關(guān)玉明　王錫瑞　燕　唐　劉　琴　劉晨晨

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

?

城市重載電動(dòng)汽車(chē)適配功率電機(jī)可行性研究

關(guān)玉明王錫瑞燕唐劉琴劉晨晨

河北工業(yè)大學(xué)，天津，300130

為滿足城市重載電動(dòng)汽車(chē)獨(dú)特的行駛特點(diǎn)以及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，提出了一種新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)——適配功率電機(jī)(PAM)。PAM電機(jī)不僅繼承了永磁直流電機(jī)高啟動(dòng)扭矩、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、易控制的特點(diǎn)，同時(shí)也可以滿足城市重載電動(dòng)汽車(chē)行駛速度低、啟動(dòng)剎車(chē)頻繁、載重量大的行駛特點(diǎn)。以一臺(tái)6/8kW的PAM樣機(jī)為例，分析其外特性曲線與城市重載電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的匹配情況，從整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間全面分析PAM電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)。最終通過(guò)分析研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，PAM電機(jī)作為城市重載電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有一定優(yōu)勢(shì)。

重載電動(dòng)汽車(chē); 驅(qū)動(dòng)電機(jī); 外特性曲線; 適配

0　引言

目前，包括城市電動(dòng)公交車(chē)、城市物流車(chē)、環(huán)衛(wèi)卡車(chē)等多種車(chē)輛在內(nèi)的城市重載電動(dòng)汽車(chē)均屬于低速電動(dòng)汽車(chē)。這類車(chē)輛長(zhǎng)時(shí)間行駛在市內(nèi)道路，車(chē)速普遍不超過(guò)40 km/h，極速一般不超過(guò)80 km/h且維持時(shí)間較短；并且，因目前大部分市內(nèi)道路擁堵、交通信號(hào)燈設(shè)置合理性較差等原因，這類車(chē)輛需要頻繁啟動(dòng)與停止；此外，這類車(chē)輛與普通乘用車(chē)最大的不同就是其載重量較大(車(chē)體重量可大可小)，其載重量往往是自身重量的0.8倍到1.6倍。因此，行駛速度低、啟動(dòng)剎車(chē)頻繁以及載重量大是這類車(chē)輛的常見(jiàn)特點(diǎn)。綜上所述，此類城市重載電動(dòng)汽車(chē)的行駛特點(diǎn)對(duì)其驅(qū)動(dòng)電機(jī)提出了不同于普通乘用車(chē)的動(dòng)力性能要求。然而，現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)來(lái)源于工業(yè)電機(jī)，工業(yè)電機(jī)單一額定參數(shù)的特點(diǎn)可以使其在額定轉(zhuǎn)速附近有較高的效率，但是當(dāng)工業(yè)電機(jī)運(yùn)行在高于或低于額定轉(zhuǎn)速的速度區(qū)間內(nèi)時(shí)，其效率很難得到保證，尤其是頻繁啟停，更是對(duì)現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的極大考驗(yàn)，且電能的浪費(fèi)主要是在頻繁啟停中。

目前，城市重載電動(dòng)汽車(chē)的專用驅(qū)動(dòng)電機(jī)較少，通常以永磁同步電機(jī)和異步交流電機(jī)代用。永磁同步電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如能量密度高、調(diào)速性能優(yōu)良等[1]。隨著變頻技術(shù)的不斷完善，調(diào)速性能差的異步交流電機(jī)因其容量大、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)也開(kāi)始在城市重載電動(dòng)汽車(chē)上使用。在考慮成本和技術(shù)難度的前提下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的容量是有限的。為了達(dá)到高啟動(dòng)扭矩、頻繁啟停以及高載重量的目標(biāo)，應(yīng)增大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的低速扭矩并且電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不能過(guò)高，同時(shí)還必須保證相應(yīng)電動(dòng)汽車(chē)擁有高效率高速行駛的能力，顯然，這兩者是相矛盾的。以目前的實(shí)際應(yīng)用而言，現(xiàn)有電機(jī)面對(duì)城市重載電動(dòng)汽車(chē)獨(dú)特的動(dòng)力需求都有不足。目前，為了滿足上述要求，城市電動(dòng)公交車(chē)多數(shù)采用“電機(jī)+減速器+變速箱”的組合[2-5]。選用減速器與變速箱勢(shì)必會(huì)增加整車(chē)成本，同時(shí)也在一定程度上削弱了“電機(jī)直驅(qū)”帶來(lái)的強(qiáng)動(dòng)力表現(xiàn)和高效率表現(xiàn)。

