CN106571706B

CN106571706B - 电动车

Info

Publication number: CN106571706B
Application number: CN201611078087.XA
Authority: CN
Inventors: V·戴维德芙
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2015-10-09
Filing date: 2016-10-09
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2036-10-09
Also published as: CN106571706A

Abstract

本发明涉及一种电动车(1)，该电动车具有至少一个电机，所述电机具有定子(17b)和带转子芯(172a)的转子(17a)，所述转子(17a)与至少一个驱动轮(2)运动学地连接，所述电机连接至控制装置(18)和能量源。所述电机设计为磁滞机(17)，其中所述转子(17a)的转子芯(172a)包括硬磁材料，其中所述转子(17a)包括至少一个用于冷却介质的冷却通道(174)。这使容量非常有限的电力线具有高的连续制动能力。

Description

电动车

技术领域

本发明涉及一种电动车，其具有与至少一个驱动轮运动学地连接的至少一个电机、所述电机的带能量源的控制装置。

背景技术

网络链接http://www.magtrol.com/datasheets/ahb.pdf公开了一种具有定子和转子的磁滞式电动机，其中转子包括由永磁合金材料和非磁性支撑构成的光滑圆柱体。

US1,448,700A公开了一种液冷式电机，该电机包括通过经由轴端供给和排走冷却介质的转子冷却。

文献WO 2015/128013A1描述了一种用于制动组件的旋转元件的方法，其中旋转元件的转子可旋转地固定至旋转元件，并且旋转涡流制动器的定子支撑在所述组件上。在制动操作期间，定子的励磁线圈总成通过由控制单元的控制指令控制的电源以如下方式被供给旋转电流，即定子的旋转场以电角速度旋转。通过定子的旋转场的电角速度的控制指令实施的调节，转子的瞬时电角速度与定子的旋转场的经调节的电角速度之间的瞬时差异被控制成由控制单元限定的或由控制单元确定的期望值。涡流制动器的性能依赖于滑动，不足以替代摩擦制动器。

发明内容

本发明的目的是提供一种在电力线的容量非常有限时具有高持续制动功率的电动车。本发明的另一目的是在行驶和再生制动模式时能够高效，并降低转子失速模式时的损失。

根据本发明，这通过所述电机为具有硬磁材料的转子芯的磁滞机来实现，其中所述转子包括至少一个用于冷却介质的通道。

这样，由于摩擦部件的磨损和附加的簧下质量，传统制动系统及主要相关问题可被避免。

磁滞机是一种具有硬磁材料的光滑转子芯的电机，其中转子剩磁磁化的方向可被定子的电磁场反转。详细来说，磁滞机为同步电机，包括具有绕阻的定子和具有由有高矫顽磁性(＞2.000A/m(安/米)，优选24.000A/m至160.000A/m)的铁磁材料制成的光滑芯的非凸式转子。这种材料称为硬磁材料。定子绕阻能够产生与转子芯连接的旋转电磁场。具有控制装置的磁滞机形成磁滞驱动器，其中电机设计、控制装置功率容量及转子芯材料矫顽磁性的组合应当确保转子剩磁磁化被定子的电磁场的可改变性。

车在整个操作速度范围上的所需紧急制动能力可通过电力线(逆变器、电池)的有限容量来获得。

磁滞驱动器在异步(磁滞)制动模式中的热耐久性通过具有硬磁材料的散热芯的转子的强制冷却来确保。

根据本发明的有利实施方式，车辆包括至少两个磁滞电机，每个磁滞电机都连接到各自的驱动轮，其中所述驱动轮属于所述车辆的一个驱动轴。这样，可以实现没有车轮摩擦制动器的电动轴，例如，用于加强制动期间具有有限载荷的后轴。该方案可在例如部分时间的全轮驱动中用作辅助驱动器，例如在P4混合动力车中，这里，前轴由具有传统机械变速器的内燃机驱动。后轴的磁滞驱动器可由电池和/或另外的电动机-发电机提供动力，其运动学地连接至内燃机、机械变速器的输入轴或前轴。该方案的好处是：

