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一种四轮独立驱动车辆轮架驱动电机系统研制

发表时间：2020/9/27 来源：《基层建设》2020年第17期作者：杜万亮李勇解德杰吴昊洋韩建立

[导读] 摘要：本文研制电机系统配套四轮独立驱动的轮架姿态可调车辆，为满足全地形高通过性的要求，其每个行走轮系以一个轮边电机同步驱动同一轮架上的多个轮，本文研制的电机系统应用于驱动轮架以调姿。

        江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司江苏徐州 221000
        摘要：本文研制电机系统配套四轮独立驱动的轮架姿态可调车辆，为满足全地形高通过性的要求，其每个行走轮系以一个轮边电机同步驱动同一轮架上的多个轮，本文研制的电机系统应用于驱动轮架以调姿。可以实现姿态可调、与轮边电机动力输出的综合以满足全地面和高通过性的运行要求。
        随着电驱动技术研究逐渐深入，整车驱动系统的布置结构也逐渐由单一动力源的集中式驱动向多动力源的分布式驱动发展[1]。与集中式驱动相比，分布式驱动省去了变速器、传动轴、机械差速器、半轴等部件，把电机移动到车轮侧，使其传动结构变得更为简单。本文根据整车的特点进行轮架驱动电机设计，可以分别实现多模式行驶及其它功能要求。结合整车工况提供轮架驱动电机方案，实现姿态可调、动力输出的综合以满足全地面和高通过性的运行要求。基本行走、原地转向、越障、越壕、爬坡等工况需要进行车身姿态调节和控制，本文系统全面介绍了整车对设计的电机系统的基本需求、轮架驱动电机特性设计流程、电机的方案设计，样机和装车试验初步验证情况。
        关键词：异步电机；设计流程；有限元；参数提取；特性设计
        1、基本功能要求
        1.1基本功能
        针对整车行走机构的特点进行轮架驱动电机的配置。行走机构的特点，本文涉及的整车配四个独立驱动的轮架行走机构，每个行走机构的行走链条同步传动的两个（可以是多个，以实现轮架每周翻转下多个不同的调姿节点）轮胎布置在可独立翻转的轮架上，示意图如图1。

        图1可翻转轮架整车示意图
        行走驱动由行走电机通过行走传动系独立传动，轮架驱动机构由轮架驱动电机经传动链独立传动，行走机构与轮架翻转机构间没有机械锁止和限位，两个传动机构存在机械的耦合。
        1.2基本要求
        每个轮架上的车轮可以多个或一个同时着地，当一个车轮着地时，轮架可以在圆周任意定位，轮架驱动电机的姿态的调节和保持的能力满足整车在全地面各工况的行驶中的综合要求。
        2、设计流程
        为了满足整车的高通过要求的姿态调节、翻转动力、传动系的耦合特点等，需要系统全面地设计电机系统的基本功能和性能，在全工况分析的基础上进行电机特性的初步设计，通过设计流程的分析，确定电机的基本特性。参考牵引电机的设计进行特性和电磁方案的设计[2]。轮架驱动电机方案设计流程见图2。