針對(duì)城市重載電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提出的要求，本文提出一種新型永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)——適配功率電機(jī)(power adaptive motor，PAM),詳見(jiàn)專利《一種用于電動(dòng)汽車(chē)的適配功率電機(jī)》(專利號(hào)：(ZL 2015 2 0010459.X))，所謂PAM電機(jī)是指用于電動(dòng)汽車(chē)的可根據(jù)速度負(fù)載變換額定功率和機(jī)械特性的永磁電機(jī)。適配功率電機(jī)兼有永磁電機(jī)高功率密度、啟動(dòng)扭矩大的特點(diǎn)，在直驅(qū)的情況下，可以在控制器的作用下同時(shí)表現(xiàn)出低速外特性“硬”和高速外特性“軟”的特點(diǎn)，在較小的合理容量下，PAM可以在保證城市重載電動(dòng)汽車(chē)高效率的運(yùn)行在0～40 km/h的速度區(qū)間同時(shí)保證其可以達(dá)到設(shè)計(jì)最高速度。與現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電機(jī)相比，PAM更適用于城市重載電動(dòng)汽車(chē)的行駛特點(diǎn)。

1　電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為利用SolidWorks軟件建立的6/8 kW的PAM樣機(jī)的三維模型。盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器具有至少兩組轉(zhuǎn)接接口；盤(pán)式換線接觸器具有至少兩組接觸片；線圈繞組具有至少兩組線圈。各組線圈繞組的引出線分別引出并接入盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器的轉(zhuǎn)接接口中，盤(pán)式轉(zhuǎn)接換線器各組引線分別接到盤(pán)式換線接觸器的接觸片上并通過(guò)電極觸頭與電源接通。

1.主軸　2.機(jī)殼　3.永磁極　4.線圈繞組5.盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器　6.盤(pán)式換線接觸器　7.電極觸頭圖1　PAM樣機(jī)SolidWorks模型

如圖2所示，盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器將整個(gè)電機(jī)內(nèi)部分為兩個(gè)獨(dú)立的密閉腔室，其中線圈繞組所在的腔室是免維護(hù)的；而盤(pán)式換向接觸器所在腔室是可以通過(guò)打開(kāi)窺視蓋對(duì)里面的易損件進(jìn)行維護(hù)與更換的，此過(guò)程中不需要將電機(jī)整體拆散，因此可以極大縮短維護(hù)時(shí)間。

圖2　PAM樣機(jī)盤(pán)式轉(zhuǎn)接換向器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　PAM樣機(jī)繞組結(jié)構(gòu)示意圖

與其他電機(jī)的繞組不同，適配功率電機(jī)的每支繞組均有三個(gè)接線端，包括一個(gè)共用的接線端a和兩個(gè)獨(dú)立的接線端b和c，一組繞組的典型結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

共用的接線端a分別連接到盤(pán)式換向轉(zhuǎn)接器對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)接插孔里，接線端b連接到盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器內(nèi)圈的轉(zhuǎn)接插孔里，同時(shí)接線端c連接到盤(pán)式換線轉(zhuǎn)接器外圈的轉(zhuǎn)接插孔里。

1.2工作原理

由于本電機(jī)的原型結(jié)構(gòu)為永磁直流電機(jī)，因此其工作原理與普通工作原理類似：轉(zhuǎn)子的電樞通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，與定子上的永磁鐵磁極相互作用并推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[6]。其不同點(diǎn)在于適配功率電機(jī)的結(jié)構(gòu)允許其兩組換向裝置可以單獨(dú)工作，由于各組換向裝置所連接的電樞線圈匝數(shù)不同，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電機(jī)表現(xiàn)出的外特性不同。由永磁直流電機(jī)的電磁模型得到下列數(shù)學(xué)關(guān)系式。

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式：

(1)

電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式：

(2)

電壓平衡方程：

U=Ea+IaRa

(3)

式中，N為電樞線圈匝數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；φ為磁通；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；a為并聯(lián)支路數(shù)；Ia為電機(jī)電流；Ra為電機(jī)電阻。

綜合式(1)～式(3)，整理得到永磁直流電機(jī)外特性表達(dá)式：

(4)

