摘要：通過對電動汽車運行特性的分析，對雙凸極電機的結(jié)構(gòu)和原理分析，提出對電機改進的一系列思路，并試制了三相12／8極和二相8／12極變磁阻式輪轂電機，并對其結(jié)構(gòu)和電動、發(fā)電和電磁制動功能原理和過程進行了描述。新型電機的使用可大大簡化電動車輛的機械結(jié)構(gòu)，提高其性價比，對當今推廣電動汽車和節(jié)能減排起到較好的效果。該電機已申請專利。
關(guān)鍵詞：發(fā)電回饋；電磁制動；輪轂電機；凸極齒寬
0引 言
電動汽車所采用的輪轂電機需要同時兼有電動、發(fā)電和電磁制動三種功能，并且作為電動運行時具有較好的調(diào)速性能。通過對當前各類輪轂電機的結(jié)構(gòu)原理和特性分析，確定采用雙凸極電機。
現(xiàn)有電動車輛的驅(qū)動電機，雖然具有電動、發(fā)電功能，但并不具有電磁制動的功能。為了克服現(xiàn)有電機不具有電磁制動功能的不足，本文通過制作電機模型，多次改進設(shè)計，反復(fù)模擬試運行，特別是通過巧妙設(shè)計電機雙凸極齒、槽的相對寬度和繞組的空間布局等措施，以提高和兼顧電動、發(fā)電和制動三種功能的電機性能的較好發(fā)揮。
1對雙凸極電機的改進思路根據(jù)磁阻電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式
可知，磁導(dǎo)(電感)變化率越大，電磁轉(zhuǎn)矩越大，反映在電機結(jié)構(gòu)也就是電機凸極槽距(△θ)的減小有利于提高輸出電磁轉(zhuǎn)矩Tem如此從結(jié)構(gòu)上來說，即可適當減小槽距，從而增大凸極齒寬，并且凸極齒寬的增大也正好在電機作為制動運行時能增大其電磁制動力矩，即為充分發(fā)揮電機的 電磁制動效能，要求繞組持續(xù)通電時，能使定、轉(zhuǎn)子圓周上的凸極以電磁相吸而重合的極弧邊距盡可能大(以往此類電機的凸極齒寬一般小于其槽寬)，為此，可通過設(shè)法減少繞組相數(shù)和減小凹槽相對寬度兩個途徑來增大凸極齒寬；而且繞組相數(shù)的減少，也可減少驅(qū)動器的功率開關(guān)元件數(shù)，有利于降低成本。同時考慮到為減小電機低速時的轉(zhuǎn)矩波動而引起的噪聲和振動，需設(shè)法通過增加極數(shù)來減小轉(zhuǎn)子極距角θer并且要求同相繞組在其相鄰?fù)箻O上的繞向相反，即通電后所產(chǎn)生的磁場極性相反，各極上的繞組以串聯(lián)形式連接。
總之，為了兼顧電動和制動功能，電機的設(shè)計原則是：通過減少相數(shù)和減小凹槽相對寬度來增大凸極齒寬以提高電磁制動力矩；通過增加極數(shù)來減小電動運行時的轉(zhuǎn)矩波動，即減小步距角。
另外，也可采用改變運行拍數(shù)，或如同步進電機采用細分驅(qū)動電路的方式來設(shè)法減小步距角。
2電機結(jié)構(gòu)的改進
根據(jù)上述基本思路，本發(fā)明電機采用了繞組數(shù)盡可能少的兩種結(jié)構(gòu)，即二相和三相。下面分別描述：
二相磁阻電機的改進結(jié)構(gòu)如圖1所示。其特點是轉(zhuǎn)子凸極齒寬大于槽寬，同時定子極數(shù)小于轉(zhuǎn)子極數(shù)，定子極數(shù)為4的整倍數(shù)，而轉(zhuǎn)子極數(shù)為6的整倍數(shù)(以往此類電機的相數(shù)大于等于3，并且轉(zhuǎn)子極數(shù)通常小于定子極數(shù))。為減小電動時的轉(zhuǎn)矩波動，需通過增加極數(shù)來減小步距角，其倍數(shù)可增大為3、4、5。為使電機在正、反方向均有自起動能力，要求轉(zhuǎn)子凸極為永磁體，并以各向異性間隔排列。由于永磁體在外轉(zhuǎn)子上，運行時可利用車輪輪幅自然散熱，避免永磁體在高溫下出現(xiàn)退磁現(xiàn)象。同時要求同相繞組在相鄰?fù)箻O上的繞向相反，即通電后所產(chǎn)生的磁場極性相反，各極上的繞組以串聯(lián)形式連接。圖1中外轉(zhuǎn)子永磁體凸極5的齒距設(shè)計為20°，槽距為10°。其內(nèi)定子的凸極齒距設(shè)計為22°，槽距為23°。
三相磁阻電機的改進結(jié)構(gòu)如圖2所示。其特點是定、轉(zhuǎn)子凸極齒寬均大于槽寬(以往此類電機的定、轉(zhuǎn)子凸極齒寬均大于槽寬)。同時定子極數(shù)zs大于轉(zhuǎn)子極數(shù)zr，定子極數(shù)為6的整倍數(shù)，而轉(zhuǎn)子極數(shù)為4的整倍數(shù)。為減小電動運行時的轉(zhuǎn)矩波動，需通過增加極數(shù)來減小步距角，其倍數(shù)可增大為3、4、5，并且要求同相繞組在其相鄰?fù)箻O上的繞向相反，即通電后所產(chǎn)生的磁場極性相反，各極上的繞組以串聯(lián)形式連接。圖2中電機外轉(zhuǎn)子凸極齒距設(shè)計為26°，槽距為19°，其內(nèi)定子的凸極齒距設(shè)計為18°，槽距為12°。
