具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能輪轂電機論文
具有啟動繞組的單相開關磁阻式多功能輪轂電機論文
論文摘要：鑑於輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優點，但由於受其結構體積限制，對汽車輪轂電機的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關磁阻電機恰具有該特點，但其缺點是沒有自啟動功能，透過對各類電機啟動機理的分析比較，提出了利用直流電機原理啟動，按變磁阻原理執行，並具有更好的電磁製動等三功能的組合式創新電機，使該電機所具有的結構簡單、堅固可靠、廉價而高效等優點得到充分發揮。
論文關鍵詞：輪轂電機,電磁製動,單位體積功率,直流啟動繞組
一、充分發揮輪轂電機應用於電動汽車的技術優勢
隨著節能減排工作的深入，用電動汽車取代傳統汽車將成必然趨勢。而電動汽車所包含的燃料電池汽車FCV、混合動力汽車HEV和純電動汽車EV三大類汽車都要用電動機作為執行機構來驅動車輪行駛。充分發揮電機所具有的快速響應性、寬廣的調速效能、相當的短時過載能力等諸多優勢來提高電動汽車價效比，使其儘快能普及商品化顯得尤其重要。而採用輪轂電機直接驅動車輪是最能發揮其技術優勢，透過歸納總結，輪轂電機在電動汽車上應用具有如下8項特點：
1）簡化機械傳動機構及降低車載自重採用輪轂電機直接驅動車輪，大大縮短了機械傳動鏈，實現“零傳動”將使汽車結構發生脫胎換骨的變化，對純電動汽車來說不僅去掉了發動機、冷卻水系統、排氣消音系統和油箱等相應的輔助裝置，還省去了變速箱、萬向傳動部件及驅動橋等機械傳動裝置，這不僅節省了大量機械部件成本，還減輕了汽車自重，有利於提高整車的驅動效率，對節能、減噪都有益。
2）有利於汽車結構佈局由於省去了大量機械裝置，即能騰出許多有效空間便於汽車總體佈局，使所增加的蓄電池可經適當分散作為配重物按儘可能降低車輛質心高度等車輛動力學要求來進行結構佈局。
3）提高汽車越野透過等效能採用輪轂電機驅動即可方便地實現高檔轎車的4WD前後四輪驅動模式，按車輛動力學分析只有四輪驅動才能充分利用車輪對地面的附著力，從而極大地改善車輛的越野透過、防滑制動、快速轉向等效能。
4）提高了對車輪控制的快速響應性按控制理論分析整個閉環系統各環節的動態響應是制約其效能的重要因素。通常電氣響應速度要遠比帶有摩擦阻尼的機械機構高1～2個數量級，就驅動調速系統來說，傳統汽車需從控制節氣門，經發動機的燃爆過程，到各個機械傳動機構等眾多環節傳遞後的響應時間，與採用輪轂電機直接驅動車輪相比，其整體的動態響應指標要相差數百倍。從而即可容易地實現傳統高檔轎車較難實施的各種高效能控制功能，以極大地改善汽車行駛的安全性、操控性和穩定性。
5）提高車輪的動能能量回收率眾所周知只有驅動輪才能實現制動能量的回收，採用輪轂電機直接驅動省去了機械傳動損耗，對車輪動能的回收更直接，所以採用四臺兼有電動、發電回饋、電磁製動多功能輪轂電機進行驅動，在汽車滑行、降速制動和下坡過程中透過發電回饋，其回收的電能將比現有電動汽車的一般方式至少提高1倍多。
6）要求實行機電一體化控制模式採用兩臺或四臺輪轂電機實現雙前輪驅動、雙後輪驅動或4WD前後四輪驅動幾種模式，透過分散驅動可實現小馬拉大車。各臺電機的驅動控制模組可整合在車輪內，為減少電動汽車各控制部件之間的硬體連線，提高可靠性，現代汽車控制系統已較多地採用了微機多CPU匯流排控制方式，特別是對於採用輪轂電機進行4WD前後四輪驅動控制模式，更需要運用匯流排控制技術，來簡化電動汽車內部線路的佈局，提高其可靠性，也便於故障診斷和維修。實施該類機電一體化控制的模組化結構，雖將增加其研發難度和初投資，但一旦技術成熟其成本也將隨批次的增加而大幅下降。
