電動(dòng)汽車電機(jī)選擇與設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上電動(dòng)汽車 電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車電機(jī)選擇與設(shè)計(jì)學(xué) 院：機(jī)械與車輛學(xué)院指導(dǎo)教師: 宋長(zhǎng)森專 業(yè)： 08車輛工程時(shí)間:2011.5.23-27姓 名： 何蔚明 學(xué)號(hào)：3 中國(guó)·珠海電動(dòng)汽車電機(jī)選擇與設(shè)計(jì)何蔚明 3（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，廣東 珠海）摘 要：介紹了輪轂電機(jī)相對(duì)于燃油汽車和單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，比較了各種電動(dòng)汽車用電機(jī)的基本性能，選擇不同性能的電機(jī)滿足現(xiàn)狀電動(dòng)汽車的性能、結(jié)構(gòu)需要，并對(duì)電動(dòng)汽車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)、以及涉及動(dòng)力模塊上結(jié)構(gòu)、功能上的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輪轂電機(jī)概述全世界的汽車保有量和使用量的逐日增大，世界能

2、源問(wèn)題越來(lái)越突出，電動(dòng)汽車方向逐漸出現(xiàn)并在汽車領(lǐng)域占有了一個(gè)非常重要的位置，由于傳統(tǒng)汽車的技術(shù)成熟，人們對(duì)汽車的性能要求已經(jīng)達(dá)到一個(gè)比較高的程度。在對(duì)于電動(dòng)汽車普及方面上，這是一個(gè)很大的障礙。但是，新能源汽車的開發(fā)發(fā)展是必然的，應(yīng)當(dāng)沖破舊思想的束縛，大膽創(chuàng)新，將電動(dòng)汽車的優(yōu)勢(shì)充分體現(xiàn)是如今比較重要的一步。早在20世紀(jì)50年代初，美國(guó)人羅伯特就發(fā)明了一種將電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)融為一體的輪轂裝置。該輪轂于1968年被通用電氣公司應(yīng)用在大型的礦用自卸車上。相對(duì)與傳動(dòng)汽車、單電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)的汽車，輪轂電機(jī)式電動(dòng)汽車具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）動(dòng)力控制通過(guò)電子線控技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電動(dòng)輪進(jìn)行無(wú)級(jí)變速控制，以及各電

3、動(dòng)輪之間的差速要求，省略了傳統(tǒng)汽車所需的波箱、離合器、變速器、傳動(dòng)軸等；在電機(jī)所安裝的位置同時(shí)可見，整車的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)潔、緊湊，車身高降低，可利用空間大，傳動(dòng)效率高。（2）容易實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)輪的電氣制動(dòng)、機(jī)電復(fù)合制動(dòng)和制動(dòng)能量回饋。（3）底架結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，使整車總布置和車身造型設(shè)計(jì)的自由度增加。若能將底架承載功能與車身功能分離，則可實(shí)現(xiàn)相同底盤不同車身造型的產(chǎn)品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。（4）若在采用輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的四輪電動(dòng)汽車上導(dǎo)人線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，可有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。1.電動(dòng)汽車基本參數(shù)

4、參數(shù)確定1.1 該電動(dòng)汽車基本參數(shù)要求，如下表：參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值整車正裝質(zhì)量（kg）1200滾動(dòng)阻力系數(shù)f0.014最大總質(zhì)量（kg）1400輪胎半徑（m）0.33迎風(fēng)面積（）2.50傳動(dòng)效率0.90風(fēng)阻系數(shù)0.33最高車速（km/h）100最大爬坡度（%）281.2 動(dòng)力性指標(biāo)如下： （1）最大車速； （2）在車速=60km/h時(shí)爬坡度5%（3度）； （3）在車速=40km/h時(shí)爬坡度12% （6.8度）； （4）原地起步至100km/h的加速時(shí)間；（5）最大爬坡度12%（16度）；（5）0到75km/h加速時(shí)間；（6）具備23倍過(guò)載能力7。2.電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)一般來(lái)說(shuō),電動(dòng)汽車整車動(dòng)力性能指標(biāo)