车轴上没有车轮制动器；

在短时模式中，磁滞驱动器的机械效率和冷却系统性能并不是关键的；

满足制动性能目标所需的电动系统的有限容量；

扭矩引导是有可能的。

可选地，车辆可包括多个磁滞电机，每个磁滞电机都连接到各自的驱动轮，其中所述车辆的所有车轮都在驱动中。这样，能以最大优势效果来实现全轮驱动：车辆根本不需要车轮摩擦制动器。优选地，前轮的磁滞驱动器的尺寸设计得比前轮的磁滞驱动器更大一些，因为在加强制动期间前轮受载重。该方案的好处是：

根本没有车轮制动器-没有磨损、没有污染、没有定期维护；

具有快速响应的在各车轮上的牵引或制动努力的单独控制提高了安全性、操作性、越野能力。

根据本发明的第一实施方式，磁滞机安装在车辆底盘上，并通过具有等速万向节的侧轴连接至驱动轮。该实施方式的优点是簧下质量低、传动简单，具有高效率和低NVH(NVH-噪声、振动、声振粗糙度)。因此，这是具有空冷式转子的轴向机和反转式径向机的优选布置。

根据本发明的另一实施方式，磁滞机安装在车辆底盘上，并且通过减速器和具有等速万向节的侧轴连接至驱动轮。该布置能够降低簧下质量，并使用减小了尺寸的高速磁滞机，例如具有液冷式转子的径向机。

可选地，磁滞机可安装在驱动轮的轮毂上，并通过减速器连接至驱动轮。这能够通过减小尺寸的高速磁滞机(例如具有液冷式转子的径向机)来使驱动轴的封装小。如果磁滞机安装在车轮轮毂上并直接连接至驱动轮，那么可获得相同的优点-另外具有低NVH。

根据本发明的优选实施方式，特别是对于具有通过轴的液体冷却的径向机，所述减速器包括至少一个圆柱齿轮级。这使得能够接近磁滞机的两个轴端。可选地，所述减速器可包括至少一个行星齿轮级，其是紧凑并有效的方案，优选用于具有高速空冷式轴向磁滞机的轮毂集成式驱动器。

所述磁滞机可实施为具有外部定子和内部转子的径向机。这能够降低转子的惯量，并具有通过轴供给冷却介质的机会。特别是在圆柱齿轮减速级的组合中，这可为液体冷却的构造简单的基础。所述定子包括由软磁材料制成的芯、和连接至功率转换器的多个线圈，其具有在定子孔中形成多极可旋转磁场的机会。所述转子同心地布置在所述定子的孔内，并包括由硬磁材料制成的芯，和彼此连接以具有扭矩传递能力的轴。可选地，所述定子同心地布置在所述转子内。所述转子包括至少一个用于冷却介质的通道，在各轴端处具有至少一个入口和一个出口。

可选地，所述磁滞机可实施为具有内部定子和外部转子的反转径向机，其中所述定子同心地布置在所述转子的孔内。具有内部定子和外部转子的反转径向机的特征在于高扭矩密度。大数量的电极允许提高定子场频率，并降低转子芯内的硬磁合金(例如，铝镍钴合金)的量。因此，这对于低速/高扭矩应用是优选的构造。

在上述各实施方式中，所述转子中的冷却通道主要沿轴向方向布置。

根据本发明的优选实施方式，所述磁滞机实施为双侧轴向机，其中所述转子中的冷却通道主要具有径向定向。所述冷却通道的径向定向能够通过离心力供给空气。因此，该布置为空冷机的优选构造。

基本上，所述冷却介质可为液体或空气。在采用液体冷却的实施方式中，所述车包括所述转子的冷却回路，该冷却回路具有至少一个泵和至少一个冷却器。能够有最高的热耐久性对于重型车辆或轻型载货车的前轴是优选的方案。

在采用空气冷却的实施方式中，所述车和/或磁滞机还包括用于经由所述转子中的通道供给空气的装置。空气冷却实施方式是非常简单的系统，其特征为成本和重量低。存在不同的方式提供空气循环：

