一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，包括車載電源、輪轂電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路，所述車載電源包括蓄電池組，所述蓄電池組通過直流母線連接驅(qū)動(dòng)電路輸出高壓直流電，所述輪轂電機(jī)具有內(nèi)定子，所述內(nèi)定子上設(shè)有補(bǔ)償繞組，所述驅(qū)動(dòng)電路與補(bǔ)償繞組電連接，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流至補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與輪轂電機(jī)磁場相疊加的補(bǔ)償磁場，這樣就可以緩解輪轂電機(jī)的電磁扭矩脈動(dòng)現(xiàn)象，作為常規(guī)懸掛減震器的補(bǔ)充裝置以進(jìn)一步改善電動(dòng)車輛的垂向特性。
【專利說明】
一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及電動(dòng)汽車，尤其是一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 輪轂電機(jī)是一種內(nèi)定子、外轉(zhuǎn)子形式的電機(jī)，其動(dòng)力、傳動(dòng)和制動(dòng)裝置都整合在輪 轂內(nèi)，因此將電動(dòng)車輛的機(jī)械部件大大簡化，與傳統(tǒng)集中驅(qū)動(dòng)形式相比，獨(dú)立的輪邊/輪轂 驅(qū)動(dòng)形式具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢，如良好的機(jī)動(dòng)性，簡化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，極高的傳動(dòng)效率，較高 的車身內(nèi)部空間利用率以及良好的動(dòng)力學(xué)性能等。
[0003] 但由于常規(guī)輪邊驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的輪轂電機(jī)和車輪剛性相連，其質(zhì)量構(gòu)成整車的非簧 載質(zhì)量，使整車簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量之比過小，不利于懸架系統(tǒng)的調(diào)校，影響了整車的垂 向性能。當(dāng)車輛重載或者高速通過路況差的路面時(shí)，路面對(duì)車輪的沖擊與振動(dòng)通過輪轂電 機(jī)直接傳遞到懸架，使得行駛平順性和車體穩(wěn)定性變差。
[0004] 為了改善車輛輪轂電機(jī)垂向振動(dòng)帶來的不利影響，提高車輛行駛平順性，國內(nèi)外 相關(guān)生產(chǎn)廠商主要從懸架材質(zhì)輕量化、電機(jī)本體動(dòng)態(tài)阻尼吸收、主動(dòng)/半主動(dòng)懸架等方面解 決輪轂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車的垂向負(fù)效應(yīng)。目前，較成熟的技術(shù)方案是在車架懸掛側(cè)對(duì)輪轂電機(jī) 及懸掛整體結(jié)構(gòu)采取減震措施。
[0005] 然而，在車架懸掛側(cè)采取減震措施后，車輛行駛平順性和車體穩(wěn)定性雖然得到了 改善，但是，當(dāng)車體重量的垂向載荷施加到軸承上時(shí)，軸承的形變會(huì)引起輪轂電機(jī)內(nèi)定子和 外轉(zhuǎn)子偏心，使垂直方向上的氣隙磁場發(fā)生畸變，由于軸承具有較強(qiáng)的剛度，軸承的物理形 變非常小，由偏心引起的機(jī)械振動(dòng)可以忽略不計(jì)，但磁場對(duì)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙距離較敏感， 較小的偏心距會(huì)引起較大的磁密變化，造成輪轂電機(jī)產(chǎn)生電磁扭矩脈動(dòng)現(xiàn)象，從而影響切 線方向上的電磁轉(zhuǎn)矩。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題就是提供一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝 置，可以緩解輪轂電機(jī)的電磁扭矩脈動(dòng)現(xiàn)象，作為常規(guī)懸掛減震器的補(bǔ)充裝置以進(jìn)一步改 善電動(dòng)車輛的垂向特性。