        图2 轮架驱动电机方案设计流程
        参考[3]进行电机整体方案设计，设计的主要思路：首先，按照基本翻转驱动力及功率需求进行电机方案设计；其次，进行过载能力的校核；再次，特殊工况锁止的可靠性及轻量化要求下的锁止能力设计（电磁与机械锁止的配合）；最后，进行电机发热的评估。基本翻转驱动力及功率的设计，考虑在轮载荷不均情况下的持续翻转圈数和时间及翻转速度的要求设计；动态下的翻转主要考虑因全工况要求下较大的负荷不均的影响，取其中最大的牵引力要求并留有适当的裕量；结合轻量化及特殊工况锁止的可靠性要求综合确定机械锁止力的设计，设计电磁及机械锁止的配合；针对基本行驶中利用电磁转矩抑制振动、各工况下利用电机堵转转矩的大小及频繁程度、最大的堵转发热工况综合评估电机的发热情况。按照图2所示流程进行全面的方案分析确认。
        3、方案设计
        3.1电磁方案
        本项目采用场路结合的方法进行电机电磁方案设计，基于Ansoft软件的有限元分析方法[4、5]进行电磁场设计的分析，利用有限元分析软件进行主要参数提取和校核各工况下电机磁负荷，利用等效电路方法进行特性的计算和设计[6]。
        根据尺寸空间的要求，确定外径和轴向长度；根据变频驱动异步电机的特点，优选极槽配合、转子外径和气隙大小；结合峰值转矩大、轻量化的要求，采用铸铝转子和转子斜槽，优化槽型尺寸增强过载能力，实现了电磁与结构的优化匹配。
        3.1.1结构参数设计
        电磁方案相关参数见表1。
        表1 电磁方案相关参数

        3.1.2电磁特性设计
        在利用ansoft进行电机转矩输出分析的基础上，进行路计算分析参数的提取，利用路程序进行电机的特性分析[6]。
        为了实现电机的大转矩过载，结合有限元软件进行高速过载能力的校核[7]，确定特性方案。采用直接磁场定向的矢量控制方法[8]，可以实现优异的性能同时便于实现转子负载的观测用于行走系统耦合引起的轮架干扰控制。
        3.2机械锁止设计
        机械锁止机构的制动盘与电机同轴安装，制动性能及锁止能力与电机的特性进行匹配设计，进行电磁锁止和制动盘锁止的综合控制满足全工况的使用要求。
        3.3结构设计
        整机结构见图3。采用电机、电机控制器及电磁式盘型制动器的一体化机构。
        电机采用带散热筋板的铝合金机座，电机出线及旋变线从电机内部直接引接到控制器内部。采用双平键传动；非传动端伸出轴与选配标准的制动器进行配合设计；因为定位的要求，采用旋转变压器进行测速；电机机座留有控制器安装接口，实现控制器的通用化设计；非传动端盖同时满足制动器的安装要求，传动端盖与标准的减速器接口进行配合设计。
        端盖及盖板安装的配合面上涂有密封胶、端盖带有呼吸阀、免维护自润滑轴承安装接口外侧有接触式密封，防护等级满足IP67要求。

        图3 整机结构图
        4样机及试验
        4.1样机
        样机见图4。

        图4 样机示意图
        4.2试验
        进行了样机的试验台测试和型式试验，选取的特征点的试验结果与设计值对比情况见表2。
        表2试验结果与设计值对比

        5结论
        本文对所研制的电机系统进行了介绍，研制电机经过了型式试验和装车试验初步考核，验证了电磁方案设计的准确性，通过试验验证整机性能满足车辆的基本要求。
        本项目配套的整车全地面通过性要求高，介绍的电机系统的研制需要同车身姿态调节、轮架翻转系统、结构设计等相匹配，还需要深入的试验对电机的性能和系统的匹配性进行评估，同时需要对整车的工况和运行特点进行研究以更好地优化电机系统性能。
        参考文献：
        [1]马德粮.新能源汽车技术.北京：清华大学出版社，2017.
        [2]西南交通大学电机系.牵引电机[M].北京：中国铁道出版社，1980.
        [3]陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.
        [4]侯小全，周光厚，廖毅刚，等．电磁场有限元技术在大型、新型发电机优化设计中的应用[J].东方电机，2010，（1）：40-49.
        [5]赵博，张洪亮.Ansoft 12在工程电磁场中的应用[M].中国水利水电出版社，2013
        [6]周黎民．城市轨道车辆三相异步牵引电动机设计要点．电力机车技术，1999，（4）：15-17．
        [7]王立名．基于有限元法对异步电机电磁力的计算．防爆电机，2019，（1）：24-26．
        [8]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术.北京：机械工业出版社，2014.