电动汽车电机选择与设计.(DOC)

电动汽车电动汽车电动汽车电机选择与设计学院：机械与车辆学院指导教师:宋长森专业：08车辆工程时间:2011.5.23-27姓名：何蔚明学号：080403021023中国·珠海电动汽车电机选择与设计何蔚明080403021023（北京理工大学珠海学院机械与车辆工程学院，广东珠海）摘要：介绍了轮毂电机相对于燃油汽车和单电机集中驱动系统的优势，比较了各种电动汽车用电机的基本性能，选择不同性能的电机满足现状电动汽车的性能、结构需要，并对电动汽车的动力驱动——轮毂电机、以及涉及动力模块上结构、功能上的设计。关键词：电动汽车；驱动系统；轮毂电机概述全世界的汽车保有量和使用量的逐日增大，世界能源问题越来越突出，电动汽车方向逐渐出现并在汽车领域占有了一个非常重要的位置，由于传统汽车的技术成熟，人们对汽车的性能要求已经达到一个比较高的程度。在对于电动汽车普及方面上，这是一个很大的障碍。但是，新能源汽车的开发发展是必然的，应当冲破旧思想的束缚，大胆创新，将电动汽车的优势充分体现是如今比较重要的一步。早在20世纪50年代初，美国人罗伯特就发明了一种将电动机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置。该轮毂于1968年被通用电气公司应用在大型的矿用自卸车上。相对与传动汽车、单电机集中驱动的汽车，轮毂电机式电动汽车具有以下优点：（1）动力控制通过电子线控技术实现对各电动轮进行无级变速控制，以及各电动轮之间的差速要求，省略了传统汽车所需的波箱、离合器、变速器、传动轴等；在电机所安装的位置同时可见，整车的结构变得简洁、紧凑，车身高降低，可利用空间大，传动效率高。（2）容易实现各电动轮的电气制动、机电复合制动和制动能量回馈。（3）底架结构大为简化，使整车总布置和车身造型设计的自由度增加。若能将底架承载功能与车身功能分离，则可实现相同底盘不同车身造型的产品多样化和系列化，从而缩短新车型的开发周期，降低开发成本。（4）若在采用轮毂电机驱动系统的四轮电动汽车上导人线控四轮转向技术(4WS)，实现车辆转向行驶高性能化，可有效减小转向半径，甚至实现零转向半径，大大增加了转向灵便性。1.电动汽车基本参数参数确定1.1该电动汽车基本参数要求，如下表：参数数值参数数值整车正装质量（kg）1200滚动阻力系数f0.014最大总质量（kg）1400轮胎半径（m）0.33迎风面积（㎡）2.50传动效率0.90风阻系数0.33最高车速（km/h）100最大爬坡度（%）281.2动力性指标如下：（1）最大车速max100aukm；（2）在车速au=60km/h时爬坡度i5%（3度）；（3）在车速au=40km/h时爬坡度i12%（6.8度）；（4）原地起步至100km/h的加速时间35ts；（5）最大爬坡度i12%（16度）；（5）0到75km/h加速时间25ts；（6）具备2~3倍过载能力[7]。2.电机参数设计一般来说,电动汽车整车动力性能指标中最高车速对应的是持续工作区，即电动机的额定功率；而最大爬坡度和全力加速时间对应的是短时工作区(1～5min),即电动机的峰值功率。2.1以最高车速确定电机额定功率根据虽高车速计算电机功率时，不考虑加速阻力和坡道阻力，电机功率NP应满足：2maxmax360021.15aDaNTuCAuPmgf（1）20(1/19400)affu（2）式中：NP——电机输出功率，kw；T——传动系效率，取0.9；m——最大车重，取1400kg;0f——滚动摩擦系数，取0.014；DC——风阻系数，取0.33；A——迎风面积，取2.50㎡；maxau——最高车速，取100km/h。根据（1）（2）式，可以计算出满足最高车速时，电机输出额定功率为21.023kw[3]。2.2根据要求车速的爬坡度计算sin3600afwNTuFFGP（3）根据公式（4），其中在车速au=60km/h时爬坡度i5%可得：20.014160/1940014009.8cos3227.4fF（N）20.332.560140.421.15wF（N）140.4277.414009.80.0526020.9536000.9NP（kw）根据公式（4），其中在车速au=40km/h时爬坡度i12%可得：20.014140/1940014009.8cos12203.38fF（N）20.332.54062.4121.15wF（N）62.41203.3814009.80.1184023.30736000.9NP（kw）根据（4）式，可以计算出满足车速为60km/h时，爬坡度为5%，电机输出额定功率为20.95kw，满足车速为40km/h时，爬坡度为12%，电机输出额定功率为23.307kw[3][5]。2.3根据最大爬坡度确定电机的额定功率根据公式（4），其中在车速au=20km/h时爬坡度i28%（16度）可得：20.014120/1940014009.8cos16188.395fF（N）20.332.52015.60221.15wF（N）188.39515.60214009.80.2762024.63436000.9NP（kw）根据（4）式，可以计算出满足车速为20km/h时，爬坡度为28%，电机输出额定功率为24.634kw，在这里假定额定功率为25kw。2.4根据额定功率来确定电机的最大功率电机的最大功率可以由下式计算得出：maxNPP（4）式中：maxP——电机最大功率，kw；——电机过载系数，一般取2~3。根据式（3），可计算得maxP=50~75kw，所以初步假设电机的峰值功率为75kw。