CN103448566B - 高集成度轮毂sr电机直接驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种高集成度轮毂SR电机直接驱动装置，蓄电池组包括2N个蓄电池，2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，驱动控制器包括调度控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um；车轮轮辋内同时集成有SR电机和驱动控制器，SR电机与驱动控制器连接，驱动控制器分别与两根正负电源线、一束控制总线连接。本发明集成度高、能够实现在低速段和高速段均获得较高效率。

Description

高集成度轮毂SR电机直接驱动装置

技术领域

本发明涉及一种SR电机控制技术领域，尤其是一种SR电机控制装置。

背景技术

随着节能减排的深入，电动汽车已被公认为节能环保的未来汽车。而所包含的燃料电池、混合动力或纯电动任一类电动汽车都需用电机作为执行机构来驱动车轮行驶，因此如何充分发挥电机的各项优势，选择较佳的驱动结构对电动汽车推广应用意义重大。综合车辆动力学、电机拖动及其自动控制工程等多项理论分析，采用轮毂电机直接驱动电动汽车可归纳总结出如下诸多优点：简化机械结构和降低车载自重以利汽车结构布局，即可省去所有庞大而笨重的机械传动链，以腾出大量空间供蓄电池布局，又提高了动能传输效率；可降低汽车质心与车身高度；易实现四轮驱动四轮转向来提高车轮对地面附着力、转向性能以及动能回收率；提高了车轮控制快速响应性，以更易实现传统轿车较难实施的各种高性能控制，从而可极大改善汽车行驶安全性、操控性和稳定性。

目前国际上也已越来越多地认识到采用轮毂电机直驱的优越性，近年来美、英、法、德等国纷纷将轮毂电机应用于越野车上，并取得相应成果。即通过理论分析和实践证实，均说明轮毂电机是电动汽车的最佳、最终驱动方式。但为方便应用和提高可靠性，需实行机电一体化控制模式：即将电机与其驱动控制器均集成在轮胎轮辋内，并采用CPU总线控制方式，以大大减少电动汽车各控制部件间的硬件连线。如此即提高可靠性，便于故障诊断和维修；也为普及应用后能极大提高其性价比打好基础。

解决电动汽车普及的关键问题是提高整车性价比和其续行里程。为提高纯电动汽车续驶里程，全球各国已在蓄电池比能量、比功率的瓶颈口上花费了数十年和大量经费。而采用轮毂电机即可使车载自重与能源消耗得以良性循环：即能腾出更多空间供蓄电池布局用，又能减轻车载自重和提高动能传输效率；并根据只有驱动轮才能实现动能回收，即使轮毂电机在降速制动和下坡过程中能直接经发电回馈，来更有效地提高能量回收率。

我国已是电动自行车用轮毂电机的全球最大产销国。而对于汽车用轮毂电机，全球有名研制商ProteanElectric普洛透斯电气公司近虽也已推出高集成度轮毂电机，即将外转子电机与其驱动控制器以及刹车系统等均集成安装在18吋车轮的轮辋内，它与外部连接只有两根电源线、一束控制线和两根冷却用水管。如此极大地方便了整车厂与电动汽车对接应用和整车布局，但需强调的是：它采用了永磁同步电机。

发明内容

为了克服已有SR电机调速技术的集成度较低、无法同时在低速段和高速段获得较高效率的不足，本发明提供了一种集成度高、且能够实现在低速段和高速段均获得较高效率的高集成度轮毂SR电机直接驱动装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高集成度轮毂SR电机直接驱动装置，该SR电机由蓄电池组供电，所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；

驱动控制器包括调度控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um；

车轮轮辋内同时集成有SR电机和驱动控制器，SR电机与驱动控制器连接，驱动控制器分别与两根正负电源线、一束控制总线连接；

所述SR电机呈外转子结构，所述SR电机为五相结构，五相结构中，比值Pw/θ_b的范围是1.4～1.6，其中，θ_b为步距角，所述步距角θ_b=360/xN_r，相数x=5，N_r为转子凸极数；Pw为每相导通的脉冲宽度，每相导通的脉冲宽度Pw为转子凹槽距α_r的一半，转子凹槽距α_r为转子极距τ_r减去转子凸极距β_r，τ_r=360o/N_r；比值Pw/θ_b的范围是1.50～1.55；所述转子凸极数N_r为16，定子凸极数N_s为20。

