磁钢形状减小了转矩波动同时还考虑了磁饱和对电流转竝曲线的影响和极数的选择对电机损耗与制造工艺性方而的影响之后日木乂开发出了性能更好的轮式电机驱动概念电动年k a z其最高车速高达31 1 km ill 20 它的姊妹车el i ac更是达到了3 7 o k nith 28ka z采用8台六相无刷直流轮式电机驱动前轮为盘式制动后轮为鼓式制动电机使用了集中绕纽.以提高电机效率电机最高转速可达12 0 0 0 pr m因此在转子表面磁钢上增加了碳纤维环以加强机械强度130】图1为ka z后轮驱动系统

19、的结构图加拿大的研究人员开发出的t m 4轮式电机也具有很显著的特点（ 5 如图12所示.电机的驱动器和控制器集成在了电机内提高了电机空间的利用率电机的电源线和控制线在一根电缆内可以对车轮的位铉转矩转速进行快速而准确的控制系统受到电磁干扰的可能性小电源和电机之间的电流小提高了整个驱动系统的效率采用水冷却系统使电机具有了较高的运行性能该电机已经应用在了标致的概念车q ua kr上徳国磁电机公司（m m ）的直接驱动轮式电机也很有代表性卜“】如图13所示电机定子采用集中绕纽并有液体冷却转子永磁体设计为聚磁结构电机气隙大机械结构简单内部集成了高分辨率传感器 所冇丄作点的效率都很高可以精确控制电机的转

20、矩直到零该公司的电机性能优越已经广泛应用在了各种车辆上 表2给出了这儿种径向磁通轮式电机的性能数据图13 mm公司的直接驱动轮式电机农2 5种径向磁通轮式电机的性能数据对比iz a t m 4 m m k a z e ! lie*驱动方式自接驱动自接驱动自接驱动减速驱动减速驱动额定转矩（n m ） / 18 0 / / /峰值转矩（nm） 4 25670500100100额定功率（k w ） 6名185 10/ul条值功率（kw ） 2580305580最髙转速（印如15401385 13 00 12 000 12 000基速（pr m ） / 950/52507630减速比/ / / 1 ：

21、 45 8 8 1：32 5 7电机质虽（k g ） 3 3 4 0 1 9 2 2 /功率密度（k w瓜g ） 07 6 20 0 15 8 25 /3轴 向磁通轮式电机 轴向磁通电机轴向长度短i般呈扁平结构这种电机空间利用率高冷却更方便3，特別是多极情况下转矩密度和功率密度明显高于径向磁通电机32 3轴向磁通电机的结构型式很多34 .最基本的有三种单定子单转子式单定子双转子式（to ur s st ur c ut r e ）和双定子单转子式（k a m a n s lltt e ut er ） 3 5（3 6如图14所示单定子单转子结构的轴向吸力很人电动汽车中少有采用太阳能汽车中有所报道3

22、7to ur s结构定子绕组利用率高端部用铜少因此这种结构已经应用于电动汽车中7】81另外轴向磁通电机的定子还可以采用无铁心绕组这样可以消除定位力矩减轻质量但是无铁心结构绕组电感小电机恒功率能力不强而且电机结构强度不高绕组涡流损耗人因此此结构 不是轮式电机的怜选但是在平均转矩比峰值转矩小很多的场合无铁心结构也很有竞争力【如【3 9文献【8研究出了-种直接驱动液冷轴向磁通轮式电机如图13该电机采用了新的设讣増人了电感从而扩人了电机的恒功率运行区域提高了高速下的效率同时优化了转子永磁 体的排列减小了定位力矩和波动转矩另外还对冷却系统进行了特殊设计让电机内的损耗更有效的散发该电机己经安装在通用汽千5

23、 10上进行了测试电机峰值转矩s o n m .峰值功率2 5 kw.质量小于3 o k g图14轴向磁通电机图15 g m5 10轮式电机文献4 0研究了一种减速驱动型的轴向磁通轮式电机该电机内部集成了一个行星减速齿轮如图16电机转子农面安装了扇形的永磁体定子采川了集中绕纽來缩短端部长度减小铜损电机峰值功率1。k w.质量4 5 k g转矩密度136n 耐k g .图16减速驱动轴向磁通轮式电机33横向磁通轮式电机横向磁通电机于80年代初由w亡h提出直到90年代中期才引起了广泛重视目前横向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和互制约的状况给电机理论带來了新的变化而h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血上电负荷和磁负荷相互制约除了增大电机体枳无法使电 负荷和磁负荷同时增大这