5、中最高車速對(duì)應(yīng)的是持續(xù)工作區(qū)，即電動(dòng)機(jī)的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時(shí)間對(duì)應(yīng)的是短時(shí)工作區(qū)(15min),即電動(dòng)機(jī)的峰值功率。2.1 以最高車速確定電機(jī)額定功率根據(jù)雖高車速計(jì)算電機(jī)功率時(shí)，不考慮加速阻力和坡道阻力，電機(jī)功率應(yīng)滿足： （1） （2）式中：電機(jī)輸出功率，kw； 傳動(dòng)系效率，取0.9； 最大車重，取1400kg; 滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.014； 風(fēng)阻系數(shù)，取0.33； 迎風(fēng)面積，取2.50； 最高車速，取100km/h。根據(jù)（1）（2）式，可以計(jì)算出滿足最高車速時(shí)，電機(jī)輸出額定功率為21.023kw3。2.2 根據(jù)要求車速的爬坡度計(jì)算（3）根據(jù)公式（4），其中在車速=60km/h時(shí)

6、爬坡度5%可得：（N）（N）（kw）根據(jù)公式（4），其中在車速=40km/h時(shí)爬坡度12%可得：（N）（N）（kw）根據(jù)（4）式，可以計(jì)算出滿足車速為60km/h時(shí)，爬坡度為5%，電機(jī)輸出額定功率為20.95kw，滿足車速為40km/h時(shí)，爬坡度為12%，電機(jī)輸出額定功率為23.307kw35。2.3 根據(jù)最大爬坡度確定電機(jī)的額定功率根據(jù)公式（4），其中在車速=20km/h時(shí)爬坡度28%（16度）可得：（N）（N）（kw）根據(jù)（4）式，可以計(jì)算出滿足車速為20km/h時(shí)，爬坡度為28%，電機(jī)輸出額定功率為24.634kw，在這里假定額定功率為25kw。2.4 根據(jù)額定功率來(lái)確定電機(jī)的最大功率電

7、機(jī)的最大功率可以由下式計(jì)算得出： （4）式中：電機(jī)最大功率，kw； 電機(jī)過(guò)載系數(shù)，一般取23。根據(jù)式（3），可計(jì)算得=5075kw，所以初步假設(shè)電機(jī)的峰值功率為75kw。由于選用的是輪轂電機(jī)，所以每個(gè)電機(jī)設(shè)定為：峰值功率20kw，額定功率為10kw5。2.5 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的選擇對(duì)電機(jī)本身而言，額定功率相同的電機(jī)額定轉(zhuǎn)速越高，體積越小，質(zhì)量越輕，造價(jià)越低；而且電機(jī)功率恒定時(shí)，隨著電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的增加，電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩會(huì)減小，從而避免造成轉(zhuǎn)矩過(guò)太的不利影響。因此選擇高速電機(jī)是比較有利的。但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定程度后，其轉(zhuǎn)矩降低幅度明顯減小因此，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，將導(dǎo)致電機(jī)及減速裝置的制

8、造成本增加。電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇既要考慮負(fù)載的要求又要考慮電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性等固素。綜合上述各種因素，由于選用輪轂電機(jī)，根據(jù)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的特點(diǎn)井參考其他電動(dòng)車輛上采用的電機(jī)，選定電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。（5）式中：電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m；電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/min。通過(guò)式（5），可算出電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：=143.25N·m，額定轉(zhuǎn)矩為：=47.75N·m1。3.傳動(dòng)系最大傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)（1）的選擇首先應(yīng)滿足車輛最高行駛速度要求, 由最高車速與電機(jī)最高轉(zhuǎn)速確定傳動(dòng)比的上限。根據(jù)公式： （6）得：

9、3.732（2）由電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩和最高車速對(duì)應(yīng)的行駛阻力確定速比的下限值： （7） 由前面的計(jì)算可得：681.16（N）最大輸出轉(zhuǎn)矩143.25（N·m）（3）由電機(jī)最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對(duì)應(yīng)行駛阻力確定。 根據(jù)公式： （8）203.997（N）最大輸出轉(zhuǎn)矩143.25（N·m）由以上的計(jì)算我們選定一個(gè)合適的減速比=3.41。4.電機(jī)的種類與性能分析4.1 直流電動(dòng)機(jī)有刷直流電動(dòng)機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟。具有交流電機(jī)不可比擬的優(yōu)良控制特性。在早期開發(fā)的電動(dòng)汽車上多采用直流電動(dòng)機(jī)，即使到現(xiàn)在，還有一些電動(dòng)汽車上仍使用直流電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。但由于存在電刷

