收稿日期:2005-04-12
“863”计划电动车专题，项目编号:203AA 501324
尚俊云，张千帆，崔淑梅
(哈尔滨工业大学，哈尔滨 150001)
摘 要：在综述电动车用轮式电机系统的转矩研究的基础上，提出了直接驱动时，电动车用轮式电机系统的转矩特性要求与特点；分别针对永磁轴向磁通电机和径向磁通电机的转矩过载能力和转矩波动的减小等问题进行了系统的分析与论述。 关键词：电动车；轮式电机；转矩特性
中图分类号:TM 351 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)06-0084-03
The M ethod of I m prov i ng Torque Character i n The D irect -dr ive W heel
M otor Appl ied i n Electr ic Veh icle
SHAN G Jun -yun ,ZHAN G Q ian -fan ,CU I Shu -m ei
(H arb in In stitu te of T echno logy ,H arb in 150001,Ch ina )
Abstract :T he research of the to rque in the direct -driven w heel mo to r app lied in electric veh icle is review ed .T he to rque characters of the direct -drive w heel mo to r app lied in electric veh icle are summ arized .How to incrase the overload capacity and reduce the ri pp le of the to rque fo r the A x ial and radial flux P M M ach ine is analyzed .T he m ethods to so lve the above tw o questi on s are review ed .Key words :electric veh icle ;w heel mo to r ;to rque character
0 引 言
电动车电机驱动系统根据主驱动电机的个数可分
为两种类型：单电机系统和多电机系统。单电机系统中，单个电机通过减速齿轮和机械差速器与车轮相连接；多电机系统中，两个或多个电机直接安装在轮子中或直接和轮子连接，这种系统没有机械差速器甚至没有减速齿轮，称之为“直接驱动轮式电机系统”。
直接驱动轮式电机系统由于2个或4个驱动轮的转速和转矩都可以被独立的控制，这样更有效的防抱死制动系统(AB S )和牵引控制系统(TCS )可以在电动车上采用，直接驱动轮式电机系统可以直接产生转
矩差，若采用先进的动态控制方法，比如动态偏航稳定控制系统(D YC )，汽车的侧向动态性能将大大提高。
原则上讲，直接驱动轮式电机可以是任何形式的电机，但目前研究与应用较多的是永磁电机。永磁电机结构简单，低维护，有较高的功率密度和效率，因此，国内外轮式电机都采用永磁电机。本文中论述
的也以永磁式为主。
由于轮式电机直接驱动，在电动车起动、加速和爬坡时，需要有更大的启动转矩和过载能力，为了使电动车在零速度和最大车速之间平稳运行，轮式电机还需要有宽的调速范围和较小的力矩波动。电动车用轮式电机系统舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，转矩波动将不经过机械传动部件的机械间隙的吸收直接作用于车轮。由文献[1]简化的汽车动力学模型知，两轮电机的转矩和转矩差对电动车的电子差速和汽车的侧向动力性能的控制是至关重的要。
1 提高轮式电机转矩过载能力
泰乐菌素提高轮式电机的转矩过载能力，要求电机在磁场衡定的情况下，有更大的定子电流。径向磁通的轮式电机采用水冷结构提高电机散热能力，可以容许通过更大的电流。多相结构可以提高绕组的利用率，相同电密可以获得更高的转矩，但多相电机的驱动要增加控制器成本，不利于维护。 轴向磁通电机结构灵活紧凑，非常适合轮式电机的形状要求。为保证电机的机械强度，定子电枢必须由铁芯或特殊材料支撑。采用特殊材料时，气隙较
