电动汽车用轮式驱动电机得研究.docxVIP

电动汽车用轮式驱动电机的研究1.引言电驱动系统与燃油驱动系统相比具有更好的控制性能，而轮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，也存在更多的问题与挑战。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。一类是由传统的内燃机汽车演变而来，即电机取代发动机或者电机辅助发动机产生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轮, 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有太大的变化。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）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。一类是由传统的内燃机汽车演变而来, 即电机取代发动机或者电机辅助发动机产生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轮，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有太大的变化。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, 它主要有以下优势与特点（1）动力控制通过电缆实现，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 电动助力转向和零半径转向7l]可见, 轮式驱动可以充分发挥电动汽车的特点, 提高电动汽车的性能。因此, 众多汽车厂商都非常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驱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轮式电机驱动系统的比较轮式电机的驱动方式可以分为两种, 直接驱动和减速驱动, 这两种方式在目前轮式驱动电动汽车上都有应用。对于直接驱动, 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 减速驱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, 容易安装vIls]。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, 路面带来的振动和冲击只经过轮胎这一级缓冲, 电机的结构部件和轴承都需要进行特别的考虑[’0 ]。减速驱动轮式电机更易于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车轮之间的缓冲, 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2l[]’“][ ”〕。但是, 正是由于减速齿轮的存在, 会降低传动的效率, 带来额外的噪声, 增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, 减速器的等效转矩密度大于电机。这就是说, 如果一台SOkg 的电机,最大输出转矩为30 0 N m, 给它增加一个重50 比的减速齿轮以后, 整个系统能够输出的峰值转矩要大于6 0 0N m。文献〔12] 的数据也证明了这一点。文中, 电机的质量为2 2 kg, 最大输出转矩10 N m, 减速比为卜4.5 8, 驱动系统质量4 I k g ( 包括制动器)。这样减速器( 包括制动器) 的质量为41一2 = 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 8.8一10 )/19 一18.gN耐k g, 整个系统的为4 5 5.54/ l = 1 1.2N 耐k g 。如果据此认为减速驱动具有优势, 还不是特别有说服力。因为, 如果把减速器占用的质量和空间拿来优化设计电机和冷却结构, 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