通過(guò)分析式(4)得，直流電機(jī)的的理想空載轉(zhuǎn)速為

(5)其中，參數(shù)a、p、φ、N均為常數(shù)，理想空載轉(zhuǎn)速和電機(jī)電壓成正比，即在額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)壓調(diào)速。

令n為零，得到電壓U下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:

(6)

其中,參數(shù)p、Ra、N、φ均為常數(shù)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電壓成正比。對(duì)于永磁直流電機(jī)，參數(shù)a、p、φ均無(wú)法改變，但是根據(jù)上一節(jié)對(duì)適配功率電機(jī)結(jié)構(gòu)的分析可知，適配功率電機(jī)的電樞線圈匝數(shù)N是可以改變的。分析式(5)與式(6)，在其他條件不變的前提下減少電樞線圈匝數(shù)N可以提高電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速；雖然此時(shí)依然減小了轉(zhuǎn)矩輸出，但只要此時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍小于電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，那么在輸出功率和輸入電壓不變的情況下電機(jī)可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。也就是說(shuō)：當(dāng)適配功率電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后，可以通過(guò)控制系統(tǒng)改變通電的繞組線圈匝數(shù)，從而使電機(jī)可以以較低的電壓達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速。這里將改變通電繞組線圈匝數(shù)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速點(diǎn)稱為超速點(diǎn)。轉(zhuǎn)速在超速點(diǎn)以下，電機(jī)的輸出表現(xiàn)為輸出扭矩大，動(dòng)力強(qiáng)勁；轉(zhuǎn)速在超速點(diǎn)以上，電機(jī)的動(dòng)力性能相對(duì)降低，在滿足車(chē)輛最高行駛速度的條件下，仍具備一定的動(dòng)力性能。這種特性恰好可以滿足城市重載電動(dòng)汽車(chē)的行駛特點(diǎn)：多數(shù)情況下行駛在擁堵路況，載重量大；最高速度需滿足城市快速路或外環(huán)線等道路的最低速度要求。

2　動(dòng)力性能分析

為了在理論上進(jìn)一步證明PAM電機(jī)作為城市重載電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用價(jià)值，本節(jié)利用MATLAB對(duì)PAM電機(jī)的機(jī)械特性進(jìn)行計(jì)算并得出相應(yīng)的特性曲線，分析該曲線對(duì)城市重載電動(dòng)汽車(chē)在城市路況下行駛特點(diǎn)的適應(yīng)性，從而證明PAM電機(jī)在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用價(jià)值。

作為汽車(chē)的原動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)電機(jī)車(chē)輛的動(dòng)力性能強(qiáng)弱是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的扭矩轉(zhuǎn)速關(guān)系決定的，這種驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系就是指電機(jī)的外特性[7]。永磁直流電機(jī)的外特性曲線可以用式(4)來(lái)表達(dá)，而對(duì)于PAM電機(jī)而言，現(xiàn)有的控制策略是以轉(zhuǎn)速為節(jié)點(diǎn)來(lái)控制電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變換的。因此，PAM電機(jī)的外特性曲線應(yīng)該是以轉(zhuǎn)速為變量的分段函數(shù)，表達(dá)式如下：

(7)

式中，n0為超速點(diǎn)轉(zhuǎn)速。

為驗(yàn)證PAM電機(jī)的性能特點(diǎn)，本節(jié)依照某城市小型電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)的相應(yīng)參數(shù)設(shè)計(jì)一臺(tái)6/8 kW的實(shí)驗(yàn)用PAM樣機(jī)。此實(shí)驗(yàn)用PAM樣機(jī)可通過(guò)后驅(qū)的形式對(duì)該小型電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)提供動(dòng)力。對(duì)該實(shí)驗(yàn)用PAM樣機(jī)的特性進(jìn)行理論分析并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際的機(jī)械特性曲線，來(lái)驗(yàn)證在城市重載電動(dòng)汽車(chē)上PAM電機(jī)比傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)擁有更好的性能特點(diǎn)。該城市小型電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)參數(shù)如表1所示。

表1　某小型電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)部分參數(shù)表

由表1可知，該環(huán)衛(wèi)車(chē)最大載重約為車(chē)輛自重的1.64倍，屬于重載電動(dòng)汽車(chē)。

以超速點(diǎn)轉(zhuǎn)速n0=1500 r/min、功率P=6/8 kW、減匝前N=32且減匝后N=16的PAM樣機(jī)為例，結(jié)合式(1)與式(2)，部分參數(shù)如表2所示。

