CN107623392A - 一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，包括轮毂电机、信号采集电路、核心控制单元和驱动电路，所述轮毂电机具有内定子，所述内定子上设有补偿绕组，所述驱动电路具有驱动桥臂，所述驱动桥臂与补偿绕组电连接，所述信号采集电路和驱动电路分别与核心控制单元相连，所述信号采集电路采集轮毂电机的电压、电流以及补偿绕组的电流并将采集信号发送至核心控制单元，所述核心控制单元根据接收到的采集信号向驱动桥臂输出PWM驱动信号闭环控制补偿绕组的电流大小，补偿绕组产生与轮毂电机磁场相叠加的补偿磁场，这样就可以消除轮毂电机的电磁扭矩脉动现象，作为常规悬挂减震器的补充装置以进一步改善电动车辆的垂向特性。

Description

一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机

本发明专利申请是发明创造名称“一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置”的分案申请，原申请的申请日为2015年12月28日，申请号为2015110029960。

技术领域

本发明涉及电动汽车，尤其是一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置。

背景技术

轮毂电机是一种内定子、外转子形式的电机，其动力、传动和制动装置都整合在轮毂内，因此将电动车辆的机械部件大大简化，与传统集中驱动形式相比，独立的轮边/轮毂驱动形式具有独特的性能优势，如良好的机动性，简化的传动机构，极高的传动效率，较高的车身内部空间利用率以及良好的动力学性能等。

但由于常规轮边驱动电动车的轮毂电机和车轮刚性相连，其质量构成整车的非簧载质量，使整车簧载质量和非簧载质量之比过小，不利于悬架系统的调校，影响了整车的垂向性能。当车辆重载或者高速通过路况差的路面时，路面对车轮的冲击与振动通过轮毂电机直接传递到悬架，使得行驶平顺性和车体稳定性变差。

为了改善车辆轮毂电机垂向振动带来的不利影响，提高车辆行驶平顺性，国内外相关生产厂商主要从悬架材质轻量化、电机本体动态阻尼吸收、主动/半主动悬架等方面解决轮毂驱动电动汽车的垂向负效应。目前，较成熟的技术方案是在车架悬挂侧对轮毂电机及悬挂整体结构采取减震措施。

然而，在车架悬挂侧采取减震措施后，车辆行驶平顺性和车体稳定性虽然得到了改善，但是，当车体重量的垂向载荷施加到轴承上时，轴承的形变会引起轮毂电机内定子和外转子偏心，使垂直方向上的气隙磁场发生畸变，由于轴承具有较强的刚度，轴承的物理形变非常小，由偏心引起的机械振动可以忽略不计，但磁场对定转子之间的气隙距离较敏感，较小的偏心距会引起较大的磁密变化，造成轮毂电机产生电磁扭矩脉动现象，从而影响切线方向上的电磁转矩。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，可以消除轮毂电机的电磁扭矩脉动现象。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，包括轮毂电机、信号采集电路、核心控制单元和驱动电路，所述轮毂电机具有内定子，所述内定子上设有补偿绕组，所述轮毂电机还包括外转子、轴承、电机轴和端盖，所述端盖与外转子固定连接，所述内定子与电机轴固定连接，所述端盖上设有轴承，所述电机轴与轴承配合连接，所述驱动电路具有驱动桥臂，所述驱动桥臂与补偿绕组电连接，所述信号采集电路和驱动电路分别与核心控制单元相连，所述信号采集电路、核心控制单元和驱动电路集成为一体形成电机控制器，所述信号采集电路采集轮毂电机的电压、电流以及补偿绕组的电流并将采集信号发送至核心控制单元，所述核心控制单元根据接收到的采集信号向驱动桥臂输出PWM驱动信号闭环控制补偿绕组的电流大小，补偿绕组产生与轮毂电机磁场相叠加的补偿磁场。

进一步的，所述补偿绕组为两组相互并联且匝数相同的单相线圈，所述内定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在垂直方向上设有两组定子槽，每组定子槽中嵌套一组单相线圈，两组单相线圈同向设置。

