增程式電動汽車發(fā)電機技術(shù)研究概述

郭美華 王升平

摘 要：傳統(tǒng)的增程式發(fā)電機多為內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，運行時熱量易集聚在電機內(nèi)部，導(dǎo)致溫升過高，破壞絕緣層，嚴重影響電機性能。它已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在對增程器用發(fā)電機高效、緊湊、運行平穩(wěn)的要求。為實現(xiàn)高功率密度、高效率、高可靠性分析，本文將對增程式電動汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機進行探討。

關(guān)鍵詞：增程式;外轉(zhuǎn)子;發(fā)電機

純電動汽車（EV）、混合動力電動汽車（HEV）、燃料電池電動汽車（FEV），這三者統(tǒng)稱為新能源汽車?，F(xiàn)階段純電動汽車具有以下優(yōu)點：污染小、噪音小、能量效率高;結(jié)構(gòu)簡單、方便拆裝維修等，主要不足之處：由于受電池技術(shù)的影響限制，車輛續(xù)駛里程短、故障率較高和充電不方便，正因為這些原因，混合動力汽車誕生了，混合動力汽車雖說兼顧了內(nèi)燃機和純電動汽車的優(yōu)點，但是其純電動續(xù)駛能力差、控制系統(tǒng)復(fù)雜，前景不太樂觀;燃料電池電動汽車燃料來源廣泛、成本低、可再生、效率高，但結(jié)構(gòu)又比較復(fù)雜。近年來，一種新的純電動汽車的概念增程式電動汽車（E-REV）被提出來，它主要是配置安裝了增程器，增程器由發(fā)動機和發(fā)電機構(gòu)成，在需要的時候給車輛提供能量，這在很大程度上體現(xiàn)出了純電動汽車的優(yōu)勢，并且使純電動汽車續(xù)駛里程短的缺陷得到了改善。增程式電動汽車是一種介于混合動力汽車和純電動車二者之間的一種車型。目前，業(yè)內(nèi)人員普遍認同增程式電動汽車技術(shù)的發(fā)展前景，此項發(fā)展已經(jīng)成為現(xiàn)階段和中長期新能源汽車發(fā)展的重要方向。開展這方面的研究有助于提高我國新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)的研究水平，在動力電池技術(shù)瓶頸還未很好的解決前，是向純電動車過渡的最佳方案，增程式電動汽車發(fā)電機技術(shù)也有助于早日實現(xiàn)新能源汽車規(guī)劃目標[1]。

電動汽車上安裝增程器，可以使混合動力汽車節(jié)油率達到30%—50%。電動汽車的續(xù)行里程也大大增加了，車載電池的成本和重量也在很大程度上得到了控制。但是由于車輛安裝空間不足的影響，必須要選用性能好的增程器，采用帶永磁同步發(fā)電機的增程器，能夠滿足高效率工作區(qū)域占比高的要求，同時發(fā)電機的功率密度要求高和體積小。外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機具有如下優(yōu)點：比如結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠;體積小，功率密度高;損耗小，效率高，高效率工作區(qū)域占比高;外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機與內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機相比，電機更具優(yōu)勢：功率密度更高，電機轉(zhuǎn)子散熱條件比內(nèi)轉(zhuǎn)子天優(yōu)越，并且在同樣的電機重量下可以獲得更大的轉(zhuǎn)動慣量，不額外增加飛輪機殼滿足增程器的平穩(wěn)運行等優(yōu)點[2]。

1 增程式電動汽車發(fā)展背景及介紹

鑒于“十三五”期間的“市場主導(dǎo)、創(chuàng)新驅(qū)動、重點突破”的發(fā)展戰(zhàn)略和增程式電動汽車的優(yōu)點，在《中國制造2025》中，我國明確提出要開發(fā)“高性能插電式混合動力總成和增程器發(fā)電機”，加強高密度、高效率發(fā)電機的開發(fā)，探明高效發(fā)動機與發(fā)電機集成的核心關(guān)鍵技術(shù)。增程器技術(shù)決定了是否能開發(fā)出性能優(yōu)越、油耗低、排放好的增程式電動汽車。增程器是發(fā)電機系統(tǒng)中重要的供能設(shè)備，是增程式電動汽車技術(shù)發(fā)展中亟需解決和完善的關(guān)鍵技術(shù)之一，開發(fā)用于增程器的高效緊湊型發(fā)電機勢在必行[1]。傳統(tǒng)增程器用發(fā)電機多采用內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、內(nèi)部空間小，不易實現(xiàn)多極，運行時熱量易集聚在電機內(nèi)部影響電機性能，嚴重時會導(dǎo)致永磁體失磁。本文提出增程式電動汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機，高效緊湊型外轉(zhuǎn)子電機輕量化和高功率密度設(shè)計等是增程式電動汽車外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機急需解決的核心技術(shù)難題。

2 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術(shù)概況

2010年8月，美國通用公司推出了全球首款增程式電動汽車——雪弗蘭Volt，Volt整車還裝有一個動力電池，在純電動模式下，車輛能行駛40-80km。此外，Volt還額外加裝了一臺1.4L自然吸氣發(fā)動機和一臺額定功率為55kW的發(fā)電機構(gòu)成整車的增程器。在增程模式下，Volt總的續(xù)駛里程能高于500km，可以滿足城市居民的遠距離出行[2]。

日本的新能源汽車技術(shù)一直走在世界的前沿。2013年，馬自達2增程式電動汽車由馬自達公司成功推出，這款電動汽車的最大行駛里程可達到381km，采用的增程器由轉(zhuǎn)子發(fā)動機和電動機組成，其中轉(zhuǎn)子發(fā)動機為27馬力，電動機的峰值扭矩154Nm、最大功率為100馬力、油箱額定容積9L、發(fā)動機排量0.33L。此車二氧化碳排放控制在15g/km內(nèi)[2]。

