電動(dòng)汽車(chē)緊湊型輪轂電機的內部結構解析

概述：Protean Electric開(kāi)發(fā)了一種輪內驅動(dòng)系統，該系統將電機、動(dòng)力電子設備、數字控制和摩擦制動(dòng)器集成在一個(gè)緊湊的外殼中。Protean Drive為制造商提供了更高程度的設計自由度，甚至可以用于將現有車(chē)輛轉換為混合動(dòng)力或全電動(dòng)汽車(chē)。

Protean Drive是一種用于乘用車(chē)和輕型商用車(chē)的輪轂電機系統。電機占據了輪輞內部的空間，與傳統上占據該空間的機械制動(dòng)器合并在一起。

車(chē)輛可以配置為兩輪或四輪驅動(dòng)，無(wú)論是純電動(dòng)還是混合動(dòng)力，并配備400或800 V電池系統。一對輪內電機代表了傳統電動(dòng)車(chē)軸的替代方案，在電動(dòng)車(chē)軸中，電機和逆變器安裝在車(chē)身上，驅動(dòng)通過(guò)齒輪、差速器和半軸傳遞給車(chē)輪。展示了一個(gè)使用四個(gè)輪轂電機的系統。

輪內電機是直接驅動(dòng)，意味著(zhù)沒(méi)有變速箱或變速器。電機是一個(gè)帶外轉子的永磁同步電動(dòng)機(PMSM)。逆變器與電機集成在同一個(gè)封裝中。與傳統的電動(dòng)車(chē)軸相比，車(chē)輪內部所有組件的集成大大節省了空間。

輪內電機的優(yōu)勢

使用輪內電機節省的空間為重新封裝電氣元件創(chuàng )造了機會(huì )。例如，電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)常見(jiàn)缺點(diǎn)是電池的位置。在大多數電動(dòng)汽車(chē)中，電池以所謂的滑板設計放置在地板上。這種包裝的效果是將地板抬高約150毫米。這迫使車(chē)輛設計師要么減少乘員的座艙空間，要么提高車(chē)頂的高度，導致空氣阻力的增加，相應的續航里程減少。

采用輪內電機的替代電池包概念如圖所示。在這個(gè)示例中，電池封裝為乘客的腳艙留出空間。這種電池單元的排列提供了與滑板電池相同的充電容量，但使車(chē)輛設計師能夠在不提高車(chē)頂高度的情況下增加乘員的座艙空間。

圖?采用輪內電機的電池包概念(Protean)

與電動(dòng)車(chē)軸相比，使用輪內電機的車(chē)輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統部件的質(zhì)量也有所減少，這對電池也有好處。通過(guò)減少質(zhì)量，既可以減少電池容量，也可以增加現有電池的續航里程。

輪轂電機的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種系統的扭矩矢量控制能力。扭矩矢量控制是跨軸差分扭矩的應用，是輪內電機系統的零成本特性，通過(guò)要求左右電機輸出不同的扭矩來(lái)實(shí)現。這允許轉向不足和過(guò)度轉向特性動(dòng)態(tài)優(yōu)化。扭矩矢量控制還可以減少后輪驅動(dòng)應用中的轉彎半徑，使后輪與轉彎的前輪一起工作。通過(guò)對汽車(chē)后橋施加扭矩矢量，在不改變車(chē)輛的情況下，轉彎半徑可以減少7%到10%，如圖所示。

圖?使用輪內電機減少轉彎半徑(Protean)

在傳統車(chē)輛上，懸架系統妥協(xié)，以實(shí)現所需的欠轉向和過(guò)度轉向特性和轉向自扶正行為。由于這些功能可以通過(guò)扭矩矢量控制來(lái)實(shí)現，因此懸架系統可以在不影響車(chē)輛操控的情況下優(yōu)化以提升乘坐質(zhì)量。

輪轂電機面臨的挑戰

盡管輪轂電機帶來(lái)了諸多好處，但其設計也帶來(lái)了一些挑戰。工程師們面臨的主要困難之一是將電機和逆變器封裝到輪輞內的可用空間中。目標是盡量減少對輪端其他系統的干擾，如車(chē)輪軸承、懸架、轉向和摩擦制動(dòng)。大直徑環(huán)形體積適合于高半徑，軸向短，高扭矩電機，但不適合封裝逆變器。Protean Drive的設計可以使用標準輪輞、軸承、懸架和轉向系統，但與傳統解決方案相比，制動(dòng)盤(pán)必須倒置。圖顯示了懸架和制動(dòng)器的典型集成。

