汽车传动机构的变速机械在大转矩中的应用

汽车传动机构的变速机械在大转矩中的应用

在研究和开发电动汽车时，我们必须考虑电动汽车的原理特点以及不同应用的不同需求，并借鉴其成熟的制造经验和创新精神。然而，这不仅是基于维修前挖掘机的结构改革，而且必须得到充分的努力，消耗大量的人力、物力和财力资源，但它不能创造出人们理想、令人满意、舒适的现代电动汽车。使用电动机作为电动汽车的动力系统,显然是最正确、最直截了当的创新思维。但传统常规电动机“转矩不够大、效率不够高”的明显不足,使它不能够直接满足电动汽车各种复杂变化工况的需求。笔者在本文中提出了对传统常规电动机的“转矩、效率、功率”3个变量进行一体化改造的设计思路,即由电动汽车的智能控制系统输出,供给电动机很宽范围的阶梯电压,以高压大功率获取高转矩,以低压小功率获得高效率,来设计制造变功率的新型驱动电动机。这可以概括为“输入高电压,输出大功率,获取高转矩;输入低电压,输出小功率,获取高效率;控制智能化,运行满功率,电机变功率”的设计原理。这种新型驱动电动机系统,可称为“高转矩高效率高电压变功率智能驱动电动机系统”,它应完全满足现代电动汽车“要求电机的过载系数达到10~15以上,并能在所有变化工况中都处于高效率的运行状态”的核心要求,可以直接用来构造电动汽车专用的轮毂电机车轮动力系统。下面,笔者以普遍使用的三相感应电动机为例,来探讨新型驱动电动机系统的设计原理、特殊构造、控制特点及使用功效。1设计原则1.1电机最大功率t0传统的常规三相感应电动机的特性曲线,是在额定的电源电压U0、电源频率f0和电机电阻R0等条件下,表示电机输出转矩T与转速n的关系曲线,如图1所示。设该电机的过载系数为2.5,即电机最大转矩T0max为额定转矩T0的2.5倍,亦即T0max=2.5T0。已知电机功率P等于转矩T与转速n的乘积,即P=T×n,且额定功率P0=T0×n,可得电机瞬间输出最大功率为P0max=T0max×n。显然,在电机欲启动而暂时未能动起来时,电机瞬间输出的最大转矩T0max与其瞬间输出最大功率P0max成正比,即T0max∝P0max,而此时的P0max对应的正是T0max=2.5T0。1.2提高对电机最大输出的简化方法1.2.1电机电流i+ttm0的确定如图2所示。因为额定功率P0等于额定电压U0与额定电流I0的乘积,即P0=U0×I0,依据R=U/I,设置第1个假设条件:“电机电阻R0在电机运行中保持不变”。可见,当输入电压U上升2倍时,电机电流I也随之上升2倍。所以瞬间提升U1=2U0时,则有I1max=2I0max,即达到瞬间电流的极限值,故电机瞬间输出的最大功率值由T0max∝P0max,可得4P0max∝4T0max,因为电机瞬间输出的最大转矩T1max∝P1max=4P0max,而且T0max=2.5T0,故可得T1max=4T0max=4×2.5T0=10T0。可见,使用提高2倍输入电压的方法,就可以使新型驱动电机的过载系数达到10。1.2.2电机输出的最大功率现设置第2个假设条件:“运行中的电机电流可以超过瞬间极限值,且电机不致过热”。如上所述,再提升输入电压U2=2U1时,则有I2max=2I1max,即达到瞬间电流的极限值,故电机瞬间输出的最大功率值由T0max∝P0max,可得T1max∝P1max,即得4P1max∝4T1max,因为电机瞬间输出的最大转矩T2max∝P2max=4P1max,而T1max=10T0,所以T2max=4T1max=4×10T0=40T0。