电动汽车驱动方式与驱动电机研究.docx

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1、电动汽车驱动方式与驱动电机研究学 院机电工程学院专 业车辆工程班 级14060302学 号2011040603056姓 名曹益指导教师赵立杰负责教师沈阳航空航天大学2015年6月电动汽车驱动方式与驱动电机研究摘 要随着中国日益严重的大气污染和石油资源的愈加紧缺，发展电动汽车已经成为国家战略。国内众多大学、研究所和汽车企业纷纷投入巨大精力参与电动汽车研发，目前已取得多项突破。相较于传统内燃机汽车，轮毂电机驱动型电动汽车拥有无可比拟的优势：大大简化的机械传动机构、优秀的传动效率、多样的驱动方式等。本文顺应潮流，以轮毂电机驱动型电动汽车为研究对象，着力于电动汽车动力系统的匹配研究。首先本文概述了选题

2、意义和国内外电动汽车技术的发展状况；接着描述了电动汽车组成结构和各类电动汽车驱动形式，并选取了外转子式轮毂电机驱动方式；然后对电动汽车各类专用电机进行了充分的研究讨论，将电机按直流与交流分成两大类，逐项说明，并选取了永磁无刷直流电动机作为轮毂电机；在选取了驱动形式和电机种类后，以在售的知豆小型电动车为原型，设计计算轮毂电机参数；最后，运用时下最流行的电动汽车仿真软件ADVISOR 2002进行电动车的模拟仿真，验证了设计的合理性。关键词：轮毂电机；永磁无刷直流电机；电动汽车；ADVISOR2002Research on electric vehicle driving mode and dri

3、ving motorAbstract With Chinas growing air pollution and the serious shortage of oil resources,the development of electric vehicles has become a national strategy. Many domestic universities, research institutes and automotive companies have invested great efforts to participate in the development o

4、f electric vehicles and has made a number of breakthroughs. Compared with the traditional Internal-combustion engine Vehicle, the wheel motor electric vehicle has a great advantage:greatly simplified mechanical drive,excellent drive efficiency and diverse drive mode.In this paper, the research objec

5、t is the wheel motor and the matching of the electric vehicle drive system is important. Firstly, this paper outlines the significance of the topic and the development of electric vehicle technology at home and abroad.Secondly, the electric vehicle structure and the driving mode of the electric vehi

6、cle are described, and the outer rotor wheel motor is selected.Then all kinds of motors of electric vehicle are studied and discussed.The motor is divided into two types according to DC and AC, and the permanent magnet brush-less DC motor is chosen as the wheel motor.After selecting the drive mode a

7、nd the type of motor, the motor parameters of the wheel motor are designed by Zhidou electric vehicles.At last, the simulation of electric vehicle is carried out by using the most popular electric vehicle simulation software ADVISOR 2002.The rationality of the design is verified.Keywords: Wheel moto

8、r; Permanent magnet brush-less DC motor; Electric vehicle; ADVISOR2002目 录1 绪论11.1 选题意义11.2 国内外电动汽车发展现状与发展趋势21.2.1 国外电动汽车发展现状21.2.2 国内电动汽车发展现状41.3 本文主要内容62 电动汽车结构与驱动方式72.1 电动汽车结构及运行原理72.1.1 各系统组成及作用72.1.2 电动汽车运行原理82.2 驱动形式与轮毂电机简介82.2.1 驱动形式82.2.2 轮毂电机简介113 电动汽车驱动电机研究143.1 电动汽车驱动电机要求143.2 电动汽车驱动电机分类14

9、3.2.1直流电动机153.2.2 交流电动机194 轮毂电机的参数匹配254.1轮毂电机功率254.2 轮毂电机转速264.3 轮毂电机转矩264.3.1 轮毂电机额定转矩264.3.2 轮毂电机最大转矩274.4 确定电机参数275 轮毂电机驱动型电动汽车仿真295.1 ADVISOR软件简介295.2 定义车辆295.2.1 定义整车（Vehicle）295.2.2 定义电机（Motor）295.2.3 定义电池（Energy Storage）305.2.4 定义变速器（Transmission）305.2.5定义车轮（Wheel/Axle）305.3 选择循环工况315.4 仿真结果3

