電動汽車驅(qū)動電機的設(shè)計與選型

全世界的汽車保有量和使用量的逐日增大，世界能源問題越來越突出，電動汽車方向逐漸出現(xiàn)并在汽車領(lǐng)域占有了一個非常重要的位置。

早在20世紀50年代初，美國人羅伯特就發(fā)明了一種將電動機、傳動系統(tǒng)和制動系統(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。

相對與傳動汽車、單電機集中驅(qū)動的汽車，輪轂電機式電動汽車具有以下優(yōu)點：

動力控制通過電子線控技術(shù)實現(xiàn)對各電動輪進行無級變速控制，以及各電動輪之間的差速要求，省略了傳統(tǒng)汽車所需的波箱、離合器、變速器、傳動軸等；在電機所安裝的位置同時可見，整車的結(jié)構(gòu)變得簡潔、緊湊，車身高降低，可利用空間大，傳動效率高。

容易實現(xiàn)各電動輪的電氣制動、機電復(fù)合制動和制動能量回饋。

底盤結(jié)構(gòu)大為簡化，使整車總布置和車身造型設(shè)計的自由度增加。若能將底盤承載功能與車身功能分離，則可實現(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。

若在采用輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的四輪電動汽車上導(dǎo)入線控四輪轉(zhuǎn)向技術(shù)(4WS)，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向行駛高性能化，可有效減小轉(zhuǎn)向半徑，甚至實現(xiàn)零轉(zhuǎn)向半徑，大大增加了轉(zhuǎn)向靈便性。

（說起來很輕松，但是如果真正實現(xiàn)起來，上面那段話恐怕十年之內(nèi)都沒辦法產(chǎn)業(yè)化，比如機電復(fù)合制動，比如制動能量回饋，原理不難，難的是在技術(shù)、成本、產(chǎn)業(yè)、供應(yīng)商等等條件都成熟起來之后......）

1.電動汽車基本參數(shù)參數(shù)確定

1.1 該電動汽車基本參數(shù)要求，如下表：



1.2 動力性指標如下：

• 最大車速X；
• 在車速 =60km/h時爬坡度 5%（3度）；
• 在車速 =40km/h時爬坡度 12% （6.8度）；
• 原地起步至100km/h的加速時間 ；
• 最大爬坡度 （16度）；
• 0到75km/h加速時間 ；
• 具備2~3倍過載能力。

2.電機參數(shù)設(shè)計

一般來說,電動汽車整車動力性能指標中最高車速對應(yīng)的是持續(xù)工作區(qū)，即電動機的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時間對應(yīng)的是短時工作區(qū)(1～5min),即電動機的峰值功率。

2.1 以最高車速確定電機額定功率

根據(jù)雖高車速計算電機功率時，不考慮加速阻力和坡道阻力，電機功率 應(yīng)滿足：



式中：

• 電機輸出功率，kw；
• 傳動系效率，取0.9；
• 最大車重，取1400kg;
• 滾動摩擦系數(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，可以計算出滿足最高車速時，電機輸出額定功率為21.023kw[3]。

2.2 根據(jù)要求車速的爬坡度計算




根據(jù)公式（4），其中在車速 =60km/h時爬坡度 5%可得：



根據(jù)公式（4），其中在車速 =40km/h時爬坡度 12%可得：



根據(jù)（4）式，可以計算出滿足車速為60km/h時，爬坡度為5%，電機輸出額定功率為20.95kw，滿足車速為40km/h時，爬坡度為12%，電機輸出額定功率為23.307kw[3][5]。

2.3 根據(jù)最大爬坡度確定電機的額定功率

根據(jù)公式（4），其中在車速 =20km/h時爬坡度 28%（16度）可得：



根據(jù)（4）式，可以計算出滿足車速為20km/h時，爬坡度為28%，電機輸出額定功率為24.634kw，在這里假定額定功率為25kw。

2.4 根據(jù)額定功率來確定電機的最大功率

電機的最大功率可以由下式計算得出：



式中： ——電機最大功率，kw；

——電機過載系數(shù)，一般取2~3。

根據(jù)式（3），可計算得 =50~75kw，所以初步假設(shè)電機的峰值功率為75kw 。由于選用的是輪轂電機，所以每個電機設(shè)定為：峰值功率20kw，額定功率為10kw[5]。

2.5 電機額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速的選擇

對電機本身而言，額定功率相同的電機額定轉(zhuǎn)速越高，體積越小，質(zhì)量越輕，造價越低；而且電機功率恒定時，隨著電機額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的增加，電機的最大轉(zhuǎn)矩會減小，從而避免造成轉(zhuǎn)矩過太的不利影響。

