新型电动轮的结构设计与性能分析

摘要

目前，集中电机驱动是目前电动汽车主要的驱动形式，然而集中电机驱动汽车一般需要机械传动系统，不仅使得底盘结构复杂、车内空间狭小，而且在传动过程中还会造成能量损失；同时集中电机驱动会产生较大的噪声，影响汽车的驾驶舒适性。针对上述集中电机驱动所带来的问题，国内外学者利用轮毂电机驱动来改善。由于出于对轮毂尺寸限制的考虑，国内外大都停留在仅仅只安装摩擦制动器，但是摩擦制动器存在着“热衰退”、噪声大、粉尘多等弊端。
　　再者，由于电动轮驱动系统的电制动容量较小，无法满足整车对制动性能的要求；电机的再生制动受到摩擦制动器、电机特性等诸多条件的限制，造成实际制动力矩产生波动，制动力利用率较低；电机进行再生制动时可能引发电机的过热而烧坏电机。电磁制动器制动平稳、响应快，制动力利用率高等优点，近年来国内外专家学者一直致力于对电磁制动器的研究，并提出把摩擦制动器与电磁制动器集成在一起作为新型制动器。
　　本文首先查询国内外相关技术文献，了解电动轮相关结构和国内外研究进展。然后基于本人三年来从事电动轮及摩擦-电磁复合制动系统的研究工作，认为将电磁制动器集成于电动轮中可以较好地解决当前电动轮采用单一的摩擦制动器制动时造成制动器热衰退及制动反应慢等问题，于是提出了一种新型电动轮摩擦-电磁复合制动结构方案，并且对该新型电动轮结构方案中各个零部件的连接方式、工作原理、尺寸进行了详细介绍。
　　然后对新型电动轮结构方案中的轮毂电机和电磁制动器分别进行了结构设计与参数计算。采用Ansoft/RMxprt软件，对该轮毂电机进行了性能仿真；采用Ansoft/Maxwell2D软件，对轮毂电机的二维瞬态磁场进行了仿真，结果表明，该电机性能满足设计要求。通过综合考虑电磁制动器在电动轮中与摩擦制动器、轮毂电机的连接方式以及自身的结构特点，对电磁制动器的铁芯结构参数、线圈结构参数等分别进行了设计计算。
　　其次，通过对整车受力情况的分析，在Matlab/Simulink中建立了七自由度车辆整车系统动力学模型。在该模型的基础上，分别对纯摩擦制动、纯电磁制动以及摩擦-电磁复合制动工况进行了仿真分析，结果表明：采用摩擦-电磁复合制动能够增大制动力矩、明显改善制动反应时间，提高了车辆制动安全性。
　　最后，把所设计的轮毂电机、电磁制动器及其它连接部件委托企业加工，制作出新型电动轮样品实物，在轮毂电机动力性试验台架和基于电动轮的摩擦-电磁复合制动试验台架上进行试验。在轮毂电机动力性试验台架上对轮毂电机的输出功率特性、力矩特性进行了研究；在基于电动轮摩擦-电磁复合制动试验台架上对电动轮的电磁制动的制动性能、摩擦制动的制动性能和摩擦-电磁复合制动的制动性能分别进行了研究。试验表明：所设计的轮毂电机样品满足目标设计的动力性要求，同时也满足与轮毂、摩擦制动器、电磁制动器安装结构的要求；电动轮采用摩擦-电磁复合制动器联合作用时，能够改善制动反应时间、增大制动力矩，有效的提高了汽车的行驶安全性。

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第一章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2轮毂电机驱动技术的研究进展

1.3论文的主要研究内容

第二章 新型电动轮的结构设计

2.1 新型电动轮结构方案的确定

2.2 轮毂电机的结构参数设计

2.3电磁制动器的结构参数设计

2.4 本章小结

第三章 基于Ansoft软件的轮毂电机性能仿真

3.1基于Ansoft/RMxprt电机性能的仿真

3.2基于Maxwell/2D软件的轮毂电机瞬态磁场分析

3.3本章小结

第四章 电动轮电动汽车摩擦-电磁复合制动系统的理论模型

4.1电动轮电动汽车摩擦-电磁复合制动理论模型

4.2整车动力学模型的仿真验证

4.3本章小结

第五章 新型电动轮台架试验研究

5.1 轮毂电机动力性试验研究

5.2电动轮摩擦-电磁复合制动试验研究

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文创新点

6.3工作展望

参考文献

致谢

在研究生期间发表的学术论文与专利