表2　PAM樣機(jī)部分參數(shù)表

根據(jù)上述樣機(jī)參數(shù)，運(yùn)用MATLAB對(duì)PAM電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算并繪制其轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩圖，其結(jié)果如圖4所示。

圖4　PAM樣機(jī)與某普通直流電機(jī)機(jī)械特性對(duì)比圖

圖4中包含PAM樣機(jī)與某城市小型電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車(chē)普通直流電機(jī)兩種電機(jī)的機(jī)械特性曲線，兩條曲線分別與兩條坐標(biāo)軸所圍成的區(qū)域是對(duì)應(yīng)兩種電機(jī)的工作區(qū)間。分析PAM樣機(jī)與某普通直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線可以得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于超速點(diǎn)(圖4中兩條虛線的交點(diǎn)，亦為n=1500 r/min處)轉(zhuǎn)速時(shí)，PAM電機(jī)的外特性曲線呈現(xiàn)“硬”特性；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于超速點(diǎn)轉(zhuǎn)速時(shí)，PAM電機(jī)的外特性曲線呈現(xiàn)“軟”特性。

(2)通過(guò)對(duì)比兩種電機(jī)的外特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，兩種電機(jī)均能輸出較大轉(zhuǎn)矩，均能滿足低速、重載的性能要求；但當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)需要較高運(yùn)行速度時(shí)，普通直流電機(jī)在滿足具有一定轉(zhuǎn)矩的條件下無(wú)法達(dá)到較高轉(zhuǎn)速，而如需達(dá)到較高轉(zhuǎn)速則必定增加電機(jī)功率，從而增加相應(yīng)的而成本。故當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)需要較高運(yùn)行速度時(shí),PAM電機(jī)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

在電機(jī)容量有限的前提下，PAM在低速時(shí)外特性曲線相對(duì)平滑，這有利于外特性曲線向扭矩增大的方向延伸，增大了恒扭矩區(qū)的極限輸出扭矩，這一特性有利于城市重載電動(dòng)汽車(chē)以較低的功率完成低速下的啟停與加速；同時(shí)，PAM電機(jī)在高速時(shí)外特性曲線相對(duì)陡峭，這有利于外特性曲線向轉(zhuǎn)速增大的方向延伸，增大了恒功率區(qū)的極限轉(zhuǎn)速，可提高城市重載電動(dòng)汽車(chē)的最高速度。兩種特性相結(jié)合可擴(kuò)大相應(yīng)車(chē)輛的應(yīng)用場(chǎng)合，故PAM電機(jī)作為城市重載電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)具有較大的推廣價(jià)值。

3　樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的正確性并校驗(yàn)PAM電機(jī)外特性的正確性，需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證PAM電機(jī)的性能并通過(guò)分析PAM電機(jī)的機(jī)械特性驗(yàn)證其在重載電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域的可行性。實(shí)驗(yàn)用PAM電機(jī)如圖5所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)用PAM電機(jī)

電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能測(cè)試方法眾多，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[8-11],從整車(chē)驅(qū)動(dòng)特性、匹配標(biāo)定、阻力施加等各種因素上考慮，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由10kW直流電源、控制器、PAM樣機(jī)、測(cè)功機(jī)和配套計(jì)算機(jī)組成，該模型可以較好地模擬真實(shí)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀況。其組成示意圖見(jiàn)圖6。

圖6　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成示意圖

PAM樣機(jī)控制器采用32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812。控制器主程序如圖7所示，主程序主要包括系統(tǒng)初始化、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)量、油門(mén)踏板位置檢測(cè)、油門(mén)踏板踩踏速度測(cè)量等功能。

圖7　控制器主程序圖

3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)電壓設(shè)置控制器，并通過(guò)油門(mén)踏板控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終通過(guò)電源、油門(mén)、控制器、PAM電機(jī)、測(cè)功機(jī)與計(jì)算機(jī)等相關(guān)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，通過(guò)測(cè)試相關(guān)轉(zhuǎn)速下的扭矩來(lái)繪制樣機(jī)的實(shí)際機(jī)械特性曲線。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需對(duì)電機(jī)施加阻力。汽車(chē)的行駛阻力可用常微分方程來(lái)確定：

(8)