所述转子中的径向通道，用于通过所述转子的旋转来进行离心供给；

具有风扇功能的车轮盘，例如通过叶片状轮辐；

车辆空气动力学导流板引导空气流通过车轮；

所述冷却通道中的至少一个可由所述转子芯的至少一个面形成。冷却通道集成到转子芯中提供了热源与冷却介质之间的直接接触。这是液体冷却的优选方案。

可选地，所述冷却通道中的至少一个可形成在热连接至所述转子芯的散热器中。非磁性导热材料(例如，铝合金或奥氏体钢)的散热器增强了到具有低对流系数的冷却介质的热传导。散热器与转子芯之间的热连接通过焊接、粘接或铆接提供。这是空气冷却的优选方案。

为了实现具有高效率的磁滞电机-制动器的操作，根据本发明的方法提供步骤如下：

如果所述车操作于行驶模式，那么所述磁滞机的定子电磁场的旋转速度等于其转子的旋转速度，其中所述磁通量由至少周期性地施加至所述定子的通量电流分量I_d来控制；

如果所述车操作为制动模式，并且所述磁滞机的输出电功率不超过所述控制装置和/或电池的瞬时功率容量，那么所述控制装置以如下方式操作，所述定子的电磁场的旋转速度等于所述转子的旋转速度，其中磁通量由至少周期性地施加至所述定子的通量电流分量I_d控制；

如果所述车操作为制动模式，并且在所述定子电磁场与所述转子的同步速度时所述磁滞机的输出电势能超过所述控制装置和/或电池的瞬时功率容量，那么所述控制装置以如下方式操作，所述定子的电磁场的旋转速度保持为低于所述转子的旋转速度，其中所述磁滞机的实际输出电功率不超过在被保持的速度时所述控制装置和/或电池的瞬时功率容量，其中优选地，所述冷却介质通过所述转子中的至少一个冷却通道供给。

在磁滞驱动器的过度励磁的情形下，可获得在行驶和再生制动模式时的高效率。正通量电流的短时周期性脉冲被施加至所述定子，以磁化所述转子。

在磁化之后，id电流被释放，从而降低定子损失，并提高磁滞驱动器的功率因数。当速度提高时，反电动势(back-EMF)变得更加接近最大逆变器输出电压，负通量电流的短时周期性脉冲被施加至所述定子，以消磁所述转子。同步模式中的扭矩通过与电机通量和扭矩电流分量成比例的场磁分量来提供。

当所需制动功率超过所述磁滞驱动器在同步模式中的最大容量时，应当限制定子场旋转速度(与逆变器输出频率成比例)。电磁功率以这样方式限制，因为其与场旋转速度成比例。轴功率与定子电磁功率之间的差异消散在转子芯中，并且被冷却介质疏散。

异步制动模式中的扭矩通过磁滞扭矩与涡流扭矩的和来提供。磁滞扭矩与转子芯材料的较小磁滞回路面积成比例，并不依赖于打滑。涡轮扭矩依赖于打滑。异步模式中的两个扭矩分量都依赖于定子电流，并可通过改变所述电流来控制。因为同步模式(没有来自定子“id”电流的磁化)中的剩磁通量比异步模式(有磁化)中的低，所以异步模式中的最大扭矩比同步模式中的高。涡流对所产生扭矩的影响依赖于设计参数、磁动势和打滑速度。

因为即使对电力系统(功率逆变器、电池)的功率有强大的限制，所述磁滞驱动器在异步制动模式中的性能也可与摩擦制动器相比较，所以结合转子强制冷却的磁滞驱动器的控制方法导致可以替代车轮制动器。

附图说明

参考附图，下面对本发明进行更加详细地描述，其中：

图1为具有根据本发明第一实施方式的磁滞机的电动车的示意图；

图2为具有根据本发明第二实施方式的磁滞机的电动车的示意图；

图3为具有根据本发明第三实施方式的磁滞机的电动车的示意图；

图4为具有根据本发明第四实施方式的磁滞机的电动车的示意图；

图5示出了根据图4中箭头的车辆的详细视图；

图6为具有根据本发明第五实施方式的磁滞机的电动车的示意图；

图7示出了图1或图2中所示磁滞机的四分之三截面图；

图8示出了该磁滞机的截面图；

图9示出了该磁滞机的转子的斜投影；和

图10示出了包括磁滞机的各操作模式的速度-扭矩图。

图中具有相同功能的零件由相同的附图标记指代。

具体实施方式

图1示出了具有磁滞驱动器170的电动车1。磁滞驱动器170包括旋转电机，该旋转电机被设计为具有转子17a和定子17b的磁滞机17。转子17a与车辆1的至少一个驱动轮2运动学地连接，其中两个驱动轮2对应于车辆1的驱动轴。定子17b的绕阻179电连接至控制装置18(例如多相双向功率转换器)和电源，即，DC连接19(例如电池)。功率转换器包括三相电压源逆变器。