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0008] -種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，包括車載電源、輪轂電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路，所 述車載電源包括蓄電池組，所述蓄電池組通過直流母線連接驅(qū)動(dòng)電路輸出高壓直流電，所 述輪轂電機(jī)具有內(nèi)定子，所述內(nèi)定子上設(shè)有補(bǔ)償繞組，所述驅(qū)動(dòng)電路與補(bǔ)償繞組電連接，驅(qū) 動(dòng)電路輸出電流至補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與輪轂電機(jī)磁場相疊加的補(bǔ)償磁場。
[0009] 進(jìn)一步的，所述補(bǔ)償繞組為兩組相互并聯(lián)且匝數(shù)相同的單相線圈，所述內(nèi)定子包 括定子鐵芯，所述定子鐵芯在垂直方向上設(shè)有兩組定子槽，每組定子槽中嵌套一組單相線 圈，兩組單相線圈同向設(shè)置。
[0010] 進(jìn)一步的，所述輪轂電機(jī)還包括外轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)軸和端蓋，所述端蓋與外轉(zhuǎn)子 固定連接，所述內(nèi)定子與電機(jī)軸固定連接，所述端蓋上設(shè)有軸承，所述電機(jī)軸與軸承配合連 接。
[0011] 進(jìn)一步的，所述輪轂電機(jī)為永磁無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)。
[0012] 本實(shí)用新型的有益效果為：
[0013] 通過在輪轂電機(jī)內(nèi)定子上設(shè)置補(bǔ)償繞組，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流至補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞 組產(chǎn)生與輪轂電機(jī)磁場相疊加的補(bǔ)償磁場，實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)畸變磁場的補(bǔ)償，使輪轂電機(jī)周 向磁密的分布更均勻，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善電動(dòng)車輛的垂向特性，提高了車輛行駛的平 順性。
[0014] 本實(shí)用新型的具體技術(shù)效果將在【具體實(shí)施方式】中予以進(jìn)一步說明。
【附圖說明】
[0015] 以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步描述：
[0016] 圖1是本實(shí)用新型一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置中輪轂電機(jī)一種視角的 剖視圖；
[0017] 圖2是本實(shí)用新型一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置中輪轂電機(jī)另一種視角 的剖視圖；
[0018] 圖3是本實(shí)用新型一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置的電氣連接圖；
[0019] 圖4是本實(shí)用新型一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置的結(jié)構(gòu)流程圖；
[0020] 圖5是本實(shí)用新型一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置的控制方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明。