10、26 结论34参考文献35致 谢36III1 绪论1.1 选题意义进入21世纪，中国经济不断飞速发展，每年需要消耗数量惊人的化石能源，直接导致的恶果就是中国的天空雾霾千里，而其中汽车尾气已经成为空气污染的重要来源。十八大后，国家提出要建设橄榄型社会，扩大中产阶级规模，加快城镇化步伐。展望未来中国汽车产量有望再翻一番，汽车人均保有量也将大幅增加，再加上日益严格的城市机动车污染物排放标准，新能源汽车尤其是电动汽车，凭借其零排放、低噪音和低使用成本的巨大优势，势必受到新型中产阶级的热烈欢迎。从产业发展方面来看，当下中国汽车产业产销两旺，双双突破两千万辆，排名世界第一，可谓名副其实的汽车大国。但大而不

11、强！在传统内燃机汽车技术方面，中国与世界汽车强国差距甚远，几乎不可能超越。但现在中国汽车产业面临一个弯道超车的好机遇，就是新能源汽车的普及，在这方面我们的技术储备与汽车强国差距不过十年。除此之外，我国正大力发展诸如太阳能、风能等清洁能源，努力减少对化石能源的依赖，实现环境的可持续发展。但光伏发电和风电，功率不稳，属“垃圾电”；加之目前我国严重的夜间“窝电”现象，所以需要更加完善的电网峰谷负荷平衡和储能技术。不过到2020年中国将有五百万辆的电动汽车，而它们的电池将能起到极好的蓄能效果，为这些技术提供充分的硬件保障。目前，新能源汽车划分为电动汽车（PEV）、燃料电池汽车（FCEV）和混合动力汽车

12、（HEV）三种类型。燃料电池汽车以氢气为燃料，利用氢气与大气中氧气发生氧化还原反应，并通过电极将化学能转化为电能，从而驱动汽车前进。但由于多方面技术障碍，燃料电池汽车普及还为时尚早。混合动力汽车可谓是一种过渡车型，其动力系统既有内燃机又有电动机，从而有效延长续航里程，并减少油耗。目前此类车型由于丰田普锐斯的大卖，已具有一定的商业化基础，但它终究不是我们的最终目标，我们需要的是零排放车！因此，电动汽车必将是未来汽车产业的主流，具有极大的发展潜力，值得我们持续投入。本文的研究对象即为电动汽车。1.2 国内外电动汽车发展现状与发展趋势 日益严峻的全球能源危机，正在枯竭的石油资源，加上可怕的大气污染，

13、使各国政府和汽车企业都认识到清洁的新能源汽车是未来汽车技术发展的必然方向。汽车厂商、电池生产商、电力公司、各个大学和研究所都在不断研究电动汽车新技术。1.2.1 国外电动汽车发展现状 美国的电动汽车研究以三大汽车公司：福特、通用和克莱斯勒为首，利用大企业雄厚的资金和技术实力，开发出多种类型的电动汽车。同时，美国还充分利用其在汽车、电子信息、机电一体化、控制工程和材料等行业的优势，模块式地分别发展电动汽车各总成技术，因此其电动汽车技术得以迅速发展，尤其是动力电池方面。美国以下列几项计划支持电动汽车技术发展：Freedom CAR计划（自有车计划）、PNGV（新一代汽车伙伴计划）、EV电池利用研究

14、项目。除了底特律的三大汽车公司之外，出身硅谷的特斯拉正展现出越来越非凡的竞争力，其最新推出的Model S P85D电动跑车，百公里加速达到惊人的3.3秒，代表着世界电动汽车技术的最前沿，如图1.1所示。图1.1 特斯拉Model S P85D 日本很早时就已着手发展电动汽车。相较于其他国家，日本国土狭小、工业发达、人口密度大、又是个标准的石油贫国，因此日本政府历来重视电动汽车的研究和开发。早在1965年，日本通产省就正式把电动汽车列入国家项目，积极促进电动汽车行业发展。在日本，几乎所有的汽车公司：丰田、尼桑、本田、马自达、三菱、铃木等汽车公司都制定了自己的电动汽车商业推广计划。其中尤其以汽车

