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原文传递轮毂电机电磁离合装置与系统的研究

论文题名：	轮毂电机电磁离合装置与系统的研究
关键词：	轮毂电机;电磁离合器;脉冲电源;怠速起步;电动汽车
摘要：	轮毂电机结构简单、控制灵活，是电动汽车的优选驱动方式。但传统的轮毂直驱式电动汽车中，由于电机和轮毂采用紧固连接模式，急起急停时机械冲击和电磁冲击大，造成可靠性降低，舒适感变差，动力品质不合预期。本文提出了一种新型永磁双稳态电磁离合装置及系统，该装置结构紧凑，控制灵活，能实现电机转子与轮毂之间的可控柔性连接，可望缓解汽车起步和制动时的机械冲击和电磁冲击，实质提升汽车可靠性和舒适感。　　本文从离合器单元设计、离合系统构建、怠速起步方案确立等方面展开了理论与实验研究，论证了“电机空载起动+最优怠速切换+机电分离制动”驱动新方案的可行性及技术先进性，建立了这种新系统的一体化设计理论与工程规范，为轮毂电机的推广应用提供了更具竞争力的技术方案。本文主要研究内容和成果概述如下：　　在离合器单元磁场分析方面，本文依次使用三维模型、二维模型对新型永磁双稳态电磁离合器磁场进行了分析计算，发现了离合器磁场变化规律，对比了三维模型和二维模型计算结果，提出了简化二维模型，在此基础上建立了漏磁域边界条件，推导了漏磁域标量磁位的解析表达式，并结合磁路模型提出了漏磁系数的解析解，揭示了离合器主要尺寸对漏磁系数的影响规律，且减少了计算量。结果对比表明，解析解与仿真结果的误差小于5%，为离合器单元的优化设计奠定了基础。　　在磁场分析的基础上，进行了离合器单元的结构优化设计，以结构扁平小巧、耗材少、能效高为指导思想，以漏磁系数和稳态保持力为目标函数，采用正交设计法，探究了离合器各主要尺寸单独变化对目标函数的影响规律，提出了离合器结构尺寸设计的基本准则。基于设计准则，制作了单元样机，搭建了实验平台，测试了离合器静力学特性，结果表明，解析计算结果与实验结果的误差不超过5%，计算精度高，离合器稳态自持性好，符合设计目标。优化设计实现了离合器单元结构最优化，为离合系统的一体化嵌入式设计奠定了基础。　　在结构优化设计的基础上，进行了离合器单元的供电电源设计。探究了控制线圈布置和衔铁与永磁体静止间隙对阈值磁化电流的影响规律，完成了离合器单元的微拓扑设计；确定了动作磁化电流及控制线圈线径和匝数选取方案，给出了离合器可靠完成作动所需的最小电流脉冲宽度，进而提出了微小型脉冲电源供电方案，并完善了其匹配设计方法。基于上述分析，研制了单元样机的滑道和控制线圈，搭建了实验平台，测试了离合器单元的动力学特性，实验结果验证了匹配设计的合理性，同时，微小型脉冲电源供电时，离合器作动可靠，作动时间为16ms，满足轮毂电机离合系统应用场合需求，且电流能在电容放电30ms后自关断，是离合器供电的优选方案，为离合系统的供电奠定了基础。　　基于离合器单元结构与电源设计，以空间需求最小化为基本目标，实施了一体化嵌入式设计思想，提出了离合装置与系统的集成结构方案和简约接合方法，确定了轴突式离合系统中销孔弧长与轴突进入销孔长度的约束关系，揭示了摩擦式离合系统中离合器轴突偏移对接合可靠性的影响规律，基于可靠性考虑，提出了转子谐波发电自供电+无线遥控解决方案。最后搭建了一体化样机平台，论证了多单元组合+嵌入式结构方案的技术可行性，并开展了离合系统可靠性实验，结果表明，离合系统作动可靠，操作简便，接合平稳，调控自如，历时近4年，随机近万次操作，累计数百小时运行，没有出现机械故障，没有发生失电、失控事故，保持了运行可靠性和抗干扰能力的良好记录，各项功能均符合预期。　　电磁离合控制驱动模式使电动汽车怠速起步成为可能，本文提出了固定怠速起步和变怠速起步模式，揭示了变怠速起步的运行控制规律，论证了怠速起步的优越性和变怠速起步较固定怠速起步的技术优势。特定的针对大负载工况，提出了基于怠速上限的负载自适应拓展控制方案，在保障舒适感的前提下，充分挖掘了系统的最大负载能力。搭建了专用实验平台，实验结果表明，可变怠速起步时，负载加加速度峰值仅为直接起步时的1/3，大大提高了起步舒适感，实施负载自适应控制后，负载能力提升了近一倍，实现了驱动性能与舒适感并重的技术目标。
作者：	杨帆
专业：	电气工程
导师：	辜承林
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021