[0022]如圖1至圖4所示，一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，包括車載電源1、信號(hào) 采集電路2a、核心控制單元2b、驅(qū)動(dòng)電路2c和輪轂電機(jī)3,輪轂電機(jī)3包括外轉(zhuǎn)子31、內(nèi)定子 33、軸承34、電機(jī)軸35和端蓋36，內(nèi)定子33設(shè)在外轉(zhuǎn)子31的內(nèi)周，端蓋36與外轉(zhuǎn)子31固定連 接，內(nèi)定子33與電機(jī)軸35固定連接，端蓋36上設(shè)有軸承34，電機(jī)軸35與軸承34配合連接，外 轉(zhuǎn)子31的內(nèi)周面上設(shè)有永磁體31a，輪轂電機(jī)3為永磁無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)，外轉(zhuǎn) 子31的內(nèi)周面與內(nèi)定子33的外周面之間具有氣隙32,當(dāng)車體重量的垂向載荷施加到軸承上 時(shí)，軸承34的形變會(huì)引起輪轂電機(jī)3的內(nèi)定子33和外轉(zhuǎn)子31偏心，使垂直方向上的氣隙磁場 發(fā)生畸變。
[0023]為了修正輪轂電機(jī)3的畸變磁場，輪轂電機(jī)3的內(nèi)定子33上設(shè)有補(bǔ)償繞組4,補(bǔ)償繞 組4為兩組相互并聯(lián)且匝數(shù)相同的單相線圈，內(nèi)定子33包括定子鐵芯，定子鐵芯在垂直方向 上設(shè)有兩組定子槽，每組定子槽中嵌套一組單相線圈，一組定子槽包括兩個(gè)定子槽，每個(gè)定 子槽上設(shè)有開口，單相線圈穿過定子槽的開口進(jìn)行繞制，兩組單相線圈同向設(shè)置，由于兩組 單相線圈設(shè)在定子鐵芯的垂直方向上，兩組單相線圈通電后就可以激發(fā)垂直方向的補(bǔ)償磁 場，該補(bǔ)償磁場與輪轂電機(jī)3的畸變磁場相疊加，實(shí)現(xiàn)畸變磁場的補(bǔ)償。
[0024]為了精確控制補(bǔ)償繞組4的補(bǔ)償磁場的強(qiáng)度對(duì)輪轂電機(jī)3不同畸變程度的畸變磁 場進(jìn)行相適應(yīng)的補(bǔ)償，驅(qū)動(dòng)電路2c為PffM功率驅(qū)動(dòng)模塊并且其具有驅(qū)動(dòng)橋臂，驅(qū)動(dòng)橋臂與補(bǔ) 償繞組4電連接，為了提高驅(qū)動(dòng)橋臂的開關(guān)響應(yīng)速度，驅(qū)動(dòng)橋臂優(yōu)選采用IGBT或MOSFET作為 開關(guān)器件，信號(hào)采集電路2a和驅(qū)動(dòng)電路2c分別與核心控制單元2b相連，核心控制單元2b采 用單片機(jī)或DSP芯片構(gòu)成的微處理器，信號(hào)采集電路2a采集輪轂電機(jī)3的電壓、電流以及補(bǔ) 償繞組4的電流并將采集信號(hào)發(fā)送至核心控制單元2b，信號(hào)采集電路2a包括采集輪轂電機(jī)3 電壓的電壓傳感器、采集輪轂電機(jī)3電流和補(bǔ)償繞組4電流的電流傳感器以及調(diào)理電路，調(diào) 理電路將電壓傳感器和電流傳感器的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后輸出至核心控制單元2b，核心控制單 元2b根據(jù)接收到電壓和電流采集信號(hào)向驅(qū)動(dòng)橋臂輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)閉環(huán)控制補(bǔ)償繞組4的 電流大小，驅(qū)動(dòng)橋臂上具有功率元件，該功率元件通過PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制輸出的電流大小， 通過控制補(bǔ)償繞組4的電流大小控制補(bǔ)償繞組4激發(fā)的補(bǔ)償磁場的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)輪轂電機(jī)3畸 變磁場的精確補(bǔ)償，使輪轂電機(jī)3周向磁密的分布更均勻，從而減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，改善電動(dòng)車 輛的垂向特性，提高了車輛行駛的平順性。
[0025] 為了提高電路集成度，縮小電路體積，信號(hào)采集電路2a、核心控制單元2b和驅(qū)動(dòng)電 路2c優(yōu)選集成為一體形成電機(jī)控制器2,車載電源1包括蓄電池組Ia和電源變換器lb，蓄電 池組Ia通過直流母線連接驅(qū)動(dòng)電路2輸出高壓直流電，電源變換器Ib從驅(qū)動(dòng)電路2的直流母 線獲取高壓直流電壓再降壓為低壓直流電，電源變換器Ib的輸出端連接信號(hào)采集電路2a、 核心控制單元2b和驅(qū)動(dòng)電路2c，根據(jù)信號(hào)采集電路2a、核心控制單元2b和驅(qū)動(dòng)電路2c的額 定電壓要求，電源變換器Ib采用DC-DC電源變換器的降壓裝置將高壓直流電轉(zhuǎn)換為15V和5V 的低壓直流電對(duì)信號(hào)采集電路2a、核心控制單元2b和驅(qū)動(dòng)電路2c進(jìn)行供電。