转子17a包括用于强制冷却的冷却装置，例如至少一个用于冷却介质的冷却通道174，其中参考转子17a的轴线173a，冷却通道174主要具有轴向方向(图1、图2、图3、图7)或径向方向(图4、图5、图6)。图1和图2示出了具有在转子17a的冷却回路8中循环的液态冷却介质的实施方式，其中冷却回路8包括冷却器8a和泵8b。图3至图6示出了以空气作为冷却介质的实施方式，其中车辆1可包括用于通过转子17a中的冷却通道174供给空气的装置。冷却介质的流动参考符号S来指示。冷却通道174由转子芯172a的至少一个面形成或形成在热连接至转子芯172a的散热器中。

图1和图2每个都示出了具有内部转子17a和外部定子17b的磁滞机17。可选地，磁滞机17可设计有外部转子17a和内部定子17b(图3)。

图1示出了根据本发明第一实施方式的电动车1，其具有包括减速器齿轮7和液体转子冷却的高速磁滞驱动器170。磁滞机17安装在车辆1的底盘4上，并通过等速万向节6经由侧轴5连接至驱动轮2的驱动轴2。附图标记10指代底盘4与驱动轴2的轮毂轴承11之间的悬架连接10。该实施方式能实现最小可能的簧下质量。不必有车轮制动器。减速器齿轮7包括圆柱齿轮级7a和行星齿轮级7b，其中减速器齿轮7的第一圆柱齿轮级7a用于更高传动比，并用于接近两个轴端，以提供冷却。可以实现高冷却能力。

图2示出了根据本发明第二实施方式的电动车1，具有包括减速器齿轮7和液体转子冷却的车轮集成式高速磁滞驱动器170。磁滞机17安装在驱动轮2的轮毂2a上，并通过减速器齿轮7连接至驱动轮2。减速器齿轮7包括圆柱齿轮级7a和行星齿轮级7b，其中减速器齿轮7的第一圆柱齿轮级7a用于更高传动比，以接近转子轴173的两个轴端，以提供冷却。实现高冷却能力。该实施方式使得驱动轴(轮内设计)和磁滞驱动器170的封装小。需要柔性软管12将冷却器8a和泵8b与磁滞机17的冷却通道174连接。另外，磁滞机17通过柔性电缆13电连接至控制装置18。

图3中示出根据本发明第三实施方式的电动车1。车辆1包括具有径向通量外部转子17a和轴向空气转子冷却的车轮集成式直接磁滞驱动器170。

反转的内部定子17b、外部转子17a以及大量的电极能够降低转子芯172a(例如，铝镍钴)的重量，并提高整体扭矩密度。冷却空气可通过外部源(例如，车轮风扇或车辆空气导流板)经由转子7a的冷却通道174来供给。该实施方式使驱动轴(轮内设计)的封装小、效率高并且噪音低(没有齿轮系)。磁滞机17通过柔性电缆13电连接至控制装置18。

根据图5至图6中所示的第四和第五实施方式，磁滞机17实施为具有第一定子部分17b’和第二定子部分17b”的双侧轴向机，其中转子17a中的冷却通道174主要具有径向方向。

图4和图5中所示车辆1包括具有减速器齿轮7和转子17a的径向空气冷却的车轮集成式高速轴向通量磁滞驱动器170。磁滞机17包括轴向通量双侧定子17b(以平衡磁力)，以及盘形转子17a，其中转子17a包括活性铝镍钴层，层之间具有径向空气冷却通道174。通过转子17a的旋转经由冷却通道174泵送离心冷却空气流。减速器齿轮7设计为行星齿轮级7b。这使高速磁滞驱动器170的尺寸和重量小，并使驱动轴(轮内设计)的封装小。如前，磁滞机17通过柔性电缆13电连接至控制装置18。