即使用再提高2倍输入电压的方法,就可以使新型驱动电机的过载系数达到40。1.2.3电机运行情况对最大功率时电机输出的最大转速的影响设有一个传统的三相感应电动机,其额定功率P0=5.5kW,额定电压U0=380V,且有额定电流I0,额定转矩T0,电机输出最大转矩T0max=2.5T0,瞬间极限电流I0max=2I0,电机的瞬间输出最大功率P0max=U0×I0max。若瞬间提升电机的输入电压U1=2U0=2×380=760V,则电机有瞬间极限电流值I1max=2I0max=4I0。在第1个假设条件“电机电阻R0在电机运行中保持不变”和第2个假设条件“运行中的电机电流可以超过瞬间极限值,且电机不致过热”同时生效的情况下,电机的瞬间输出最大功率此时电机输出的最大转矩T1max∝P1max=4P0max,且4P0max对应着4T0max,而P0max对应着的T0max=2.5T0,故有T1max=4T0max=4×2.5T0=10T0。可见,因为此时的电机输出功率已由5.5kW变升成22kW,故其最大输出转矩也同时变升为额定转矩T0的10倍,也即新型驱动电动机获得的过载系数为10。若再继续瞬间提升该电机的输入电压U2=2U1=2×760=1520V,则该电机又有瞬间极限电流值I2max=2I1max=2×4I0=8I0。同理,电机的瞬间输出最大功率此时电机的最大输出转矩T2max∝P2max=4P1max,而4P1max对应4T1max,且P1max对应着T1max=10T0,故有T2max=4T1max=4×10T0=40T0。可见,因为此时的电机输出功率已由22kW变升成88kW,故其最大输出转矩也就变升为额定转矩T0的40倍,也即新型驱动电动机获得的过载系数为40。对新型驱动电动机输入多档次阶梯电压(变功率)时,获得的多档次转矩T与其相对应的转速n的关系曲线,以及设计为特殊电压、电流结构下变化的输出转矩线性曲线示意图如图3所示。1.3获得高效率由上述粗略的假设推理、逻辑分析和举例说明可知,按照“输入高电压,输出大功率,获取高转矩;输入低电压,输出小功率,获取高效率;控制智能化,运行满功率,电机变功率”的设计原理,将转矩、效率、功率3个变量进行一体化改造,制造出来的新型驱动电动机系统,是一个机电控制一体化的新系统,将具备以下新优特点。1.3.1时在低功率分配上设置真实条件,引起真实更当从高功率端(上例的高功率电机,即设计为1520V、88kW的高压大功率电机)来设计制造这个输出高转矩的三相感应电动机时,前面从低功率端开始设置的2个假设条件,“后来与真实的情况是非常相似”而“近似于正确”,即很自然地就都成为“真实条件”而成立了。所以本设计新型驱动电动机是完全可以输出其额定转矩10~15倍以上的最大转矩。1.3.2电机的制造技术本设计远远超出了传统常规三相感应电动机习惯上默认的电压值上限。这个小小的突破,显然在现代电机制造技术与使用技术上都是不成问题的。因为额定电压为千伏以上的中、低压电机,在现代工业里的使用早已经比比皆是。1.3.3低电压下小功率运行本设计新型驱动电动机在小功率运行时,设计有相应的输入低电压760V、380V供给电机,致使该新电机始终是运行在满功率的高效率状态。这是本设计的显著特点之一,也即新型驱动电动机在低电压下的小功率运行,是与其新增加的变功率特性相一致的。也必然会同时设计有更多档次的阶梯电压——高、低电压供新电机选择使用,故新型驱动电动机的小功率运行,将会始终处于一种高效率的运行状态。