一種新型電傳動電動汽車的研究設(shè)想

張文祥，王超，梅園，張昭

（1.興化市人民醫(yī)院，江蘇 興化 225700；2.格蘭富水泵（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215021；3.亞信科技（南京）有限公司，江蘇 南京 210000；4.常州市海聯(lián)商貿(mào)有限公司，江蘇 常州 213003）

一種新型電傳動電動汽車的研究設(shè)想

張文祥，王超，梅園，張昭

（1.興化市人民醫(yī)院，江蘇 興化 225700；2.格蘭富水泵（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215021；3.亞信科技（南京）有限公司，江蘇 南京 210000；4.常州市海聯(lián)商貿(mào)有限公司，江蘇 常州 213003）

利用中頻電機的特性，把單臺發(fā)電機供電給單臺電動機時，可以直接改變發(fā)電機的輸出頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速的理論，應(yīng)用到電傳動汽車設(shè)計上來變頻節(jié)能，通過控制原動機轉(zhuǎn)速，帶動無須穩(wěn)壓裝置的稀土永磁無鐵芯盤式三相交流發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機輸出電壓、頻率與原動機轉(zhuǎn)速成正比變化，輸出特性較變頻器更好，直接供電給中頻電動機來實時驅(qū)動車輛，制作實驗?zāi)Ｐ?，錄取實驗?shù)據(jù)，其結(jié)果表明，該裝置符合設(shè)計原理，改善電傳動車輛的缺陷，能廣泛應(yīng)用到所有道路車輛上，同時為專用電機設(shè)計提供新的思路。

中頻電機；電傳動；發(fā)動機；稀土永磁無鐵芯盤式發(fā)電機；三相異步電動機；永磁同步電動機

Abstract:The characteristics of intermediate frequency motor, and the theory that when a single generator is supplied to a single motor, the output frequency of the generator can be changed directly to change the speed of the motor，can be used to design electric drive vehicle and save energy. By controlling the speed of prime mover, with no voltage stabilizing device of rare earth permanent magnet coreless disk type three-phase AC generator, the generator output voltage, frequency and prime mover speed is proportional to the change, the output characteristics of inverter is better. To directly supply power to the motor and driving the vehicle in real time, create an experimental model, and record the data, results showed that the device conforms the design principles and improve the defects of the electric drive vehicles, which can be widely applied to all vehicles, and provide a new idea for the design of special motor.

Keywords: intermediate frequency motor; electric drive; engine; rare earth permanent magnet coreless disc type generator; three-phase asynchronous motor; Permanent-magnet synchronous motor

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-112-05

引言

國際能源署(International Energy Agency, IEA) 預(yù)測到2030 年，仍將有 90 % 的乘用車使用發(fā)動機作為其動力來源[1]，我國《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，第四階段的限值是要在2020年實現(xiàn)5L/百公里油耗的目標，《中國制造 2025》中提出將“節(jié)能與新能源汽車”作為重點發(fā)展領(lǐng)域，文中明確表示，到2025年，乘用車(含新能源乘用車)新車整體油耗降至4L/100km左右。在純電動汽車、混合動力汽車占比較小，僅僅使用發(fā)動機作為其唯一動力來源的乘用車如何達到？