圖??集成了懸架和制動(dòng)的Protean Drive(Protean)

輪內電機工作的環(huán)境需要設計成能承受振動(dòng)和沖擊。根據GMW3172標準，在三個(gè)軸上以平均11 g rms的加速度進(jìn)行32小時(shí)以上的振動(dòng)測試。此外，其設計必須在每個(gè)軸的兩個(gè)方向上能承受20個(gè)100g的沖擊加速度。

與傳統電動(dòng)汽車(chē)的電機和逆變器相比，密封也是一個(gè)更大的挑戰。該系統在其使用壽命期間可能需要置于水中，并受到灰塵、砂礫和其他物質(zhì)的影響。在轉彎和重載制動(dòng)時(shí)，車(chē)輪軸承的偏轉使動(dòng)態(tài)密封的功能進(jìn)一步復雜化，這反過(guò)來(lái)意味著(zhù)密封必須容忍轉子和定子之間的相對運動(dòng)。

熱量必須在系統中得到控制。電機用50:50的水-乙二醇混合物冷卻，通?？梢栽?3升/分鐘的公稱(chēng)流量下去除約5千瓦的熱量。電機繞組、逆變器和摩擦制動(dòng)器都是熱源。通常情況下，繞組可承受最高180°C的溫度，電子元件可承受最高125°C，電容器元件可承受最高100°C。在運行過(guò)程中，制動(dòng)盤(pán)可能達到最高500°C的高溫;制動(dòng)盤(pán)連接到轉子，意味著(zhù)傳導到驅動(dòng)磁體的熱也必須考慮在內。

噪聲、振動(dòng)和粗糙度(NVH)是輪轂電機的一個(gè)重要考慮因素。如果設計時(shí)不仔細約束磁場(chǎng)對磁體的勵磁，大直徑外轉子會(huì )是一個(gè)潛在的噪聲源。這是進(jìn)一步復雜化的非直線(xiàn)特性的電動(dòng)機，這很大程度上是緊湊設計的結果。通過(guò)在適當的幅度和相位插入基頻的諧波來(lái)調整相電流波形的能力可以減少扭矩脈動(dòng)，從而使車(chē)廂內的結構噪聲水平對于高質(zhì)量的乘用車(chē)來(lái)說(shuō)是可以接受的。

如果不提非簧載質(zhì)量，關(guān)于輪轂電機的挑戰的討論就不完整。無(wú)可爭辯的是，輪轂電機增加了車(chē)輛非彈簧部件的質(zhì)量。這種增長(cháng)的影響還不明晰。傳統觀(guān)點(diǎn)認為，任何非彈簧質(zhì)量的增加都是有問(wèn)題的，應該不惜一切代價(jià)避免?，F實(shí)情況要復雜得多。從理論角度來(lái)看，關(guān)鍵因素不是絕對非簧載質(zhì)量，而是簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量之比。與此同時(shí)，在大型車(chē)輛中，除了經(jīng)驗最豐富的駕駛員外，安裝輪轂電機對操控性的影響幾乎沒(méi)有人注意到，而快速扭矩響應和扭矩矢量控制的優(yōu)勢遠遠彌補了這一點(diǎn)。在實(shí)際應用方面，Protean已經(jīng)委托進(jìn)行了幾項關(guān)于非簧載質(zhì)量影響的研究，其中包括Lotus Engineering的一項評估。本文的結論是，雖然使用復雜的工程技術(shù)可以測量性能上的差異，但在典型的車(chē)輛開(kāi)發(fā)計劃中，沒(méi)有任何差異超出了與目標的正常偏差。

電機結構

該設計是由封裝電機和逆變器的可用空間決定的?？捎玫捏w積是環(huán)形的。輪輞限制外徑，輪軸承限制內徑，總軸向長(cháng)度受輪輞寬度和要求納入摩擦制動(dòng)器的限制。例如，Protean Drive電機-逆變器設計用于18英寸輪輞的客車(chē)，并提供1400牛米的扭矩輸出，其外徑約為400毫米，內徑為200毫米，總軸向長(cháng)度約為140毫米。

