电动汽车用永磁轮毂电机的设计及分析开题报告

 2020-02-20 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

由于环境和能源问题越来越受到人们重视[1],燃油汽车的缺点也日益凸显,为此,各国正大力开发混合动力汽车和电动汽车。而电动汽车以其环保、节能、低噪音的特点成为新的技术潮流。有两中不同的驱动系统[2]用于电动汽车,第一种为单电机驱动,即电机安装在车内,动力通过差动装置和传动轴传输到四个车轮。这种驱动系统与传统燃油汽车相比优势并不明显,仅仅是燃油到电池的替换,未能充分发挥电动汽车自身的特点。另一种是轮毂电机系统,其中电机安装在车轮上,由电机单独驱动车轮,这种系统省去了传动装置与差速装置,提高了汽车的效率,具有结构简单、紧凑、节能、独立控制扭矩等独特优势。然而,由于电机质量的原因,轮毂电机驱动系统的结构增加了簧下质量。簧下质量越大汽车的垂向性能就越差,这就造成了汽车行驶平稳性和行驶质量的大大降低,因此轮毂驱动电动汽车商用目前还较少。为解决这种问题,研究如何减轻轮毂系统簧下质量问题势在必行,但国内大部分研究都是关于电机质量的降低,对于轮毂驱动系统结构的改进研究还较少。因此,本论文旨在对于轮毂电机驱动系统的研究与结构的设计,以实现减轻簧下质量提高电动汽车平稳性的目的。

国内对于轮毂电机驱动系统的研究较晚,但随着国家在电动汽车上的政策扶持增大,各个高校汽车厂商也开始对轮毂电机进行研发投入。中国科技部在2001年“863”计划中设立了电动汽车重大专项,该专项的运作强调创新,国家已投入超过25亿的资金来支持该专项工作,目的是为之后的5到10年实现燃料电池汽车的产业化奠定基础。2008年北京奥运会和2010年上海世博会为国内电动车带来了极大的发展,其巨大的电动汽车订单也为电动汽车产业带来了巨大的资金支持。在“863”项目和“973”项目中,一汽集团、东风集团、上汽集团、清华大学等单位分别开发了自己的电动汽车。一汽集团开发了红旗牌混合动力轿车和夏利纯电动轿车。东风汽车集团研发的神龙富康纯电动轿车是中国第一批由政府订购的商品化电动轿车。上海汽车集团研发出“春晖一号”和“超越一号”两款燃料电池轿车,以及建立在奇瑞轿车平台上的奇瑞混合动力轿车、奇瑞纯电动轿车QR和奇瑞纯电动汽车ZC7050A。此时国内已经制定了一些电动汽车标准,但与国外相比还不够完善,且由于一些技术尚未突破和基础设施不完善,电动汽车的价格和使用成本也相对较高。[3-5]

由于传统能源动力车辆的车轮内没有内置轮毂电机,因此对非簧载质量引发的问题研究较少,随着轮毂驱动电动汽车的兴起,非簧载质量带来的轮胎接地性能恶化程度和车身加速度增大等问题越来越受到重视。其中,轮毂电机驱动系统对车辆垂向性能的影响主要为车轮旋转部件惯量增加影响加速制动性能,轮毂电机安装位置偏低使整车涉水能力不强,增大了空气阻力,各部件安装难度增大等等[6-9]。为解决以上问题,国内外研究人员提出许多方法。从产生垂向负效应的根源方面考虑,可以采取轻量化和质量转移等方法。其中,轻量化的方法有:悬架材料选择、轮辋材料选择、换用新型结构和一体化电动轮等等。质量转移的方法有:采用动态阻尼吸震器、使用盘式电机、使用轴向磁通电机、悬架部件质量转移等等。从垂向负效应的传递途径方面考虑,可以选用性能优的悬架,采用主动、半主动悬架,采用低刚度、抵滚阻轮胎等等。


聂高法等[10]在2016年进行了电动汽车悬架创新与设计,将轮毂电机利用弹簧阻尼器与轮毂弹性连接,使轮毂电机变成类簧载质量, 建立轮毂驱动电动汽车1/4车辆动力学模型,在Matlab/Simulink中进行仿真分析垂向振动特性发现优化后的悬架系统使得车身垂向振动特性优于电机与轮毂刚性连接的悬架。改进后动力模型如图。

王东良等[11]进行了轮毂电机双横臂悬架系统的设计及优化,应用 ADAMS/View 构建一种新型的轮毂电机-双横臂悬架模型,以使轮胎磨损最小为目标进行了模型的优化。仿真结果和实验均表明该设计及优化取得了较好的成果。设计模型如图。



北京理工大学在2015年提出一种新型的用于电动车辆的轮毂电机驱动系统,其轮毂电机转子不承受车重,使得电机转子结构强度仅需满足驱动、制动扭矩要求,有利于减轻电机质量,进而减小车辆簧下质量;电机转子与轮毂安装件之间安装有弹性元件,可避免地面冲击传递到电机转子上,进而改善电机性能。[10]

陈静[13]在2017年设计了4000W具有楔形气隙的外转子式轮毂盘式永磁同步电动机,该设计从电动汽车三大动力性能指标出发,结合盘式电机结构特点进行设计,并且使用有限元法对电机样机的空载磁场、电枢磁场与负载磁场进行了深入的分析。

Qin Y等[14]提出了一种基于动态减振结构的电动车辆采用轮内开关磁阻电机的减振新方法。该方法旨在减轻道路激励引起的不平衡电磁力引起的振动的负面影响。与传统的开关磁阻电机悬架系统相比,采用新型动态减振结构可使乘坐舒适性提高35%,道路处理改善30%,转子与定子气隙改善68%。[14]

F. Profumo等[15]在1996年针对轴向磁通电机和同步电机进行了研究,利用轴向磁通电机高转矩密度、高功率密度和无齿槽效应等优势,分析了它们作为轮毂电机使用的优点和可以改进的方向,得出轴向磁通电机可以将定子质量转变为簧载质量,提出了电动汽车的一种新的可行方案。并且研究了双转子电机应用于轮毂的可行性及优点,为小型电动汽车的研究带来了新的方向。

2. 研究的基本内容与方案

3.1 研究目标

(1)了解电动汽车驱动类别

(2)了解电动汽车对电机性能需求

(3)完成永磁轮毂电机的初步设计

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3. 研究计划与安排

第1~3周:认真阅读任务书,查阅相关文献资料,明确研究内容,完成开题报告的撰写,并完成至少一篇英文文献的翻译。

第4~5周:完成电动汽车电机驱动的类别及组成的研究,了解电动汽车对电机性能的要求。

第6~9周:完成轮毂电机的初步设计;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 周凌云. 世界能源危机与我国的能源安全[j]. 中国能源, 2001(1):12-13.

[2] yuichi itoh,kayo sakai,yusuke makino. in-wheel motor system[j]. ntn technical review, 2011(79):22-28.

[3] 李勇,徐兴,孙晓东,等. 轮毂电机驱动技术研究概况及发展综述 [j]. 电机与控制应用, 2017, 44(6): 1-7, 18.

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