電傳動有一些顯著的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，不需要變速器及傳動軸，只要有電纜的軟連接即可，容易布置，靈活方便；它具有無級變速的特性，可使汽車運行平穩(wěn)；具有恒功率控制， 功率可充分利用；行駛中動力制動安全等。由于汽車的工況不斷變化，一般汽車的發(fā)動機往往不能經(jīng)常保持在最佳工況下運轉(zhuǎn)，電傳動系統(tǒng)由于能夠方便地做到測定轉(zhuǎn)速和測定扭矩，并且可實現(xiàn)反饋控制，所以能保持發(fā)動機經(jīng)常處于最佳工況。由于電傳動系統(tǒng)的這些優(yōu)點，汽車的燃油消耗率比液力傳動式汽車要低。業(yè)界普遍認為電傳動的主要缺點是成本高，一般比液力機械傳動還要高20%，自重大并消耗大量的有色金屬，故現(xiàn)有的電傳動主要應(yīng)用于普通的機械傳動和液壓傳動不擅長的領(lǐng)域，尤其是大功率傳動的場合。業(yè)界認為的電傳動發(fā)展第四階段“交－交傳動系統(tǒng)”或許是以后的發(fā)展方向，這種系統(tǒng)是沒有直流環(huán)節(jié)的直接變頻的交流傳動系統(tǒng)，發(fā)動機驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機的輸出輸給變頻器，變頻器向交流牽引電機輸送頻率可控的交流電，但這種系統(tǒng)對變頻技術(shù)和電動機的結(jié)構(gòu)都有較高的要求。

作者復(fù)習(xí)了交流電機的拖動、變頻調(diào)速節(jié)能理論，并做了些簡單的原理實驗，認為電傳動的這些所謂缺點都可解決，連控制器都可舍棄，不僅可為重型電傳動車輛的設(shè)計技術(shù)提供改進方案，而且可擴展至乘用車及所有道路車輛領(lǐng)域，發(fā)明專利在受理中。

1 設(shè)計

利用三相中頻電機具有重量輕、單位重量比功率大、尺寸小、帶負載時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、電特性較硬、適用于超載使用、可變頻節(jié)能運行、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、維修方便等優(yōu)勢，簡化電傳動車輛驅(qū)動。

1.1 發(fā)動機直驅(qū)發(fā)電機輸出恒定 V/F比的三相正弦波交流電，輸出功率按電動機驅(qū)動車輛實時需求提供

1.1.1 發(fā)動機 按燃料分汽油、柴油、燃氣等均可

發(fā)動機的設(shè)計是有針對性的，用于帶動發(fā)電機的發(fā)動機一般被稱作通用動力內(nèi)燃機，其動力特性是功率轉(zhuǎn)速低，但是扭矩特性為非線性，在額定轉(zhuǎn)速下，發(fā)動機已經(jīng)基本獲得最大功率和最大扭矩，如果此時發(fā)電機帶上負載，阻力加大，因為此時的內(nèi)燃機扭矩已經(jīng)接近最大，動力特性硬，失速不明顯，此時穩(wěn)速機構(gòu)輕輕作出反應(yīng)自動稍稍加大油門，發(fā)動機扭矩就會呈非線性迅速加大恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機能輸出穩(wěn)定頻率的額定電壓，負載功率大小要與發(fā)電機功率匹配，在一定的范圍內(nèi)，負載小燃油省，但節(jié)油效果并不明顯，負載過小，反而導(dǎo)致發(fā)動機燃油燃燒不充分，在節(jié)油效果不明顯的基礎(chǔ)上還對發(fā)動機加重損害，基本上發(fā)動機額定功率就決定了其油耗。而機動車用的發(fā)動機特性正好和通用機械相反，首先發(fā)動機需要有一個很寬的調(diào)速范圍（從怠速約600rpm到近 8000rpm，而通用發(fā)動機僅僅是 1200到3400rpm），其次是扭矩的柔軟性，這樣在駕駛過程中油門和車速的控制就是呈線性控制，駕駛員可以很方便地通過調(diào)節(jié)油門即可得到不同的動力需求，通過不同檔位的切換就能很簡單的控制車輛的車速，其油耗不是恒定的。發(fā)動機雖然好像都是提供動力，但是針對的使用環(huán)境不同會有很大的適應(yīng)設(shè)計，如果用機動車用的發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，整個動力特性（功率和扭矩）是從怠速600rpm到8000rpm這個范圍基本是線性增加的，發(fā)出的電，其電壓和頻率是恒定V/F比的，輸出功率與發(fā)動機油耗正相關(guān)，可軟啟動并變頻驅(qū)動中頻變頻電動機。