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大，为产生较大转矩，一般采用多极结构。轴向磁通电机电枢绕组结构没有径向磁通电机灵活，为了得到更短的端部长度和较高的绕组利用率，一般采用三相绕组。为满足直接驱动高的转矩密度和过载能力的要求，大多数都采用水冷结构。
意大利Federico caricch i等提出了多极轴向磁通的水冷永磁电机的设计方案[2.3]。其定子绕组是长菱形结构，不采用铁芯而由特殊材料支撑。传统轴向磁通永磁电机的环形铁芯被水管代替，直接由内部定子绕组表面散热，这样就可以使电机长时间运行在100%过载状态。电机额定转矩215Nm，峰值转矩430Nm，额定转速1100r m in。
美国加利福尼亚州K.R ahm an和意大利F. Caricch i等人设计了特殊的定子结构，利用液体对定子的端部绕组散热[4]。定子的冷却环通过热导性环氧材料与定子突出的端部绕组、定子线圈和定子齿固定。冷却环把电机的直接驱动力传给车体。电机峰值转矩500Nm，最大输出功率25k W，最高转速1200r m in。
台湾大学Yee-P ien YAN G等人设计的轴向磁通电机[5]，以可接受纹波下的最大转矩的实现为目标，对电机的定子驱劝电流波形进行优化设计。电机的额定转速为500r m in，最高转速为1200r m in，额定功率为1.5k W，最大功率为3k W，额定转矩为30Nm，最大转矩为60Nm。
日本学者M asayuk i T erash i m a等提出采用永磁正弦波径向磁通轮式电机[6]，电机额定功率6. 8k W，最大功率25k W，最大输出转矩416Nm，最高转速1540r m in。为获得较大的启动转矩，文章从功率输出角度推导出电机定子最大输出电流特性曲线。电机的输出+损失的能量=电池的输出，可以导出最大输出电流公式I a=62ΛV0-8(k2+3E0) 9Λ2R b+8(k2+R a),V0是电池电压,I a是电机电流, R b电池内阻,Λ是控制器的控制系数,R a是包含电机铜损和杂散损耗的等效电阻,k2是开关损耗系数。低速阶段的最大电流由电机最大电流决定，在中间区域和高速区域由最大电流曲线决定。
哈尔滨工业大学赵辉等提出了电动汽车电机及驱动系统以高力能指标、高效率和良好的控制特性为目标[7]。对此，电机相电势、相电流采用基波加以三、五次谐波的驱动方法，在不增加电、磁负荷的前提下，力能指标显著大于标准正弦波驱动，相应输出机械功率增大。电机额定功率1.5k W，额寂转速2000r m in，最大车速20km h最大牵引力1800N。
除了在电机本体上下功夫外，也可采用特殊的驱动控制策略，以降低系统对电机和电池的要求。
2 转矩波动的减小或消除
径向磁通电机为减小或消除转矩波动可以采用分数槽或斜槽，也可以对转子永磁体形状进行优化。还可以适当选择磁极宽度对槽距的比例来降低齿槽转矩波动。
电机为5相22极20槽的结构，每极每相为分数槽。齿谐波的次数一般都是分数或者偶数，而主极磁场中仅含有奇次谐波，即不存在齿谐波磁场，齿槽转矩大大减小。哈尔滨大电机研究所曲风波等在文献[8]也采用分数槽消除齿槽转矩，每极每相槽数为11 16。
采用斜槽后由于同一根导体的各小段在磁场中的位置互不相同，可以减小电动谐波和电流谐波从而减小转矩波动。但采用斜槽后，使电机的输出转矩减小。
中国科学院电工所林德芳提出可以通过适当选择磁极宽度W对槽距Κ的比例来降低齿槽转矩波动[9]。针对电动车用20kW,24极外转子钕铁硼永磁无刷直流电动机(样机)通过有限元磁场分析求得有效地抑制齿槽转矩波动的磁极宽度:W=(n+0.14)Κ,n为正整数。实践证明，只要磁极宽度选择得好，可以使齿槽转矩波动的峰值控制在额定转矩的1◊以下。但是通过解析分析可知道，这种方法不能同时消除转矩基次和偶次级谐波，转矩基次谐波消除的同时偶次谐波被放大。图1a)为一个极距内的外转子无刷电机模型,Κ、s、t分别为槽距、槽宽和齿宽,Κ=s+t。图1b)表示在W Κ=5.05,s Κ=0.5情况下的齿槽转矩。
为减小或消除转矩波动，轴向磁通电机可以采用无铁芯电枢结构，磁密波动减小，不存在由齿槽引起的转矩波动，转矩输出平稳。但无铁心结构使得电机气隙较大，绕组电感小，不利于弱磁扩速。
基于减小由齿槽引起的转矩波动，上海交通大学高强等设计的电机采用无槽结构，定子置于两片转子之间，每个线圈按照矩形直接绕在定子铁心上[10]。与常规的印刷绕组或粘贴的扇形绕组相比，具有更坚固的机械强度、更短的端部长度和较高的绕组利用率(>60◊)。主磁路从一个极出发，轴向穿过气隙1沿轴向经过定子铁心再穿过轴向气隙和相邻的另一磁极，最后沿转子轭部闭合，如图2所示。