进一步的，所述信号采集电路包括采集轮毂电机电压的电压传感器、采集轮毂电机电流和补偿绕组电流的电流传感器以及调理电路，所述调理电路将电压传感器和电流传感器的采集信号经过调理后输出至核心控制单元。

进一步的，所述驱动电路具有三相桥臂，所述轮毂电机具有三相进线端，所述三相桥臂对应连接轮毂电机的三相进线端，所述核心控制单元连接三相桥臂输出三路PWM驱动信号控制轮毂电机的转速和扭矩。

进一步的，所述轮毂电机电磁减震装置还包括车载电源，所述车载电源包括蓄电池组和电源变换器，所述蓄电池组通过直流母线连接驱动电路输出高压直流电，所述电源变换器连接驱动电路的直流母线将高压直流电转换为低压直流电，电源变换器的输出端连接信号采集电路、核心控制单元和驱动电路。

进一步的，所述驱动桥臂采用IGBT或MOSFET作为开关器件。

进一步的，所述轮毂电机为永磁无刷直流电机或永磁同步电机。

本发明的有益效果为：

通过在轮毂电机内定子上设置补偿绕组，核心控制单元根据信号采集电路采集到的轮毂电机的电压、电流以及补偿绕组的电流输出PWM驱动信号给驱动桥臂闭环控制补偿绕组的电流大小，补偿绕组的电流激发补偿磁场，该补偿磁场与轮毂电机因轴承形变形成的畸变磁场叠加，实现轮毂电机畸变磁场的实时补偿，使轮毂电机周向磁密的分布更均匀，从而减小转矩脉动，改善电动车辆的垂向特性，提高了车辆行驶的平顺性。

本发明的具体技术效果将在具体实施方式中予以进一步说明。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步描述：

图1是本发明一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置中轮毂电机一种视角的剖视图；

图2是本发明一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置中轮毂电机另一种视角的剖视图；

图3是本发明一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置的电气连接图；

图4是本发明一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置的结构流程图；

图5是本发明一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

如图1至图4所示，一种电动汽车的轮毂电机电磁减震装置，包括车载电源1、信号采集电路2a、核心控制单元2b、驱动电路2c和轮毂电机3，轮毂电机3包括外转子31、内定子33、轴承34、电机轴35和端盖36，内定子33设在外转子31的内周，端盖36与外转子31固定连接，内定子33与电机轴35固定连接，端盖36上设有轴承34，电机轴35与轴承34配合连接，外转子31的内周面上设有永磁体31a，轮毂电机3为永磁无刷直流电机或永磁同步电机，外转子31的内周面与内定子33的外周面之间具有气隙32，当车体重量的垂向载荷施加到轴承上时，轴承34的形变会引起轮毂电机3的内定子33和外转子31偏心，使垂直方向上的气隙磁场发生畸变。

为了修正轮毂电机3的畸变磁场，轮毂电机3的内定子33上设有补偿绕组4，补偿绕组4为两组相互并联且匝数相同的单相线圈，内定子33包括定子铁芯，定子铁芯在垂直方向上设有两组定子槽，每组定子槽中嵌套一组单相线圈，一组定子槽包括两个定子槽，每个定子槽上设有开口，单相线圈穿过定子槽的开口进行绕制，两组单相线圈同向设置，由于两组单相线圈设在定子铁芯的垂直方向上，两组单相线圈通电后就可以激发垂直方向的补偿磁场，该补偿磁场与轮毂电机3的畸变磁场相叠加，实现畸变磁场的补偿。