15、巨头丰田最为成功，旗下混合动力汽车Prius因极佳的低油耗深受世界各国消费者的亲睐，实现了销量的井喷，目前已达三百万辆，如图1.2。图1.2 丰田Prius 德国作为老牌的工业强国和汽车强国，也十分重视环境保护，积极组织电动汽车的研究与开发，为此政府指定奔驰和大众合资建立了德国汽车工业有限公司的科技开发机构。德国把目标锁定为：2020年前后成为电动汽车的主要供应商和主导市场，并把实现这一目标视为能否“在工业、经济、科学和工艺技术上继续扩大德国领先地位的机会与挑战”。如果实现这一目标，就意味着长远地保障了德国人的就业，并创造新的价值。由此可以看出，德国把推动电动汽车的发展看作是提升整个国民经济的

16、战略机会。奔驰作为德国三大汽车巨头之一，又是著名的豪华汽车品牌，在新能源汽车方面耕耘颇深。旗下知名的S级轿车将推出插电混动版；另外，全新“Ecoluxe”是奔驰专为未来旗下全新电动汽车所打造的平台，该平台未来将打造四款新能源车。同样作为德国汽车品牌，宝马公司已经推出多款i系列电动汽车。其中电动跑车BMW i8，造型、动力各方面都相当出色，如图1.3所示。图1.3 BMW i81.2.2 国内电动汽车发展现状 前面已经说过，在电动汽车领域，我国与国外的技术水平和产业化程度差距相对较小，极有机会借此实现汽车产业的弯道超车。我国早在“八五”期间就起动了电动汽车的研究和开发工作，并在2006年，科技部

17、启动了“863”计划新能源汽车重大项目。最新的中国制造2025把节能与新能源汽车列为重点项目。规划称将继续支持电动汽车、燃料电池汽车发展，掌握汽车低碳化、信息化、智能化核心技术，提升动力电池、驱动电机、高效内燃机、先进变速器、轻量化材料、智能控制等核心技术的工程化和产业化能力，形成从关键零部件到整车的完整工业体系和创新体系，推动自主品牌节能与新能源汽车同国际先进水平接轨。基于强有力的政策支持，国内的众多高校、科研院所和汽车公司投入大量的人力、物力和财力参与研发电动汽车的研发，并取得了众多的科研成果。东风公司是国内最早从事电动汽车研发的汽车企业之一，在电动汽车领域开创多项国家记录：研制了第一台纯

18、电动客车，第一台纯电动概念轿车等。众泰2008E是国内首款能批量生产、销售的纯电动乘用车，被誉为国内纯电动第一车，也是国内首款挂牌上路的纯电动乘用车，其主要指标在国内纯电动乘用车领域具有明显的优势，它的诞生表明我国电动汽车技术步入实用的阶段。位于中国深圳的著名汽车厂商比亚迪拥有世界前沿的动力电池与电机技术，多年来深耕电动汽车，已经推出多款新能源汽车。旗下最新的混合动力汽车唐，百公里加速达到4.9秒，号称世界最快suv。还有旗下豪华纯电动客车K9，采用先进的轮边电机驱动技术，实现了一级踏步的低地板工艺，极大方便乘客上下车，目前已经销往美国，堪称国人骄傲，如图1.4。图1.4 比亚迪纯电动客车K9

19、 另外值得一提的是，戴姆勒奔驰公司与中国比亚迪共同出资打造DENZA腾势，将致力于发展环保节能、安全舒适、品质卓越的新能源汽车，致力于成为中国最成功的新能源汽车制造商，推动新能源汽车的发展和进步，旗下量产车腾势已经上市，如图1.5。图1.5 腾势电动车1.3 本文主要内容本文主要研究轮毂电机驱动型电动汽车的相关内容，包括汽车驱动形式研究、轮毂电机介绍、各类电机特性的研究、轮毂电机驱动型电动汽车电机参数计算和轮毂电机电动车的仿真运行。本文主要内容如下：(1) 介绍电动汽车组成与结构。重点解释电动汽车三大系统驱动系统、电源系统和辅助系统的组成及功能，以及电动汽车的工作原理。(2) 分析比较各种电动