由于電機運行時需要根據(jù)汽車運行的實際工況隨時改變電機的運行方式，使其運行于電動、發(fā)電或電磁制動任一種狀態(tài)下。為此，根據(jù)變磁阻電機運行原理，需安裝轉(zhuǎn)子位置檢測裝置，可采用接近開關(guān)式、磁敏式、光電式等各種形式。
為提高抗干擾能力，采用了光電式傳感器，即按外轉(zhuǎn)子凸極的分布位置做一透光碼盤，與外轉(zhuǎn)子同軸連接，而在內(nèi)定子相應(yīng)位置上安裝有若干對光電耦合開關(guān)。碼盤與光電耦合開關(guān)配合即可檢測轉(zhuǎn)子的相對位置。
3 電動、發(fā)電和電磁制動功能原理
3．1電動運行原理
為便于說明，首先采用圖2所示的三相12／8 極磁阻電機******的單三拍運行方式來描述其工作過程。當某相繞組通電時，所產(chǎn)生的磁場力力求使磁路磁阻減少，即磁力線力圖通過磁阻最小途徑，轉(zhuǎn)子將受到磁阻轉(zhuǎn)矩作用，使得轉(zhuǎn)子的凸極齒與該相定子磁極上的齒相重合。當這一過程接近完成時，適時切斷原勵磁相電流，并以相同方式給定子下一相勵磁，則開始第二個完全相似的作用過程。為此，電機需通過轉(zhuǎn)子位置檢測裝置檢測定、轉(zhuǎn)子的相對位置。若以圖2中定、轉(zhuǎn)子所處位置為起始點，依次輪流按A—B—c—A順序通電，外轉(zhuǎn)子就會不斷地按逆時針方向轉(zhuǎn)動；若按A—c—B—A的順序通電，電動機就會順時針方向轉(zhuǎn)動。該電機也可采用雙三拍或六拍方式運行。雙三拍的通電方式為：AB→Bc→cA→AB；而六拍的通電方式為：A→AB→B→Bc→c→cA→A。每一循環(huán)周期轉(zhuǎn)子均轉(zhuǎn)過45°，即三拍的步距角為45／3=15°，而六拍的步距角為45／6=7．5°。
為滿足電動汽車對電機的調(diào)速要求，在電動驅(qū)動車輪運行狀態(tài)下，低速時須采用電流斬波控制，以得到恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速控制；高速時須采用角度位置控制(APc)或稱單脈沖觸發(fā)模式，以實現(xiàn)恒功率調(diào)速控制。
3．2發(fā)電運行原理
當電動汽車需降速或下坡運行時，可利用其動能慣性來實現(xiàn)發(fā)電回饋制動。根據(jù)前述對電磁轉(zhuǎn)矩的基本表達式的分析可知，當電感L隨轉(zhuǎn)角θ的增加而減少(即外轉(zhuǎn)子的凹槽趨向繞組凸極)時，繞組電流則產(chǎn)生負的電磁轉(zhuǎn)矩，即電磁轉(zhuǎn)矩為制動性的，電機運行于發(fā)電機狀態(tài)。通過轉(zhuǎn)子位置檢測裝置，當檢測到外轉(zhuǎn)子的凹槽趨向于某一繞組凸極時，即刻接通該相繞組電路，而在轉(zhuǎn)子的下一凸極接近該繞組凸極時，切斷該相繞組電路。
如此反復(fù)即能以脈沖形式給蓄電池充電。
對于如圖l所示的電機，如欲提高發(fā)電過程，可適當增大電機的凹槽寬度。不過如此也將減小凸極齒寬度，即對電磁制動效果有所影響。
3．3電磁制動原理
當電動汽車降速后需制動停止時，對于圖1二相8／12極磁阻電機來說，可保持某一相繞組持續(xù)通電。如圖1中所示位置，即為B相繞組持續(xù)通電后產(chǎn)生的電磁制動而保持的定轉(zhuǎn)子相對位置。
由圖1可知，電機圓周的對稱四邊均有一對凸極被電磁力吸住，所重合的各極弧相加后其總極弧邊距可達80°，并且A相的凸極也部分被永磁體吸住。對于圖2三相12／8極磁阻電機來說，可保持某兩相繞組持續(xù)通電。如圖2中所示位置，即為A、c兩相繞組持續(xù)通電后產(chǎn)生的電磁制動而保持的定、轉(zhuǎn)子相對位置。由圖可知，電機圓周的對稱四邊均有兩對凸極齒被電磁力吸住，并且所重合的各極弧相加后其總極弧邊距可達1 16°。
如當電機由于動能慣性較大時，需利用對轉(zhuǎn)角位置的檢測，并采用與發(fā)電回饋制動相結(jié)合的方法反復(fù)進行，直至轉(zhuǎn)角θ的位置檢測無變化即停止為止。這種電磁制動方式類似于現(xiàn)代轎車中的防抱死制動系統(tǒng)(ABs)的制動過程，可提高車輛行駛的轉(zhuǎn)向操縱性和穩(wěn)定性。
通過對上述二相8／12極磁阻電機與三相12／8極磁阻電機的結(jié)構(gòu)和運行原理的分析比較，可看出三相6／4極磁阻電機方案更好，應(yīng)為****方案。
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