轴向磁通若采用铁芯的有槽结构，可以采用一
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提高电动车用轮式电机转矩的方法 尚俊云 张千帆 崔淑梅
图1 a )一个极距内的外转子无刷电机模型 b )
无刷电机的齿槽转矩
图2 电机定转子无槽结构
些其他的方法减小或消除转矩波动。如轴向磁通水冷永磁电机[4]见图3。由于采用有槽铁芯设计，为减小磁槽转矩波动，转子磁钢被分为两组，每组中两个磁钢间距减小2 p z ,p 为极对数,z 为定子槽数，这样由于平均了齿槽效果，齿槽转矩减小，为了进一步减小转矩波动，定子槽中加入磁楔，磁楔是磁导材料，磁导率远高于空气而远低于硅钢片，磁楔的加入改善了磁路的导磁性，消弱了定子槽的效果，减小了转矩脉动。
意大利F
.Ca rc ch i 提出了有槽电机齿槽转矩的设计方法[11]。作者做出以下几个方面调整：转子圆盘上永磁体的倾斜可以调整；非磁性或磁性楔加入，使定子槽闭合；两块转子的相对位置可产生0-30度电角度的旋转；转子永磁体形状和宽度可选
择；永磁体间距非规则安放，间距可调整。由此可以得出，磁性楔加在定子槽口可以减小转矩波动和无载损耗；永磁体的倾斜安放不能完全消除齿槽转矩波动，使电机制造复杂；转子之间相对位置相差30度电角度使齿槽转矩减小，同时相同转速下的反电势减小；选择永磁体的宽度对齿槽转矩波动的减
小至关重要;
改变永磁体间距可以有效减小齿槽转矩波动，但减小了额定转矩。
由于路面状况的扰动，使得轴向磁通电机的定转子圆心在竖直方向不重合，从而造成转矩波动。新西兰纳皮尔大学的B .H red z ak
提出了此种情况下a )
轮式电机短磁钢间距结构布置
b ) 带磁楔的电机槽结构
图3 磁钢和槽结构
直接驱动电机转矩波动的消除方法[12]。转矩波动的消除是通过对输入电流的调制来完成的。首先通过电机空间状态磁量观测器计算出磁的变化量，再由此变化量调制电流。
3 总 结
电动车用轮式电机系统，舍弃了传统的机械功率传动系统，采用直接驱动的方式，使电机系统转矩具有大转矩过载能力和小转矩波动的特点，可通过以下方法实现:
(1)大的转矩过载能力
径向磁通永磁电机一般采用多相多极或水冷结构，低速状态有较大的启动电流。轴相磁通永磁电机一般采用多级或水冷结构。
(2)小的转矩波动
径向磁通永磁电机需要对电机本体结构进行优化，轴相磁通永磁电机可以采用无铁芯或无槽结构，对于有铁芯的有槽结构可以加入磁楔，调整永磁体间隔等，对于由定转子不同心造成的转矩波动，可以通过电流调制实现。
参考文献
[1] 葛英辉，李春生.倪光正.新的轮毂电机驱动电动车电
子差速控制系统研究[J ].中小型电机,2003,30(6)
[2] Federico caricch i ,Fab i o C resci m b in i .M u ltistage A x ial
-flux P M M ach ine fo r W heel D irect D rive [J ].IEEE TRAN SA CT I ON S ON
I NDU STR I ALA PPL I CA T I ON S ,1996(6华北油田
8),32,(4).(下转第91页)
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微粒被驱动，并且微粒的移动方向与FPW的方向一致。
B 染试验
如图4所示，染剂从FPW装置顶盖的右端，用移液管慢慢滴入，此时流体中被染的体积为V1，到被染的体积为V2时记下所用时间为T0。没有施加F PW时，被染的体积为V2时所用时间为T1；按图四方向施加F PW时，被染的体积为V2时所用时间为T2，比较T1和T2,T2小很多。
试验证明，行波对微流体有驱动作用。对此驱动方法的研究还处于基础阶段。目前应用较多的分析方
法是连续近似方法。
4 结束语
强酸弱碱盐
随着生物芯片和微缩芯片实验室技术的发展，微流体的驱动和控制技术的重要性越来越引起人们的注意。超声行波驱动的优越性和潜在应用不容忽视。
参考文献
[1] 冯焱颖，周兆英等.微流体驱动与控制技术研究进展
[J].力学进展,2002,32(1):1-16
[2] 陈永校，郭吉丰.超声波电动机[M].杭州：浙江大学出
版社,1994
[3] 钱盛友，王鸿樟，孙福成.声流现象的研究及其应用
[J].应用声学,1997,16(6):38-42
[4] 莫尔斯P M,(美)著，杨训仁译.理论声学[M].北京:
科学出版社,1986.