因此，選擇高速電機是比較有利的。但當電機轉(zhuǎn)速超過一定程度后，其轉(zhuǎn)矩降低幅度明顯減?。虼?，電機最高轉(zhuǎn)速過高時，將導(dǎo)致電機及減速裝置的制造成本增加。電機轉(zhuǎn)速的選擇既要考慮負載的要求．又要考慮電機與傳動機構(gòu)的經(jīng)濟性等固素。

綜合上述各種因素，由于選用輪轂電機，根據(jù)車用驅(qū)動電機的特點井參考其他電動車輛上采用的電機，選定電機的額定轉(zhuǎn)速為2000r/min，最高轉(zhuǎn)速為3000r/min。



式中： ——電機的最大轉(zhuǎn)矩，N•m；

——電機的額定轉(zhuǎn)矩，N•m；

——電機的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

通過式（5），可算出電機的最大轉(zhuǎn)矩為： =143.25N•m，額定轉(zhuǎn)矩為： =47.75N•m[1]。

3.傳動系最大傳動比的設(shè)計

（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 與電機最高轉(zhuǎn)速 確定傳動比的上限。

根據(jù)公式：



得： 3.732

（2）由電機的最高轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大輸出轉(zhuǎn)矩 和最高車速對應(yīng)的行駛阻力 確定速比的下限值：



由前面的計算可得： 681.16（N）

最大輸出轉(zhuǎn)矩 143.25（N•m）

（3）由電機最大輸出轉(zhuǎn)矩和最大爬坡度對應(yīng)行駛阻力確定 。

根據(jù)公式：



203.997（N）

最大輸出轉(zhuǎn)矩 143.25（N•m）

由以上的計算我們選定一個合適的減速比 =3.4[1]。

4.電機的種類與性能分析

4.1 直流電動機

有刷直流電動機的主要優(yōu)點是控制簡單、技術(shù)成熟。具有交流電機不可比擬的優(yōu)良控制特性。在早期開發(fā)的電動汽車上多采用直流電動機，即使到現(xiàn)在，還有一些電動汽車上仍使用直流電動機來驅(qū)動。

但由于存在電刷和機械換向器，不但限制了電機過載能力與速度的進一步提高，而且如果長時間運行，勢必要經(jīng)常維護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，限制了電機轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比的進一步提高。鑒于直流電動機存在以上缺陷，在新研制的電動汽車上已基本不采用直流電動機

4.2交流三相感應(yīng)電動機

交流三相感應(yīng)電動機的基本性能

交流三相感應(yīng)電動機是應(yīng)用得最廣泛的電動機。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)簡單，運行可靠，經(jīng)久耐用。

交流感應(yīng)電動機的功率覆蓋面很寬廣，轉(zhuǎn)速達到12000～15000r/min?？刹捎每諝饫鋮s或液體冷卻方式，冷卻自由度高。對環(huán)境的適應(yīng)性好，并能夠?qū)崿F(xiàn)再生反饋制動。與同樣功率的直流電動機相比較，效率較高，質(zhì)量減輕一半左右，價格便宜，維修方便。

4.3 永磁無刷直流電動機

永磁無刷直流電動機的基本性能：

永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。

此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動汽車中有著很好的應(yīng)用前景。

永磁無刷直流電動機的不足：

永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。

永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。

永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高

4.4 開關(guān)磁阻電動機

開關(guān)磁阻電動機的基本性能

開關(guān)磁阻電動機是一種新型電動機，該系統(tǒng)具有很多明顯的特點：它的結(jié)構(gòu)比其它任何一種電動機都要簡單，在電動機的轉(zhuǎn)子上沒有滑環(huán)、繞組和永磁體等，只是在定子上有簡單的集中繞組，繞組的端部較短，沒有相間跨接線，維護修理容易。因而可靠性好，轉(zhuǎn)速可達15000 r/min。

效率可達85%～93%，比交流感應(yīng)電動機要高。損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉(zhuǎn)子元永磁體，調(diào)速范圍寬，控制靈活，易于實現(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。更加適合電動汽車動力性能要求。

開關(guān)磁阻電動機的不足

開關(guān)磁阻電動機的控制系統(tǒng)比其他電動機的控制系統(tǒng)復(fù)雜一些，位置檢測器是開關(guān)磁阻電動機的關(guān)鍵器件，其性能對開關(guān)磁阻電動機的控制操作有重要影響。由于開關(guān)磁阻電動機為雙凸極結(jié)構(gòu)，不可避免地存在轉(zhuǎn)矩波動，噪聲是開關(guān)磁阻電動機最主要的缺點。