10、和機(jī)械換向器，不但限制了電機(jī)過(guò)載能力與速度的進(jìn)一步提高，而且如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，勢(shì)必要經(jīng)常維護(hù)和更換電刷和換向器。另外，由于損耗存在于轉(zhuǎn)子上，使得散熱困難，限制了電機(jī)轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進(jìn)一步提高。鑒于直流電動(dòng)機(jī)存在以上缺陷，在新研制的電動(dòng)汽車上已基本不采用直流電動(dòng)機(jī)4.2交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的基本性能交流三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用得最廣泛的電動(dòng)機(jī)。其定子和轉(zhuǎn)子采用硅鋼片疊壓而定子之間沒有相互接觸的滑環(huán)、換向器等部件。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，經(jīng)久耐用。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的功率覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速達(dá)到1200015000r/min?？刹捎每諝饫鋮s或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好，并能夠?qū)崿F(xiàn)再生

11、反饋制動(dòng)。與同樣功率的直流電動(dòng)機(jī)相比較，效率較高，質(zhì)量減輕一半左右，價(jià)格便宜，維修方便。4.3 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能 永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無(wú)線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維修簡(jiǎn)便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動(dòng)汽車中有著很好的應(yīng)用前景。

12、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的不足永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動(dòng)、高溫和過(guò)載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過(guò)載。永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)造價(jià)很高4.4 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的基本性能 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)是一種新型電動(dòng)機(jī)，該系統(tǒng)具有很多明顯的特點(diǎn)：它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動(dòng)機(jī)都要簡(jiǎn)單，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子

13、上有簡(jiǎn)單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護(hù)修理容易。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達(dá)15000 r/min。效率可達(dá)85%93%，比交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)要高。損耗主要在定子，電機(jī)易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體，調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實(shí)現(xiàn)各種特殊要求的轉(zhuǎn)矩一速度特性，而且在很廣的范圍內(nèi)保持高效率。更加適合電動(dòng)汽車動(dòng)力性能要求。 開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的不足開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)比其他電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些，位置檢測(cè)器是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，噪聲是開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)最主要的缺點(diǎn)。但近年來(lái)的研究表明，采用合理的

14、設(shè)計(jì)、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，功率變換器的直流電流波動(dòng)也較大，所以在直流母線上需要裝置一個(gè)很大的濾波電容器。5.電機(jī)的選擇電動(dòng)汽車采用的備種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)性能比較 電動(dòng)汽車在不同的歷史時(shí)期采用了不同的電動(dòng)是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動(dòng)機(jī)。隨著電機(jī)技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)。永磁元刷直流電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)顯示出比直流電動(dòng)機(jī)更加優(yōu)越的性能，在電動(dòng)汽車上，這些電動(dòng)機(jī)逐步取代了直流電動(dòng)機(jī)。表1為現(xiàn)代電動(dòng)汽車所采用的各種電動(dòng)機(jī)的基本性能比較。目前交動(dòng)機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻電

15、動(dòng)機(jī)以及它們的控制裝置，成本還比較高，形成批量生產(chǎn)以后，這些電動(dòng)機(jī)和單元控制裝置的價(jià)格會(huì)迅速降低，將能夠滿足經(jīng)濟(jì)效益的要求，并使電動(dòng)汽車整車價(jià)格降低4。經(jīng)比較，該車選用輪轂式電動(dòng)轎車開關(guān)磁阻電機(jī)（專利號(hào)：1），數(shù)量為4個(gè)，具體參數(shù)如下，表2：表2 計(jì)算和最終確定電機(jī)參數(shù)電機(jī)參數(shù)計(jì)算總數(shù)值確定總數(shù)值每個(gè)電機(jī)數(shù)值峰值功率/kw758020額定功率/kw254010最大轉(zhuǎn)矩/N·m143.25150150額定轉(zhuǎn)矩/N·m47.755050最大轉(zhuǎn)速/（r/min）300030003000額定轉(zhuǎn)速/（r/min）2000200020006.電機(jī)其他選擇與設(shè)計(jì)電機(jī)是純電動(dòng)車（EV）最為