20、汽车驱动方式，选择外转子式轮毂电机驱动型电动汽车，并采用双前轮驱动。(3) 分析比较各类电动汽车专用电机的结构、原理和机械特性，选择永磁无刷直流电动机作为轮毂电机。(4) 以在售知豆小型电动车整车参数为基础，计算所要设计的轮毂电机参数。(5) 运用经典电动汽车仿真软件ADVISOR 2002，对设计的轮毂电机驱动型电动汽车进行仿真，验证参数的合理性。2 电动汽车结构与驱动方式2.1 电动汽车结构及运行原理 电动汽车是机械、计算机、材料化学、电子信息技术等多种高新技术的集成，作为典型的高新技术产品，它的最终目标是要实现数字化、智能化、和轻量化。目前，研发的重点在于电池、驱动电机、控制器及能量管理

21、技术。电动汽车主要由驱动系统、电源系统和辅助系统等三大部分组成，如图2.1所示。2.1.1 各系统组成及作用驱动系统是电动汽车的核心，一般由控制器、功率转换器、驱动电动机、机械传动装置和车轮组成。其功用是将蓄电池组中的化学能以电能为中间媒介高效地转化为车轮动能，进而推动汽车行驶，并能在汽车制动及下坡时，实现再生制动（即将汽车动能吸收并转化为蓄电池化学能储存起来，从而增加续航里程）。驱动电动机的作用是将动力电池的电能转化为机械能，通过传动装置驱动车轮，或由其直接驱动车轮。电子控制器即电动机调速控制装置，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电机的转矩和转向的控制，从而实现电动车变速和变向。功率转换

22、器用做DCDC转换（直流直流）和DCAC转换（直流交流）。DCDC转换器又称直流斩波器，其作用是将蓄电池的直流电转换为电压可变的直流电，并将再生制动能量进行反向转换，用于直流电动机驱动系统。DCAC转换器通常称为逆变器，其作用是将蓄电池的直流电转换为频率、电压均可调节的交流电，也能进行双向能量转换，用于交流电动机驱动系统。机械传动装置是将电动机的转矩传给汽车传动轴或直接传给车轮（轮毂电机）。相较于传动内燃机汽车，电动汽车的机械传动装置大大简化，故其机械效率得以有效提高。电源系统包括蓄电池组、充电器和能量管理系统。电源是制约电动汽车发展的主要因素，其应具有高的比能量（即能量密度）和比功率（即功率

23、密度），以满足汽车的续航和动力性的要求。辅助系统包括辅助动力源、动力转向系统、导航、照明、刮水器、收音机和音响等，它们是汽车操纵性和乘员舒适性的保证。图2.1 电动汽车系统组成框图2.1.2 电动汽车运行原理 如图2.1中所示，细线表示控制信号连接；粗线表示能量连接；双线表示机械连接。来自制动踏板或加速踏板的控制信号输入电子控制器，并通过控制功率转换器调节电动机输出扭矩和转速，电动机扭矩再通过机械传动装置驱动车轮转动。充电器通过外部充电接口向蓄电池充电，车辆行驶时，蓄电池经功率转换器向电动机供电。汽车制动时，驱动电动机运行在发电状态，将汽车部分动能吸收，并重新转化为电能給蓄电池供电，从而延长续

24、航里程。2.2 驱动形式与轮毂电机简介 电动汽车的结构布置比较灵活，形式多样，大体可分为两类：电动机中央驱动和电动轮驱动两种形式，其中电动轮驱动包括轮毂电机驱动。2.2.1 驱动形式 如图2.2所示，为一种典型的电动机中央驱动形式。此种驱动形式参考了传统内燃机汽车，取消了内燃机，而以驱动电机代替，至于离合器、变速器和差速器则不变。图2.2 第一种中央驱动式电动汽车结构 由于驱动电机能在较长的速度范围内提供相对恒定的功率，因此多速变速器可被一个固定速比减速器（即只有一档，传动比恒定）代替，此时离合器也可省去，如图2.3所示。此种驱动形式可以节省机械传动系统重量和体积，另外可以减少操作难度。图2.