由于新型驱动电动机的功率因素是不会低于传统电机的,而且它始终处于一种高效率的运行状态之中,故粗略地估计其运行效率应该是可以达到85%~95%。1.3.4增加阶梯电压档次由于本设计突破了传统电机额定功率、额定电压、额定电流、额定频率……的固定模式旧观念,故在6V、110V、220V、380V、760V、1520V之间,显然是可以再增设几十个、几百个、甚至上千个阶梯电压档次的。每相邻两个阶梯电压档次的差值,可以是固定的相同数值,也可以是在阶梯电压上、下两端变化的不同数值。如在每2个相邻电压档次之间的电压相差数值,可分别设定为6V、12V、24V、36V、48V、60V、72V……的任何数值,以充分地满足新电机更多的变换使用功率需要和电机高效率的运行需求。新电机变功率电压范围的设计,对小功率电动汽车,设计在6~380V之间;对中功率电动汽车,设计在110~760V之间;对大功率电动汽车,设计在220~1520V之间。1.3.5电机的运行状态笔者在很宽的电压范围(从6~1520V)内设计了很多的阶梯电压档次。对于每一个新型驱动电机而言,其使用阶梯电压档次的规律,可以由控制系统设定为固定不变,且完全为汽车电子控制器所操控。因此就可以设计新型驱动电动机在任何复杂变化工况下启动运行时,当其瞬间电流值刚超过该电压下的额定电流值2倍时,电机就自动升入到比该电压高一个档次的阶梯电压下继续运行;而当其瞬间电流值刚低于该电压下额定电流值的某一数值(如0.8倍)时,电机就自动降入到比当时电压低一个档次的阶梯电压下继续运行。即使新电机实现了设计电压范围内的变功率输出。电机稳定地运行在某一电压下额定电流值的0.8~2倍时,一般就可认为电机是运行在高效率的状态。可以这样来设计一个特别的电压、电流结构,即设计输入阶梯电压档次的差值,使新电机在每一阶梯电压值下的额定电流值,正好等于下一个档次的阶梯电压值下的额定电流值的2倍;也就是说,使新电机在每一阶梯电压值下的额定电流值的2倍,正好等于上一个档次的阶梯电压值下的额定电流值。以使新电机所有的输出转矩值实现平滑的无缝连接———线性变化(图3),其输出功率值则跟随输入阶梯电压档次的升降变化而实时地相应跳变。这就使新型驱动电动机始终处于一种输出连续线性变化的转矩和输出平稳恒定的满功率、高效率的运行状态,即达到了设计新型驱动电动机最高、最完美的理想境界。至此,这样设计出来的新型驱动电动机,就完全达到了能够在复杂变化工况下的高速运行中,实现高转矩、高效率和变功率的3个变量一体化改造成功的最高境界——控制智能化,即变成智能型电动机系统。瞬间电流值“超过”或“低于”额定电流值的“待判决”时间,暂定在0.1~2s之间。1.3.6低压小功率电动由于新设计的高转矩高效率高电压变功率智能驱动电动机系统的构造标准很高,所耗用的高价优质制造材料与成本等,显然要比制造普通的低压小功率电动机多。但是相比之下,为了获得高转矩、高效率的驱动电机来制造现代电动汽车,这又是很值得的了。2组合电机的安装显然,高转矩高效率高电压变功率智能驱动电动机系统,是有其特殊的机械构造的,这就是完全机电一体化控制的轮毂电机车轮。其独有的2种特殊结构形式,即安装在电动汽车轮毂车轮里的构造如图4所示。图4a所示轮毂电机车轮,适合小功率电动汽车使用,图4b所示轮毂电机车轮,适合大功率电动汽车使用。这2种轮毂电机车轮的制造与安装方法很相似,可简述于下。把占传统常规三相感应电动机质量一半以上的铸铁外壳去掉,同时改变电机初级定子与次级转子的机械结构形式,分别构造成一种平面圆环旋转电机和一种外转子旋转电机。