16、重要的部分之一，但由于輪轂所處的部位同時(shí)是比較惡劣的地方，所以輪轂電機(jī)的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中也需特殊設(shè)計(jì)。6.1 電機(jī)形狀位置設(shè)計(jì)輪轂電機(jī)位于車輪，該車采用輪胎型號(hào)：215/65 R16；則根據(jù)公式:自由半徑 （9）汽車車輪的自由半徑r=（215*65%*2+16*25.4）/2=0.343m根據(jù)公式：滾動(dòng)半徑 （10）其中，F(xiàn)為計(jì)算常數(shù)，子午輪胎F=3.05，d為輪胎的自由直徑。所以車輪半徑=(3.05×2r)/2=0.333m。6.2 電機(jī)冷卻設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)一般風(fēng)冷便可以達(dá)到電機(jī)冷卻效果，但是電動(dòng)汽車的電機(jī)是整個(gè)汽車動(dòng)力的來(lái)源，由上面數(shù)據(jù)可知輪轂電機(jī)最大功率可達(dá)20kw，所以，我選

17、擇水冷方式對(duì)輪轂電機(jī)冷卻。 電機(jī)密封表面與水套連接，電機(jī)部分整體浸在冷卻液中，電機(jī)發(fā)熱大部位有凸出的散熱片，電機(jī)旋轉(zhuǎn)同時(shí)，散熱片對(duì)冷卻液壓縮驅(qū)動(dòng)，代替汽車水泵。原理圖如下： 圖1 輪轂電機(jī)水冷設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖本設(shè)計(jì)參考于 專利：水冷電動(dòng)輪轂，此發(fā)明包括左輪轂架、右輪轂架、箱體、外轉(zhuǎn)子電機(jī)、軸、車輪和制動(dòng)器，左輪轂架和右輪轂架與箱體相對(duì)固定連接，電機(jī)定子與軸之間的空腔內(nèi)設(shè)置內(nèi)冷卻水箱，內(nèi)冷卻水箱固定設(shè)置在箱體內(nèi)，電機(jī)定子緊密貼合固定套在內(nèi)冷卻水箱的外殼上；還包括外冷卻水箱，外冷卻水箱設(shè)置于電機(jī)外圓周，外冷卻水箱和內(nèi)冷卻水箱之間通過(guò)至少一條通道連通，本發(fā)明利用冷卻水的對(duì)流原理，能夠有效散失電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱

18、量，并且在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)仍能有效散失熱量，保證電機(jī)有較高的工作效率，從而節(jié)約能源，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，并不增加電動(dòng)輪轂的體積，適合于電動(dòng)車輛輕便靈活的特點(diǎn)；外冷卻水箱構(gòu)成箱體壁，進(jìn)一步簡(jiǎn)化本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。（專利號(hào)：5）7.總結(jié)與展望7.1 總結(jié)隨著現(xiàn)在的世界能源短缺，電動(dòng)汽車在汽車行業(yè)里的地位逐步占有不可忽視位置，而輪轂電機(jī)便是汽車的另一個(gè)改革方向。由于傳統(tǒng)汽車的發(fā)展已達(dá)一個(gè)相當(dāng)成熟的階段，這里只能參考部分傳統(tǒng)性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇電動(dòng)汽車的動(dòng)力參數(shù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。7.2 問(wèn)題與展望 由于本人水平限制，論文僅由電機(jī)理論參數(shù)，設(shè)計(jì)選擇出電機(jī)的最基本參數(shù)，在其中，我選擇的開關(guān)磁阻電機(jī)也是比較新的技術(shù)，對(duì)其數(shù)據(jù)仿真對(duì)比相對(duì)比較困難，也同時(shí)難以形成比較真實(shí)的仿真。未來(lái)應(yīng)當(dāng)將它放入電機(jī)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行功率、扭矩測(cè)試進(jìn)行更近一步的數(shù)據(jù)仿真。此外，這里還涉及了電機(jī)的密封與散熱問(wèn)題，水套如何與電機(jī)進(jìn)行更好的密封，以及抵抗外界碰撞、震動(dòng)的能力需要進(jìn)一步的測(cè)試設(shè)計(jì)。最后，電動(dòng)汽車是一個(gè)集機(jī)械設(shè)計(jì)、電控技術(shù)、電池技術(shù)為一體的復(fù)雜的、多樣的系統(tǒng)工程。本文還有很多需要改進(jìn)的地方和有待進(jìn)一步研究的難點(diǎn)。相