25、3 第二种中央驱动式电动汽车结构 第三种驱动形式与上一种形式类似，只是电动机、固定速比减速器和差速器被整合为一体，布置在驱动轴上，如图2.4所示。此时整个传动系统被大大简化和集成化。另外从再生制动的角度出发，这种驱动形式较容易实现汽车动能的回收再利用。图2.4 第三种中央驱动式电动汽车结构前面所列三种均为电动机中央驱动式，而后三种属于电动轮驱动形式。第四种驱动形式取消了差速器，取而代之的是两个独立的牵引电机，每个牵引电机单独完成一侧车轮的驱动任务，称为双电动机电动轮驱动形式，如图2.5所示。当车辆进行转弯时，两侧的电机就会分别工作在不同的速度下，不过这种驱动形式需要更加复杂的控制系统。o图2.

26、5 双电动机电动轮驱动方式 相较于第四种驱动形式，第五种进一步简化了驱动系统：驱动电机与车轮之间取消了传统的传动轴，变成电机直接驱动车轮前进，同时一个单排的行星齿轮机构充当固定速比变速器，用来减小转速和增强转矩，以满足不同工况的功率和扭矩需求。此种驱动形式称为内转子式轮毂电机驱动形式，如图2.6所示。图2.6 内转子式轮毂电机驱动形式 完全舍弃驱动电机和驱动轮之间的传动装置后，轮毂电机的外转子直接连接在驱动轮上，此时驱动电机转速控制与车轮转速控制融为一体，称为外转子式轮毂电机驱动形式，如图2.7所示。图2.7 外转子式轮毂电机驱动形式2.2.2 轮毂电机简介 轮毂电机技术也被称为车轮内装电机技

27、术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合一起到轮毂内。且分为两种，即前面所述的内转子式轮毂电机和外转子式轮毂电机，如图2.8为内外转子轮毂电机结构比较图。图2.8 内外转子轮毂电机结构比较图相较于其他驱动形式，轮毂电机驱动型电动车有着极其显著的优点，是电动汽车的前沿技术，潜力无穷。(1) 极大地简化了机械传动机构，不仅去掉了发动机、冷却水系统、排气消音系统和油箱等相应的辅助装置，还省去了变速器、万向传动部件及驱动桥，降低自重并有效提高传动效率，实现节能和减噪。(2) 腾出了许多有效空间，有利用汽车结构布局，降低地板高度。(3) 由于电机直接驱动车轮，缩短了传动链，所以大大提高了

28、对车轮控制的动态响应，可实现一些高性能控制功能，如横向移动、原地旋转等。(4) 有利于再生制动。(5) 可实现多种驱动方式。因为轮毂电机具有一个明显的单轮独立驱动的特性，无论是前驱、后驱、四驱或多驱，都可以比较轻松地实现。尤其是全时四驱在轮毂电机驱动的车辆上实现起来非常容易，这点难能可贵。另外，轮毂电机可以通过左右轮不同转速或转向实现差动转向，大大减少车辆转弯半径。 目前这一技术在巨大的矿山运输车上得到应用，而在较小型的乘用车领域，轮毂电机普及尚需时日。日本在此方面研发时间较长，技术处于领先地位。目前，最新米其林研发的轮毂电机能够把电机和电子主动悬架都整合到轮内，其结构如图2.9所示。图2.9

29、 米其林轮毂电机结构图 国内也有自主品牌汽车厂商涉足了轮毂电机技术领域，如位于安徽芜湖的奇瑞汽车公司。在2011年上海车展，该公司展出了麒麟X1增程电动车，这款车就采用了轮毂电机技术，如图2.10所示。图2.10 奇瑞麒麟X1外观图鉴于轮毂电机电动汽车巨大的优势，故把所要设计的电动汽车驱动形式定为外转子式的轮毂电机驱动，并设定为双前轮驱动。3 电动汽车驱动电机研究3.1 电动汽车驱动电机要求(1) 市区行驶，需频繁启动、停车、加速、减速，要求电动汽车驱动电机有很好的转矩控制动态性能。(2) 在市区与市郊两种工况下，要求电动汽车驱动电机既能工作在恒转矩区，又能工作在恒功率区。恒转矩运行满足启动和