與逆變器相關(guān)的電源和控制電子設備分布在封裝的車(chē)輛(或車(chē)載)一側。電容器是定制設計部件，占據了電機內部的一個(gè)環(huán)。定子的主體是一個(gè)機械加工的鋁鑄件，作為一個(gè)散熱裝置;冷卻通道在電機的兩個(gè)面運行，也冷卻電力電子設備。

電力電子設計在定制模塊中使用650 V額定絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。每個(gè)電源模塊由一個(gè)三相逆變器組成，每個(gè)單元包含四個(gè)這樣的模塊。線(xiàn)圈和逆變器的布置如圖所示。

圖??定子內電子元件、電容器和電機的布置(Protean)

定子包括由鑄件制造的鋁體，其上有熱滴工藝安裝的背鐵。背鐵由一堆電工鋼疊片組成，尺寸的選擇使得在所有工作溫度下，兩個(gè)部分之間都有一個(gè)干涉配合，能夠應對最大扭矩。

定子的電磁設計由壓入定子背鐵的插入齒組成?？偣灿?2顆齒，每顆都纏繞著(zhù)32圈銅線(xiàn)。在制造過(guò)程中，自動(dòng)繞線(xiàn)機將導線(xiàn)繞在三個(gè)連續的齒上形成一匝。這些匝通過(guò)引線(xiàn)框連接在一起，將電機配置成八個(gè)三匝子電機，其中兩個(gè)子電機并聯(lián)繞線(xiàn)，如圖所示。

圖??驅動(dòng)架構示意圖(Protean)

定子本體是水冷的。冷卻劑通道配置為兩層;第一層為電力電子設備提供冷卻，第二層為線(xiàn)圈和定子背鐵提供冷卻。該系統使用50:50的水-乙二醇混合物，標稱(chēng)流量為13升/分鐘。冷卻通道設計如圖8所示。

圖??定子冷卻通道(Protean)

一對電力電子模塊安裝在定子的后面，每個(gè)模塊有兩個(gè)三匝電橋。定子的后部有電子罩保護不受環(huán)境影響。

轉子由鋁鑄件制成。在制造過(guò)程中，轉子外殼加熱，并插入背鐵。這兩個(gè)部件的尺寸都經(jīng)過(guò)精心選擇，以確保它們在所有車(chē)輛運行溫度下都能相互配合。

三十二對驅動(dòng)磁體堆粘接在背鐵的內表面。這些磁鐵與定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生扭矩。背鐵提供了一個(gè)封閉的磁通路徑，以確保轉子外沒(méi)有雜散磁場(chǎng)。

制動(dòng)盤(pán)用螺栓固定在轉子外部，提供機械制動(dòng)，因此該結構必須設計成能夠承受在制動(dòng)和橫向加速事件中施加在轉子上的最壞情況的力。在這些情況下施加的力取決于車(chē)輛的質(zhì)量。

轉子內部裝有一個(gè)磁環(huán)。有相同數量的極對作為轉子驅動(dòng)磁體。位置傳感器(正弦/余弦編碼器)測量這個(gè)環(huán)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以確定轉子的角度位置。

轉子還包含橡膠密封，以防止污染物進(jìn)入轉子腔。該密封可以隨著(zhù)速度的增加而提升，以減少密封和運行表面的磨損。

一個(gè)標準的汽車(chē)軸承連接轉子和定子。軸承承載車(chē)輛的全部載荷，因此轉子和定子都不承載支撐車(chē)輛的力。與電機設計的所有元素一樣，軸承的特性也是一種權衡。它必須足夠堅硬，以確保在高橫向加速事件中定子不會(huì )觸碰到轉子。反過(guò)來(lái)，軸承的阻力必須盡可能低，以減少損失并最大限度地提高系統的效率。

電機包含兩個(gè)電子模塊，每個(gè)電子模塊包含兩個(gè)逆變器。每個(gè)模塊都包含一個(gè)處理器，該處理器讀取相關(guān)傳感器并生成信號以開(kāi)關(guān)門(mén)驅動(dòng)器。這些依次為IGBT提供開(kāi)關(guān)信號。這些模塊安裝在定子的背面，并連接到引線(xiàn)框中的引腳，引腳又連接到線(xiàn)圈。