1.1.2 發(fā)電機 稀土永磁無鐵芯盤式發(fā)電機因其低重量、無勵磁損耗、寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)電效能高的特性在此可作為首選之一

得益于風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的發(fā)展，多極低速發(fā)電機制造技術(shù)成熟，產(chǎn)品已量產(chǎn)，但理論上稀土永磁發(fā)電機高轉(zhuǎn)速更具優(yōu)勢，可制作更輕效率更高的發(fā)電機，如頻率400Hz的航空發(fā)電機廣泛用于航空領(lǐng)域。深圳市安托山投資發(fā)展有限公司設(shè)計的一款60千瓦永磁無鐵芯盤式發(fā)電機具有電機質(zhì)量?。ㄨF心重量約占電機總質(zhì)量的60%）、體積?。ú坏絺鹘y(tǒng)電機的1/3）、無刷、無磁阻尼、損耗小（鐵芯的存在導(dǎo)致磁阻尼、渦流損耗和磁滯損耗，占電機總損耗的 20%以上）、振動噪聲小（鐵芯的齒、槽是產(chǎn)生噪聲的主要根源）、效率高、轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[2]；該公司生產(chǎn)的另一款型號YCWF-112、功率5.5kw的中頻稀土永磁無鐵芯盤式發(fā)電機，其額定電壓300V，4極對數(shù)，轉(zhuǎn)速范圍2500-3600r/min，重量僅8.5kg，外形尺寸Φ225×75mm[3]。該兩款發(fā)電機雖然發(fā)揮了中頻電機的優(yōu)勢，但由于它的用途定位、設(shè)計初衷決定了仍須通過變頻控制器調(diào)節(jié)輸出工頻電源。有實驗數(shù)據(jù)顯示，永磁發(fā)電機無鐵芯與有鐵芯相比，在低速狀態(tài)下無鐵芯效率優(yōu)勢不明顯，甚至低于有鐵芯者，高速狀態(tài)下無鐵芯效率優(yōu)勢明顯，且重量、節(jié)省硅鋼片、節(jié)約永磁體用量上占據(jù)明顯優(yōu)勢[4]。因為永磁發(fā)電機無勵磁損耗，寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)發(fā)電效率都很高，在此作為恒定V/F比的變頻獨立電源使用應(yīng)該比加變頻控制器更勝一籌。

1.2 電動機

對普通異步電動機來說，在設(shè)計時主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。而變頻電動機，由于臨界轉(zhuǎn)差率反比于電源頻率，可以在臨界轉(zhuǎn)差率接近 1時直接啟動，因此，過載能力和啟動性能不再需要過多考慮，而要解決的關(guān)鍵問題是如何改善電動機對非正弦波電源的適應(yīng)能力。在此選用中頻電機，除了可降低重量和體積外，還因它本身具備變頻啟動能力，且不是由變頻器供電，對高次諧波會加深磁路飽和問題基本都可忽略，也不存在由變頻器供電過高的載波頻率陡加電壓上升率對電機電樞繞組須加大匝間絕緣承受能力的問題，驅(qū)動車輛變速運行時需要多少轉(zhuǎn)速和功率直接由油門踏板控制發(fā)電機來提供。為進一步減輕電機重量，能否設(shè)計為無鐵芯電機有待進一步研究。

2 原理機實驗?zāi)Ｐ?/h2>

2.1 材料

1）充電可調(diào)速手電鉆；

2）220V、350W額定轉(zhuǎn)速1300rpm單相臺鉆電機，5級塔盤一對，皮帶輪三角帶，配調(diào)速器；

3）三相空氣開關(guān)；

4）網(wǎng)購私人制作稀土永磁無鐵芯盤式風(fēng)力發(fā)電機，標稱額定功率350W，最大功率500W，電壓17-100V，電流1-5A，額定轉(zhuǎn)速 60-500rpm，啟動扭矩 0.2Nm，制作者告知內(nèi)部結(jié)構(gòu) 12對磁極（實際實驗數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系，應(yīng)該是12塊磁鋼6極對）、18組線圈三相繞組；