但近年來的研究表明，采用合理的設(shè)計、制造和控制技術(shù)，開關(guān)磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于開關(guān)磁阻電動機輸出轉(zhuǎn)矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。

5.電機的選擇

電動汽車采用的備種驅(qū)動電動機性能比較

電動汽車在不同的歷史時期采用了不同的電動是采用了控制性能最好和成本較低的直流電動機。隨著電機技術(shù)、機械制造技術(shù)、電力電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，交流電動機。

永磁元刷直流電動機和開關(guān)磁阻電動機顯示出比直流電動機更加優(yōu)越的性能，在電動汽車上，這些電動機逐步取代了直流電動機。

表1為現(xiàn)代電動汽車所采用的各種電動機的基本性能比較。目前交動機、永磁電動機和開關(guān)磁阻電動機以及它們的控制裝置，成本還比較高，形成批量生產(chǎn)以后，這些電動機和單元控制裝置的價格會迅速降低，將能夠滿足經(jīng)濟效益的要求，并使電動汽車整車價格降低[4]。



經(jīng)比較，該車選用輪轂式電動轎車開關(guān)磁阻電機（專利號：201020193561），數(shù)量為4個，具體參數(shù)如下，表2：

表2 計算和最終確定電機參數(shù)



6.電機其他選擇與設(shè)計

電機是純電動車（EV）最為重要的部分之一，但由于輪轂所處的部位同時是比較惡劣的地方，所以輪轂電機的電動汽車設(shè)計中也需特殊設(shè)計。

6.1 電機形狀位置設(shè)計

輪轂電機位于車輪，該車采用輪胎型號：215/65 R16；

則根據(jù)公式:自由半徑



汽車車輪的自由半徑r=（215*65%*2+16*25.4）/2=0.343m

根據(jù)公式：滾動半徑



其中，F(xiàn)為計算常數(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)/2π=0.333m。

6.2 電機冷卻設(shè)計

在傳統(tǒng)電動機一般風(fēng)冷便可以達到電機冷卻效果，但是電動汽車的電機是整個汽車動力的來源，由上面數(shù)據(jù)可知輪轂電機最大功率可達20kw，所以，我選擇水冷方式對輪轂電機冷卻。

電機密封表面與水套連接，電機部分整體浸在冷卻液中，電機發(fā)熱大部位有凸出的散熱片，電機旋轉(zhuǎn)同時，散熱片對冷卻液壓縮驅(qū)動，代替汽車水泵。原理圖如下：



圖1 輪轂電機水冷設(shè)計簡圖

本設(shè)計包括左輪轂架、右輪轂架、箱體、外轉(zhuǎn)子電機、軸、車輪和制動器，左輪轂架和右輪轂架與箱體相對固定連接，電機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)置于電機外圓周，外冷卻水箱和內(nèi)冷卻水箱之間通過至少一條通道連通。

利用冷卻水的對流原理，能夠有效散失電機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量，并且在電機長時間運轉(zhuǎn)時仍能有效散失熱量，保證電機有較高的工作效率，從而節(jié)約能源，延長電機使用壽命；結(jié)構(gòu)簡單緊湊，并不增加電動輪轂的體積，適合于電動車輛輕便靈活的特點；外冷卻水箱構(gòu)成箱體壁。

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，而輪轂電機便是汽車的另一個改革方向。由于傳統(tǒng)汽車的發(fā)展已達一個相當成熟的階段，這里只能參考部分傳統(tǒng)性能參數(shù)進行設(shè)計選擇電動汽車的動力參數(shù)，經(jīng)過計算得出電機的標準參數(shù)。

7.2 問題與展望

本文僅由電機理論參數(shù)，設(shè)計選擇出電機的最基本參數(shù)，在其中，選擇的開關(guān)磁阻電機也是比較新的技術(shù)，對其數(shù)據(jù)仿真對比相對比較困難，也同時難以形成比較真實的仿真。

未來應(yīng)當將它放入電機測試平臺進行功率、扭矩測試進行更近一步的數(shù)據(jù)仿真。此外，這里還涉及了電機的密封與散熱問題，水套如何與電機進行更好的密封，以及抵抗外界碰撞、震動的能力需要進一步的測試設(shè)計。

最后，電動汽車是一個集機械設(shè)計、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的地方和有待進一步研究的難點。相信電動汽車必定在新技術(shù)的開發(fā)下有個美好的前景。

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