30、爬坡，恒功率运行满足高速行驶。(3) 为尽可能延长续航里程，要求电动汽车驱动电机能够在大范围内保持高效率运行，并尽可能地提高其功率密度，实现小型轻量化。(4) 由于运行环境复杂，要求电动汽车驱动电机具有高可靠性。(5) 要求电动汽车驱动电机瞬时功率高，有一定的过载能力（即最大扭矩与额定扭矩的比值），一般要求45倍的过载能力，满足加速和爬坡需要。(6) 考虑到乘员的舒适性，电动汽车驱动电机要求低噪音。为了便于普及，还要求低成本。3.2 电动汽车驱动电机分类表3.1 电动汽车驱动电机分类表 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应这个基础上的。3.2.1直流电动机1.电励磁式 基本结构：直流电

31、动机由定子（固定部分）与转子（旋转部分）两大部分组成，如图3.1所示。定子与转子之间有空隙，称为气隙。定子包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等装置。转子也叫电枢，由绕组线圈、电枢铁芯、换向器、电枢轴等组成，它的作用是通电后在磁场中受力并产生电磁转矩。其中换向器是直流电动机的特有部件，其与电刷配合，实现电枢绕组的电流换向。气隙不是实物部件，只是定子磁极与转子电枢之间自然形成的缝隙，气隙中的磁场是电动机进行能量转换的媒介。图3.1 电励磁式直流电动机结构图 基本原理：直流电动机基本原理可参考如下物理模型图，如图3.2所示。图3.2 直流电动机物理模型图 励磁方式：电励磁式是给励磁绕组供电，从而产

32、生磁场。根据供电方式不同，可分为他励和自励。而自励又分为并励、串励、和复励三种，其电路图如图3.3所示。图3.3 四种电励磁方式 在此着重强调下他励式，其特点是励磁线圈与转子电枢的电源分开，如此一来可通过分别控制电动机的励磁电流和电枢电流，实现对他励电动机的各种控制。他励直流电动机具有良好的线性特征和稳定的输出特性，能实现在减速和制动时的能量回收，是直流驱动式电动汽车的首选电动机，如图3.4所示。图3.4 四种不同电励磁式直流电动机机械特性比较电励磁式优点：首先，通过控制电枢电流的大小，可以非常简单地实现对转矩的线性控制；其次，通过改变励磁绕组的电流，可以很容易实现弱磁（即减小扭矩增加转速），

33、从而使高速运行变得简单可行；而且还有着较高的运行效率。电励磁式缺点：首先，由于换向器和电刷属于易磨损器件，所以需要定期维护和更换，而这点造成使用上的不便。其次，同等功率下直流电动机体积比较大，所以多用于小型汽车，小功率的情况下。2. 永磁式永磁直流电动机分为永磁有刷直流电动机和永磁无刷直流电动机，它们与电励磁式直流电动机最大的区别在于励磁方式。（1）永磁有刷直流电动机只要把电励磁式直流电动机中，带励磁绕组的定子主磁极用永磁体代替，便为永磁有刷直流电动机，这种直流电动机同样存在着转子电枢绕组的换向问题，如图3.5所示。图3.5 永磁有刷直流电动机结构图（2）永磁无刷直流电动机结构：此种直流电动机

34、相较于电励磁式的结构变化较大，它在定子上安装线圈绕组，并通电产生磁场，如此一来使得热量容易经过机壳向外发散，且便于温度检测；至于转子将装上永磁体和位置检测器，且不再安装电枢绕组，这样就将省去电刷和换向器，如图3.6所示。图3.6 永磁无刷直流电动机结构图 工作原理：当运转时，系统根据位置检测器所测得的转子磁极变化关系，在定子线圈绕组中通入正负交变的方波电流，从而产生磁极交替变化的磁场，此时定子与转子异性磁极间的磁拉力将驱动电机旋转，如图3.7和3.8所示。图3.7 永磁无刷直流电动机原理结构框图图3.8 永磁无刷直流电动机工作原理模型图 机械特性：经过弱磁调速，永磁无刷直流电动机可以实现恒功率

35、调速，如图3.9。图3.9 永磁无刷直流电动机机械特性 优点：这是一种机电一体化结构的驱动控制电动机，既保持了有刷直流电动机调速性能好、控制方便、运行效率高的特点，还避免了使用换向器，使得电机运行更加可靠，免维护，寿命长，目前广泛应用于小型汽车上。3.2.2 交流电动机 1. 异步电动机三相笼型异步电动机 基本结构：笼型异步电动机也分为两个基本部分，即定子和转子，两者之间存在气隙，如图3.10所示。电动机的定子被放置了三相绕组，当通入交流电时，将产生旋转磁场，且磁场的转速与交流电的频率成正比。转子中，是用铸铝将导条和端环以一体的结构铸造出来，形似鼠笼，这种结构简单且坚固，并可以使用整体轻量化的

