1、電動汽車驅動電機的設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 題越來越突生，電動汽車方向逐漸由現并在汽車領域占有了 一個非常重要的位置。早在 20世紀50年代初，美國人羅伯 特就發明了一種將電動機、傳動系統和制動系統融為一體的 輪轂裝置。該輪轂于 1968年被通用電氣公司應用在大型的 礦用自卸車上。相對與傳動汽車、單電機集中驅動的汽車，輪轂電機式電動 汽車具有以下優點：動力控制通過電子線控技術實現對各電 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，整車的結構變得簡潔、緊湊， 車身高降低，可

2、利用空間大，傳動效率高。容易實現各電動 輪的電氣制動、機電復合制動和制動能量回饋。底盤結構大 為簡化，使整車總布置和車身造型設計的自由度增加。若能 將底盤承載功能與車身功能分離，則可實現相同底盤不同車 身造型的產品多樣化和系列化，從而縮短新車型的開發周 期，降低開發成本。若在采用輪轂電機驅動系統的四輪電動 汽車上導入線控四輪轉向技術 (4WS),實現車輛轉向行駛高 性能化，可有效減小轉向半徑，甚至實現零轉向半徑，大大 增加了轉向靈便性。(說起來很輕松，但是如果真正實現起來，上面那段話恐怕十年之內都沒辦法產業化，比如機電復 合制動，比如制動能量回饋，原理不難，難的是在技術、成本、產業、供應商等等

3、條件都成熟起來之后.）1.電動汽車基本參數參數確定1.1該電動汽車基本參數要求，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23倍過載能力。2.電機參數設計一般來說，電動汽車整 車動力性能指標中最高車速對應的是持續工作區，即電動機 的額定功率；而最大爬坡度和全力加速時間對應的是短時工 作區（15min）,即電動機的峰值功率。2.1以最高車速確定電 機額定功率根據雖高車速計算電機功率時，不考慮加速阻力

4、和坡道阻力，電機功率 應滿足：式中：電機輸由功率，kw; 傳動系效率，取0.9;最大車重，取1400kg;滾動摩擦系數， 取0.014;風阻系數，取 0.33;迎風面積，取 2.50咪最高 車速，取100km/h。根據（1） （2）式，可以計算由滿足最 高車速時，電機輸由額定功率為21.023kw3 o 2.2根據要求車速的爬坡度計算根據公式（4）,其中在車速 =60km/h時爬坡度5%得：根 據公式（4）,其中在車速 =40km/h時爬坡度12%可得： 根據（4）式，可以計算由滿足車速為60km/h時，爬坡度為5% 電機輸由額定功率為 20.95kw,滿足車速為40km/h時, 爬坡度為12

5、%,電機輸由額定功率為 23.307kw35。2.3 根據最大爬坡度確定電機的額定功率根據公式（4）,其中在車速 =20km/h時爬坡度 28%（16度）可得： 根據（4） 式，可以計算由滿足車速為 20km/h時，爬坡度為28%,電 機輸由額定功率為 24.634kw ,在這里假定額定功率為 25kw。2.4 根據額定功率來確定電機的最大功率電機的最大功率可 以由下式計算得由：式中： 電機最大功率，kw；電機過載系數，一般取 23。根據式（3）,可 計算得=5075kw ,所以初步假設電機的峰值功率為75kw o由于選用的是輪轂電機，所以每個電機設定為：峰 值功率20kw,額定功率為10kw

6、5。2.5電機額定轉速和轉 速的選擇對電機本身而言，額定功率相同的電機額定轉速越高，體積 越小，質量越輕，造價越低；而且電機功率恒定時，隨著電 機額定轉速和最高轉速的增加，電機的最大轉矩會減小，從 而避免造成轉矩過太的不利影響。因此，選擇高速電機是比 較有利的。但當電機轉速超過一定程度后，其轉矩降低幅度 明顯減小.因此，電機最高轉速過高時，將導致電機及減速 裝置的制造成本增加。電機轉速的選擇既要考慮負載的要 求.又要考慮電機與傳動機構的經濟性等固素。綜合上述各 種因素，由于選用輪轂電機，根據車用驅動電機的特點并參考其他電動車輛上采用的電機，選定電機的額定轉速為2000r/min ,最高轉速為

7、3000r/min。式中：電機的最大轉矩，n- m電機的額定轉矩，NI - m; 電機的額定轉速，r/min c 通過式(5),可算由電機的最大轉矩為：=143.25N m,額定轉矩為:=47.75N m1。3.傳動系最大傳動比的設計(1)的選擇首先應滿足車輛最高行駛速度要求，由最高車速 與電機最高轉速 確定傳動比的上限。根據公式：得：3.732(2)由電機的最高轉速對應的最大輸生轉矩和最高車速對應的行駛阻力 確定速比的下限值：由前面的計算可得：681.16 (N)最大輸生轉矩 143.25 (NI-。(3)由電機最大輸生轉矩和最 大爬坡度對應行駛阻力確定。根據公式：203.997 (N)最大