5）網(wǎng)購進口拆機稀土永磁中頻減速電機，內(nèi)部結(jié)構(gòu)電機部分六極強磁內(nèi)轉(zhuǎn)子，定子繞組有鐵芯，九組線圈三角形接法，霍爾傳感器曠置，減速機部分為太陽輪行星減速齒輪，減速比36:1；

6）380V、370W額定轉(zhuǎn)速1440rpm國標Y系列三相異步電動機；380V、90TDY115-3A 115轉(zhuǎn)三相永磁低速同步電動機。

2.2 安裝圖示

圖 1

圖 2

圖 3

如圖所示安裝，為敘述方便，使用以下簡稱：

原動機（替代發(fā)動機）：手電鉆、單相臺鉆電機；

發(fā)電機：稀土永磁無鐵芯盤式風(fēng)力發(fā)電機；

空檔（開）、掛檔（合）：三相空氣開關(guān)；

驅(qū)動電機：稀土永磁中頻減速電機、三相異步電動機、三相永磁低速同步電動機；

油門踏板：調(diào)速器。

2.3 運行數(shù)據(jù)

圖1為最初次實驗，轉(zhuǎn)速未測量，三相接線順序不變，手電鉆正向轉(zhuǎn)動，稀土永磁中頻減速電機正向轉(zhuǎn)動，手電鉆反向轉(zhuǎn)動，稀土永磁中頻減速電機反向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速快慢成比例變化；手電鉆轉(zhuǎn)向不變，改變?nèi)嘟泳€順序任意一相，稀土永磁中頻減速電機反向轉(zhuǎn)動。

圖2接三相異步電動機，分別將皮帶輪設(shè)置為1:5級，2:4級，3:3級三速傳動比運行，檢測數(shù)據(jù)如下表：

表1 皮帶輪1∶5級傳動比運行

表2 皮帶輪2∶4級傳動比運行

表3 皮帶輪3∶3級傳動比運行

為模擬汽車空檔啟動及掛檔，從掛檔到空檔時，電動機隨慣性緩慢降速到停轉(zhuǎn)。根據(jù)表一數(shù)據(jù)電機堵轉(zhuǎn)耗電功率，設(shè)定在皮帶輪1:5級傳動比情況下，空檔運行，將調(diào)速開關(guān)旋至表顯原動機功耗60W設(shè)定為怠速，反復(fù)掛檔三次，以及原動機額定電壓啟動反復(fù)掛檔三次，檢測數(shù)據(jù)見表4，表5。

表4 皮帶輪1∶5級傳動比怠速運行

表5 皮帶輪1∶5級傳動比全速運行

圖3接三相永磁電動機，將皮帶輪設(shè)置為1:5級，檢測數(shù)據(jù)見表6。

表6 皮帶輪1∶5級傳動比運行

將皮帶輪設(shè)置為2:4級、3:3級傳動比，發(fā)電機輸出頻率太高及V/F不匹配，不能直接啟動永磁電動機。

將發(fā)電機與電動機三相接線任意調(diào)換一相接線，電動機即反向轉(zhuǎn)動。

3 數(shù)據(jù)分析及理論基礎(chǔ)指導(dǎo)實際應(yīng)用

根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)顯示，原動機功耗與電動機運行正相關(guān)；發(fā)電機輸出電壓、頻率與原動機轉(zhuǎn)速成正比變化，輸出特性與變頻器相同且優(yōu)于變頻器輸出；電動機轉(zhuǎn)速與供電頻率成正比；該系統(tǒng)與工頻交流電供電不同，發(fā)電機帶動感性負載啟動時無須提供三倍以上電流；原動機、發(fā)電機、電動機功率比考慮到損耗，可按1.2:1:1配置。