控制逆變器所需的傳感器包括:

——每個(gè)逆變器三個(gè)電流傳感器，每匝一個(gè)(每個(gè)電機總共十二個(gè))

——每個(gè)模塊一個(gè)位置傳感器(每個(gè)電機總共兩個(gè))

——每個(gè)逆變器三個(gè)線(xiàn)圈熱敏電阻，每匝一個(gè)(每個(gè)電機總共十二個(gè))

——每匝兩個(gè)IGBT熱敏電阻(每臺電機共24個(gè))

——每個(gè)逆變器一個(gè)母線(xiàn)電壓傳感器(每個(gè)電機總共四個(gè))。

電機控制

電機中的逆變器采用場(chǎng)定向控制(FOC)。該方法利用矢量技術(shù)控制定子電流。該算法將三相系統(通常稱(chēng)為U, V和W)的三相電流隨時(shí)間呈正弦變化，轉換為兩坐標系統(稱(chēng)為D和Q)，其中電流在特定扭矩點(diǎn)處是時(shí)穩定的。這有效地將控制三個(gè)交流電的問(wèn)題轉化為一個(gè)控制兩個(gè)(大部分)獨立直流電的問(wèn)題。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，Q軸上的電流與扭矩成正比。D軸電流為磁通分量;當旋轉轉子中的磁體產(chǎn)生的反電磁力(EMF)開(kāi)始超過(guò)直流母線(xiàn)電壓時(shí)，這個(gè)術(shù)語(yǔ)變得重要。D軸電流通過(guò)一種稱(chēng)為磁通減弱的技術(shù)抵消反電動(dòng)勢。

FOC在很大程度上依賴(lài)于兩個(gè)變換，即Park-Clarke變換，將三相電流(U, V,W)轉換為二維(D和Q)，以及逆變換，將D, Q向量轉換回三相。

一旦信號被轉換到直流域(D和Q)，它們就可以使用傳統的控制技術(shù)進(jìn)行控制，例如比例積分(P-I)回路。

對FOC控制技術(shù)的全面討論不在本文的范圍，但一些半導體制造商提供了有用的介紹，例如德州儀器。

FOC控制的挑戰之一是確定在特定直流母線(xiàn)電壓和速度下產(chǎn)生特定扭矩所需的D和Q電流量。在其他資料中描述了一種確定D和Q電流需求的理論方法。電機采用查找表的方法，根據直流母線(xiàn)電壓、電機轉速和扭矩需求推導出所需的D和Q電流需求。

Protean Drive的緊湊設計導致電機包含反電動(dòng)勢中電頻率的諧波。這些與基本相電流相互作用，產(chǎn)生扭矩脈動(dòng)。為了消除這種不良影響，控制器在P-I回路的輸出中注入電壓以消除干擾。頂層控制回路如圖所示。

圖? FOC控制回路(Protean)

控制回路每62.5 μs (16 kHz)反復一次?？刂祁l率是幾個(gè)因素之間的平衡?？刂苹芈繁仨氉銐蝾l繁地運行以控制系統。在電機的最高轉速(1600轉/分)和轉子中有32對磁體時(shí)，最大電頻率為853赫茲。在16千赫，因此每周期大約有19個(gè)點(diǎn)，這提供了一個(gè)很好的控制水平。每次IGBT關(guān)閉或打開(kāi)時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生少量的熱量。為了使效率最大化，應盡量減少轉換次數，因此較低的開(kāi)關(guān)頻率更好。

NVH是輪轂電機的主要考慮因素。開(kāi)關(guān)瞬態(tài)和轉子上磁鐵之間的相互作用可能導致可聽(tīng)見(jiàn)的噪聲。因此，開(kāi)關(guān)頻率必須大于人耳可感知的最大頻率，大多數成年人的感知最大頻率約為16千赫。

結論

Protean電氣公司花了多年時(shí)間來(lái)改進(jìn)他們的組合電機-逆變器的設計，以生產(chǎn)高扭矩密度驅動(dòng)系統。Protean Drive是一種輪轂電機驅動(dòng)系統，為純電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)提供了高度的設計自由度。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中做出了一些妥協(xié)，克服了一些挑戰。

審核編輯：黃飛

?