8、輸生轉矩143.25 (NI- n)由以上的計算我們選定一個合適的減速比 =3.41。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點是控制簡單、技 術成熟。具有交流電機不可比擬的優良控制特性。在早期開 發的電動汽車上多采用直流電動機，即使到現在，還有一些 電動汽車上仍使用直流電動機來驅動。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，勢必要經常維護和更換電刷和換向器。另外，由于損耗存在于轉子上，使得散熱困難，限制了電機轉矩質量比的進一步提高。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

9、電動機交流三相感應電動機的基本性能交流三相感應電動機是應 用得最廣泛的電動機。其定子和轉子采用硅鋼片疊壓而定子 之間沒有相互接觸的滑環、換向器等部件。結構簡單，運行 可靠，經久耐用。交流感應電動機的功率覆蓋面很寬廣，轉 速達到1200015000r/min。可采用空氣冷卻或液體冷卻方 式，冷卻自由度高。對環境的適應性好，并能夠實現再生反 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構。加之，它

10、采用永磁體轉 子，沒有勵磁損耗：發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。止匕外，它的轉 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運行。永磁無刷直流電動機機系 統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，其導磁性能可能會 下降或發生退磁現象，將降低永磁電動機的性能，

11、嚴重時還 會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套 復雜的控制系統，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統 造價很高4.4開關磁阻電動機開關磁阻電動機的基本性能開關磁阻電動機是一種新型電 動機，該系統具有很多明顯的特點：它的結構比其它任何一 種電動機都要簡單，在電動機的轉子上沒有滑環、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，轉速可達 15000 r/min。效率可達853 93%,比交流感應電動機要高。 損耗主要在定子，電機易于冷卻；轉子元永磁體，調速范圍 寬，控制

12、靈活，易于實現各種特殊要求的轉矩一速度特性， 而且在很廣的范圍內保持高效率。更加適合電動汽車動力性 能要求。 開關磁阻電動機的不足開關磁阻電動機的控制系 統比其他電動機的控制系統復雜一些，位置檢測器是開關磁 阻電動機的關鍵器件，其性能對開關磁阻電動機的控制操作 有重要影響。由于開關磁阻電動機為雙凸極結構，不可避免 地存在轉矩波動，噪聲是開關磁阻電動機最主要的缺點。但 近年來的研究表明，采用合理的設計、制造和控制技術，開 關磁阻電動機的噪聲完全可以得到良好的抑制。另外，由于 開關磁阻電動機輸由轉矩波動較大，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

13、的選擇電動汽車采用的備種驅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、機械制造技術、電力 電子技術和自動控制技術的不斷發展，交流電動機。永磁元 刷直流電動機和開關磁阻電動機顯示由比直流電動機更加 優越的性能，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，將能夠滿足經濟效益 的要求，并使電動汽車整車價格降低 4。經比較，該車選用 輪轂

14、式電動轎車開關磁阻電機（專利號：201020193561 ）,數量為4個，具體參數如下，表 2:表2計算和最終確定電 機參數6.電機其他選擇與設計電機是純電動車（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計中也需特殊設計。6.1電機形狀位置設計輪轂電機位于車輪，該車采用輪胎型號：215/65 R16;則根據公式：自由半徑汽車車輪的自由半徑 r=(215*65%*2+16*25.4 ) /2=0.343m根據公式：滾動半徑其中，F為計算常數，子午輪胎 F=3.05, d為輪胎的自由直 徑。所以車輪半徑 =(3.05 X2r)/2兀=0.333m6

15、.2電機冷卻設 計在傳統電動機一般風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，由上面數據可知輪轂電 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，電機發熱大部位有凸生的散熱片，電機旋轉同時，散熱 片對冷卻液壓縮驅動，代替汽車水泵。原理圖如下：圖1輪轂電機水冷設計簡圖本設計包括左輪轂架、右輪轂 架、箱體、外轉子電機、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設 置內冷卻水箱，內冷卻水箱固定設置在箱體內，電機定子緊密貼合固定套在內冷卻水箱的外殼上；還包括外冷卻水箱，

16、 外冷卻水箱設置于電機外圓周，外冷卻水箱和內冷卻水箱之 間通過至少一條通道連通。利用冷卻水的對流原理，能夠有 效散失電機運轉產生的熱量，并且在電機長時間運轉時仍能有效散失熱量，保證電機有較高的工作效率，從而節約能源，延長電機使用壽命；結構簡單緊湊，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；外冷卻水箱構成箱體 壁。7.總結與展望7.1總結隨著現在的世界能源短缺，電動汽車在汽車行業里 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。由于傳統汽車的發展已達一個相當成熟的階 段，這里只能參考部分傳統性能參數進行設計選擇電動汽車 的動力參數，經過計算得由電機的標準參數。7.2問題與展望本文僅由電機理論參數，設計選擇由電機的最基本參數， 在其中，選擇的開關磁阻電機也是比較新的技術，對其數據 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 近一步的數據仿真。止匕外，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計。最后，電動汽車是一個 集機械設計、電控技術、電池技術為一體的復雜的、多樣的 系統工程。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的開發下有個美好的前景。參考文獻1陳偉.&#