图6示出了根据本发明第五实施方式的电动车1，具有车轮集成式直接磁滞驱动器170，该驱动器具有磁滞机17的转子17a的径向空气冷却以及轴向通量。磁滞机17包括为平衡磁力的轴向通量双侧定子17b，以及盘形转子17a，其中转子17a包括活性铝镍钴(磁钢)层，各层之间具有径向空气冷却通道174。类似于第四实施方式，通过转子17a的旋转经由冷却通道174泵送离心冷却空气流。与第四实施方式不同，没有减速器齿轮，但是磁滞机17的转子17a安装在驱动轮2的轮毂2a上，并直接连接至驱动轮2。这使驱动轴(轮内设计)的封装小，效率更高并且噪声更小(没有齿轮系)。同样，磁滞机17通过柔性电缆13电连接至控制装置18。

图7示出了磁滞机17的实例，其中转子17a同心地布置在所述外部定子17b的孔171内，并包括由硬磁材料(例如，铝镍钴合金)制成的芯172a和转子轴173，它们彼此连接以具有扭矩传递的能力。转子17a包括至少一个用于冷却介质的通道174，该通道在由钢制成的第一轴端175a处具有至少一个入口，在例如由铝合金制成的第二轴端175b处具有至少一个出口174b。转子17a的冷却介质可为传动油。图7中冷却介质经由通道174的流动由箭头S指示。

入口174a和出口174b与轴线173a同心地布置，其中所述入口174a和出口174b通过绕着轴线173a布置的多个对角线孔174c、174d液压地连接至冷却套管176。环形冷却套管176布置在转子轴173的径向表面上。

转子芯172a形成为管，其中该管由各向异性硬磁材料组成。磁场范围以最高抗磁力沿转子圆周指向的方式定向。如图9中所示，转子芯172a包括在管的第一轴端175a上的多个齿182，其中转子芯172a以正向锁定(可靠锁定)的方式连接至轴173，以用于扭矩传递。转子芯172a以如下方式安装在轴173上，即冷却介质从冷却套管176直接接触转子芯172a的内表面，从而使热量能够从转子芯172a传递，如图7中小箭头H所示。转子芯172a的末端在两侧上密封冷却套管176。

转子轴173还包括绕其轴线形成的分离的空气腔177。该腔177与环形转子冷却套管176密封。

转子轴173还包括安装在其上的一对轴承178a、178b，并将转子17a定位在定子孔171中。具有出口174b的在轴侧上的轴承178b借助分离套筒178c安装，所述分离套筒由具有比钢低的热传导的材料(例如，聚酰胺或陶瓷)制成。

定子17b包括由软磁材料制成的铁芯172b和连接至控制装置18的功率逆变器的多个线圈179a，以具有在定子孔171内形成多极可旋转磁场的机会。

定子17b包括半封闭式径向槽180，定子绕阻179布置为双层。如图8所示，定子17b的线圈179a、179b由矩形铜丝形成。

磁滞驱动器170还包括扭矩传递装置，具有固定在转子轴173上的驱动构件181，意欲与从动构件接合，例如圆柱齿轮系24。从动构件的旋转轴线24a(图1)远离转子17a的轴线173a放置。驱动构件181和从动构件例如配置为齿轮或链齿轮。

如果磁滞驱动器170操作为驱动模式，那么定子磁场的旋转速度等于转子17a的旋转速度。电机通量至少由周期性地施加至定子17b的通量电流分量Id控制。

如果磁滞驱动器17操作为制动模式，并且输出电功率不超过DC连接19的瞬时功耗，那么定子场的旋转速度n_F等于转子17a的旋转速度n_R，其中电机通量至少由周期性地施加至定子17b的通量电流分量I_d控制。

如果磁滞驱动器17操作为制动模式，并且在定子场与转子17a的同步速度下的输出电势能超过DC连接19的瞬时功耗，那么定子场的旋转速度n_F保持为低于转子17a的旋转速度n_R，其中磁滞驱动器170的实际输出电功率不超过在被保持的速度时DC连接19的瞬时功耗。

至少在如果磁滞驱动器170在制动模式中操作并且定子场与转子17a的速度同步时的输出电势能超过DC连接19的瞬时功耗的情形下，通过转子17a中的通道174供给冷却介质。