[0026] 為了進(jìn)一步提高電路集成效率，輪轂電機(jī)3的轉(zhuǎn)速和扭矩也通過電機(jī)控制器2進(jìn)行 控制，驅(qū)動(dòng)電路2c具有三相橋臂，輪轂電機(jī)3具有三相進(jìn)線端，三相橋臂對(duì)應(yīng)連接輪轂電機(jī)3 的三相進(jìn)線端，核心控制單元2b連接三相橋臂輸出三路PffM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制輪轂電機(jī)3的轉(zhuǎn)速 和扭矩，電壓傳感器和電流傳感器也連接輪轂電機(jī)3的三相進(jìn)線端采集電壓信號(hào)和電流信 號(hào)。
[0027] 如圖5所示，一種輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車輪轂側(cè)電磁減震控制方法，包括以下步 驟：
[0028] 電信號(hào)采集:信號(hào)采集電路2a采集輪轂電機(jī)3的實(shí)時(shí)電壓、電流以及補(bǔ)償繞組4的 實(shí)時(shí)電流并將采集到的電信號(hào)發(fā)送至核心控制單元2b，核心控制單元2b根據(jù)電信號(hào)計(jì)算得 到輪轂電機(jī)3的磁場磁鏈信號(hào);S1
[0029] FFT分析:使用FFT快速傅里葉變換法對(duì)電機(jī)磁鏈進(jìn)行分析，按頻率抽取磁場波形 中與汽車車輪轉(zhuǎn)速有關(guān)的頻率成分，并對(duì)其幅值進(jìn)行標(biāo)定;S2
[0030] 雙閉環(huán)控制：包括外閉環(huán)控制和內(nèi)閉環(huán)控制，外閉環(huán)控制為核心控制單元2b以零 幅值作為輸入量以步驟S2中標(biāo)定的幅值作為外閉環(huán)控制信號(hào)計(jì)算出補(bǔ)償繞組4的補(bǔ)償電流 期望值，內(nèi)閉環(huán)控制為核心控制單元2b以補(bǔ)償電流期望值作為輸入量以信號(hào)采集電路2a采 集的補(bǔ)償繞組4的實(shí)時(shí)電流為內(nèi)閉環(huán)控制信號(hào)輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)橋臂，對(duì)補(bǔ)償繞組4 的補(bǔ)償電流進(jìn)行閉環(huán)控制;S3
[0031] 磁場補(bǔ)償與振動(dòng)消除:補(bǔ)償繞組4獲得補(bǔ)償電流后激發(fā)出補(bǔ)償磁場，補(bǔ)償磁場與輪 轂電機(jī)3的畸變磁場疊加實(shí)現(xiàn)畸變磁場的補(bǔ)償。S 4
[0032] 步驟Sl中核心控制單元2b計(jì)算得到輪轂電機(jī)3的磁場磁鏈信號(hào)的計(jì)算公式為:Φ = J(U-Rsi) · dt，其中，Φ為輪轂電機(jī)磁鏈，u為輪轂電機(jī)繞組端電壓，i為輪轂電機(jī)繞組線電 流，Rs為輪轂電機(jī)繞組相電阻。
[0033] 步驟S2中對(duì)磁鏈信號(hào)進(jìn)行FFT快速離散傅里葉變換，獲得磁鏈信號(hào)中各頻率成分 的幅值，獲得的磁鏈信號(hào)中包含電機(jī)基頻電頻率、二倍電頻率、六倍電頻率以及高頻開關(guān)頻 率成分，針對(duì)本實(shí)用新型所涉及的偏心輪轂電機(jī)則還有較顯著的電機(jī)機(jī)械頻率成分，該頻 率與車輪旋轉(zhuǎn)頻率相同，電機(jī)機(jī)械頻率與電機(jī)基頻電頻率的關(guān)系取決于輪轂電機(jī)的磁極對(duì) 數(shù)，由核心控制單元2b進(jìn)行計(jì)算，具體的計(jì)算公式為：
，其中，Ω為輪轂電機(jī)機(jī)械頻 率，ω為輪轂電機(jī)基頻電頻率，p為輪轂電機(jī)極對(duì)數(shù)。由于輪轂電機(jī)包含較多的磁極，因此該 成分的頻率遠(yuǎn)低于所有電信號(hào)，核心控制單元2b可實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器功能，用數(shù)字濾波器提 取該低頻成分并標(biāo)定為震動(dòng)特征信號(hào)。