对于上述方案中，当转速低于最低额定转速V0时，V0＜V1，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在不低于V0且低于V1时，由驱动器实现高效率的角度位置(APC)方式控制，该控制方式为本领域的常规控制方式，该两种情况下，控制蓄电池组的供电电压均为U；当电机的转速抬升后，均采用角度位置(APC)方式控制，按照本发明提供的方案，对蓄电池的供电电压实现分级控制。

本发明的技术构思为：从提高性价比来分析永磁同步电机与SR电机的利弊。由于永磁体的存在使永磁同步电机在提高功率密度和效率上具有较大优势，但也增加了制造成本，并据分析永磁体所需的稀土资源不足以支撑未来电动汽车普及后，对所需驱动电机量大面广的需求量。而从适应于汽车多变行驶路况，以及用蓄电池为能源等特点来说。SR电机更具有启动力矩大而启动电流小；短时过载能力强；易方便发电回馈制动；调速范围宽；动态响应快；故障容错性和系统可靠性高等优势。为适应车轮直驱所需的性能要求，近也同时提出“一种电动汽车SR电机调速控制方法”和“电动汽车直驱轮毂电机及其电动汽车”两项专利申报。结合利用该两项技术，在此提出具有更高性价比的高集成度轮毂SRD直接驱动装置，以促使电动汽车能尽早被推广普及应用。

本发明的有益效果主要表现在：1、集成度高，能够实现在低速段和高速段均获得较高效率；2、有效降低转矩脉动、提升工作效率。

附图说明

图1是2个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。

图2是4个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。

图3是6个蓄电池的蓄电池组的接线示意图。

图4是SR外转子电机的示意图。

图5是按目前应用最普遍的SR三相电机结构参数设计后仿真所得转矩波形图。

图6是按SR五相电机结构参数通过优化改进后设计的SR外转子电机经仿真所得转矩波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1~图6，一种高集成度轮毂SR电机直接驱动装置，该SR电机由蓄电池组供电，所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；

驱动控制器包括调速控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um；

车轮轮辋内同时集成有SR电机和驱动控制器，SR电机与所述驱动控制器连接，所述驱动控制器分别与两根正负电源线、一束控制总线连接。

对于上述方案中，当转速低于最低额定转速V0时，V0＜V1，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在不低于V0且低于V1时，由驱动器实现高效率的角度位置(APC)方式控制，该控制方式为本领域的常规控制方式，该两种情况下，控制蓄电池组的供电电压均为U；当电机的转速抬升后，均采用角度位置(APC)方式控制，按照本发明提供的方案，对蓄电池的供电电压实现分级控制。

所述调速控制模块的控制策略：依照m-1个调压速度节点，将电动汽车SR电机的额定转速从低到高划分为m个区间，蓄电池组的供电电压从低到高分别为U1、U2、…、Um，这样形成m个区间和m个供电电压的一一对应关系，实现分级控制，在低速段和高速段均获得较高效率。

SR电机呈外转子结构，SR电机为五相结构，五相结构中，比值Pw/θ_b的范围是1.4～1.6，其中，θ_b为步距角，所述步距角θ_b=360/xN_r，相数x=5，N_r为转子凸极数；Pw为每相导通的脉冲宽度，每相导通的脉冲宽度Pw为转子凹槽距α_r的一半，转子凹槽距α_r为转子极距τ_r减去转子凸极距β_r，τ_r=360o/N_r；比值Pw/θ_b的范围是1.50～1.55；所述转子凸极数N_r为16，定子凸极数N_s为20。

进一步，所述蓄电池组包括2个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U和2U；将电动汽车SR电机的转速设置1个调压速度节点，当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为2U。

或者是，所述蓄电池组包括4个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U和4U；将电动汽车SR电机的转速设置2个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为4U。

或者是，所述蓄电池组包括6个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、3U和6U；将电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为3U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为6U。

或者是，所述蓄电池组包括8个蓄电池，蓄电池组的供电电压分别是U、2U、4U和8U；将电动汽车SR电机的转速设置3个调压速度节点，当转速不高于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为2U，当转速不低于V2且低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为4U，当转速不低于V3时，控制蓄电池组的供电电压为8U。