7）可降低汽車質心與車身高度採用輪轂電機即需實現電子差速轉向，取消了機械差速器和貫串於車軸的左右半軸，即可從整體上降低車身高度，設計成低車地板形式即便於乘用人上下車，更主要是可降低車輛重心高度來提高汽車行駛穩定性。
8）可極大地改善汽車轉向效能用四輪轂電機驅動經電子差速控制，易於實現四輪轉向來全面改善汽車轉向效能，即減小低速轉彎半徑，也增加高速轉向穩定性。並由於車輪由本身轂內電機驅動，省去了由外部動力驅動所需的驅動橋、差速器等傳遞機構，從而即可對汽車轉向系機構進行極大的改進和簡化，可使車輪做到±180旋轉，以實現所謂的橫向行駛或任意旋轉行駛。
鑑於上述輪轂電機在電動汽車上應用的諸多優勢，但由於輪轂電機受其結構體積限制，對一般電動汽車要求驅動功率均較大，所以對電機的單位體積功率提出了特殊的較高要求。而單相開關磁阻式電機恰具有單位體積功率高，即磁路利用率高的特點，並又有結構簡單、堅固可靠、製造成本低、且驅動控制器成本也最低、效率高等優點。但單相開關磁阻式電機的最大缺點是沒有自啟動功能，雖有采用永磁材料或在轉子極間嵌入鋁塊及銅塊利用渦流反應轉矩作輔助啟動等結構，但該類方法均使電機的單位體積功率降低，效果都不理想，並且電機也只能單方向運轉。由此使該廉價而高效的電機難以進入實用化。
透過對各類電機啟動機理的分析比較，為此提出在其電機轉子上增加專用於啟動的直流繞組，即利用直流電機原理啟動，而按變磁阻原理執行的組合式創新電機。並按兼有電動、發電回饋和電磁製動多功能輪轂電機改進思路的分析結論，為兼顧其三功能的較好發揮，要求電機相數越少越好，所以單相開關磁阻式電機將具有更好的多功能效果。開關磁阻(SR,SwitchedReluctance)電機也簡稱SR電機，它的結構原理已有不少專著有詳盡介紹，需要時可參考之。圖1為帶啟動繞組的單相磁阻式多功能輪轂電機結構原理圖。單相結構的定、轉子極數均相同，圖所示為6極，極數增加有利於減小低速時轉矩波動，但在相同頻率下電機轉速也相應降低。定、轉子的凸極齒距及槽距也可相等，凸極齒距增大即使槽距減小，這有利於增大電磁製動力矩，但對驅動旋轉功效有所影響。內定子繞組為環形線圈繞制在定子鐵芯外圓槽內，繞組通電形成軸向和徑向混合磁通，能提高同體積的電機功效。外轉子分上、下兩部分以構成環形閉合磁路，上、下外轉子均布有專用於啟動的.直流電樞繞組，按直流電機工作原理，啟動繞組的電流方向應與內定子勵磁繞組所形成磁場的磁力線呈相切關係，所啟動繞組如圖示在凸極上按徑向分佈，透過內、外環連線引出，並上、下外轉子引出線的極性正好相反，即上外轉子的內、外環連線分別與下外轉子的外、內環連線相連線。由於繞組在轉子上，電源的輸入需透過電刷，但由於只在啟動時用，電刷所固有的弊端影響也就很小。
二、帶啟動繞組單相SR多功能電機的各種執行過程
現對該電機在啟動、驅動旋轉、發電回饋、電磁製動各執行狀態下的工作過程具體描述如下：
1.電機啟動工作過程
電機啟動前通常處於平衡位置，即定、轉子凸極齒處於對齊位置，這可按轉子位置角檢測訊號判斷得到。此時對電機定子繞組通入直流勵磁電流，電機即產生閉合磁場。根據磁場方向及所要求的轉向，對轉子繞組通入相應方向的電流後，電動機根據通電導體在磁場中產生電磁力的直流電機原理按左手定則所確定方向啟動，當電機轉過較小平衡角度，即在轉子凸極趨近於定子凸極時，即刻切斷轉子電流，使定子繞組按變磁阻電機的“磁阻最小原理”運轉。倘若帶負載啟動情況下，負載力矩較大一時難以啟動時，可採用多次利用轉子繞組通電方式啟動，即根據轉子位置角檢測訊號，在電機轉到定、轉子的凸極即將對齊時，再給轉子繞組通入電流，使電機又按直流電機原理運轉，而轉到定、轉子凸極趨向接近時，再使轉子斷電，由定子繞組按變磁阻電機原理轉動，如此週而復始，直至電機完全啟動。由於轉子通電執行的整個過程中電流總是單方向，其電刷不會存在如同直流電機的換相火花等弊端，所電刷壽命可相當長。