[5] Chun P L ee,T aylo r G W ang.O u ter acou stic
生物博客stream ing[J].J.A cou st.soc.Am.,1990,88(5):
2367-2375
[6] 席葆数，许宏庆等.强声条件下管道气体流动特性的研
究[J].流体力学实验与测量,1999,13(1):19-24.
作者简介：江兴娥(1975-)女，硕士研究生，主要从事行波微流体驱动技术的基础研究。
(上接第81页)
[1] 李晓斌，刘建平，张辉.基于TM S320L F2407的无刷直
流电机控制系统[J].电机技术,2004,(3).
[2] 袁飞雄，黄声华，李郎如.永磁无刷直流电机P WM调
制方式研究[J].微电机,2004,37(5)
[3] 刘和平等.TM S320L F240xD SP结构，原理及应用
[M].北京：北京航空航天大学出版社,2002[4] 张琛.直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工
业出版社,1999
作者简介：罗隆福(1962-)男，博导，主要研究方向为电机控制及电机电器优化设计。
(上接第86页)
[3] Federico caricch i.M u lti-stage A x ial-flux P M
M ach ine fo r W heel D irect D rive.I A S A nnual
M eeting[J].IEEE Indu stry A pp licati on s Society,
1995,1:679-684.
[4] K.R ahm an.A pp licati on of D irect D rive W heel M o to r
fo r Fuel Cell E lectric and H yb rid E lectric V eh icle
P ropu lsi on.I A S A nnual M eeting[J].IEEE Indu stry
A pp licati on s Society,v3,Conference R eco rd of the
2004IEEE Indu stry A pp licati on s Conference;39th
I A S A nnualM eeting,2004,1420-1426.
[5] Yee-P ien YAN G M u lti-ob jective op ti m al design of
cu rren t w avefo rm s con tro l of A x ial-flux b ru sh less DC w heel mo to rs fo r electric veh icle[J].IEEE.
[6] M asayuk i T erash i m a.N ovel M o to rs and Con tro llers
fo r H igh-Perfo rm ance E lectric V eh icle w ith Fou r In
真情耀中华
-W heel M o to rs[J].IEEE TRAN SA CT I ON S ON
I NDU STR I AL EL ECTRON I CS,1997(2).44.1.
[7] 赵辉.电动汽车用轮式永磁电机驱动系统的研究[J].
电工电能新技术,2000(2).
[8] 曲凤波，刘莹.电动车用轮式电机的研制[J].黑龙江电
力,2000,22(4).
[9] 林德芳.电动车用外转子永磁无刷直流电动机的研究
[J].电工电能新技术,1997,1
[10] 高强，贡俊.新型盘式无刷直流电动机的研究[J].微
特电机,2002,(1).
[11] Federico Caricch i.Experi m en tal Study on R educing
Cogging To rque and N o-L oad Pow er L o ss in A x ial
-F lux Perm anen t-M agnet M ach ines W ith Slo tted
W inding[J].IEEE TRAN SA CT I ON S ON
齿槽转矩I NDU STR Y A PPL I CA T I ON S.2004,40(4).
[12] H redzak,B.E li m inati on of to rque pu lsati on s in a
direct drive EV w heelmo to r[J].IEEE T ran sacti on s
on M agnetics,1996,132(5):5010-5012.
作者简介：尚俊云(1981-)男，硕士研究生，主要研究方向为电机的驱动与控制。
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