36、材料，使超高速运转成为可能，也便于实现小型化，如图3.11所示。图3.10 三相笼型异步电动机结构图图3.11 笼型转子图 基本原理：三相笼型异步电动机的基本原理如演示图3.12所示，当转动手柄，磁铁开始旋转，此时与磁铁无任何机械连接的笼型转子也跟着旋转。且摇得快，转子转的也快；摇得慢，转子转的也慢；反摇，转子马上反转。图3.12 三相笼型异步电动机转子转动演示图对于实际中的三相笼型异步电动机，当定子绕组中通入三相交流电后，它们共同产生的合成磁场随电流的交变而在空间中不断地旋转着，称为旋转磁场，如图3.13所示。这个旋转磁场同磁铁在空间旋转所起的作用是一样的。图3.13 三相交流电产生的旋转磁

37、场 当旋转磁场旋转时，其磁通将切割转子导条，导条中就感应出电动势。在电动势的作用下，闭合的导条中就有电流，该电流与旋转磁场相互作用，从而使转子导条受到电磁力并产生电磁转矩，转子就旋转起来，如图3.14所示。从中也可以看出，转子与旋转磁场之间必须要有相对运动，即转子的转速要慢于旋转磁场的转速，这就是异步名称的由来。图3.14 异步电动机转子转动原理图 机械特性：三相笼型异步电动机的机械特性与永磁无刷直流电动机的类似，如图3.15所示。图3.15 三相笼型异步电动机机械特性图 优点：此种电动机易实现高速运转，且结构简单坚固，造价便宜，维护方便，尤其适合功率需求较大的电动跑车或客车。2. 同步电动机

38、（1）电励磁式交流同步电动机基本结构：交流同步电动机的定子和三相异步电动机的一样；而它的转子是磁极，由直流电励磁，直流电经电刷和滑环流入励磁绕组，如图3.16所示。图3.16 交流同步电动机转子图 基本原理：交流同步电动机的转子上装有和笼型绕组相似的起动绕组，当定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场后，同步电动机就像异步电动机那样起动起来（此时转子没有被励磁）。当电动机的转速接近磁场转速时，才对转子励磁。这时，旋转磁场就能紧紧牵引着转子一起转动，速度相同，即为同步，如图3.17所示。图3.17 同步电动机工作原理图 机械特性：当交流电频率一定时，交流同步电动机的转速恒定，不随负载变化，所以它的机械

39、特性曲线是一条与横轴平行的直线，如图3.18所示。图3.18 交流同步电动机机械特性曲线图 评价：由于特殊的机械特性，因此传统的交流同步电动机常用于长期连续工作及保持转速不变的场所，如水泵和通风机等。（2）永磁同步电动机永磁同步电动机的原理与交流同步电动机相似，只不过用装有永磁体的转子代替交流同步电动机的电励磁转子，如图3.19所示。当定子绕组中通入三相交流电时，所产生的旋转磁场磁极与转子的异性磁极之间就会形成磁拉力，进而形成电磁转矩，驱动转子旋转。图3.19 永磁同步电动机结构图 根据永磁体在转子上的安装位置不同，永磁同步电动机可分为表面式和内置式。当转子外表面粘附永久磁铁时，称为表面式永磁

40、同步电动机；当永磁体嵌入转子内部时，称为内置式永磁同步电动机，如图3.20所示。图3.20 交流同步电动机各种转子结构由于不需要励磁电路，所以相较于其他电动机，永磁同步电动机具有结构简单、体积小、重量轻、效率高等优点。不过此种电动机需要复杂的驱动控制系统，才能实现良好的控制特性，再加上高性能永磁体的价格居高不下，所以成本较高。但随着技术的进步，这种高效率电机注定是未来电动汽车电机的主流趋势，尤其适合作为轮毂电机使用，推动性能更加优越的轮毂电机驱动型电动汽车的发展。由于所要设计的电动车定位为小型乘用车，所以在经过对电动汽车所用电机系统的比较后，把车用电机定为永磁无刷直流电动机。4 轮毂电机的参数