由于选用的是轮毂电机，所以每个电机设定为：峰值功率20kw，额定功率为10kw[5]。2.5电机额定转速和转速的选择对电机本身而言，额定功率相同的电机额定转速越高，体积越小，质量越轻，造价越低；而且电机功率恒定时，随着电机额定转速和最高转速的增加，电机的最大转矩会减小，从而避免造成转矩过太的不利影响。因此．选择高速电机是比较有利的。但当电机转速超过一定程度后，其转矩降低幅度明显减小．因此，电机最高转速过高时，将导致电机及减速装置的制造成本增加。电机转速的选择既要考虑负载的要求．又要考虑电机与传动机构的经济性等固素。综合上述各种因素，由于选用轮毂电机，根据车用驱动电机的特点井参考其他电动车辆上采用的电机，选定电机的额定转速为2000r/min，最高转速为3000r/min。maxmaxmax1955095509550NNNNNNTnTnPTnPP（5）式中：maxT——电机的最大转矩，N·m；NT——电机的额定转矩，N·m；Nn——电机的额定转速，r/min。通过式（5），可算出电机的最大转矩为：maxT=143.25N·m，额定转矩为：NT=47.75N·m[1]。3.传动系最大传动比的设计（1）0i的选择首先应满足车辆最高行驶速度要求,由最高车速maxau与电机最高转速maxn确定传动比的上限。根据公式：max0max0.377anriu（6）得：0i3.732（2）由电机的最高转速对应的最大输出转矩maxT和最高车速对应的行驶阻力maxF确定速比的下限值：max0maxTFriT（7）由前面的计算可得：maxfwFFF681.16（N）最大输出转矩maxT143.25（N·m）max0max1.743TFriT（3）由电机最大输出转矩和最大爬坡度对应行驶阻力确定0i。根据公式：max0maxTFriT（8）max(sin)FGfcos203.997（N）最大输出转矩maxT143.25（N·m）max0max0.522TFriT由以上的计算我们选定一个合适的减速比0i=3.4[1]。4.电机的种类与性能分析4.1直流电动机有刷直流电动机的主要优点是控制简单、技术成熟。具有交流电机不可比拟的优良控制特性。在早期开发的电动汽车上多采用直流电动机，即使到现在，还有一些电动汽车上仍使用直流电动机来驱动。但由于存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且如果长时间运行，势必要经常维护和更换电刷和换向器。另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。鉴于直流电动机存在以上缺陷，在新研制的电动汽车上已基本不采用直流电动机4.2交流三相感应电动机交流三相感应电动机的基本性能交流三相感应电动机是应用得最广泛的电动机。其定子和转子采用硅钢片叠压而定子之间没有相互接触的滑环、换向器等部件。结构简单，运行可靠，经久耐用。交流感应电动机的功率覆盖面很宽广，转速达到12000～15000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式，冷却自由度高。对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。4.3永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机的基本性能永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动汽车中有着很好的应用前景。永磁无刷直流电动机的不足永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高4.4开关磁阻电动机开关磁阻电动机的基本性能开关磁阻电动机是一种新型电动机，该系统具有很多明显的特点：它的结构比其它任何一种电动机都要简单，在电动机的转子上没有滑环、绕组和永磁体等，只是在定子上有简单的集中绕组，绕组的端部较短，没有相间跨接线，维护修理容易。因而可靠性好，转速可达15000r/min。效率可达85%～93%，比交流感应电动机要高。损耗主要在定子，电机易于冷却；转子元永磁体，调速范围宽，控制灵活，易于实现各种特殊要求的转矩一速度特性，而且在很广的范围内保持高效率。更加适合电动汽车动力性能要求。开关磁阻电动机的不足开关磁阻电动机的控制系统比其他电动机的控制系统复杂一些，位置检测器是开关磁阻电动机的关键器件，其性能对开关磁阻电动机的控制操作有重要影响。由于开关磁阻电动机为双凸极结构，不可避免地存在转矩波动，噪声是开关磁阻电动机最主要的缺点。但近年来的研究表明，采用合理的设计、制造和控制技术，开关磁阻电动机的噪声完全可以得到良好的抑制。另外，由于开关磁阻电动机输出转矩波动较大，功率变换器的直流电流波动也较大，所以在直流母线上需要装置一个很大的滤波电容器。5.电机的选择电动汽车采用的备种驱动电动机性能比较电动汽车在不同的历史时期采用了不同的电动是采用了控制性能最好和成本较低的直流电动机。随着电机技术、机械制造技术、电力电子技术和自动控制技术的不断发展，交流电动机。永磁元刷直流电动机和开关磁阻电动机显示出比直流电动机更加优越的性能，在电动汽车上，这些电动机逐步取代了直流电动机。表1为现代电动汽车所采用的各种电动机的基本性能比较。目前交动机、永磁电动机和开关磁阻电动机以及它们的控制装置，成本还比较高，形成批量生产以后，这些电动机和单元控制装置的价格会迅速降低，将能够满足经济效益的要求，并使电动汽车整车价格降低[4]。