把这两个新结构电机的初级定子2,分别安装在两个车轴1上,通过定子机架6、机架座5、销键等,分别使这两个定子2与这两个车轴1联结固定成为两个都静止不动的机械整体。再把两个车轮毂9,分别安装固定在这两个静止不动的车轴轴承7上面,并同样是分别罩在这两个车轴1上的电机初级定子2的外面。在面对平面圆环旋转电机的初级定子2平面圆环面的车轮毂9里面,首先要安装固定好平面圆环旋转电机的次级转子3平面圆环面,以使初级定子2平面圆环面与其次级转子3平面圆环面之间的间隙4,符合电机标准规定的结构要求。在面对外转子旋转电机的初级定子2外圆环面的车轮毂9里面,也是首先要安装固定好外转子旋转电机的次级转子3内圆环面,以使初级定子2外圆环面与其次级转子3内圆环面之间的间隙4,符合电机标准规定的结构要求。至此,2种不同结构的轮毂电机车轮,均已构造完毕。3新型驱动电动系统的制造和应用笔者之所以把这个新设计的驱动电动机也称之为“系统”,除了电动机本身就是一个小的系统外,就是因为它还必须要有其独特的电机电子控制器系统为支撑。当今的电力电子器件品质都很好,都经得起高电压、大电流长时间的冲击使用(如电力机车拉动5000t列车前进时,其控制晶闸管的输出电流接近3000A)。而这些充分的现代技术和物资保证,就是制造新型驱动电动机的现实基础。笔者认为新型驱动电动机系统里涉及的一些新技术要点,以现代电机控制技术的水平来看都能完全解决。下面把新型驱动电动机系统设计过程中遇到的一些主要的、核心的新技术要点,作为新系统必须控制的关键问题在这里提出。3.1独特的电池管理方法和系统由于要产生和供给远高于一般蓄电池所能产生的极高电压,故电动汽车新的电池配置、管理与系统功能等,都要重新考虑设计。3.2阶梯电压变换供给电路1)需要具备高压逆变功能,且有多种生成方法,可生成多档控制高压电源。如依据电流检测结果,实时地生成新档次阶梯电压,供电机使用升入高一档次的电压,或使用降入低一档次的电压。也可以一次同时生成3个相邻档次的阶梯电压,电机总是在使用中间档次的电压,而相邻的高、低档次电压,都可随时准备被接替使用。阶梯电压档次的数目越大,即相邻档次的差值越小,则电机功率变化就越频繁,输出效率也越高。而频繁的电压生成、变换等,加重了控制系统的工作量,提高了控制系统的制造成本。为达到成本效益的最佳平衡点,需要通过实践来修正阶梯电压的生成、使用、设计与制造;也需要开发设计改进宽范围阶梯电压的变换供给电路的硬件和软件。2)高压变频电流输出控制,使新电机转速在0~15000r/min。3)电子差速器控制2个或多个轮毂电机车轮的同步(或者主动、或者从动),以及车辆转弯时控制内圈轮子与外圈轮子之间的差速等。3.3电机电压的实时追踪检测1)电机电流的实时追踪检测,与新生成的或嵌入固定的比较电流表对比、分析、处理等。2)电机电压的实时追踪检测,与新生成的或嵌入固定的比较电压表对比、分析、处理等。3)高压电机运行中的实时追踪检测,及预先做好人身、财产、设备的安全防护工作等。4电动汽车车轮动力系统使用功能及应用说明下面仅对使用本新型驱动电动机系统构成的“电动汽车轮毂电机车轮动力系统”及其与众不同的机械结构,将会给现代电动汽车带来的一些特别的使用功效,作一些简要的说明。1大力推进机械传动,减轻了车辆管理的质量首先是可以去掉沉重的电机铸铁外壳,其次是去掉了沉重的机械齿轮变速器、联轴器、传动轴等大批机械传动部件,使整车减轻的质量达200~500kg,从而大大降低了生产成本,增大了车内使用空间。