本发明中，在此还需根据发明者多年来利用计算机有限元分析仿真技术，按各种车胎轮辋尺寸，对SR外转子电机采用多种结构方案，结合各种行驶路况等设定所需多种参数要求，进行设计、仿真分析比较，再经归纳所得经验总结：SR轮毂电机的内定子绕组因位于电机内部的较小直径处，绕组窗口为狭窄的扇形，使得面积极大受限，尤其采用直驱时要求转速越低所需匝数越多，所以SR直驱轮毂电机适合于直径尽可能大的轮辋，而大直径轮辋内也便于集成安装所需器件。由此对于如公交汽车等的大直径车胎轮辋就易实施本发明。对于量大面广的小轿车，曾按15～18吋各种车胎轮辋尺寸，采用多种结构和设计参数，经数千次的仿真比较，证实采用18吋轮辋设计成五相20/16极SR轮毂电机所获各项性能的效果最佳。并且采用较大直径的电机，还可适当减小电机有效长度即冲片叠厚。估计按已制的16吋外转子SR电机在相同功率下，冲片叠厚可由110mm减小为85mm，如此即可腾出更多空间供驱动控制器等装置布局用。

为充分利用轮辋内的有限空间，要求将其电路板、电容器等器件做成适于在轮辋内安装的扇形体，以便于能高集成度布局驱动控制器等装置。为减小电机转矩脉动，要求采用五相20/16极SR外转子电机。随相数增加对驱动器所需开关管虽也随之增加。但与永磁同步电机相比，因要求电流为正反向即需采用每相为4只开关管的全桥控制；而SR电机电流只要求单方向控制，每相即需两只开关管控制。并且随着SR电机相数增加，各相绕组的导通角与其步距角的比值增大，即使相邻相的电流重叠度增加，由此也使各开关管所需承担最大电流峰值有所降低。因此对于五相SR电机驱动器所需开关管虽有所增加，但由于相邻相电流重叠度增加，也使所有开关管所需承担的最大电流峰值降低。又因电动汽车所用蓄电池电源电压并不很高，如此所用开关管即可考虑采用MOS管来替代IGBT,这即有利于减小管压损耗和结构体积，也能使驱动器成本并不增加，随着批量化、标准化及工艺优化的推进，有望使SR直驱轮毂电机的性价比极大提高，达到普及化要求。

本发明中，众所周知各类电机在所设计的额定转速附近效率较高。而其最高转速与额定转速之比按诸多资料表明：永磁电机的最高转速与额定转速之比约为2；交流异步电机的最高转速与额定转速之比约为4；开关磁阻电机的最高转速与额定转速之比约为6。按此计算，如按目前电动汽车对电机动能传输已不采用多级齿轮换档所考虑：对于永磁电机的额定转速如按车速60km/h设计，最高转速即为车速120km/h，但按此如车速低于约15km/h时效率通常就会低于80%，并随速度进一步下降效率将急剧下降。而对于SR电机即可将额定转速按偏于汽车行驶的更低车速设计，如SR电机的额定转速按车速30km/h设计，其最高转速却还可高达车速约180km/h。

又根据SR电机的绕组匝数与其额定转速和额定电压的公式：匝数与电压成正比；与转速成反比。即匝数固定不变时，所适合额定转速随电源电压下降而降低。且电机功率也随转速下降而降低，如此绕组线径也不必随电压下降而增粗。通常要求SR电机在额定转速以下采用电流斩波(CCC)控制；在额定转速以上采用角度位置(APC)方式控制；且由于SR电机采用APC控制效率较高。为此可采取车用电源蓄电池经串、并联换接来有级调整电压，从而实现高、低多档额定转速，使SR电机在低电压相应的低额定转速时采用APC控制仍能获得较高效率。而且蓄电池经串、并联换接后总容量均不变，输出电流在高压时小、低压时大，也适于SR电机随转速降低力矩变大而要求电流增大。

并根据蓄电池在整车位置布局，即按车辆动力学对车辆质量重心要求，需将蓄电池作为配重物分散存放，如置于座位下面以降低质心高度，即正好也需将分散的蓄电池连接起来。如按下述将蓄电池分为两部分或四部分，经串、并联换接就分别可实现两个等级或三个等级的电压调节，从而实现相应二或三个高低不同档次的额定转速。并且蓄电池按如此串、并联方式换接，在保持车载蓄电池原有总容量前提下，还可适当增加单体电池串联数，以提高蓄电池按串联方式连接的最高电压值，如此按经验可知提高总电压即有利于提高SR电机的总体运行效率，如将车载蓄电池的常规电压320V提高到400V或更高。在此还需强调说明：对电压调节虽可通过电子开关器件实现无级调压，但如此即存在其损耗而降低整体效率，也较大提高了器件成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