式中，δ為汽車(chē)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；m為汽車(chē)質(zhì)量；v為汽車(chē)速度；k0、k1、k2分別是行駛阻力模型中的常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)和二次項(xiàng)系數(shù)，它們與汽車(chē)迎風(fēng)面積、風(fēng)速、車(chē)輪滾動(dòng)摩擦因數(shù)等一系列因素有關(guān)。

上述公式對(duì)于阻力的計(jì)算較為復(fù)雜，通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，小型汽車(chē)在不同車(chē)速下的阻力可粗略概括，如表3所示[12]。

表3　不同車(chē)速下的阻力值

汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到的阻力由驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與之相平衡。對(duì)測(cè)功機(jī)增加一個(gè)相應(yīng)的電流值，測(cè)功機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抑制測(cè)功機(jī)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，即相當(dāng)于施加了一個(gè)負(fù)荷。將相關(guān)轉(zhuǎn)速下的阻力換算成轉(zhuǎn)矩后，施加阻力后的PAM樣機(jī)實(shí)際機(jī)械特性曲線如圖8所示。為了便于理解PAM電機(jī)轉(zhuǎn)矩與功率之間的關(guān)系，在圖8中增加電機(jī)功率坐標(biāo)軸(Y軸)，即在PAM電機(jī)機(jī)械特性曲線的基礎(chǔ)上增加功率與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

圖8　PAM樣機(jī)實(shí)測(cè)外特性曲線

圖8是在PAM樣機(jī)機(jī)械特性曲線的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)矩與功率的關(guān)系曲線。通過(guò)對(duì)比數(shù)學(xué)模型的外特性曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

(1)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的PAM電機(jī)外特性曲線與數(shù)學(xué)模型的外特性曲線變化趨勢(shì)基本吻合，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以滿足重載電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力需求；然而在同一轉(zhuǎn)速下實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PAM樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩小于數(shù)學(xué)模型中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，可能是因?yàn)殡娮璧臏囟刃?yīng)或?qū)嶒?yàn)條件較差等原因造成的，這里不再詳述。

(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間上的功率，功率曲線由兩條類似于二次曲線的線型連接而成。當(dāng)PAM樣機(jī)啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓為140V，線圈匝數(shù)32，此時(shí)PAM樣機(jī)表現(xiàn)為低轉(zhuǎn)速高轉(zhuǎn)矩，相應(yīng)的功率曲線為一條二次曲線；當(dāng)PAM樣機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到超速點(diǎn)(圖8中對(duì)應(yīng)a點(diǎn)或b點(diǎn))時(shí)，通過(guò)控制器對(duì)電樞繞組進(jìn)行減匝，線圈匝數(shù)減少為16，同時(shí)為避免繞組中電流過(guò)大，減匝瞬間輸入電壓降為100V。由于此時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)行駛速度已較高，只要電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩不低于負(fù)載轉(zhuǎn)矩就可滿足電動(dòng)汽車(chē)的行駛要求，故降低電壓是可行的。此時(shí)PAM樣機(jī)的功率曲線為另一條二次曲線；兩條二次曲線的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)機(jī)械特性曲線上的a點(diǎn)，此處為超速點(diǎn)，轉(zhuǎn)速1500 r/min,相同轉(zhuǎn)速下的功率見(jiàn)c點(diǎn)或d點(diǎn)。PAM電機(jī)的輸出功率在兩段二次曲線上分別達(dá)到最大值；PAM電機(jī)超速點(diǎn)處的扭矩可以滿足車(chē)輛正常行駛要求，同時(shí)PAM電機(jī)在此處的輸出功率較低，從而保證車(chē)輛的高效運(yùn)行。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析，PAM電機(jī)作為城市重載電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，相比現(xiàn)有工業(yè)電機(jī)，PAM電機(jī)更加適應(yīng)重載電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)扭矩大、極速不高的特點(diǎn)，同時(shí)兼?zhèn)涞退佟坝病碧匦院透咚佟败洝碧匦缘膬?yōu)點(diǎn)，能以較低的容量在低速時(shí)輸出較高扭矩，同時(shí)又能以較低的電壓達(dá)到高轉(zhuǎn)速。綜上所述，PAM電機(jī)作為重載電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有較大的優(yōu)勢(shì)，可作為重載電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)與研究方向。

[1]彭海濤,何志偉,余海闊. 電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)的發(fā)展分析[J]. 微電機(jī),2010,43(6):78-81.