为了精确控制补偿绕组4的补偿磁场的强度对轮毂电机3不同畸变程度的畸变磁场进行相适应的补偿，驱动电路2c为PWM功率驱动模块并且其具有驱动桥臂，驱动桥臂与补偿绕组4电连接，为了提高驱动桥臂的开关响应速度，驱动桥臂优选采用IGBT或MOSFET作为开关器件，信号采集电路2a和驱动电路2c分别与核心控制单元2b相连，核心控制单元2b采用单片机或DSP芯片构成的微处理器，信号采集电路2a采集轮毂电机3的电压、电流以及补偿绕组4的电流并将采集信号发送至核心控制单元2b，信号采集电路2a包括采集轮毂电机3电压的电压传感器、采集轮毂电机3电流和补偿绕组4电流的电流传感器以及调理电路，调理电路将电压传感器和电流传感器的信号经过调理后输出至核心控制单元2b，核心控制单元2b根据接收到电压和电流采集信号向驱动桥臂输出PWM驱动信号闭环控制补偿绕组4的电流大小，驱动桥臂上具有功率元件，该功率元件通过PWM驱动信号控制输出的电流大小，通过控制补偿绕组4的电流大小控制补偿绕组4激发的补偿磁场的强度，实现轮毂电机3畸变磁场的精确补偿，使轮毂电机3周向磁密的分布更均匀，从而减小转矩脉动，改善电动车辆的垂向特性，提高了车辆行驶的平顺性。

为了提高电路集成度，缩小电路体积，信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c优选集成为一体形成电机控制器2，车载电源1包括蓄电池组1a和电源变换器1b，蓄电池组1a通过直流母线连接驱动电路2输出高压直流电，电源变换器1b从驱动电路2的直流母线获取高压直流电压再降压为低压直流电，电源变换器1b的输出端连接信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c，根据信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c的额定电压要求，电源变换器1b采用DC-DC电源变换器的降压装置将高压直流电转换为15V和5V的低压直流电对信号采集电路2a、核心控制单元2b和驱动电路2c进行供电。

为了进一步提高电路集成效率，轮毂电机3的转速和扭矩也通过电机控制器2进行控制，驱动电路2c具有三相桥臂，轮毂电机3具有三相进线端，三相桥臂对应连接轮毂电机3的三相进线端，核心控制单元2b连接三相桥臂输出三路PWM驱动信号控制轮毂电机3的转速和扭矩，电压传感器和电流传感器也连接轮毂电机3的三相进线端采集电压信号和电流信号。

如图5所示，一种轮毂电机驱动的电动汽车轮毂侧电磁减震控制方法，包括以下步骤：

电信号采集：信号采集电路2a采集轮毂电机3的实时电压、电流以及补偿绕组4的实时电流并将采集到的电信号发送至核心控制单元2b，核心控制单元2b根据电信号计算得到轮毂电机3的磁场磁链信号；S1

FFT分析：使用FFT快速傅里叶变换法对电机磁链进行分析，按频率抽取磁场波形中与汽车车轮转速有关的频率成分，并对其幅值进行标定；S2

双闭环控制：包括外闭环控制和内闭环控制，外闭环控制为核心控制单元2b以零幅值作为输入量以步骤S2中标定的幅值作为外闭环控制信号计算出补偿绕组4的补偿电流期望值，内闭环控制为核心控制单元2b以补偿电流期望值作为输入量以信号采集电路2a采集的补偿绕组4的实时电流为内闭环控制信号输出PWM驱动信号给驱动桥臂，对补偿绕组4的补偿电流进行闭环控制；S3

磁场补偿与振动消除：补偿绕组4获得补偿电流后激发出补偿磁场，补偿磁场与轮毂电机3的畸变磁场叠加实现畸变磁场的补偿。S4

步骤S1中核心控制单元2b计算得到轮毂电机3的磁场磁链信号的计算公式为：ψ＝∫(u-R_si)·dt，其中，ψ为轮毂电机磁链，u为轮毂电机绕组端电压，i为轮毂电机绕组线电流，Rs为轮毂电机绕组相电阻。

步骤S2中对磁链信号进行FFT快速离散傅里叶变换，获得磁链信号中各频率成分的幅值，获得的磁链信号中包含电机基频电频率、二倍电频率、六倍电频率以及高频开关频率成分，针对本发明所涉及的偏心轮毂电机则还有较显著的电机机械频率成分，该频率与车轮旋转频率相同，电机机械频率与电机基频电频率的关系取决于轮毂电机的磁极对数，由核心控制单元2b进行计算，具体的计算公式为：其中，Ω为轮毂电机机械频率，ω为轮毂电机基频电频率，p为轮毂电机极对数。由于轮毂电机包含较多的磁极，因此该成分的频率远低于所有电信号，核心控制单元2b可实现数字滤波器功能，用数字滤波器提取该低频成分并标定为震动特征信号。