为便于说明在此设定蓄电池最高电压为400V。

参照图1，方案1：蓄电池分为两部分，采用两并联和两串联两种方式换接，电压分别为200V和400V两个等级，需采用一只具有两常闭、一常断的接触器换接，如附图1所示，两并联时接触器KM1不通电，由两只常闭开关分别将+与2、1与-连接，电压为200V；两串联时接触器KM1通电，由一只常断开关将1与2连接，电压为400V。

参照图2，方案2：蓄电池分为四部分，采用四并联、两串两并联和四串联三种方式换接：电压分别为100V、200V和400V三个等级，需采用两只接触器换接：一只接触器KM1为四常闭、两常断；另一只接触器KM2为两常闭、一常断。如附图2所示，四并联时两只接触器均不通电，由六只常闭开关分别将+与2、2与4、4与6、1与3、3与5、5与-连接，电压为100V；两串两并联时接触器KM1不通电，由四只常闭开关分别将+与2、4与6、1与3、5与-连接，接触器KM2通电，由一只常断开关将3与4连接，电压为200V；四串联时两只接触器均通电，由三只常断开关分别将1与2、3与4、5与6连接，电压为400V。

参照图3，方案3：蓄电池分为六部分，可有4种换接方式获4种电压等级：6串联电压=V_总、2并3串电压=V_总/2、3并2串电压=V_总/3、6并联电压=V_总/6；需采用三只接触器换接：接触器KM1、KM2均为四常闭、两常断；接触器KM3为两常闭、一常断。如附图3所示，六并联时三只接触器均不通电，由十只常闭开关分别将+与2、2与4、4与6、6与8、8与10、1与3、3与5、5与7、7与9、9与-连接，电压为V_总/6；三并两串联时接触器KM1、KM2不通电，由八只常闭开关分别将+与2、2与4、1与3、3与5、6与8、8与10、7与9、9与-连接，接触器KM3通电，由一只常断开关将5与6连接，电压为V_总/3；两并三串联时接触器KM1、KM3不通电，由六只常闭开关分别将+与2、1与3、4与6、5与7、8与10、9与-连接，接触器KM2通电，由两只常断开关将3与4、7与8连接，电压为V_总/2；六串联时三只接触器均通电，由五只常断开关分别将1与2、3与4、5与6、7与8、9与10连接，电压为V_总。

方案4：蓄电池分为8部分，也只有4种换接方式获4种电压等级：8串联电压=V_总、4串2并电压=V_总/2、2串4并电压=V_总/4、8并联电压=V_总/8；

方案5：蓄电池分为10部分，也只有4种换接方式获4种电压等级：10串联电压=V_总、5串2并电压=V_总/2、2串5并电压=V_总/5、10并联电压=V_总/10；

方案6：蓄电池分为12部分，可有6种换接方式获6种电压等级：12串联电压=V_总、6串2并电压=V_总/2、4串3并电压=V_总/3、3串4并电压=V_总/4、2串6并电压=V_总/6、12并联电压=V_总/12。

对于蓄电池通过串、并联换接进行有级调压所需分的组数，需考虑蓄电池在汽车布局实施中进行分组放置的可行性，和通过多级调压进行相应级别额定转速控制的实效性，以及实施所需增加成本等对总体性价比的影响。因此对于如公交车等大型汽车可考虑分为较多（不宜超过12）组，以更好兼顾低速行驶效率；而对于小轿车不宜超过6组，按上述说明分为8、10部分均与分为6部分类同，也只有4种换接方式，获4种电压等级，且电压等级值相差也较大，所需接触器及其开关数也更多，因此从实际工业应用而言，分为8、10部分应根本不适宜采用。

为使SR电机在低、高速均能高效运行，比较申请号201310048749的发明专利采用电机绕组串、并联换接方法，相比本发明通过蓄电池串、并联换接有级调压方法，即可减少换接所用接触器的触点开关数。由于采用电机绕组串、并联换接方法所需触点开关数随电机相数增加而增加，尤其近期经深入研究和计算机有限元分析仿真，找到了解决SR电机最大缺陷即转矩脉动大的方法：需采用五相SR电机结合调整相关设计参数。如此相比之下，采用蓄电池串、并联换接有级调压所需接触器换接用的触点开关数即为大大减少。并且对于采用轮毂电机来说，不必为减少与外部连接线需设法将换接专用接触器安装在有限空间的轮毂电机或其轮辋内部。