41、匹配由于设计目标锁定在小型乘用车，所以在确定轮毂电机具体参数时，以在售的知豆ZD5101XEV车型（两座小型电动车）作为参考，其整车基本参数如表4.1所示。表4.1 整车基本参数项目参数汽车最大总质量/kg850空气阻力系数0.35迎风面积/1.5车轮半径/m0.252滚动阻力系数0.018前轴载荷比0.6质心高/m0.54轴距/m1.765整备质量/kg670最高车速/(km/h)80常规车速/(km/h)40 有了整车基本参数后，以此为基础，计算并选取轮毂电机参数。4.1轮毂电机功率在设计中，电动汽车电机功率由电动车预期的最高车速来初步确定。虽然最高车速仅是动力性的一个指标，但它实际上也反

42、映了电动汽车的加速能力与爬坡能力。最高车速越高，要求的电动机功率越大，加速和爬坡能力必然较好。电动汽车以最高速度行驶时所需轮毂电机输出功率计算公式如式4.1所示，而电动机功率应大于等于最高车速时的功率。 (4.1) 式中 最高车速/(km/h)，取80 传动系机械效率，由于是外转子式轮毂电机，取1 电动车最大总质量kg，取850 滚动阻力系数，取0.018 空气阻力系数，取0.35 迎风面积/，取1.5 代入数值，计算可得轮毂电机功率为6.86kw。由于采用双前轮结构，因此单个轮毂电机功率应为3.43kw。4.2 轮毂电机转速式4.2为电动机转速与车速关系式。 (4.2)式中 电动车车速/(k

43、m/h) 车轮半径/m，取0.252 电机转速/（r/min） 传动系统传动比，由于为外转子式轮毂电机，取1 已知电动车常规车速为40km/h和最高车速为80km/h，代入数值便可得电机的额定转速（常规车速对应的转速）为420.87r/min，最高转速（最高车速对应的转速）为841.74r/min。4.3 轮毂电机转矩4.3.1 轮毂电机额定转矩 由于已知轮毂电机功率为3.43kw，额定转速为420.87r/min，根据功率与转矩关系式可得轮毂电机额定转矩，如式4.3所示。 （4.3）式中 轮毂电机功率/kw，取3.43 轮毂电机额定转矩/（） 轮毂电机额定转速/（r/min），取420.87

44、 计算可得轮毂电机额定转矩为77.82。4.3.2 轮毂电机最大转矩 轮毂电机最大转矩必须满足电动车最大爬坡度的要求，故最大转矩由式4.4确定。 (4.4)式中 轮毂电机最大转矩/（） 电动车最大总质量kg，取850 滚动阻力系数，取0.018 车轮半径/m，取0.252 传动系机械效率，由于是外转子式轮毂电机，取1 传动系统传动比，由于为外转子式轮毂电机，取1 电动车最大爬坡度，取 代入数值，计算可得电动车最大转矩为376.88。4.4 确定电机参数轮毂电机参数汇总如表4.2所示。表4.2 轮毂电机参数计算结果项目参数最高车速时的功率/kw3.43常规车速下的额定转速/（r/min）420.

45、87最高车速下的最大转速/（r/min）841.74额定转矩（）77.82最大爬坡度时的最大转矩（）376.88 最终确定的轮毂电机参数如表4.3所示。表4.3 确定轮毂电机基本参数项目参数额定功率/kw3.5额定转速/（r/min）420最大转速/（r/min）840额定转矩（）80最大转矩（）380 轮毂电机转矩和功率曲线如图4.1所示。图4.1 轮毂电机转矩与功率曲线5 轮毂电机驱动型电动汽车仿真5.1 ADVISOR软件简介ADVISOR（Advanced Vehicle Simulator）软件，由美国可再生能源实验室（NREL）于1994年11月初始开发和使用，并在互联网上免费发布，经过多次升级，目前最新的免费版为ADVISOR 2002，本次仿真正是应用的这一版。ADVISOR是在MATLAB/Simulink软件环境下开发的高级车辆仿真软件平台。在这个专门针对汽车纵向动力学系统建模的软件下，用户可以传统汽车