Peng Haitao, He Zhiwei, Yu Haikuo. Development Analysis on Permanent Magnet Synchronous Motor in Electric Vehicle[J].Micromotors,2010,43(6):78-81.

[2]張志森,凌玲,吳百海,等. 電動(dòng)公交汽車(chē)機(jī)械自動(dòng)變速(AMT)過(guò)程控制[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(4):74-78.

Zhang Zhisen, Ling Ling, Wu Baihai, et al. Shift Process Control of Automated Manual Transmission (AMT) in Electric Buses[J].Journal of Guangdong University of Technology,2013,30(4):74-78.

[3]席軍強(qiáng),王雷,付文清,等. 純電動(dòng)客車(chē)自動(dòng)機(jī)械變速器換擋過(guò)程控制[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(1):42-45.

Xi Junqiang, Wang Lei,Fu Wenqing, et al. Shifting Control Technology on Automatic Mechanical Transmission of Pure Electric Buses[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2010,30(1):42-45.

[4]Xi Junqiang，Xiong Guangming, Zhang Yan. Aplication of Automatic Manual Transmission Technology in Pure Electric Bus[C]//Proceedings of 2008 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference(VPPC).Harbin:IEEE,2008:1-4.

[5]Xi Junqiang, Wang Lei,Fu Wenqing, et al. Shifting Control Technology on Automatic Mechanical Transmission of Pure Electric Buses[J].Transactions of Beijing Institut of Technology,2010,30(1):42-45.

[6]肖江成. 超高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2011.

[7]許瑞.純電動(dòng)郵政車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[8]李茂森. 交流測(cè)功機(jī)在電機(jī)性能測(cè)試中的應(yīng)用[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用,2005,32(8):62-64.

Li Maosen.AC Dynamometer Applied in ElectricM achine Performance Test[J].Electric Machines & Control Application,2005,32(8):62-64.

[9]Sung C O. Evaluation of Motor Characteristics for Hybrid Electric Vehicles Using the Hardware-in-the-loop Concept[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2005,54(3)：817-824.

[10]Schupbach R M，Balda J C.A Versatile Laboratory Test Bench for Developing Powertrains of Electric Vehicles[C]//IEEE 56th Vehicular Technology Conference. Vancouver, BC, 2002:1666-1670.

[11]盧子廣,柴建云,王祥珩,等. 電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(4):123-127.

Lu Ziguang, Chai Jianyun, Wang Xiangheng, et al.Virtual Test Platform for Real-time Conrtol of Electrical Drives[J].Rroceedings of the CSEE,2003,23(4):123-127.

[12]李曉甫,趙克剛,黃向東,等.汽車(chē)行駛阻力模型參數(shù)的確定[J].汽車(chē)工程.2011,33(8):645-648.

Li Xiaofu, Zhao Kegang, Huang Xiangdong, et al.Determination of Parameters in Vehicle Driving Resistance Model[J].Automotive Engineering.2011,33(8):645-648.

(編輯袁興玲)

Research on Power Adaptive Motor Used for City Overloading Electric Vehicles

Guan YumingWang XiruiYan TangLiu QinLiu Chenchen

Hebei University of Technology, Tianjin, 300130

To meet the requirements of the drive motor, which possessed the city overload electric vehicle of unique characteristics of driving, a new structure of power adaptive motor(PAM) was proposed. PAM inherited the characteristics of the permanent magnet DC motor, which possessed high starting torque, simple and reliable structure, easy control, and so on, and might satisfy the characteristics of the city overload electric vehicles, such as low speed, starting and breaking frequently, and large loading capacity. This paper took a 6/8kW prototype as an example and analysed the matching of the external characteristic curve and the city overload electric vehicles. Then the operating characteristics of the PAM were analysed from the entire rotate speed range. Finally, through the analyses and experimental validation, PAM as the city overload electric vehicle motor has certain advantages.

overload electric vehicle；drive motor；external characteristic curve；adaptive

2015-12-02

U464.9

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.19.022

關(guān)玉明，男，1957年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化成套設(shè)備及關(guān)鍵部件。發(fā)明專利5項(xiàng)，實(shí)用新型專利6項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇。王錫瑞，男，1992年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。燕唐，男，1990年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。劉琴，女，1992年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。劉晨晨，男，1989年生。河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。