为验证本发明效果，发明人通过改变各种相应设计参数，设计了多种SR轮毂电机，进行了大量计算机仿真。如将电机结构参数均选定为同一种，分别采用400V、200V、100V三种额定电压等级，相应额定转速分别为1000、300、150、75rpm进行多种仿真比较。仿真结果为：额定电压为400V时，设定额定转速1000rpm(按所适于安装轮毂电机的轮胎直径折算车速约为128km/h，后述以此类推)时，效率约为96%；设定额定转速300rpm(相当于车速约38km/h)时，效率约为93%；设定额定转速150rpm(相当于车速约19km/h)时，效率约为48%；设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率仅为10%，但此时可获约7.6倍的平均扭矩(按额定转速300rpm时输出转矩约为100N·m)，即输出扭矩可达760N·m以上，如此高的过载扭矩即可有效应付行驶途中突遇的较大阻力障碍，效率虽低但仅为短时。额定电压为200V时，设定额定转速150rpm(相当于车速约19km/h)时，效率约为89%；设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率约为48%。额定电压为100V时，设定额定转速75rpm(相当于车速约9.6km/h)时，效率约为81%。

如此即可采用如下控制方法：电机在低于75rpm(车速9.6km/h)运行时，采用额定电压100V，由驱动器采用电流斩波(CCC)控制；在高于75rpm(车速9.6km/h)运行时，由驱动器均实现高效率的角度位置(APC)方式控制；调速范围在75～150rpm时，仍采用额定电压100V；调速范围在150～300rpm时，采用额定电压200V；电机转速高于300rpm时，均采用额定电压400V。

相比于目前在纯电动汽车采用较多的驱动方式：由单台永磁同步或交流异步电机经一级齿轮箱减速，再经后桥差速等机械传输至车轮，就电机本身效率还相差不多，即本发明在低速时略高。但实际还应将机械传输效率折算进去就明显相差较大，并且在汽车降速制动或下坡时还可大大提高动能回收率。如此使汽车在行驶所需的市郊高速段和城区低速段均能高效驱动运行，使车载自重与能源消耗得以良性循环，以此既能有效提高续行里程。

本发明中，根据SR电机产生磁阻转矩工作原理的分析，要求电机同相绕组在相邻凸极上的绕向必须互为相反，即使通电后产生的磁场极性互为不同的N、S极，才能使同相绕组的相邻凸极磁路首尾相接。对于目前应用最普遍的三相SR电机，由于相邻相电流几乎无重叠度，因此许多文献分析时往往可忽略其互感影响。但随着SR电机相数增加，各相绕组的导通角与步距角的比值也随之增大，即使相邻相的电流重叠度增加，由此使相邻相的互感影响因素得以加强，须引起重视。对于奇数相的SR电机绕组正好可采用NSNSNS…方式连接，即使SR电机所有相邻凸极无论是自感或互感产生的磁场极性均互为相反，相邻相同时导通时磁场互为加强，形成首尾相接的短磁路，并相邻相的影响均一致。而对于偶数相的SR电机绕组无论采用何种方式连接，总存在某相邻相在同时导通时的磁场为相互减弱。在此以四相SR电机为例，绕组若采用一种NNNNSSSS方式连接，其相邻DA相导通时磁场互为加强，形成短磁路；而AB、BC、CD相导通时磁场为相互减弱，形成长磁路交替出现。如此使得相邻相的影响不一致，也易引起相应的转矩脉动。由此得出奇数相SR电机性价比应优于偶数相SR电机。

根据上述结论，为改善转矩脉动，曾以三相、五相、七相、九相等奇数相SR外转子电机为前提，采用多种电机结构设计参数进行仿真比较。如附图5所示为按目前应用最普遍的SR三相电机常规结构参数设计，经计算机有限元仿真后所得转矩随时间变化的波形图。通过对导出仿真所得数据估算，可得其转矩平均值约为94N·m，而转矩峰值197比平均值高出109%；转矩谷值19低于平均值80%。通过与已普遍应用于电动自行车的永磁无刷轮毂电机相比，按仿真所得数据估算，其转矩脉动率超过约两倍之多。如此高的转矩脉动所引起的电机振动和噪声，势必对汽车平稳运行和乘坐舒适性带来影响。