3.1 變頻器產(chǎn)生的最初用途是速度控制，但目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是節(jié)能

交流電動機的調(diào)速方法有四種：變頻、變壓、變極及繞線式電動機改變轉(zhuǎn)子回路電阻的調(diào)速方法。變頻調(diào)速常用二種方法：1）當電動機接在公共電網(wǎng)上時，可以使用變頻器改變輸?shù)诫妱訖C上電源的頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速；2）單臺發(fā)電機供電給單臺電動機時，可以直接改變發(fā)電機的輸出頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速。

目前工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中電機應(yīng)用廣泛，不管是拖動類的恒轉(zhuǎn)矩負載或是風(fēng)機泵類變轉(zhuǎn)矩負載，由變頻器供電能達到節(jié)能之目的，變頻器的應(yīng)用更方便。而電傳動汽車用電機供電來源，用變頻調(diào)速“單臺發(fā)電機供電給單臺電動機時，可以直接改變發(fā)電機的輸出頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速”的方法更合適。

變頻調(diào)速節(jié)能的原理，簡單來說，在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速下，只需要向電機輸送一定頻率的電壓（電壓頻率比就是磁通Q，是個定值，亦即 V/F=Q），如果所帶負載不變，那么根據(jù)公式P=K*T*N，N一定，T一定，輸入的功率P也就定了，電機的功率P就與轉(zhuǎn)速N成正比；而汽車用電機驅(qū)動，屬于變轉(zhuǎn)矩類負載，從另一公式T=K*I*Q，如今Q不變，那么電機輸出轉(zhuǎn)矩就和電流I成正比，這個電流會根據(jù)負載變轉(zhuǎn)矩大小需求由油門踏板控制轉(zhuǎn)速的同時,轉(zhuǎn)矩大則油耗增加電流增大，轉(zhuǎn)矩小則油耗減少電流變小。

3.2 發(fā)動機、發(fā)電機與電動機選擇問題

發(fā)動機、發(fā)電機與電動機選擇問題已在設(shè)計中詳述，所做實驗選材限于條件，發(fā)電機與電動機V/F比匹配不佳，電動機僅空載運行，未進一步加負載運行，效率計算無意義，只能為日后發(fā)動機改造、發(fā)電機和電動機的設(shè)計提供思路，發(fā)電機設(shè)計額定電壓的高低、匹配電動機額定轉(zhuǎn)速及齒輪減速比效率問題要按整車動力需求來設(shè)計，不納入本文討論范圍。設(shè)計時考慮發(fā)電機輸出V/F比與電動機磁通匹配，額定功率按車重、外形風(fēng)阻、輪胎摩擦阻力、最高車速限速標準計算所得，無須增加，上坡及超速所需功率增加完全可由中頻電機的過載特性承擔(dān)，發(fā)動機選擇車用發(fā)動機且無須變速箱，功率計算考慮電機過載及車載用電器耗能需要，可在電機功率的1.5倍左右，市區(qū)工況下電機耗電量大幅減小導(dǎo)致的發(fā)動機節(jié)能減排效果非現(xiàn)有燃油機動車能比擬。

3.3 檔位操縱桿

檔位操縱桿簡單到只是一個換相開關(guān)來切換空檔、前進檔和倒檔。

3.4 制動踏板

制動踏板可做些小文章，行程分三級，一級輕踩切斷發(fā)電機供電，相當于空檔，電動機接線端無回路，車輛可隨慣性滑行，二級將電動機接通制動電阻柵，電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機運行，可制動車輛，三級才用到制動盤，大大減輕制動盤的發(fā)熱及磨損，制動效果更可靠。