图10示出了磁滞驱动器170的速度n-扭矩T图，具有同步驱动模式DM、同步再生制动模式BM1和异步(磁滞)制动模式BM2。F1和F2表示由于DC电压限制而在通量薄弱区域中的功率极限。FM1和FM2表示同步模式中的扭矩极限。最大扭矩受到使转子消磁的最大剩磁通量和定子反应的限制。WSL表示车轮打滑极限。

在磁滞驱动器170过励磁的情形下，驱动模式DM和再生制动模式BM1时可获得高效率。正通量电流I_d的短时周期性脉冲被应用至定子17b，以磁化转子17a。在磁化之后，正通量电流I_d分量可被释放，从而降低定子损失，提高磁滞驱动器170的功率因数。当速度n增加，并且反电动势更接近最大逆变输出电压时，负通量电流I_d的短时周期性脉冲被应用至定子17b，以消磁转子17a。同步模式中的扭矩T通过场磁分量提供，该场磁分量与电机通量和扭矩电流分量I_d成比例。

当所需制动功率超过磁滞驱动器170的最大容量(在同步再生制动模式BM1中)时，定子场旋转速度n_F(与逆变器输出频率成比例)应当被限制。反电动势和电磁功率以这样方式限制，因为它们与场旋转速度成比例。轴功率与定子电磁功率之间的差异消散在转子芯172a中，并且被冷却介质疏散。

异步制动模式BM2中的扭矩通过磁滞扭矩与涡流扭矩的和来提供。磁滞扭矩与转子芯材料的较小磁滞回路面积成比例，并不依赖于打滑。涡流扭矩依赖于打滑。异步模式中的两个扭矩分量都依赖于定子电流，并可通过改变所述电流来控制。因为同步模式(没有来自定子电流的磁化)BM1中的剩磁通量比异步模式(有磁化)BM2中的低，所以异步模式BM2中的最大扭矩比同步模式BM1中的高。涡流对产生的扭矩的影响依赖于设计参数、磁通势和打滑速度，图10中未示出。

图10中，磁滞驱动器170的操作点被图示为磁滞制动模式实例，其中示出了转子17a的速度n_R、定子场旋转速度n_F和转差速度n_S。

Claims

1.一种用于操作电动车(1)的方法，所述电动车具有至少一个电机，所述电机具有定子(17b)和带转子芯(172)的转子(17a)，所述转子(17a)与至少一个驱动轮(2)运动学地连接，所述电机连接至控制装置(18)和电池，其特征在于，所述电机设计为磁滞机(17)，所述转子(17a)的转子芯(172a)由硬磁材料形成，其中：

-如果所述电动车(1)操作为制动模式，并且所述磁滞机(17)的输出电功率不超过所述控制装置(18)和/或电池的瞬时功率容量，那么所述控制装置(18)以如下方式操作，所述定子(17b)的电磁场的旋转速度等于所述转子(17a)的旋转速度，其中磁通量由至少周期性地施加至所述定子(17b)的通量电流分量(I_d)来控制；

-如果所述电动车(1)操作为制动模式，并且在所述定子的电磁场的旋转速度与所述转子(17a)的旋转速度同步时所述磁滞机(17)的潜在输出电功率超过所述控制装置(18)和/或电池的瞬时功率容量，那么所述控制装置(18)以如下方式操作，所述定子(17b)的电磁场的旋转速度保持为低于所述转子(17a)的旋转速度，其中所述磁滞机(17)的实际输出电功率不超过在被保持的速度时所述控制装置(18)和/或电池的瞬时功率容量。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述转子(17a)通过冷却介质在制动模式中被冷却，其中至少在如果所述电动车(1)操作于制动模式并且所述磁滞机(17)在所述定子(17b)的电磁场的旋转速度与所述转子(17a)的旋转速度同步时的潜在输出电功率超过所述控制装置(18)的瞬时功率容量的情形下，通过所述转子(17a)中的至少一个冷却通道(174)供给所述冷却介质。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，如果所述电动车(1)操作于行驶模式，那么所述磁滞机(17)的定子(17b)电磁场的旋转速度等于其转子(17a)的旋转速度，其中所述磁通量由至少周期性地施加至所述定子(17b)的通量电流分量(I_d)来控制。