國外增程器技術(shù)的發(fā)展相對領(lǐng)先，相比于我們國家相對成熟，雖然國內(nèi)企業(yè)研發(fā)的增程式電動汽車在續(xù)駛里程等方面還有一些欠缺，但最近幾年國內(nèi)企業(yè)增程器技術(shù)也取得了一定的進展，這主要歸功于近幾年的快馬加鞭以及國家政策的大力支持，相關(guān)技術(shù)人員更是付出了艱辛的努力。國內(nèi)相關(guān)企業(yè)在開發(fā)公交車和輕型商務(wù)車時為兼顧長里程和節(jié)能的要求，也開始青睞于采用增程式電動汽車技術(shù)，像吉利、北汽、陜汽、宇通、中車等企業(yè)都將準備推出相關(guān)的車型。國內(nèi)多家企業(yè)也在開發(fā)應(yīng)用在公交車和輕型商務(wù)車的增程器發(fā)電機，但大都采用了傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子方式。傳統(tǒng)的內(nèi)轉(zhuǎn)子設(shè)計具有內(nèi)部空間小、不易實現(xiàn)多極，運行時熱量聚集在電機內(nèi)部難以快速散出，從而影響永磁體性能等缺點。難以做到增程器技術(shù)緊湊、高功率密度、高效率的要求。外轉(zhuǎn)子電機具有軸向尺寸緊湊、可靠性高、轉(zhuǎn)動慣量大、運行平穩(wěn)、散熱性能好、效率高等優(yōu)點。

3 增程式外轉(zhuǎn)子發(fā)電機特點

外轉(zhuǎn)子電機的特點是定子固定在靠軸中間位置不動，轉(zhuǎn)子在定子的外圍旋轉(zhuǎn)，也屬徑向氣隙磁通結(jié)構(gòu)，與內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相比是轉(zhuǎn)子與定子換了個位置。

定子在電機內(nèi)部稱為內(nèi)定子，轉(zhuǎn)子在電機外周，稱為外轉(zhuǎn)子。內(nèi)定子鐵芯外圓周均勻分布著許多槽，用來嵌裝繞組;外轉(zhuǎn)子內(nèi)圓周貼有永磁體磁極。外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，繞組切割磁力線感生電勢。外轉(zhuǎn)子由導(dǎo)磁良好的鐵質(zhì)材料做成，很像一個桶套在定子外側(cè)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于，不會因為旋轉(zhuǎn)過程中離心力而甩脫，這種結(jié)構(gòu)的特點就是磁極固定相對比較簡單。外轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)軸安裝在定子機座的軸承上，組成一個永磁外轉(zhuǎn)子發(fā)電機[3]。

4 增程式外轉(zhuǎn)子發(fā)電機發(fā)展趨勢及難點

增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機因具有軸向尺寸緊湊、可靠性高、轉(zhuǎn)動慣量大、運行平穩(wěn)、散熱性能好、效率高等優(yōu)點成為了車企及電機企業(yè)未來的重要研發(fā)方向。

外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機的發(fā)展任重而道遠，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)難度較大，設(shè)計方面相對復(fù)雜，內(nèi)轉(zhuǎn)子主要通過兩個軸承支撐轉(zhuǎn)子的兩端，這兩個軸承固定在前后端蓋上，轉(zhuǎn)子安裝在兩個軸承之間;外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，兩個軸承安裝在軸的同一端，這兩個軸承由轉(zhuǎn)子支撐，這對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計要求相對更高。此外，外轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時需要承受較大的離心力，轉(zhuǎn)子直徑大，轉(zhuǎn)子容易發(fā)生變形，轉(zhuǎn)子變形會導(dǎo)致氣隙形狀的改變。氣隙形狀的改變會又會導(dǎo)致氣隙磁密分布不均勻，從而引起徑向力與軸向力的不均，這會使發(fā)電機的性能嚴重受到影響。并且發(fā)電機中的旋轉(zhuǎn)體是轉(zhuǎn)子，它的結(jié)構(gòu)直接影響到發(fā)電機的振動噪聲和特性，為了保證轉(zhuǎn)子的可靠性，我們需要對轉(zhuǎn)子動力學(xué)進行詳細的分析計算[4]。另外，因為車用發(fā)電機往高功率密度、緊湊型方向發(fā)展，也就標志著需要對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)進行更加高標準、高精細的設(shè)計，而轉(zhuǎn)子處于多物理場的相互作用中，比如：溫度場、磁場、結(jié)構(gòu)應(yīng)力場，結(jié)構(gòu)環(huán)境復(fù)雜，能否對這些邊界條件進行準確計算對于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的設(shè)計與強度分析至關(guān)重要[5]。

基金項目：中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項目（增程式電動汽車新型外轉(zhuǎn)子發(fā)電機關(guān)鍵技術(shù)研究），項目編號：2017KQ02。

參考文獻：

[1]唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論和設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[2]謝培利，席榮盛，崔友.新能源汽車增程器用外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機設(shè)計[J].裝備制造技術(shù)，2017，11：85-88

[3]李春艷，寇寶泉，程樹康.永磁同步電動機弱磁擴速概況[J].微特電機，2008，36（1）：58-60.

[4]吳柏禧.基于多場耦合的增程器用外轉(zhuǎn)子發(fā)電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計[D].華南理工大學(xué)，2018.

[5]趙金龍.增程式電動汽車動力系統(tǒng)參數(shù)匹配及能量管理策略研究[D].重慶大學(xué)，2014.