通过深入研究发现采用五相结构，设计合适参数即可使SR电机的转矩脉动处于最小。如附图6所示为SR五相电机结构参数通过优化改进后设计的SR外转子电机经仿真所得转矩波形图。通过对导出仿真所得数据估算，可得其转矩平均值为128N·m；而转矩峰值137比平均值仅高7%；谷值115比平均值仅低10%。即转矩脉动率远低于上述已普遍应用于电动自行车的永磁无刷轮毂电机。从根本上解决了业界公认为SR电机的最大弊端是转矩脉动大。如此即可制成电动汽车最佳、最终驱动方式的直驱轮毂电机，以充分发挥SR电机适用于汽车在多变路况独特要求的优势。

经仿真分析研究发现通过合理调整SR电机相邻相的导通重叠角，即可极大改善其转矩脉动。由于相邻相导通重叠角取决于每相导通的脉冲宽度Pw与其步距角θ_b的比值，再经进一步研究发现如能将比值Pw/θ_b调整为1.52左右，即可使转矩脉动接近于最小。通过全面比较各类SR电机结构与其可能设计参数，发现其中五相SR电机最易将比值Pw/θ_b调整为1.52左右。即按五相SR电机结构设计时，又要兼顾其效率等，通过适当调节定、转子凸极的极弧系数，和在控制策略中设置合适的每相导通脉冲宽度Pw等，将比值Pw/θ_b调整为1.4～1.6即可使SR电机转矩脉动和效率趋于最佳状态。

通过研究还发现随着SR电机相数增加，各相绕组的导通角与其步距角的比值增大，即使相邻相的电流重叠度也增加。如此当系统出现如某相断路、开关管烧毁等故障时，电机仍能缺相运行，提高了系统的故障容错性；同时也使各开关管所需承担最大电流峰值有所降低。因SR电机电流只要求单方向控制，每增加一相即需增加两只开关管，五相SR电机驱动器所需开关管虽有所增加，但由于相邻相电流重叠度增加，也使所有开关管所需承担的最大电流峰值降低。又因电动汽车所用蓄电池电源电压并不很高，如此所用开关管即可考虑采用MOS管来替代IGBT,这即有利于减小管压损耗和结构体积，也能使驱动器成本并不增加，随着批量化、标准化以及工艺优化的推进，使SR直驱轮毂电机的性价比极大提高，达到普及化要求。

图4是一种轮毂电机的示意图，其中，电机采用了五相20/16极SR外转子电机；五相20/16极SR电机表示相数x=5、定子凸极数N_s=20、转子凸极数N_r=16；

SR电机步距角θ_b与相数x、转子凸极数N_r的关系式为θ_b=360o/xN_r。五相20/16极电机步距角θ_b=360/xN_r=360/5/16=4.5°。

每相导通的脉冲宽度Pw通常设置为转子凹槽距α_r的一半，转子凹槽距α_r也就是转子极距τ_r(=360o/N_r)减去转子凸极距β_r。转子的极弧系数即为转子凸极距β_r/转子极距τ_r。

Claims (1)

1.一种高集成度轮毂SR电机直接驱动装置，该SR电机由蓄电池组供电，其特征在于：所述蓄电池组包括2N个蓄电池，N为正整数，所述2N个蓄电池通过串并联实现m个级别的电压等级，从低到高分别为U1、U2、…、Um，m为大于等于2的自然数，其中，最低等级的电压U1为单个蓄电池的额定电压U，最高等级的电压Um为2NU，所述串并联的约束条件为：每个蓄电池的运行工况相同，且不同电压等级之间的切换通过接触器调整来实现；将电动汽车SR电机的额定转速设置m-1个调压速度节点，从低到高依次是V1、V2、…、Vm-1；

驱动控制器包括调度控制模块，用于当转速低于V1时，控制蓄电池组的供电电压为U1，当转速不低于V1且低于V2时，控制蓄电池组的供电电压为U2，依次类推，当转速不低于Vm-1时，控制蓄电池组的供电电压为Um；

车轮轮辋内同时集成有SR电机和驱动控制器，SR电机与驱动控制器连接，驱动控制器分别与两根正负电源线、一束控制总线连接；

所述SR电机呈外转子结构，所述SR电机为五相结构，五相结构中，比值Pw/θ_b的范围是1.4～1.6，其中，θ_b为步距角，所述步距角θ_b=360/xN_r，相数x=5，N_r为转子凸极数；Pw为每相导通的脉冲宽度，每相导通的脉冲宽度Pw为转子凹槽距α_r的一半，转子凹槽距α_r为转子极距τ_r减去转子凸极距β_r，τ_r=360o/N_r；比值Pw/θ_b的范围是1.50～1.55；所述转子凸极数N_r为16，定子凸极数N_s为20。