[0034] 步驟S3中核心控制單元2b的雙閉環(huán)控制為雙PID閉環(huán)控制，該控制過程的外閉環(huán) 控制信號(hào)是震動(dòng)特征信號(hào)，即磁場在特定頻率下的磁密幅值信號(hào)，該信號(hào)與零振幅的理想 震動(dòng)特性進(jìn)行差分運(yùn)算，并通過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，輸出補(bǔ)償繞組4所需的補(bǔ)償電流期望值，對(duì) 補(bǔ)償繞組的補(bǔ)償電流期望值進(jìn)行閉環(huán)控制;該控制過程的內(nèi)閉環(huán)控制信號(hào)是由電流傳感器 檢測出補(bǔ)償繞組4的電流信號(hào)，該電流信號(hào)與指令電流進(jìn)行差分運(yùn)算，通過一個(gè)帶限幅功能 的PI調(diào)節(jié)器，輸出驅(qū)動(dòng)橋臂所需的ΠΜ占空比信號(hào)，對(duì)補(bǔ)償繞組的補(bǔ)償電流進(jìn)行閉環(huán)控制， 從而實(shí)現(xiàn)精確控制補(bǔ)償繞組4的電流，其中的差分運(yùn)算和PI調(diào)節(jié)器均通過核心控制單元2b 的數(shù)字運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，其基于單片機(jī)或DSP進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體不做贅述。
[0035]步驟S4具體的，補(bǔ)償電流在補(bǔ)償繞組4上產(chǎn)生垂直方向的磁場，該磁場與輪轂電機(jī) 3的畸變磁場疊加后能夠改善畸變磁場的正弦度，使輪轂電機(jī)3的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，震動(dòng) 削弱。核心控制單元2b、電壓傳感器和電流傳感器采用市售的高性能產(chǎn)品，0.2秒內(nèi)可完成 一次步驟Sl~步驟S4的循環(huán)控制，減震裝置處于不斷更新的動(dòng)態(tài)調(diào)整過程，其響應(yīng)速度遠(yuǎn) 快于機(jī)械響應(yīng)速度，能夠?qū)崟r(shí)補(bǔ)償車輛載荷變化或路面的震動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)減震功能。
[0036]以上就本實(shí)用新型較佳的實(shí)施例做了說明，但不能理解為是對(duì)權(quán)利要求的限制。 本實(shí)用新型不僅局限于以上實(shí)施例，其具體結(jié)構(gòu)允許有變化，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)本 實(shí)用新型作出各種改變和變形，只要不脫離本實(shí)用新型的精神，均屬于本實(shí)用新型所附權(quán) 利要求所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，其特征在于，包括車載電源、輪轂電機(jī)和驅(qū) 動(dòng)電路，所述車載電源包括蓄電池組，所述蓄電池組通過直流母線連接驅(qū)動(dòng)電路輸出高壓 直流電，所述輪轂電機(jī)具有內(nèi)定子，所述內(nèi)定子上設(shè)有補(bǔ)償繞組，所述驅(qū)動(dòng)電路與補(bǔ)償繞組 電連接，驅(qū)動(dòng)電路輸出電流至補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞組產(chǎn)生與輪轂電機(jī)磁場相疊加的補(bǔ)償磁場。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，其特征在于，所述補(bǔ) 償繞組為兩組相互并聯(lián)且匝數(shù)相同的單相線圈，所述內(nèi)定子包括定子鐵芯，所述定子鐵芯 在垂直方向上設(shè)有兩組定子槽，每組定子槽中嵌套一組單相線圈，兩組單相線圈同向設(shè)置。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，其特征在于，所述輪 轂電機(jī)還包括外轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)軸和端蓋，所述端蓋與外轉(zhuǎn)子固定連接，所述內(nèi)定子與電 機(jī)軸固定連接，所述端蓋上設(shè)有軸承，所述電機(jī)軸與軸承配合連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的輪轂電機(jī)電磁減震裝置，其特征在于，所述輪 轂電機(jī)為永磁無刷直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)。
【文檔編號(hào)】H02P6/10GK205490263SQ201521110397
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2015年12月28日
【發(fā)明人】王子輝, 雷良育, 孔愛祥, 范青春
【申請(qǐng)人】浙江兆豐機(jī)電股份有限公司