步骤S3中核心控制单元2b的双闭环控制为双PID闭环控制，该控制过程的外闭环控制信号是震动特征信号，即磁场在特定频率下的磁密幅值信号，该信号与零振幅的理想震动特性进行差分运算，并通过一个PI调节器，输出补偿绕组4所需的补偿电流期望值，对补偿绕组的补偿电流期望值进行闭环控制；该控制过程的内闭环控制信号是由电流传感器检测出补偿绕组4的电流信号，该电流信号与指令电流进行差分运算，通过一个带限幅功能的PI调节器，输出驱动桥臂所需的PWM占空比信号，对补偿绕组的补偿电流进行闭环控制，从而实现精确控制补偿绕组4的电流，其中的差分运算和PI调节器均通过核心控制单元2b的数字运算实现，其基于单片机或DSP进行设计，具体不做赘述。

步骤S4具体的，补偿电流在补偿绕组4上产生垂直方向的磁场，该磁场与轮毂电机3的畸变磁场叠加后能够改善畸变磁场的正弦度，使轮毂电机3的输出转矩脉动降低，震动削弱。核心控制单元2b、电压传感器和电流传感器采用市售的高性能产品，0.2秒内可完成一次步骤S1～步骤S4的循环控制，减震装置处于不断更新的动态调整过程，其响应速度远快于机械响应速度，能够实时补偿车辆载荷变化或路面的震动激励，实现减震功能。

以上就本发明较佳的实施例做了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。本发明不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有变化，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (7)

1.一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，包括轮毂电机、信号采集电路、核心控制单元和驱动电路，所述轮毂电机具有内定子，所述内定子上设有补偿绕组，所述轮毂电机还包括外转子、轴承、电机轴和端盖，所述端盖与外转子固定连接，所述内定子与电机轴固定连接，所述端盖上设有轴承，所述电机轴与轴承配合连接，所述驱动电路具有驱动桥臂，所述驱动桥臂与补偿绕组电连接，所述信号采集电路和驱动电路分别与核心控制单元相连，所述信号采集电路、核心控制单元和驱动电路集成为一体形成电机控制器，其特征在于，所述信号采集电路采集轮毂电机的电压、电流以及补偿绕组的电流并将采集信号发送至核心控制单元，所述核心控制单元根据接收到的采集信号向驱动桥臂输出PWM驱动信号闭环控制补偿绕组的电流大小，补偿绕组产生与轮毂电机磁场相叠加的补偿磁场。

2.根据权利要求1所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述补偿绕组为两组相互并联且匝数相同的单相线圈，所述内定子包括定子铁芯，所述定子铁芯在垂直方向上设有两组定子槽，每组定子槽中嵌套一组单相线圈，两组单相线圈同向设置。

3.根据权利要求1所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述信号采集电路包括采集轮毂电机电压的电压传感器、采集轮毂电机电流和补偿绕组电流的电流传感器以及调理电路，所述调理电路将电压传感器和电流传感器的采集信号经过调理后输出至核心控制单元。

4.根据权利要求1所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述驱动电路具有三相桥臂，所述轮毂电机具有三相进线端，所述三相桥臂对应连接轮毂电机的三相进线端，所述核心控制单元连接三相桥臂输出三路PWM驱动信号控制轮毂电机的转速和扭矩。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述轮毂电机电磁减震装置还包括车载电源，所述车载电源包括蓄电池组和电源变换器，所述蓄电池组通过直流母线连接驱动电路输出高压直流电，所述电源变换器连接驱动电路的直流母线将高压直流电转换为低压直流电，电源变换器的输出端连接信号采集电路、核心控制单元和驱动电路。

6.根据权利要求1所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述驱动桥臂采用IGBT或MOSFET作为开关器件。

7.根据权利要求6所述的一种具有电磁减震装置的电动汽车轮毂电机，其特征在于，所述轮毂电机为永磁无刷直流电机或永磁同步电机。