2汽车节省遇相应能量的回收因为整车质量大大地减轻了,取消和节省了传动机械磨损的能耗,又比内燃机汽车节省遇红灯时消耗的车耗总能量中的5%~10%以上的无用功能量;另外还可以回收制动力能量等。粗略地估算,将比老式电动汽车节省整车蓄电池能量的50%~70%,或者比混合动力汽车少消耗其总能量的60%~90%。3省出载质量由于大大地减轻了汽车整车的总质量,电机总功率最大值也大大增大,以及取消了机械齿轮变速器、联轴器、传动轴等,节省了被传动机械磨损消耗掉的大量电能,又可以用省出的载质量来装载更多的蓄电池能量,也就必然大大增加电动汽车的行驶速度和距离。一般来说,比较老式电动汽车,可以增加行驶距离150%以上,完全消除了电动汽车动力系统与内燃机汽车动力系统在汽车行驶速度和距离方面的差距。4电磁大汽车车轮对一般电动小汽车而言,其每一个轮毂电机车轮里的电机功率范围,以目前的新技术来看,应该是可以做到5~40kW。4个车轮的电机总功率范围,可以在20~160kW(仅用2个轮毂电机驱动时为10kW)。对一般电动大汽车(如电动公交汽车、无轨电车、长途客车、货柜车、特种车、大卡车、越野车、越野军车、军车等)而言,其每一个轮毂电机车轮里的电机功率范围,可以在12~90kW。4个车轮的电机总功率范围,可以在48~360kW(仅用2个轮毂电机驱动时为24kW)。显然,这个轮毂电机车轮动力系统的电机总功率数值范围,不仅完全满足了电动汽车起步、爬坡和行驶的大转矩及恒功率等使用需要,而且还达到或超过了现在一般内燃机汽车动力系统的技术指标和技术要求,完全消除了电动汽车动力系统与内燃机汽车动力系统在汽车总功率方面的差距。整车从2个到10个以上的车轮,都可以很方便地全部使用这种轮毂电机车轮,即成倍地增加了现代电动汽车动力系统使用电机的最大功率值。5电机转子静止不动新型驱动电机去掉了铸铁外壳,使其转子变得很轻巧,且车轴与电机定子都是静止不动的,只是轻巧的电机转子和轮毂车轮旋转。这比转动粗重的车轴和轮毂车轮来说,显然是减少了转动部件的总质量,即减小了“陀螺效应”对电动汽车高速运行的影响。6提高了现代电动汽车制动的可靠性轮毂电机车轮动力系统可以完全使用电力制动新技术系统,此电力制动新技术系统显然比内燃机汽车传统的机械制动系统更简单,反应更快,效率更高,制动距离更短,故明显地提高了现代电动汽车制动的可靠性。71磁阻动态能量回收系统的便利性新型驱动电动机一般是设计在特定要求的制动条件下,能够自动转变为发电机发电,很方便地实现磁阻制动时的机械动能转换为电能蓄存。8机械噪声源电子环境轮毂电机车轮动力系统里无内燃机,无机械齿轮啮合、离合、变速,无联轴器、传动轴传动转动等大的机械噪声源,从而使现代电动汽车处于几乎无噪声的行驶环境中。使用纯电力驱动的轮毂电机车轮动力系统,不会对城市和乡村的空间排放有毒污染物和有害气体,这显然是非常有利于自然生态环境和城市生态环境保护的。9控制电机车轮旋转现代电动汽车的转向盘操作驾驶系统,都是使用计算机、逆变、变频、调压技术等来直接控制电力驱动轮毂电机车轮旋转的,可以很方便地操纵、控制电动汽车的行驶速度。10无机汽车“易于温气机”和“低低频燃烧”的固有缺陷轮毂电机车轮动力系统的电动机车轮,既可以在地球上任意低的温度下起动,又可以在任意低的转速下行驶。112提高车辆的行驶稳定性电动汽车不需要设置驱动桥等,整车的重心高度可以降低,提高了车辆的行驶稳定性。122新发动机的自然冷却能力新电机特殊的结构与安装位置,使它完全可以自然风冷,而无须使用水箱循环水冷。5项目的基本情况本文介绍的轮毂电机已获发明专利(专利号:ZL200420076813