4 討論

國際能源署(International Energy Agency,IEA) 預(yù)測到2030年，仍將有 90%的乘用車使用發(fā)動機作為其動力來源，本設(shè)計仍應(yīng)用發(fā)動機來作為原動機，但全程不參與直接驅(qū)動車輪，用減小排量和盡可能在最佳工況下運行來達到節(jié)能減排的目的。稀土永磁發(fā)電機具有體積小、重量輕、效率高和使用維護方便等優(yōu)點，是構(gòu)成獨立電源的優(yōu)先對象，根據(jù)應(yīng)用場景不同，對電壓、頻率波動的控制策略研究較多，目前，國內(nèi)外采用各種調(diào)壓或穩(wěn)壓方法，如混合勵磁法、雙定子或雙轉(zhuǎn)子方法、外加電力電子變換調(diào)壓器法等，這些方法使得發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本增加，部分抵消了永磁同步發(fā)電機的性能優(yōu)勢[5]；采用永磁同步發(fā)電機連接 PWM 整流器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使發(fā)動機工作在萬有特性曲線的優(yōu)化運行區(qū)，保證發(fā)動機具有較好的排放和油耗，通過檢測驅(qū)動需求功率，進行永磁同步發(fā)電機矢量控制實現(xiàn)能量在增程發(fā)電系統(tǒng)、電池、驅(qū)動電機之間的有效分配等[6]。本設(shè)計使用的發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無須穩(wěn)壓、穩(wěn)頻裝置。關(guān)于電動機，相對于工頻、變頻電機及基于各種控制系統(tǒng)的研制，中頻電動機的開發(fā)應(yīng)用顯得落后，然而，其具有體積小、單位輸出功率大、振動小、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、噪聲小并可變頻變速等優(yōu)點[7]更適應(yīng)運用于本系統(tǒng)。

5 結(jié)論

在全球都在大力控制汽車節(jié)能減排，歐美日等發(fā)達國家更熱衷于研究混合動力汽車的時代，如何減少對動力電池的依賴，以更高的效率將電能-機械能轉(zhuǎn)換應(yīng)用于驅(qū)動汽車，研發(fā)一種效率更高的電傳動汽車是一個十分有意義的課題。本設(shè)計利用現(xiàn)代電機優(yōu)勢，遵循能量守恒原理，在運動的獨立單元中，運用“單臺發(fā)電機供電給單臺電動機時，可以直接改變發(fā)電機的輸出頻率來改變電動機的轉(zhuǎn)速”的理論，變頻節(jié)能，使得系統(tǒng)按電動機需求，要多少電就發(fā)多少電，而無需考慮發(fā)電量與耗油量的非線性關(guān)系，使得總體油耗大幅下降，提前實現(xiàn)《中國制造2025》規(guī)劃要求，這是機械傳動做不到的，其簡單的原理機實驗結(jié)合變頻調(diào)速原理證明了其可行性，為汽車節(jié)能設(shè)計及新型專用電機設(shè)計提供一種新的思路。

致謝

該設(shè)計整個研究過程中，得到江蘇科技大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院院長王琪導(dǎo)師的大力幫助，謹致以衷心的感謝！

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A new type of electric drive electric car

Zhang Wenxiang, Wang Chao, Mei Yuan, Zhang Zhao
( 1. Xinghua People,s Hospital, Jiangsu Xinghua 225700; 2. Grundfos(Suzhou)Co., Ltd, Jiangsu Suzhou 215021;3. Asiainfo Holdings Inc, Jiangsu Nanjing 210000; 4. Changzhou Hailian Commercial & Trading Co.,Ltd, Jiangsu Changzhou 213003 )

U469.7 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-112-05

許多論文上常引用的一段話：“一臺水泵電機功率為55KW，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16KW，省電 48.8%，當轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 1/2時，其耗電量為6.875KW，省電87.5%”。電傳動車輛運行中驅(qū)動電機的實際耗電功率并非是電機的額定功率，所需變功率電能的提供由發(fā)動機的油門踏板控制發(fā)電量，其響應(yīng)速度是機械傳動和液壓傳動無法比擬的。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.038

張文祥，男，(1964-)，本科，就職于興化市人民醫(yī)院。臨床醫(yī)學(xué)專業(yè)。