2.驅動旋轉工作過程
電機啟動後就按變磁阻原理運轉，即每當轉子凸極趨向定子凸極時，給定子繞組通電勵磁，所產生的磁場力力求使磁路磁阻減少，即磁力線力圖透過磁阻最小途徑，轉子受到磁阻轉矩作用，使轉子轉過相應角度後，即刻使繞組斷電以避免轉子凸極與定子凸極相重合對齊產生制動轉矩，轉子靠慣性旋轉到轉子凸極趨向下一個定子凸極時再通電，即透過轉角檢測控制繞組以脈衝形式通斷電，使電機連續旋轉。如當負載較大時也可採用直流電動與變磁阻電動相結合的方式，即按轉子角檢測訊號，在電機轉到定、轉子凸極趨向接近時使轉子斷電,由定子繞組按變磁阻電機原理轉動，而轉到定、轉子的凸極即將對齊時,給轉子繞組通入電流，使電機按直流電機原理運轉。同樣為滿足電動汽車行駛時調速要求，在低速時需採用電流斬波控制方式以得到恆轉矩調速特性；高速時採用角度位置控制方式以實現恆功率調速特性。
3.發電回饋工作過程
當電動汽車需降速制動或下坡執行時，即可利用其動能慣性實現發電回饋。根據轉子角檢測訊號當外轉子凹槽即將趨向於定子凸極時，即刻接通定子繞組，從而對轉子產生制動力矩，並將轉子動能轉化為磁能儲存在磁場中，而當轉子凸極即將趨向定子凸極時，就切斷定子繞組電路，此時透過續流二極體將儲存在磁場中的磁能轉化成電能回饋給蓄電池。如此反覆就以脈衝形式向蓄電池充電。
4.電磁製動工作過程
當電機經上述發電回饋降速後需制動停止時，就對定子繞組持續通電，所產生磁場即可使定、轉子各對凸極齒被電磁力相互吸住，並且制動力也按電機圓周各凸極齒的分佈而繞圓周均勻對稱。由於採用了單相電機，在電機凸極距與凹槽距相等時，即可使定、轉子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達到180度，若適當增大電機凸極距與凹槽距的比例，如比例定為6:5可使電磁製動時，其定、轉子凸極以電磁相吸而重合的總極弧邊距達到196.36(360×6/11)度。如當電機動能慣性較大時，還需根據轉角位置檢測訊號，採用與發電回饋制動相結合方法反覆進行，直至轉角位置檢測無變化即停止為止。該電磁製動-發電回饋反覆進行的制動過程，類似現代轎車的防抱死制動系統ABS或驅動防滑轉控制ASR的制動過程，可提高車輛行駛穩定性和轉向操縱性。
具有啟動繞組的單相磁阻式多功能電機與兼有電動、發電回饋和電磁製動多功能的電動汽車輪轂電機所介紹的二相8/12及三相12/8兩種變磁阻電機相比，具有單位體積功率高、堅固可靠、結構更簡單、電機制造及其驅動控制器成本更低等特點，在實現電磁製動時，其制動效果也遠高於二相8/12及三相12/8兩種電機，並在驅動執行時採用直流電動與變磁阻電動的組合方式，可更充分提高電機單位體積功效。這種用直流電機原理啟動，按變磁阻原理執行的組合式創新電機將極大地提高電動汽車的價效比。良好的電磁製動可較大地降低原有的機械制動器使用頻度。為此有望對原有機械制動器改型或外移，僅用於汽車緊急制動和駐車制動。使得車輪輪轂內能有更多的空間供電機佈局用。
參考文獻
1 餘志生主編.汽車理論[M].北京:機械工業出版社,2006.5第四版
2 王貴明、王金懿.兼有電動、發電回饋和電磁製動功能的可調速旋轉電機[P].中國發明專利.ZL2.5
3 孫建忠、白鳳仙編著.特種電機及其控制[M].北京:中國水利水電出版社,2005.
4 王貴明、王金懿編著.電動汽車及其效能最佳化[M].北京:機械工業出版社,2010